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© J. Duque - UTB 2014
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Comunicaciones
y Redes Industriales
Facultad de Ingeniería – Cartagena de Indias, 2014
© Universidad Tecnológica de Bolívar
MSc. Jorge Duque
Especialización en Automatización y Control de Procesos Industriales
Introducción
© J. Duque - UTB 2014Slide 2
1. Introducción
2. Comunicaciones en una fábrica
3. Clasificación de las redes
4. Capa física
5. Topologías
6. Métodos de acceso al medio
Comunicaciones Industriales
© J. Duque - UTB 2014Slide 3
1. Introducción a las comunicaciones Industriales
Definición (1/2)
Emisor y
receptor
Equipos: PLC, PC,
Controlador
Canal Medio físico: cables,
FO,aire
Mensaje Datos: Tramas
Protocolo Código: Modbus, Profibus,
etc..
Interferencias Ruido eléctrico
CANAL:
• Cables
• Fibra Óptica
• Aire
RESPUESTA
EMISOR RECEPTOR
Codifica
Codifica
Decodifica
Decodifica
RUIDO
RUIDO
Comunicación
Proceso de intercambio de datos de
cuyo análisis posterior se obtiene la
información.
Elementos de la comunicación
PROTOCOLO PROTOCOLO
PROTOCOLO PROTOCOLOMENSAJE
© J. Duque - UTB 2014Slide 4
1. Introducción a las comunicaciones Industriales
Definición (1/2)
Formato de la trama (Frame)
Ejemplo de una trama Modbus ASCII:
© J. Duque - UTB 2014Slide 5
1. Introducción a las comunicaciones Industriales
Definición (2/2)
Comunicaciones Industriales
Tecnologías empleadas para la
transmisión de información entre los
sistemas electrónicos utilizados en el
control y la gestión de procesos
industriales.
Conjunto de métodos, sistemas y
herramientas que posibilitan el
intercambio de información entre
diferentes componentes industriales
Herramienta: NetPro Método: Token-ring
Tecnologías: FF, Hart,..
© J. Duque - UTB 2014
1. Introducción a las comunicaciones Industriales
Necesidad
El entorno industrial
El entorno industrial condiciona el diseño de
los sistemas de comunicación y los
diferencia de las redes de datos o redes
ofimáticas.
Slide 6
© J. Duque - UTB 2014
1. Introducción a las comunicaciones Industriales
Necesidad
El entorno industrial
Condiciones ambientales severas: temperaturas
muy altas o muy bajas, cambios en el clima,
partículas abrasivas, contaminación, áreas
clasificadas e interferencias electromagnéticas
Slide 7
© J. Duque - UTB 2014
1. Introducción a las comunicaciones Industriales
Necesidad
El entorno industrial
Los instrumentos están dispersos en
grandes áreas o en zonas de difícil acceso
Slide 8
© J. Duque - UTB 2014
1. Introducción a las comunicaciones Industriales
Tendencias
Utilización de navegadores para visualizar procesos:
Interfaces intuitivas y fáciles de utilizar y se aprovecha la base instalada de PCs
h
Slide 9
The TRACE MODE Data Center provides remote web
based and wireless access to real-time information
using web-browser via Internet/Intranet or wireless
n etworks (GSM, GPRS, Wi-Fi, Bluetooth)
© J. Duque - UTB 2014
1. Introducción a las comunicaciones Industriales
Tendencias
Medidas de seguridad:
Encriptación (protección de datos),Cortafuegos y Control de acceso para evitar
modificaciones no deseadas
Slide 10
© J. Duque - UTB 2014
1. Introducción a las comunicaciones Industriales
Tendencias
Influencia creciente de las nuevas tecnologías de comunicación :
Incremento en la utilización de Wireless para aplicaciones industriales
Slide 11
© J. Duque - UTB 2014Slide 12
1. Introducción
2. Comunicaciones en una fábrica
3. Clasificación de las redes
4. Topologías
5. Métodos de acceso al medio
6. Capa física
Comunicaciones Industriales
© J. Duque - UTB 2014
2. Comunicaciones en una fábrica
Pirámide CIM
Concepto
Desde el punto de vista empresarial, las
comunicaciones industriales no se restringen sólo
a la producción, sino que otros los departamentos
de las empresa participan en una red de
comunicaciones para el control global del sistema.
