TP7

REDES CABLEADAS PARA COMUNICACIONES

INDUSTRIALES. PROTOCOLOS, EQUIPAMIENTO

Y APLICACIONES

Grupo 2

Celano, Fernando – 79168

Rubacha, Javier - 81341

Rocabado, Marcelo – 77202

Mariño, Aníbal - 79465

BUS DE CAMPO

Dispositivos de campo: PLCs/PACs, transductores, actuadores, sensores, en general, máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción.

Un bus de campo es un sistema de transmisión de datos entre dispositivos de campo y el equipamiento de control forma de conectar instrumentos en una planta de manufactura.

OBJETIVOS

Reemplazar los sistemas de comunicaciones con señales eléctricas y neumáticas En vez de transmitir cada variable por un par de hilos, transmitir secuencialmente las variables por medio de un cable de comunicaciones (bus de datos). Esto permite trabajar con diferentes topologías de red.

Cada dispositivo de campo debe ser inteligente, en general tendrá un microcontrolador, podrán procesar información sin necesidad de utilizar el sistema central de control para el procesamiento, además de permitir múltiples conexiones entre dispositivos.

VENTAJAS Y DESVENTAJAS

Ventajas:

Requiere mucho menos cableado que una instalación 4-20mA, ya que no se requieren cables dedicados por cada instrumento.

Muchos parámetros pueden ser transmitidos por un bus, a diferencia de 4-20mA, dónde solo un valor puede ser transmitido.

Flexibilidad de extensión (escalable).

Conexión de módulos diferentes en una misma línea.

Distancias operativas superiores al cableado tradicional.

Reducción de costos de mantenimiento.

Desventajas:

Necesidad de conocimientos superiores.

Costos globales inicialmente superiores.

Gran cantidad de protocolos gran cantidad de instrumentos incompatibles entre si.

Testeo requiere instrumentos complejos y costosos.

POSICIÓN EN JERARQUÍA DE RED

CLASIFICACIÓN

Alta velocidad, baja funcionalidad:

Buses para conectar dispositivos simples, como fotocélulas o relés, en aplicaciones de tiempo real. Comprenden las capas física y de enlace del

modelo OSI

Alta velocidad y funcionalidad media:

Envío de bloques de datos de tamaño medio. Pueden controlar dispositivos de campo complejos.

Buses de altas prestaciones:La capa de presentación ofrece servicios al usuario:Recuperación de datos desde el esclavo con un límite máximo de tiempo.Capacidad de direccionamiento Unicast, Multicast y Broadcast.Petición de servicios a los esclavos basada en eventos.Comunicación de variables y bloques de datos orientada a objetos.Descarga y ejecución remota de programas.Altos niveles de seguridad de la red, opcionalmente con procedimientos de

autentificación.Conjunto completo de funciones de administración de la red.

ESTÁNDARDS MÁS USADOS

Altas prestaciones:

MODBUS

PROFIBUS

FIELDBUS FUNDATION

Baja funcionalidad:

AS-INTERFACE

CAN

SDS

Funcionalidad media:

DEVICENET

PROTOCOLOS DE BAJA FUNCIONALIDAD

Can-Bus

SDS

AS-interface

CAN-BUS

Controller Area Network

Can-Bus es un protocolo de comunicación en serie desarrollado por Bosch (se debe pagar la licencia) para el intercambio de información entre unidades de control electrónicas y sensores del automóvil.

Se basa en el modelo productor/consumidor

CAN es un protocolo orientado a mensajes, es decir la información que se va a intercambiar se descompone en mensajes, a los cuales se les asigna un identificador y se encapsulan en tramas para su transmisión

CAN-BUS – PRINCIPALES

CARACTERISTICAS La información que circula entre las unidades de mando a través

de los dos cables (bus) son paquetes de 0 y 1 (bit) con una longitud limitada y con una estructura definida de campos que conforman el mensaje.

