Principios de Comunicaciones Industriales

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Tecnologías de Control Principios de Comunicaciones Industriales TEMA – Principios de Comunicaciones Industriales 1. – Nivel de Adquisición de Datos y Control 1.1 – Transformación de Señales Analógicas 2. – Intercomunicación. Transmisión de Datos 2.1 – Conceptos Básicos 2.2 – Codificación 2.3 – Protocolos de Comunicación 3. – Comunicación Serie 3.1 – RS-232 3.2 – RS-422 3.3 – RS-485 3.4 – TTY-Bucle de Corriente Índice

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  • Tecnologas de Control

    Principios deComunicaciones Industriales

    TEMA Principios de Comunicaciones Industriales

    1. Nivel de Adquisicin de Datos y Control

    1.1 Transformacin de Seales Analgicas

    2. Intercomunicacin. Transmisin de Datos

    2.1 Conceptos Bsicos

    2.2 Codificacin

    2.3 Protocolos de Comunicacin

    3. Comunicacin Serie

    3.1 RS-232

    3.2 RS-422

    3.3 RS-485

    3.4 TTY-Bucle de Corriente

    ndice

  • Transformacin de Seales Analgicas

    ObjetivoEn la industria las seales son en general de baja velocidad y pueden fcilmente representarse en forma digital

    Concepto de TransformacinEn los procesos de industriales las seales de medicin son en su mayora de tipo analgico, es decir continuas variando constantemente con el tiempo: y = f(t) Las seales pueden ser muy lentas como la variacin de temperatura de un tanque o muy rpida como una seal de audio.

    Conversin Analgico/Digital - Digital/Analgico

    DAC Vo

    DoD3

    ADCVi

    DoD3

    ProcesoSistema

    de Comunicaciones

    Sensor

    Actuador

    rgano de Control

  • Conversin Analgico/Digital (ADC)

    ProcesoNormalmente se trata de una sea en tensin o corriente que se convierte a una estructura binaria.

    Fases de Procesos9 Muestreo: tomando muestras de la seal analgica cada cierto tiempo9 Cuantificacin: Ponderacin de la muestra realizada9 Codificacin: binarizacin de la muestra cuantificada (precisin/resolucin)

    Conversin Digital/Analgico (DAC)

    ProcesoSe trata de la conversin de una seal digital en su correspondiente valor analgico de tensin o corriente.

    El principio de funcionamiento se basa en la suma de cada dgito binario, representado por un valor de tensin de acuerdo al peso que tenga dentro del numero (...23,22,21,20).

  • Intercomunicacin. Transmisin de Datos

    Conexiones Punto a PuntoLa comunicacin industrial se ha venido realizando mediante una conexin fsica (cable) que conecta exclusivamente cada sensor o cada actuador a su equipamiento de control, donde la informacin se transmite por una seal analgica (generalmente 4-20 mA).

    Evolucin de las Conexiones Punto a Punto Multiplexado en tensin en equipo de control Multiplexado en corriente en equipo de control Multiplexado en sensrica, transmisin en bus

    Transmisin de Datos Conceptos Bsicos (I)

    Comunicaciones Digitales/Analgicas9 Comunicaciones Digitales: La informacin se enva por el canal de comunicaciones como una sucesin de

    impulsos.

    9 Comunicaciones Analgicas: La informacin se enva por la lnea de comunicacin como una gama continua de seales o frecuencias.

  • Transmisin de Datos Conceptos Bsicos (II)

    Comunicaciones Serie/Paralelo9 Comunicaciones Paralelo: Se utiliza cada una de las lneas del bus para la transmisin de una seal concreta. Los

    datos se transmiten al mismo tiempo a travs de varias lneas de datos.

    9 Comunicaciones Serie: Se transmiten datos, seales de control e informacin de sincronizacin sobre un mismo canal. Es necesaria la transformacin de los datos a un formato serie.

    Interfaz Paralelo Centronics Interfaz Serie RS-232

    Transmisin de Datos Conceptos Bsicos (III)

    DireccionabilidadSentido de transmisin de datos entre dos nodos.

    Tipos de Direccionalidades9 Simplex: Comunicacin unilateral9 Half-Duplex: Comunicacin bilateral no simultanea9 Full-Duplex: Comunicacin bilateral simultanea

  • Transmisin de Datos Conceptos Bsicos (IV)

    Comunicaciones Sncronas/Asncronas9 Comunicaciones Sncronas: No necesita emplear bits de comienzo y fin para delimitar la trama (carcter).

