Sistemas de Control Distribuido - Juan Pablo Ferrari

7/22/2019 Sistemas de Control Distribuido - Juan Pablo Ferrari

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FACULTAD DE CIENCIAS EXACTAS, INGENIERIA Y

AGRIMENSURA UNIVERSIDAD NACIONAL DE ROSARIO

Escuela de Ingeniera ElectrnicaDepartamento de Sistemas e Informtica

Electiva SistemasDistribuidos

Monografa sobre

Sistemas de Control Distribuido

Ao 2005

Juan Pablo Ferrari F-1694/2Mail: [email protected]

Docente: Ing. Jos L. Simn


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Sistemas Distribuidos 2005

INDICE

1. INTRODUCCIN..................................................................................................................32. EVOLUCIN DE LA AUTOMATIZACIN INDUSTRIAL..............................................33. ESTRUCTURAS GENERALES DE LOS SISTEMAS DE CONTROL INDUSTRIALES 5

3.1.1 Control centralizado ..................................................................................................53.1.2 Control centralizado multicapa..................................................................................63.2.1 Control Distribuido....................................................................................................7

4. CARACTERSTICAS ESPECFICAS DE LAS REDES LOCALES INDUSTRIALES.....84.1 Jerarqua entre los niveles de comunicacin ................................................................84.1.1 Red de Factora........................................................................................................12

4.1.2 Red de Planta ...........................................................................................................124.1.3 Red de Clula ..........................................................................................................134.1.4 Bus de Campo (field bus) ........................................................................................13

5. EJEMPLOS DE ESTUDIO..................................................................................................165.1 Redes MAP Y TOP ....................................................................................................165.2 Redes MINIMAP........................................................................................................185.3 Ethernet Industrial ......................................................................................................195.4 PROFIBUS.................................................................................................................205.4.1 Versiones Compatibles ............................................................................................215.4.2 Estructura de la red ..................................................................................................225.4.3 Tecnologa de transmisin.......................................................................................24

5.5 AS-I: AKTUATOR SENSOR INTERFACE............................................................255.6 INTERBUS.................................................................................................................265.7 CAN: CONTROLLER AREA NETWORKING .......................................................295.8 Comparacin de los casos estudiados........................................................................31

6 CONCLUSIONES.................................................................................................................317 BIBLIOGRAFA...................................................................................................................32

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1. IntroduccinEl desarrollo del control distribuido en la industria va paralelo al de las comunicaciones .

Cada vez es ms necesario disponer de dispositivos inteligentes para realizar el control o lasupervisin remota, tanto de procesos de fabricacin, como de almacenamiento o distribucin.Los sistemas o redes de comunicacin empleados en entornos industriales se encuentran

sometidos a una problemtica especfica que condiciona enormemente su diseo y losdiferencia de las redes de datos o redes de oficina. El desarrollo de los microprocesadores,microcontroladores y los controladores lgicos programables (PLCs) dio lugar a la aparicindel control distribuido. En este tipo de esquema, un PLC o un microprocesador controla una oms variables del sistema realizando un control directo de las mismas. Estos equipos decontrol local se comunican con otros elementos de su nivel y con el nivel superior desupervisin.

En la presente monografa se desarrollar el tema sistemas de control distribuido,refirindonos siempre a control en el mbito industrial. Para esto en primer lugar se describirsintticamente la evolucin cronolgica de los sistemas de control industrial hasta llegar a loscontroladores actuales. Luego se describirn las estructuras que pueden tener estos sistemasde control y las caractersticas que deben tener los sistemas de supervisin. Despus se verntodas las redes que estn en juego el ambiente de plantas industriales describiendo lascaractersticas que cada una debe tener, y las implementaciones tecnolgicas de las mismas.

Por ltimo se realizar estudio de casos especficos de redes de comunicacin en sistemasde control distribuidos y sus principales caractersticas

Cabe aclarar que en este se utiliza el termino control distribuidopara aplicaciones decontrol de arquitectura distribuida, como las descripta anteriormente, no refirindonosespecficamente a controladores, conocidos en la jerga de control como DSC (sistemas decontrol distribuidos) nicamente. Esto es porque en la actualidad todos los dispositivos decontrol ya sean (DSC o PLC u otro) estn capacitados para trabajar con arquitecturas

distribuidas que sern estudiadas en el presente trabajo.

2. EVOLUCIN DE LA AUTOMATIZACIN INDUSTRIALLos conceptos de automatizacin tienen sus orgenes con la revolucin industrial. Los

elementos mediante los cuales se llevaban a cabo las decisiones de control eran elementosmecnicos y electromagnticos con el advenimiento de la electricidad (motores, rels,temporizadores, contadores ). Esto tena el problema que los tableros de control (armarioselctricos) llegan a tomar grandes tamaos segn se hacan automatizaciones ms complejas.

En los aos 50 con la aparicin de la electrnica comienzan a utilizarse lossemiconductores con lo que se reduce el tamao de los armarios elctricos y se reduce elnmero de averas por desgaste de componentes. Aunque esto resultaba mucho ms amigableque los grandes tableros elctricos del principio presentaba un problema de falta deflexibilidad: ya que un sistema de control slo sirve para una aplicacin especfica, y no esreutilizable.

Debido a esto y a la creciente demanda industrial del momento en el ao 1968 Ford yGeneral Motors plantean las especificaciones que debe cumplir un controlador electrnico

programable para ser realmente til en la industria.Es as que Bedford associates desarrolla un prototipo de controlador industrial, que puede

ser considerado el primer PLC de la historia (programmable logic controller o autmataprogramable industrial). Este presentaba las caractersticas que reclamaba la industria:

Reutilizable.

Adaptado a entornos agresivos (industria) Fcilmente programable por tcnicos elctricos . Implementado con electrnica de estado slido (semiconductores)



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Los primeros PLCs se usaron para controlar procesos secuenciales (cadenas de montaje,transporte, etc). El problema que presentaba era que su memoria era cableada, por lo que lareutilizacin es posible pero costosa.

A principio de 1970 aparece el microprocesador y con los primeros ordenadores digitales.Se empezaron implementar memorias con semiconductores eliminando las memoriascableadas mayor flexibilidad por la facilidad de programacin. Pero por entonces todava la

tecnologa de los microprocesadores no era utilizable en la industria por falta de robustez ,dificultad de conexin a equipos mecnicos y dificultad de programacin.A mediados de los 70 los autmatas incorporan el microprocesador y las memorias

semiconductoras lo que permiten programar sin recablear (aumenta flexibilidad). Ademspermiten realizar clculos matemticos y comunicar con un ordenador central (ordenadorencargado de controlar la planta enviando rdenes a los autmatas que gobiernan cada

proceso). Junto con esto aparecen los primeros DCS (sistemas de control distribuido) que erancontroladores lgicos al igual que los PLCs solo que estos en el principio dominaban el reinodel control de variables analgicas. De esta manera sistemas DCS trabajaban a la par desistemas separados de PLC para control discreto de variables on/off.

Hacia los finales de los 70 aparecen mejoras en los autmatas dndole a estos: Mayor memoria. Capacidad de gobernar bucles de control. Ms tipos de E/S (conexin ms flexible de sensores/actuadores ). Lenguajes de programacin ms potentes . Comunicaciones ms potentes.

En los aos 80 se continua con las mejoras siendo algunas de estas: Mayor velocidad de proceso. Dimensiones ms reducidas. Tcnicas de control ms complejas (PID, inteligente, fuzzy). Mltiples lenguajes (contactos, lista instrucciones, GRAFCET, etc).

En los aos 90 cuando los sistemas de control basado en PC hicieron su aparicin en laescena de la automatizacin industrial, los partidarios de estos sistemas ms poderosos yabiertos afirmaban que dichos sistemas podran llegar a suplantar a los controladores lgicos

programables (PLCs) y hasta los sistemas de control distribuidos (DCSs) en numerosasaplicaciones. La PC tena mucho que ofrecer, pero no suplantara las plataformas ya probadasde control industrial, no por lo menos en la forma de una PC de escritorio. La PC era la mejoropcin a la hora de integrar funcionalidad avanzada, como puede ser conectividad de base dedatos, integracin, control analgico y simulacin basados en Web y comunicacin de datoscon terceros. El problema con el control basado en PC ha sido siempre el control . Las PCsque corren en sistemas operativos estndares con hardware comn resultan demasiado frgilesy temperamentales como para brindar un contro industrial confiable.

El resultado de todas estas innovaciones fue la aparicin de controladote hbridos quepermiten manejo de variables analgicas y digitales, en conjunto con caractersticas comoprocesador de punto flotante para clculos personales, servidor Web interactivo embebido quefacilita las tareas de control y monitoreo, flash compacto removible para la recoleccin yregistro de datos, puertos seriales mltiples y conexionado mediante buses de campo para lacomunicacin con terceros.

En la actualidad tenemos disponibles gran variedad de autmatas hbridos compactos,sencillos y modulares para aplicaciones incluso domsticas. Presentan grandes posibilidadesde ampliacin. Y con una tendencia hacia una evolucin continua de los sistemas decomunicacin, constituyendo redes de autmatas que permitan implementaciones mscomplejas y seguras. Las nuevas caractersticas de los sistemas de automatizacin apuntan aincorporar caractersticas de los sistemas distribuidos como:

Escalabilidad



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Apertura Concurrencia Tolerancia a fallas Transparencia

3. ESTRUCTURAS GENERALES DE LOS SISTEMAS DECONTROL INDUSTRIALES

La Figura 1 muestra en forma esquemtica la estructura control implementadasnormalmente en la industria.

En la mismapueden verse dos reasbien definidas: Una laparte operativay otrala parte de control.

