Principios de Comunicaciones IndustrialesTecnologas de Control

ndiceTEMA 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 4. Protocolos Bsicos de Enlace Serie 2.1 Fases de Desarrollo de una Transmisin 2.2 Protocolo RTS/CTS 2.3 Protocolo XON-XOFF 2.4 Protocolo 3964R-RK512

Transformacin de Seales AnalgicasConcepto 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.

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

Conversin Analgico/Digital - Digital/AnalgicoVi ADC DAC Vo

D3

Do

D3

Do

Sensor

ProcesoActuador

Sistema de Comunicaciones

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 ProcesosMuestreo: tomando muestras de la seal analgica cada cierto tiempo Cuantificacin: Ponderacin de la muestra realizada Codificacin: binarizacin de la muestra cuantificada

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 DatosConexiones 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/AnalgicasComunicaciones Digitales: La informacin se enva por el canal de comunicaciones como una sucesin deimpulsos.

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

Transmisin de Datos Conceptos Bsicos (II)Comunicaciones Serie/ParaleloComunicaciones 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. Comunicaciones Serie: Se transmiten datos, seales de control e informacin de sincronizacin sobre un mismocanal. 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 DireccionalidadesSimplex: Comunicacin unilateral Half-Duplex: Comunicacin bilateral no simultanea Full-Duplex: Comunicacin bilateral simultanea

Transmisin de Datos Conceptos Bsicos (IV)Comunicaciones Sncronas/AsncronasComunicaciones Sncronas: No necesita emplear bits de comienzo y fin para delimitar la trama (carcter). Comunicaciones Asncronas: (Transmisin de Arranque/Parada) La informacin de sincronizacin forma parte dela trama (carcter) .

Codificacin de Bits (I)DescripcinEs 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 ASCIIModelo 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 SealesNo retorno a cero (NRZ-L)0 = nivel alto 1 = nivel bajo

No retorno a cero invertido (NRZ-I)

0 = no hay transicin al comienzo del intervalo (un bit cada vez) 1 = transicin al comienzo del intervalo

Bipolar-AMI

0 = no hay seal 1 = nivel positivo/negativo alternadamente

Pseudoternaria

0 = nivel positivo/negativo alternadamente 1 = no hay seal

Manchester

0 = transicin de alto a bajo en mitad del intervalo 1 = transicin de bajo a alto en mitad del intervalo

Manchester Diferencial

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

Codificacin de Bits (III)

Protocolos de Comunicacin (I)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 DatosDTE (ETD): Equipo Terminal de Datos DCE (ETCD): Equipo de Terminal de Circuito deDatos (Equipo de Comunicacin de Datos)

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

Protocolos de Comunicacin (II)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.

Protocolos de Comunicacin (III)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.

InteroperatividadSi 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.

Comunicacin Serie - DescripcinConexin 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 SerieLa conexin fsica se realiza a travs de interfaces series normalizadas por la EIA RS-232 RS-422 RS-485 TTY Lazo de Corriente-20 mA

Comunicacin Serie Tipos de InterfacesTipos de InterfacesInterfaces Equilibrados: Utilizan la tensin en una lnea, comparndola con otra para determinar una marca (un 1lgico), 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 NO DIFERENCIAL 1 EMISOR 1 RECEPTOR 15 metros 19,2 Kb/s +/-25V Alto Bajo +/-15V +/-3V +/-3V 7K

Modo de Operacin Nmero de dispositivos Mxima longitud del cable Mxima velocidad de transmisin Rango de trabajo Rango de seal

Sensibilidad de entrada receptor Resistencia de entrada receptor

Comunicacin Serie RS-232 (III)Patillaje del conector de puerto serie RS-232-CD - 25 1 2 3 4 5 6 7 8 20 22 D-9 3 2 7 8 6 5 1 4 9 FUNCION Masa Transmit Data Receive Data Request To Send Clear To Send Data Set Ready Masa Chasis Data Carrier Detect Data Terminal Ready Ring Indicator NOMBRE GND TD RD RTS CTS DSR GND DCD DTR RI DIRECCIN [DTE --> DCE] [DCE --> DTE] [DTE --> DCE] [DCE --> DTE] [DCE --> DTE] [DCE --> DTE] [DTE --> DCE] [DCE --> DTE]

Conexiones de 25 PinesNOMBRE TD RD RTS CTS DSR GND DTR LOCAL 2 3 4 5 6 7 20 REMOTO 3 2 5 4 20 7 6 NOMBRE RD TD CTS RTS DTR GND DSR

Comunicacin Serie RS-232 (IV)

Pin No. 1 2 3 4 5 6 7 8

Signal Description DCE Ready, Ring Indicator DTE Ready Signal Ground Received Data Transmitted Data Clear To Send Request To Send

Abbr. DTE DCE DSR/RI DTR SG RxD TxD CTS RTS

Received Line Signal Detector DCD

Comunicacin Serie RS-232 (V)

Tipos de UARTsINTEGRADO DESCRIPCIN

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

8250 8250A 8250B 16450 16550 16550A 16650 16750

Primera UART de la serie. No contiene registros temporales. Versin mejorada de la 8250, ms veloz. Es similar a la 16450. Versin mejorada de la 8250. Utilizada en ATs, ms rpida que la 8250. Muy comn an hoy en da. 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. La UART ms comn utilizada para comunicaciones de alta velocidad. Utiliza buffers FIFO. Actualizacin de la UART, contiene una FIFO de 32 bytes, transmisin X-ON/X-OFF y gestin de arranque. Producida por Texas Instruments. Contiene una FIFO de 64 bytes.

