Download - Principios de Comunicaciones Industriales

Tecnologías de Control

Principios deComunicaciones 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

Transformación de Señales Analógicas

ObjetivoEn la industria las señales son en general de baja velocidad y pueden fácilmente representarse en forma digital

Concepto de TransformaciónEn los procesos de industriales las señales de medición son en su mayoría de tipo analógico, es decir continuas variando constantemente con el tiempo: y = f(t) Las señales pueden ser muy lentas como la variación de temperatura de un tanque o muy rápida como una señal de audio.

Conversión Analógico/Digital - Digital/Analógico

DAC Vo

DoD3

ADCVi

DoD3

ProcesoSistema

de Comunicaciones

Sensor

Actuador

Órgano de Control

Conversión Analógico/Digital (ADC)

ProcesoNormalmente se trata de una seña en tensión o corriente que se convierte a una estructura binaria.

Fases de ProcesosMuestreo: tomando muestras de la señal analógica cada cierto tiempoCuantificación: Ponderación de la muestra realizadaCodificación: binarización de la muestra cuantificada (precisión/resolución)

Conversión Digital/Analógico (DAC)

ProcesoSe trata de la conversión de una señal digital en su correspondiente valor analógico de tensión o corriente.

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

Intercomunicación. Transmisión de Datos

Conexiones Punto a PuntoLa comunicación industrial se ha venido realizando mediante una conexión física (cable) que conecta exclusivamente cada sensor o cada actuador a su equipamiento de control, donde la información se transmite por una señal analógica (generalmente 4-20 mA).

Evolución de las Conexiones Punto a Punto• Multiplexado en tensión en equipo de control• Multiplexado en corriente en equipo de control• Multiplexado en sensórica, transmisión en bus

Transmisión de Datos – Conceptos Básicos (I)

Comunicaciones Digitales/AnalógicasComunicaciones Digitales: La información se envía por el canal de comunicaciones como una sucesión de impulsos.

Comunicaciones Analógicas: La información se envía por la línea de comunicación como una gama continua de señales o frecuencias.

Transmisión de Datos – Conceptos Básicos (II)

Comunicaciones Serie/ParaleloComunicaciones Paralelo: Se utiliza cada una de las líneas del bus para la transmisión de una señal concreta. Los datos se transmiten al mismo tiempo a través de varias líneas de datos.

Comunicaciones Serie: Se transmiten datos, señales de control e información de sincronización sobre un mismo canal. Es necesaria la transformación de los datos a un formato serie.

Interfaz Paralelo Centronics Interfaz Serie RS-232

Transmisión de Datos – Conceptos Básicos (III)

DireccionabilidadSentido de transmisión de datos entre dos nodos.

Tipos de DireccionalidadesSimplex: Comunicación unilateralHalf-Duplex: Comunicación bilateral no simultaneaFull-Duplex: Comunicación bilateral simultanea

Transmisión de Datos – Conceptos Básicos (IV)

Comunicaciones Síncronas/AsíncronasComunicaciones Síncronas: No necesita emplear bits de comienzo y fin para delimitar la trama (carácter).

Comunicaciones Asíncronas: (Transmisión de Arranque/Parada) La información de sincronización forma parte de la trama (carácter) .

Codificación de Bits (I)

DescripciónEn comunicaciones serie, es necesario establecer alguna forma de ordenar los dígitos binarios o bytes que se utilizan para representan la información de los procesos y puedan ser transmitidos con seguridad y velocidad sobre la línea.

Codificación ASCII - NRZModelo de codificación de amplia difusión en informática. Sobre la base de estos códigos se ha implementado el sistema de comunicación digital, de característica sincrónica, incluyendo el comienzo y fin de cada carácter que se transmite y cierto control de error a partir del concepto de bit de paridad.

Codificación ManchesterModelo de codificación de característica sincrónica, permitiendo una sincronización entre el emisor y el receptor. En este código el periodo de un bit se divide en dos subintervalos iguales.

Codificación de Bits (II)

Definición de los Formatos de codificación digital de Señales

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

1 = nivel bajo

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

1 = transición al comienzo del intervalo

0 = no hay señal Bipolar-AMI

1 = nivel positivo/negativo alternadamente

0 = nivel positivo/negativo alternadamente Pseudoternaria

1 = no hay señal

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

1 = transición de bajo a alto en mitad del intervalo

0 = hay transición al principio del intervalo y también en mitad del intervalo Manchester Diferencial

1 = no hay transición al principio del intervalo y sí hay en mitad del intervalo

Codificación de Bits (III)

Protocolos de Comunicación

ProtocoloConjunto de reglas y convenciones entre entes comunicantes.

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

Fases de Desarrollo de una Transmisión

Ámbito cubiertopor el Protocolo

Liberación de la Conexión(Terminación del Enlace)

(Línea Operativa Línea Reposo)

Petición para la Transmisión(Interlocutor ha de prepararse)

Transmisión de Datos

Fin de la Transmisión(Emisor informa de la finalización)

Establecimiento de Conexión(Inicialización del Enlace)

(Línea Reposo Línea Operativa)

Enlace de Datos

DescripciónUna vez definida la conexión física para poder transferir información entre los dispositivos o sistemas debe existir un formato para los datos y una estrategia de sincronización de cómo se envía y reciben los mensajes, incluyendo la detección y corrección de los errores.