Uno de esos campos actúa de identificador del tipo de dato que se transporta, de la unidad de mando que lo trasmite y de la prioridad para trasmitirlo respecto a otros. El mensaje no va direccionado a ninguna unidad de mando en concreto, cada una de ellas reconocerá mediante este identificador si el mensaje le interesa o no.

Todas las unidades de mando pueden ser trasmisoras y receptoras, y la cantidad de las mismas abonadas al sistema puede ser variable (dentro de unos límites).

CAN-BUS – PRINCIPALES

CARACTERISTICAS Si la situación lo exige, una unidad de mando puede solicitar a otra

una determinada información mediante uno de los campos del mensaje (trama remota o RDR).

Cualquier unidad de mando introduce un mensaje en el bus con la condición de que esté libre, si otra lo intenta al mismo tiempo el conflicto se resuelve por la prioridad del mensaje indicado por el identificador del mismo.

El sistema está dotado de una serie de mecanismos que aseguran que el mensaje es trasmitido y recepcionado correctamente. Cuando un mensaje presenta un error, es anulado y vuelto a trasmitir de forma correcta, de la misma forma una unidad de mando con problemas avisa a las demás mediante el propio mensaje, si la situación es irreversible, dicha unidad de mando queda fuera de servicio pero el sistema sigue funcionando.

CAN-BUS - PROTOCOLO

De acuerdo al modelo de referencia OSI la arquitectura de protocolos CAN incluye tres capas: física, de enlace de datos y aplicación.

CAN-BUS – CAPA FÍSICA

La información circula por dos cables trenzados que unen todas las

unidades de control que forman el sistema. Esta información se trasmite por

diferencia de tensión entre los dos cables, de forma que un valor alto de

tensión representa un 1 y un valor bajo de tensión representa un 0. La

combinación adecuada de unos y ceros conforman el mensaje a trasmitir.

CAN-BUS – ESTRUCTURA DEL MENSAJE

CAN-BUS - ARBITRAJE

CAN-BUS – ESTRUCTURA DEL MENSAJE

Campo de inicio del mensaje: El mensaje se inicia con un bit dominante, cuyo flanco descendente es utilizado por las unidades de mando para sincronizarse entre sí.

Campo de arbitrio: Los 11 bit de este campo se emplean como identificador que permite reconocer a las unidades de mando la prioridad del mensaje. Cuanto más bajo sea el valor del identificador más alta es la prioridad, y por lo tanto determina el orden en que van a ser introducidos los mensajes en la línea

El bit RTR indica si el mensaje contiene datos (RTR=0) o si se trata de una trama remota sin datos (RTR=1). Una trama de datos siempre tiene una prioridad más alta que una trama remota.

La trama remota se emplea para solicitar datos a otras unidades de mando o bien porque se necesitan o para realizar un chequeo.

Campo de control: Este campo informa sobre las características del campo de datos. El bit IDE indica cuando es un “0” que se trata de una trama estándar y cuando es un “1” que es una trama extendida. Los cuatro bit que componen el campo DLC indican el número de bytes contenido en el campo de datos.

La diferencia entre una trama estandar y una trama extendida es que la primera tiene 11 bits y la segunda 29 bits. Ambas tramas pueden coexistir eventualmente, y la razón de su presencia es la existencia de dos versiones de CAN.

Campo de datos: En este campo aparece la información del mensaje con los datos que la unidad de mando correspondiente introduce en la linea Can-Bus. Puede contener entre 0 y 8 bytes (de 0 a 64 bit).

Campo de aseguramiento (CRC): Este campo tiene una longitud de 16 bit y es utilizado para la detección de errores por los 15 primeros, mientras el último siempre es un bit recesivo (1) que delimita el campo CRC.

Campo de confirmación (ACK): El campo ACK esta compuesto por dos bit que son siempre trasmitidos como recesivos (1). Todas las unidades de mando que reciben el mismo CRC modifican el primer bit del campo ACK por uno dominante (0), de forma que la unidad de mando que está todavía trasmitiendo reconoce que al menos alguna unidad de mando ha recibido un mensaje escrito correctamente. De no ser así, la unidad de mando trasmisora interpreta que su mensaje presenta un error.