FIG. 1

En la parteoperativa tenemos los

dispositivos dehardware y softwareque brindan lainformacin necesaria

para llevar a cabo lasoperaciones de plantanecesarias, con una

interfase amigable y entendible para el operador.En la parte de control encontramos a los dispositivos de control (PLCs, DCPS y o PC

industriales) que permiten llevar a cabo las acciones de control en conjunto con losactuadores. Entre todos estos dispositivos hay comunicacin vertical (desde la parte decontrol hacia la operativa y viceversa) y comunicaciones horizontales (entre distintosdispositivos de control)

A continuacin se describirn las dos arquitecturas ms conocidas de control, industrial,aunque cabe aclarar que no son las nicas y muchas soluciones de automatizaciones son unamezcla de estas que se adapta a las necesidades especificas de cada situacin.

3.1.1 Control centralizadoEn la figura 2 puede verse la estructura general del control centralizado

Constituido por

una computador, uninterfaz de procesoy una estacin deoperador (interfaz deoperacin)

FIG. 2

La principalventaja es que su arquitectura facilita el flujo de informacin y se hace posible que losobjetivos de optimizacin global del proceso puedan ser alcanzados, pero tiene la desventajaque depende de la fiabilidad del computador. Para solucionar esto se aplica redundancia deservicios crticos como se ver ms adelante.

Una variante del control centralizado puede verse en la figura 3 y quizs la ms aplicable

por la probada robustez de los controladores industriales.



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3.1.2 Control centralizado multicapa

FIG 3SCADA

A partir de esta arquitectura de control aparece el concepto de SCADAque viene de las

siglas de "Supervisory Control And Data Adquisition", es decir: adquisicin de datos ycontrol de supervisin. Se trata de una aplicacin software especialmente diseada parafuncionar sobre ordenadores en el control de produccin, proporcionando comunicacin conlos dispositivos de campo (controladores autnomos, autmatas programables, etc.) y

controlando el proceso de forma automtica desde la pantalla del ordenador. Adems, proveede toda la informacin que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto delmismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad,supervisin, mantenimiento, etc.

En este tipo de sistemas usualmente existe un ordenador, que efecta tareas desupervisin y gestin de alarmas, as como tratamiento de datos y control de procesos. Lacomunicacin se realiza mediante buses especiales o redes LAN, los cuales sern abordadosms adelante para su estudio especifico. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, yestn diseados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos

procesos. Los elementos de proceso del sistema de control pueden utilizar unaimplementacin estndar en tiempo real de CORBA (Common Object Request BrokerArchitecture) para la comunicacin entre objetos a travs de redes. Adems, la especificacinde interfaces ser muy importante para el mantenimiento y conservacin de la inversinteniendo en cuenta los rpidos cambios tecnolgicos. Por ello sern usados estndares abiertoscomo RT POSIX o ATM, y tambin CORBA.

Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite, sedenomina en general sistema SCADA.PrestacionesUn paquete SCADA debe estar en disposicin de ofrecer las siguientes prestaciones:

Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador parareconocer una parada o situacin de alarma, con registro de incidencias.

Generacin de histricos de seal de planta, que pueden ser volcados para su procesosobre una hoja de clculo. Ejecucin de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar

las tareas asociadas al autmata, bajo ciertas condiciones. Posibilidad de programacin numrica, que permite realizar clculos aritmticos de

elevada resolucin sobre la CPU del ordenador.Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones para ordenadores (tipo PC, por ejemplo),

con captura de datos, anlisis de seales, presentaciones en pantalla, envo de resultados adisco e impresora, etc.

Adems, todas estas acciones se llevan a cabo mediante un paquete de funciones queincluye zonas de programacin en un lenguaje de uso general (como C, Pascal, o Basic), lo

cual confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad. Algunos SCADA ofrecen



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libreras de funciones para lenguajes de uso general que permiten personalizar de manera muyamplia la aplicacin que desee realizarse con dicho SCADA.

RequisitosUn SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalacin sea perfectamente

aprovechada:

Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse segn lasnecesidades cambiantes de la empresa. Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el

equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestin). Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y

fciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario.

Mdulos de un SCADA.Los mdulos o bloques software que permiten las actividades de adquisicin,

supervisin y control son los siguientes: Configuracin: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA,

adaptndolo a la aplicacin particular que se desea desarrollar. Interfaz grfico del operador: proporciona al operador las funciones de control y

supervisin de la planta. El proceso se representa mediante sinpticos grficosalmacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en elSCADA o importados desde otra aplicacin durante la configuracin del paquete.

Mdulo de proceso: ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de losvalores actuales de variables ledas.

Gestin y archivo de datos:se encarga del almacenamiento y procesado ordenado delos datos, de forma que otra aplicacin o dispositivo pueda tener acceso a ellos.

Comunicaciones: se encarga de la transferencia de informacin entre la planta y la

arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre sta y el resto de elementosinformticos de gestin.

3.2.1 Control Distribuido

FIG 4

La figura 4 muestra un esquema de control distribuido, donde puede observarse es que esmuy similar al control centralizado multicapa solo que aqu se comunicacin entre cada

controlador de proceso(comunicacin horizontal)

Existencia de variasunidades de control que llevan acabo las tareas. En caso de

avera o sobrecarga de trabajo,ser posible transferir todo o

parte de las tareas a otrasunidades.

La idea de poder hacer by-pass a las unidades conproblemas permite evitar losbloqueos necesarios del sistema,

(paradas de planta) pero por otra parte exige que las diferentes controladores tengan unaasignacin dinmica de las tareas y por tanto se les va a exigir gran capacidad de acceso a lacomunicacin y de tratamiento de la informacin

La desventaja de esto es la disminucin de la velocidad de comunicacin debido a losretardos, posibles desbordamientos en el procesamiento de datos en cada nivel y falta de flujo



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de informacin directa entre controladores. Pero esto est siendo solucionado por la aparicinde nuevas tecnologa de comunicacin de datos cada vez ms potentes

Aqu vemos que tambin tenemos una unidad de control y supervisin (SCADA) quecumple con las caractersticas antes mencionadas para el control centralizado multicapa.

A continuacin se muestra una tabla comparativas sobre los aspectos principales de lasdos arquitecturas antes mencionadas

TIPO DE ARQUITECTURA CENTRALIZADA DISTRIBUDA

TIPO DE CONTROLPREDOMINANTE

SUPERVISORIO: Lazos decontrol cerrados por el operador.Adicionalmente: controlsecuencial y regulatorio.

REGULATORIO: Lazos de controlcerrados automticamente por elsistema. Adicionalmente: controlsecuencial, batch, algoritmosavanzados, etc.

TIPOS DE VARIABLES DESACOPLADAS ACOPLADAS

REA DE ACCIN reas geogrficamentedistribuidas.

rea de la planta.

UNIDADES DEADQUISICIN DE DATOS

Y CONTROL

Remotas, PLCs. Controladores de lazo, PLCs, DCSs

MEDIOS DECOMUNICACIN

Radio, satlite, lneastelefnicas, conexin directa,LAN, WAN.

Redes de rea local, conexindirecta.

BASE DE DATOS CENTRALIZADA DISTRIBUDATabla 1

A partir de o expuesto hasta aqu se puede observar que la comunicacin entre controladoreses un aspecto fundamental para el funcionamiento de un sistema de control distribuido. Acontinuacin se detallaran las caractersticas que deben tener estas redes de controladores

para operar en el ambiente de planta.

4. CARACTERSTICAS ESPECFICAS DE LAS REDESLOCALES INDUSTRIALESCaractersticas:

Entorno de funcionamiento hostil:las redes industriales deben ser lo suficientementerobustas como para soportar golpes, atmsfera agresiva, radiacioneselectromagnticas, ruido elctrico y otras perturbaciones tpicas de la operacin en

planta. Restricciones temporales: las redes que comunican elementos de control con

requisitos como tiempo mximo de entrega de mensajes, esquemas de prioridades yndices elevados de disponibilidad

Arquitecturas adecuadas: debe ser arquitecturas abiertas que permitan lainterconexin de elementos de distintos proveedores sin problemas

4.1 Jerarqua entre los niveles de comunicacin:

FIG 5

A continuacin se realizar una clasificacin jerrquica de las redes locales industrialessegn el entorno donde van a serinstaladas, el grafico de la figura 5muestra un esquema de esto.

En el esquema piramidalpresentado, existen diferentes

niveles de comunicacin, cada unode ellos con diferentes necesidades.


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Se puede hablar en realidad de dos tipos de redes: redes de control y redes de datos. Lasredes de control estn ligadas a la parte baja de la pirmide, mientras que las redes de datos (ode oficina) estn ms ligadas a las partes altas de la jerarqua.

En general, las redes de datos estn orientadas al transporte de grandes paquetes de datos,que aparecen de forma espordica (baja carga), y con un gran ancho de banda para permitir elenvo rpido de una gran cantidad de datos. En contraste, las redes de control se enfrentan a

un trfico formado por un gran nmero de pequeos paquetes,En principio, las redes de datos convencionales podran emplearse para su uso como redesde control, sin embargo, es evidente que no resultan adecuadas para las necesidades de estetipo de aplicaciones. Por ejemplo, es sabido que la red Ethernet tiene una gran eficiencia,hasta el 90-95% de la capacidad del canal cuando los mensajes son largos y suficientementeespaciados. Sin embargo, la cantidad de informacin que una red Ethernet es capaz detransportar cae bruscamente cuando se utiliza por encima del 35% de la capacidad del canal,si el tamao de los mensajes es pequeo, como puede verse en la figura 6. En las redes decontrol es habitual encontrar este tipo de carga, porque el trfico de la red dependedirectamente de eventos externos que estn siendo controlados (o monitorizados) por losdiferentes nodos que la componen. A menudo, varios nodos necesitan enviar informacin

simultneamente en funcin de uno o ms eventos externos. Este hecho, junto con el grannmero de nodos que suelen estar presentes, implica la existencia de frecuentes periodos enlos que muchas estaciones envan pequeos paquetes de informacin.