Enlace de DatosDTE (ETD): Equipo Terminal de DatosDCE (ETCD): Equipo de Terminal de Circuito de Datos (Equipo de Comunicación de Datos)

La trasferencia ordenada de información en un enlace de comunicación se logra por medio de:

Protocolo de comunicaciónServicio de comunicación

Estructura de Mensaje

Un protocolo define los detalles y especificaciones técnicas del lenguaje de comunicación entre los equipos.

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

InteroperatividadSi todos los productos de distintos proveedores se pueden comunicar con el mismo protocolo, ello lleva a la interoperabilidad e integración de los dispositivos de adquisición de datos y control.

Cada protocolo tiene un rango de aplicación, fuera del mismo disminuye el rendimiento y aumenta la relación costo/prestación.

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

Protocolos Básicos de Enlace

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

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

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

Comunicación Serie - Descripción

Conexión a Nivel FísicoLa comunicación industrial digital comprende un amplio rango de productos de hardware, software y protocolos para comunicación entre plataformas estándar de computación y dispositivos de automatización.

Conexión SerieTransmisión bit tras bit de información binaria sobre soporte físico, en el caso más simple par trenzado.

Tipos Comunes de Conexión Serie

La conexión física se realiza a través de interfaces series normalizadas por la EIA

RS-232RS-422RS-485TTY – Lazo de Corriente-20 mA

Comunicación Serie – Tipos de Interfaces

Tipos de InterfacesInterfaces Equilibrados: Utilizan la tensión en una línea, comparándola con otra para determinar una marca (un 1 lógico), y la tensión opuesta para determinar un espacio (un 0 lógico). Por ejemplo: RS-422 y RS-485

Interfaces No Equilibrados: Utilizan la tensión en una línea, comparándola con una señal de referencia (tierra) para determinar un 0 o un 1 lógico. Por ejemplo: RS-232 y RS-423

Comunicación Serie RS-232 (I)

DescripciónLa RS-232 esta limitada por la distancia de conexión y velocidad. También esta limitada a la conexión punto a punto entre PC y dispositivos informáticos como moden, mouse, etc.

Elementos Básicos• 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 Operación NO DIFERENCIAL

Número de dispositivos 1 EMISOR 1 RECEPTOR

Máxima longitud del cable 15 metros Máxima velocidad de transmisión 19,2 Kb/s Rango de trabajo +/-25V

Alto +/-15V Rango de señal

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

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

D - 25 D - 9 FUNCION NOMBRE DIRECCIÓN

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

Comunicación 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

Comunicación Serie RS-232 (V)

Tipos de UART´s INTEGRADO DESCRIPCIÓN

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

8250A Versión mejorada de la 8250, más veloz. Es similar a la 16450.

8250B Versión mejorada de la 8250.

16450 Utilizada en AT´s, más rápida que la 8250. Muy común aún hoy en día.

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

16550A La UART más común utilizada para comunicaciones de alta velocidad. Utiliza buffers FIFO.

16650 Actualización de la UART, contiene una FIFO de 32 bytes, transmisión X-ON/X-OFF y gestión de arranque.

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

Direccionamiento del 16550 DIRECCIÓN 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

Comunicación Serie RS-422

DescripciónLa RS-422 trabaja en forma diferencial con las líneas que transmite y recibe, el circuito tiene solo dos hilos sin que exista una línea de masa común. Los unos y ceros lógicos se establecen en función de la diferencia de tensión ambos conductores del circuito.

Conductor B

Conductor A

“0” “1”

+ -

- +

“0” 1,5 V < Δ VAB < 5V“1” -1,5 V > Δ VAB > -5V

Especificaciones RS422 Modo de Operación DIFERENCIAL

Número de dispositivos 1 EMISOR 10 RECEPTORES

Máxima longitud del cable 1200 metros Máxima velocidad de transmisión 10 Mb/s Rango de trabajo +/-10V


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

Comunicación Serie RS-485 (I)

DescripciónLa RS-485 es una leve modificación de la RS-422, redefiniendo características eléctricas para asegurar un nivel de tensión adecuado a la máxima carga, incrementándose él numero de dispositivos.

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

Especificaciones RS485 Modo de Operación DIFERENCIAL

Número de dispositivos 32 EMISORES 32 RECEPTORES

Máxima longitud del cable 1200 metros Máxima velocidad de transmisión 10 Mb/s Rango de trabajo -7V a +12V


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

Comunicación Serie en Tensión – Comparativa

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


1 EMISOR 10 RECEPTORES

1 EMISOR 10 RECEPTORES

32 EMISORES 32 RECEPTORES

Máxima longitud del cable 15 metros 1200 metros 1200 metros 1200 metros Máxima velocidad de transmisión 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 señal

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

Comunicación Serie TTY-Lazo de Corriente

DescripciónEl protocolo TTY o Bucle de Corriente-20 mA., está constituido por cuatro hilos conductores: transmisión + y -, recepción + y -. La identificación de los ceros y unos lógicos se efectúa abriendo o cerrando el circuito de corriente.

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

Especificaciones TTY

Modo de Operación LAZO CORRIENTE


Máxima longitud del cable 3000 metros Máxima velocidad de transmisión 9,6 Kb/s Rango de trabajo 0/4 a 20mA

Alto 10mA Rango de señal

Bajo 5mA