    9 Comunicaciones Asncronas: (Transmisin de Arranque/Parada) La informacin de sincronizacin forma parte de la trama (carcter) .

    Codificacin de Bits (I)

    DescripcinEn comunicaciones serie, es necesario establecer alguna forma de ordenar los dgitos binarios o bytes que se utilizan para representan la informacin de los procesos y puedan ser transmitidos con seguridad y velocidad sobre la lnea.

    Codificacin ASCII - NRZModelo de codificacin de amplia difusin en informtica. Sobre la base de estos cdigos se ha implementado el sistema de comunicacin digital, de caracterstica sincrnica, incluyendo el comienzo y fin de cada carcter que se transmite y cierto control de error a partir del concepto de bit de paridad.

    Codificacin ManchesterModelo de codificacin de caracterstica sincrnica, permitiendo una sincronizacin entre el emisor y el receptor. En este cdigo el periodo de un bit se divide en dos subintervalos iguales.

  • Codificacin de Bits (II)

    Definicin de los Formatos de codificacin digital de Seales

    0 = nivel alto No retorno a cero (NRZ-L)

    1 = nivel bajo

    0 = no hay transicin al comienzo del intervalo (un bit cada vez) No retorno a cero invertido (NRZ-I)

    1 = transicin al comienzo del intervalo

    0 = no hay seal Bipolar-AMI

    1 = nivel positivo/negativo alternadamente

    0 = nivel positivo/negativo alternadamente Pseudoternaria

    1 = no hay seal

    0 = transicin de alto a bajo en mitad del intervalo Manchester

    1 = transicin de bajo a alto en mitad del intervalo

    0 = hay transicin al principio del intervalo y tambin en mitad del intervalo Manchester Diferencial

    1 = no hay transicin al principio del intervalo y s hay en mitad del intervalo

    Codificacin de Bits (III)

  • Protocolos de Comunicacin

    ProtocoloConjunto de reglas y convenciones entre entes comunicantes.

    El objetivo es establecer una conexin entre nodos, identificando el emisor y el receptor, asegurando que todos los mensajes se transfieran correctamente, controlando toda la transferencia de informacin.

    Fases de Desarrollo de una Transmisin

    mbito cubiertopor el Protocolo

    Liberacin de la Conexin(Terminacin del Enlace)

    (Lnea Operativa Lnea Reposo)

    Peticin para la Transmisin(Interlocutor ha de prepararse)

    Transmisin de Datos

    Fin de la Transmisin(Emisor informa de la finalizacin)

    Establecimiento de Conexin(Inicializacin del Enlace)

    (Lnea Reposo Lnea Operativa)

  • Enlace de Datos

    DescripcinUna vez definida la conexin fsica para poder transferir informacin entre los dispositivos o sistemas debe existir un formato para los datos y una estrategia de sincronizacin de cmo se enva y reciben los mensajes, incluyendo la deteccin y correccin de los errores.

    Enlace de Datos9 DTE (ETD): Equipo Terminal de Datos9 DCE (ETCD): Equipo de Terminal de Circuito de

    Datos (Equipo de Comunicacin de Datos)

    La trasferencia ordenada de informacin en un enlace de comunicacin se logra por medio de:

    9 Protocolo de comunicacin9 Servicio de comunicacin

    Estructura de Mensaje

    Un protocolo define los detalles y especificaciones tcnicas del lenguaje de comunicacin entre los equipos.

    Estructura del MensajeUn elemento bsico a considerar es la Estructura del Mensaje, constituyendo una unidad de informacin denominada frame.

    Interoperatividad Si todos los productos de distintos proveedores se

    pueden comunicar con el mismo protocolo, ello lleva a la interoperabilidad e integracin de los dispositivos de adquisicin de datos y control.

    Cada protocolo tiene un rango de aplicacin, fuera del mismo disminuye el rendimiento y aumenta la relacin costo/prestacin.

    En muchos casos no se trata de protocolos que compitan entre s, sino que se complementan, cuando se trata de una arquitectura de un sistema de comunicacin de varios niveles.

  • Protocolos Bsicos de Enlace

    Tipos de Protocolos de Enlace Serie Protocolos Orientados a Carcter: Estos protocolos emplean caracteres especiales (caracteres de control).

    Protocolos de Principio y Cuenta: Emplean una cabecera que incluye un carcter especial y un contador que indicael nmero de bytes del mensaje.

