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UNIDAD VI

PROTOCOLOS DE COMUNICACIN

1. INTRODUCCIN

En la comunicacin digital, como hemos visto, es importante determinar tanto el medio fsico a travs del cual se establece la comunicacin, como las caractersticas de la informacin misma. En este punto es importante indicar que los equipos de instrumentacin digitales difieren en el tipo de protocolo que utilizan para comunicarse, siendo necesario, revisar las caractersticas de los mismos.

El protocolo es un conjunto de reglas y convenciones que permiten establecer una comunicacin fiable entre dos entidades de un proceso.

2. OBJETIVOS

Identificar las ventajas de comunicacin digital entre los instrumentos de campo.

Comparar las caractersticas de algunos protocolos importantes.

Enumerar las ventajas de un protocolo digital estndar.

3. VENTAJAS DE LA COMUNICACIN DIGITAL

Los enlaces de comunicacin digital se componen de dos niveles bsicos: el enlace fsico o el medio de conexin entre los mdulos de sistemas digitales y el protocolo. El medio puede ser un cable coaxial, una seal de radio, un cable de fibra ptica, un conjunto de mdems en una lnea telefnica, un enlace a satlite, un cable de 25 conductores desde el sistema digital a un mdem o una combinacin de estos medios. Algunos enlaces fsicos son diseados estrictamente para la conexin de solamente dos dispositivos como las interfaces RS-232 y RS-422. Algunas son diseadas para ser usadas con mltiples dispositivos, que se comunican a travs de un nico enlace fsico (como en una red de rea local o LAN), tal como la interfaz RS-485. Cuando existen dos o ms mdulos de sistemas digitales interconectados en un nico circuito de comunicaciones o red, stos deben ser capaces soportar un protocolo de red; estos protocolos usan diferentes mecanismos para asegurar una comunicacin confiable y robusta. Muchos de ellos son

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propietarios es decir, para su empleo solo en una determinada marca de equipo, requiriendo drivers o interfaces especiales de software y a menudo tambin de hardware. Ejemplos de estos protocolos son aquellos usados en la comunicacin con PLCs, como Data Highway+ de Allen- Bradley o Modbus+ de Modicon. Existe en este momento una tendencia creciente a una conectividad entre equipos de fabricantes distintos a travs de versiones estandarizadas de sofisticados protocolos de redes industriales; las razones principales para esto son:

Sistemas Abiertos: Es difcil y costoso integrar sistemas con instrumentacin de diferentes fabricantes debido a los diferentes protocolos empleados. Con protocolos estndar, dispositivos de diversa procedencia pueden coexistir en la misma red y comunicarse entre s.

Reduccin en el costo de cableado: Muchos sistemas todava emplean los 4 a 20 mA de la instrumentacin analgica, requiriendo mucho cableado de punto a punto. El cableado para un sistema multidrop significa una reduccin en los costos de instalacin.

Necesidades de mayor informacin: En la actualidad, las empresas requieren tener mayor informacin sobre sus procesos y sobre la instrumentacin conectada a los mismos. La instrumentacin tradicional provee solo un valor, el de la variable de proceso. En una red digital, los instrumentos pueden proveer informacin de mantenimiento y diagnstico para conocer mejor el rendimiento de los instrumentos.

Dispositivos inteligentes: Los fabricantes de equipos estn poniendo cada vez ms inteligencia en sus dispositivos para satisfacer la creciente demanda de funcionalidad a bajo costo. La mayor informacin disponible en una red digital es necesaria para capitalizar las mejoras en las capacidades hechas posibles por la presencia de inteligencia en los dispositivos.

La informacin digital suministrada por un transmisor inteligente es transmitida de acuerdo a un protocolo determinado, el cual determina la forma en que es codificada y superimpuesta a la lnea de la seal. Como sucede en el caso de sistemas propietarios, cada fabricante tiene su propio protocolo. Uno de los ms utilizados es el protocolo HART (Highway Addressable Remote Transmitter), cuya seal de informacin est contenida en una seal digital FSK superimpuesta a una analgica de 4 a 20 mA.

4. PROTOCOLO HART Fuera de su avance como un estndar de-facto, este protocolo todava tiene un trecho por recorrer antes del advenimiento de un mercado abierto. En

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efecto todos los dispositivos interconectables son totalmente compatibles, intercambiables y operables con un solo terminal programador. La razn para esto es su capa de aplicacin. El set de comandos de HART tiene tres clases de comandos:

Comandos universales que son entendidos por todos los dispositivos de campo.

