iniciación a las redes de comunicaciones...

Cuaderno Técnico nº 147

Iniciación a las redes decomunicaciones numéricas

Por: E. Kning

Cuaderno Técnico Schneider n° 147 / p. 2

La Biblioteca Técnica constituye una colección de títulos que recogen las novedadeselectrotécnicas y electrónicas. Están destinados a Ingenieros y Técnicos que precisen unainformación específica o más amplia, que complemente la de los catálogos, guías de producto onoticias técnicas.

Estos documentos ayudan a conocer mejor los fenómenos que se presentan en las instalaciones,los sistemas y equipos eléctricos. Cada uno trata en profundidad un tema concreto del campo delas redes eléctricas, protecciones, control y mando y de los automatismos industriales.

Puede accederse a estas publicaciones en Internet:

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Los autores declinan toda responsabilidad derivada de la incorrecta utilización de las informaciones y esquemasreproducidos en la presente obra y no serán responsables de eventuales errores u omisiones, ni de las consecuenciasde la aplicación de las informaciones o esquemas contenidos en la presente edición.

La reproducción total o parcial de este Cuaderno Técnico está autorizada haciendo la mención obligatoria:«Reproducción del Cuaderno Técnico nº 147 de Schneider Electric».

cuadernotécnico no 147

Iniciación a lasredes decomunicacionesnuméricas

Por: E. Kning

Trad.: J. A. Pérez y J. M. Giró

Edición francesa: septiembre 1 993

Versión española: marzo 2 000

Eric KNING

Es Ingeniero diplomado por la EcoleNationale Supérieure d'Electricité etde Mécanique y titular del DEA deIngenieros de sistemas industrialesdel Institut National Polytechnique deLorraine.

Con su primeros trabajos seespecializa en el campo de las redeslocales industriales.

Entra en Merlin Gerin en 1990 y seencarga del patrimonio tecnológico yla normalización de BatiBUS en elDepartamento de Sistemas deControl de Edificios.


Terminología

Asíncrona: se dice de unatransmisión en la que el receptor seresincroniza, es decir, regula su relojsobre el emisor a cada inicio decarácter.

Bit (BInary digiT): unidad elementalde información que sólo puedeadoptar dos valores: 0 ó 1.

Bus paralelo: sistema de transmisiónde información que permite transmitirvarias señales digitales a la vez,sobre hilos diferentes (por ejemplo,16 ó 32 bits a la vez en el caso de losBUS de ordenadores). Estos BUSdisponen en general de hilossuplementarios que permiten elcontrol de la transmisión.

Bus serie: sistema de transmisión deinformación en el que estasinformaciones, incluidas las decontrol, se transmiten sucesivamenteuna tras otra.

Canal: camino por el que circulaninformaciones; vía que permitetransferir datos.

Checksum: (suma de control): es uncódigo detector de errores; consisteen una información reduntante,transmitida generalmente al final dela trama, y que permite detectarerrores simples.

Codificación: conjunto de reglas queestablecen una correspondenciaentre dos conjuntos de elementos.

CRC: (Cyclic Redundancy Code):código de repetición cíclica. Es uncódigo detector de errores; consisteen una información redundante,calculada según un algoritmoparticular, transmitido generalmenteal final de la trama, y que permitedetectar errores sobre varios bits a lavez. Existen varios tipos de CRC:CRC16, CRC CCITT, etc.

Destinatario: equipo a quien vadestinado un mensaje.

Determinista: se dice de una red enla que la transmisión de mensajesestá asegurada en un tiempo dado.Las uniones centralizadas osemicentralizadas son siempredeterministas.

Dirección: información que permitedirigirse a un destinatario dado.

Emisor: equipo que es el que inicia laemisión de un mensaje.

GTB: Gestión Técnica de Edificios.

GTC: Gestión Técnica Centralizada.

GTE: Gestión Técnica de laelectricidad.

GTP: Gestión Técnica de Procesos.

Medio: soporte físico de un canal detransmisión de información (porejemplo, un par trenzado);normalmente conocido como «BUS».

Octeto: conjunto de informaciónconstituido por 8 bits.

Protocolo: conjunto de reglasnecesarias para hacer cooperarentidades generalmente distantes,en particular para establecer ymantener intercambios deinformación entre dichas entidades.

Corrientemente se habla de«protocolo a nivel aplicación» o«protocolo de acceso al medio».

Red: sistema de transmisión dedatos numéricos.

Síncrona: se dice de aquellatransmisión en la que el emisor y elreceptor están exactamentesincronizados, es decir, que tienenun reloj idéntico al menos durantetodo el tiempo el tiempo de duraciónde un mensaje.

Trama: conjunto de bits o de octetosconsecutivos, que constituyen unelemento de información transmitidocomo un todo por los niveles 2«enlace». El equivalente de unatrama en una conversación es lafrase; la frase puede ser muy corta(«OK») o ser un elemento dediscusión más largo.