Fig: 6Comparacin de la red Ethernet antevariaciones del tamao de los paquetes

Por todas estas razones, es necesario disear una arquitectura de red acorde a lascaractersticas particulares de este tipo de trfico. En el diseo se debern tener en cuentaaspectos como los tipos de protocolos utilizados, la interoperabilidad, la topologa y lafacilidad de administracin. Deben usarse protocolos abiertos, disponibles por toda lacomunidad de fabricantes y usuarios. Este aspecto es bsico para conseguir que equipos dediferentes fabricantes pueden trabajar en conjunto en una misma red. Tambin juega un papelfundamentaldeterminar el tipo de informacin que viajar por la red. En las redes de oficina,esta informacin consiste bsicamente en datos de usuario y en algunas ocasionesinformacin para la administracin y el mantenimiento de la propia red. En una red decontrol, esta eleccin es menos clara ya que el correcto funcionamiento de la red es vital.



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Figura 7:Comparacin entre redes de datos y redes de control

Pueden distinguirse dos tipos de redes segn la informacin que transporten: redes basadasen comandos y redes basadas en estado. En las redes basadas en comandos, la informacinconsiste en una orden con la que un nodo controla el funcionamiento de otro. El principal

problema radica en que si se dispone de un amplio conjunto de tipos de nodos, habr unaumento exponencial del nmero de posibles comandos y de la sobrecarga que supone su

procesamiento. En las redes orientadas a estado las cosas son ms sencillas. En este caso, lafuncionalidad de un nodo no depende de ningn otro. Cada nodo enviar mensajes en los queindicar a los dems el estado en que se encuentra. Los nodos que reciban estos mensajesmodificarn su estado en funcin de la nueva informacin. Existen implementaciones quecombinan ambos mtodos.

Por lo que se refiere al tipo de topologa que deben adoptar las redes de control, cabedestacar que cualquiera de las topologas clsicas de las redes de datos es vlida. Cada una deellas con sus propias ventajas y limitaciones. Cualquiera puede satisfacer las necesidades decableado, prestaciones y coste de algn tipo de aplicacin. La eleccin est determinadafundamentalmente por el control de acceso al medio y el tipo de medio que se emplea. Elconjunto formado por el medio, el control de acceso y la topologa, afecta prcticamente acualquier otro aspecto de la red de control: coste, facilidad de instalacin, fiabilidad,

prestaciones, facilidad de mantenimiento y expansin. .

La seleccin de la topologa suele hacerse basndose en los requisitos especficos de cadasistema en cuanto a coste de instalacin y tolerancia a fallos. Muchas redes de controlpermiten el uso de distintas topologas.

El control de acceso al medio es vital. Elegida una topologa, hay que definir comoacceder cada nodo a la red. El objetivo es reducir las colisiones (idealmente eliminarlas)entre los paquetes de datos y reducir el tiempo que tarda un nodo en ganar el acceso al medioy comenzar a transmitir el paquete. En otras palabras, maximizar la eficiencia de la red yreducir el retardo de acceso al medio. Este ltimo parmetro es el factor principal a la hora dedeterminar si una red sirve para aplicaciones en tiempo real o no.

El direccionamiento de los nodos es otro de los aspectos claves. En una red de control, lainformacin puede ser originada y/o recibida por cualquier nodo. La forma en que se

direccionen los paquetes de informacin afectar de forma importante a la eficiencia y lafiabilidad global de la red. Se pueden distinguir tres tipos de direccionamiento:a) Unicast: El paquete es enviado a un nico nodo de destino.


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SISTEMAS DISTRIBUIDOS 2005

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b) Multicast : El paquete es enviado a un grupo de nodossimultneamente.

c) Broadcast : El paquete es enviado a todos los nodos de la redsimultneamente.

El direccionamiento broadcast presenta la ventaja de su sencillez. Es adecuado para redesbasadas en informacin de estado. Cada nodo informa a todos los dems de cul es estadoactual. El principal inconveniente es que los nodos pueden tener que procesar paquetes que noles afecten directamente. Los esquemas de direccionamiento unicast y multicast son mseficientes, y facilitan operaciones como el acuse de recibo y el reenvo, caractersticas queaumentan la fiabilidad del sistema. En redes de control, es muy habitual encontrar esquemasde direccionamiento del tipo maestro-esclavo. Este tipo de esquemas permite plasmar ciertosaspectos jerrquicos del control de forma sencilla, a la vez que simplifica el funcionamientode la red y por tanto abarata los costes de la interfaz fsica.

La eleccin del medio fsico afecta a aspectos tales como la velocidad de transmisin,distancia entre nodos y fiabilidad. En muchas redes de control se recurre a una mezcla dedistintos medios fsicos para cumplir con los requisitos de diferentes secciones al menor coste

posible. Se incorporarn los routes, puentes o repetidores necesarios para asegurar el objetivode una comunicacin extremo a extremo transparente, al menor coste posible, y sin que laintegracin conlleve una disminucin de las prestaciones.

El control en tiempo real demanda de las redes de control buenos tiempos de respuesta(baja latencia). Por ejemplo, el retardo entre la deteccin de un objeto en una lnea de montajede alta velocidad y el arranque de una mquina de pintado puede ser del orden de decenas demilisegundos. En general, las redes de datos no necesitan una respuesta en tiempo real cuandoenvan grandes conjuntos de datos a travs de la red. El control de acceso al medio y elnmero de capas implementadas en la arquitectura de red resultan determinantes a la hora defijar la velocidad de respuesta de la red. La implementacin de las siete capas del modelo OSIimplica una mayor potencia de proceso por la sobrecarga que conlleva con respecto a un

sistema ms sencillo que por ejemplo slo implementase las dos primeras capas. Enocasiones, los beneficios que aportan las capas adicionales compensan la sobrecarga adicional(que implica un mayor costo), sobre todo a medida que aumenta la funcionalidad demandadade la red y mejora la tecnologa disponible. Cuando la velocidad es el factor esencial, comoocurre con muchos buses de campo, el modelo puede aligerarse ya que en la mayor parte deeste tipo de aplicaciones las capas de red, transporte, sesin y presentacin no son necesarias,como muestra el esquema de la figura 8.

Fig. 8Capas del modelo OSI/ISO y su relacin con las redes de control.

Otra forma de favorecer un tiempo de respuesta pequeo es la capacidad para establecermensajes con diferentes prioridades, de forma que mensajes de alta prioridad (como porejemplo una alarma) tengan ms facilidad para acceder al medio.


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Por ltimo, hay que destacar el papel que juega la seguridad de la red. Podemos destacardos niveles diferentes de seguridad. Por una parte la proteccin frente a accesos noautorizados a la red, y por otra parte la proteccin frente a fallos del sistema y averas.

El primer problema es el menos grave, ya que la mayor parte de las redes de control noestn conectadas a redes externas a la fbrica. Adems, en la prctica, la mayor parte de lasveces, las redes pertenecientes a los escalones ms bajos de la pirmide no estn conectadassiquiera con las redes de nivel superior dentro de la propia fbrica. En cualquier caso, losmecanismos de proteccin son similares a los empleados en las redes de datos: claves deusuario y autentificacin de los nodos de la red.

La proteccin frente a fallos juega un papel mucho ms importante, debido a que se debeevitar a toda costa, que este hecho afecte negativamente a la planta. Por ejemplo, los sistemasde refrigeracin de una central nuclear no pueden bloquearse porque la interfaz decomunicaciones de un nodo de la red se avere. Para ello es fundamental que los nodos

puedan detectar si la red est funcionando correctamente o no, y en caso de avera puedanpasar a un algoritmo de control que mantenga la planta en un punto seguro. Si el sistema escrtico, se deben incluir equipos redundantes, que reemplacen al averiado de forma automtica

en caso de avera. La monitorizacin de la red y la capacidad de diagnstico representan portanto dos puntos bsicos de cualquier red de control.La necesidad de buenas herramientas de mantenimiento y administracin de la red son

vitales. No slo por lo dicho anteriormente sino que tambin porque en las redes de control lasoperaciones de reconfiguracin y actualizacin de la red son frecuentes.

4.1.1 Red de FactoraLa constituyen redes de oficina que comunican departamentos contabilidad,

administracin, ventas, gestin de pedidos, almacn, Red de Planta. Generalmente estn

basadas en tecnologa Ethernet y conectadas a Internet a travs de un firewall para proteger lared interna de un ataque exterior. Brindan Servicios de comunicacin como transferencia deficheros y proceso de transacciones teniendo un gran volumen de informacin intercambiaday los tiempos de respuesta no son tan crticos. (Estas redes no sern estudiadas en el presentetrabajo)

4.1.2 Red de PlantaLa funcin de esta capa es interconectar mdulos y clulas de fabricacin entre s y condepartamentos como diseo o planificacin. La informacin vinculada de esta capa esadministrada y controlada por aplicaciones SCADA, ya sea en forma centralizada odistribuida segn la arquitectura implementada. En estas redes el trfico de datos es muyvariable desde mensajes cortos de rdenes de ejecucin hasta mensajes interactivos determinales de operarios. Al protocolo usado en estas redes se lo denomina MAP(Manufacturing Automation Protocol). En la prctica se emplean soluciones clsicas Etherneto Token Ring, con caractersticas especiales ya presentan menor costo y ms experiencia ensu implantacin frente a soluciones a medida.Requisitos de estas redes

Manejar mensajes de cualquier tamao. Gestin de errores de transmisin eficaces (detectar y corregir).

Cubrir reas extensas (puede llegar a varios kilmetros). Poder gestionar mensajes con prioridades. Amplio ancho de banda disponible


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4.1.3 Red de ClulaInterconectar dispositivos de control que operan en modo secuencial como por ejemploPLCs.Caractersticas deseables en estas redes :

Gestionar mensajes cortos eficientemente.

