apuntes sobre comunicaciones industriales

Curso 2º DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD/ELECTRÓNICA

C.I.F.P de Avilés

COMUNICACIONES INDUSTRIALES

Teoría

SCADA

Maquetado © Julián Antón Pérez (septiembre de 2014) Familia Profesional ELECTRICIDAD/ELECTRÓNICA

Versión del documento : v2.0

Documentos Alumnos

0.1 PRÓLOGO

El documento describe la parte teórica correspondiente, introduciendo al alumno en los conceptos fundamentales en cuanto a las comunicaciones industriales aplicables en los modernos sistemas de automatización, ejemplificándose en cada caso con el estudio de algunos de los estándares existentes.

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS 

Apuntes alumnos

El presente documento se elabora en el contexto de las clases impartidas en el Módulo Profesional de COMUNICACIONES INDUSTRIALES.

© Julián A.

2/2

Documentos Alumnos

0.1

PRÓLOGO ........................................................................ 2

0.2

ÍNDICE. ......................................................................... 3

CAPÍTULO 1 1.1

- PRINCIPIOS DE COMUNICACIÓN ...........................12

INTRODUCCIÓN ............................................................... 13 1.1.1

1.1.2

SISTEMAS DE CONTROL EN UNA COMUNICACIÓN INDUSTRIAL ............... 17 1.1.1.1

CENTRALIZADO ......................................................................................................................17

1.1.1.2

DISTRIBUIDO..........................................................................................................................18

EL MODELO DE INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS ABIERTOS – ISO/OSI: . 19 1.1.2.1

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS 

Apuntes alumnos

0.2 ÍNDICE.

1.1.3

© Julián A.

1.1.2.1.1

CAPA FÍSICA.................................................................................................................... 22

1.1.2.1.2

CAPA DE ENLACE DE DATOS...................................................................................... 22

1.1.2.1.3

CAPA DE RED. .................................................................................................................. 23

1.1.2.1.4

CAPA DE TRANSPORTE................................................................................................. 23

1.1.2.1.5

CAPA DE SESIÓN........................................................................................................... 23

1.1.2.1.6

CAPA DE PRESENTACIÓN............................................................................................ 23

1.1.2.1.7

CAPA DE APLICACIÓN. ................................................................................................. 23

SUPERVISIÓN, CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS: SCADA & HMI ......26 1.1.3.1

FUNCIONES ............................................................................................................................. 28

1.1.3.2

REQUISITOS .......................................................................................................................... 29

1.1.3.3

ESTRUCTURA Y COMPONENTES DE UN SCADA ...................................................... 29

1.1.3.4

1.1.4

FUNCIONES DE CADA CAPA DEL MODELO OSI:...................................................... 22

1.1.3.3.1

CONFIGURACIÓN:......................................................................................................... 29

1.1.3.3.2

INTERFAZ GRÁFICA: ................................................................................................... 29

1.1.3.3.3

MÓDULO DE PROCESO:................................................................................................ 30

1.1.3.3.4

GESTIÓN Y ARCHIVO DE DATOS: ........................................................................... 30

1.1.3.3.5

COMUNICACIONES:..................................................................................................... 30

SOFTWARE SCADA .............................................................................................................. 30

OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL)...........................................................................30 1.1.4.1

LA PREHISTORIA – WINDOWS 3.0 .............................................................................. 32

1.1.4.2

OLE 2.0 Y WINSEM............................................................................................................... 33

1.1.4.3

LOS PRINCIPIOS DE OPC ................................................................................................. 33

1.1.4.4

OPC LA VERSIÓN 1.0 ............................................................................................................ 34

1.1.4.5

FUNDACIÓN OPC................................................................................................................... 34

1.1.4.6

UN ÁMBITO MÁS AMPLIO PARA OPC........................................................................... 34

1.1.4.7

PRUEBA DE CONFORMIDAD.............................................................................................. 34

1.1.4.8

PROPÓSITO ............................................................................................................................. 35

1.1.4.9

ARQUITECTURA OPC CLIENTE/SERVIDOR ............................................................... 36

1.1.4.10

BASES DE OPC – OBJETOS E INTERFACES ............................................................. 37

3/3

Documentos Alumnos

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS 

Apuntes alumnos

1.1.5

1.1.6

1.1.4.11

ACCESO A DATOS OPC ...................................................................................................... 37

1.1.4.12

APLICACIONES OPC ........................................................................................................... 37

1.1.4.13

ARQUITECTURA GENERAL Y COMPONENTES ........................................................ 38

1.1.4.14

SERVIDORES LOCALES Y REMOTOS .......................................................................... 38

ENTORNO CIM (COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING) ......................39 1.1.5.1

BUS DE CAMPO........................................................................................................................ 39

1.1.5.2

NIVEL DE CAMPO Y PROCESO.......................................................................................... 40

1.1.5.3

NIVEL DE CONTROL............................................................................................................. 40

1.1.5.4

RED DE FACTORÍA ................................................................................................................ 40

1.1.5.5

RED DE PLANTA ..................................................................................................................... 40

1.1.5.6

RED DE CÉLULA ...................................................................................................................... 40

REDES INDUSTRIALES. HISTORIA Y NIVELES ...................................................43 1.1.6.1

RED INDUSTRIAL .................................................................................................................. 43

1.1.6.2

UN POCO DE HISTORIA..................................................................................................... 43

1.1.6.3

NORMALIZACIÓN ................................................................................................................ 44

1.1.6.4

NORMAS IEC FIELDBUS .................................................................................................... 44

1.1.6.5

ORGANIZACIONES INVOLUCRADAS EN ELABORAR NORMAS PARA REDES

INDUSTRIALES ...................................................................................................................................... 45 1.1.6.6

1.2

NIVELES DE LAS REDES INDUSTRIALES .................................................................. 46

CONCEPTOS GENERALES SOBRE COMUNICACIONES INDUSTRIALES. 47 1.2.1

COMPONENTES DE LA COMUNICACIÓN.................................................................47

1.2.2

CONSIDERACIONES INICIALES: ..............................................................................48

1.2.3

CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN: ................................................................................50

1.2.4

VELOCIDAD CON LA QUE SE ENVÍA LA INFORMACIÓN .................................. 51

1.2.5

PARTICULARIDADES DE LA COMUNICACIÓN ......................................................54

1.2.6

UNA APROXIMACIÓN CON APLICACIÓN INDUSTRIAL...................................57

1.2.7

FUNCIONES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL................58

1.2.8

TIPOS DE TRANSMISIONES SERIE .........................................................................59 1.2.8.1

TRANSMISIÓN SERIE ASÍNCRONA:........................................................................... 60

1.2.8.2

TRANSMISIÓN SERIE SÍNCRONA: ............................................................................. 62 No retorno a cero (NRZ, “Nonreturn to Zero”)............................................................................ 65

© Julián A.

1.2.8.2.1

No retorno a cero, invertido (NRZI, “Nonreturn to Zero, invert on ones”). ...... 66

1.2.8.2.2

Bifase ................................................................................................................................ 66

1.2.8.3

USB ............................................................................................................................................. 67

1.2.8.4

SINCRONISMOS. ................................................................................................................. 68 1.2.8.4.1

SINCRONISMO DE BIT............................................................................................... 69

1.2.8.4.2

SINCRONISMO DE CARÁCTER ................................................................................. 69

1.2.8.4.3

SINCRONISMO DE BLOQUE..................................................................................... 69

4/4

Documentos Alumnos

1.2.9

¿BANDA BASE O BANDA ANCHA? .............................................................................70

Apuntes alumnos

1.2.9.1

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS 

1.2.9.2

DECIBELIOS .............................................................................................................................71 1.2.9.1.1

Introducción ...................................................................................................................... 71

1.2.9.1.2

Definición de dB .............................................................................................................. 72

1.2.9.1.3

¿Qué significa dBm? ....................................................................................................... 73

1.2.9.1.4

Diferencia entre los decibelios de tensión y de potencia....................................... 73

1.2.9.1.5

Niveles de referencia..................................................................................................... 74

1.2.9.1.6

Atenuación y ganancia .................................................................................................... 76

1.2.9.1.7

Ejemplos de uso ............................................................................................................... 78

1.2.9.1.8

Relación señal a ruido (S/N) ......................................................................................... 78

1.2.9.1.9

Tablas de conversión entre dB y valores lineales ..................................................... 79

1.2.9.1.10

Nivel de Presión Sonora ............................................................................................... 79

1.2.9.1.11

Precisión, posiciones decimales ................................................................................... 83

ANCHO DE BANDA ............................................................................................................... 83 1.2.9.2.1

Problemas de transmisión .............................................................................................. 84

1.2.9.2.2

Ancho de banda de una señal........................................................................................ 85

1.2.9.2.3

Ancho de banda del medio físico. ................................................................................ 87

1.2.10 INTERFERENCIAS Y RUIDO ELECTROMAGNÉTICO: ...........................................97 1.2.10.1

PARÁMETROS DE UNA LÍNEA ELÉCTRICA DE COBRE ......................................... 99 1.2.10.1.1

1.2.11

© Julián A.

TIPOS DE CABLES DE COMUNICACIONES:........................................................100

1.2.10.2

PARÁMETROS DE LA FIBRA ÓPTICA........................................................................ 102

1.2.10.3

COMUNICACIÓN BALANCEADA VS COMUNICACIÓN NO BALANCEADA 106

1.2.10.4

BLINDAJE Y APANTALLADO ....................................................................................... 108

CÓDIGOS DE DETECCIÓN Y/O CORRECCIÓN DE ERRORES ............................ 109 1.2.11.1

MÉTODO DE PARIDAD SIMPLE .....................................................................................110

1.2.11.2

CÓDIGOS DE HAMMING. .................................................................................................111 1.2.11.2.1

MÍNIMA DISTANCIA DEL CÓDIGO. ..................................................................... 113

1.2.11.2.2

EJEMPLO HAMMMING (DISTANCIA 3). ............................................................. 114

1.2.11.2.3

OTROS EJEMPLOS HAMMING: .............................................................................. 116

1.2.11.3

MÉTODO DE PARIDAD LONGITUDINAL Y VERTICAL: (LRC) Y (VRC):.........118

1.2.11.4

MÉTODO DE SUMA DE COMPROBACIÓN - CHECKSUM..................................... 120

1.2.11.5

MÉTODO DE COMPROBACIÓN DE REDUNDANCIA CÍCLICA - CRC: ..............121

1.2.11.6

ESTRATEGIAS ANTE LA PRESENCIA DE ERRORES............................................ 129 1.2.11.6.1

LOS SISTEMAS DE CORRECCIÓN HACIA ADELANTE.....................................130

1.2.11.6.2

LOS SISTEMAS DE CORRECCIÓN HACIA A ATRÁS........................................130

1.2.11.7

RECUPERACIÓN ANTE FALLOS ................................................................................... 132

1.2.11.8

UTILIZACIÓN DE LOS MÉTODOS DE DETECCIÓN DE ERRORES ................ 133 1.2.11.8.1

RS232..............................................................................................................................133

1.2.11.8.2

AS-INTERFACE ...........................................................................................................133

1.2.11.8.3

PROFIBUS .....................................................................................................................133

1.2.11.8.4

MODBUS ........................................................................................................................135

5/5

Documentos Alumnos 1.2.11.8.5

1.3

COMUNICACIONES – ESTÁNDARES DE CAPA FÍSICA. ................. 139 1.3.1

NORMAS DE INTERFAZ DE LA CAPA FÍSICA ...................................................... 139

Apuntes alumnos

1.3.1.1

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS 

1.3.2

NORMALIZACIÓN ............................................................................................................... 139 1.3.1.1.1

MECÁNICAS ....................................................................................................................139

1.3.1.1.2

ELÉCTRICAS ...................................................................................................................139

1.3.1.1.3

FUNCIONALES...............................................................................................................140

ESTANDAR EIA - RS232.............................................................................................. 140 1.3.2.1

INTRODUCCIÓN: RS232/EIA 232 ............................................................................... 140

1.3.2.2

ESPECIFICACIONES MECÁNICAS - EL CONECTOR RS232 .............................. 142

1.3.2.3

ESPECIFICACIONES ELÉCTRICAS .............................................................................. 142

1.3.2.4

ESPECIFICACIONES FUNCIONALES ......................................................................... 143 1.3.2.4.1

1.3.2.5

1.3.2.6

SEÑALES DE DATOS DEL CANAL PRINCIPAL: ....................................................144

CONTROL DE FLUJO. ........................................................................................................ 144 1.3.2.5.1

CONTROL DE FLUJO HARDWARE ...........................................................................144

1.3.2.5.2

CONTROL DE FLUJO SOFTWARE ...........................................................................148

TIPO DE CABLES Y CONEXIONADO RS232 ............................................................ 149 1.3.2.6.1

CABLE DTE (PC) CON DCE (módem):.........................................................................149

1.3.2.6.2

CABLE NULL MODEM (PC-PC) SIN CONTROL DE FLUJO HARDWARE: ........150

1.3.2.6.3

CABLE NULL MÓDEM (PC-PC) CON CONTROL DE FLUJO HARDWARE:........150

1.3.2.6.4

CABLE NULL MÓDEM (PC-PC) MIXTO 1: ................................................................ 151

1.3.2.6.5

CABLE NULL MÓDEM (PC-PC) MIXTO 2:................................................................152

1.3.2.6.6

CABLE LOOPBACK.........................................................................................................152

1.3.3

ESTANDARES EIA RS 449, RS 422 Y RS 485 (ISO 8482) ................................ 153

1.3.4

ESTANDÁR EIA RS - 422 ............................................................................................ 154

1.3.5

ESTÁNDAR EIA RS 485 ............................................................................................... 156 1.3.5.1

CONSIDERACIONES DE VELOCIDAD EN RS 485. ................................................. 157

1.3.5.2

CONEXIONADO DE REDES EN RS 485..................................................................... 158 1.3.5.2.1

CONEXIÓN A 2 HILOS. ..............................................................................................158

1.3.5.2.2

CONEXIÓN A 4 HILOS. .............................................................................................159

1.3.5.3

CONTROL TRIESTADO EN DRIVER RS-485 ............................................................ 160

1.3.5.4

TERMINADORES ................................................................................................................. 162

1.3.5.5

RESISTENCIAS DE POLARIZACIÓN (BIAS)........................................................... 163

1.3.5.6

EJEMPLO CONEXIONADO S7-200 Y MICROMASTER - RS-485...................... 164

1.3.5.7

EJEMPLOS RS-485: RED MULTIPUNTO: ................................................................... 166 1.3.5.7.1

1.3.6

EQUIPOS DE REFRIGERACIÓN EN SUPERFICIE COMERCIAL: ......................167

CONVERSIÓN ENTRE NORMAS FÍSICAS. ............................................................ 169 1.3.6.1

CONVERSOR RS-232 / RS-485 (PC / PLC S7-200) .................................................. 169 1.3.6.1.1

1.3.6.2 © Julián A.