Nota de los traductores: En esteCuaderno Técnico se ha preferidotraducir la palabra «numérique» por«numérico» y no por «digital».


Índice

Iniciación a las redes de comunicaciones numéricas

La inteligencia, si no comunica, esestéril.

Merlin Gerin es especialista en eldominio de la energía eléctrica.

Este dominio pasa cada vez más porla agrupación de aparamentainteligente y automatismos localesque deben comunicarse entre ellostanto a nivel control-comando comode supervisión.

Esta comunicación se hace pormedio de redes formadas porconexiones numéricas, normalmentedenominadas BUS.

El objeto de este Cuaderno Técnicoes proporcionar un mejorconocimiento de los BUS, sufuncionamiento y posibilidades, asícomo el vocabulario a ellos asociado.

De este modo se podrá tener unconocimiento más profundo del BUSy de su puesta en marcha, enparticular del BatiBUS, y de lossistemas que su instalación permiteformar.

1 Historia de la transmisión de la información p. 6

2 Noción de red p. 7

3 Diferentes tipos de redes Tipos de redes según su p. 8extensión

Tipos de red según sus p. 8campos de aplicación

4 Especificación de redes locales El modelo OSI p. 11

Tres niveles esenciales: 1, 2 y 7 p. 12

5 Merlin Gerin y las redes JBUS p. 15

NERVIA p. 15

BatiBUS p. 15

FIP p. 15

6 Conclusión p. 16

Anexo 1: Normalización de Las instancias de normalización p. 16

redes numéricas Normas p. 16

Proyectos de norma p. 16

Anexo 2: Características eléctricas JBUS p. 17de los BUS BatiBUS p. 17

FIP p. 17

Los BUS y la CEM p. 18

Bibliografía p. 18


El primer corredor de Maratón entróen la leyenda: este soldado griegorecorrió 42,195 km para transmitir sumensaje: «hemos ganado», antes demorir agotado.

La transferencia de información hamejorado a lo largo de los siglos:desde la malla de torres para eltelégrafo óptico su progreso ha sidoconstante. No obstante, estosavances han sido relativamentelentos hasta la revolución resultantedel empleo de la electricidad: con lasllamadas señales de «bajaintensidad».

La primera aplicación de laelectricidad, en el sector de lainformación, fue la invención deltelégrafo, registrado en 1 840.Samuel Morse le asoció su nombre,definiendo el primer código para latransmisión de información.

En nuestros días, tanto en el sectorde gran público como en el industrial

1 Historia de la transmisión de la información

y terciario, existen numerosas yvariadas transmisiones.

n en el primer sector, todo el mundoconoce y utiliza los enlacestelefónicos, de radio, de TV, etc

n en los demás sectores, losenlaces hilo a hilo del tipo «todo onada» dan paso cada vez más a latransferencia de informacionesnuméricas conducidas sobre «BUS».

Esta evolución es el resultado delextraordinario desarrollo deltratamiento de la información, quetuvo su origen en la informática,después en la automática industrial,y ahora en la gestión técnica deedificios y de la distribución eléctrica(GTB y GTE).

Además, el empleo demicroprocesadores en las lavadoras,captadores, actuadores, etc. hahecho que se les califique deaparatos «inteligentes». Ahora bien,para poder utilizar satisfactoriamente

Fig. 1: Evolución de la transmisión de lasinformaciones.

esta inteligencia, debe de pasar suinformación y lo hace cada vez másgracias a los enlaces numéricos(gracias precisamente a los «BUS»)que son el objeto de este CT.

humana

numérica

eléctrica

mecánica

fiabilidadrapidez


Las redes, en el sentido amplio,forman parte de nuestra vidacotidiana; unas realizan el transportede la energía: redes eléctricas; otrasson, por ejemplo, las redes dedistribución de agua o del gasnatural... Las redes de gas o de aguaestán formadas por tuberías ocanales de diversas secciones. Las«tuberías» de la red eléctrica estántambién llenas; llenas de electrones,invisibles a simple vista y que sedesplazan por su interior.

Actualmente, una gran parte delintercambio de informaciones sehace por medio de redes eléctricas.

La red eléctrica o electrónica mássencilla une un punto con otro: es elenlace punto a punto. Cuando senecesita unir varios puntos se deberealizar una red más compleja. Enparticular, una parte de la red puedeser común a varios puntos. La red detransporte de Muy Alta Tensión es unejemplo de una red compleja.

Los canales eléctricos del mundo dela transmisión de información son devarios tipos:

n cable para transmitir informaciónbinaria (presencia/ausencia detensión),

n corriente portadora por la que seenvía una señal eléctrica(superpuesta a los 50 Hz),

n línea especial: par trenzado, cablecoaxial,

La transmisión de información porcanales eléctricos se utiliza cada vezmás.

