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    Fernando Moreira Toscani

    Borja Torres Lima

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    BUS DE CAMPO

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    CARACTERISTICAS:El grado creciente de automatización en máquinas y sistemas influye de forma

    proporcional en los kilos de cobre en forma de cables repartidos por la instalación, esto se traduceen tiempo de configuración, instalación, montaje y mantenimiento.

    En comparación, la interconexión de serie de componentes de planta mediante bus de

    campo es una opción mucho más rentable. Los mazos de cable que abarrotan las canales pasacablesse ven considerablemente reducidos, o incluso eliminados. La interconexión de equipos, ya seaelementos de campo (sensores, actuadores) o elementos de control (PLC, reguladores) se realizanmediante el mismo cable de bus.

    Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplificaenormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados enprocesos de producción.

    El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre loselementos de campo y el equipo de control a través del tradicional bucle de corriente de 4-20mA.

    Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie,que conectan dispositivos de campo como PLCs/PACs, transductores, actuadores y sensores. Cadadispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo

    inteligente, manteniendo siempre un costo bajo. Cada uno de estos elementos será capaz deejecutar funciones simples de diagnóstico, control o mantenimiento, así como de comunicarsebidireccionalmente a través del bus.

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    INTRANET:Intranet es una red privada que utiliza el mismo protocolo TCP/IP que internet para

    resolver la comunicación entre los diversos usuarios en el nivel de aplicación [BLACK 02] [CIMI97].La utilización de una intranet por parte de una entidad facilita el acceso controlado de los

    ordenadores de la misma a los otros ordenadores conectados a Internet. Dicho acceso se realiza a

    través de sistemas pasarela, que además, deben de hacer la función de cortafuegos. Un cortafuegoses una combinación de hardware (un sistema de interconexión entre redes) con un programa queanaliza, de acuerdo con determinados criterios de seguridad, todos los paquetes de informaciónque entran y salen de una red privada, para impedir el acceso a la misma de usuarios noautorizados o a la salida de información confidencial contenida en los procesadores de la misma[BLACK 02] [ELAH 01].

    CARACTERISTICAS:  Capacidad de compartir recursos (impresoras, escáner...) y posibilidad de conexión a

    Internet (acceso a la información de la red y a sus posibilidades comunicativas).

      Alojamiento de páginas web, tanto la del centro como de estudiantes o profesores, que

    pueden consultarse con los navegadores desde todos los ordenadores de la Intranet odesde cualquier ordenador externo que esté conectado a Internet.

      Servicios de almacenamiento de información. Espacios de disco virtual a los que se puedeacceder para guardar y recuperar información desde los ordenadores del centro y tambiéndesde cualquier equipo externo conectado a Internet. Cada profesor y cada estudiantepuede tener una agenda en el disco virtual.

      Servicio de correo electrónico, que puede incluir diversas funcionalidades (buzón decorreo electrónico, servicio de webmail, servicio de mensajería instantánea...).

      Foros, canales bidireccionales de comunicación entre los miembros de la comunidadescolar, que permiten el intercambio de opiniones, experiencias... Algunos de estos forospueden estar permanentemente en funcionamiento, y otros pueden abrirse temporalmente

    a petición de algún profesor, grupo de alumnos... Por ejemplo, tablones de anuncios yservicios de chat y videoconferencia.

      Instrumentos diversos que permiten, a las personas autorizadas a ello, la realización dediversos trabajos tales como gestiones de tutoría, plantillas que faciliten a profesores yalumnos la creación de fichas, test, periódicos; gestiones de secretaria y dirección; debiblioteca; y gestiones administrativas como petición de certificados, trámites de matrícula,notas de los estudiantes, profesores, etc.

      Ahorro de tiempo en los procesos al colocar conjuntos de formularios para tareasrutinarias en una Intranet, para solicitar papelería, mantenimiento a un equipo,publicación de temas de interés personal que ayuden a la integración de las personas ymejore el ambiente de trabajo y/o aprendizaje.

     

    La reducción de costos es otra de las ventajas de Intranet, ya que se pueden publicar todaclase de documentos además del directorio por ejemplo el boletín mensual, información decarteleras, noticias entre otras.

