Ing. JORGE LUIS URBANO ALVA

I.E.S.T.P. “ESCUELA SUPERIOR PRIVADA DE TECNOLOGÍA SENATI” COMUNICACIONES INDUSTRIALES

- Comunicaciones

Comunicaciones

• Comunicación: proceso de transmisión y recepción de ideas, información y mensajes

• Transmisión: envío de señales desde un lugar a otro a través de un medio apto de desplazamiento.

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Sistema de Codificación de Mensajes

Protocolo de Comunicación

Emisor ReceptorCanal

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Sistema de Codificación de Mensajes

Protocolo de Comunicación

Emisor Receptor

Canal

Codifica Decodifica

Modula Demodula

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Sistema que:• codifica un mensaje mediante un sistema de

codificación predefinido• modula (transforma) el mensaje en una señal

apta para ser transmitida• transmite el mensaje a un canal en forma de

señales

EMISOR

Elementos Básicos de las Comunicaciones

CANAL

• Vía de comunicación que contempla los aspectos:

• Físico: dedicado a la generación, transmisión y detección de señales codificadas con información, buscando:– Calidad: aptitud de reconocer señales sin error– Velocidad

• Lógico (o de información): dedicado a la forma de codificar información en las señales

Los canales se encuentran expuestos a la entropía.Entropía: Término tomado prestado de la termodinámica para designar intuitivamente el grado de ‘desorden’ en un sistema de comunicaciones (ruido, interferencia)

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Sistema que– detecta señales en el canal– demodula (transforma la señal recibida en

mensaje)– decodifica

RECEPTOR

Elementos Básicos de las Comunicaciones

Compuesto por– conjunto de símbolos– conjunto de reglas sintácticas– conjunto de reglas semánticas

para generar mensajes. En sistemas de telecomunicaciones este tema es tratado por la Teoría Matemática de la Información.

SISTEMA DE CODIFICACIÓN DE MENSAJES

Elementos Básicos de las Comunicaciones

• Son conjuntos de normas para el intercambio de información, consensuadas por las partes comunicantes.

• En términos informáticos, una normativa necesaria de actuación para que los datos enviados se reciban de forma adecuada.

• Hay protocolos de muy diversos tipos, que se ocupan por ej. de: – asegurar que el orden de los paquetes recibidos concuerde

con el de emisión. – a garantizar que los datos enviados por una computadora se

visualicen correctamente en el equipo receptor.

PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN

Proceso de Comunicación

1. establecer un canal2. establecer comunicación 3. transmitir señales4. verificar que haya sido recibido5. finalizar la transmisión6. cortar el canal

Organismos de Standarización

• EIA/TIA: Asociación de Industrias Electrónicas y Asociación de la Industria de Telecomunicaciones.

• IEEE: Instituto de Ingenieros Electricistas y Electrónicos.

• FCC: Comisión Federal de Comunicaciones.

• ITU: Unión Internacional de Telecomunicaciones.

- Sistemas de Telecomunicaciones

Sistemas de Telecomunicaciones

Sistema artificial de comunicación a distancia que permite transmitir palabras, sonidos, imágenes o datos en forma de impulsos o señales eléctricas o electromagnéticas.

CONCEPTO

Sistemas de Telecomunicaciones

• 1834: se inicia la comunicación electrónica con el invento del telégrafo y el código de Samuel Morse.

• 1874: Emil Baudot idea un código de longitud constante que se puede sincronizar.

• 1877: se instala la primera línea telefónica entre Boston y Sommerville

• 1908: se difunde en EEUU sistemas de discado telefónico• 1910: se mejora el incipiente concepto de sincronización llamado

start/stop• 1920: se establecen los principios básicos de la conmutación de

líneas y mensajes

EVOLUCION

Sistemas de Telecomunicaciones

• Enlaces: – Tipos: Analógicos y Digitales

• Canales:– Tipos: Materiales e Inmateriales– Administración: Directo y Conmutado– Operación: Simplex, Half Duplex y Full Duplex

• Transmisión:– Modos: Sincrónico y Asincrónico– Tecnologías:

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS

Tipos de Enlaces

Conexión real entre dos nodos en una red

• Analógico (continuo): Sistema que detecta midiendo los distintos valores de los estados que adopta sistema emisor; y los transmite en forma continua y análoga en cada instante de tiempo.

• Digital (discreto): Sistema que detecta los distintos valores medidos de los estados que adopta el sistema emisor; los codifica en forma de números discretos y transmite estos códigos.

Tipos de Canales

• Materiales: Propagación de señales eléctricas por conductores o cables de Plata, Oro, Cobre; o señales lumínicas como la fibra de vidrio o fibra plástica.

• Inmateriales: Radiación electromagnética de ondas producidas por la oscilación o la aceleración de cargas eléctricas (radio frecuencias RF)

Administración de Canales

• Directo: Se establece contacto directo entre dos corresponsales en forma permanente. Tal es el caso de los vínculos dedicados que se instalan entre dos puntos.