Hay otras redes que también realizanel transporte de información. Suscanales adoptan formas físicas muyvariadas:

n ciertas ondas electromagnéticas,llamadas ondas radio, se empleanpara transmitir información. Entonces

un canal corresponde a una bandade frecuencia dada. Puedenemplearse varios canales juntos paradifundir informaciones diferentes.

n gracias a la fibra óptica también sehan desarrollado canales ópticos;esta técnica, que transporta señalesluminosas, permite la transferenciade gran cantidad de información aelevadas velocidades.

La información se transporta de dosformas:

n en forma analógica: emplea latensión o la corriente en una gamacontinua de valores: ondas radio, deteléfono (a nivel de terminales); porejemplo, el uso de 0 a 10 V o de 4 a20 mA es frecuente en la industria, enmediciones y regulación. La formaanalógica de transmisión tiene ungran inconveniente: es sensible alruido y a los parásitos. Unchisporroteo en una transmisióntelefónica no es muy molesto, perolas «máquinas» no tienen la mismacapacidad de «filtrado» y puede darlugar a falsa información.

n forma numérica (digital): en todomomento se transmite una de lasdos informaciones «on» u «off» (omejor, «1» ó «0»). Esta información,la más simple que transmite, sellama «bit». Un conjunto de bitsrepresenta una información más rica.

En concreto, la asociación de bitspermite transmitir cifras o letrassegún una codificación particular(figura 2). El principio del lenguajecodificado no es nuevo; el ejemploprobablemente más conocido es elde Morse que se utilizaba en eltelégrafo.

Pero la comunicación necesita deciertas reglas. Tiene que hablar sinambigüedades, el mismo lenguaje,tener un vocabulario común y uncomportamiento bien definido. Eldiálogo entre individuos puedeadoptar diversas formas. Cuando seencuentran juntos, por ejemplo, ¿quécomportamiento tienen?; ¿hablantodos entre ellos o separadamenteen grupos de dos o tres?; ¿se tratade una conferencia o de un curso enel que el profesor preguntasucesivamente a cada alumno?Todos estos comportamientos sedan en los intercamios deinformación en las redes.

Evidentemente, ya se trate demáquinas o de equipos electrónicosunidos por una red de transmisiónnumérica, estos comportamientosdeben de tener una forma definida.

Estas nociones serán tratadas enprofundidad en el capítulo IV yespecialmente en el apartado: «elmodelo OSI».

2 Noción de red

Fig. 2: Ejemplos de codificación.

Codificación binaria de 8 bits: representación del número 9: 0 0 0 0 1 0 0 1

Código alfanumérico ASCII de 8 bits representación de la letra A: 0 1 0 0 0 0 0 1

representación de la letra R: 0 1 0 1 0 0 1 0

representación del número 1: 0 0 1 1 0 0 0 1

representación del número 9: 0 0 1 1 1 0 0 1


Las redes responden a necesidadesque pueden ser muy diferentes.

De la misma manera que los cableseléctricos están adaptados al valorde tensión y de corriente que han detransportar, existe una gran variedadde redes en función de cada una delas necesidades.

Tipos de redes según suextensión

Sus necesidades pueden definirsepor su extensión geográfica:

nnnnn WAN («Wide Area Network» o red agran distancia): cubre necesidadesinternacionales (servicios de reservaaérea) o nacionales (servicios de laSeguridad Social).

nnnnn MAN («Metropolitan Area Network»o red ciudadana): cubre necesidadesa escala de una ciudad (gestión deedificios municipales).

nnnnn LAN («Local Area Network» o redlocal): cubre necesidades limitadas auno o varios edificios próximos entresí, que pueden ser de uso industrial,terciario o doméstico).

Estas necesidades son satisfechaspor redes que permiten intercambiosa distancias que pueden serimportantes; utilizan la conexiónserie y se llaman «de enlace simple»(figura 3a).

También existen sistemas con«enlaces complejos», para los quelas distancias a cubrir son muypequeñas: algunos centímetros. Esel caso de diferentes elementos quetrabajan en muy estrechacolaboración por medio de unsistema de BUS llamado conexiónparalelo, (figura 3b).

Estos BUS paralelo se emplean enautómatas programables yordenadores, asegurando lasuniones entre las diversas tarjetas. ElBUS VME es un ejemplo muyconocido.

3 Diferentes tipos de redes

Fig. 3: Tipos de uniones numéricas.

Tipos de red según suscampos de aplicación

Los diferentes campos de aplicaciónson:

ooooo telecomunicaciones,

ooooo informática,

ooooo control de procesos industriales,

ooooo control de las utilidades paraedificios,

ooooo control de la distribución eléctrica.