Comunicacin Serie RS-422DescripcinLa 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.Especificaciones Modo de Operacin Nmero de dispositivos Mxima longitud del cable Mxima velocidad de transmisin Rango de trabajo Rango de seal Alto Bajo RS422 DIFERENCIAL 1 EMISOR 10 RECEPTORES 1200 metros 10 Mb/s +/-10V +/-6V +/-2V +/-200mV >=4K

Conductor A + 0 0 1 1,5 V < VAB < 5V -1,5 V > VAB > -5V 1 + Conductor B

Sensibilidad de entrada receptor Resistencia de entrada receptor

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 Modo de Operacin Nmero de dispositivos Mxima longitud del cable Mxima velocidad de transmisin Rango de trabajo Rango de seal Alto Bajo RS485 DIFERENCIAL 32 EMISORES 32 RECEPTORES 1200 metros 10 Mb/s -7V a +12V +/-6V +/-1,5V +/-200mV >=12K

Sensibilidad de entrada receptor Resistencia de entrada receptor

Comunicacin Serie en Tensin Comparativa

Especificaciones Modo de Operacin Nmero de dispositivos Mxima longitud del cable Mxima velocidad de transmisin Rango de trabajo Rango de seal Alto Bajo

RS232 NO DIFERENCIAL 1 EMISOR 1 RECEPTOR 15 metros 19,2 Kb/s +/-25V +/-15V +/-3V +/-3V 7K

RS423 NO DIFERENCIAL 1 EMISOR 10 RECEPTORES 1200 metros 100 Kb/s +/-6V +/-6V +/-3,6V +/-200mV 4K

RS422 DIFERENCIAL 1 EMISOR 10 RECEPTORES 1200 metros 10 Mb/s +/-10V +/-6V +/-2V +/-200mV >=4K

RS485 DIFERENCIAL 32 EMISORES 32 RECEPTORES 1200 metros 10 Mb/s -7V a +12V +/-6V +/-1,5V +/-200mV >=12K

Sensibilidad de entrada receptor Resistencia de entrada receptor

Comunicacin Serie TTY-Lazo de CorrienteDescripcinEl 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.

Protocolos Bsicos de Enlace SerieTipos de Protocolos de Nivel de EnlaceProtocolos 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 queindica el 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.

Fases de Desarrollo de una TransmisinEstablecimiento de Conexin(Inicializacin del Enlace) (Lnea Reposo Lnea Operativa)

Peticin para la Transmisin(Interlocutor ha de prepararse)

mbito cubierto por el Protocolo

Transmisin de Datos Fin de la Transmisin(Emisor informa de la finalizacin)

Liberacin de la Conexin(Terminacin del Enlace) (Lnea Operativa Lnea Reposo)

Protocolo RTS/CTSDescripcinEl protocolo transmisin/permiso (RTS/CTS) se usa para transferir los datos entre dos dispositivos va serie. Utilizado en comunicacin PC con perifricos para entornos locales.

Caractersticas del ProtocoloTcnica de tipo primario/secundario sin sondeo Simplex, Punto a Punto, Asncrono, Orientado a Carcter RS-232-C lneas 4 y 5 RTS/CTS, datos lnea 2. Cdigo de datos Transparente control Hardware

Transmisin RTS/CTSDTE ARTS (4) Datos (2) RS-232-C

DTE BCTS (5) CTS (5)

DTE A solicita transmitir RTS lnea 4 DTE B autoriza transmisin CTS lnea 5 Los datos se transmiten por lnea 2. DTE B desactiva CTS lnea 5 DTE A cesa la transmisin

Protocolo XON-XOFFDescripcinEl protocolo XON-XOFF se usa para transferir los datos entre dos dispositivos va serie. Utilizado en comunicacin PC con perifricos como impresoras, terminales grficos o trazadores.

Caractersticas del ProtocoloTcnica de tipo primario/secundario sin sondeo Semiduplex, Punto a Punto, Asncrono, Orientado a Carcter RS-232-C lneas 2 y 3 de envo y recepcin. Cdigo de datos Transparente control ASCII (XON, XOFF)

Transmisin Xon-XoffDTE ADatos (2) Datos (2) Datos (2) RS-232-C

DTE BXoff (3) Xon (3)

Los datos se transmiten por lnea 2. DTE B enva un cdigo cesar de transmisin por lnea 3 DTE A suspende la transmisin DTE B enva un cdigo reanudar transmisin por lnea 3 DTE A reanuda la transmisin

Protocolo 3964R DescripcinDescripcinEl protocolo 3964 se usa para transferir los datos entre dos dispositivos va serie. Un dispositivo debe ser prioritario y el otro debe de ser de baja-prioridad para resolverse los conflictos del inicializacin.