En los 90s se estableció un modelo de sistema
jerarquizado que delimitaba las labores específicas
de cada nivel, denominado: Computer Integrated
Manufacturing
Slide 13
Pirámide C.I.M.
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2. Comunicaciones en una fábrica
Pirámide CIM
Slide 14
Implementación de la pirámide CIM
Nivel de empresa
Nivel de supervisión
Nivel de control
Proceso productivo
Computador de gestión
Autómatas programables
Computador industrial o PLC de gama alta
Dispositivos de campo
Nivel de sensado y actuación
• Gestión e integración de todos los niveles.
• Palnificación a mediano y largo plazo.
• Objetivos estratégicos.
• Adquisición de datos y alarmas
• Mantenimiento correctivo /predictivo
• Control de calidad
• Seguimiento órdenes de trabajo• Dispositivos lógicos de control
• PLCs y computadores industriales
• Elementos de mando y control de
maquinaria
• Maquinaria en general
• Sensores y actuadores
• Operaciones elementales de
producción
• Seguimiento de tareas
• Administración de recursos
• Planificación y control de la producción
Nivel de fábrica
Computador industrial o PLC de gama alta
© J. Duque - UTB 2014Slide 15
2. Comunicaciones en un fábrica
Pirámide CIM
En los niveles superiores de la pirámide
CIM se trabaja con grandes volúmenes de
datos, aunque el tiempo de respuesta no
es crítico y se sitúa entre pocos segundos
hasta minutos o incluso horas.
En los niveles inferiores de las fases de
producción se trabaja en tiempo real y
debido a ello los tiempos de transmisión
son mucho más rápidos y se exige un
comportamiento determinista de las
comunicaciones, aunque los volúmenes de
información a transmitir son menos
elevados.
Tiempos de respuesta vs volumen de información
© J. Duque - UTB 2014Slide 16
2. Comunicaciones en un fábrica
Pirámide CIM
Parámetros de tiempo: exigencias de las redes industriales
© J. Duque - UTB 2014Slide 17
1. Introducción
2. Comunicaciones en una fábrica
3. Clasificación de las redes
4. Capa física
5. Topologías
6. Métodos de acceso al medio
Comunicaciones Industriales
© J. Duque - UTB 2014Slide 18
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Uso de las señales de proceso
Durante las pasadas décadas las
comunicaciones industriales han
evolucionado hasta la consolidación de
la tecnología de buses de campo y
dispositivos HART.
Neumática: 3 – 15 psi
Analógica: 4-20 mA
Digital + Analógica: HART
Digital : Bus de campo
1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2011
Wireless
© J. Duque - UTB 2014Slide 19
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Definición de Fieldbus
La tecnología (bus de campo) es un protocolo de comunicaciones digital de alta
velocidad creada para remplazar la clásica señal de 4-20 mA utilizada en los
sistemas DCS (Sistema de Control Distribuido) y PLC (Controladores Lógicos
Programables), instrumentos de medida y transmisión y válvulas de control.
© J. Duque - UTB 2014Slide 20
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Objetivos de un bus de campo:
Dividir el proceso en subprocesos asignados a dispositivos de automatización más
pequeños
Los equipos independientes se coordinan a través de controladores de mayor gama
integrados al proceso a través de un bus.
Las entradas o salidas ya no se conectan directamente a los módulos del
controlador central.
Se hallan distribuidas en módulos de E/S conectados al bus de campo.
© J. Duque - UTB 2014
Slide 21
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Planta tÍpica hoy en día
© J. Duque - UTB 2014Slide 22
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Planta con bus de campo
© J. Duque - UTB 2014Slide 23
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Ventajas de los buses de campo
Programación más simple a través de programas más pequeños
Minimización de los costes de cableado .
Estructuras simples para gestión de fallos.
Expansiones y modificaciones simples.
Aumento de flexibilidad gracias a la periferia distribuida.
Monitoreo y diagnóstico de errores en la transmisión de datos.