Para cada uno de estos camposexiste una oferta más o menoscompleta. Normalmente lasnecesidades están jerarquizadas (enpirámide) según varios niveles; cadauna de estas redes tienecaracterísticas y prestacionesadaptadas.

nnnnn En el campo de lastelecomunicaciones, el teléfonorepresenta la necesidad básica.

Hoy en día, la mayor parte de lasempresas están equipadas de télex yfax, y normalmente tienen unautoconmutador numérico. Estopermite funciones evolucionadas detransferencias, conferenciastelefónicas, numeración abreviada,

La introducción del RDSI (Red Digitalde Servicios Integrados -llamadaNuméris en Francia-), prestaservicios de transferencia de voz, dedatos y de imágenes, del mismomodo que ATM (AsynchronousTransfer Mode), que permitevelocidades muy elevadas (de 25 a155 Mbits/s; recordemos:1 Mbit = 106 bit).

a - conexión serie (redes unifilares). (Atención, la palabra «serie» se aplica a latransmisión de informaciones y no al modo de conexión).Consta de:

nnnnn medio: un par de hilos (hilos telefónicos, por ejemplo),o cable coaxial;

nnnnn transmisión de datos en serie: uno tras otro,en forma de bits;

nnnnn conexión de equipos o unidades: se "cuelgan" de la red olínea:ooooo por derivación desde un cable principal,ooooo en cadena de eslabones sucesivos.

b - conexión paralelo (redes multifilares).Consta de:

nnnnn medio: varios hilos, por ejemplo la conexión VME(norma IEEE 996) en su configuración más sencillaconsta de 96 hilos, para datos y direccionamiento.

nnnnn transmisión de datos: en grupo simultáneo(de 4, 8, 16, 24, etc...)

nnnnn conexión de los equippos o unidades: su conexiónse realiza siempre con varios hilos en paralelo.


nnnnn En el campo informático, la ofertaes muy completa y jerarquizada.

ooooo Para unir grandes ordenadores, seprecisa de una red de muy altorendimiento, como la FDDI (FiberDistributed Data Interface) y ademásATM.

ooooo Para unir varios mini o microorde-nadores entre ellos, se utilizan redestales como Ethernet o Token Ring,

ooooo Para unir terminales e impresoras,se emplea la unión punto a punto;existe una gran variedad de unionesde este tipo, entre ellas destacan:

- conexión Centronics, destinada alas impresoras,

- RS232C/V24: para transmisionessíncronas o asíncronas,generalmente punto a punto (líneastelefónicas especializadas, unión determinales a corta distancia);

- RS422A/V11: permite latransmisión en entornos perturbadoso a distancias importantes; tambiénse emplea para uniones multipunto(máximo 10 receptores);

- RS485: de característicasequivalentes a la anterior, pero mejoradaptada a las redes localesindustriales: hasta 32 emisores yotros tantos receptores (figura 5).

nnnnn En el campo del control deprocesos industriales (GTP o GestiónTécnica de Procesos), la oferta estambién muy rica y jerarquizada.Cuando los captadores y actuadores«todo o nada» pasan a serinteligentes, las uniones punto apunto se reemplazan por BUS deterreno.

Estos captadores y actuadoresdialogan entre ellos y con losautómatas, robots, utilizando redesde automatismos, como por ejemplo,JBUS o FIP.

A nivel superior, los ordenadores degestión y de supervisión de tallerdialogan gracias a una red MAP(Manufacturing Automation Protocol) oEthernet (Figura 6).

nnnnn En el campo del control deservicios para edificios, la oferta estánaciendo.

Hasta ahora para los edificios deviviendas había algunos equiposprogramables sencillos, y algunasrealizaciones de GTC (GestiónTécnica Centralizada) muycompletas, pero en generaldesarrolladas enteramente a medida,con componentes de tipo autómataprogramable y calculador.

Hoy en día, es una realidad el controlde los servicios para edificios:automatismos de confort(calefacción, alumbrado, maquinaria)y de seguridad (incendio, intrusión).Se emplea la inteligencia distribuida,y de ahí una previsible evolución de laGestión Técnica Centralizada, y lanecesidad de un BUS conprestaciones adecuadas.

3

2

1

0

gestión de factoriared de fábrica:MAP, Ethernet

Red de supervisión:FIP, Profibus, JBUS

Bus de terreno:FIP

superior GTP

captadores/accionadoresinteligentes

autómatas

Fig. 4: Diferentes tipos de red.

Fig. 5: Niveles de comunicación en los intercambios informáticos.