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    ETHERNETLa primera LAN (Red de área local) del mundo fue la versión original de Ethernet. Robert

    Metcalfe y sus compañeros de Xerox la diseñaron hace más de treinta años. El primer estándar deEthernet fue publicado por un consorcio formado por Digital Equipment Corporation, Intel y Xerox(DIX). Metcalfe quería que Ethernet fuera un estándar compartido a partir del cual todos se podían

    beneficiar, de modo que se lanzó como estándar abierto. Los primeros productos que sedesarrollaron a partir del estándar de Ethernet se vendieron a principios de la década de 1980.

    En 1985, el comité de estándares para Redes Metropolitanas y Locales del Instituto deIngenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) publicó los estándares para las LAN. Estos estándarescomienzan con el número 802. El estándar para Ethernet es el 802.3. El IEEE quería asegurar quesus estándares fueran compatibles con los del modelo OSI de la Organización Internacional para laEstandarización (ISO). Para garantizar la compatibilidad, los estándares IEEE 802.3 debían cubrirlas necesidades de la Capa 1 y de las porciones inferiores de la Capa 2 del modelo OSI. Comoresultado, ciertas pequeñas modificaciones al estándar original de Ethernet se efectuaron en el802.3. Ethernet opera en las dos capas inferiores del modelo OSI: la capa de enlace de datos y lacapa física.

    Ethernet unicast, multicast y broadcast  En Ethernet se utilizan distintas direcciones MAC para la capa 2: comunicaciones unicast,

    multicast y broadcast.

    Unicast  Una dirección MAC unicast es la dirección exclusiva que se utiliza cuando se envía una

    trama desde un dispositivo de transmisión única hacia un dispositivo de destino único.En el ejemplo que se muestra en la figura, un host con una dirección IP 192.168.1.5 (origen)

    solicita una página Web del servidor en la dirección IP 192.168.1.200.Para que se pueda enviar yrecibir un paquete Unicast, el encabezado del paquete IP debe contener una dirección IP de destino.Además, el encabezado de la trama de Ethernet también debe contener una dirección MAC dedestino correspondiente. La dirección IP y la dirección MAC se combinan para enviar datos a unhost de destino específico. 

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    BroadcastCon broadcast, el paquete contiene una dirección IP de destino con todos unos (1) en la

    porción de host. Esta numeración en la dirección significa que todos los hosts de esa red local(dominio de broadcast) recibirán y procesarán el paquete. Una gran cantidad de protocolos de redutilizan broadcast, como el Protocolo de configuración dinámica de host (DHCP) y el Protocolo de

    resolución de direcciones (ARP). Más adelante en este capítulo se analizará cómo el ARP utiliza losbroadcasts para asignar direcciones de Capa 2 a direcciones de Capa 3. Tal como se muestra en lafigura, una dirección IP de broadcast para una red necesita un dirección MAC de broadcastcorrespondiente en la trama de Ethernet. En redes Ethernet, la dirección MAC de broadcastcontiene 48 unos que se muestran como el hexadecimal FF-FF-FF-FF-FF-FF.

    MulticastRecuerde que las direcciones multicast le permiten a un dispositivo de origen enviar un

    paquete a un grupo de dispositivos. Una dirección IP de grupo multicast se asigna a los dispositivos

    que pertenecen a un grupo multicast. El intervalo de direcciones multicast es de 224.0.0.0 a239.255.255.255. Debido a que las direcciones multicast representan un grupo de direcciones (aveces denominado un grupo de hosts), sólo pueden utilizarse como el destino de un paquete.

    El origen siempre tendrá una dirección unicast. Ejemplos de dónde se utilizarían lasdirecciones multicast serían el juego remoto, en el que varios jugadores se conectande manera remota pero juegan el mismo juego, y el aprendizaje a distancia a través devideoconferencia, en el que varios estudiantes se conectan a la misma clase.

    Al igual que con las direcciones unicast y de broadcast, la dirección IP multicast requiereuna dirección MAC multicast correspondiente para poder enviar tramas en una red local. Ladirección MAC multicast es un valor especial que comienza con 01-00-5E en hexadecimal. El valortermina con la conversión de los 23 bits inferiores de la dirección IP del grupo multicast en los 6

    caracteres hexadecimales restantes de la dirección de Ethernet. El bit restante en la dirección MACes siempre "0".

