Practica 3

 

COMUNICACIONES Y REDES INDUSTRIALES 2020/21

Enrique Parro Jimenez

PRÁCTICA 3: BUSES DE CAMPO El objetivo de esta práctica es evaluar el uso de un bus de campo para comunicar los elementos de un sistema de control como el que pueda encontrarse en cualquier ambiente industrial. El desarrollo de esta práctica será de tipo teórico, aunque aquellos alumnos que dispongan de Matlab podrán  experimentar con la simulación de buses de campo utilizando la librería TrueTime ( http://www.control.lth.se/truetime/  http://www.control.lth.se/truetime/   ).  Se deberán completar las siguientes tareas:

1. Estudio del impacto del tipo de bus de campo utilizado en el sistema de control.   Para ello se deberán analizar las diferencias entre el uso de un bus CAN (CSMA/AMP) y un bus PROFIBUS (Token Bus/Round Robín).

a) ¿Cómo y por qué influye el tipo de bus utilizado en la respuesta del sistema? (tenga en cuenta el tipo de protocolo de acceso al medio de cada bus, y la gestión de   colisiones/interferencias).

Solución: Introducción Como primera consideración a la hora de realizar el análisis comparativo entre topologías basadas en CAN bus y PROFIBUS debemos tener en cuenta los detalles detalles más significativos a alto nivel que definen la arquitectura del sistema. Así pues, conceptualmente podemos realizar una analogía entre los sistemas CAN y PROFIBUS respecto a los tipos de capas de transporte; es decir, la arquitectura de los sistemas CAN bus es análoga a el funcionamiento de la capa de transporte tipo UDP ( No orientado a conexión) y la arquitectura del sistema PROFIB PROFIBUS US es así mismo análoga a la capa de transporte tipo TCP ( Orientado a conexión). Primeramente, los sistemas CAN bus en sus modalidades más avanzadas, el CAN 2.0A/B, están normalizadas por la ISO 11898 en 1991 donde se detallan las características básicas del sistema para ser implementado, mientras que los sistemas PROFIBUS fueron normalizados con la DIN19245 en 1989. Así pues, la norma nos indica como de funcionar la capa física y la capa de enlace de datos, donde se especifican los detalles físicos y de control de acceso al medio necesarios para poder definir una topología o diseñar d iseñar un elemento que pueda funcionar en una red CAN o PROFIBUS.

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El primer detalle de estos dos sistemas es su arquitectura, en la que NO disponen de capas de transporte, red, sesión o presentación, ya que la propia intención del sistema es simplificar al máximo el sistema y dar cierta autonomía a los diferentes nodos.

Se aprecian las siguientes caracterís características ticas y diferencias comparadas atendiendo a cada capa:   Capa Física: Como primer datos significativo, se observa la similitud de los 2

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sistemas en cuanto al conexionado conexionado en su topología, usando una línea de 2 hilos (Half Duplex ) con terminadores en sus extremos y los elementos conectados conectados al bus principal, permitiendo que se añadan/quiten nodos sin afectar al funcionamiento de la red (Plug & Play ). ). 

A pesar de la primera impresión, las terminaciones en el CAN bus son de 120 Ω entre las líneas mientras que las del PROFIBUS son de 220 Ω entre las líneas y además, una terminación de 390 Ω de cada línea a Alimentación y GND, todo

esto ajustado a la normativa de RS485 tal como se muestra a continuación:

Consecuentemente, el funcionamiento a bajo nivel en términos eléctricos es Consecuentemente, diferente, ya que el CAN bus dispone de su propio p ropio protocolo definido en su norma que funciona en base a un sistema balanceado de niveles diferenciales

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(CAN_L y CAN_H) que tiene 2 estados, recesivo y dominante, tal como se muestra a continuación:

 

Dominante: la tensión diferencial ( CAN_H - CAN_L) es del orden de 2V,

con CAN_H = 3.5V y CAN_L= 1.5V (nominales).   Recesivo: la tensión diferencial (CAN_H - CAN_L) es del orden de 0V, con CAN_H = CAN_L = 2.5V (nominales). Por otro lado, el sistema PROFIBUS utiliza las especificaciones del protocolo RS485 para establecer sus comunicaciones, aunque es posible utilizar líneas de fibra óptica atendiendo las necesidades de distancias mayores o cargas de red muy altas. Así pues, los niveles lógicos se conforman realizando un cálculo muy básico (Va-Vb) de las 2 líneas que se muestra en la siguiente imagen:

Así pues, el sistema basado en CAN Bus establece relaciones lógicas estableciendo estados diferenciales, mientras que el sistema RS485 utiliza transiciones o flancos de subida/bajada para el mismo objetivo. En cuanto a los nodos/módulos de ambos sistemas, ambos disponen de transceivers y de controladores que se encargan de traducir los datos de entrada/salida del sistema hacia dentro/fuera.