Capacidad de manejar trfico de eventos discretos. Mecanismos de control de error (El protocolo de comunicaciones debe detectar y

corregir errores). Posibilidad de transmitir mensaje prioritarios. Bajo coste de instalacin y de conexin por nodo. Recuperacin rpida ante eventos anormales en la red. Alta disponibilidad (el tiempo medio entre fallos mayor que 100.000 horas, para poder

mejorar la disponibilidad se implementa redundancia de servicios crticos).En la prctica son redes son de Tamao pequeo (5 a 50 dispositivos.) trabajando con Redes

propietarias que resultan generalmente dficiles de ampliar a un cuando se dispone dedispositivos de control de proveedores distintos. Se emplean potocolos asncronos (orientadosal carcter) si los paquetes transferidos son del orden de Kbps o sncronos si son de mayortamao (Mbps). Con un trfico de mensajes cortos para control y sincronizacin entre losdispositivos y ocasional transferencia de archivos.Si bien falta de una norma de aceptacin general para estas redes se las suelen encuadrar enlas siguientes categoras

Redes de atumatas (generalmente dependen del fabricante) : por ejemplo Jnet,Jbus, Modbus, Uni-Telway

Redes locales heterogneas: LAC-1, LAC-2. Redes normalizadas: Mini-MAP que resulta de una simplificacin de MAP para

poder utilizar en entornos de tiempo real, en donde, el nivel de aplicacin acceda

directamente al nivel de enlace del modelo OSI y PROWAY (Process Data Highway)que consiste en una topologa en bus y mecanismo de acceso por paso de testigo,cuyos aspectos funcionales estn orientados a su aplicacin en control de procesos

Redes de propsito general :Ethernet.Los controladores actuales disponen de dispositivos configurables de manera de podercomunicarse en alguna o varias de las categoras antes mencionadas. Tambin existendispositivos que permiten pasar de un protocolo a otro sin problemas, son como los gatewayde las redes de computadoras convencionales. (En la seccin 5 se abarcaran ejemplosconcretos de estas redes)

4.1.4 Bus de Campo (field bus)

Un bus de campo es un trmino genrico que describe un conjunto de redes decomunicacin para uso industrial, cuyo objetivo es sustituir las conexiones punto a puntoentre los elementos de campo y el equipo de control a travs del tradicional bucle de corrientede 4-20mA. Tpicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un

bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores ysensores. Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierteen un dispositivo inteligente, manteniendo siempre un costo bajo. Cada uno de estoselementos ser capaz de ejecutar funciones simples de autodiagnstico, control omantenimiento, as como de comunicarse bidireccionalmente a travs del bus.

El objetivo es reemplazar los sistemas de control centralizados por redes para controldistribuido con las que mejorar la calidad del producto, reducir costes y mejorar la eficiencia.Para ello se basa en que la informacin que envan y/o reciben los dispositivos de campo esdigital, lo que resulta mucho ms preciso que si se recurre a mtodos analgicos. Adems,


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cada dispositivo de campo es un dispositivo inteligente y puede llevar a cabo funcionespropias de control, mantenimiento y diagnstico. De esta forma, cada nodo de la red puedeinformar en caso de fallo del dispositivo asociado, y en general sobre cualquier anomalaasociada al dispositivo. Esta monitorizacin permite aumentar la eficiencia del sistema yreducir la cantidad de horas de mantenimiento necesarias.

La principal ventaja que ofrecen los buses de campo, y la que los hace ms atractivos a losusuarios finales, es la reduccin de costes. El ahorro proviene fundamentalmente de tresfuentes: ahorro en coste de instalacin, ahorro en el coste de mantenimiento y ahorrosderivados de la mejora del funcionamiento del sistema. Una de las principales caractersticasde los buses de campo es una significativa reduccin en el cableado necesario para el controlde una instalacin. Cada clula de proceso slo requiere un cable para la conexin de losdiversos nodos. Se estima que puede ofrecer una reduccin de 5 a 1 en los costes de cableado.En comparacin con otros tipos de redes, dispone de herramientas de administracin del busque permiten la reduccin del nmero de horas necesarias para la instalacin y puesta enmarcha. El hecho de que los buses de campo sean ms sencillos que otras redes de usoindustrial como por ejemplo MAP, hace que las necesidades de mantenimiento de la redsean

menores, de modo que la confiabilidad del sistema a largo plazo aumenta. Adems, los busesde campo permiten a los operadores monitorizar todos los dispositivos que integran el sistemae interpretar fcilmente las interacciones entre ellos. De esta forma, la deteccin de las fuentesde problemas en la planta y su correccin resulta mucho ms sencilla, reduciendo los costesde mantenimiento y el tiempo de parada de la planta. Los buses de campo ofrecen mayorflexibilidad al usuario en el diseo del sistema. Algunos algoritmos y procedimientos decontrol que con sistemas de comunicacin tradicionales deban incluirse en los propiosalgoritmos de control, radican ahora en los propios dispositivos de campo, simplificando elsistema de control y sus posibles ampliaciones. Tambin hay que tener en cuenta que las

prestaciones del sistema mejoran con el uso de la tecnologa de los buses de campo debido ala simplificacinen la forma de obtener informacin de la planta desde los distintos sensores.

Las mediciones de los distintos elementos de la red estn disponibles para todos los demsdispositivos. La simplificacin en la obtencin de datos permitir el diseo de sistemas decontrol ms eficientes. Con la tecnologa de los buses de campo, se permite la comunicacin

bidireccionalentre los dispositivos de campo y los sistemas de control, pero tambin entre lospropios dispositivos de campo. Otra ventaja de los buses de campo es que slo incluyen 4capas (Fsica, Enlace, Aplicacin y Usuario), y un conjunto de servicios de administracin. Elusuario no tiene que preocuparse de las capas de enlace o de aplicacin. Slo necesita sabercual es funcionalidad. Al usuario slo se le exige tener un conocimiento mnimo de losservicios de administracin de la red, ya que parte de la informacin generada por dichosservicios puede ser necesaria para la reparacin de averas en el sistema. De hecho,

prcticamente, el usuario slo debe preocuparse de la capa fsica y la capa de usuario.

Comunicacin en el BusLos mtodos utilizados en los buses de campo para actualizar los datos de proceso o

entrada/salida son: Strobe:

Peticin de informacin por parte del maestro (dispositivote control) y envo desde losdispositivos esclavos ( sensore - actudores ). Este mtodo es muy eficientes para sensores.

Polling:El maestro enva informacin de salida al dispositivo y ste le responde con la

informacin de entradas. Cambio de estado:

El dispositivo no transmite informacin hasta que se modifica el estado de las variables.Muy eficiente en sistemas discretos.


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Cclico:El dispositivo enva la informacin a la red en un intervalo de tiempo prefijadoAdems el bus de campo debe incorporar los servicios de comunicacin necesarios para

los procesos de configuracin, programacin y test del bus.Buses de campo existentes:Debido a la falta de estndares, diferentes empresas han desarrollado diferentes soluciones,cada una de ellas con diferentes prestaciones y campos de aplicacin. En una primeraclasificacin podramos dividirlos en los siguientes grupos:

1_ Buses de alta velocidad y baja funcionalidadDiseados para integrar dispositivos simples como finales de carrera, fotoclulas, rels y

actuadores simples, funcionando en aplicaciones de tiempo real, y agrupados en una pequeazona de la planta, tpicamente una mquina. Suelen especificar las capas fsica y de enlace delmodelo OSI, es decir, seales fsicas y patrones de bits de las tramas. Algunos ejemplos son:

CAN: Diseado originalmente para su aplicacin en vehculos. SDS: Bus para la integracin de sensores y actuadores, basado en CAN

ASI: Bus serie diseado por Siemens para la integracin de sensores y actuadores.2_Buses de alta velocidad y funcionalidad mediaSe basan en el diseo de una capa de enlace para el envo eficiente de bloques de datos de

tamao medio. Estos mensajes permiten que el dispositivo tenga mayor funcionalidad demodo que permite incluir aspectos como la configuracin, calibracin o programacin deldispositivo. Son buses capaces de controlar dispositivos de campo complejos, de formaeficiente y a bajo coste. Normalmente incluyen la especificacin completa de la capa deaplicacin, lo que significa que se dispone de funciones utilizables desde programas basadosen PCs para acceder, cambiar y controlar los diversos dispositivos que constituyen el sistema.Algunos incluyen funciones estndar para distintos tipos de dispositivos (perfiles) quefacilitan la interoperbilidad de dispositivos de distintos fabricantes. Algunos ejemplos son:

DeviceNet: Desarrollado por Allen-Bradley, utiliza como base el bus CAN, eincorpora una capa de aplicacin orientada a objetos.

LONWorks Red desarrollada por Echelon. BitBus: Red desarrollada por INTEL. DIN MessBus: Estndar alemn de bus de instrumentacin, basado en

comunicacin RS-232. InterBus-S: Bus de campo alemn de uso comn en aplicaciones medias.

3_ Buses de altas prestacionesSon capaces de soportar comunicaciones a nivel de toda la factora, en muy diversos tipos

de aplicaciones. Aunque se basan en buses de alta velocidad, algunos presentan problemas

debido a la sobrecarga necesaria para alcanzar las caractersticas funcionales y de seguridadque se les exigen. La capa de aplicacin oferta un gran nmero de servicios a la capa deusuario, habitualmente un subconjunto del estndar MMS. Entre sus caractersticas incluyen:

Redes multi-maestro con redundancia. Comunicacin maestro-esclavo segn el esquema pregunta-respuesta. Recuperacin de datos desde el esclavo con un lmite mximo de tiempo Capacidad de direccionamiento unicast, multicast y broadcast. Peticin de servicios a los esclavos basada en eventos. Comunicacin de variables y bloques de datos orientada a objetos. Descarga y ejecucin remota de programas. Altos niveles de seguridad de la red, opcionalmente con procedimientos de

autentificacin. Conjunto completo de funciones de administracin de la red.