Campo de final de mensaje (EOF): Este campo indica el final del mensaje con una cadena de 7 bits recesivos.

Puede ocurrir que en determinados mensajes se produzcan largas cadenas de ceros o unos, y que esto provoque una pérdida de sincronización entre unidades de mando. El protocolo CAN resuelve esta situación insertando un bit de diferente polaridad cada cinco bits iguales: cada cinco “0” se inserta un “1” y viceversa. La unidad de mando que utiliza el mensaje, descarta un bit posterior a cinco bits iguales. Estos bits reciben el nombre de bit stuffing.

CAN-BUS - GRAFICO

CAN-BUS - APLICACIONES

Comunicación entre dispositivos del automovil.

Trenes

Maquinaria Industrial

Equipos Médicos

Maquinas en restaurantes (ej: maquinas de café)

Equipos de laboratorio e investigaciones

SDS

Smart Distributed System

• Basado en CAN (capas física y de enlace)

• Desarrollado por el fabricante de sensores industriales Honeywell

en 1989.

• Incorpora en la capa física la alimentación de dispositivos en las

conexiones.

• La capa de aplicación define autodiagnóstico de nodos,

comunicación por eventos y prioridades de alta velocidad.

Según Honeywell, el atributo mss significativo de SDS es la

simplicidad. Su protocolo, fácil de entender, permite a los

usuarios implementar fácilmente redes del mundo real y a los

fabricantes de dispositivos

SDS

Soporta velocidades hasta 1 Mbps.

500 mts distancia máxima a 125 kBaud

Puede soportar hasta 64 nodos por red sin repetidor y 126 con repetidor

Alimentación de 12-24VDC, 2 cables de alimentacion + 2 cables de comunicación

Cada nodo puede tener 32 objetos con atributos, acciones y eventos.

Heartbeat de red para conocer el estado de los nodos cada 2.5 segundos.

AS-INTERFACE

Fue diseñado en 1990 como una alternativa económica al cableado tradicional. La idea original fue crear una red simple para sensores y actuadores binarios, capaz de transmitir datos y alimentación a través del mismo bus, manteniendo una gran variedad de topologías que faciliten la instalación de los sensores y actuadores en cualquier punto del proceso con el menor esfuerzo posible.

AS-INTERFACE

Las especificaciones de AS-i se encuentran actualmente en su versión 3.0. Éstas son de carácter abierto, lo que significa que cualquier fabricante puede obtener una copia de las mismas para elaborar sus productos

AS-i se sitúa en la parte más baja de la pirámide de control, conectando los sensores y actuadores con el maestro del nivel de campo.

Sistema de intercambio de datos basado en master-call

AS-I CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES

Especificaciones abiertas (http://as-interface.net/academy/content/sys/start/start_asi.en.html)

A través del cable AS-i se transmiten tanto los datos como la alimentación.

Cableado sencillo y económico.

Fácil montaje, con perforación de aislamiento.

Gran flexibilidad de topología

Reacción rápida: máximo 5ms para intercambiar datos con hasta 31 esclavos.

Velocidad de transferencia de datos de 167 Kbits/s.

Máximo 100m por segmento, con posibilidad de extensión hasta 3 segmentos (300m).

Permite conectar hasta 124 sensores y 124 actuadores con módulos estándar.

Permite conectar hasta 248 sensores y 186 actuadores con módulos extendidos.

Temperatura de funcionamiento entre -25ºC y +85ºC.

Transmisión por modulación de corriente, lo cual garantiza un alto grado de seguridad.

AS-I COMPONENTES

Exactamente 1 maestro de red, en general es un Gateway a una red industria de mayor nivel

Escalvos de red: entradas y salidas.

Una fuente de alimentación usada para alimentar a los equipos y permitir la comunicación con el maestro.