Bus de campo con
sensores y actuadoresCableado paralelo de sensores y
actuadores
© J. Duque - UTB 2014Slide 24
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Ejemplo de modernización con bus de campo Profibus
Antes: Instalación tradicional Después: Instalación con bus de campo
Cortesía Hendres and Hausser
© J. Duque - UTB 2014Slide 25
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Sistemas abiertos
Nacen de la necesidad de no
depender de un solo fabricante
Cualquier fabricante puede
suministrar los equipos
Deben cumplir normas para ser
compatibles
Sistemas cerrados
Sistemas de comunicación de un solo
fabricante
Sencillez de puesta a punto
Limitados a un solo proveedor
© J. Duque - UTB 2014Slide 26
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Equipos simples Equipos complejos
Co
ntr
ol L
óg
ico
C
on
tro
l d
e p
roc
es
os
SENSORBUS
- Asi
- LonWorks
- Seriplex
DEVICEBUS
- CAN
- Modbus
- DeviceNet
- Profibus DP
CONTROLBUS
- HSE High Speed
Ethernet.
- Profinet
- ControlNet
Clasificación de los buses de campo
Según su capacidad
FIELDBUS
- Foundation
- Profibus PA
© J. Duque - UTB 2014Slide 27
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Equipos simples Equipos complejos
Co
ntr
ol L
óg
ico
C
on
tro
l d
e p
roc
es
os
Redes de sensores-actuadores (SENSORBUS)
Integran dispositivos simples: finales de carrera, fotocélulas,
relés, actuadores simples, etc.
Aplicaciones en tiempo real.
Agrupados en una pequeña zona de la planta: una máquina.
Instrumentos Multiplexados en un solo nodo.
Implementan:
Capa Física + Capa de Enlace
SENSORBUS
- Asi
- LonWorks
- Seriplex
© J. Duque - UTB 2014Slide 28
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Equipos simples Equipos complejos
Co
ntr
ol L
óg
ico
C
on
tro
l d
e p
roc
es
os
Buses de Alta Velocidad y Funcionalidad Media (DEVICEBUS)
Capa de Enlace preparada para enviar eficientemente bloques de datos detamaño medio.
Mayor funcionalidad: configuración, calibración o programación del dispositivo.
Incluyen capa de aplicación: funciones utilizables desde un PC para acceder,cambiar y controlar los diversos dispositivos.
Suelen incluir perfiles: funciones estándar para distintos tipos de dispositivos
DEVICEBUS
- CAN
- DeviceNet
- Profibus DP
Implementan:
Capa Física + Capa de Enlace + Capa
de aplicación
© J. Duque - UTB 2014Slide 29
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campoC
on
tro
l L
óg
ico
C
on
tro
l d
e p
roc
es
os
Buses de Altas prestaciones (FIELDBUS & CONTROLBUS)
Soportan comunicaciones a nivel de toda la fábrica.
Se basan en buses de alta velocidad.
La capa de aplicación presenta un gran número de
servicios a la capa de usuario.
CONTROLBUS
- HSE High Speed
Ethernet
- ControlNet
FIELDBUS
- Foundation
- Profibus PA
Equipos simples Equipos complejos
Implementan:
Capa Física + Capa de
Enlace + Capa de aplicación
© J. Duque - UTB 2014Slide 30
3. Clasificación de las redes industriales
Buses de campo
Niveles OSI
De las siete capas del modelo OSI la mayor parte de los buses de campo implementan:
1. Capa Física
Especificaciones físicas
2. Capa de enlace
Métodos de acceso a red
y direccionamiento
7. Capa de Aplicación
Implementa funciones de
usuario y la información a
transmitir.
© J. Duque - UTB 2014Slide 31
1. Introducción
2. Comunicaciones en una fábrica
3. Clasificación de las redes
4. Topologías
5. Métodos de acceso al medio
6. Capa física
Comunicaciones Industriales
© J. Duque - UTB 2014Slide 32
4. Topologías de las redes industriales
TIPO BUS
Red de tipo distribuido y elevada velocidad
de transmisión
Todos los dispositivos son conectados a
una misma línea de datos, llamada bus
La caída de un equipo no afecta al resto
La comunicación es bidireccional (todos los
equipos pueden transmitir según la
necesidad)
La cantidad de cableado necesario es
pequeño y se pueden agregar nuevos
dispositivos sin problema.
© J. Duque - UTB 2014Slide 33
4. Topologías de las redes industriales
TIPO ANILLO
El medio de transmisión forma un circuito
cerrado con conexiones punto a punto.