• Conmutado: Se establece contacto a través de un conmutador que se encarga de vincular dos corresponsales en forma transitoria. Tal es el caso de los conmutadores:

– Por Circuito o Línea (Teléfono)– Por Mensaje (Telex)– Por Paquete (Datos) (ATM - Frame Relay)

Operación de Canales

Duplex

Simplex

Full-Duplex

Sentido de la circulación de los mensajes

Half-Duplex

Modos de Transmisión

• Sincrónico: El emisor y el receptor disponen de una misma referencia de tiempo para depositar y recolectar la información. Las señales que no se tomen a tiempo se pierden. Se utilizan para transmitir gran cantidad de información a alta velocidad. Existen de dos formas:

– Serial: el canal está compuesto de un solo hilo, por donde se canaliza en forma secuencial las series de bits que conforman un byte.

– Paralelo: el canal está compuesto por varios hilos, pudiendo ser de 8 bits, 16, 32, etc.

• Asincrónico: No existe referencia común de tiempo entre el emisor y el receptor. Se los utiliza para transmisiones de caudal reducido e irregular.

Tecnologías de Transmisión

• Analógicos– Modulación de Amplitud (AM)– Modulación de Frecuencia (FM)– Modulación de Fase (PM)– Banda Ancha (DSL)

• Digitales– Banda Base (Video Compuesto)

Radiación Electromagnética

• La circulación de cargas eléctricas por un conductor, genera alrededor del mismo una radiación magnética que se propaga por el aire.

• Una radiación magnética que incide en un conductor, induce en este una circulación de cargas eléctricas.

Ondas ElectromagnéticaForma con la que la radiación electromagnética (energía) se propaga por el espacio.

• Amplitud (A): Desplazamiento máximo de un punto respecto de la posición de equilibrio (punto en el que la onda pasa de positiva a negativa y viceversa.

• Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos análogos consecutivos. Se mide en metros (m).

• Frecuencia (f): Número de ciclos o vibraciones por unidad de tiempo. Se mide en hercios (Hz).

• Período (T): Tiempo invertido en efectuar un ciclo o vibración completa.

• Velocidad (v): Velocidad con que se propaga la onda.

Espectro de Radio Frecuencia (RF)

Según la longitud de onda, la radiación electromagnética recibe diferentes nombres.

Conjunto de ondas electromagnéticas que se propagan de forma ondulatoria a velocidad constante de 300.000 km/s.

Sistema de Transmisión de RF

EMISOR

Modulador

Antena

Oscilador

Transmisor

Radio Frecuencia

portadora

Señal Modulada

Información

RECEPTOR

Demodulador

Antena

Sintonizador

Señal Modulada

Información

Onda Portadora

• Señal, generalmente de forma senoidal, que es modulada (transformada) por otra señal de información que se quiere transmitir.

• Es de una frecuencia mucho más alta que la de la señal a modular

Modulación por Amplitud (AM)

Modulación por Frecuencia (FM)

Modulación por Fase (PM)

Animación de Modulación

Comunicaciones Industriales Se pueden definir las Comunicaciones Industriales como: “Área de la tecnología

que estudia la transmisión de información entre circuitos y sistemas electrónicos utilizados para llevar a cabo tareas de control y gestión del ciclo de vida de los productos industriales”

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Comunicaciones Industriales

Factoría

Planta

Célula

Campo

Proceso

• Deben resolver la problemática de la transferencia de información entre los equipos de control del mismo nivel y entre los correspondientes a los niveles contiguos de la pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing).

PCs, Servidores, Estaciones de trabajo,… LAN/WAN/Internet

PCs, Servidores, Estaciones de trabajo,… LAN/Internet

PCs, PLCs, PCs Industriales… Buses de Campo, LAN Industrial

PLCs, CNCs, Transporte Automatizado,… Buses de Campo

Sensores, Actuadores, Máquinas Herramienta,… Sistemas Cableados. Buses de Sensores Actuadores. Buses de Campo

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Comunicaciones Industriales Modelo OSI desarrollado por la ISO para la conexión de sistemas informáticos abiertos

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Comunicaciones IndustrialesNecesidad:

En los niveles superiores de la pirámide CIM se trabaja frecuentemente con grandes volúmenes de datos, aunque el tiempo de respuesta no es en general crítico y se sitúa entre pocos segundos hasta minutos o incluso horas.

Por el contrario, los sistemas electrónicos de control utilizados en los niveles inferiores de las fases de producción trabajan en tiempo real y debido a ello se les exigen tiempos de transmisión mucho más rápidos y, sobre todo, un comportamiento determinista de las comunicaciones, aunque los volúmenes de información a transmitir son, en general, menos elevados.