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Un ejemplo de esto es un sistema de adquisición de datos de un prototipo aeronáutico, donde los sensores del avión se envían a un DAQ con tarjetas de adquisición analógicas y este dispone de una tarjeta “paquetizadora”  de  de CAN bus (u otro protocolo) que adapta la información al protocolo de CAN bus y lo inyecta a la red del CAN del avión que a su vez es leído por los sistemas de control y monitores del piloto. Finalmente, como resumen introductorio del sistema, es reseñable que en los sistemas de CAN bus disponemos de 64 nodos como máximo con sus ID univocas y los sistemas de PROFIBUS disponen de 32 3 2 pero siendo ampliables hasta 127 utilizando repetidores, lo que complica ligeramente la instalación del sistema.

Estudio del impacto del tipo de bus de campo utilizado en el sistema de control / Influencia del tipo de bus sobre la respuesta del sistema. Una vez comprendido los elementos básicos de la capa física, para realizar el impacto del tipo de bus sobre el sistema de control y poder responder a las preguntas formuladas sobre la influencia del bus al tiempo de respuesta, se debe analizar la capa de enlace de los 2 sistemas junto con sus protocolos, control de acceso al medio etc.  

CAN Bus

El protocolo de comunicación CAN está basado en CSMA/CD-AMP  (carrier-sense, multiple-access protocol with collision detection and arbitration on message priority )

que es un sistema de arbitraje anticolisiones para poder usar un bus común por parte de todos los posibles nodos del sistema y es una adaptación del sistema utilizado en redes ethernet. El primer paso del algoritmo de arbitraje es que, para poder establecer una comunicación entre nodos, cada elemento debe esperar un tiempo y vigilar la actividad del bus durante ese tiempo, siendo accesible por el nodo en caso de no haber actividad y viceversa. Una vez que el nodo tiene acceso al bus, inyecta la trama con los datos según la normativa CAN bus antes referida, donde se incluye un campo de 11 o 29 bits de identificación, que ejerce una doble función; por un lado es un identificador del nodo; por otro,  AMP ( AMP ). ejerce de valor de prioridad a la hora de realizar arbitraje en caso de colisión

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Esto permite al sistema no necesitar un maestro para poder enviar tramas de un nodo a otro, es decir, disponer de un sistema descentralizado donde existe un sistema anticolisiones robusto. Por otro lado, también es importante recalcar que aunque parezca una ventaja  evidente  el permitir iny inyección ección de da datos tos al bus de todos los nodos (multicast ) a la vez que lectura de una manera “ordenada” , esto pue puede de ocasiona ocasionarr problemas dependiendo de la carga del bus (0  – 100%) donde existen casos de sistemas con alta carga donde el sistema de colisiones y la configuración del sistema generan latencia o retrasos en el sistema. Es decir, un sistema CAN Bus debe dimensionarse teniend teniendo o en cuenta los niveles de prioridad, numero de nodos y la carga del sistema donde se debe integrar, siendo óptimo cuando el sistema de control tiene baja carga de tramas o por ejemplo, cuando se desea instrumentar un sistema para monitorizarlo sin necesitar mucha precisión en su control, como por ejemplo la instrumentación de los sistemas de monitorización de un avión o el control de periféricos no críticos de un automóvil, donde se prima más la cantidad y la flexibilidad sobre otros factores. Consecuentemente, un sistema CAN bus no sería recomendable para control de robots Consecuentemente, de precisión o para automatización industrial donde se requiere un “input/output”   requiere de alta precisión.  

PROFIBUS

El caso de PROFIBUS es diferente al del sistema CAN Bus, ya que este es un sistema Orientado a Conexión tal y como mostrábamos anteri anteriormente ormente en su analogía con el protocolo TCP. Así pues, aunque es un sistema descentr descentralizado alizado como el CAN bus, dispone de un sistema Maestro-Esclavo pero con las particularidades de la arquitectura Token Ring.  Ring.  El sistema Token Ring funciona, Ring funciona, de una manera resumida, efectúa una rotación del rol de maestro entre las diferentes estaciones activas o candidatas a maestro, que habilita a las mismas a inyectar datos al bus o solicitar información a alguna estación/nodo.

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Además, una vez que un nodo recibe el token token o  o testigo, cada nodo evalúa si la dirección de destino es la suya para poder transmitir y una vez aceptado esto, debe evaluar el nivel de prioridad del mensaje con respecto al campo de prioridad del testigo para poder transmitir. Consecuentemente, un sistema PROFIBUS dispondrá de unas  virtudes en contraste Consecuentemente, con otros sistemas basados en continua carga de datos sobre el bus, tales como el CAN Bus. Primeramente, aunque no resulte necesario siempre, es bastante robusto tener un sistema donde las comunicaciones se realizan mediante conexiones confiables y consecuentemente, consecuenteme nte, liberando al bus principal de carga de datos no necesarias (broadcast ) y así mismo, librándonos de retardos o problemas generados por colisiones y consecuentes algoritmos de arbitraje. Es por ello que un sistema donde se prioricen la calidad  de la información por encima de la cantidad  debería usar un sistema PROFIBUS en aplicaciones como robótica industrial o sistemas automatizados ya que es preferible procesos más lentos (con más retardo) a procesos con errores. Por otro lado, si atendemos a las diferentes configuraciones respecto respecto a la capa física del sistema PROFIBUS, la posibilidad de usar RS485 o fibra óptica, además de introducir el factor “repetidores” , nos permite crear sistemas más amplio en términos físicos, lo que es una invitación a ser aplicado a un entorno industrial o fabrica que pueda ser monitorizado a tiempo real desde los puestos de inspección y donde el rol de maestro pueda ser reclamado en caso de emergencia. Consecuentemente, un sistema PROFIBUS es un sistema óptimo para instalaciones Consecuentemente, industriales de precisión y donde la seguridad y calidad priman sobre otros factores.