El cableado: en la mayoría de los casos implementado con el cable plano amarillo característico

AS-I CABLE

•Conectable por perforación de asilamiento.

•Codificación mecánica para evitar los cambios de polaridad, es

decir, el perfil del cable es asimétrico, lo que impide que sea

conectado de forma inadecuada a los restantes dispositivos de

la red.

•Grado de protección IP65/67.

•Autocicatrizante, lo que permite la desconexión segura

de los esclavos manteniendo el grado de protección

IP65/67.

AS-I IMÁGENES

PROFIBUS

Es un estándar de bus de campo abierto, independiente del fabricante.

Lider de los sistemas basados en bus de campo en Europa.

Empleado para interconexión de dispositivos digitales de campo de E/S simples con PLCs y PCs

Puede ser usado tanto para transmisión crítica en el tiempo de datos, a alta velocidad, como para tareas de comunicación extensas y complejas. Esta versatilidad viene dada por las tres versiones compatibles que componen la familia PROFIBUS (ver figura)

FAMILIA PROFIBUS Profibus-DP (Periferia Descentralizada): Intercambio de datos rápido y

cíclico.

Profibus-PA (Automatización de Procesos): tecnologia apta para ambientes

peligrosos y con riesgo de explosión.

Profibus-FMS (Fieldbus Messages Specifications): Comunicaciones de

propósito general, supervisión, configuración, etc. Transmisión de grandes

cantidades de datos: programas y bloques de datos

PROFIBUS

La arquitectura protocolar esta orientada al sistema OSI

modelo de referencia. Basada solo en tres niveles 1, 2 y 7.

En este modelo cada capa realiza tareas definidas de forma

precisa.

MODBUS

Nació como una marca registrada de Gould Inc. y

posteriormente fue adquirida por el grupo Schneider quien

liberó el protocolo en el año 2000.

De gran flexibilidad, se adapta con facilidad a diferentes

arquitecturas de redes, y de fácil aplicación.

Posicionado en la capa de aplicación o nivel 7 del modelo

OSI, es un protocolo de comunicaciones tipo

cliente/servidor entre dispositivos conectados

sobre diferentes tipos de

redes.

MODBUS

Existen tres tipos de implementación:

Transmisión serial asincrónica: sobre diferentes medios

como cable, fibra óptica y radio.

Modbus Plus: sobre redes de alta velocidad.

TCP/IP: sobre Ethernet.

Introducido originalmente en 1994 por Allen Bradley, DeviceNet transferido su tecnología a ODVA en 1995. (Open DeviceNet Vendor Association) es una organización sin fines de lucro formada por cientos de empresas en todo el mundo que mantiene, promueve y difunde la DeviceNet y redes basadas en el CIP (Common Industrial Protocol) los miembros de la actualidad, 300 empresas están registradas, y 800 más en ofrecer productos de DeviceNet de todo el mundo.

CARACTERISTICAS DE LA RED

Topología basada en la línea del tronco (tronco principal) con droplines (derivaciones).

La troncal debe ser de un grueso cable DeviceNet y el droplines con un cable delgado y plano. Cables similares podrán utilizarse siempre que sus características eléctricas y mecánicas son compatibles con las especificaciones de los cables DeviceNet.

Permite el uso de repetidores, puentes, enrutadores y puertas de enlace.

Soporta hasta 64 nodos, incluyendo el capitán, se dirigió a 0-63 (MAC ID).

Haga doble par de cables: uno para la energía de 24V y el otro para la comunicación.

La inserción y extracción en caliente por el proceso, sin molestar a la red.

Compatible con equipos alimentados por 24V de red o que tengan su propia fuente.

Usa conectores abiertos o cerrados.

Protección contra la inversión de las conexiones y los circuitos cortos.

Ccapacidad de la red de alta corriente (hasta 16 A).

Velocidad de comunicación seleccionable: 125, 250 e 500 kbps.