Fig. 6: Niveles de comunicación en la Gestión Técnica de Procesos.

redes de unión de sistemasaltamente conectados

WAN

MAN

LAN

tarjetas electrónicasconectadas a un BUS paralelo

redes de unión de sistemasdébilmente conectados

3

2

1

0

gestión de empresared de empresa:ATM, FDDI

red de ordenadores:Token Ring, Ethernet

unión de terminales:uniones serie

mini-ordenadores

micro-ordenadoresconcentradores

consolas, impresoras


El BUS de terreno dedicado a la GTB(Gestión Técnica del Edificio) ofrecela posibilidad de cablear o precablearun edificio a un bajo coste, conectarnumerosos equipos «inteligentes» ypermite crear aplicaciones adaptadasa las necesidades, además,modificables. Estos equiposinteligentes son termostatos,captadores de radiación solar,aparamenta electromagnética,

aparatos de control de fluídos (agua,gas, aire,), motores, detectores deintrusión, cámaras frigoríficas,sistemas de ascensores,calefacción, etc.

No es necesario que este BUS deterreno tenga prestaciones muyelevadas, pero sí es importante quesea fácil de instalar por un instaladorelectricista, y bajo coste.

Hay una diferenciación entre el BUSde terreno del campo del proceso ydel dominio informático: la grancantidad de información atransportar.

Las uniones con los nivelessuperiores (mando-control,supervisión) están aseguradas porredes ya empleadas en otroscampos, como por ejemplo laEthernet, JBUS o FIP (figura 7).

nnnnn El campo de la Gestión Técnica dela Electricidad está en plenaevolución. Tanto en MT como en BT,hay numerosas tareas que puederealizar la aparamenta según elprincipio de inteligencia repartida.Esta aparamenta ha de intercambiarinformaciones con los «cuadroscentrales». A título de ejemplo,permite:

ooooo el mando y recogida deinformación sobre estados,

ooooo la compilación de medidaseléctricas (I, U, P) o mecánicas(número de maniobras),

ooooo la gestión de automatismossencillos (normal/socorro,desconexión temporal, ),

ooooo un mantenimiento con mejordiagnóstico:

- preventivo (conocimiento delnúmero de maniobras, desobretemperaturas orecalentamientos, de evolución de losaislamientos, ...),

- curativo (ayuda al diagnóstico, a larecuperación, ...).

Esta actividad de la GTE (GestiónTécnica de la Electricidad) escomparable, por sus exigenciasrespecto a la comunicación, a la deGTB (Gestión Técnica de Edificios.Las redes mejor adaptadas sonaquéllas cuyo protocolo permite unacceso al BUS cuando es necesario(figura 8).

Observación:

Siempre es interesante llegar a unbuen equilibrio entre las cualidadestécnicas y la necesidad real. Si ésteno es el caso, las prestacionesinútiles, si bien agradan el espíritudel técnico puro, son contrarrestadaspor un coste poco aceptable por elmercado (figura 9).

Fig. 7: Niveles de comunicación en Gestión Técnica de Edificios.

Fig. 8: Niveles de comunicación en Gestión Técnica de Electricidad.

Fig. 9: Relación prestaciones/coste de las diferentes redes.

3

2

1

0

gestión de empresa

supervisor GTB

captadores/actuadoresinteligentes

centrales de controly de mando

red de empresa:

red de supervisión:FIP, JBUS

telefoníadistribución vídeo

Bus de terreno:BatiBUS

3

2

1

0

gestión de empresared de empresa:MAP, Ethernet

red de automatismos:FIP, JBUS

Bus de terreno:BatiBUS

supervisor GTE

aparamentainteligente

centrales decuadros

prestaciones

coste delpunto de conexión

corrientesportadoras

radio

infrarrojos

Bus GTB / GTE :BatiBUS

Bus industriales/supervisiónMAP, FIP, Profibus, JBUS

Bus informáticaEthernet, Token Ring


En el capítulo 2, ya se explicó que lacomunicación entre varios exigealgunas reglas: necesita hablar sinambigüedades, el mismo lenguaje,tener un vocabulario común y uncomportamiento bien definido.

Por ejemplo, es el caso de lascomunicaciones marítimas,aeronáuticas y militares: «PapaCharlie de Romeo Bravo, ¿su QFE?».

El modelo OSI

Una red y su lenguaje deberán puesestar bien definidos y admitidosoficialmente; de ahí la importancia dela normalización en este campo(anexo 1).

Un organismo internacional, el ISO,(International Standard Organization),ha definido el modelo OSI. (OpenSystem Interconnection). Este modelodefine cómo se efectúa latransferencia del mensaje entre unemisor y un receptor. Se basa en undesglose en 7 etapas o nivelesfuncionales superpuestos (figura 10).Un nivel representa un subconjuntode funciones a aplicar para permitirque diferentes sistemas puedancomunicarse entre sí. Cada nivelofrece unos servicios al nivel superiory utiliza los servicios del inferior. Acada nivel se le asocian uno o variosprotocolos, descritos por normasbásicas (figura 10).

Este desglose en niveles permiteseparar las tareas y describir de unamanera sencilla las sucesivasoperaciones necesarias para latransferencia de mensajes:

El nivel 1, FÍSICO, transmite unasucesión de bits en el medio.