Comandos de prctica comn que son reconocidos por la mayora aunque no necesariamente todos los dispositivos de campo.

Comandos especficos que son nicos para cada dispositivo. Para que opere un transmisor, todos los comandos requeridos para una aplicacin particular, deben ser implementados en la computadora principal y en el programador universal de campo. Para satisfacer este requerimiento, es necesario que se entregue una descripcin en diskette del dispositivo, juntamente con el transmisor, para ser leda y mantenida por la computadora. El terminal porttil puede entonces ser alimentado por la informacin requerida por la aplicacin que est corriendo. En teora esto parece una buena solucin, pero en la prctica, an en dispositivos simples la mayora de los comandos usados son especficos por dispositivo. Esto significa que ellos no pueden ser apropiadamente operados con las descripciones de dispositivo de otro transmisor. Por lo tanto, para aplicaciones en sistemas conformados por dispositivos de diversos fabricantes, se debe tender a la estandarizacin con una interfaz comn de usuario para la configuracin e interrogacin de transmisores. Por esto, HART no se considera como una solucin a las necesidades de sistemas abiertos y tan slo un protocolo de transicin hacia ese objetivo. A continuacin se tiene un resumen de las caractersticas del protocolo HART: Cuadro N 1

Caractersticas

Fabricante. Rosemount

Auspiciado por. HART Communication Foundation

Aplicacin: Trasmisin de seal analgica con la ventaja de una operacin abierta inteligente

Capa fsica: 4...20 mA, Bell 202

Seal 0: 2200 Hz

Seal 1: 1200 Hz

Longitud: 3000 m

Velocidad de transmisin:

1200 bps

Arquitectura: Punto a punto Multiplexor Multi-drop (mximo 16 participantes)

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Figura N 1: Seal en Protocolo HART 5. SISTEMAS DE BUSES DE CAMPO

La ausencia de un estndar internacional para reemplazar la interfaz analgica de 4...20 mA, ha dejado al usuario con la dificultad de eleccin acerca de cul bus, entre los que se ofrecen, debe elegir para ser utilizado a nivel de proceso o de campo. Hay muchos sistemas de buses en el mercado, cada cual exigiendo ser la mejor solucin para el uso en el campo. Estos son buses respaldados por grandes organizaciones y son de-facto o estndares nacionales establecidos y tienen un mercado significativo cubierto por una variedad de fabricantes. Dependiendo de las caractersticas de estos buses y sus aplicaciones posibles, se les puede clasificar en tres categoras. Se muestra a continuacin un cuadro que incluye a algunos de los buses de campo ms conocidos dentro de su categora correspondiente:

Cuadro N 2: Clasificacin de Redes de Dispositivos Industriales

Sensorbus Devicebus Fieldbus

CAN CAN IEC/SP50

Seriplex DeviceNet Fieldbus Foundation

AS-i Profibus DP Profibus PA

LonWorks LonWorks LonWorks

FIP IO WorldFIP

SDS

Interbus-S

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Cuadro N 3: Caractersticas Generales de Redes de Dispositivos Industriales

Sensorbus Devicebus Fieldbus

Aplicaciones tpicas Discreto, mquina

Discreto, mquina Proceso

Sistema de control tpico PLC PLC DCS

Tamao de los datos Menos de 1 byte Hasta 32 bytes Hasta 1000 bytes

Basado en microprocesador

No Si Si

Inteligencia incorporada No Vara Si

Diagnsticos No Simple Sofisticado

Tiempo de respuesta 5 ms o menos 5 ms o menos 100 ms

Distancia Corta Corta Larga

Dispositivo de ejemplo Sensor discreto de proximidad

Sensor fotoelctrico con diagnstico

Vlvula inteligente con control PID y diagnstico avanzado

Veamos a continuacin algunos de estos buses:

5.1 ASI (Actuator/ Sensor Interface)

La especificacin ASI es muy similar al protocolo HART, pero con una estructura mucho ms sencilla. Est dirigido a conectar actuadores y sensores binarios que reconocen solamente los estados encendido o apagado o si y no.

Algunas caractersticas que remarcar son las siguientes: - Tiene tiempos de respuesta muy cortos (25 ms para 31 esclavos). - La alimentacin es suministrada sobre el bus (hasta 100 mA por

esclavo). - La longitud del bus es limitada

A continuacin un cuadro resumen del bus:

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Cuadro N 4

5.2 CAN (Controller Area Network)

Este concepto de bus serial fue desarrollado por Bosch para la conexin en red de controladores, actuadores y sensores en automviles y provee rpidas velocidades de transmisin combinadas con una alta inmunidad a la interferencia electromagntica. La red no es configurable pero es diseada para operar con parmetros preseteados. Tambin se le encuentra en aplicaciones en mquinas.