El modo de transmisión se organiza
mediante el paso de un permiso de un
dispositivo al siguiente (paso de testigo o
token passing)
Sistema maestro esclavo y tiempo de
transmisión fijo
La caída de un equipo no afecta el resto
Muy extendido el uso de fibra óptica
(redundancia)
© J. Duque - UTB 2014Slide 34
4. Topologías de las redes industriales
TIPO ESTRELLA
Toda la información es canalizada a través de un
nodo central.
El intercambio de datos entre periféricos
inicialmente centralizado o desde la periferia, es
siempre manejado vía el nodo central.
Esta topología tiene la ventaja de que si una de las
líneas está sujeta a interferencias, solo el
dispositivo conectado a ella es afectado.
Las líneas pueden ser conmutadas a encendidas o
apagadas durante la operación normal.
Si falla el nodo central toda la red falla.
© J. Duque - UTB 2014Slide 35
4. Topologías de las redes industriales
TIPO ÁRBOL
Red de tipo distribuido
Mezcla las características de bus y
estrella
Se encuentra en los buses tipo
sensor-actuador (As-i, interbus, etc)
© J. Duque - UTB 2014Slide 36
4. Topologías de las redes industriales
TIPO MALLA ( MESH)
Cada nodo está conectado a uno o más de los
otros nodos. De esta manera es posible llevar
los mensajes de un nodo a otro por diferentes
caminos.
Si la red de malla está completamente
conectada no habrá ninguna interrupción en las
comunicaciones. Cada nodo tiene sus propias
conexiones con todos los demás nodos.
Se encuentra en comunicaciones tipo
inalámbricas (p.ej..Wireless Hart)
© J. Duque - UTB 2014Slide 37
4. Topologías de las redes industriales
COMPARACIÓN DE LAS TOPOLOGÍAS DE REDES
Característica Estrella Anillo Bus Malla
Disponibilidad Control centralizado, acceso
regulado por una
inteligencia central
Tiene control descentralizado, el
acceso es pasado dedispositivo a
dispositivo
Son posibles tanto uncontrol centralizado o
descentralizado
No requiere de un
servidor o nodo
central.
Redundancia Si la inteligencia central
falla, la red falla. No son
críticas líneas individuales
Si la línea falla, la red falla. Se hace
necesario colocar interruptores de
bypass si la falla del dispositivo no
afecta la función de la red
Depende del modode control de bus que
se adopte. Para control centralizado es
estrella, para control descentralizado,
anillo
ofrece una
redundancia y
fiabilidad
superiores
Expandibilidad Limitado al númerode
conexiones al
controlador central
Ilimitado; sin embargo, el tiempo
de rotación token, fija un límite
práctico pues gobierna el tiempo
de respuesta
Ilimitado ; pero el tiempode encuesta
(polling) de todos los dispositivos es un
límite práctico
Ilimitado
Requerimientos
decables
Cable apantallado La línea debe estar libre de
cualquier interferencia; se
usa cable coaxial u otro cable
confiable
La línea debe estar libre de cualquier
interferencia; se usa cable apantallado u
otro confiable
Se implementa
wireless
Requerimientos de
interfaz
Suficiente RS-232C La interfaz debe proveer una
transmisión inmune a las
interferencias
La interfaz debe proveer una transmisión
inmune a las interferencias
IEEE 802.15
© J. Duque - UTB 2014Slide 38
1. Introducción
2. Comunicaciones en una fábrica
3. Clasificación de las redes
4. Topologías
5. Métodos de acceso al medio
6. Capa física
Comunicaciones Industriales
© J. Duque - UTB 2014
RESPUESTA
MASTER
PETICIÓN
SLAVE
1SLAVE
2
SLAVE
3
SLAVE
4
SLAVE
5Slide 39
5. Métodos de acceso al medio
METODOS DE SONDEO Y SELECCIÓN (POLLING)
Se utiliza en redes maestro/esclavo
Polling: La estación central (Master) interroga al resto de estaciones en forma
secuencial una tras otras (poll). Cuando una estación Slave tiene el «poll» es
cuando se le permite transmitir.
Selección: El Master envía un «select» a la estación Slave para pedirle
información. Si está preparada le envía el mensaje UTILIZADO POR:
DP
© J. Duque - UTB 2014Slide 40
5. Métodos de acceso al medio
MÉTODO DE PASO DE TESTIGO EN BUS IEEE 802.4 (TOKEN BUS)
Necesita la configuración de la red antes de su puesta en marcha, ya que ha de
determinar el orden lógico de las estaciones para la circulación del testigo.