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    Control de Acceso al Medio en EthernetEn un entorno de medios compartidos, todos los dispositivos tienen acceso garantizado al

    medio, pero no tienen ninguna prioridad en dicho medio. Si más de un dispositivo realiza unatransmisión simultáneamente, las señales físicas colisionan y la red debe recuperarse para quepueda continuar la comunicación. Las colisiones representan el precio que debe pagar la Ethernet

    para obtener el bajo gasto relacionado con cada transmisión.La Ethernet utiliza el acceso múltiple por detección de portadora y detección de colisiones(CSMA/CD) para detectar y manejar colisiones y para administrar la reanudación de lascomunicaciones. Debido a que todas las computadoras que utilizan Ethernet envían sus mensajesen el mismo medio, se utiliza un esquema de coordinación distribuida (CSMA) para detectar laactividad eléctrica en el cable. Entonces, un dispositivo puede determinar cuándo puede transmitir.Cuando un dispositivo detecta que ninguna otra computadora está enviando una trama o una señalportadora, el dispositivo transmitirá en caso de que tenga algo para enviar.

    PROFIBUSFamilia PROFIBUSPROFIBUS FMS  (Fieldbus Message Specification)

    Automatización de propósito generalAmplio rango de aplicacionesNivel de célulaComunicación multi maestroComunicación orientada a objetosInterconexión en red de autómatas, supervisores de procesos, paneles de operación, PC,etc.

    PROFIBUS PA (Automatización de procesos)

    Automatización de procesosConexión de equipos de procesos sobre autómatas, supervisores de procesos, PCDatos y alimentación sobre un cableSeguridad intrínseca

    PROFIBUS DP  (Periferia descentralizada)Automatización de plantaAlta velocidad, tiempos de reacción muy pequeñosPlug and playEficiente y baratoTransferencia de pequeñas cantidades de datosConexión de equipos de campo, accionamientos, paneles de operación, autómatas

    programables y PC

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    Profibus (Process Field BUS) es un estándar de bus de campo abierto independiente delfabricante, de origen Alemán, empleado para interconexión de dispositivos de campo deentrada/salida simples con PLC y PC.

    El bus de comunicación PROFIBUS (Process Field Bus), es el sistema de comunicación anivel de proceso más utilizado en el mundo, con más de 10 millones de dispositivos conectados enlas diferentes variantes del protocolo.

    Características:Ve Número máximo de estaciones: 127 (32 sin utilizar repetidores).Velocidad de transmisión: 9.6 kbits/s-12 Mbits/s.

    Tamaño de la red. 

    Eléctrica: Máximo 9.6 km (depende de la velocidad de transmisión).Óptica: 150 km (depende de la velocidad de transmisión).Las estaciones pueden ser activas (maestros) o pasivas (esclavos).Estaciones activas (maestros).Enviar información por iniciativa propia.Solicitar datos de otras estaciones.Estaciones complejas (PLC´s, PC´s,...).Estaciones pasivas.Sólo comunica si una estación activa lo autoriza.Estaciones sencillas (sensores, actuadores, etc).

    Medio de acceso:Maestro-esclavo.Pase de testigo entre las estaciones maestras.

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    Bus de Sensores y Actuadores AS-interface

    AS-Interface o AS-i fue diseñado en 1990 como una alternativa económica al cableadotradicional. El Objetivo fundamental fue determinar un sistema de comunicación único para todoslos fabricantes de sensores y actuadores. La idea original fue crear una red simple para sensores y

    actuadores binarios, capaz de transmitir datos y alimentación a través del mismo bus, manteniendouna gran variedad de topologías que faciliten la instalación de los sensores y actuadores encualquier punto del proceso con el menor esfuerzo posible y que cumpliera con las normativas deseguridad. Desde entonces, el concepto AS-Interface se ha extendido considerablemente y lasespecificaciones iniciales se han revisado para adaptar el bus a las nuevas circunstancias ynecesidades del mercado.

    Características:Las características principales de AS-Interface son:

      Especificaciones abiertas.  Permite la conexión de sensores y actuadores "No AS-i" mediante módulos activos.

     

    Ideal para la interconexión de sensores y actuadores binarios.  A través del cable AS-i se transmiten tanto los datos como la alimentación.  Cableado sencillo y económico.  Fácil montaje, con perforación de aislamiento.  Sistema Monomaestro.  Gran flexibilidad de topología (árbol).  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.

     

    Cumple con los requerimientos IP-65/HIP-6 (idóneos para ambientes exigentes) e IP-20(aplicaciones en cuadro).