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Algunos ejemplos son: Profibus FIP Fieldbus Foundation

4_ Buses para reas de seguridad intrnsecaIncluyen modificaciones en la capa fsica para cumplir con los requisitos especficos de

seguridad intrnseca en ambientes con atmsferas explosivas. La seguridad intrnseca es untipo de proteccin por la que el aparato en cuestin no tienen posibilidad de provocaunaexplosin en la atmsfera circundante. Un circuito elctrico o una parte de un circuito tienenseguridad intrnseca, cuando alguna chispa o efecto trmico en este circuito producidos en lascondiciones de prueba establecidas por un estndar (dentro del cual figuran las condiciones deoperacin normal y de fallo especficas) no puede ocasionar una ignicin. Algunos ejemplosson HART, Profibus PA o FIP.

5. EJEMPLOS DE ESTUDIO5.1 Redes MAP Y TOP

Para competir con las compaas japonesas fabricantes de automviles, la General Motorsquera establecer una red que cubriera todas sus oficinas, fbricas, distribuidores y

proveedores. La idea central era que, cuando un cliente, localizado en cualquier parte delmundo, ordenara un coche al distribuidor, ste le enviara inmediatamente su orden mediantesu ordenador conectado a la General Motors. A continuacin la compaa notificara susnecesidades a sus proveedores. Una parte importante de la red de General Motors fue laautomatizacin de la fbrica, en la que todos los robots utilizados en las lneas de ensambladose conectaran por medio de una LAN. Dado que los coches montados sobre la lnea deensamblado se mueven a una velocidad constante, independientemente de si los robots estnlistos o no, se determin que era fundamental tener un lmite superior del tiempo detransmisin en el peor caso. Ethernet no dispone de dicha caracterstica, es ms un mensaje

podra no llegar a enviarse nunca. Se opt por un mecanismo de paso de testigo en bus (IEEE802.4) en el que las mquinas van pasndose el turno, produciendo as un comportamientodeterminista. General Motors y otras compaas con inters en la automatizacin de fbricas,vieron claramente la necesidad de adoptar protocolos especficos en cada una de las capasOSI para evitar incompatibilidades posteriores. Este trabajo dio origen al Protocolo deFabricacin Automatizada (MAP), el cual fue inicialmente adoptado con rapidez por variascompaas. Aproximadamente por la misma poca, la compaa Boeing se interes en el

establecimiento de normas para la automatizacin de oficinas. Prefiri usar como base la redlocal Ethernet ya que no le preocupaba un funcionamiento determinista de la misma (losaviones no se fabrican en cadenas de montaje), y Ethernet estaba muy extendida. Sobre estared local, Boeing desarroll un conjunto de protocolos orientados a la automatizacin deoficinas llamado TOP (Protocolo Tcnico y de Oficina), que varias compaas tambinadoptaron para la automatizacin de sus propias oficinas. Los protocolos son TOP son muysimilares a los de redes de oficinas convencionales. Aunque MAP y TOP presentandiferencias en sus capas inferiores, sus impulsores decidieron colaborar para asegurar que lascapas de nivel medio y superior fueran totalmente compatibles. Las torres de protocolos de lasredes MAP y TOP siguen capa a capa el modelo OSI. La principal diferencia entre ambasredes est en el medio fsico y en el control de acceso al medio. Mientras las redes MAP slo

contemplan el uso de paso de testigo en bus de acuerdo con el standard IEEE 802.4, paso detestigo en bus (Token Bus), la red TOP permite tanto el uso de Ethernet (o IEEE 802.3), comode paso de testigo en anillo, Token Ring (IEEE 802.5). El resto de protocolos son


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coincidentes. Para la capa de enlace, ambas redes se basan en el protocolo 802.2 (LLC) decontrol lgico de enlace, operando en el modo sin conexin como un servicio ofrecido a lacapa de red. La capa de red utiliza el protocolo ISO 8473, que es muy parecido al protocoloIP. La razn de esta eleccin es porque con el conocimiento que se tena sobre lainterconexin de redes en ARPA (el origen de Internet), se demostr que el planteamientodatagrama es ms flexible y robusto cuando se conectan redes heterogneas mltiples, que esun aspecto importante para las redes MAP y TOP. La capa de transporte se basa en el

protocolo ISO 8073. Se supone que la capa de red no es del todo fiable y gestiona el controlde error y de flujo. De esta forma MAP y TOP han podido conectarse a casi cualquier tipo dered, sin importar las deficiencias de stas. El precio que se paga es la necesidad de tener unacapa de transporte complicada para ocuparse del servicio no fiable de la red. Las capas desesin y presentacin utilizan los protocolos ISO 8327 e ISO 8823 respectivamente. Lasnormas OSI tambin se utilizan en la capa de aplicacin, particularmente el protocolo detransferencia de archivos y el de terminal virtual. En la figura 9 puede verse la pila de

protocolos de las redes MAP

Fig 9 Capa de aplicacin protocolo MAP

El protocolo MMPS, especialmente diseado para aplicaciones industriales, establece unservicio de mensajes entre controladores industriales para realizar las siguientes funciones:

Acceso a variables Manejo de eventos Control de ejecucin de los programas Comunicacin con el operario Paso de ficheros Manejo de recursos comunes Acceso al estado de aparatos remotos Carga de programas Grabacin histrica de eventos

En una red MAP, en teora, todos los nodos llevan implantadas las 7 capas del modelo dereferencia OSI.

El grado de complejidad que esto supone y el tiempo necesario para el intercambio deunidades de protocolo de cada capa, ha provocado la aparicin de una opcin ms sencilla,que ser estudiada en la seccin 5.2.

MAP no cubre el nivel de bus de campo(estacin y proceso), lo considera un nivel inferior

que se integra en la red mediante dispositivos inteligentes (PLCs, PCs,).Estos dispositivosdispondrn de una conexin de enlace con MAP directamente o a travs de otro dispositivo.El MAP es un protocolo pensado para redes de tipo WAN incluye los niveles de red,transporte, sesin y presentacin. Esto le permite el fraccionamiento de paquetes y elencaminamiento de los mismos a travs de redes pblicas o privadas. Lo que resultaexcesivamente costoso y complejo para pequeas y medianas aplicaciones, sobre todo para lainterconexin de pequeos controladores a nivel industrial.

Basada en un bus con transmisin de banda ancha multicanal, que permite interconectarlos sistemas de control de planta con las aplicaciones de gestin, oficina, CAD, ordenadoresde planta, canales de datos, voz, imgenes, ya sean estos locales o remotos.

Caractersticas de la red MAP destacables:

Todas las seales se transmiten moduladas en frecuencia Ancho de banda de 6 MHZ Nmero de nodos 10000 y distancia entre ellos 10km


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5.2 Redes MINIMAPEs el caso de MINI-MAP, que para agilizar las comunicaciones prescinde de las capas 3 a

la 6, como puede verse en la figura 10.

Fig. 10Capa de protolos

MINIMAP

Tambin se modificaron las capas fsica y de enlace. En la capa fsica seprescinde del sistema de transmisin en banda ancha sobre cable coaxial y se

pasa a una transmisin en banda portadora, tambin sobre coaxial, queabarata enormemente el sistema de cableado y sobre todo el interfaz de redque precisa cada dispositivo. Esto permite que pueda ser empleado conelementos de control en tiempo real de bajo coste. En la capa de enlace, en elLLC (control lgico de enlace) se sustituye la norma IEEE 802.2 de tipo 1

por la IEEE 802.2 de tipo 3. Esta ltima proporciona los servicios de Envode datos con acuse de recibo y de Peticin de datos con respuesta. Estoobliga a una interoperabilidad entre el LLC y el MAC (mecanismo dedeteccin y correccin de coliciones), teniendo este ltimo que incorporar la

opcin de prioridad de respuesta inmediata. Es decir, la estacin que transmite cede (junto conel mensaje que enva) el testigo a la receptora para que esta acuse recibo o responda a la

peticin de datos de forma inmediata. Esto lgicamente permite minimizar los tiempos derespuesta con el fin de ofrecer un buen servicio en tiempo real.La capa de aplicacin incorpora los mismos servicios MMS que MAP, lo que permite que

esta capa se pueda comunicar con una homloga en una red MAP a travs de una pasarela queincorpore las capas que le faltan a MINI-MAP.

La falta de la capa de red impide que haya comunicacin extremo a extremo entre nodosque se encuentran en segmentos separados por encaminadores (routers). Esto no planteaningn inconveniente puesto que elementos que han de trabajar en tiempo real debenconectarse al mismo bus, para evitar las demoras que introduciran los elementos intermedios.Por otro lado, las funciones de la desaparecida capa de transporte son asumidas por el LLCtipo 3 y el mapeado de las funciones entre el LLC y el MMS.

Topologa y estructura lgicaMINIMAP dispona de una topologa de bus con un mximo de 64 nodos, pero desde el

punto de vista lgico funciona como un anillo. La codificacin se realiza por modulacin defrecuencia en banda base y la transmisin de tipo sncrono. Cada estacin tiene asignada unadireccin nica e independiente de su situacin fsica, formada por un nmero de red (0 a127) ms un nmero de estacin (0 a 62). El nmero de red 0 es para arquitecturasmonosegmento y de 1 a 127 para multisegmento (varias MINIMAP integradas en una redMAP)

Al inicializar la red, el testigo se le asigna a la direccin de la estacin ms alta y el pasode testigo se realiza por orden decreciente de direcciones. Cuando un nodo recibe testigotransmite y pasa el testigo, si no tiene mensajes que transmitir pasa el testigo. El tiempo de

posesin del testigo limitado a 800s.Protocolo

La figura 11 muestra la estructura de una trama MINIMAP

Fi . 11 Estructura de una trama MINIMAP

Partes Constitutivas:

Prembulo 2 bytes: 55 Hex secuencia de 0 y 1 que se utiliza para la sincronizacin ypermite localizar el primer bit til. Inicio trama:carcter especial que depende de la codificacin empleada


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Tipo de Trama 1 byte: MAC (Control de acceso al medio) y LLC (control lgico deenlace)

Direcciones destino/origen MAC: 6 bytes indican tipo de mensaje (punto a punto odifundido), los nodos de destino u origen, el nmero de red y el tipo de servicio(palabras comunes, memoria compartida,.)