Solamente una estación puede transmitir en un momento dado y será la encargada de
poner en circulación la trama testigo, la cual irá recorriendo cada una de las estaciones
según la lista de direcciones.
UTILIZADO POR:
UTILIZADO POR:
FMS
© J. Duque - UTB 2014Slide 41
5. Métodos de acceso al medio
MÉTODO DE PASO DE TESTIGO EN ANILLO IEEE 802.5 (TOKEN RING)
Se aplica a sistemas que no tienen prioridad en las estaciones y cualquier estación
puede poner en circulación la trama testigo.
La información es pasada de dispositivo a dispositivo. No hay un control central en el
anillo, en vez de esto, cada dispositivo asume el rol de controlador a intervalos
estrictamente definidos.
UTILIZADO POR:
© J. Duque - UTB 2014Slide 42
5. Métodos de acceso al medio
MÉTODO DE ACCESO MÚLTIPLE POR DIVISION DE TIEMPO (TDMA)
Time Division Multiple Access o TDMA es una técnica de multiplexación en la cual el
ancho de banda total del medio de transmisión es asignado a cada canal durante una
fracción del tiempo total (intervalo de tiempo).
En este método cada estación envía una trama de longitud definida en un momento
determinado.
UTILIZADO POR:1
2
3
4MUX
Línea
compartida
time
© J. Duque - UTB 2014Slide 43
5. Métodos de acceso al medio
Acceso Múltiple por Detección de Portadora con
Detección de Colisiones
En el método de acceso CSMA/CD, los dispositivos
de red que tienen datos para transmitir funcionan en
el modo "escuchar antes de transmitir".
Esto significa que cuando un nodo desea enviar
datos, primero debe determinar si los medios de red
están ocupados o no.
UTILIZADO POR:
ACCESO TIPO CONTIENDA IEEE 802.3 (CSMA/CD)
© J. Duque - UTB 2014Slide 44
5. Métodos de acceso al medio
ACCESO TIPO CONTIENDA IEEE 802.3 (CSMA/CD)
MULTIPLE ACCESS
CARRIER SENSE
COLLISION
DETECTION
© J. Duque - UTB 2014Slide 45
1. Introducción
2. Comunicaciones en una fábrica
3. Clasificación de las redes
4. Topologías de red
5. Métodos de acceso al medio
6. Capa física
Comunicaciones Industriales
© J. Duque - UTB 2014Slide 46
6. Capa física
Medios de transmisión
Guiados
No guiados
Par trenzado (twisted pair)
Par no trenzado (untwisted pair)
Coaxial
Fibra óptica
Infrarrojo
Ondas de radio
Microondas
Satélite
Medios de
transmisión
Monomodo
Multimodo
Single
Multipar
VHF (30-300MHz)
UHF (300 MHz-3GHz)
ISM*
Bluetooth 2.45 GHz
IEEE 802.11/WiFi 2.45 MHz &
5.8GHz
WirelessHart: 2.4-2.4835 GHz
*(Industrial, Scientific and Medical)
© J. Duque - UTB 2014Slide 47
6. Capa física
Medios de transmisión
PAR TRENZADO
UTP: Par trenzado sin malla. Se utiliza en redes de baja
velocidad y bajo costo.
STP: Par trenzado con malla. Es el medio más adecuado
para comunicaciones digitales en banda base. Trabaja
correctamente hasta 300Mbps.
FTP: Par trenzado con malla y foil de aluminio. Disminuye
aún más la interferencia exterior como la radiación
emitida por el propio par.
© J. Duque - UTB 2014Slide 48
6. Capa física
Medios de transmisión
PAR TRENZADO - ( NORMAS ISO/IEC 11801 & EIA/TIA-568 )
Las norma ISO/IEC 11801 y EIA/TIA -568 especifican sistemas de cableado para
telecomunicación, de multipropósito y cableado estructurado que se utilizan en un amplio
rango de aplicaciones (análogas y de telefonía ISDN, varios estándares de comunicación
de datos, construcción de sistemas de control, y automatización de fabricas).