      Temperatura de funcionamiento entre -25ºC y +85ºC.  Transmisión por modulación de corriente, lo cual garantiza un alto grado de seguridad.  Según un estudio realizado por la Universidad de Munich, mediante una red AS-i se puede

    ahorrar entre un 15% y un 30% del coste total.  AS-i se sitúa en la parte más baja de la pirámide de control, conectanto los sensores y

    actuadores con el maestro del nivel de campo. Los maestros pueden ser autómatas o PCssituados en los niveles bajos de control, o pasarelas que comuniquen la red AS-Interfacecon otras redes de nivel superior, como Profibus o DeviceNet.

    Topologías de redDebido al principio de funcionamiento empleado no hay limitaciones en cuanto a topología. Los

    esclavos pueden conectarse en Bus, Estrella, Anillo, Rama y Árbol.La libertad de topologías permite que cada esclavo se conecte en el punto más cercano a la red, o enel más accesible, facilitando considerablemente la tarea del cableado e instalación de los sensores yactuadores.Para realizar bifurcaciones y ramificaciones se deben emplear módulos pasivos, ya que estospermiten mantener el grado de protección y seguridad de la red (IP65).

    En una red AS-i no existen condicionantes para la colocación de los esclavos en el bus, sinembargo, la longitud total del cable puede ser un condicionante ya que no deberá superar los 100m.

    En caso de que se necesitara una longitud mayor habría que usar extensores y repetidores

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    Funcionamiento

    El Funcionamiento de una Red basada en AS-interface se puede ver en la siguiente imagen:

    AS-i es una red monomaestro que funciona mediante polling cíclico, es decir, hay un únicomaestro que direcciona uno a uno a los esclavos y realiza la comunicación con ellos. El maestro dela red puede establecer una comunicación no cíclica con algún esclavo para adaptar suconfiguración o en la fase de arranque de la red.

    La red es de difusión, por lo que en cada trama se ha de indicar la dirección del esclavo conel que se establecerá la comunicación. El mensaje del maestro incluye los datos o la función queenvía al esclavo y es devuelto por éste con los datos solicitados por el maestro.

    Los esclavos de AS-Interface deben tener asignada una dirección.

      Inicialmente traen almacenada de fábrica la dirección 0. Esta dirección provoca que elesclavo no sea direccionado por el maestro de la red.

      La dirección se asigna mediante un terminal de direccionamiento o a través del maestro dela red.

     

    La dirección ha de ser única, y debe estar comprendida entre 1 y 31. Si se utiliza el métodode direccionamiento extendido, se ha de incluir en la dirección el modificador A o B.

      El esclavo almacenará su dirección en una memoria no volátil (EEPROM), de forma que unfallo en la alimentación no provoque su pérdida y el consiguiente problema defuncionamiento que conllevaría.

      Cada dirección AS-i tiene asignado un byte de datos, de forma que pueden conectarse 4dispositivos de entrada binarios y 4 de salida por esclavo.

      Si se utiliza direccionamiento extendido, uno de los bits de salida se utilizan para extenderla dirección, por lo que se pueden conectar 4 dispositivos de entrada binarios y 3 de salidapor esclavo.

      Si un esclavo se conecta directamente a la red, ocupará la dirección completa.

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    Cuando el Maestro quiere acceder a la información del esclavo es el maestro quien gestionatoda la comunicación, realizando una llamada a cada uno de los esclavos a los que quiere consultary esperando su respuesta.

     Ajuste Electrónico de Direcciones:1.  Se debe asignar a cada esclavo una dirección única en el bus (01-31,A/B).2.  Por defecto traen la dirección '0'.3.  La dirección se almacena de forma no volátil en el esclavo (EEPROM).

    Seguridad de Funcionamiento y Flexibilidad:1.  Supervisión de la tensión en la línea por parte del maestro.2.  Supervisión de los datos transmitidos por parte del maestro.3.  Detección de errores de transmisión.4.  Detección de fallo en los esclavos.5.  La incorporación de nuevos esclavos AS-i no perturba al sistema.

    Datos Cuantitativos:

    1. 

    Máximo 31 esclavos estándar o 62 con espacio de direcciones extendido.2.  Tiempo de ciclo máximo de 5ms (estándar) o 10ms (extendido).3.  124 entradas y 124 salidas binarias (estándar) ó 248 entradas y 186 salidas (extendido).