ETHERNET ....................................................................................................................136

ESQUEMA DE UN ADAPTADOR RS-232/PPI ALTERNATIVO...........................172

CONVERSORES GENÉRICOS RS-232 / RS-485....................................................... 173

6/6

Documentos Alumnos

1.3.7

1.4

CIRCUITOS INTEGRADOS PARA CONVERSIÓN. .................................................. 174 1.3.6.3.1

EL CIRCUITO INTEGRADO MAX232. .....................................................................175

1.3.6.3.2

EL CIRCUITO INTEGRADO SN75176A. .................................................................175

1.3.6.3.3

EL CIRCUITO INTEGRADO MAX3162....................................................................175

COMPARACIÓN ENTRE NORMAS. ............................................................................ 177

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN ....................................... 180 1.4.1

INTRODUCCIÓN. ........................................................................................................... 180

1.4.2

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN. DEFINICIÓN Y EJEMPLOS .................. 180

1.4.3

PROTOCOLOS DE CONTROL DEL ENLACE DE DATOS ....................................... 183 1.4.3.1

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS 

Apuntes alumnos

1.3.6.3

1.4.4

SINCRONIZACIÓN DE TRAMA Y TRANSPARENCIA............................................ 183 1.4.3.1.1

MÉTODO DE PRINCIPIO Y FIN.................................................................................184

1.4.3.1.2

MÉTODO DE PRINCIPIO Y CUENTA .......................................................................184

PROTOCOLOS PARA COORDINACIÓN DE LA COMUNICACIÓN..................... 184 1.4.4.1

MÉTODOS CENTRALIZADOS......................................................................................... 185 1.4.4.1.1

1.4.4.2

MÉTODOS DISTRIBUIDOS............................................................................................ 185 1.4.4.2.1

1.4.4.3

1.4.5

MÉTODO DE SONDEO (POLLING)............................................................................185

PASO DE TESTIGO (TOKEN).....................................................................................186

MÉTODOS DE CONTIENDA............................................................................................ 189 1.4.4.3.1

CSMA/CD vs CSMA/CA................................................................................................189

1.4.4.3.2

ALOHA PURO.................................................................................................................194

1.4.4.3.3

ALOHA RANURADO (SLOTTER ALOHA) ...............................................................194

PROTOCOLOS SOPORTADOS POR EL PLC S7-200:.............................................. 194 1.4.5.1

PROTOCOLO PPI................................................................................................................... 195

1.4.5.2

PROTOCOLO MPI................................................................................................................. 196

1.4.5.3

PROTOCOLO PROFIBUS ................................................................................................... 196

1.4.5.4

PROTOCOLO USS ................................................................................................................ 198 1.4.5.4.1

Las características principales del protocolo USS son:.........................................199

1.4.5.4.2

Especificación del protocolo........................................................................................199

1.4.5.4.3

Configurar un accionamiento MicroMaster 4 para ser utilizado en RS-485

(ejemplificado para el protocolo USS) ......................................................................................... 200

1.4.6

© Julián A.

1.4.5.5

PROTOCOLOS DEFINIDOS POR EL USUARIO (FREEPORT) ..............................202

1.4.5.6

ESTÁNDAR IEEE 802.3 (ETHERNET)..........................................................................202

EL PROTOCOLO MODBUS ........................................................................................... 203 1.4.6.1

DIRECCIONAMIENTO MODBUS ...................................................................................203

1.4.6.2

DIRECCIONAMIENTO MODBUS S7-200 ..................................................................204

1.4.6.3

FUNCIONES MODBUS ......................................................................................................205

1.4.6.4

SINCRONIZACIÓN Y ESTRATEGIAS DE INTERROGACIÓN (POLLING) ....205

1.4.6.5

EJEMPLOS .............................................................................................................................206 1.4.6.5.1

READ COIL STATUS (FUNCTION CODE FC = 01)............................................... 206

1.4.6.5.2

READ INPUT STATE (FC = 02)................................................................................. 207

7/7

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS 

Apuntes alumnos

Documentos Alumnos

1.4.6.6

1.4.6.7

CAPÍTULO 2 2.1

1.4.6.5.3

LEER REGISTROS DE MEMORIA (FC = 03) .......................................................... 208

1.4.6.5.4

LEER REGISTROS DE ENTRADAS ANALÓGICAS (FC = 04)............................ 209

1.4.6.5.5

FUERZA SINGLE COIL (FC = 05)..............................................................................210

1.4.6.5.6

PREDETERMINAR REGISTRO ÚNICO (FC = 06) ..................................................210

1.4.6.5.7

FORZAR BOBINAS MÚLTIPLES (FC = 15) .............................................................210

1.4.6.5.8

PREDEFINIDOS DE MÚLTIPLES REGISTROS (FC = 16).................................... 211

MODBUS ASCII VS MODBUS RTU .............................................................................. 212 1.4.6.6.1

DELIMITACIÓN MENSAJE.......................................................................................212

1.4.6.6.2

BYTE TAMAÑO .............................................................................................................212

1.4.6.6.3

DIVIDIR BYTES DE DATOS......................................................................................212

1.4.6.6.4

ERROR DE SUMA DE COMPROBACIÓN – CÁLCULO DEL LRC ...........................213

1.4.6.6.5

ASCII vs RTU EJEMPLO:............................................................................................213

MODBUS TCP / IP ............................................................................................................... 214 1.4.6.7.1

TCP / IP............................................................................................................................214

1.4.6.7.2

MODBS RTU SOBRE TCP ............................................................................................214

1.4.6.7.3

ADU y PDU......................................................................................................................214

1.4.6.7.4

MBAP HEADER...............................................................................................................215

1.4.6.7.5

RESUMEN .......................................................................................................................215

– REDES DE ÁREA LOCAL (L.A.N) ............................ 217

INTRODUCCIÓN ............................................................. 218 2.1.1

CONSIDERACIONES INICIALES ............................................................................. 218

2.1.2

TOPOLOGÍAS .................................................................................................................. 219

2.1.3

TOPOLOGÍA EN BUS Y EN ÁRBOL............................................................................ 219

2.1.4

TOPOLOGÍA EN ESTRELLA......................................................................................... 221

2.1.5

TOPOLOGÍA EN ANILLO ............................................................................................ 222

2.1.6

OTRAS TOPOLOGÍAS. TOPOLOGÍA FÍSICA Y TOPOLOGÍA LÓGICA.......... 224

2.1.7

ESTÁNDARES EN REDES DE ÁREA LOCAL ........................................................... 226

2.2

CABLES Y CABLEADO ESTRUCTURADO ................................... 228

2.3

FIBRA ÓPTICA............................................................... 229 2.3.1

2.4

TIPOS DE CONECTORES PARA FIBRAS ÓPTICAS ............................................. 233

TÉCNICAS DE ACCESO AL MEDIO EN REDES LAN...................... 235 2.4.1

CENTRALIZADO: SONDEO ........................................................................................ 235

2.4.2

DISTRIBUIDO: COLISIONES................................................................................... 236

2.4.3

2.4.2.1

DETECCIÓN POR COLISIÓN..........................................................................................236

2.4.2.2

ALOHA PURO........................................................................................................................239

2.4.2.3

ALOHA RASURADO (SLOTTER ALOHA) ...................................................................239

DISTRIBUIDO: PASO DE TESTIGO........................................................................ 239 2.4.3.1

© Julián A.

TESTIGO EN ANILLO (TOKEN RING) ........................................................................240

8/8

Documentos Alumnos

2.4.3.2

2.5

ESTÁNDAR ETHERNET: IEEE 802.3 ...................................... 242 2.5.1

ACCESO AL MEDIO MAC. TRAMA EHTERNET ..................................................... 244 2.5.1.1

2.5.2

Apuntes alumnos

TESTIGO EN BUS (TOKEN BUS).................................................................................. 241

DIRECCIONES MAC (DIRECCIONES FÍSICAS) .................................................. 247 2.5.2.1

2.5.3

FORMATO DE LA TRAMA DE ETHERNET ..................................................................246

INFLUENCIA DEL MEDIO DE TRANSMISIÓN: 10BASE Y 100BASE .............248

PROTOCOLOS MÁS COMUNES EN LAS REDES LAN ......................................... 257 2.5.3.1

NETBEUI ................................................................................................................................258

2.5.3.2

IPX/SPX .................................................................................................................................259

2.5.3.3

TCP/IP .....................................................................................................................................260

AUTOM ATIZACIÓN INDUSTRIALS 

2.5.3.3.1

Características de TCP/IP.......................................................................................... 260

2.5.3.4

DESCOMPOSICIÓN EN NIVELES DE TCP/IP..........................................................260

2.5.3.5

DIRECCIONES IP ............................................................................................................... 261

2.5.3.6

FORMATO DEL DATAGRAMA IP (CAPA INTERNET DEL MODELO TCP/IP): 264

2.5.3.7

FORMATO DEL SEGMENTO TCP (CAPA TRANSPORTE DEL MODELO TCP/IP): 266

2.5.4

DIRECCIONAMIENTO IP V4 . CLASES DE RED ................................................... 268 2.5.4.1

LAS DIRECCIONES DE CLASE A...................................................................................269

2.5.4.2

LAS DIRECCIONES DE CLASE B ..................................................................................269

2.5.4.3

LAS DIRECCIONES DE CLASE C ..................................................................................270

2.5.4.4

LAS DIRECCIONES DE CLASE D Y CLASE E............................................................270

2.5.4.5

DIRECCIONES DE RED RESERVADAS........................................................................ 271 2.5.4.5.1

2.5.4.6

Direcciones reservada para redes privadas.............................................................271

MÁSCARAS DE SUBRED - HACIENDO SUBREDES DE UNA RED

CUALQUIERA. ........................................................................................................................................272 2.5.4.7

© Julián A.

EJEMPLOS RESUELTOS: .................................................................................................275 2.5.4.7.1

Ejemplo 1: Diseño de subredes de clase B............................................................... 275

2.5.4.7.2

Ejemplo 2: Diseño de subredes de clase C.............................................................. 275

2.5.4.7.3

Ejemplo 3: Diseño de subredes de clase B. ............................................................ 276

2.5.4.7.4

Ejemplo 4 ....................................................................................................................... 276

2.5.4.7.5

Ejemplo 5. Problemas con subredes y visibilidad de recursos compartidos entre

equipos.

277

2.5.4.7.6

Ejemplo6: Ejemplos de preguntas tipo Test al respecto ..................................... 277

2.5.4.8

ASIGNACIÓN DE DIRECCIONES IP ..........................................................................278

2.5.4.9

PUERTAS DE ENLACE PREDETERMINADAS............................................................279

2.5.4.10

SERVIDORES DNS ...........................................................................................................280

2.5.4.11

ÓRDEN PING .......................................................................................................................282

9/9

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2.5.4.12

UTILIZACIÓN DE PING PARA DIAGNOSTICAR ERRORES EN UNA RED

Apuntes alumnos

AISLADA 283 2.5.4.13

UTILIZACIÓN DE PING PARA DIAGNOSTICAR ERRORES EN UNA RED DE

REDES

283

2.5.4.14

ORDEN TRACERT ..............................................................................................................284

2.5.4.15

MENSAJES ICMP DE TIEMPO EXCEDIDO .............................................................285

2.5.4.16

RELACIÓN ENTRE DIRECCIONES IP Y DIRECCIONES FÍSICAS (MAC)...286

2.5.4.17

PROBLEMAS CON EL NÚMERO DE DIRECCIONES IP DISPONIBLES. IPV6 286

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2.5.4.18

INTRANET ..........................................................................................................................287

2.5.5

4.7.- INTERCONEXIÓN DE REDES .......................................................................... 287

2.5.6

4.7.1.- CONCENTRADORES O HUB ........................................................................... 289 2.5.6.1

2.5.7

SWITCH..................................................................................................................................290 2.5.6.1.1

Interconexión de conmutadores y puentes.............................................................. 290

2.5.6.1.2

Introducción al funcionamiento de los conmutadores........................................... 290

BUCLES DE RED E INUNDACIONES DE TRÁFICO .............................................. 291 2.5.7.1

ATENDIENDO AL MÉTODO DE DIRECCIONAMIENTO DE LAS TRAMAS

UTILIZADAS.......................................................................................................................................... 291 2.5.7.1.1

Store-and-Forward........................................................................................................291

2.5.7.1.2

Cut-Through ...................................................................................................................291

2.5.7.1.3

Adaptative Cut-Through ..............................................................................................291

2.5.7.2

SWITCH - PROTOCOLO DE SPANNING TREE (ÁRBOL DE EXTENSIÓN). ..293

2.5.7.3

DIFERENCIAS ENTRE UN HUB Y UN SWITCH......................................................293

2.5.7.4

DETALLES DEL SWITCH 24 PORT FAST ETHERNET DEL AULA C204:........294

2.5.7.5

ROUTERS O ENCAMINADORES ...................................................................................294 2.5.7.5.1

Características del protocolo de enrutamiento por vector – distancia............. 297

2.5.7.5.2

Características del protocolo de enrutamiento de estado del enlace............... 297

2.5.7.5.3

Protocolo RIP (Routing Information Protocol)....................................................... 298

2.5.7.6

EJEMPLO DE FUNCIONAMIENTO DE ROUTERS ..................................................298

2.5.7.7

EJERCICIO ENRUTAMIENTO IP ................................................................................. 301

2.5.7.8

EJEMPLO ENRUTAMIENTO IP (PACKET TRACER 4) ............................................305

2.5.8

APERTURA DE PUERTOS EN UN ROUTER NAT .....................................................311

2.5.9

PUENTES O BRIDGES ................................................................................................... 312

2.5.10 GATEWAY ......................................................................................................................... 314 2.5.11 REDES VIRTUALES - VLANS ...................................................................................... 315

© Julián A.

2.5.11.1

SEGMENTACIÓN. .............................................................................................................. 316

2.5.11.2

TIPOS DE VLAN ................................................................................................................. 316 2.5.11.2.1

VLAN Por puerto ..........................................................................................................316

2.5.11.2.2

VLAN Por dirección MAC ...........................................................................................317

10/10

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Apuntes alumnos

Documentos Alumnos 2.5.11.2.3

VLAN Por protocolo.....................................................................................................317

2.5.11.2.4

VLAN Por direcciones IP............................................................................................318

2.5.11.2.5

VLAN Por nombre de usuario ....................................................................................318

2.5.11.3

4.7.7 - TÚNELES ................................................................................................................ 318

2.5.11.4

UTILIDADES E INFORMACIÓN ÚTIL RELATIVA A LOS SERVICIOS DE

INTERNET ............................................................................................................................................... 319

2.6

2.5.11.4.1

INFORMACIÓN RELATIVA A UN DOMINIO DE INTERNET.........................319

2.5.11.4.2

INFORMACIÓN RELATIVA AL SERVICIO DE INTERNET CONTRATADO 321

INSTALACIÓN DE UNA LAN (RED DE ÁREA LOCAL).................... 325 2.6.1

REALIZACIÓN DE UN LATIGUILLO PARA REDES ETHERNET....................... 328

2.6.2

CABLES DE DATOS Y CABLES DE FUERZA: .......................................................... 329

2.6.3

CABLE RECTO (PARALELO)......................................................................................... 330

2.6.4

CONFIGURACIÓN DE EQUIPOS EN RED - WINDOWS XP .............................. 333

2.6.5

2.6.4.1

EQUIPOS CON WINDOWS XP, CONFIGURACIÓN ESTÁTICA........................333

2.6.4.2

EQUIPOS CON WINDOWS XP, CONFIGURACIÓN DINÁMICA......................336

COMPARTIR RECURSOS ENTRE EQUIPOS DE LA RED. .................................... 336 2.6.5.1

COMPARTIR CARPETAS....................................................................................................337

2.6.5.2

COMPARTIR IMPRESORAS.............................................................................................338

2.7

REGLAS DE INSTALACION DE CABLEADO CATEGORIA 5E Y 6........ 340

2.8

INTRODUCCIÓN A INDUSTRIAL ETHENRET ............................ 341 2.8.1

PROFINET: ...................................................................................................................... 345

2.9

ANEXO: RS232 – DETALLE MARCACIÓN-LLAMADA-LIBERACIÓN. ... 351

2.10

TABLA DE ILUSTRACIONES ............................................... 354

2.11

LISTADO DE TABLAS ....................................................... 359

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CAPÍTULO 1 - PRINCIPIOS DE COMUNICACIÓN

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1.1 INTRODUCCIÓN La automatización de los procesos de producción industriales posibilita la mejora en el rendimiento productivo de la misma, reduciendo costes y mejorando la calidad final del producto. La automatización industrial actual ya no se basa en la mera inclusión de autómatas programables (PLC’s) para el control individual de cada una de las tareas en las que se divide la línea de producción de una fábrica, sino que en la actualidad, las comunicaciones industriales posibilitan al interconexión de cada uno de estos PLC’s individuales a un sistema maestro de control (PLC maestro), y a su vez a un sistema superior de supervisión (PC’s de supervisión), con los que los distintos departamentos (Ingeniería de Producción, planificación, dirección/gerencia, etc.) pueden conocer de primera mano y en tiempo real el estado del proceso productivo, posibilitándose la modificación de parámetros (ritmos de funcionamiento), arranque y parada de partes del proceso, o toma de datos sobre el estado del mismo.