El nivel 2, ENLACE, controla losaccesos al BUS y detecta los erroresde transmisión.

El nivel 3, RED, maneja las posiblesrutas de la información en la red, através de eventuales subsistemas.

El nivel 4, TRANSPORTE, controla lacorrecta transferencia de todas lasinformaciones.

El nivel 5, SESIÓN, organiza ysincroniza de principio a fin el diálogoentre los usuarios.

El nivel 6, PRESENTACIÓN,determina la presentación de datos ypermite, eventualmente, lacodificación y decodificación de losmensajes.

El nivel 7, APLICACIÓN, determina elmecanismo de utilización de losservicios de la red, por parte de losusuarios.

El ejemplo de una conversacióntelefónica entre un francés y unjaponés permite presentar los nivelescomentados (figura 11):

nnnnn aplicación: los dos interlocutorestienen un objetivo común, elintercambio de informaciones;

nnnnn presentación: eligen un idiomacomún, el inglés;

nnnnn sesión: para evitar hablar almismo tiempo, conviene hablar porturno;

nnnnn transporte: acuerdan en utilizar elteléfono y marcan los númerosprecisos;

nnnnn red: a cada etapa, los serviciosnacionales de telecomunicacióndeterminan el camino físico (cable,enlace vía satélite, );

4 Especificación de redes locales

APLICACIÓN

PRESENTACIÓN

SESIÓN

TRANSPORTE

RED

ENLACE

FÍSICO

APLICACIÓN

PRESENTACIÓN

SESIÓN

TRANSPORTE

RED

ENLACE

FÍSICO

medio

QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ

¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢¢

En el protocolo de nivel 6, se define una lengua común

Fig. 10: Modelo Open System Interconnection -OSI-.

Fig. 11: Ilustración del modelo Open System Interconnection.


nnnnn enlace: las frases sontransmitidas por las diferentes partesdel camino físico;

nnnnn físico: la señal oral, transformadaen señales eléctricas o hertzianas,es conducida por los diferentessoportes.

El servicio prestado por el sistema esla transmisión de la conversación.Para ello, dicho servicio haceparticipar varios protocolos: elcomportamietno al teléfono, lanumeración, la transmisión físicacontrolada por los serviciosnacionales de telecomunicación

Observación: el modelo OSI nopermite resolver todos los problemasde intercambio, de ahí la necesidadde la elaboración de unas «normas»de acompañamiento específicas acada tarea u oficio (tema yvocabulario comunes).

Tres niveles esenciales:1, 2 y 7

Las diferentes redes utilizan en parteo en su totalidad las funcionesdescritas anteriormente. Los nivelesesenciales son: 1, 2 y 7, que son losdos extremos de la cadena, desde elsoporte físico y hasta el usuario;también realizan los principalesmecanismos internos (figura 12).

Nivel 1 (Físico):

Define las topologías aceptadas, elmodo de emisión y el soporte detransmisión.

nnnnn La topología de la red indica lasformas que puede adoptar:

ooooo una topología en BUS caracterizauna red lineal sobre la que seconectan todos los puntos. A resaltarque una estructura arborescente escorrientemente considerada como sifuese de tipo BUS,

ooooo una topología en estrella consisteen n enlaces punto a puntoconectados al mismo punto central,

ooooo una topología en anillo conectatodos los puntos sucesivamente y sevuelve a cerrar sobre el primeroconectado,

ooooo una topología en malla o redcombina las diferentes topologías(figura 13).

Nº esclavo Nº función Datos CRC16

1 octeto 1 octeto n octetos 2 octetos

nivel APLICACIÓN

nivel ENLACE nivel ENLACE

Fig. 12: Ejemplo de trama (trama JBUS).

Fig. 13: Diferentes tipologías.

Fig. 14: Ejemplos de modos de transmisión de las informaciones.

BUS anillo

arborescentes

estrella

malla o red

codificadorbanda básica

sucesiónde niveles

transmisión en banda básicaESQUEMA A:

ESQUEMA B:

ESQUEMA C:

transmisión en modulación de señal

Tres posibilidades de modulación de una portadora

amplitud frequencia fase

datos señal

sucesiónde bits

codificadorbanda básica

sucesiónde bits

modulación señalmodulada

portadora

01011

A cos ( 2 . . f . t + )


nnnnn El modo de emisión precisa laforma de la señal eléctrica sobre elsoporte.