TIA and ISO Equivalent Classifications
Frequency
Bandwidth
TIA
(Components)TIA (Cabling)
ISO
(Components)
ISO
(Cabling)
1 - 100 MHz Category 5e Category 5e Category 5e Class D
1 - 250 MHz Category 6 Category 6 Category 6 Class E
1 - 500 MHz Category 6A Category 6A Category 6A Class EA
1 - 600 MHz n/s n/s Category 7 Class F
1 - 1,000 MHz n/s n/s Category 7A Class FA
Cat5
Cat7
Cat6
EIA/TIA: United States Electronic Industries Association/Telecommunications Industries Association
© J. Duque - UTB 2014Slide 49
6. Capa física
Medios de transmisión
FIBRA ÓPTICA
La información (datos) se transporta por la luz que
se propaga en el interior de la fibra.
Los rayos luminosos rebotan en el borde de la
vaina (cladding).
En la fibra monomodo, la luz sigue una sola
trayectoria, siendo utilizada para grandes
distancias.
La fibra multimodo guía la luz en múltiples
trayectorias. Se distinguen dos tipos: de índice de
refracción escalonado y de índice de refracción
gradual.
© J. Duque - UTB 2014Slide 50
6. Capa física
Medios de transmisión
ESTRUCTURA DE LA FIBRA ÓPTICA
La norma ISO 11801 clasifica las fibras multimodo
según su ancho de banda:
OM1: Fibra 62.5/125 µm, soporta hasta Gigabit
Ethernet (1 Gbit/s), usan LED como emisores
OM2: Fibra 50/125 µm, soporta hasta Gigabit Ethernet
(1 Gbit/s), usan LED como emisores
OM3: Fibra 50/125 µm, soporta hasta 10 Gigabit
Ethernet (300 m), usan láser (VCSEL) como emisores.
© J. Duque - UTB 2014Slide 51
6. Capa física
Medios de transmisión
SC MTRJ
FC LC
ST
FIBRA ÓPTICA - CONECTORES
FC: transmisión de datos y comunicaciones. Monomodo
LC y MT-Array alta densidad de datos. Buen desempeño
en Monomodo. El MT puede contener hasta 72 fibras en
un solo punto
SC y SC-Dúplex: conector de propósito general se utilizan
para la transmisión de datos. Utilizado en monomodo
ST o BFOC: redes de edificios y en sistemas de seguridad.
Uno de los más utilizados por su gran desempeño.
MT-RJ: conector dúplex con ambas fibras en una
sola vaina de polímero. Multimodo únicamente.
Para nuevas instalaciones la norma ISO 11801 recomienda
el conector SC.
MT
© J. Duque - UTB 2014Slide 52
6. Capa física
Medios de transmisión
CABLES PARA BUSES DE CAMPO
PROFIBUS FOUNDATION DEVICENET INTERBUSINDUSTRIAL
ETHERNETMODBUS
A: Green
B : Red
+: Orange
- : Blue
+24V : Red
- 24V : Black
CAN High : White
CAN Low : Blue
Pairs:
Brown/white
green/yellow,
pink/grey
White/blue, blue
White/orange,
orange
White/green, green
White/brown, brown
© J. Duque - UTB 2014Slide 53
6. Capa física
Medios de transmisión
CABLES PARA BUSES DE CAMPO
Foundation Fieldbus
Profibus
Devicenet
AS-Interface
© J. Duque - UTB 2014Slide 54
6. Capa física
Medios de transmisión
CABLES PARA BUSES - CONECTORES
Ethernet industrialProfibus
PROFINET
Foundation Fieldbus Devicenet
© J. Duque - UTB 2014
6. Capa física
Medios de transmisión
MEDIOS DE TRANSMISIÓN UTLIZADOS EN BUSES DE CAMPO
Slide 55
© J. Duque - UTB 2014Slide 56
6. Capa física
Modos de transmisión
Dependiendo del flujo de información entre el emisor y el receptor la transmisión es:
Simplex: Comunicación unidireccional
Half-duplex: Bilateral no simultánea
Full-duplex: Bilateral simultánea
© J. Duque - UTB 2014Slide 57
6. Capa física
Modos de transmisión
La comunicación entre equipos se puede realizar de dos maneras:
Síncrona: Todo el mensaje o trama de
datos se transmite como una cadena de
bits contiguos, y el receptor debe
mantener la sincronía en cada bit hasta el
final de la trama.
Asíncrona: Los relojes son
independientes y el receptor se
resincroniza al principio de cada
carácter recibido.
© J. Duque - UTB 2014Slide 58
6. Capa física
Sincronización de trama
En la sincronización de trama; el receptor debe saber cuándo comienza y termina la
trama, compuesta por una serie de caracteres consecutivos.