Ejemplo bus AS-i. Cilindos, finales de carrera, sensores, etc, cableados con sólo 2 hilos (cable amarillo) a un PLC central.

Figura 1-1 : Sección de botellas vacías de Bier Schneider, Dortmund, calbleado mediante bus ASi

Ya no se trata por tanto de tener cada proceso gobernado de forma aislada y cerrada, sino que mediante la inclusión de buses de sensores/actuadores (que permiten llevar mediante un solo bus todo el cableado de entradas y salidas de cada PLC, en lugar de hacerlo mediante el tradicional mazo de cables, como es el caso del bus AS-Interface), o mediante buses de campo o buses de controladores (que permiten la interconexión de cada uno de estos PLC’s individuales entre sí, y estos a su vez a un hipotético PLC central- como es el caso de PROFIBUS o más recientemente Ethernet Industrial ), podemos tener un gobierno global del proceso productivo.

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Figura 1-2 : Mazo de cables vs Bus de sensores/actuadores

Asimismo, un PC (o una red de equipos informáticos) conectado a dicho bus de campo, o bus de controladores; o bien conectado al hipotético PLC maestro (si lo hubiere), posibilita las tareas de Supervisión (Visualización), Control y adquisición de datos (SCADA) del total del proceso productivo en tiempo real.

Figura 1-3 : Esquema general automatización

Con todo esto, situamos a las comunicaciones industriales en un lugar destacado, dentro del proceso de producción, y con ello, se hace cada vez más necesario formar a trabajadores cualificados en este tipo de tecnologías. Con este texto pretendemos dar una visión general de los mecanismos que tienen lugar en cada parte del proceso descrito, así como formar en el uso y funcionamiento de algunos de los sistemas de interconexión de equipos industriales más utilizados en la actualidad. Asimismo, veremos como la solución tradicional de automatización de un proceso mediante un PLC cuyas entradas y salidas se cableaban mediante un “mazo de clables”, van siendo progresivamente sustituidas por redes de sensores actuadores en las que se sablean todas las entradas y salidas que debe manejar un PLC mediante un simple par de cables (tal y como sucede con el bus de actuadores / sensores denominado Bus AS-Interface o bus Asi)

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M1

M2

M3

C1 C2

C3

Maestro

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C4

Con AS-Interface

Con mazo de cables

Figura 1-4 : Mazo de cables vs AS-Interface

Con dicho bus (AS-Interface en este ejemplo), los distintos sensores pueden comunicarse con el controlador principal de forma que informen del estado de sus entradas/salidas, así como del valor de las posibles variables analógicas. El controlador principal elaborará les señales de control en función de la información recabada, y enviará las órdenes oportunas de nuevo a los actuadotes para que refresquen su estado. Existen buses multimaestro y buses monomaestro, en función del número de “maestros” (controladores principales) existentes en el bus. En una solución monomaestro por ejemplo, existirá un único controlador principal (maestro), siendo el resto de participantes “escalvos” del mismo. Ëstos dispositivos “esclavos” se comunican con el controlador principal (maestro), cuando éste lo solicita. La petición que realiza el controlador principlal (maestro) posibilita que los esclavos puedan “acceder al medio” de comunicación. Una de las forma de hacerlo (una de las técnicas de acceso al medio habituales) se denomina pooling, que consiste en la realización de consultas sucesivas por el propio maestro, que va “preguntando” a cada uno de los esclavos de forma secuencial (cíclica) por el estado de sus entradas/salidas. De todo ello hablaremos más adelante en este mismo texto.

La estructura de red puede elegirse libremente...

Estrella

Linea

Rama

Arbol

Controlador

Controlador

Controlador

Controlador

estro Maestro

aestro Maestro

aestro Maestro

aestro Maestro Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Figura 1-5 : Topologías AS-Interface © Julián A.

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Asimismo, en este texto vamos a estudiar las distintas formas que existen hoy día para llevar a cavo este tipo de automatización distribuida (buses de actuadores sensores, buses de campo, redes informáticas y software SCADA, y concetos asociados).

¡Error!

Figura 1-6 : Diferencias: Bus sensor actuador / Bus de campo

La justificación final de todo esto es permitir entre otros beneficios una mayor capacidad de producción. Por ejemplo, incorporando un sistema de comunicaciones integrado, una empresa puede obtener obtener una serie de beneficios, como pueden ser:      

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La reducción de costes de producción. La mejora de la calidad. La mejora de la productividad. La reducción del almacenaje. La mejora de la efectividad de sus sistemas. La reducción de los costes de mantenimiento.

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Para conseguir estos objetivos los sistemas de comunicaciones industriales permiten hoy día:

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 Comunicaciones que enlacen la planta de producción con la de gestión e ingeniería de la empresa, donde se controla y supervisa el proceso de producción.  La integración de las bases de datos de la empresa (producción, pedidos, alma-cén, etc.).  La posibilidad de compartir e integar: o Software: De GESTIÓN: Textos, hojas de cálculo, bases de datos y en general sistemas ERP (por sus siglas en inglés, Enterprise Resource Planning), que son las siglas con las que se denominan los sistemas de información gerenciales que integran y manejan muchos de los negocios asociados con las operaciones de producción y de los aspectos de distribución de una compañía en la producción de bienes o servicios.etc De DISEÑO: CAD/CAE. De PRODUCCIÓN: programación de PLC’s, robots, CNC, etc. o Hardware: Tanto de oficina (impresoras, digitalizadotas, etc), como de producción (PLC’s, robots etc). Al implantar un sistema de comunicaciones se pueden conseguir ventajas como:  Tras una orden de fabricación, todos los elementos de un sistema, proceso o planta reciben de forma simultánea la información.  Permitir centralizar las señales de alarma de cada componente del proceso.  Permitir el control de la producción, ya que todos los equipos de la planta pueden enviar información a otro sistema que almacenará y procesará dicha información. Hoy en día, existen multitud de configuraciones de empresas (empresas con un único edificio, con varios edificios anexos o con varios edificios repartidos en diferentes poblaciones, países o continentes). Es por esta razón por la que podemos encontrar sistemas:  SIMPLES: Comunicación dentro de una misma planta, a través de cableado eléctrico.  COMPLEJOS: Comunicación entre diferentes plantas, a través de líneas telefónicas o satélites. 1.1.1 SISTEMAS DE CONTROL EN UNA COMUNICACIÓN INDUSTRIAL Dependiendo de la complejidad del sistema o de los componentes que intervienen en la red de comunicación, podemos clasificar el tipo de control en:  SISTEMA CENTRALIZADO. Es cuando el control se realiza sobre un solo sistema, mediante un único controlador que no debe en general coordinarse con ningún otro.  SISTEMA DISTRIBUIDO. Cuando el control se realiza sobre varios sistemas, a través de diferentes controladores que se coordinan entre sí y por tanto se comunican el estado de ejecución en el que se encuentren utilizando conexiones mediante buses oo redes industriales. Las principales características de estos dos sistemas son: 1.1.1.1 CENTRALIZADO  Sólo hay un único controlador, por lo que es en general fácil de mantener.  Es efectivo mientras el sistema no sea excesivamente grande ni complejo.  Al existir un único controlador, no existen problemas de compatibilidad.  Si el controlador falla, todo se detiene. © Julián A.

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Figura 1-7: Sistema de control centralizado

1.1.1.2 DISTRIBUIDO  Para sistemas grandes o complejos.  La responsabilidad es repartida entre diferentes controladores.  Todos los controladores deben de comunicarse a través de una red.  Su capacidad tiende a ser superior a un sistema centralizado.  Se caracteriza por ser un sistema más flexible que el centralizado.  Se pueden hacer ampliaciones con otros controladores. Cuando éstos están programados y con un funcionamiento correcto, entonces se integra en la red de comunicaciones de los demás controladores.  Se puede partir de un sistema básico e ir ampliando a medida que el sistema lo exija, añadiendo módulos u otros controladores.  Permite la integración de dispositivos de diferentes fabricantes comunicables entre sí.

Figura 1-8 : Sistema de control distribuido © Julián A.

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1.1.2 EL MODELO DE INTERCONEXIÓN DE SISTEMAS ABIERTOS – ISO/OSI: Es habitual comenzar el estudio de los sistemas de comunicación actuales mediante la introducción del estandar de interconexión de sistemas abiertos (Open Systems Interconnection OSI). El modelo OSI está basado en la propuesta desarrollada por la International Organization for Standardization (ISO), y constituye un primer paso hacia la normalización internacional tanto de la forma de realizar las comunicaciones entre equipos, como en la estandarización de protocolos de comunicación. Aunque éste no es el modelo adoptado globalmente en Internet (cuyo dominio lo tiene el modelo TCP/IP) su interés es grande dado que constituye un marco de referencia fundamental para los diseñadores de equipos.

Figura 1-9 : Esquema de comunicación entre 2 computadoras a través de una red

Es innumerable la cantidad de formas diferentes de concebir una red de datos, así como de establecer un diálogo entre procesadores de comunicación (tarjetas de comunicación). Unido ello al interés de interconectar entre sí equipos de diferentes fabricantes provocó la necesidad de definir el intercambio de información entre los componentes de un sistema informático con el objeto de establecer un conjunto de normas que les permitiesen cooperar. Esto motivo la creación de un conjunto de normas que deberían cumplir todos aquellos equipos que pretendieran comunicarse con otros de forma abierta. Veamos el funcionamiento de la arquitectura OSI. Supongamos que trabajamos en una empresa que consta de dos edificios. Supongamos que cada edificio de la empresa consta de siete plantas, y supongamos también que queremos enviar un mensaje desde la séptima planta de un edificio a la séptima planta del otro edificio.

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Figura 1-10 : Arquitectura OSI.

El paquete a enviar parte de la PLANTA 7- EDIFICIO A y tiene que llegar a la PLANTA 7EDIFICO B, y en su camino el paquete tiene que pasar por todas las plantas (hacia abajo para salir del edificio A, y hacia arriba para llegar luego a la planta 7 del edificio B). En su proceso de envío (bajada del paquete desde la planta 7 del edifico A), el paquete viaja de arriba hacia abajo de planta en planta. Supongamos que al bajar de una planta a la siguiente el paquete original se introduce dentro de otro paquete, al que se le “añaden” otros datos por parte de cada planta (asimilémoslo como “sellos” o “firmas” realizadas por los responsables de cada una de las plantas que verifican y registran el paso del paquete en su camino). Ëste proceso se denomina “encapsulación”, de forma que al final el paquete llega a la planta siguiente con información “extra” propia de la planta anterior. Al llegar a la última planta, el paquete original viene contenido dentro de otros 6 paquetes (uno por cada planta por las que ha pasado), de forma que finalmente puede ser transportado por el “cartero” que transporta el paquete a su destino (el edificio B). En su proceso de refección (subida del paquete desde la planta 1 a la 7 del edificio B), el paquete viaja hacia arriba de planta en planta en proceso inverso al descrito. Al subir de una planta a la siguiente, los responsables de planta del edificio B “desencapsulan” (desempaquetan) progresivamente el paquete, y verifican los datos de registro incluidos por los responsables de planta homólogos del edificio emisor, eliminando por tanto la información “extra” que únicamente sirve para verificación interna dentro de cada planta intermedia. El paquete original finalmente llega a la planta 7 del edificio B tras pasar todas las pruebas realizadas por las plantas anteriores. De esta forma, como vemos, al paquete original se le han ido agregando informaciones en su emisión, y se le han ido eliminando dichas informaciones en su recepción. En todo el proceso, cada planta desconoce, y ni siquiersa sabe interpretar la información que va o viene de plantas anteriores o posteriores a la suya (ya que no llega a verificar más que el paquete que le © Julián A.

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corresponde, y no los que vengan encapsulados dentro), pasando la información final contenida a las plantas siguientes. Cada una de las capas realiza un cometido, y por tanto emite o recibe datos según un orden y un significado concreto (es decir, utiliza un protocolo concreto).

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Pero, ¿qué función tienen cada una de las 7 plantas anteriores en este ejemplo?. De eso es precisamente de lo que habla el estandar de interconexión de sistemas abiertos (OSI). Cada una de las planta tiene una labor específica y muy concreta que realizar, de forma que si todos los fabricantes diseñan sus sistemas mediante esta estructura de funciones (o capas) de 7 niveles, dentro de las cuales cada capa realiza funciones identicas, el proceso de comunicación será finalmente copatible y estandar. Así por ejemplo, alguna de las plantas (o capas) se encarga en la emisión (la capa 1 denominada capa “física” y que corresponde con la capa inferior “a nivel del suelo”). Otras (como por ejemplo la capa 3 o capa denominada “capa de Red”), se encargan de “fragmentar” el paquete que le llega de una capa anterior, en paquetes más pequeños de tamaño manejable que enumera para facilitar que su capa “homologa” no se equivoque en la reconstrucción, de forma que todos los paquetes enviados tengan finalmente el mismo tamaño, independientemente del tamaño de paquete original. Como se ha indicado, esta misma planta sería la encargada, en la recepción, de reensamblar los paquetes en su orden adecuado, incluso solicitar aquellos que falten o que detecte que no han llegado. Asimismo, alguna de las plantas en la encargada, en la emisión, de añadir a cada paquete cierta información que luego en recepción pueda servir para detectar si se producen errores de comunicación.

Figura 1-11 : Encapsulamiento de datos I

La necesidad de fragmentar los paquetes viene como consecuencia de tener que atravesar los mismos por redes de distintos tipos. Así, en un caso ideal, un datagrama podría caber en una sola trama de red, pero no existe una longitud máxima de datagrama que se ajuste a todas las redes, por lo que en la mayoría de los casos se debe dividir el datagrama en tramas físicas. A la longitud máxima de transferencia de datos por trama de una red física se le conoce como UNIDAD DE TRANSFERENCIA MÁXIMA (MTU). Cuando un datagrama se envía por una red con MTU menor que su longitud, entonces el datagrama se divide en partes llamadas fragmentos. A este proceso se le denomina fragmentación. Para el caso de IP, el máximo valor de la MTU es 65.536 bytes. Sin embargo, ése es un valor máximo teórico, pues, en la práctica, la entidad IP determinará el máximo tamaño de los datagramas IP en función de la tecnología de red por la que vaya a ser enviado el datagrama. Por defecto, el tamaño de © Julián A.

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datagrama IP es de 576 bytes. Sólo pueden enviarse datagramas más grandes si se tiene conocimiento fehaciente de que la red destinataria del datagrama puede aceptar ese tamaño. En la práctica, dado que la mayoría de máquinas están conectadas a redes Ethernet o derivados, el tamaño de datagrama que se envía es con frecuencia de 1500 bytes. Los datagramas pueden pasar por varios tipos de redes con diferentes tamaños aceptables antes de llegar a su destino. Por tanto, para que un datagrama llegue sin fragmentación al destino, ha de ser menor o igual que el menor MTU de todos los de las redes por las que pase.