Como consecuencia, tenemos la siguiente situación …35

Comunicaciones Industriales

CANTIDAD DE NODOS

CA

NTI

DA

D D

E D

ATO

S

TIE

MP

O D

E T

RA

NS

MIS

IÓN

IBM

HOST

HEWLETTPACKARD PUENTE

CISCOSYSTEMS GATEWAY

latigid

PLClatigid

PLClatigid

PLClatigid

PLC

Mod em Ba nk

IOMod em Bank

IOMode m Bank

IO

RED ETHERNET CON TCP/IP

FIELDBUS, PROFIBUS, BITBUS,...

Desde las oficinas ...

… hasta la producción

Asi, CAN, InterBUS,...

Mbyte / h.

Mbyte / m.

byte / s.

byte / ms.

bits / µs.

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Comunicaciones Industriales• Redes de empresa y fábrica. En este nivel se ejecutan,

entre otras, las siguientes aplicaciones informáticas:Programas ERP (Enterprise Resource Planning)Programas MES (Manufacturing Execution Systems)Programas CAD/CAM/CAE (Computer Aided Design /Manufacturing / Engineering)Herramientas de aplicación general que permiten el trabajo en grupo (Groupware) del personal de todas las áreas de la empresa

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Comunicaciones Industriales Redes de célula. Las redes de empresa no han sido diseñadas, al

menos inicialmente, para satisfacer determinados requisitos que son propios del ambiente industrial, entre los que destacan:

Funcionamiento en ambientes hostiles (perturbaciones FEM, temperaturas extremas, polvo y suciedad, …) Gran seguridad en el intercambio de datos en un intervalo cuyo límite superior se fija con exactitud (“determinismo”) para poder trabajar correctamente en “tiempo real”.Elevada fiabilidad y disponibilidad de las redes de comunicación, mediante la utilización de dispositivos electrónicos, medios físicos redundantes y/o protocolos de comunicación que dispongan de mecanismos avanzados para detección y corrección de errores…Surgen las conocidas como redes Industrial Ethernet, cuya capa de enlace estábasada en la técnica Ethernet y cuyos protocolos básicos de comunicación se fundamentan en TCP/IP.

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En lo que respecta a los protocolos de la capa de aplicación que se debe utilizar en las redes Industrial Ethernet en combinación con los protocolos de las capas inferiores, no existe actualmente una solución única normalizada y están propuestas diferentes soluciones como:• Modbus TCP• EtherNet/IP• PROFINet• EtherCat• Powerlink• …

IRT-IsócronaRT-Tiempo real

Comunicaciones Industriales• Redes de Célula

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Suelen recibir el nombre genérico de buses de campo (Fieldbuses). Las redes de control resuelven los problemas de comunicación en los niveles inferiores de la pirámide CIM. Se utilizan, por tanto, para comunicar entre ellos sistemas de control industrial y/o con dispositivos de campo. Se clasifican en:

• Redes de controladores• Redes de sensores-actuadores

Comunicaciones Industriales• Redes de control.

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Este tipo de redes de control están diseñadas para realizar la comunicación de varios sistemas electrónicos de control PLC´s, CNC´s, robots, …) entre sí. Son, por lo general, redes de área local de tipo principal-subordinado (master-slave) o productor-consumidor (producer-consumer) que poseen varios nodos principales (Multimaster Networks).

[Cada nodo produce información que consumen todos los demás]

Los servicios de comunicación que proporcionan permiten no sólo el intercambio estructurado de información sino también llevar a cabo las tareas de diagnóstico, programación, carga, descarga y ejecución y depuración de los programas ejecutados en ellos.

Comunicaciones Industriales

Redes de control.

FMS

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Comunicaciones Industriales

Redes de sensores-actuadores

Redes de sensores-actuadores de elevada capacidad:Las redes de sensores-actuadores de elevada capacidad funcional disponen de una capa de enlace adecuada para el envío eficiente de bloques de datos de mayor tamaño que en el caso anterior.Se puedan configurar, calibrar e incluso programar dispositivos de campo (Field Devices) más “inteligentes” que los todo/nada (codificadores absolutos, sensores de temperatura, presión o caudal, variadores de velocidad, servoválvulas, etc.).

En este grupo se encuentran las redes de campo diseñados con el objetivo específico de intercomunicar los sistemas electrónicos de control con los dispositivos de campo conectados al proceso.

Funcionan en aplicaciones de tiempo real estricto en una pequeña zona de la planta (típicamente una máquina o célula). Los fabricantes suelen denominarlas redes de periferia distribuida (distributed periphery).

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Comunicaciones Industriales

Redes de sensores-actuadoresRedes de sensores-actuadores de capacidad limitada:Las redes de sensores-actuadores de capacidad funcional limitada han sido diseñadas para integrar principalmente dispositivos todo-nada (fin de carrera, fotocélula, relé, …).

AS-i(Actuator Sensor Interface)

OMRON

SIEMENS

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• ¿Por qué hay tantos Buses de Campo?Comunicaciones Industriales

“La respuesta está en el Golf”

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Comunicaciones Industriales.Entrenador “Torre de Babel”

ETHERNET

PROFIBUS

DEVICENET

COMPONET

MODBUS

AS-i

…

WIFI

BLUETOOCH

GSM-Modem

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