    Protocolos Orientados a Bit: Utilizan una secuencia de bits especial antes y despus de cada bloque de datos para indicar qu bits constituyen los datos.

    Comunicacin Serie - Descripcin

    Conexin a Nivel FsicoLa comunicacin industrial digital comprende un amplio rango de productos de hardware, software y protocolos para comunicacin entre plataformas estndar de computacin y dispositivos de automatizacin.

    Conexin SerieTransmisin bit tras bit de informacin binaria sobre soporte fsico, en el caso ms simple par trenzado.

    Tipos Comunes de Conexin Serie

    La conexin fsica se realiza a travs de interfaces series normalizadas por la EIA

    9 RS-2329 RS-4229 RS-4859 TTY Lazo de Corriente-20 mA

  • Comunicacin Serie Tipos de Interfaces

    Tipos de Interfaces Interfaces Equilibrados: Utilizan la tensin en una lnea, comparndola con otra para determinar una marca (un 1

    lgico), y la tensin opuesta para determinar un espacio (un 0 lgico). Por ejemplo: RS-422 y RS-485

    Interfaces No Equilibrados: Utilizan la tensin en una lnea, comparndola con una seal de referencia (tierra) para determinar un 0 o un 1 lgico. Por ejemplo: RS-232 y RS-423

    Comunicacin Serie RS-232 (I)

    DescripcinLa RS-232 esta limitada por la distancia de conexin y velocidad. Tambin esta limitada a la conexin punto a punto entre PC y dispositivos informticos como moden, mouse, etc.

    Elementos Bsicos Frecuencia de reloj (Baud rate) Marca (Marking state) Bit de inicio (Start bit) Bits de datos (Data bits) Bit de paridad (Parity bit) Bits de stop (Stop bit)

    Especificaciones RS232 Modo de Operacin NO DIFERENCIAL

    Nmero de dispositivos 1 EMISOR 1 RECEPTOR Mxima longitud del cable 15 metros Mxima velocidad de transmisin 19,2 Kb/s Rango de trabajo +/-25V

    Alto +/-15V Rango de seal

    Bajo +/-3V Sensibilidad de entrada receptor +/-3V Resistencia de entrada receptor 7K

  • Comunicacin Serie RS-232 (III)Patillaje del conector de puerto serie RS-232-C

    D - 25 D - 9 FUNCION NOMBRE DIRECCIN

    1 - Masa GND -

    2 3 Transmit Data TD [DTE --> DCE]

    3 2 Receive Data RD [DCE --> DTE]

    4 7 Request To Send RTS [DTE --> DCE]

    5 8 Clear To Send CTS [DCE --> DTE]

    6 6 Data Set Ready DSR [DCE --> DTE]

    7 5 Masa Chasis GND -

    8 1 Data Carrier Detect DCD [DCE --> DTE]

    20 4 Data Terminal Ready DTR [DTE --> DCE]

    22 9 Ring Indicator RI [DCE --> DTE]

    Conexiones de 25 Pines NOMBRE LOCAL REMOTO NOMBRE

    TD 2 3 RD

    RD 3 2 TD

    RTS 4 5 CTS

    CTS 5 4 RTS

    DSR 6 20 DTR

    GND 7 7 GND

    DTR 20 6 DSR

    Comunicacin Serie RS-232 (IV)

    Pin No. Signal Description Abbr. DTE DCE 1 DCE Ready, Ring Indicator DSR/RI 2 Received Line Signal Detector DCD 3 DTE Ready DTR 4 Signal Ground SG 5 Received Data RxD 6 Transmitted Data TxD 7 Clear To Send CTS 8 Request To Send RTS

  • Comunicacin Serie RS-232 (V)

    Tipos de UARTs INTEGRADO DESCRIPCIN

    8250 Primera UART de la serie. No contiene registros temporales.

    8250A Versin mejorada de la 8250, ms veloz. Es similar a la 16450.

    8250B Versin mejorada de la 8250.

    16450 Utilizada en ATs, ms rpida que la 8250. Muy comn an hoy en da.

    16550 Esta fue la primera generacin de UART con buffer. Tena un buffer de 16 bytes, sin embargo no se puso en funcionamiento y fue reemplazada por la 16550A.

    16550A La UART ms comn utilizada para comunicaciones de alta velocidad. Utiliza buffers FIFO.