Algunas caractersticas que remarcar son las siguientes:

- Muy alta seguridad de los datos. - Tiempos de respuesta garantizados para mensaje con la ms alta

prioridad. - Costos de instalacin bajos. - Limitado a sensores y actuadores. - Capa de aplicacin no comn.

A continuacin un cuadro resumen del bus:

Cuadro N 5

Protocolo CAN Fabricante: Bosch

Auspiciado por: Industria de automviles

Capa fsica: RS-485

Longitud: 40 m a 400 m

Velocidad de transmisin: 100 kbps a 1 Mbps

Mtodo de acceso del bus. CSMA/CD

Participantes. Mximo 200

Protocolo ASI Fabricante: Siemens, Pepperl+Fuchs, Festo...

Auspiciado por: ASI Verein e.V.

Capa fsica: Especfica de ASI (cable de dos hilos no apantallado)

Longitud: Mximo 100 m

Velocidad de transmisin: 167 kbps

Mtodo de acceso del bus. Maestro-esclavo central

Participantes. Mximo 31 esclavos, 1 maestro

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5.3 Devicenet

Originalmente desarrollado por Allen Bradley, es manejado por Open DeviceNet Vendors Association (ODVA), una organizacin suministradora independiente. Es una red de bajo nivel diseada para conectar dispositivos industriales (sensores, actuadores) con dispositivos de nivel ms alto (controladores).

Algunas caractersticas que remarcar son las siguientes: - Intercambiabilidad a muy bajo costo. - La alimentacin y la seal por el mismo bus. - Diagnstico avanzado. A continuacin un cuadro resumen del bus:

Cuadro N 6

Protocolo DeviceNet Fabricante: Allen Bradley

Auspiciado por: Open DeviceNet Vendors Association (ODVA)

Capa fsica: RS-485

Longitud: 100 m a 500 m

Velocidad de transmisin: 125 kbps a 500 kbps

Mtodo de acceso del bus. Punto a punto o maestro-esclavo (especial)

Participantes. Hasta 64 nodos en una sola red

5.4 Interbus S

Su funcin cae de alguna forma entre CAN y PROFIBUS. Similar a CAN, este protocolo llena el requerimiento de velocidades de transmisin de datos para ciclos muy alto. Tiene un mtodo de acceso de bus determinstico y es particularmente aplicable para la puesta en red de drives industriales.

Algunas caractersticas que remarcar son las siguientes: - Bus sensor/ actuador muy rpido. - Aplicable en seales binarias y analgicas sencillas. A continuacin un cuadro resumen del bus:

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Cuadro N 7

Protocolo Interbus S Fabricante: Phoenix Contact

Auspiciado por: Interbus S Club, Drivecom

Capa fsica: RS-485 en anillo (6 hilos)

Longitud: 1200 m a 13 km (con repetidores)

Velocidad de transmisin: 500 kbps

Mtodo de acceso del bus. Un maestro usando registradores de desplazamiento sincronizados

Participantes. Mximo. 256

5.5 Profibus Fms

Es el Fieldbus estandarizado alemn. Fue desarrollado por un consorcio de fabricantes bajo el liderazgo de Siemens, Klckner-Mller y Bosch y es especificado por DIN 19 245.

El estndar PROFIBUS tiene tres perfiles diferenciados: PROFIBUS DB, PROFIBUS PA y PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). El perfil FMS es cubierto en las primeras dos partes del estndar y fue desarrollado principalmente para aplicaciones generales de control de procesos.

Algunas caractersticas que remarcar son las siguientes: - Perfil general PROFIBUS. - Primariamente para usarse en el nivel de control. - Soportado por varios fabricantes especialmente de PLC. A continuacin un cuadro resumen del bus:

Cuadro N 8

Protocolo Profibus FMS Fabricante: Bosch, Klckner-Mller y Siemens

Auspiciado por: DIN 19 245 partes 1+2. Organizacin de usuarios de PROFIBUS

Capa fsica: RS-485

Longitud: 200 m a 1200 m

Velocidad de transmisin: 9600 Bits/s a 500 kBits/s

Mtodo de acceso del bus. Token passing con maestro-esclavo

Participantes. Mximo 127

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5.6 Foundation Fieldbus

Es una red industrial diseada para aplicaciones de control de procesos distribuidos. Fue creada por Fieldbus Foundation, una organizacin de ms de 100 compaas que fabrican ms del 80% de los sistemas, dispositivos y servicios de automatizacin en el mundo. Est basado en parte en las tecnologas existentes, incluyendo el trabajo de comits de estndares de ISA (International Society for Measurement and Control) y de IEC (International Electrotechnic Committee), PROFIBUS, FIP y HART. La razn del esfuerzo de los fabricantes y entidades nombrados, fue el lograr un estndar digital con una aceptacin equivalente al estndar analgico de 4 a 20 mA, utilizado universalmente.

La necesidad de un protocolo estndar hace surgir conceptos como interoperabilidad, por el cual en una red industrial se podran

integrar equipos digitales de diferentes fabricantes y de intercambiabilidad, por el cual se podra reemplazar en una misma

red un instrumento digital por otro de un fabricante distinto sin perder su capacidad de comunicacin con los dems elementos de la misma.

El resultado es este protocolo, cuyos tests actualmente debieran dar un resultado alentador a su uso como un estndar futuro. La tecnologa de este bus consiste de una Capa fsica, un Stack de

comunicacin y una Capa de usuario. Este Fieldbus no implementa las capas 3,4, 5 y 6 del modelo OSI porque los servicios de estas capas no se requieren para la aplicacin en el control de procesos.

Una parte muy importante es la capa de usuario la cual define una interfaz a travs de la cual, usuarios de este protocolo pueden comunicarse con dispositivos a travs de un set de bloques en vez de una coleccin de puntos simples de datos. En cuanto a las caractersticas fsicas del protocolo, ste consiste en realidad de dos buses: uno de baja velocidad (H1) y otro de alta velocidad (H2):

Cuadro 9: Protocolo Foundation Fieldbus

Caracterstica Bus de baja velocidad H1

Bus de baja velocidad H2

Velocidad de transmisin 31.25 Kbits/s 1 Mbit/s

Nmero de dispositivos Mximo 32 Mximo 127

Longitud de cable 1900 m con cable #18AWG cable trenzado y apantallado

750 m con #22AWG a 1.2 Mbit/s y 500 m a 2.5 Mbit/s

Tiempo de respuesta Entre 32 useg y 2.2 mseg Entre 1 useg y 70 useg

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A continuacin se compara la estructura de este protocolo con el modelo de siete capas de OSI:

Figura N 2: Protocolo Foundation Fieldbus 6. RESUMEN

Es importante recordar:

Se requiere actualmente, por la cantidad de protocolos existentes, estandarizar la comunicacin digital entre dispositivos de las redes industriales.

La comunicacin digital en instrumentacin industrial representa grandes ventajas sobre la analgica.

Los buses de campo se clasifican en tres distintos niveles segn caractersticas tales como complejidad de la informacin transmitida, tiempo de respuesta y distancia.

Capa de Aplicacin

Capa de Sesin

Capa de Presentacin

Capa de Red

Capa Fsica

Capa de Transporte

Capa de Enlace

Especificacin del

mensaje Fieldbus

Subcapa de acceso de

Fieldbus

Capa de Usuario

Capa Fsica

Capa de Enlace

"Stack"

Modelo OSI Foundation fieldbus

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7. EJEMPLOS DE APLICACIN

A continuacin se muestra el ejemplo de una red industrial de la unidad anterior en donde se utiliza el protocolo Foundation Fieldbus, con sus dos niveles (alta velocidad y baja velocidad), interconectando equipos distintos en una demostracin de integracin con un protocolo estndar.

Figura N 3: Red industrial con Protocolo

Foundation Fieldbus 8. AUTOCOMPROBACIN

1. El protocolo HART transmite su informacin dentro de una seal:

a) Solamente digital. b) Analgica de 4 a 20 mA. c) Compuesta (analgica y digital). d) Ninguna es cierta.

2. El nivel de bus del tipo Fieldbus, tiene como desventaja con respecto a los

niveles Sensorbus y Devicebus:

a) Tamao de los datos. b) Distancia mxima. c) Diagnstico. d) Tiempo de respuesta. e) Todas representan una ventaja.

Controller

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3. La capa del protocolo Foundation Fieldbus que no corresponde al modelo OSI es:

a) Capa Fsica. b) Capa de Usuario. c) Capa de Enlace. d) Todas corresponden.

9. SOLUCIONES

1. c) 2. d) 3. b)