Para ello, es habitual utilizar un carácter de inicio de trama STX que indique dónde
comienza el bloque, y un carácter de fin ETX para delimitar el final.
Trama de Modbus ASCII
© J. Duque - UTB 2014Slide 59
Los errores en la transmisión se detectan
utilizando uno o varios bis de paridad. Existen
cuatro tipos de control de paridad:
Par (Even): El número de bits de datos a ‘1’
lógico más el bit de paridad debe ser par.
Impar (Odd): El número de bits de datos a
‘1’ lógico más el bit de paridad debe ser
impar.
Marca (Mark): El bit de paridad siempre
vale ‘1’.
Espacio: El bit de paridad siempre vale ‘0’.
Paridad par
6. Capa física
Control de paridad
© J. Duque - UTB 2014
6. Capa física
Normas de interfaz
NORMAS DE INTERFAZ
Conjunto de especificaciones que describen cómo debe ser la
interconexión de equipos para el intercambio de datos obtenidas por
comités de estandarización (EIA, ISO, etc..). Las normas incluyen
especificaciones:
Mecánicas: Cables y conectores.
Eléctricas: Codificación, niveles de voltaje y corriente.
Funcionales: Serial, paralelo, half-duplex, full‐duplex, síncrona o
asíncrona.
Slide 60
© J. Duque - UTB 2014
6. Capa física
Normas de interfaz
NORMA DE INTERFAZ RS-232 C
Definida originalmente para conectar un equipo terminal de
datos (DTE) p.e. un PC a un equipo de comunicación de
datos (DCE), típicamente un Módem.
Actualmente se utiliza para conectar PLCs, instrumentos y
periféricos al PC.
Slide 61
© J. Duque - UTB 2014
6. Capa física
Normas de interfaz
NORMA RS-232 – ESPECIFICACIONES MECÁNICAS
Slide 62
© J. Duque - UTB 2014
6. Capa física
Normas de interfaz
Slide 63
RS-232 – ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS
Los dispositivos de salida deben poder sostener un
cortocircuito entre sus terminales con una corriente de
0.5 A máx.
Se define una señal de MARCA o ”1” lógico si su tensión
es < -3 Volt respecto de masa.
Se define una señal de ESPACIO o ”0” lógico si su
tensión es > +3 Volt respecto de masa. La región entre -3
y +3 Volt es indefinida.
Las tensiones están referenciadas a tierra (tensión
simple).
Las conexiones son punto a punto, no permite
configuraciones multipunto.
© J. Duque - UTB 2014
6. Capa física
Normas de interfaz
En transmisión asíncrona para cada carácter se envía:
1 bit de inicio o arranque, representado por un 0 lógico.
7 u 8 bits de datos, comenzando por el bit de menor peso hasta el de mayor peso.
0 o 1 bit de paridad para control de errores. La paridad puede ser de tres tipos:
o Marca: el bit siempre está a 1.
o Espacio: el bit siempre está a 0.
o Par: el número total de 1’s es par (incluy. Bit de paridad)
o Impar: el número total de 1´s es impar (inc. Bit de paridad)
1, 1.5 o 2 bits de parada, representado por un 1 lógico.
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NORMA RS-232 – ESPECIFICACIONES FUNCIONALES
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6. Capa física
Normas de interfaz
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NORMA RS-232 – ESPECIFICACIONES FUNCIONALES
Señal del carácter ‘A’ (41H) enviado a través de RS-232
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6. Capa física
Normas de interfaz
Las principales limitaciones de EIA/TIA 232 son:
La longitud del cable: A medida que aumenta la
longitud, aumenta la capacitancia del cable y la línea
es un filtro pasabajo. Esto significa pérdida de flancos,
bit de inicio, parada, etc..
Las perturbaciones eléctricas: Debido a que las
tensiones están referenciadas con respecto a tierra es
muy susceptible al ruido eléctrico en modo común.
La velocidad de transmisión: Implica acortar la
duración del bit y como consecuencia menor tolerancia
a la deformación de la onda y al ruido en la línea.