    16650 Actualizacin de la UART, contiene una FIFO de 32 bytes, transmisin X-ON/X-OFF y gestin de arranque.

    16750 Producida por Texas Instruments. Contiene una FIFO de 64 bytes.

    Direccionamiento del 16550 DIRECCIN REGISTRO NOMBRE base RBR Receive Buffer Register base THR Transmit Hold Register base DLL Divisor Latch LSB base+1 IER Interrupt Enable Register base+1 DLM Divisor Latch MSB base+2 IIR Interrupt Identification Register base+2 FCR FIFO Control Register base+3 LCR Line Control Register base+4 MCR Modem Control Register base+5 LSR Line Status Register base+6 MSR Modem Status Register base+7 SCR Scratch Register

    Comunicacin Serie RS-422

    DescripcinLa RS-422 trabaja en forma diferencial con las lneas que transmite y recibe, el circuito tiene solo dos hilos sin que exista una lnea de masa comn. Los unos y ceros lgicos se establecen en funcin de la diferencia de tensin ambos conductores del circuito.

    Conductor B

    Conductor A

    0 1

    + -

    - +

    0 1,5 V < VAB < 5V1 -1,5 V > VAB > -5V

    Especificaciones RS422 Modo de Operacin DIFERENCIAL

    Nmero de dispositivos 1 EMISOR 10 RECEPTORESMxima longitud del cable 1200 metros Mxima velocidad de transmisin 10 Mb/s Rango de trabajo +/-10V

    Alto +/-6V Rango de seal

    Bajo +/-2V Sensibilidad de entrada receptor +/-200mV Resistencia de entrada receptor >=4K

  • Comunicacin Serie RS-485 (I)

    DescripcinLa RS-485 es una leve modificacin de la RS-422, redefiniendo caractersticas elctricas para asegurar un nivel de tensin adecuado a la mxima carga, incrementndose l numero de dispositivos.

    En una red de dispositivos sobre un una simple lnea, es necesario direccionar uno en particular. Esto se puede realizar simplemente utilizando caracteres ASCII, constituyendo comandos de identificacin del dispositivo y que este a su vez responde con los datos. Esto es un esquema bsico de protocolo de comunicacin denominado comnmente maestro/esclavo (Master/Slave).

    Especificaciones RS485 Modo de Operacin DIFERENCIAL

    Nmero de dispositivos 32 EMISORES 32 RECEPTORESMxima longitud del cable 1200 metros Mxima velocidad de transmisin 10 Mb/s Rango de trabajo -7V a +12V

    Alto +/-6V Rango de seal

    Bajo +/-1,5V Sensibilidad de entrada receptor +/-200mV Resistencia de entrada receptor >=12K

    Comunicacin Serie en Tensin Comparativa

    Especificaciones RS232 RS423 RS422 RS485 Modo de Operacin NO DIFERENCIAL NO DIFERENCIAL DIFERENCIAL DIFERENCIAL

    Nmero de dispositivos 1 EMISOR 1 RECEPTOR 1 EMISOR

    10 RECEPTORES 1 EMISOR

    10 RECEPTORES32 EMISORES

    32 RECEPTORES Mxima longitud del cable 15 metros 1200 metros 1200 metros 1200 metros Mxima velocidad de transmisin 19,2 Kb/s 100 Kb/s 10 Mb/s 10 Mb/s Rango de trabajo +/-25V +/-6V +/-10V -7V a +12V

    Alto +/-15V +/-6V +/-6V +/-6V Rango de seal

    Bajo +/-3V +/-3,6V +/-2V +/-1,5V Sensibilidad de entrada receptor +/-3V +/-200mV +/-200mV +/-200mV Resistencia de entrada receptor 7K 4K >=4K >=12K

  • Comunicacin Serie TTY-Lazo de Corriente

    DescripcinEl protocolo TTY o Bucle de Corriente-20 mA., est constituido por cuatro hilos conductores: transmisin + y -, recepcin + y -. La identificacin de los ceros y unos lgicos se efecta abriendo o cerrando el circuito de corriente.

    Se emplean niveles de tensin elevados y resistencias limitadoras de elevado valor, de forma que la resistencia del conductor tenga poca influencia en el circuito; esto permite distancias de comunicacin superiores a las de RS-232.

    Especificaciones TTY

    Modo de Operacin LAZO CORRIENTE

    Nmero de dispositivos 1 EMISOR 1 RECEPTOR Mxima longitud del cable 3000 metros Mxima velocidad de transmisin 9,6 Kb/s Rango de trabajo 0/4 a 20mA

    Alto 10mA Rango de seal

    Bajo 5mA