2. Estudio del impacto de la longitud del bus en el control de la planta. Suponga un sistema de control sencillo compuesto por una planta y un controlador  conectados

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mediante un bus PROFIBUS (RoundRobin) con cable RS-485, RS-48 5, con una separación de 100m entre ambos:

a) ¿Qué influencia tendría en el sistema de control si la distancia entre ambos elementos se incrementase a 1200m?   b) ¿Cómo deberá adaptarse la red para poder obtener una respuesta estable para el sistema modificado?

Solución: La configuración PROFIBUS en modo RoundRobin está basada en un algoritmo de planificación a la hora de computar la información, que a grandes rasgos, establece una tabla de tiempos (time slots) de recepción del paquete y de ejecución en cada proceso, donde cada proceso puede asignarse a diferentes nodos, tal como se muestra en la siguiente imagen:

Así pues, si disponemos de un sistema sistema simple con un controlador y una plan planta ta interconectados por RS485, usar el sistema RoundRobin para unas longitudes de 100 metros no debiera generar problemas en cuanto a los l os tiempos de propagación de las tramas enviadas por la línea y el ancho de banda, según indica el “PROFIBUS Manual”   y se muestra a continuación:

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En la tabla nos indica que a una distancia de 10 100 0 metros entre el transmisor y el receptor, siempre tendremos tendremos un ancho de banda máximo utilizando el cableado según la norma de RS485 (2 hilos par trenzado). Por ello, disponiendo del ancho de banda máximo, la planificación Round Robin parece más que soportable para la arquitectura propuesta.

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INFLUENCIA SOBRE EL SISTEMA DE CONTROL A 1200 M

Tal como se ha reflejado en la tabla anterior, al aumentar a una distancia de 1200 metros, siendo el máximo permitido por la norma PROFIBUS para garantizar una integridad de comunicación, se observa que la tasa de datos se reduce a 9,6 kbits/s  reduciendo considerablemente considerablemente el ancho de banda. Con esta situación, una configuración Round Robin seria el peor p eor de los casos, ya que cualquier planificación que hagamos de los time slots para cada proceso tendrá que tener en cuenta la longitud de propagación de la trama a 1200m. Consecuentemente, con esta configuración se estaría destruyendo o al menos Consecuentemente, poniendo en extremo parte de los requerimientos del sistema PROFIBUS de “times ratios”  para  para asegurar que las secuencias entre nodos (Master-Slave) funciona correctamente. Como resumen, después de la pausa de sincronización Tsyn para marcar el inicio de la secuencia, un paquete de “Request” se envía desde el maestro al esclavo, donde el esclavo debe responder entre los valores mínimos y máximo de TSDR . Además, el valor de TSL es el valor de espera del maestro para recepcionar la respuesta del esclavo.

Estos valores se especifican en la siguiente tabla:

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Atendiendo a esto, y teniendo en cuenta que los valores de las tablas están basados en bit time, que son el tiempo requerido para transmitir un bit a una velocidad en baudios concreta (1 tbit = 1/baud rate), se puede observar que los tiempos de envio de paquetes y los de confirmación del esclavo hacia el maestro se incrementan bastante, bastante, desde los 100 bit time para < 100m de TSL hasta los 1000 bit time para 12.000 metros de longitud.

Así pues, no resulta necesario realizar cálculos para entender que existe un conflicto serio entre los requisitos de Time Ratios del protocolo PROFIBUS y la configuración Round Robin si establecemos una distancia de 12000. El retardo en la línea del bus y los posibles errores/perdidas de paquetes debido a la restricción temporal de RounRobin para permitir al maestro emitir (time slot o quantum), hace que el sistema no sea fiable ni robusto y que con total seguridad, tenga pérdidas inadmisibles inadmisibles.  

MODIFICACION SISTEMA PARA GARANTIZAR ESTABILIDAD

A priori, dependerá de si se acepta una modificación en cuanto a la arquitectura del sistema solamente o si aceptamos utilizar otro sistema que no sea Round Robin. En cualquier caso, lo que parece necesario en este sistema es la instalación de varios repetidores en la línea atendiendo a un estudio de tiempos que se realice respecto a la planificación ya hecha para el sistema en formato Round Robin, y los retardos una vez integrados los repetidores en el sistema, siguiendo la filosofía del  “PROFIBUS Manual” :

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Otra alternativa seria reconvertir el cableado de RS485 a Fibra Óptica (Profibus lo permite) ya que esta se comporta bastante bien en transmisión de datos a largas distancias con un buen ancho de banda y podría solventar el problema de los retardos generados por el sistema Round Robin, aunque sí es cierto que el coste de la instalación se elevaría.

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