Figura 1-12 : Encapsulamiento de datos II

1.1.2.1 FUNCIONES DE CADA CAPA DEL MODELO OSI: A modo de resumen hace un listado de algunas de las funciones que realizan las distintas capas del modelo OSI.

1.1.2.1.1

CAPA FÍSICA.

 Especifica conexión mecánica.  Transmisión de flujo de bits a través del medio. No existe estructura alguna (no se distinguen partes de un paquete sino que se transmiten bits sin necesidad de conocerse significado alguno)  Maneja voltajes (o corrientes), y pulsos eléctricos.  Especifica cables, conectores y componentes de interfaz con el medio de transmisión.  Para su envío puede utilizar codificación digital (lo más común), o modulación digital bajo portadora analógica (líneas de telecomunicaciones) según proceda

1.1.2.1.2

CAPA DE ENLACE DE DATOS.

 Estructura el flujo de bits bajo un formato predefinido llamado trama.  Para formar una trama, el nivel de enlace agrega una secuencia especial de bits al principio y al final del flujo inicial de bits.  Transfiere tramas de una forma confiable libre de errores (utiliza reconocimientos y retransmisión de tramas).  Provee control de flujo. © Julián A.

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 Utiliza la técnica de "piggybacking" (es una técnica de transmisión de datos bidireccional. Con esta técnica, en vez de enviar ACK en un paquete individual, éste es incluido dentro del próximo paquete a enviar)

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1.1.2.1.3

CAPA DE RED.

 Divide los mensajes de la capa de transporte en paquetes y los ensambla al final.  Utiliza el nivel de enlace para el envío de paquetes: un paquete es encapsulado en una trama.  Enrutamiento de paquetes (elección de la ruta óptica)  Envía los paquetes de nodo a nodo usando ya sea un circuito virtual o como datagramas.  Control de Congestión.

1.1.2.1.4

CAPA DE TRANSPORTE.

 Establece conexiones que virtualmente pueden suponerse que son punto a punto sin errores para el envío de mensajes.  Permite multiplexar una conexión punto a punto entre diferentes procesos del usuario (puntos extremos de una conexión).  Provee la función de difusión de mensajes (broadcast) a múltiples destinos.  Control de Flujo.

1.1.2.1.5

CAPA DE SESIÓN.

 Permite a usuarios en diferentes máquinas establecer una sesión.  Una sesión puede ser usada para efectuar un login a un sistema de tiempo compartido remoto, para transferir un archivo entre 2 máquinas, etc.  Controla el diálogo (quién habla, cuándo, cuánto tiempo, half duplex o full duplex).  Función de sincronización.

1.1.2.1.6

CAPA DE PRESENTACIÓN.

 Establece una sintaxis y semántica de la información transmitida.  Se define la estructura de los datos a transmitir (v.g. define los campos de un registro: nombre, dirección, teléfono, etc).  Define el código a usar para representar una cadena de caracteres (ASCII, EBCDIC, etc).  Compresión de datos.  Criptografía.

1.1.2.1.7     

CAPA DE APLICACIÓN. Transferencia de archivos (ftp). Login remoto (rlogin, telnet). Correo electrónico (mail). Acceso a bases de datos Etc.

Como ya se ha indicado, el modelo OSI tiene su aplicación general en cualquier sistema de comunicación (sea éste industrial, doméstico, empresarial, etc), si bien la necesidad de incluir las funciones de todas las capas anteriormente citadas sería únicamente necesario en sistemas de comunicación complejos (donde son necesarias todas las funciones que realizan las 7 capas). Ësto sólo es necesario en redes realmente complejas (muchas redes de muchos equipos interconectadas en áreas © Julián A.

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muy extensas y con gran diversidad de tipologías). Sin embargo, en la actualidad la mayoría de estándares de comunicación no necesitan incluir las funciones de las 7 capas, síno que dado que algunos sistemas se diseñan para incluir pocos equipos en un área nada extensa, es posible hacerlos funcionar incluyendo las funciones de apenas dos capas, sin llegar a ser necesaria la inclusión del resto. Por ejemplo, en la arquitectura actual que se utiliza en Internet (denominada TCP/IP) sólo han sido incluidas 4 de las 7 capas que indica el estándar (algunas con funciones dobles). El modelo OSI es realmente un modelo de referencia (un marco teórico), que no se aplica realmente en la práctica, ya que en general en las distintas redes actuales creadas, no es nunca necesario implementar las siete capas o niveles.

Modelo OSI 7 - Aplicación 6 - Presentación 5 - Sesión 4 - Transporte 3 - Red

Modelo TCP/IP FTP, TFTP, HTTP, SMTP, DNS, TELNET, SNMP TCP (Internet) IP (Internet)

2 - Enlace de datos Ethernet (red) 1 - Física

Figura 1-13: Arquitectura TCP/IP

Como se puede ver en la siguiente comparativa, de los 7 niveles o capas que presenta el modelo OSI, el estándar que ha posibilitado la evolución de Internet solventa los problemas de comunicación en 4 capas o niveles (más la capa física de emisión final de datos), algunas de las cuales agrupan hasta 3 capas del modelo de referencia OSI.

© Julián A.

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Figura 1-14 : Comparativa modelo OSI vs TCP/IP

No obstante, en la figura observamos que ambos presentan muchas similitudes, pero también algunas diferencias. Similitudes :  Ambos se dividen en capas.  Ambos tienen capas de aplicación, aunque incluyen servicios muy distintos.  Ambos tienen capas de transporte y de red similares.  Se supone que la tecnología es de conmutación por paquetes (no de conmutación por circuito). Diferencias :  TCP/IP combina las funciones de la capa de aplicación, presentación y de sesión en la capa de aplicación.  TCP/IP combina las capas de enlace de datos y la capa física del modelo OSI en una sola capa.  TCP/IP parece ser más simple porque tiene menos capas. Por seguir con ejemplo similares, otro estandar de comunicaciones ampliamente utilizado a nivel industrial hoy día, denominado PROFIBUS (PROcess FIeld BUS), en sus tres versiones posibles (PROFIBUS DP, PROFIBUS FMS o PROFIBUS PA) posee la siguiente arquitectura de capas: © Julián A.

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Figura 1-15 : Protocolos PROFIBUS en función del tipo de versión (PA,FMS)

Como se ve, PROFIBUS posee una capa física (que puede ser RS-285 o fibra óptica FO), una capa de enlace (que se denomina específicamente FDL o Fieldbus Data Link), y luego ya la capa de aplicación con sus funciones disponibles (no siendo necesario incluir en general ni capa de red, ni ninguna otra de las capas de la 3 a la 6 de las indicadas en el modelo ISO-OSI). 1.1.3 SUPERVISIÓN, CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS: SCADA & HMI Continuando con el estudio previo de algunos de los conceptos manejados en los sistemas de comunicación actual, y antes de abordar con detalle el funcionamiento de los micmos, le toca el turno en este caso a los sistemas SCADA. SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Acquisition", es decir: adquisición de datos y supervisión de control. Se trata de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc. El acrónimo HMI (Human Machine Interface) se usa para referirse las pantallas de visualización y control que permiten la interacción entre humanos y máquinas. Las pantallas HMI son equipos autónomos (no son representaciones en pantallas de equipos informático), que se colocan generalmente al lado del controlador del que queremos “visualizar” el estado (a pie de máquina).

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Figura 1-16 : Sistemas de supervisión

Los sistemas SCADA permiten finalmente tener una “visión y un control remotos” de lo que sucede realmente en la parte operativa del proceso controlado, conectándose de forma indirecta al controlador principal (SCADA) o bien conectándose de forma local (a pié de planta) al controlador que gobierna una parte del proceso de producción (HMI). Las soluciones actuales relativas a la supervisión de procesos abarca no sólo procesos industriales, sino también supervisión remota de instalaciones tanto industriales como domésticas (domótica e inmótica - automatización integral de inmuebles).

Figura 1-17 : Supervisión de procesos

Tanto a través de las pantallas HMI como mediante software SCADA podemos no sólo visualizar en tiempo más o menos real (retrasos típicos de unos pocos segundos) el estado de proceso de producción de la planta, sino que en función del perfil de usuario al te tengamos acceso (mediante el correspondiente logueo), ejecutar paradas, rearmes después de una emergencia, reconfiguraciones en ritmos de producción, etc).

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Figura 1-18 : Tendencias en los sistemas de supervisión

1.1.3.1 Funciones Un SCADA debe cumplir tres funciones principales:  Adquisición de datos para recoger, procesar y almacenar la información recibida.  Supervisión, para observar desde el monitor la evolución de las variables del proceso.  Control para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.), bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.

Figura 1-19 : Funciones de los sistemas SCADA / HMI

Además de lo anterior, los sistemas SCADA cumplen también con otras funciones avanzadas:  Transmisión reinformación, haciendo de pasarela entre los niveles superiores e inferiores de la pirámide CIM  Almacenamiento de información con capacidad de gestión de una base de datos relativa a variables del proceso.  Explotación de datos de forma estadístico, que facilita la interpretación y posterior oma de decisiones tanto a niveles de gestión estadística, financiera, etc. © Julián A.

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1.1.3.2 Requisitos Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada:  Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades 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 gestión).  Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario. 1.1.3.3 Estructura y componentes de un SCADA Cabe distinguir dos posibilidades. Por un lado el desarrollo a medida de un software completamente orientado a una determinada aplicación y por otra parte el uso de paquetes software que permiten la configuración completa de aplicaciones de control y supervisión. Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes:

1.1.3.3.1

CONFIGURACIÓN:

Permite al usuario definir el entorno de trabajo de su aplicación, según la disposición de pantallas requerida y los niveles de acceso para los distintos usuarios.

1.1.3.3.2

INTERFAZ GRÁFICA:

Proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.

Figura 1-20 : Interface gráfica

Hoy en día todos los paquetes SCADA así co mo los paneles HMI poseen opciones de configuración de acciones mediante lenguajes de macros, BASIC o C para abrir completamente el campo de posibilidades a la hora de representar los estados del proceso controlado.

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1.1.3.3.3

MÓDULO DE PROCESO:

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Ejecuta las acciones de mando pre-programadas a partir de los valores actuales de variables leídas. La programación se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (como C, Basic, etc.).

1.1.3.3.4

GESTIÓN Y ARCHIVO DE DATOS:

Se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.

1.1.3.3.5

COMUNICACIONES:

Se encarga de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión. En los sistemas SCADA la tendencia actual es utilizar sistemas de comunicación basados en tecnologías OPC, mientras que los paneles HMI disponen en general de interface ethernet en sustitución de los interfaces generalmente propietarios con los que contaban anteriormente. 1.1.3.4 Software SCADA Algunos de los paquetes SCADA más implantados en el mercado son:         

CIRNET, de CIRCUTOR S.A. SCADA InTouch, de LOGITEK. WinCC, de Siemens. Coros LS-B/Win, de Siemens. SYSMAC SCS, de Omron. FIXDMACS, de Omron-Intellution. RS-VIEW32 de Rockwell GENESIS32 de Iconics INTOUCH de

1.1.4 OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL) Otro de los conceptos que hemos decidio incluir en este instante, de forma previa a abordar con detalle el funcionamiento de los sistemas de comunicación, tiene que ver con el estandar OPC. Como hemos visto, los sistemas SCADA se basan en el uso de una aplicación informática que posiblite el control y supervisión remota del proceso de producción (por ejemplo desde organos de genrencia, o ingeniería de producción centralizados). El problema reside en que tradicionalmente el software SCADA’s se basaban en un diseño realizado de forma muy concreta y específica en función de cada fabricante en cada caso (instalación de drivers específicos para cada modelo utilizado), sin apenas compatibilidad con sistemas de otros fabricantes.

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Figura 1-21 : Comunicación SCADA – PLC

Sin embargo, hoy en día la estandarización en las comunicaciones es una de las exigencias cada vez mayores entre los usuarios, lo que provoca la necesidad de inclusión de técnicas de compatibilidad entre fabricantes. Así nación OPC, un sistema válido para cualquier configuración independiente del fabricante y/o modelo elegido. El OPC (OLE for Process Control) es un estándar de comunicación en el campo del control y supervisión de procesos industriales (aunque basado en tecnologías de Microsoft como OLE), que ofrece un interface común para comunicación, y que permite que componentes software individuales interaccionen y compartan datos. La comunicación OPC se realiza a través de una arquitectura ClienteServidor.

PLC’s ESCLAVOS

Figura 1-22 : OPC – Clientes y servidores

El servidor OPC es la fuente de datos, como un dispositivo hardware a nivel de planta, generalmente un equipo informático o PC, y en general se comunicará: © Julián A.

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 Por un lado con el resto de clientes OPC, que en general serán PC’s de supervisión que ejecutarán aplicaciones SCADA con las que visualizar y controlar el estado del proceso. Dichas aplicaciones SCADA tomarán datos del servidor OPC que tendrá almacenada una imagen del estado de las variables del PLC (únicamente las variables seleccionadas).  Por otro lado con el PLC maestro de un sistema de automatización global con distribución de tareas entre distintos PLC’s esclavos del anterior. Dicho PLC maestro tiene a su vez almacenado el estado de las variables de los PLC’s esclavos (únicamente las variables seleccionadas). De forma que finalmente cualquier PC cliente puede acceder a cualquier dado de cualquier PLC esclavo. A la hora de instalar el servidor OPC en el PC correspondiente, es habitual además que dicho software ofrezca además colecciones de drivers para conectar el servidor OPC con casi cualquier equipo de automatización de un gran catálogo de fabricantes. Además de esto, cualquier aplicación basada en OPC puede acceder a dicho servidor para leer/escribir cualquier variable almacenada en el servidor. La comunicación mediante estándar OPC ofrece una solución abierta y flexible al clásico problema de los drivers propietarios. Hoy en día prácticamente todos los mayores fabricantes de sistemas de control, instrumentación y de procesos han incluido OPC en sus productos.

Figura 1-23 : OPC – Características

Como se ha indicado, OPC corresponde a un conjunto de especificaciones basadas en los estándares de Microsoft (COM, DCOM, OLE Automation y Active X) que cubren los requerimientos de comunicación industrial entre aplicaciones y dispositivos, especialmente en lo que se refiere al tiempo real. Con respecto al desarrollo histórico de este tipo de protocolo se debe señalar que inicio hacia 1990 con la aparición de Windows 3,0. En 1992 surge el sistema OLE 2,0 y luego WinSEM. Posteriormente, en 1995 se formulan los principios básicos de OPC, en 1996 surge la versión 1.0, y se crea la Fundación de OPC. Después en el 2001 se realizan las pruebas de conformidad del protocolo. Si el lector desea repasar aspectos relaccionados con las diversas etapas de desarrollo que ha experimentado el sistema OPC, o su propósito general, puede consultar los siguientes apartados. 1.1.4.1 LA PREHISTORIA – WINDOWS 3.0 Con la introducción de Windows 3.0 en 1990 se hizo posible OPC, sobre una plataforma barata, © Julián A.