Caractersticas del Protocolo 3964RNo normalizado Propio de Siemens Semiduplex, Punto a Punto, Asncrono, Orientado a Carcter TTY Lnea de 4 hilos mxima velocidad 9.600b/s Cdigo de datos Transparente control ASCII, ISO 7 bits

Bloque de Transmisin de Caracter1 Bit de start 7/8 Bit Bit Parid. stop

MensajeDato 1 Dato 2 Dato 3 Dato n

Protocolo 3964R Estructura de TramaCaracteres de ControlSmboloDLE STX NAK ETX BCC

NombreData Link Escape Start of Text Not acknowledge End of Text Bloc check character

Hexadecimal10 02 15 03 -

Decimal16 02 21 03 -

SignificadoCarcter de Escape Comienzo de Texto Reconocimiento Negativo Fin de Texto Chequeo de Paridad

Estructura de Trama

STX

Datos

DLE

ETX

BCC

Tiempos de Vigilancia y Conflictostq = tiempo de interrupcin de reconocimiento (2 s): Tiempo que transcurre desde la transmisin del ltimo carcter desde un extremo, hasta que recibe un carcter desde el otro extremo. tz = tiempo de interrupcin de carcter (200 ms): Tiempo que transcurre desde la transmisin de un carcter desde un extremo, hasta que se enva el siguiente carcter.

ConflictosConflicto de Inicializacin Prioridad prefijada (PC > PLC) Acuse de recibo negativo Repeticin de Mensaje (hasta 2 veces) No hay tratamiento para bloqueo de datos

Protocolo 3964R Esquema de ComunicacinEsquema de ComunicacinEste protocolo sigue un esquema de pregunta/respuesta. El PC es quien siempre comienza la comunicacin. El PLC contesta.

Trama de PreguntaPCSTX DLE N caracteres de datos DLE ETX BCC DLE

Trama de RespuestaTiemposPC PLCSTX

PLC

Tiempos

tq tz tz tq

DLE N caracteres de datos DLE ETX BCC DLE

tq tz tz tq

Tratamiento del Carcter DLE en DatosAnte la presencia del carcter DLE en datos, se duplica su presencia. Dato 6 Dato 6 Dato 5 Dato 5 DLE DLE DLE Dato 3 Dato 3 Dato 2 Dato 2 Dato 1 Dato 1 Datos Datos

DLE es dato y no carcter de control

Protocolo RK512 DescripcinDescripcinEl protocolo RK512 describe un protocolo de transporte (nivel 4) est basado en el protocolo 3964R, que representa el nivel 2.

Protocolo RK512 Comando FETCHEste comando pretende la lectura de datos de una zona de memoria del PLC. Se representa por dos letras ED (del alemn Eingabe Data) cuyos cdigos en hexadecimal son 0x45 y 0x44.Trama de Pregunta FETCHPCSTX DLE [0][0] [45][44] [B][F] [0][14] [FF][FF] DLE ETX BCC DLE

Trama de Respuesta FETCHPC PLCSTX DLE [0][0] [0][0] [5][3] [A][23] DLE ETX BCC DLE

PLC

SignificadoPeticin de envo de comando Dispuesto a recibir commando Cabecera Comando Fetch (ED) DB(11), primera DW(15) Nnero de DWs a leer(20) Cola del commando Fin de mensaje Comando recibido correctamente

SignificadoPeticin de envo de datos Dispuesto a recibir Cabecera Nmero por defecto (error contador) DW15 (primera DW) DW16 . DW34 (ltima DW) Fin de mensaje Datos recibidos correctamente

Protocolo RK512 Comando SEND/PUTEl comando SEND se utiliza por parte del PC para escribir datos en el PLC . Se representa por dos letras AD cuyos cdigos en hexadecimal son 0x41 y 0x44.Trama de Pregunta SENDPCSTX DLE [0][0] [41][44] [B][F] [0][4] [FF][FF] [6][7] DLE ETX BCC DLE

Trama de Respuesta SENDPC PLCSTX DLE [0][0] [0][0] DLE ETX BCC DLE

PLC

SignificadoPeticin de envo de comando Dispuesto a recibir commando Cabecera Comando SEND (AD) DB(11), primera DW(15) Nnero de DWs a escribir (4) Cola del Comando DW 15 (primera DW) DW16 DW 18 (ltima DW) Fin de mensaje Comando recibido correctamente

SignificadoPeticin de envo de datos Dispuesto a recibir Cabecera Nmero por defecto (error contador) Fin de mensaje Datos recibidos correctamente