    AS-Interface emplea un método de transmisión basado en modulación de corriente, lo quepermite un alto grado de seguridad e inmunidad frente a ruidos.

    Otros aspectos que añaden seguridad a la red AS-i son:1.  El maestro supervisa la tensión en la línea.2.  El maestro supervisa la transmisión de datos a través de la red.3.  El protocolo de comunicación incluye un bit de paridad para la detección de errores.

    4. 

    El maestro de la red detecta fallos en los esclavos.5.  La incorporación de nuevos esclavos a la red no perturba su funcionamiento.6.  Grado de protección IP65/67.

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    Existen multitud y diferentes tipos de buses de campos, que funcionando muchosde ellos a la vez, nos sirven para realizar nuestro trabajo y que las distintas maquinas quesolemos utilizar se comuniquen y funcionen. A continuación se detallan algunos de los másusados, algunos de ellos hablado en este trabajo, otros no, ellos son:

    TECNOLOGÍA ESTÁNDARES CARACTERÍSTICASBÁSICAS

    Actuador Sensor Interfase(ASI)

    IEC 62026-2-2000, EN50295:1999

    Bus de Sensores.31 esclavos de 4E/4S ó 62 de4E/3S. 10ms de T. ciclo 

    CANopen ISO 11898, EN 50325-4:2002

    Hasta 40 nodos (2032 objetos)velocidad 125 Kbit/s-1Mbit/s 

    ControlNet IEC/EN 61784-1-CPF 2IEC61158 Type 2

    Bus usado en Ethernet/IP. Hasta99 nodos, Velocidad 5Mb/s,hasta 30000m

    DeviceNet ISO 11898, ISO 11519, IEC62026-3:2000, EN 50325-2:2000

    Bus de sensores basados en CANHasta 64 nodos, Velocidad 125-500 Kbit/s

    FieldBus MessagingSpecification (FMS)

    IEC/EN 61158 Type 9 Conjunto de comandos para lacapa 7 de OSI. No es unaespecificación de bus físico.

    Foundation Fieldbus (FF) IEC/EN 61784-1 CPF 1, IEC61158 Type 1

    Bus de procesos, hasta 32elementos, Velocidad 31,25Kbit/s, 2,5 Mbit/s o 10 Mbit/s,hasta 1900 m, (velocidad baja)

    FP High Speed Ethernet

    (HSE)

    IEC/EN 61158 Type 5 Foundation Fieldbus adaptado a

    Ethernet, Velocidad 100 Mbit/sHart

    Bus de procesos, Transmisiónanalógica o digital, Hasta 15elementos por segmento,3000m, hasta 1200 bit/s

    Interbus EN 50254 Bus de sensores, bus árbol, aniloy estrella. Hasta 512 esclavos(4096 E/S). Velocidad 500 Bit/s,full dúplex, hasta 400m entrenodos y 13 km en total

    LON-Works Propietario Utilizado en domótica, hasta255 segmentos y 1127 nodospor segmento (máx.32385nodos)

    ModBus Hasta 246 esclavos, transmisiónASCII o RTU, utilizando RS232,RS422 o RS485

    ModBus TCP/IP Modbus adaptado a Ethernet

    P-NET IEC/EN 61784-1 CPF 4, IEC61158 Type 4

    Red circular de 2 hilosHasta 32 nodos por segmento

    Profibus1994(DP)

    1995(PA)

    DIN 19245(DP)DIN 19245 (PA)

    EN 13321/1 (FMS)EN 50254/2, EN50170/2,IEC 61158 Type 3, SEMI

    Bus Universal, hasta 32 nodos

    por segmento y 15 nodos red.Transmisión RS-485, Velocidaddesde 9,6 Kbit/s-1Mbit/s

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    E 54.8 (DP)

    Profinet IEC/EN 61158 Type 10 Profibus adaptado a Ethernet

    SDS ISO 11898, IEC 62026-5:2000, EN 50325-3:2001 Bus de sensores basados enCAN. Velocidad 125 Kbit/s-1Mbit/s

    WorldFIPIEC/EN61784-1 CPF 5,IEC 61158 Type 7

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    BIBLIOGRAFIA:

    - AQULINO RODRIGUEZ PENIN, Sistemas Scada, 2ª.Ed. Marcombo.- ENRIQUE MANDADO , Varios, Autómatas Programables y Sistemas de Automatización, 2ª.Ed. Marcombo.- WIKIPEDIA.– Normativa Europea