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para ejecutar aplicaciones múltiples simultáneamente. Aún mejor, Windows proporcionó un mecanismo estándar para aquellas aplicaciones que intercambian datos en tiempo de ejecución. Este mecanismo era el Intercambio de datos Dinámico, o DDE, y no mucho antes, los usuarios vieron los beneficios de tener sus procesos o datos de planta dentro de aplicaciones de propósito general como Microsoft Excel. Pronto sin embargo, las limitaciones de DDE se hicieron claras. No era muy robusto, no había ningún apoyo para DDE a través de una red, y, el peor de todos, su ancho de banda era muy limitado. Se intentó rectificar estos defectos mediante tentativas, produciendo el mayor impacto el Wonderware’s InTouchTM SCADA software, que introdujo un medio de conectar a una red el tráfico DDE (NetDDETM, que era posteriormente ocupado por Microsoft), y también aumentó el ancho de banda eficaz de DDE empaquetando objetos de datos múltiples en cada paquete o mensaje (FastDDETM). La desventaja principal de este esquema, y otros como AdvanceDDETM del Software de Rockwell, consistía en que estaban sujetos a derechos privados, requiriendo pagos a sus inventores, y así nunca se lograría un verdadero estándar de industria. 1.1.4.2 OLE 2.0 Y WINSEM Cuando OLE 2.0 se lanzó en 1992, era evidente que tarde o temprano reemplazaría los usos de DDE, porque era más flexible, más robusto, y usaba mecanismos más eficientes de transporte. Alrededor del mismo tiempo, un grupo que se llama WinSEM (Windows en Ciencia,Ingeniería y Fabricación) comenzó a reunirse en la oficina central Redmond de Microsoft. Los miembros de este grupo eran en gran parte de las áreas de control industrial y la adquisición de datos, con Microsoft actuando como catalizador. Por 1994, había un interés firme, enfocado por WinSEM, en el uso de técnicas OLE para transmitir datos de proceso entre aplicaciones (casi) en tiempo real. En particular, un número de vendedores SCADA vio la posibilidad de estandarizar el interfaz entre el núcleo SCADA y los drivers de dispositivo que eran en realidad responsables de adquirir los datos. Potencialmente, esto podía beneficiar a vendedores SCADA y fabricantes de equipo: elvendedor SCADA no tendría que invertir en la escritura de drivers, mientras el fabricante de equipo tiene que proporcionar sólo un driver que trabajase con todo el software de Windows. La oferta más interesante fue propuesta por US Data en marzo de 1995. Comparado con la especificación OPC, este documento ahora parece muy simple. Sin embargo, se establecen la mayor parte de los conceptos clave de OPC. Después de la publicación de este prometedor documento, progresó hacia un estándarmuy lento. Esto era el punto de vista de los implicados en WinSEM (incluyendo Microsoft). Esto supone el origen de OPC Task Force. 1.1.4.3 LOS PRINCIPIOS DE OPC OPC Task Force publica en 1995 ISA Show en Nueva Orleans con una nueva versión. Sus miembros eran Fisher-Rosemount (ahora Emerson Process Managment), Intellution, Intuitive Technology, OPTO 22, y Rockwell Software. Microsoft actúa como apoyo.

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La primera versión preliminar de la especificación OPC fue lanzada en diciembre 1995, y era presentado a WinSEM en Redmond en enero 1996. A pesar del resentimiento de que un grupo de élite asumiera el esfuerzo de estandarización, en conjunto la respuesta era favorable y muy constructiva. Una segunda especificación se publica en marzo 1996, y seminarios 'JumpStart' se realizan en Dallas, Texas (abril 1996), Londres, Inglaterra (julio 1996), y Japón (agosto 1996) para ofrecer una introducción a los interesados en el estándar propuesto. En cada ocasión la respuesta era positiva. 1.1.4.4 OPC LA VERSIÓN 1.0 La versión 1.0 de la especificación OPC fue lanzada el 29 de agosto 1996. Una versión1.0A corregida de la Especificación de Acceso de Datos OPC aparece en 1997. 1.1.4.5 FUNDACIÓN OPC Buscando la opinión en la industria, se tomó la decisión de que la especificación OPCdebía ser manejada por una organización independiente, no lucrativa llamada la Fundación OPC. La Fundación OPC se presentó en ISA Show en1996 en Chicago, con demostraciones de servidor OPC de varias empresas en la cabina Microsoft, y realizando la primera reunión de la Asamblea general de miembros. Posteriormente demostraciones de colaboración se han mostrado en ferias de muestras principales en el mundo entero. Algunos productos comerciales que usan OPC comenzaron a aparecer a finales de 1996. A mediados de 1998, se confirma como el estándar de industria. 1.1.4.6 UN ÁMBITO MÁS AMPLIO PARA OPC OPC Data Access 2.0 se publica a finales de 1998 y contiene documentos de especificación separados para clientes e interfaces de automatización. La especificación de cliente incluyó un mecanismo más robusto. Los interfaces de automatización, mientras tanto, fueron rediseñados para mejorar su uso, y aprovechar mejor la tecnología. También a finales de 1998, el alcance de OPC fue ampliado con la publicación de las alarmas y la especificación de interfaz de cliente de Acontecimientos, la versión 1.0. En el año 2000 se publican nuevas especificaciones de interfaz de cliente que cubren el acceso de Datos Históricos, Batch y la Seguridad. 1.1.4.7 PRUEBA DE CONFORMIDAD En el año 2001 surge la versión OPC Foundations Compliance Testing y el programa de certificación para servidores de Acceso de Datos OPC; que pronto serán ampliados para cubrir servidores de acontecimientos y Alarmas. En el 2001 también se publicó la especificación de interfaz de automatización para el acceso de Datos Histórico, y la versión 2.0 de especificación de interfaz Batch custom. Poco más se consiguió durante el 2001. La especificación de OPC es una especificación técnica no-propietaria que define un sistema de interfaces estándares basados sobre la tecnología de OLE/COM.

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1.1.4.8 PROPÓSITO Las aplicaciones software (ejecutándose en un PC), necesitan una manera común de acceder a los datos de cualquier fuente, como un dispositivo o una base de datos. Antes de existir la tecnología OPC, al solución siempre pasaba por disponer soluciones especificas diseñadas al efecto por los propios fabricantes, que en general hacían complejo abordar cualquier cambio en la instalación (mejora, actualización de versión, etc). Siempre estando sujeto a los requerimientos concretos del fabricante.

Figura 1-24 : OPC – antes de su aparición

Con la aparición del estándar OPC:  Los fabricantes de hardware sólo tienen que hacer un conjunto de componentes de programa para que los clientes los utilicen en sus aplicaciones.  Los fabricantes de software no tienen que adaptar los drivers ante cambios de hardware. La tecnología OPC posibilita la interconexión de sistemas, y software de terceros que sean compatibles con dicha tecnología de comunicación (dejando de estar por tanto sujeto a las indicaciones y a su vez limitaciones de un fabricante concreto).

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Figura 1-25 : OPC – tras su aparición

Con OPC, la integración de sistemas en un entorno heterogéneo se tornará una tarea simple.

Figura 1-26 : OPC – integración de sistemas

1.1.4.9 ARQUITECTURA OPC CLIENTE/SERVIDOR Como ya se ha comentado, como la mayoría de soluciones informáticas, la tecnología OPC se basa en la interconexión de dos aplicaciones informáticas. Una en el lado del cliente y otra que hace de servidor de datos. En las aplicaciones industriales el cliente suele ser un programa (software) SCADA que se conecta con un servidor (otro software) que se instala en un equipo donde residirán los datos leídos desde el controlador o PLC central (donde estén las bases de datos de los PLC’s del proceso).

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1.1.4.10 BASES DE OPC – OBJETOS E INTERFACES

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Un cliente OPC se puede conectar a servidores OPC proporcionados por más de un "proveedor".

Figura 1-27 : OPC – conexionado del mismo cliente a distintos servidores

1.1.4.11 ACCESO A DATOS OPC

Figura 1-28 : OPC – acceso a datos

El acceso a los datos del servidor OPC se compone de varios elementos:  El o o  El o o  El o

servidor (server) Mantiene información sobre el servidor Sirve como container para objetos del grupo OPC grupo (group) Mantiene información sobre sí mismo Provee mecanismos para contener/organizar lógicamente ítems elemento (ítem o tag) Representan conexiones a fuentes de datos dentro de un servidor

1.1.4.12 APLICACIONES OPC  Diseñado principalmente para acceder a datos de un servidor en red.  Distintas aplicaciones: nivel más bajo pueden coger datos de aparatos físicos y llevarlo a SCADA o DCS, o de un servidor SCADA o DCS a una aplicación.

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Figura 1-29 : Aplicaciones OPC

1.1.4.13 ARQUITECTURA GENERAL Y COMPONENTES Dos tipos de interfaces  Interfaces Custom (obligatorio, C/C++)  Interfaces de Automatización (opcional, VB)

Figura 1-30 : Arquitectura general y componente OPC

La arquitectura OPC es un modelo Cliente-Servidor donde el Servidor OPC proporciona una interfaz al objeto OPC y lo controla. Una aplicación cliente OPC se comunica a un servidor OPC a través de un cliente OPC específico por medio de una interfaz de automatización. El servidor OPC lleva a cabo la interfaz cliente, y opcionalmente lleva a cabo la interfaz de automatización 1.1.4.14 SERVIDORES LOCALES Y REMOTOS Dos alternativas:  Los clientes se deben conectar siempre a un servidor local que hará uso de un esquema de red existente.  El cliente se puede conectar al servidor local/remoto que desee (mediante la especificación denominada DCOM. Una aplicación cliente OPC, puede conectarse por medio de una red, a varios servidores OPC proporcionados por uno o más fabricantes. De esta forma no existe restricción por cuanto a tener un Software Cliente para un Software Servidor, lo que es un problema de interoperabilidad que hoy en día se aprecia con sistemas del tipo propietario. Sistemas de control y supervisón como lo son SCADA o DCS pueden comunicarse con un Servidor OPC y proveer a este, información de los dispositivos de campo asociados. De esta forma, aplicaciones cliente OPC de otros fabricantes tendrán acceso a estos datos por medio del servidor. © Julián A.

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1.1.5 ENTORNO CIM (COMPUTER INTEGRATED MANUFACTURING)

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Asimismo, antes de abordar en detalle el funcionamiento de los sistemas de comunicación industriales, vamos a introducir a continuación lo que se entiende por niveles o pirámide CIM. La fabricación integrada por ordenador es el pilar de las plantas de producción. Por este sistema se entiende que se van a generar los diseños, órdenes de compra, gestiones de calidad, control total de los procesos de fabricación y otras que se van incorporando a medida que los avances tecnológicos van haciéndose realidad. Los niveles de complejidad tanto en la parte de automatización como en el ínterconexionado de redes actualmente, permite su análisis por jerarquías tal y como puede observarse en la

Figura 1-31 : Jerarquías de redes de comunicación

Figura 1-31 : Jerarquías de redes de comunicación

La integración de las mencionadas “islas automatizadas”, suele hacerse dividiendo las tareas entre “grupos” de procesadores jerárquicamente anidados. Lo que da como resultado una estructura de las redes industriales, en la que se distinguen los siguientes niveles: 1.1.5.1 BUS DE CAMPO Este es el nivel más próximo al proceso y se encarga de la integración de pequeños automatismos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, controladores PID, equipos de medida, etc.) En las “islas”, que controlan distintas parcelas de un procedimiento. Generalmente, en el nivel más alto de estas redes se encuentra uno o varios autómatas modulares de gama alta, que pueden actuar como maestro de la red o en estructuras de maestro flotante. El conjunto constituye lo que se suele llamar una “célula de fabricación”.

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No debe confundirse el bus de campo con uniones punto a punto entre dos autómatas de la misma marca o del mismo fabricante. Muchas de estas agrupaciones carecen de protocolo y se basan en compartir ciertas áreas de memoria.

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El bus de campo constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de comunicaciones industriales. Está basado en procesadores simples y utiliza un protocolo mínimo para gestionar el enlace entre ellos. Las señales de las distintas entradas/salidas que gestionan estos procesadores simples pueden a su vez ser trasportadas o bién por mazos de cables o más modernamente por buses de sensores y actuadores.

Este nivel integra pequeños automatismos (PLC compactos, PID, multiplexores de entrada y salida. En los niveles más altos podemos encontrar uno o varios autómatas modulares actuando como maestros de la red o maestros flotantes. Aquí resulta habitual emplear buses de campo.

La característica básica para que una red de comunicación se denomine bus de campo es que permita intercambiar órdenes y datos entre productos de uno o distintos fabricantes a través de un protocolo reconocido por cada uno de los nodos. 1.1.5.2 NIVEL DE CAMPO Y PROCESO

1.1.5.3 NIVEL DE CONTROL Este nivel enlaza las células de fabricación o zonas de trabajo. A este nivel se sitúan los autómatas de gama alta y los computadores dedicados al diseño, control de calidad, programación, etc.… En este nivel se suelen emplear las redes tipo LAN (MAP o ETHERNET) 1.1.5.4 RED DE FACTORÍA Para redes de oficina, contabilidad y administración, ventas, gestión de pedidos, almacén, etc.… El volumen de información intercambiada es muy alto, y los tiempos de respuesta no son críticos. 1.1.5.5 RED DE PLANTA Para intercambiar módulos y células de fabricación entre sí y con departamentos como diseño o planificación. Suele emplearse para el enlace entre las funciones de ingeniería y planificación con las de control de producción en planta y secuenciamiento de operaciones. Como ejemplo se tiene la transmisión a un sistema de control numérico del programa de mecanizado elaborado en el departamento de diseño CAD/CAM. Estas redes deben manejar mensajes, de cualquier tamaño, gestionar eficazmente errores de transmisión (detectar y corregir), cubrir áreas extensas (puede llegar a varios kilómetros), gestionar mensajes con prioridades (gestión de emergencias frente a transferencia de ficheros CAD/CAM), y disponer de amplio ancho de banda para admitir datos de otras subredes como puede ser voz, video, etc.… 1.1.5.6 RED DE CÉLULA Para interconectar dispositivos de fabricación que operan en modo secuencial como robots, máquinas de control numérico (CNC), autómatas programables (PLC), vehículos de guiado automático (AGV). Las características deseables en estas redes son: Gestionar mensajes cortos eficientemente, capacidad de manejar tráfico d eventos discretos, mecanismos de control de error (detectar y © Julián A.

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corregir), posibilidad de transmitir mensajes prioritarios, bajo costo en la instalación y de conexión por nodo, recuperación rápida ante eventos anormales en la red y alta fiabilidad.

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En este nivel podemos ubicar las redes MAP (MANUFACTURING AUTOMATION PROTOCOL) como ejemplo representativo.

(SISTEMA DE COMUNICACIÓN DISTRIBUIDADISTRIBUIDA)

Figura 1-32 : Arquitectura de un Sistema de Control Distribuido

La jerarquía de redes comentada en los párrafos anteriores (con la nomenclatura indicada en lo relativo a las distintas capas o niveles de dicha jerarquía), no está estandarizada y no siempre aparece reflejada de la misma forma. En cualquier caso, siempre en los niveles inferiores se encuentran los sensores y actuadotes conectados a controladores de baja capacidad (PLC’s), con los buses de entradas y salidas (como por ejemplo AS-Interface), mientras que en los niveles altos se encuentran los ordenadores de producción/planificación, SCADAS’s y ERP’s (sistemas de planificación de recursos empresariales, por sus siglas en inglés, Enterprise Resource Planning). Los ERP’s Son paquetes informáticos (software) que integran y manejan muchos de los negocios asociados con las operaciones de producción y de los aspectos de distribución de una compañía en la producción de bienes o servicios. En muchas ocasiones este sistema de control distribuido se representa mediante una pirámide de Fabricación Integrada por Computador (pirámide CIM – Computer Integrated Manufacturing).

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IBM

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TIEMPO DE TRANSMISIÓN

Mbyte / m.

Desde las oficinas ...

HOST

CANTIDAD DE DATOS

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Mbyte / h.