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NORMA RS-232 – LIMITACIONES
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6. Capa física
Normas de interfaz
Slide 67
NORMA RS-232 – CONEXIONES
NULL-MODEM
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6. Capa física
Normas de interfaz
Slide 68
NORMA RS-232 – CONEXIONES
DTE – DCE (STRAIGHT CABLE)
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6. Capa física
Normas de interfaz
La norma TIA/EIA-485, conocida como RS485, describe una interfaz de comunicación que utiliza la
transmisión de datos balanceada en uno o dos pares de cables para establecer la comunicación hasta 32
dispositivos.
Características:
Utiliza transmisión diferencial balanceada.
Permite conexión multipunto
Alimentación única de +5V.
Hasta 32 estaciones.
Velocidad máxima de 10 Mbps ( a 12 m)
Longitud máxima de alcance de 1.200 m (a 100 Kbps)
Rango de bus de ‐7V a +12V
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NORMA RS-485
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6. Capa física
Normas de interfaz
Los transmisores RS485 ponen a disposición bajo carga un nivel de salida > ±2V entre las dos salidas; los
módulos de recepción reconocen el nivel de ±200mV como señal válida.
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NORMA RS-485 NIVELES DE SEÑAL
Mark
(1)
Positive Voltages
(B-A > +200 mV)
Space
(0)
negative voltages
(B-A < -200 mV)
1
0RT
‘1’
+1.5
-1.5
-6
+6
‘0’
VBA Transmisor
B
A
C
VBA
‘1’
‘0’
-6V
+6V
+200mV
-200mV
B
A
C
Receptor
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6. Capa física
Normas de interfaz
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NORMAS RS-485 y RS-232 NIVELES DE SEÑAL
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6. Capa física
Normas de interfaz
NORMA RS-485 RESISTENCIAS DE TERMINACIÓN
La teoría de las comunicaciones establece que una línea de transmisión debe terminarse con una
impedancia igual a la impedancia característica de la línea. Una terminación adecuada atenúa las
reflexiones de señal que degradan los datos transmitidos debido al aumento de la longitud
máxima permitido por cable y/o la velocidad de transmisión.
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También reducen la sensibilidad al ruido eléctrico debido a la impedancia más baja.
El valor de cada resistencia de terminación debe ser igual a la impedancia del cable (normalmente,
120 ohmios para pares trenzados).
© J. Duque - UTB 2014Slide 73
6. Capa física
Normas de interfaz
NORMA RS-485 CONEXIÓN DE LOS TERMINADORES
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6. Capa física
Normas de interfaz
CUADRO COMPARATIVO
Slide 74
RS232 RS423 RS422 RS485
Differential no no yes yes
Max number of driversMax number of receivers
11
110
110
3232
Modes of operationhalf duplexfull duplex
half duplex half duplex half duplex
Network topology point-to-point multidrop multidrop multipoint
Max distance (acc. standard)
15 m 1200 m 1200 m 1200 m
Max speed at 12 mMax speed at 1200 m
20 kbs(1 kbs)
100 kbs1 kbs
10 Mbs100 kbs
35 Mbs100 kbs
Max slew rate 30 V/μs adjustable n/a n/a
Receiver input resistance 3..7 kΩ ≧ 4 kΩ ≧ 4 kΩ ≧ 12 kΩ
Driver load impedance 3..7 kΩ ≧ 450 Ω 100 Ω 54 Ω
Receiver input sensitivity ±3 V ±200 mV ±200 mV ±200 mV
Receiver input range ±15 V ±12 V ±10 V –7..12 V
Max driver output voltage ±25 V ±6 V ±6 V –7..12 V
Min driver output voltage (with load)
±5 V ±3.6 V ±2.0 V ±1.5 V
© J. Duque - UTB 2014Slide 75
6. Capa física
Normas de interfaz
Cuando se usan cables simétricos, especialmente cuando no sabe su impedancia, el
valor de los terminadores se seleccionan de forma empírica. Para ello, se debe
instalar el osciloscopio en el segmento medio de la red. Al controlar la forma de pulsos
rectangulares transmitidos por uno de los conductores se puede seleccionar la
resistencia terminal
Red inconsistente RS-485 (sin el
terminador) y su forma de onda
resultante (izquierda) comparado con la
señal recibida en una red correctamente
terminada (derecha)
Instrumento conectado en
una derivación de 3m a un
segmento de la red RS-485
Terminador se ha
instalado en la mitad
del segmento de la
red RS-485
NORMA RS-485 – COMISIONAMIENTO
© J. Duque - UTB 2014Slide 76
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