La transmisión de las informacionespuede ser hecha en banda base(Base Band) o por portadora:

ooooo en banda base: la sucesión de bitsque representan los datos escodificada por medio de uncodificador de banda base (porejemplo, «0» corresponde al nivel0 V, «1» corresponde al nivel 15 V).La señal elaborada por el codificadorno experimenta ninguna transforma-ción antes de ser emitida sobre elsoporte (figura 14 esquema a),

ooooo por portadora: la señal en bandabase se emplea para modular otraseñal de forma senoidal llamadaportadora (figura 14, esquema b),

Muy frecuentemente utilizado en elámbito de la radio, este modo deemisión emplea las técnicas demodulación de amplitud (AM), demodulación de frecuencia (FM) o demodulación de fase. Pero entoncesse trata de informaciones en formaanalógica y no numérica. En el casode redes locales, estos mecanismosse tuilizan muy poco (figura 14,esquema c).

nnnnn El cable es el soporte detransmisión más frecuente. Puedeser un cable coaxial, un par trenzadoo un cable específico (4 hilos conblindaje, ). Para el proyectista, estacaracterística es importante porqueva a influir directamente en el costede la instalación. Dicho coste varía enfunción del precio del metro de cable,de la facilidad de instalación, de su

simplicidad de conexión y de lasdistancias a respetar frente a otroscables (del teléfono, de la redeléctrica 220/400 V, audio-visual).

El par trenzado es, en la mayor partede los casos, el soporte detransmisión más sencillo.

Nota:

Para los «BUS», que son cada vezmás empleados por los electricistasen instalaciones de Gestión Técnicade Edificios (GTB) y de GestiónTécnica de la Electricidad (GTE), sedan informaciones de tipo eléctricoen el anexo 2.

Nivel 2 (Enlace de datos)

Controla el acceso a la red. Define elmétodo de acceso al BUS y detectalos errores de transmisión.

Fig. 15: Tabla comparativa de las principales redes.

Ethernet Profibus FIP JBUS/MODBUS BatiBUS

destino red informática red control de BUS de terreno red control de BUS de terrenoproceso control proceso proceso control de edificios

tipo de equipo mini y micro captadores, captadores, equipos de captadores,conectado ordenadores actuadores de actuadores de automatismo actuadores de

control de procesos control de procesos control deautómatas autómatas edificios

medio coaxial 50 Ω par trenzado par trenzado par trenzado par trenzadopar trenzado blindado blindado

velocidad de 10 Mbit/s 9,6 kbit/s o 31,25 Kbit/s 19,2 Kbit/s máx 4,8 Kbit/s500kbit/s 1 Mbit/s ó 2,5

Mbits/s

acceso al CSMA-CD802,3 BUS de testigo árbitro de BUS Maestro/esclavo CSMA conprioridadesmedio transferencia

periódica de datosdifusión de datos

topología BUS BUS BUS estrella o BUS cualquiera

niveles del 1 al 7 1, 2 y 7 1, 2 y 7 1, 2 y 7 1, 2 y 7implantados

notas otros protocolos mensajería FMS mensajería(OSI, TCP/IP, Decnet...) (Fieldbus Message sub-MMSse implantan Specification) derivadasobre niveles de MMS y adaptadasuperiores a Profibus

Observaciones:

n Ethernet (802,3) no define normalmente más que los niveles 1 y 2. Otros protocolos (OSI, TCP/IP, Decnet) se implantangeneralmente en los niveles superiores.

n Las redes en tiempo real destinadas al control de equipos sólo utilizan los niveles 1, 2 y 7.


nnnnn El acceso al BUS puede ser:

ooooo controlado por un equipo único,que concede el tiempo de palabra alos demás (por ejemplo en forma depregunta). Este tipo de mecanismo,empleado por FIP o JBUS, seconsidera entonces como Maestro/Esclavo o centralizado,

ooooo condicionado por un derecho. Lacondición de acceso se llama«testigo»: su poseedor puede emitirun mensaje y a continuacióntransmitir el testigo al equiposiguiente. Es un mecanismo de tiposemicentralizado. Se empleaProfibus, y todavía en MAP,

ooooo aleatorio o descentralizado. Elequipo que quiere emitir verifica quela línea está libre. Si dos equipostoman la palabra a la vez, habrácolisión. El nivel ENLACE define laconducta a seguir: prioridad a uno delos dos emisores o retransmisióntras un retardo aleatorio. Estosmecanismos de accesocorresponden a los protocolos CSMA(Carrier Sense Multiple Access). Seemplean especialmente en Ethernet yen BatiBUS.

nnnnn El nivel 2 controla también si elmensaje que llega de la red está biendireccionado (ignora los demás).Define los mecanismos dedireccionamiento; éste puede serdirecto (dirección personal) o paragrupo físico o lógico (por cable o porciudad) o en modo difusión (paratodos los buzones),

nnnnn el nivel 2 controla, en suma, lacorrecta transmisión del mensaje:define los mecanismos delintercambio garantizando al emisorde un mensaje que el receptor lo harecibido bien.

Nivel 7 (Aplicación)

Según las posibles aplicaciones deuna red, se proponen diferentesservicios a los usuarios (mensajería,transferencia de ficheros, ). El nivel7 determina los mecanismos deempleo de estos servicios.