RED ETHERNET

CON TCP/IP

PUENTE

HEWLETT PACKARD

byte / s. GATEWAY

CISCO S YSTEMS

byte / ms. FIELDBUS, PROFIBUS, BITBUS,... d i g i

t a l

d i g i

t a l d i g i

PLC

PLC

t a l

d i g i

t a l

PLC

PLC

bits / µs.

Asi, CAN, InterBUS,... IO Mod em Bank

CANTIDAD DE NODOS

IO Mod em Bank

IO Mod em Bank

… hasta la producción

Figura 1-33 : Distintos ejemplos de niveles en pirámides CIM

En los niveles inferiores se encuentran los sensores y actuadotes interconectados a PLC’s modestos de control mediante buses de entradas y salidas. En los niveles intermedios se encuentran PLC’s de mayor capacidad (maestros), interconectados con los PLC’s de gobierno mediante buses de campo. En los niveles superiores se encuentran los sistemas SCADA y los ERP’s que se ejecutan en equipos informáticos y que toman datos de los niveles inferiores a través de servidores (generalmente OPC) interconectándose con los buses de campo mediante pasarelas ethernet. Indicar que la Planificación de Recursos Empresariales (ERP) es un término derivado de la Planificación de Recursos de Manufactura (MRPII) y seguido de la Planificación de Requerimientos de Material (MRP); sin embargo los ERP han evolucionado hacia modelos de suscripción por el uso del servicio (SaaS, cloud computing) lo que se denomina Sistema Integral de Operación Empresarial (EOS) por sus siglas en inglés Enterprise Operating System. Los sistemas ERP típicamente manejan la producción, logística, distribución, inventario, envíos, facturas y contabilidad de la compañía de forma modular. Sin embargo, la Planificación de Recursos Empresariales o el software ERP puede intervenir en el control de muchas actividades de negocios como ventas, entregas, pagos, producción, administración de inventarios, calidad de administración y la administración de recursos humanos. Los requerimientos de velocidad en los distintos buses que se integran en los niveles de la pirámide CIM, así como el volumen de información que deben manejar (datos) queda reflejada en el siguiente figura: Donde puede verse que el tamaño de la información que manejan los niveles superiores (bases de datos, gráficos estadísticas, etc.) es muy superior al tipo de datos que se manejan en niveles inferiores (sensores y actuadores que en el caso de sistemas digitales son apenas unos cientos de bit’s). Asimismo, la necesidad de refresco de información (tener presentes los valores de la información © Julián A.

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sin demora), son críticos (no debe haber apenas demora) en los niveles bajos, dado que si un bit que corresponde con una seta de emergencia no hace actuar la protección correspondiente (el actuador que toque debe parar) de forma casi instantánea, pudiera haber problemas en la instalación, mientras que esa misma seta de emergencia puede verse reflejada en el SCADA de la ingeniería de producción (nieles superiores) tranquilamente varios segundos después de haberse producido físicamente, sin que ello afecte excesivamente a la gestión empresarial del proceso. 1.1.6 REDES INDUSTRIALES. HISTORIA Y NIVELES Por último, y como complemento antes de abordar en detalle el funcionamiento de los sistemas de comunicación industriales, se hace a continuación un repaso en la evolución de algunas de las más importantes redes industriales existentes, y su proceso de normalización. 1.1.6.1 RED INDUSTRIAL Red de tiempo real utilizada en un sistema de producción para conectar distintos proceso de aplicación con el propósito de asegurar la explotación de la instalación (Comando, supervisión, mantenimiento y gestión). De otra parte también se denomina así a un sistema de comunicación que provee servicios bajo restricciones temporales y esta constituido por protocolos capaces de gestionar estas restricciones. Garantiza entonces que las restricciones de tiempo serán respetadas con cierta probabilidad. Las redes de comunicación convencional y las industriales presentan algunas particularidades que pueden observarse a continuación.

Figura 1-34 : Cuadro comparativo red industrial vs. Red de empresa o convencional

1.1.6.2 UN POCO DE HISTORIA Las redes de comunicaciones industriales deben su origen a la fundación FieldBus (Redes de campo). La fundación FielBus, desarrollo un nuevo protocolo de comunicación, para la medición y control de procesos donde todos los instrumentos puedan comunicarse en una misma plataforma. FielBus permite disponer de una nueva tecnología para una nueva generación de sistemas de control y automatización, físicamente más simple, donde toda la rutina de control regulatorio y control lógico, es efectuado por dispositivos de campos, posibilitando además una arquitectura abierta donde cualquier fabricante de equipos de instrumentación pueda integrarse a la red de campo existen en una fabrica o empresa (Marcos Peluso, 1994). La gran mayoría de los fabricantes de instrumentos han anunciado la posibilidad de desarrollar productos basados en las especificaciones de la fundación FielBus (Henry Caro, 1997).

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En este momento existen los desarrollos liderados por organizaciones que agrupan a ciertos fabricantes, que en algunos casos tuvieron como punto de partida estándares establecidos en algunos países. Entre estos tenemos a Profibus, WorldFip y Lon Works que poseen como principal ventaja su amplia base instalada. Este trabajo estudiara el estándar Profibus, ya que esta siendo usado en el proyecto "Minera Loma de Níquel" desarrollado conjuntamente las empresas MINORCA y TECNOCOSULT. A finales de loa años 70 se establecen las primeras redes industriales propietarias. Dichas redes establecían enlaces entre controladores como los PLC algunas de las primeras fueron las de tipo MODBUS-MODICON, DCS y WPDF (WESTINGHOUSE). Con el fin de resolver algunos problemas de heterogeneidad surgen las redes LAC, FACTOR y MAP. Ya a finales de los 80 surgen las redes de PLC propiamente dichas como las TELWAY – UNITELWAY (TELEMECANIQUE), DATA HIGHWAY (ALLEN BRADLEY), SINEC (SIEMENS) y TIWAY (TEXAS). En 1982 se crea un grupo de trabajo en Francia para obtener un bus industrial único, el cual fue resumido en la especificación FIP (Factory Instrumentation Protocol). En 1983 se da inicio al P-NET en Dinamarca, y en 1984 surge la especificación CAN (Controller Area Network) de Bosch. Ya en 1985 se forma el grupo PROFIBUS en Alemania. La situación en 1990 evoluciona en el surgimiento de diversos protocolos no compatibles entre sí, muchos de ellos basados en productos existentes o prototipos: MIL1553B, Hart (Rousemount), BITBUS (Intel), que posteriormente fueron complementados con propuestas completas como FIP, PROFIBUS. 1.1.6.3 NORMALIZACIÓN El afán por lograr uniformidad en los criterios de diferentes fabricantes ha permitido que se emitan algunas normativas internacionales. Por ejemplo en 1985 se formaron los comités ISA SP50, IEC TC65/SC65C, cuyo objetivo principal era crear un único estándar FIELDBUS. De igual forma surgieron algunas normas nacionales europeas: En 1990- DS21906 (Dinamarca): PNet. 1990- DIN 19425-1 a 3 en Alemania: PROFIBUS. 1991- AFNOR en Francia y la FIP BS en Gran Bretaña: FOUNDATION. Aparece luego en 1996 la norma EN 50170 compuesta por un conjunto de perfiles sin compatibilidad entre sí: o Parte 1: P-Net o Parte 2: PROFIBUS o Parte 3: FIP o Parte 4: FOUNDATION (BS). Rechazada en 1997.  Posteriormente surge la Norma EN 50254 denominada “High Efficiency Communications Subsystems for small Data packets” que incluye: ASI, INTERBUS, PROFIBUS DP, DWF (DEVICE WORLD FIP).    

1.1.6.4 NORMAS IEC FIELDBUS La norma vigente es la IEC TC65/SC65C/WG6, la cual fue estructurándose de manera gradual a partir de otras como la norma IEC 1158-2 que dicta especificaciones sobre la capa física, y que fue © Julián A.

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formulada en 1993. Posteriormente surge la normativa IEC 61158-1 DRAFT de DLL (FIP) que fue reachacada en diciembre de 1996.

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Sin embargo su reforma en marzo de 1998 es aprobada y surge el estándar DRAFT DLL similar a ISA TR50.02 en sus partes 3 y 4. Ya entre 1999 y 2000 se terminan de aprobar las partes restantes de dicho estándar. A manera de reseña adicional se esbozan algunas otras normas referentes a la tecnología de FIELDBUS, quizás la de mayor relevancia en el ámbito de redes industriales:       

IEC 61158-1, Introduction IEC 61158-2, Physical Layer- Specification and Service definition IEC 61158-3, Data Link Service Definition IEC 61158-4, Data Link Protocol Specification IEC 61158-5, Application Layer protocol Specification IEC 61784, Profile Sets for Continuous and discrete manufacturing Tipos Norma IEC: o 1- FOUNDATION FieldBus o 2-ControlNet (Control Net, Ethernet/IP) o 3- Profibus (DP y FMS) o 4- P-NET (multipoint, point to point) o 5- FOUNDATION FieldBus HSE o 6- Swift Net (openAL, real Time AL) o 7- WorldFip (MPSy MCS, subsetMMS, part of MPS) o 8- Interbus (generic, extended, reduced 6/2)

1.1.6.5 ORGANIZACIONES INVOLUCRADAS EN ELABORAR NORMAS PARA REDES INDUSTRIALES Aunque se debe señalar que la diversidad de criterios entre los fabricantes de equipos ha causado algunos inconvenientes para la estandarización la perspectiva a un fututo inmediato señala hacia la creación de protocolos más abiertos en cuanto a compatibilidad de actuadores se refiere. A continuación veamos algunas de las organizaciones y consorcios que en la actualidad se encuentran en el proceso de desarrollo de estándares y normas para redes industriales:                 © Julián A.

PTO: Profibus Trade Organisation ODVA: Open Device Net Vendor Association World FIP. ASi CAN bus Device Net FIPIO P-Net Lon Works Interbus-S BAC-net WorldFip PROFIBUS FOUNDATION FieldBus Control – Net Swift-Net

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 HART  Modbus

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Industrias manufactureras, procesos continuos, Gestión de edificios (Domótica), Sistemas embebidos, transporte de energía y fluidos, sistemas de comunicaciones.

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Los niveles de aplicación de las redes industriales y en ese sentido sus estándares de protocolos abarcan diversos campos de aplicación tales como:

En la actualidad se habla de complejos automatizados o “Islas automatizadas”, consistentes en una serie de equipos aislados entre sí y dedicados cada uno al control de una máquina o bien un grupo de las mismas mediante autómatas, variadores de velocidad, herramientas de control numérico, computadores de diseño y gestión y otros dispositivos más.

1.1.6.6 NIVELES DE LAS REDES INDUSTRIALES La automatización de las industrias ha sido un proceso de implantación gradual y escalonada aprovechando en cada momento los últimos desarrollos de las nuevas tecnologías, tanto en la fabricación de nuevos dispositivos electrónicos o de HARDWARE, así como la elaboración de nuevos y más robustos programas de control o SOFTWARE.

Los niveles de complejidad actuales de las redes permiten su análisis por jerarquías tal y como ya se comentó en el apartado 1.1.5 Entorno CIM (ComputEr Integrated Manufacturing)

© Julián A.

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1.2 CONCEPTOS GENERALES INDUSTRIALES.

SOBRE

COMUNICACIONES

Abordamos a continuación de forma detallada el funcionamiento de los sistemas de comunicación actuales. Antes de ello, hay que comenzar diciendo que, para que exista, la comunicación requiere de los siguientes elementos genéricos:  Emisor, también fuente generadora del mensaje  Medio de transmisión, por el que se emite el mensaje  Receptor, recibe la información  Protocolo (significado de dicha información).

Emisor

Tarjeta o módulo de comunicación

Tarjeta o módulo de comunicación

Receptor r

Medio de transmisión

Figura 1-35 : Elementos de una comunicación

1.2.1 COMPONENTES DE LA COMUNICACIÓN El emisor es el que elabora previamente el mensaje. La comunicación debe realizarse con información rigurosa y preparada para el fin que se busca. Es más, se deben conocer las posibilidades de entendimiento del mensaje por parte del receptor. Esto origina que se introduzcan distintas formas de codificación de la información. Existe, por tanto, un formato para el mensaje. Emisor

Tarjeta o módulo de comunicación Medio de transmisión

Figura 1-36 : Emisor

El medio de transmisión exige que tanto emisor como receptor adapten la “forma física” del mensaje. Es muy probable que nos vengan a la mente las líneas telefónicas constituidas por cables y/o enlaces mediante antenas de radiofrecuencia. Además se hace indispensable una adaptación del mensaje al medio de transmisión por parte del emisor. Cuando hablamos por teléfono, nuestra voz se convierte en una señal eléctrica que varía en amplitud y en frecuencia. Para utilizar los medios tecnológicos actuales, la misma voz se con- vierte en impulsos eléctricos que implementan los valores binarios uno y cero. En el receptor se recogen los mensajes que llegan por el medio de transmisión. Si el formato del mensaje es reconocible, se extrae del mismo la información que se elaboró en el emisor y se procesa. Si no es un mensaje con el formato adecuado, se puede descartar o solicitar un reenvío al emisor.

© Julián A.

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Tarjeta o módulo de comunicación

Receptor r

Figura 1-37 : Receptor

Tanto el emisor como el receptor invierten sus funciones cuando el tipo de comunicación así lo requiere. De este modo, el emisor debe ser capaz de recibir la conformidad de los envíos de mensajes y de asegurar que la comunicación con el receptor se está llevando a cabo. Así, tanto emisor como receptor emiten y reciben mensajes, es decir, envían y reciben mensajes en los formatos que se hayan establecido. El protocolo define el significado que tiene dicha información. Podemos recibir información, como por ejemplo un texto, pero si desconocemos el idioma con el que ha sido escrito dicho texto, dicha información será inútil. El protocolo define las reglas de significado y semánticas que permiten a las estaciones entenderse. Supongamos que tenemos una estación (por ejemplo un PLC emisor) y queremos comunicar información hacia otra estación (por ejemplo un PLC receptor). La forma más simple de hacerlo es unir dichos equipos mediante 2 cables (uno de datos, por los que viajará información digital, y el otro masa).

Receptor Tarjeta de comunicaciones

Emisor Tarjeta de comunicaciones

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Medio de transmisión

Figura 1-38 : Esquema general

Para realizar con éxito la comunicación tendremos que ir sorteando una serie de problemas que vamos a continuación a enumerar, y que posteriormente (en capítulos posteriores) iremos desglosando: 1.2.2 CONSIDERACIONES INICIALES: La información a enviar entre los equipos participantes siempre será información codificada en formato digital (ceros y unos). Sea cual sea el tipo de información a enviar, finalmente ésta será codificada (de forma más o menos estándar, abierta o conocida) a formato digital. Si la codificación adoptada se realiza mediante un estándar conocido y público, cualquier equipo podrá interpretar dicha información y por tanto podrá formar parte de dicha comunicación. En ese caso se dice que el sistema (o el protocolo) de comunicación es “abierto”. Si el formado de codificación es propietario de empresa o multinacional (y por tanto sujeto a patente), y además no está publicado dicho formato, se dice que el sistema (o protocolo) de comunicación es “cerrado”. Que el protocolo esté sujeto a patente, y por tanto sea propiedad de empresa o multinacional, indica el sistema (o protocolo) de comunicación es propietario, pero téngase presente que existen protocolos propietarios publicados, © Julián A.