Datos/control LLC:Contiene la cdigos de registros o reas de memoria de origen ydestino, as como el cdigo de control LLC, que son ya propios de los equipos deorigen y destino del mensaje.

CRC: 4 bytes para control de errores Fin de trama:al menos un bit de error y un bit que marca si es el final de mensaje o

se ha interrumpido por lmite de tiempo en la posesin del testigo.Como el acceso a la red es por paso de testigo y este se ejecuta por orden de mayor

direccin a menor, en caso de perdida de testigo o arraque de la red una estacin no conoce ladireccin de la estacin que le precede o le sigue. Para esto existen procedimientos deinicializacin y reinicializacin los que permiten crear un tabla con esta informacin en cadaestacin.

Los procedimientos de inicializacin y reinicializacin se ejecutarn en los siguientescasos: Arranque del sistema Eliminacin de estaciones en la red Prdida del testigo por error Peridicamente para detectar la insercin de nuevas estaciones

El formato de la pila de protocolos de la capa de aplicacin es muy similar al del MAPsolo que aqu al MMPS se lo denomina MMS y desempea las mismas tareas que el anterior.

5.3 Ethernet IndustrialEl protocolo Industrial Ethernet, es una solucin abierta estndar para la interconexin de

redes industriales que aprovecha los medios fsicos y los chips de comunicaciones Ethernetcomerciales. Si se tiene en cuenta que la tecnologa Ethernet se utiliza desde mediados de losaos setenta y su gran aceptacin en el mundo, no es de extraar que Ethernet brinde la mayorcomunidad de proveedores del mundo. Al utilizar Ethernet, no solo se sigue con unatendencia tecnolgica actual, sino que. madems, se posibilita obtener acceso a datos en elnivel de los dispositivos de control mediante Internet.

Ethernet Industrial es una red abierta que utiliza: El estndar de comunicacin fsica y de datos IEEE 802.3 El conjunto de protocolos TCP/IP El protocolo de control e informacin (CIP)

TCP/IP es el protozoo de nivel de transporte y red de internet y suele estar vinculado conla instalaciones Ethernet y el mundo de los negocios. TCP/IP proporciona una serie deservicios que puede utilizar cualquier pareja de dispositivos para compartir datos. Dado que latecnologa Ethernet y los conjunto de protocolos estndar como TCP/IP han sido

proporcionados para uso pblico, se han producido en forma masiva y pueden conseguirsefcilmente medios fsicos y herramientas de software estandarizadas, con lo que puede tenerselas ventajas de una tecnologa conocida y una gran facilidad de acceso.

El UDP/IP protocolo de datagrama de usuario) tambin se utiliza junto con la redEthernet. Este protocolo proporciona un transporte de datos rpido y eficiente, caracteristicasnecesarias para el intercambio de informacin en tiempo real.

Para que Ethernet industrial tenga xito se ha agregado el protocolo CIP al conjuntoTCP/UDP/IP con el fin de proporcionar un nivel de aplicaciones comn .


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Con la introduccin de la tecnologa de conmutacin de Ethernet (swich) y la transmicinde datos full-Duplex, se minimizan las colisiones de datos y el rendimiento en la red aumentadrsticamente.

Por lo general, una red EtherNet utiliza una topologa estrella activa en la que los gruposde dispositivos estn conectados punto a punto con un conmutador. La ventaja de unatopologa tipo estrella radica en la compatibilidad con los productos de 10 y 100 Mbps.Puede combinar dispositivos de 10 y 100 Mbps. Y el conmutador EtherNet negociar lavelocidad. Asimismo, la topologa estrella le ofrece conexiones fciles de cablear o dedepurar, o en las que resulta fcil detectar fallos o llevar a cabo tareas de mantenimiento.

Ethernet Industrial permite cubrir grandes distancias, ta sea a nivel de una LAN: contecnologa de Switching hasta 200 km. O bien extendindose a una WAN, en todo el mundo,mediante protocolo TCP/IP.

La tabla 2 muestra una resumen de las caractersticas tcnicas de Ethernet Industrial.

Estndar Ethernet segn IEEE 802.3

Mtodo de acceso CSMA/CD(carrier sense multiple access/collision detection)

Velocidad 10/100 Mbit/s - Fast Ethernet

Medio de transferencia

Elctrico:Cable coaxial doblemente apantalladoPar trenzado industrial

Optico:Fibra ptica (cristal)

N. de participantes Ms de 1.000

Tamao de red (LAN) Con tecnologa de Switching hasta 200 Km

Topologa Linea, estrella, anillo redundante

Aplicac iones Comunicacin de datos y multimedia

Tabla 2

Los dos protocolos mas usados son ISO, segn normas ISO 8073, y este est optimisadopara la transferencia de variables para servicios y observacin en tiempo real. Bajo esteprotocolo resulta difcil de realizar encaminamiento (routing) a travs de distintas redes poreste motivo se utiliza solo en el mbito de LANs.

El otro protocolo utilizado ese muy conocido TCP/IP , optimizado para la transferencia degrandes cantidades de datos, y este caso si es mas fcil y econmico el ruteo entre distintasredes, se utilizan en redes LAN estructuradas y en WAN. Esto permite el uso de tecnolgicas

de informacin IT, como SNMP (protocolo de administracin de redes), http (protocolo detransferencia hipertexto), servicios WEB, etc

Ethernet Industrial ha sido diseada para gestionar grandes cantidades de datos detransmisin de mensajes , hasta 1500 bytes por paquete. Permite la gestin de grandesvolmenes de datos en modo previsible. Gracias a la gran aceptacin de la tecnologaEtherNet en los ltimos aos, el costo por nodo de dispositivos Ethernet est disminuyendorpidamente .

5.4 PROFIBUSEn el ao 1987, las firmas alemanas Bosch, Klckner Meller y Siemens iniciaron un

proyecto de desarrollo de una arquitectura de comunicaciones industriales que permitiera lainterconexin de equipos de distintos fabricantes. Esta fue la base de un grupo de trabajo alque se integraron otras grandes empresas tales como ABB, AEG, Landis&Gir, etc., algunas


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universidades y organizaciones tcnicas estatales, entre ellas la propia VDE y el MinisterioFederal de Investigacin Alemn. Se formaron varios grupos de trabajo en distintas reas,cuya tarea esencial fue la de desarrollar un sistema abierto de comunicaciones apto paraintegrar desde los sencillos transductores y elementos de campo, pasando por los autmatas ycontroles numricos hasta llegar al nivel de los miniordenadores para diseo y gestin de la

produccin. El primer objetivo fue slo el diseo de un bus de campo con una estructuraabierta y un protocolo compatible que permitiera enlazar con una red adoptada como base enlos niveles superiores (MAP). A partir del ao 1990 se abri la posibilidad para cualquierusuario o empresa de integrarse en un consorcio denominado PROFIBUS Nutzerorganisation,que a travs de diversos comits sigue desarrollando y dando soporte al nivel de aplicacin ycertificacin de productos. PROFIBUS es actualmente el lder de los sistemas basados en

buses de campo en Europa y goza de una aceptacin mundial. Sus reas de aplicacinincluyen manufacturacin, automatizacin y generacin de procesos. PROFIBUS es un bus decampo normalizado internacional que fue estandarizado bajo la norma EN 50 170. Estoasegura una proteccin ptima tanto a los clientes como a los vendedores y asegura laindependencia de estos ltimos. Hoy en da, todos los fabricantes lderes de tecnologa de

automatizacin ofrecen interfaces PROFIBUS para sus dispositivos.5.4.1 Versiones Compatibles

PROFIBUS es un bus de campo standard que soporta un amplio rango de aplicaciones enfabricacin, procesado y automatizacin. Con PROFIBUS los componentes de distintosfabricantes pueden comunicarse sin necesidad de ajustes especiales de interfaces.. Puede serusado para transmisin crtica en el tiempo de datos a alta velocidad y para tareas decomunicacin extensas y complejas. Esta versatilidad viene dada por las tres versionescompatibles que componen la familia PROFIBUS (Figura 12):PROFIBUS PA:

Diseado para automatizacin de procesos. Permite la conexin de sensores y actuadores a una lnea de bus comn incluso en

reas especialmente protegidas. Permite la comunicacin de datos y energa en el bus mediante el uso de 2

tecnologas (norma IEC 1158-2).PROFIBUS DP:

Optimizado para alta velocidad. Conexiones sencillas y baratas. Diseada especialmente para la comunicacin entre los sistemas de control de

automatismos y las entradas/salidas distribuidas.PROFIBUS FMS:

Solucin general para tareas de comunicacin a nivel de clula. Gran rango de aplicaciones y flexibilidad. Posibilidad de uso en tareas de comunicacin complejas y extensas.

Figura 12Versionescompatibles dePROFIBUS


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Puede decirse sin lugar a dudas que PROFIBUS ha conseguido definir toda una red decomunicacin industrial, desde el nivel fsico hasta el de aplicacin, superando ampliamentelos lmites de un bus de campo, integrando al mximo las tcnicas de comunicacin

previamente definidas y consolidadas En la actualidad la estructura es tal que los grupos delos 20 pases ms industrializados ofrecen un soporte en su idioma para el resto del mundo.Todos los grupos de usuarios se unen bajo la Organizacin PROFIBUS International (PI), quecon ms de 750 miembros es la organizacin de buses de campo ms grande del mundo.