La comunicación basada en las conexiones I / O y la pregunta y el modelo de respuesta.

Diagnóstico para cada equipo y la red.

Eficiente de transporte de datos de control discreto y analógico.

Detección de dirección de red se duplica.

Extremadamente robusto mecanismo de comunicación para la interferencia electromagnética.

TOPOLOGIA

LA CAPA DE ENLACE DE DATOS

DeviceNet utiliza el estándar CAN sobre la capa de enlace de datos. Los datos generales mínimos exigidos por el protocolo CAN en la capa de enlace de datos mejora el trabajo DeviceNet cuando se trata de mensajes. El marco de datos DeviceNet usa sólo un tipo de trama de datos del protocolo CAN (entre otros ya existentes). El protocolo utiliza un ancho de banda mínimo para transmitir mensajes de PIC.

El formado de la trama de datos DeviceNet se muestra en la figura.

Fieldbus Foundation

A finales de 1994, la ruta de bus de campo tomó una nueva dirección, con la promesa. Dos

consorcios de proveedores en paralelo al proyecto de sistemas interoperables de Internet (ISP) y

WorldFIP América del Norte-se unieron para formar la Fieldbus Foundation.

Trabajo brazo en brazo, fabricantes, usuarios finales, las instituciones académicas y otras partes

interesadas se convirtieron en miembros de la Fieldbus Foundation y desarrollado

especificaciones abiertas, no-propietario conocido como Foundation Fieldbus. Esta solución

avanzada de la comunicación digital ha sido diseñado desde cero para apoyar las aplicaciones de

control de misión crítica en la transferencia y manejo de datos es esencial. Tecnología de la

Fundación fue creada para sustituir a las redes y los sistemas incompatibles con una arquitectura

abierta, totalmente integrado para la integración de la información y la distribución, control en

tiempo real toda la empresa.

Con la tecnología de la Fieldbus Foundation, los usuarios obtuvieron el poder para implementar el

control digital totalmente integrado basado en una arquitectura de sistema unificado y una red

troncal de alta velocidad para operaciones de la planta. Esto, a su vez, eliminó las restricciones

experimentado previamente en el dispositivo y la interoperabilidad del subsistema.

CARACTERISTICAS DE LA RED

Multidrop wiring soporta hasta 32 dispositivos, sin embargo lo típico ( limitaciones de voltaje y corriente

) es de 16 dispositvos.

Lleva la energía por el mismo cable

Puede reutilizar cables existentes

Soporta Seguridad intrínseca

Control deterministico

Mantiene informado al usuario

H1 31.25 Kbit/sec

TOPOLOGIA

LA CAPA DE ENLACE DE DATOS

Foundation Fieldbus communication consiste en la capa física, la pila de comunicación, y la capa

de usuario. La Figura muestra un diagrama de las capas de bus de campo en comparación con la

interconexión de sistemas abiertos (OSI) modelo de comunicación en capas.

Observe que el modelo OSI no define una capa de usuario.

Foundation Fieldbus no implementa la capa tres, cuatro, cinco y seis de del modelo OSI, porque

los servicios de estas capas no son necesarios en un proceso de control de aplicaciones. Una

parte muy importante de Foundation Fieldbus es la capa definida por el usuario, a menudo se

conoce como capa de ocho.

FUENTES

http://canbus.galeon.com/electronica/canbus.htm

http://es.wikipedia.org/wiki/Bus_CAN

http://en.wikipedia.org/wiki/SDS_Protocol

http://www.kvaser.com/en/about-can/higher-layer-protocols/34.html

http://es.wikipedia.org/wiki/AS-interface

http://en.wikipedia.org/wiki/AS-Interface

http://www.rtaautomation.com/as-interface/

http://www.turck-usa.com/Products/Networks/AS-interface/

http://en.wikipedia.org/wiki/Fieldbus

http://es.wikipedia.org/wiki/Profibus

http://es.wikipedia.org/wiki/Modbus