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de forma que si bien existe patente para su uso, los detalles técnicos de su utilización son conocidos y por tanto no puede en dichos casos denominarse sistema (o protocolo) de comunicación “cerrado”. Una vez la información ha sido codificada, el envío de información se realiza de forma general mediante señales eléctricas. Si la comunicación se lleva a cobo mediante medios cableados, las señales eléctricas serán en general en “bucle de tensión” o en “bucle de corriente”. Un señal en “bucle de tensión” utiliza niveles de tensión determinados para enviar los “0” o los “1” que deseemos transmitir. Por ejemplo:  Formato TTL (+5V = 1;0V=0)  Formato RS232 (+12V = 0;-12V=1)  Formato RS485 (+5V=0;-5V=1) Por otro lado, una señal en “bucle de corriente” utiliza niveles de corriente determinados para enviar los “0” o los “1” que deseemos transmitir. Por ejemplo:  4-20 mA  0-20 mA  10–50 mA (menos común) Cuando la información se envía en “bucle de tensión”, las tarjetas de comunicación de los equipos emisores intentan mantener los niveles de tensión que correspondan en la línea (a su salida), pero debido a la existencia de perturbaciones y teniendo en cuenta que los hilos de comunicación son “reales”, dichos niveles de tensión se verán en general afectados en su recorriendo, pudiendo ser los niveles de tensión recibidos distintos a los transmitidos, y por tanto ser susceptibles de interpretación errónea por parte del receptor. Si embargo, cuando la información se envía en “bucle de corriente”, las tarjetas de comunicación de los equipos emisores intentan mantener los niveles de corriente que correspondan en la línea (a su salida), y dado que aunque existan perturbaciones y teniendo en cuenta que los hilos de comunicación son “reales”, la corriente sólo encontrará un único camino para llegar a su destino, los niveles de corriente apenas se verán afectados en todo su recorriendo, por lo que las comunicaciones en “bucle de corriente” con mucho menos susceptible de recibir interferencias, o dicho de otra forma, este tipo de comunicación es más “inmune” a las interferencias”. Debe indicarse que las comunicaciones en bucle de corriente precisan en general tarjetas comunicación caras que no siempre justifican la inversión, por ello la forma más común de realizar comunicaciones es en “bucle de tensión” (mucho más económico) dejándose el sistema de “bucle corriente” para casos concretos de equipos de instrumentación electrónica, donde la precisión de mediciones debe estar garantizada

de las de las

Por otro lado, un sistema en el que el “salto” existente entre el “0” y el “1” lógico es elevado [por ejemplo en RS-232(+12V = 0;-12V=1) el salto existente entre el “0” y el “1” es de 24V] hace que la transición de un ”0” a un “1” lógico y viceversa se vea afectada por conmutaciones de circuitos electrónicos que “tardan” en estabilizar sus salidas. Por tanto, un formato con demasiado “salto” entre los niveles del “1” y del “0” lógicos necesita tiempo para estabilizar la señal, y por tanto no podrá ser tan rápido como un formato con ”salto” reducido. Sin embargo, un escaso nivel en el “salto” entre niveles lógicos puede dificultar la tarea de distinción de los niveles por parte del receptor, lo que equivaldría a tener una gran tasa de errores. Como siempre un compromiso entre ambas situaciones lleva a las distintas normas a optimizar su elección.

© Julián A.

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Figura 1-39 : Conmutaciones

A la hora de esquematizar el procedo de conexionado de equipos (emisor y receptor), también pudiéramos haber elegido la conexión de los equipos mediante varios hilos.

Receptor Tarjeta de comunicaciones

Emisor Tarjeta de comunicaciones

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Conmutaciones

Figura 1-40 : Conexión en paralelo

Esto se convierte en una comunicación en paralelo, mientras que en el caso anterior la comunicación se hace en serie, ya que para enviar por ejemplo 3 bits, en el caso anterior deberíamos mandar primero uno, luego otro, luego otro dejando un tiempo por en medio, mientras que en este caso podríamos enviar los 3 bits simultáneamente. No obstante, también en este caso (el de conexión en paralelo) tendríamos que elegir entre uno de los muchos formatos de envió de información existentes (ECP,EPP,SPP, por nombrar algunos de los existentes en las comunicaciones de datos mediante puerto paralelo existentes en la actualidad para los PC’s de sobremesa). 1.2.3 CAPACIDAD DE TRANSMISIÓN: La transmisión de datos siempre se basa en la existencia de una línea que une al transmisor con el receptor. Dicha línea podrá ser de un simple cable, hasta medios de transmisión públicos o circuitos de punto a punto. Antiguamente todos los equipos de transmisión eran analógicos. Lo que caracteriza a este medio de transmisión es su capacidad de transmitir frecuencias, por ejemplo la línea telefónica es capaz de trasmitir cualquier frecuencia entre 300 y 3400 Hz. A partir de los 3400Hz los pares telefónicos © Julián A.

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presentan dificultados de transmisión (atenuaciones) significativas en función de la longitud del par telefónico. Para medir la capacidad de transmisión de un medio analógico se utiliza como unidad el ancho de banda, que es la diferencia entre la frecuencia mayor y menor que puede ser transmitida por un medio de comunicación con atenuaciones menores del 50% de la señal (o 3dB’s). En el caso de la línea telefónica, el ancho de banda es de: 3400-300= 3100 Hz aproximadamente (como indicábamos, depende de la longitud de la línea). En la actualidad, aunque todavía existen medios de transmisión analógicos, los nuevos sistemas son medios digitales, que se caracterizan por recibir directamente información digital binaria en un extremo y retransmitirla al otro extremo. El clásico ejemplo es el de la fibra óptica, sin embargo debemos considerar también la transmisión digital vía radio, cable o satélite. La capacidad de un medio digital se mide en bits por segundo, en el caso de la fibra óptica maneja capacidades de entre 140 Mbps hasta 2,5 Tb/s y superiores. Para analizar la relación entre un medio de transmisión analógico y otro digital en Hz y en Bps, existe la Ley de Shannon en donde la capacidad máxima de bps es igual al ancho de banda en Hz multiplicado por el logaritmo cuadrado de 1 más la relación de la potencia con la señal y la potencia del ruido de la línea utilizada. En el caso de una línea telefónica, si suponemos una relación señal ruido de 1000, el mayor número de bps que podemos transmitir es de 31.000 y de ello que la compra de módem de 57.000 o hasta incluso de 33.400 sea infructuoso, pues es a la máxima transmisión a la que se puede aspirar en el mejor de los casos es de 31.000, siendo el común 24.000. El máximo provecho que en la actualidad, en nuestro país, se le puede dar a este tipo de módem es el de compensación de demora del lugar de transmisión y bajada satelital al proveedor nacional, para el caso de estar bajando información de dos o más fuentes. 1.2.4 VELOCIDAD CON LA QUE SE ENVÍA LA INFORMACIÓN La velocidad de transmisión de datos es expresada en bits por segundo o baudios. El baudio es un concepto más general que bit por segundo. El primero queda definido como el número de estados de la señal por segundo, si sólo existe dos estados (que pueden ser representados por un bit, que identifica dos unidades de información) entonces baudio es equivalente a bit por segundo. Baudio y bit por segundo se diferencian cuando es necesario más de un bit para representar más de dos estados de la señal. La velocidad de transmisión queda limitada por el ancho de banda, potencia de señal y ruido en el conductor de señal. La velocidad de transmisión queda básicamente establecida por el reloj. Su misión es examinar o muestrear continuamente la línea para detectar la presencia o ausencia de los niveles de señal ya predefinidos. El reloj sincroniza además todos los componentes internos. Para el envío de información debemos fijar una velocidad de envío, o sea, la cantidad de bits por segundo que vamos a enviar (bits por segundo = bps). Debemos preguntarnos que nos limita dicha velocidad (o sea, ¿por qué no podremos enviar la información a una velocidad muy elevada?, ¿qué limita dicha decisión?) Las limitaciones vienen por dos motivos fundamentales:  Limitaciones de velocidad de los propios equipos emisor/receptor (tarjetas electrónicas y velocidades de procesamiento).  Limitaciones debidas a los propios cables conductores, y las existencia de interferencias electromagnéticas en el ambiente. Respecto a la primera de las limitaciones poco podemos decir, simplemente, los equipos trabajan a © Julián A.

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una velocidad de procesamiento interna que limita el la velocidad a la que podemos enviar/recibir los datos. En todo caso, las velocidades de procesamiento actuales de los equipos son hoy en día tan elevadas que no suponen límite para la comunicación de información. La velocidad de comunicación se mide en Bits por segundo (bps). Esta media (y sus múltiplos) indica la cantidad de “1” y “0” que se transmiten en un segundo. No obstante existe una medida (utilizada sobre todo en comunicación de datos digitales utilizando líneas analógicas, como la línea telefónica) que es el baudio. Los baudios miden el número de cambios por segundo que sufre la señal transmitida en cada segundo. La medida surge al intentar aprovechar al máximo la línea analógica para la comunicación de datos digitales, de forma que se envíen no ya “bits”, sino valores analógicos que tienes sentido como “condiciones discretas” de la línea y que en cada instante deben interpretarse como combinaciones de “bits”. En este último caso hay que indicar que cada condición discreta que alcanza la línea en cada momento (cada estado) puede ser sinónimo de 2, 4, 8, etc bits enviados, por lo que en estos casos, baudio y bps no coinciden. Evidentemente, si el número de condiciones discretas de la línea son 2 , baudio y b.p.s. coincide, Para ilustrar mejor esto, puede verse en la

Figura 1-41 : Línea con 4 estados discretos, donde se refleja el funcionamiento de una línea de transmisión en la que existen 4 posibles condiciones discretas, lo que significa que pueden distinguirse entre una de cuatro posibilidades. Ello supone a su vez que: 4 estados discretos  2n bits diferenciados en cada instante, (siendo n el número n el número de bits)  4=22, por tanto 2 bits distinguidos en cada instante. Por tanto, en cada segundo tenemos se transmiten finalmente 2 bits. El ritmo al que cambia el estado de la línea es de 1 cambio por segundo, también denominado: 1 baudio, sin embargo si miramos los b.p.s que se transmiten, tenemos 2 bps. De forma que para este caso: 1baudio = 2 bps Estados discretos de la línea 4V 11 3V 10 2V 01 1V 00

0

1

2

3

4

5

6

t (seg)

Figura 1-41 : Línea con 4 estados discretos

Al final, después de 6 segundos, la información transmitida es la siguiente (agrupado en bloques de dos bits que representan segundos): (MsB) 00 10 01 01 11 00 (LsB) Sin embargo, en la

© Julián A.

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Figura 1-42 : Línea con 2 estados discretos, como en la línea existen 2 posibles condiciones discretas, significa que pueden discernirse entre una de dos posibilidades, lo que supone:

Por tanto, en cada segundo tenemos se transmite 1 bit. El ritmo al que cambia el estado de la línea es de 1 cambio por segundo, también denominado: 1 baudio, y si miramos los b.p.s que se transmiten, tenemos 1 bps. De forma que para este caso: 1baudio = 1 bps. Estados discretos de la línea

MsB

4V 11

LsB

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2 estados discretos = 2n (siendo n el número n el numero de bits)  2=21

1V 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 t (seg)

Figura 1-42 : Línea con 2 estados discretos

Al final, después de 12 segundos, la información transmitida es la siguiente (agrupado en bloques de un bit que representan segundos): (MsB) 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 0

0 (LsB)

Que finalmente se corresponde con la misma información, pero en el doble de tiempo. Lógicamente el caso de 4 estados discretos de la línea presenta ventajas en cuanto a velocidad final, sin embargo, distinguir entre estados de 1V de diferencia entre ellos puede resultar menos sencillo que discernir entre estados que distan 3V de diferencia (un nivel de ruido determinado en la línea afectará más en general al caso primero que al segundo). En las comunicaciones realizadas por los equipos informáticos en la década de los 80, determinados equipos MODEM (MOduladores-DEMmaduladores), se comunicaban mediante señales moduladas con un formato similar al indicado en la

Figura 1-43 : Baudios de equipos MODEM. En dicha figura puede observarse que si bien las señales transmitidas no son de tipo “impulso” (o nivel de tensión), sino señales senoidales cuya frecuencia amplitud puede variar (moduladas en amplitud), es posible tener en cada momento en la línea una de cuatro condiciones discretas (cuatro posibles, lo que provoca (de forma similar a lo explicado con anterioridad), que en cada momento se estén transmitiendo 2 bits de información.

© Julián A.

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Figura 1-43 : Baudios de equipos MODEM

No obstante lo indicado en los párrafos anteriores, las velocidades de comunicación conseguidas en la actualidad en líneas de sólo dos estados estables son suficientemente elevadas con el estado de la técnica actual, lo que hace totalmente innecesario el uso de líneas con más de dos estados discretos. Éste es el motivo por el que las mediciones en baudios están en general ya desactualizadas. 1.2.5 PARTICULARIDADES DE LA COMUNICACIÓN Para los casos en los que la cantidad y el tamaño de los mensajes son elevados, lo ideal es disponer de un camino para los mensajes que se emiten y otro para los que se reciben, a través de un mismo medio de transmisión, en cada extremo de la comunicación. Cuando se dedica un medio para cada sentido de la información, se beneficia la "claridad" con la que se establecen las comunicaciones. No obstante, si los mensajes son de tamaño pequeño, puede que estemos utilizando un medio sobredimensionado, y es preferible aplicar diferentes técnicas de turnos de parada o espera para mantener el flujo de la comunicación. Para los casos en los que la cantidad y el tamaño de los mensajes son elevados, lo ideal es disponer de un camino para los mensajes que se emiten y otro para los que se reciben, a través de un mismo medio de transmisión, en cada extremo de la comunicación. Cuando se dedica un medio para cada sentido de la información, se beneficia la "claridad" con la que se establecen las comunicaciones. No obstante, si los mensajes son de tamaño pequeño, puede que estemos utilizando un medio sobredimensionado, y es preferible aplicar diferentes técnicas de turnos de parada o espera para mantener el flujo de la comunicación.

Emisor

Tarjeta o módulo de comunicación

Tarjeta o módulo de comunicación

Receptor r

Medio de transmisión

© Julián A.

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Figura 1-44 : Transmisión y recepción simultáneas

La siguiente es una de las primeras novedades que podemos reseñar y es posible que el lector ya se haya preguntado: en una comunicación, ¿sólo existen emisor y receptor?. Emisor y receptor sólo son los papeles que desempeñan los participantes en un instante dado. Se puede establecer una comunicación entre, por ejemplo, un emisor y varios receptores. En este caso se trata de una comunicación que implica distintos destinatarios para un mismo mensaje. Además, estos últimos, junto al emisor del mensaje, están conectados a un mismo medio o línea transmisión. Algunos pueden recibir y participar activamente. Otros sólo están a la escucha y no participarán en la comunicación a no ser que se les interpele o indique con una señal. Así es como se desarrollan las comunicaciones hoy en día. Véanse los sistemas radiodifusión y las conversaciones entre radioaficionados. Emisor

Tarjeta o módulo de comunicación

Tarjeta o módulo de comunicación

Receptor 1

Medio de transmisión

Receptor 2

Receptor 3

Figura 1-45 : Un emisor y varios receptores

En los sistemas de comunicación actuales los elementos que se conectan, emisores y receptores, se denominan estaciones o unidades. Las estaciones son las creadoras o receptoras de los mensajes mientas que un medio de transmisión es el sistema que se adopta para el intercambio de información. Otra característica que podemos observar es la siguiente: se busca conseguir comunicar con varios receptores y, al mismo tiempo, utilizar un único medio de transmisión de nuestra parte, pero manteniendo la impresión de estar comunicando con cada uno de ellos individualmente. Las tecnologías tienen sus límites. Mientras la cantidad de información que viaja no sea excesiva, los sistemas pueden apreciar una dedicación individual del medio. Pero todos hemos oído hablar de la saturación de las líneas telefónicas. Cuando crece la cantidad de información, los receptores buscarán en qué ocupar el tiempo que el transmisor está dedicando a los otros participantes. La distribución geográfica de dispositivos terminales y la distancia entre cada dispositivo y el dispositivo al que se transmite son parámetros importantes que deben ser considerados cuando se desarrolla la configuración de una red. Los dos tipos de conexiones utilizados en redes son punto a punto y multipunto. Las líneas de conexión que solo conectan dos puntos son punto a punto. Cuando dos o más localidades terminales comparten porciones de una línea común, la línea es multipunto. Aunque no es © Julián A.