5.4.2 Estructura de la redMedio fsico

La tecnologa de transmisin ms usada es la RS 485,conocida habitualmente como H2.Su rea de aplicacin comprende aquellas aplicaciones donde prima su simplicidad, lavelocidad de transmisin y lo barato de la instalacin. Se usa un par diferencial con cabletrenzado, previsto para comunicacin semi-duplex, aunque tambin puede implementarse confibra ptica y enlaces con estaciones remotas va mdem o va radio. La velocidad detransmisin vara entre 9.6Kbits/s y 12Mbits/s, dependiendo del medio fsico, como se indica

en la tabla 3.Al conectar varias estaciones, hay que comprobar que el cable de las lneas de datos no seatrenzado. El uso de lneas apantalladas es absolutamente esencial para el logro de una altainmunidad del sistema en ambientes con emisiones altas de electromagnetismo. Elapantallamiento se usa para mejorar la compatibilidad electromagntica (CEM).

Tabla 3.Distanciasmximas sinrepetidor,segn medio fsico

Elementos del busEl elemento esencial del bus es el nodo. PROFIBUS prev la existencia de dos tipos de

nodos: Activos: son nodos que pueden actuar como maestro del bus, tomando

enteramente el control del bus. Pasivos:son nodos que nicamente pueden actuar como esclavos y, por tanto, no

tienen capacidad para controlar el bus. Estos nodos pueden dialogar con los nodosactivos mediante un simple mecanismo de pregunta-respuesta, pero no puedendialogar directamente entre s. Aparte de estos dos tipos de nodos, existen otrosdos bloques esenciales en la arquitectura del bus:

Expansiones E/S:este tipo de bloques constituyen la interfaz con las seales deproceso y pueden estar integrados tanto en un nodo activo como en un nodopasivo.

Repetidores: los repetidores ejecutan el papel de simples transceptoresbidireccionables para regenerar la seal.

TopologaLa topologa puede ser simplemente en forma de bus lineal o en forma de rbol, en el que

los repetidores constituyen el nudo de partida de una expansin del bus (Figura 13).


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Fig. 13 Estructura fsica incluyendorepetidores para expansin del bus

En este caso, la estructura en rbol es puramente una impresin de dibujo, ya que elPROFIBUS admite una estructura lgica de maestro flotante y una estacin activa, ejerciendoel papel de maestro, que puede estar fsicamente conectada a lo que se pudiera considerar unaexpansin del bus. Por tanto, incluso en caso de ramificaciones debe considerarse como un

bus nico. El nmero mximo de nodos conectables a cada tramo del bus, sin necesidad derepetidores es de 32. A efectos de esta limitacin los propios repetidores cuentan como un

nodo. El nmero mximo de nodos del bus es de 127, de los cuales un mximo de 32 puedenser nodos activos. No existe ninguna limitacin en cuanto a poder configurar una estructuracon buses anidados (un esclavo puede ser, a su vez, maestro de otro bus de nivel inferior),aunque deben considerarse como buses independientes, dado que el protocolo no permitedireccionar desde arriba las estaciones de niveles inferiores.

Estructura lgicaLa estructura lgica es de tipo hbrido: las estaciones activas comparten una estructura de

maestro flotante, relevndose en el papel de maestro mediante paso de testigo. Las estacionespasivas slo pueden ejercer el papel de esclavos, sea cual sea el maestro activo en cadamomento. La Figura 14 ilustra esta estructura.

Fig. 14 Estructura lgica


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Naturalmente esta estructura admite la posibilidad de que exista un solo nodo activo en elbus, con lo que se convertira en un bus con una estructura del tipo maestro-esclavo. Cabesealar que cuando una estacin activa posee el testigo, considera a todas las dems comoesclavos, incluyendo tambin al resto de estaciones activas que no poseen el testigo en aquelmomento.

5.4.3 Tecnologa de transmisinEl rea de aplicacin de un sistema de buses de campo est claramente determinada por la

eleccin de la tecnologa de transmisin. Aparte de los requerimientos generales (seguridad detransmisin, distancia de la misma, velocidad) cobran particular importancia los factoreselectromecnicos. Cuando se mezclan aplicaciones para automatizacin de procesos, los datosy la energa deben ser transmitidos en un cable comn. Como es imposible satisfacer todos losrequerimientos con una tecnologa de transmisin sencilla, PROFIBUS aprovecha 3variaciones:

RS 485 (Transmisin para DP/FMS)

Es la transmisin ms frecuentemente utilizada por PROFIBUS. Esta tecnologa detransmisin es conocida como H2. Su rea de aplicacin incluye todas las reas en las que serequieren alta velocidad de transmisin y una instalacin sencilla. Tiene la ventaja de que

posibles ampliaciones no influyen en las estaciones que se encuentran ya en operacin.Algunas de sus caractersticas son:

Velocidad de transmisin de 9.6 Kbit/seg. a 12 Mbit/seg. Se seleccionar unapara todos los dispositivos.

La estructura de la red es linear, con par trenzado.Conexin mxima de 32 estaciones sin repetidor (127 con repetidor).Longitud mxima del cable dependiente de la velocidad de transmisin.

Tabla 4. Distancias basadas en la velocidad de transmisin

En la conexin, es conveniente tener en cuenta algunas precauciones, de las que sondestacables:

Se recomienda el uso de lneas de datos escudadas para mejorar la

compatibilidad electromagntica (EMC).Se recomienda mantener las lneas de datos separadas de los cables de altovoltaje.

IEC 1158-2 (Transmisin PROFIBUS PA)La tecnologa de transmisin IEC 1158-2 cumple los requerimientos de las industrias

qumicas y petroqumicas.Posee una seguridad intrnseca y permite a los dispositivos de campo ser conectados al

bus. Es una tecnologa principalmente usada por PROFIBUS PA y suele conocerse como H1. La transmisin se basa en los siguientes principios: Cada segmento tiene slo una fuente de energa. No se produce ningn tipo de alimentacin cuando una estacin est enviando

datos. Los dispositivos actan como sumideros pasivos de corriente.


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Se permiten redes con estructura linear, en rbol y estrella. Para incrementar la fiabilidad, se pueden disear segmentos de bus redundantes.

Las caractersticas ms importantes de este tipo de transmisin son: Transmisin de datos digital, asncrona, codificacin Manchester. Velocidad de transmisin 31.25 kbit/seg.

Seguridad de los datos: prueba de error al principio y al final. Cable de dos lneas trenzadas. Opcin de alimentacin a distancia. Conexin de 32 estaciones por segmento (mximo de 126 con repetidor). Posibilidad de expansin hasta a 4 repetidores. La estructura de la red es linear, en rbol o una combinacin de ambas.

FIBRA PTICA.Los conductores por fibra ptica pueden ser usados para aplicaciones PROFIBUS en

ambientes con interferencias electromagnticas muy altas y para incrementar la distanciamxima con velocidades elevadas. Hay disponibles dos tipos de conductores. Los conductores

por fibra ptica (plstico) para distancias de 50m. o los conductores por fibra ptica (cuarzo)para distancias de 1Km. Son muy baratos. Muchos fabricantes ofrecen conexiones especiales

que posibilitan una conversin integrada de seales RS 485 para trabajar con conductoresde fibra ptica y viceversa. Esto proporciona un mtodo muy sencillo de intercambio entretransmisin RS 485 y transmisin por fi bra ptica en un mismo sistema

5.5 AS-I: AKTUATOR SENSOR INTERFACEAS-i es un bus de campo desarrollado inicialmente por Siemens, para la interconexin de

actuadores y sensores binarios. Actualmente est recogido por el estndar IEC TG 17B.A nivel fsico, la red puede adoptar cualquier tipo de topologa: estructura en bus, en rbol,

en estrella o en anillo, como muestra la figura 15. Permite la interconexin de un mximo de31 esclavos. La longitud mxima de cada segmento es de 100 metros. Dispone de repetidoresque permiten la unin de hasta tres segmentos, y de puentes hacia redes Profibus.

Fig. 15Arquitecturas AS-I

Como medio fsico de transmisin, emplea un nico cable que permite tanto latransmisin de datos como la alimentacin de los dispositivos conectados a la red. Su diseoevita errores de polaridad al conectar nuevos dispositivos a la red. La incorporacin oeliminacin de elementos de la red no requiere la modificacin del cable.

El cable consta de dos hilos sin apantallamiento. Para lograr inmunidad al ruido, latransmisin se hace basndose en una codificacin Manchester. La seal con la codificacinManchester se traduce en pulsos de corriente, que producen pulsos positivos y negativos en la

tensin de alimentacin, que indican las transiciones en la seal. A partir de la deteccin dedichas transiciones se reconstruye la secuencia de bits transmitida, como muestra la figura 16.


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Fig. 16 Codificacin de la informacin en el bus AS-i

Cada esclavo dispone de hasta 4 entradas/salidas, lo que hace que la red pueda controlarhasta 124 E/S digitales. La comunicacin sigue un esquema maestro -esclavo, en la cual elmaestro interroga a las estaciones envindoles mensajes (llamados telegramas) de 14 bits y elesclavo responde con un mensaje de 7 bits. La duracin de cada ciclo pregunta- respuesta es

de 150 s. En cada ciclo de comunicacin se deben consultar todos los esclavos, aadiendodos ciclos extras para operaciones de administracin del bus (deteccin de fallos). Elresultado es un tiempo de ciclo mximo de 5ms. Como muestra la figura 17

Los telegramas tienen un formato sencillo, como muestra la figura 18Fig. 17Comunicacin maestro -esclavo

St: bit de start. 0 indica comienzo de la trama.SB: Tipo de telegrama. 0 indica trama de datos y 1 indica trama de comandosA0A4: Direccin del esclavo I0I4: InformacinPB: Bit de paridad EB: Bit de finEl esclavo res onde con un tele rama de 7 bits de la forma:

Fig. 18Formatos de los telegramas AS-I

St: bit de start. 0 indica comienzo de la trama.I0I3: InformacinPB: Bit de paridadEB: Bit de fin

5.6 INTERBUSINTERBUS es un bus de campo para la interconexin de sensores y actuadores. Las partes

claves de INTERBUS han sido estandarizadas en Alemania por la DKE (DeutscheElektrotechnische Kommission para DIN y VDE).