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posible que dos dispositivos en una de estas líneas transmita al mismo tiempo, dos o más dispositivos pueden recibir un mensaje al mismo tiempo. En algunos sistemas una dirección de difusión (broadcast) permite a todos los dispositivos conectados a la misma línea multipunto recibir un mensaje al mismo tiempo. Cuando se emplean líneas multipunto, se pueden reducir los costos globales puesto que porciones comunes de la línea son compartidos para uso de todos los dispositivos conectados a la línea. Para prevenir que los datos transmitidos de un dispositivo interfieran con los datos transmitidos por otro, se debe establecer una disciplina o control sobre el enlace. Cuando se diseña un red local de datos se pueden mezclar tanto líneas punto a punto como multipunto, y la transmisión se puede efectuar en modo simplex, half-duplex o full-duplex. Emisor

Tarjeta o módulo de comunicación

Tarjeta o módulo de comunicación

Receptor r

Medio de transmisión

A)

SIMPLEX

Emisor

Tarjeta o módulo de comunicación

Tarjeta o módulo de comunicación

Medio de transmisión

B)

SEMI-DUPLEX

Emisor

C)

Receptor r

Tarjeta o módulo de comunicación

Tarjeta o módulo de comunicación Medio de transmisión

Receptor r

FULL-DUPLEX

Figura 1-46 : Enlaces a) simplex, b) semiduplex, c) duplex

De esta forma, repartimos los tiempos de espera, ¿dejaríamos esperando a los demás, mientras finalizamos la conversación con uno de ellos? Esto podría originar inanición de la comunicación con ciertos receptores. Además, se entiende que el emisor está actuando como elemento activo. Toma la decisión de solicitar (enviando y ordenando la devolución) mensajes a los receptores. Estos mensajes requieren respuesta. Cuando establezcamos una comunicación de este tipo, diremos que el emisor actúa como maestro o principal, y los receptores como secundarios o esclavos. Desde el punto de vista del emisor, es en este tipo de comunicación en donde se aprovecha bien el medio de transmisión. Cada receptor está atendido por un medio que deriva de una misma rama, común a todos los receptores. Una de las características de las telecomunicaciones actuales permite este hecho. Sean los múltiples canales de telefonía, televisión, etc., que pueden obtenerse o servirse desde un mismo medio de difusión: central telefónica y emisora de televisión por cable. Adelantando © Julián A.

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contenidos podemos hablar de diferentes canales o bandas de frecuencias por un mismo cable, que permiten la transmisión simultánea de conversaciones, datos, etc.

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Obviamente, el aprovechamiento del medio y tipo de transmisión es uno de los objetivos de cada enlace o tipo de red de comunicación que encontramos en el mercado. 1.2.6 UNA APROXIMACIÓN CON APLICACIÓN INDUSTRIAL En un sistema de comunicaciones industriales, los mensajes se pueden enviar desde ordenadores a autómatas programables. También entre instrumentos de precisión, autómata programable, controladores de temperatura (PID) y conjuntos de válvulas motorizadas, etc. Las tecnologías de comunicación industrial, actualmente disponibles, permiten realizar la automatización de los procesos industriales de una forma fiable, con una mínima tasa de errores, con gran disponibilidad de opciones de explotación de datos, en condiciones de seguridad de las personas y las cosas, e integrando una elevada variedad de dispositivos. Podemos, por ejemplo, ser los responsables de automatizar un sistema transportador de cajas y, entre otras tareas a resolver, sincronizar la velocidad de varias cintas de transporte. Si optamos por un equipo que resuelva aisladamente esta aplicación, seguramente habremos ahorrado dinero y energía, a corto plazo. Sin embargo, si nuestro cliente desea integrarlo en un sistema de control de la producción de toda una planta, deberemos incorporar los componentes que permitan la transmisión de mensajes entre los componentes accionadores (convertidor de frecuencia y motor) y los sistemas de control. La decisión de incrementar o disminuir la velocidad del transporte depende en gran medida del jefe de producción. Tomada la decisión debe disponerse de un sistema automático y comunicado para transmitir la orden de avance a todo el sistema de transporte. Un autómata programable o un ordenador industrial recibirá la orden de avance con un mensaje de este tipo: "varía el transporte de 10 a 15 cajas por minuto". Es más, si se opta por medir la velocidad del motor, y disponer así de un sistema regulado, puede que el dato del sensor o dispositivo elegido para la medida de la velocidad del motor se convierta en parte de los mensajes traídos y llevados por el medio de transmisión. Cada par motor - variador se encarga de un tramo del transportador completo. Un autómata programable de última generación puede enviar y recibir mensajes de cada conjunto citado y tomar las decisiones oportunas, por medio de un programa de automatización. De esta forma, se pueden coordinar las velocidades de las distintas secciones de un transportador.

Figura 1-47 : PLC conectado con dos variadores de velocidad © Julián A.

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Los mensajes pueden tener más de un receptor, dado que existen varios motores. Además, un software de gestión de la comunicación, junto a un hardware en cada elemento, y un medio de transmisión adecuado, conseguirán que los mensajes alcancen, y tengan, sentido en cada extremo de la comunicación. Así disponemos de información distribuida por todo el conjunto de elementos conectados entre sí: desde un nivel superior de gestión de la planta, hasta el variador de velocidad que aplica la potencia necesaria al motor. Incluso si los dispositivos son de distintas marcas comerciales, se deberá garantizar el correcto funcionamiento y "entendimiento" de los mensajes. La utilización de dispositivos electrónicos específicos - adaptadores, tarjetas - permitirá la adecuada conexión eléctrica y mecánica. Dadas las características de los diferentes sistemas industriales, encontraremos mensajes a transmitir de un solo bit (por ejemplo, sensor de presencia de objeto en una cinta de transporte), un grupo de n bits (por ejemplo, valor de la velocidad de una de las cintas en formato binario) o incluso un valor analógico (por ejemplo, esa misma velocidad). Esto obliga a utilizar un formato y un tamaño para los mensajes, que para cada fabricante son o pueden ser diferentes. El objetivo es establecer las reglas del intercambio de información. De esta forma, los distintos fabricantes, adoptan sus reglas conforme a unas normas estándares, para todos y cada uno de los aspectos de la comunicación, desde el número de pines de la conexión, hasta cómo detectar el error en un bit. Estos serán sistemas abiertos de comunicación. Este objetivo de integración nos llevará a la utilización de normas comunicación, arraigadas en una marca comercial o en un estándar (europeo e internacional), para poder disponer de equipos de fácil sustitución, ante averías o ante necesidades de crecimiento. Y, ante un control de planta general o la explotación de datos, o ante los niveles de operadores, el medio "hardware" utilizado es el ordenador y tarjetas específicas de control y comunicación. Entre los medios "software", o programas de aplicación que están siendo implantados, se encuentran los SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition: supervisión, control y adquisición de datos), basados en dos aplicaciones fundamentales de la informática y las telecomunicaciones: redes de comunicación de datos y bases de datos. Estos sistemas se aplican desde hace más de dos décadas en compañías del sector del automóvil y de las petroleras, y desde hace una década, incluso, en pequeñas aplicaciones como minicentrales hidroeléctricas, a lo largo del curso de un río. Los sistemas SCADA unidos a los instrumentos, pantallas de operador, sistemas de seguridad, controladores e instrumentos, autómatas programables, sensores y equipos de transmisión, son la forma actual del control de procesos distribuido actual. 1.2.7 FUNCIONES DE UN SISTEMA DE COMUNICACIÓN INDUSTRIAL Entre las tareas que un sistema de comunicación debe cumplir encontramos:  Uso del medio de transmisión: técnicas de reparto de la capacidad del medio, para ser utilizado por más de una estación. Además técnicas del control para evitar la congestión del medio.  Generación de señales eléctricas: los valores eléctricos en los que se convierten los datos a transmitir deben ser generados e interpretados. En los sistemas de comunicación © Julián A.

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industrial existen repetidores que regeneran la señal, cada cierta longitud de la línea de transmisión.

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 Gestión de intercambio: al realizar una conexión se debe establecer si existen turnos de parada y espera o si se establece un camino para que cada estación realice la transmisión de sus datos, actuando el otro extremo de cada camino como receptor.  Sincronización: al menos se deben sincronizar, reconocer cuando una señal eléctrica comienza a llegar y cuando finaliza. De esta forma se permite realizar el establecimiento, el intercambio de información y la finalización de la comunicación.  Detección y corrección de errores: habrá que decidir cómo detectar los errores y si merece la pena la inversión de recursos (hardware y software) en la reconstrucción de la información, o simplemente, la repetición de la misma.  Control del flujo: lo normal es que el destinatario o receptor dedique parte de sus recursos a la comunicación establecida. Si enviamos información masiva, podemos desbordarlo. Existirá un mecanismo para establecer la fragmentación (trozos más pequeños) y el orden de envío de la información que se está intercambiando, incluyen- do tiempos de espera y turnos de espera.  Encaminamiento y direccionamiento: al utilizar diferentes caminos (véase la figura sobre topología en estrella), la red debe resolver los caminos por los que enviar los mensajes al receptor. Previa a esta tarea habrá que resolver la identificación del mismo.  Formatos de los mensajes: debe existir una concordancia entre los dos extremos que establecen la comunicación. Debe coincidir el orden en formar palabras de 16 bits cuando se envían los datos en 8 bits, o conocer- se la forma de envío para el correcto funcionamiento.  Restablecimiento: referido a la conexión desde el punto en el que se quedó la comunicación ante un fallo del sistema.  Seguridad: se refiere a que el emisor debe asegurar que el mensaje enviado se recibe solamente por el receptor destinatario. Es decir si hay que activar la válvula de admisión de agua, no debe activarse la del desagüe. En otro orden, se refiere a la asignación de acceso de elementos y personas a ciertos puntos clave de una factoría. Lo que lleva a la inclusión de claves y nombres de usuario (password y login). 1.2.8 TIPOS DE TRANSMISIONES SERIE Para comunicar datos en serie (cada bit seguido del siguiente por la misma línea), existen al menos dos formas atendiendo al “ritmo” de envío/recepción de los bits individuales.  Transmisión serie asíncrona  Transmisión serie síncrona

© Julián A.

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Figura 1-48 : Tipos de transmisiones serie

1.2.8.1 Transmisión Serie Asíncrona: La transmisión serie es aquella en la que la información es enviada bit por bit hacia un determinado destino, de tal manera que para esta técnica cada carácter consta de tres partes: un bit de inicio, bits de caracteres, bit de paridad, y un bit o varios bits de paro.

Figura 1-49 : Transmisión asíncrona: a) Diagrama de bloques básico, b) Formato de señal.

El bit de comienzo de la transmisión siempre es cero, y se utiliza para anunciar que comienza un carácter (bot de inicio). El número de bits de información es seleccionable a través del programa de comunicaciones utilizado (entre 5 bits y 8 bits normalmente). Los bits de Paridad se utilizan para © Julián A.

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verificar la integridad de la información (detectar posibles errores producidos en la transmisión por cualquier causa. Ver apartado específico al respecto más adelante). El tipo de bit de paridad a utilizar en una transmisión serie asíncrona concreta, puede seleccionarse tanto en el emisor como en el receptor de forma general de entre los siguientes:  PARIDAD PAR (EVEN) : Se pone el bit de paridad a “1” o a “0” de forma que el numero total de “1” trasmitidos (sin tener en cuenta bits de inicio y fin) sea PAR.  PARIDAD IMPAR (ODD) : Se pone el bit de paridad a “1” o a “0” de forma que el numero total de “1” trasmitidos (sin tener en cuenta bits de inicio y fin) sea IMPAR.  PARIDAD NONE : No se utiliza ningún bit de paridad. En la tabla siguiente se muestran los tipos posibles así como el valor del bit de paridad al transmitir el byte ‘A’ (en ASCII)65 decimal0x41 (0x es el prefijo que designa hexadecimal, aunque también en ocasiones se codifica como 16#41) 01000001b (b es el sufijo que designa binario, aunque en ocasiones se codifica como 2#01000001).

BIT DE PARIDAD Tipo VALORES PARIDAD PAR (EVEN) 0 PARIDAD IMPAR (ODD) 1 SIN PARIDAD (NONE) Tabla 1-1 : Tipos de paridad simple

Nótese que este método detecta únicamente un número impar de errores, pero no los corrige. En el caso de detectarse un error, el equipo que lo detecta solicita el reenvío de los datos al equipo emisor. El/los bits de paro siempre son unos. Este valor se mantiene por un tiempo seleccionable (1 bit, 1+1/2 bit , 2 btis ) indicando que ha culminado el carácter enviado. La unidad receptora puede detectar un carácter a través del conocimiento de las siguientes reglas:  Una línea desocupada siempre se encuentra en estado uno.  El inicio de la transmisión puede detectarse a partir del bit de inicio que es siempre cero. Los bits que le prosiguen le corresponden a los bits del carácter.  Para señalar la culminación de la transmisión se utiliza un bit de alto, el cual consiste en una línea que se mantiene en estado uno por más tiempo de lo predeterminado para un bit. En un principio la línea, sin transmisión, está a “1”. Los datos (palabra o carácter) a transmitir, va siempre precedida de un bit 0 durante un intervalo de tiempo (bit de arranque) y al final va seguida de 1, 1+1/2 o 2 bits a “1” (bits de parada). En el ejemplo siguiente se muestra una comunicación serie de una palabra de 5 bits, un bit de arranque, 1+1/2 bits de paro y sin bit de paridad.

5 BITS DE DATOS

1

1 BIT DE ARRANQUE © Julián A.

1,5 BITS DE PARADA

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Figura 1-50 : Ejemplo comunicación asíncrona

La característica fundamental de una comunicación serie asíncrona estriba en que el reloj que marca la velocidad de transmisión en el emisor (reloj del sistema S1 en el ejemplo), y el reloj que marca la velocidad de recepción (reloj S2 en el ejemplo), no son iguales, y por tanto no trabajan exactamente al mismo ritmo (a la misma frecuencia. Esto provoca que un envío de información del emisor puede ser recibido por el receptor de forma errónea debido a esta diferencia de frecuencias de trabajo. En el siguiente ejemplo vemos como, el envío de unos datos desde un emisor a una frecuencia de reloj S1, y recibido en el receptor a frecuencias de reloj S2 similares a S1 (caso 1), o distintas en mayor o menos medida a S1 (casos 2 y 3) provocan errores en la recepción de los datos emitidos.

Datos a enviar



0

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1

0

1

0

1

0

0

1 0 Reloj de emisor (S1) 

T1

Datos enviados (reloj S1) 

0

1

Caso 1 - Frec. Reloj S2S1 (T2  T1)

Datos recibidos (caso 1)

T2



0

1

Caso 2 - Frec. Reloj S2’T1)

Datos recibidos (caso 2)  0 Caso 3 - Frec. Reloj S2’’>>S1

1

1

1

1

0

0

1

0

0

T2’’

(mucho mayor frec  bajo tiempo entre tics)T2