INTERBUS se basa en un esquema maestro-esclavo, El maestro del bus actasimultneamente como interfaz con los niveles superiores de la jerarqua de comunicaciones.La topologa es de anillo, es decir, todos los dispositivos estn conectados formando uncamino cerrado. El anillo principal es el que parte del maestro, aunque pueden formarse otrosanillos para adaptarse a la estructura particular de cada sistema. Este tipo de conexiones selleva a cabo mediante unos equipos denominados mdulos terminadores de bus.

Un rasgo distintivo de INTERBUS es que las lneas de envo y recepcin de datos estncontenidas dentro de un mismo cable que une todos los dispositivos. De esta forma, el sistema


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tiene el aspecto fsico de un bus o un rbol. Tpicamente, la capa fsica se basa en el estndarRS-485. Debido a la estructura de anillo y a que es necesario transportar la masa de lasseales lgicas, INTERBUS requiere un cable de cinco hilos para interconectar dosestaciones. Con velocidades de transmisin de 500 Kbits, pueden alcanzarse distancias dehasta 400 m entre dispositivos. Cada dispositivo incorpora una funcin de repetidor que

permite extender el sistema hasta una longitud total de 13 Km. Para facilitar elfuncionamiento de INTERBUS, el nmero mximo de estaciones est limitado a 512.

La estructura punto a punto de INTERBUS y su divisin en anillo principal y subanillos esideal para la incorporacin de distintos medios de transmisin en distintas zonas de la plantasi esto fuese necesario. La estructura de anillo ofrece dos ventajas. La primera es que permiteel envo y recepcin simultnea de datos (full duplex). En segundo lugar, la capacidad deautodiagnstico del sistema se ve mejorada, ya que la conexin de cada nodo a la red esactiva. INTERBUS permite la deteccin preventiva de errores por medio de una evaluacinestadstica de la calidad de las transmisiones. La determinacin de la frecuencia de los erroresde transmisin permite prever la aparicin de fallo en un componente de la red.

Para facilitar la deteccin de errores y la puesta en marcha del sistema, INTERBUS

permite la desconexin transparente de los subanillos conectados al anillo principal. Eldireccionamiento se basa en la posicin fsica de cada sistema dentro del anillo, aunqueopcionalmente se dispone de la posibilidad del empleo de direcciones lgicas para acceder adispositivos individuales independientemente de su posicin.

Fig.18Estructura deconexionado Interbusy formato de ciclos descan e identificacin

El protocolo de transmisin de INTERBUS se estructura en tres capas que secorresponden con capas del modelo OSI. La capa 1 es la capa fsica. Especifica aspectos


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como la velocidad, modos de codificacin de la seal fsica, etc. La capa 2 se corresponde conla capa de enlace. Garantiza la integridad de los datos y permite el soporte de dos tipos dedatos, por una parte los datos correspondientes a procesos cclicos, y por otra parte datos queaparecen asncronamente. La capa de enlace es determinista, es decir, garantiza un tiempomximo para el transporte de datos entre dispositivos. El control de acceso al medio seencuadra dentro de los mecanismo TDMA (Time Division Multiple Access), eliminando asla posibilidad de colisiones. Cada dispositivo tiene reservado un slot de tiempo adecuado parasu funcin dentro del sistema. El tiempo de ciclo es la suma de los tiempos asignados a cadadispositivo. Pueden definirse slots adicionales para la transmisin de bloques de datos enmodo conexin. De esta forma pueden enviarse grandes bloques de datos a travs deINTERBUS, sin alterar el tiempo de ciclo para los datos de proceso. Otra ventaja importanteque incorpora este tipo de control de acceso al medio, es que todos los elementos insertan susdatos en el bus simultneamente, lo que garantiza que las mediciones en las que se basan los

bucles de control, fueron realizadas simultneamente.Este mecanismo tambin reduce la sobrecarga con informacin correspondiente al

protocolo, con lo que la eficiencia que se alcanza es alta.

La trama se forma por concatenacin de los datos de cada estacin. De forma fsica serealiza mediante un registro. Cada dispositivo se une al anillo mediante un registro cuyalongitud depende de la cantidad de informacin que debe transmitir. Los datos provenientesde las distintas estaciones van llegando al master en funcin de su posicin dentro del anillo.Cada ciclo de transmisin comienza con una secuencia de datos que contiene la palabra deloopback seguida de los datos de salida de los distintos dispositivos, en la lnea de salida.Durante el envo de datos, el flujo de retorno entra el maestro como flujo de entrada. Tras elenvo de la trama completa, se enva un CRC de 32 bits. Debido a la estructura de conexiones

punto a punto, el clculo siempre se hace entre cada dos nodos, por lo que no es necesario daruna vuelta completa al anillo. Por ltimo se enva una palabra de control para indicar el estadode cada dispositivo (deteccin de errores de transmisin, etc.). Si no hubo errores comienza

un nuevo ciclo, como se ve en el esquema de la figura 18.Adems de los ciclos de datos, tambin hay ciclos de identificacin. Este ciclo permite laadministracin del bus. Cada dispositivo tiene un cdigo de identificacin que indica el tipode dispositivo de que se trata, y el tamao de su bloque de datos. La configuracin del bus selleva a cabo por una secuencia de ciclos de identificacin en los que el maestro comienza aleer en orden, la identificacin de los dispositivos conectados. En funcin de estas lecturas seconfigura la trama que circular en el ciclo de datos. Desde el punto de vista fsicoINTERBUS funciona segn un procedimiento asncrono de arranque y parada. Se enva unacabecera que contiene informacin adicional como por ejemplo los delimitadores de trama,cdigo de funcin y tipo de mensaje, junto con ocho bits de datos adicionales. Los momentosde inactividad se ocupan con mensajes de estado. No contienen datos de la capa de enlace y

slo sirven para garantizar una actividad permanente en el medio de transmisin. Si dichaactividad se interrumpe durante ms de 20 ms, se interpreta por todos los dispositivos comouna cada del sistema. En respuesta a esta situacin, los dispositivos se desconectan de la redy van a un punto seguro definido con antelacin.

La tercera de las capas de INTERBUS corresponde la capa de aplicacin.En el maestro se ejecuta de forma cclica un programa que actualiza continuamente los

datos correspondientes a los distintos procesos conectados a la red, y los deja accesibles parael sistema de control, de modo que por ejemplo un PLC puede acceder a ellos de formasencilla mediante instrucciones de entrada/salida. El uso de tcnicas de acceso directo amemoria evita el uso de servicios que necesitan grandes bloques de datos, lo que facilita laconsecucin del tiempo real. El acceso desde ordenadores se realiza mediante drivers.

INTERBUS implementa en la capa de aplicacin un subconjunto de servicios basados enMMS que se denomina PMS (Peripherals Message Specification). Incluye unos 25 servicios


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que permiten la comunicacin con dispositivos de proceso inteligentes. Estos serviciospermiten por ejemplo el establecimiento y monitorizacin de conexiones, lectura y escriturade parmetros o la ejecucin remota de programas.

5.7 CAN: CONTROLLER AREA NETWORKINGCAN es un bus de comunicaciones serie estandarizado por ISO, que fue desarrollado

inicialmente a finales de los 80 para la industria del automvil. En su especificacin bsica, seexiga alta velocidad, alta inmunidad al ruido y capacidad para la deteccin de cualquier tipode error. Con el tiempo, CAN ha pasado de la industria automovilstica a la fabricacin y a laindustria aeronatica.

Los protocolos definidos por CAN se ajustan a la especificacin OSI. CAN define slo lasdos capas ms bajas: fsica y de enlace. Otras redes como SDS o DeviceNet proporcionanespecificaciones de la capa de aplicacin sobre la base de CAN.

El medio fsico consiste en un cable de par trenzado con los terminadores adecuados. En laespecificacin bsica de CAN, la velocidad mxima de transmisin es de 250 Kbps, mientrasque en la versin ampliada alcanza velocidades de 1 Mbps.

La implementacin bsica de CAN presenta un fuerte acoplamiento entre la CPU y elcontrolador CAN (que implementa los protocolos de capa fsica y de enlace). Los mensajesson difundidos por toda la red y son comprobados por la CPU de cada una de las estacionesque la forman. Este tipo de funcionamiento disminuye el aprovechamiento de la velocidad detransmisin de la red. En la versin conocida como "Full CAN", el controlador de redincorpora un filtro de seleccin de mensajes en base a un campo de identificacin. De esaforma la CPU slo recibir aquellos mensajes que le interesen. Philips es el principal lder dela versin bsica de CAN, mientras que Intel y Siemens lideran la versin completa.

Full CAN permite dos tamaos distintos de identificadores de mensajes: la versin Apermite identificadores de 11 bits (2032 identificadores) figura 19, mientras que la versinextendida (B) tiene identificadores de 29 bits, figura 20 .

La capa de enlace define el formato y la temporizacin usada para la transmisin de losmensajes. Las tramas CAN tiene dos bytes descriptores y hasta 8 bytes de datos. Losdescriptores definen la prioridad de los mensajes y su tipo. El primer campo, o campo dearbitraje est formado por los 11 bits del identificador (en tramas tipo A) y el bit RTR. SiRTR vale 0, indica que se trata de una trama de datos, mientras que si vale 1 indica que setrata de una peticin de datos. En ese caso, el campo de datos indicar los bytes que formarnla respuesta.

Fig. 20:

Fig. 19:


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El campo de control est formado por 6 bits. Los bits r1 y r0 estn reservados para futurasampliaciones del protocolo. Los cuatro bits que forman el DLC indican el nmero de bytesque forman la trama de datos y que van a continuacin.

El campo de datos contiene de cero a ocho bytes. El bit ms significativo de cada byte esel primero que se transmite. A continuacin hay un campo de CRC, que contiene un cdigode redundancia cclica de 15 bits y un bit delimitador que siempre vale 1. El campo de acusede recibo consiste en dos bits. El primer bit se enva a 1 y

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Sistemas de Control Distribuido - Juan Pablo Ferrari