Recordemos que el usuario puedeser un operador humano o unprograma informático, incluso unautomatismo muy sencillo.

A título de ejemplo, la norma ISO/IEC-MMS (Manufacturing MessageSpecifications) define un conjunto deservicios de mensajería:

ooooo «context management services»:se utilizan para iniciar, acabar y pararla comunicación a otro usuario MMS,

ooooo «virtual manufacturing devicesupport services»: se utilizan paraobtener el código de un equipoalejado y para identificarlo,

ooooo «domain management services»:se utilizan para manejar los«sectores», es decir: ficheros,tablas, ...

ooooo «variable access services»: seutilizan para el acceso a lasdiferentes variables,

ooooo «program invocation managementservices»: se utilizan para la gestiónde tareas,

ooooo «semaphore managementservices»: se utilizan parasincronizar, controlar y coordinar losrecursos compartidos entre usuarios,

ooooo «operator comunication services»:proporcionan un mecanismo decomunicación con una estaciónoperadora y permiten la entrada y lavisualización de datos,

ooooo «event management services»: seutilizan para definir y controlar losresultados,

ooooo «journal management services»:permiten el trazado gráfico y lagestión de un diario de a bordo de laaplicación.

Para cada una de las redes JBUS/MODBUS y FIP se definen serviciosespecíficos a nivel de aplicaciones:

nnnnn Una red de automatismos como laJBUS/MODBUS define servicios deaplicación que permiten intercambiosentre autómatas. Las informacionesen general están constituidas poralgunos octetos. Los diferentesprogramas de automatismo tienen unconocimiento «a priori» de su

significado. Los servicios ofrecidosespecificamente por JBUS/MODBUSson los siguientes:

ooooo lectura de n bits,

ooooo lectura de n palabras,

ooooo escritura de 1 bit,

ooooo escritura de 1 palabra,

ooooo lectura rápida de 8 bits,

ooooo diagnóstico de los intercambios,

ooooo lectura del contador deacontecimientos,

ooooo lectura del buffer señal,

ooooo escritura de n bits,

ooooo escritura de n palabras.

nnnnn La red FIP constituye una base dedatos repartida trabajando en«tiempo real».

Permite:

ooooo la identificación lógica de lasinformaciones,

ooooo el reparto de informaciones (poroposición a los enlaces punto apunto) empleando mecanismos dedifusión,

ooooo asegurar la coherencia de lasinformaciones,

ooooo una gestión global de laspreferencias de paso de latransmisión.

Los intercambios se basan en:

ooooo la emisión por «árbitro» del BUShacia todas las estaciones, de unallamada (identificador) destinada aUN único abonado productor y atodos los consumidores interesados,

ooooo una respuesta emitida por ESTEabonado hacia todas las estaciones yutilizable por TODAS las estacionesque estén interesadas(consumidores).

nnnnn Una red de informática ofrece unosservicios de aplicaciones tales como:transferencia de ficheros,mensajerías, partición de disco duro,compartir impresoras, copias deseguridad, ...

Estos servicios son accesibles bien através de menús o bien manejadospor el ordenador de maneratransparente.


Existen tipos estándar y normas paramultitud de redes, según los ámbitoso sectores siguientes:

n en telecomunicación, los tiposestán, en general, biendesarrollados. Las operadoras sonpocas y se encuentran a nivelinternacional: son los ServiciosNacionales de Telecomunicacionesde los grandes países,

n en informática, los tipos estándarestán, en general, desarrollados poruno u otro de los grandes fabricantes(IBM, DEC,) y adoptados por losdemás fabricantes,

n en los sectores del Control deProcesos, del Control de laElectricidad y del Control del Edificio,la variedad es mayor. Losinterventores «potenciales» son másnumerosos: existen pocos tiposestándar actualmente.

Pero en los sectores de ladistribución y de la gestión de laenergía eléctrica, la red y los tiposestándar adaptados a lasnecesidades (velocidad detransferencia, tipos deinformación,) no existen todavía.Sin embargo, Merlin Gerin participaen grupos de trabajo que preparanlas correspondientes normas aaplicar en el futuro; y cuando espreciso, desarrolla la red adaptada oque responde a las necesidades.

A continuación se presentan 3ejemplos de BUS desarrollados porMerlin Gerin.

JBUS

En el sector del control de procesos(GTP), Merlin Gerin/April hadesarrollado, en los años 1 984-85 elJBUS para los enlaces entreautómatas. JBUS es un subconjuntodel estándar MODBUS.

NERVIA

En el sector del control/mando dereactores nucleares donde laseguridad es primordial, Merlin Gerinha desarrollado la red NERVIA. Lasexigencias en cuanto a prestacionesy a seguridad de funcionamientoprecisan disponer de un BUS quetenga tres propiedadesfundamentales:

n ser determinista,n autocontrolarse,n y ser tolerante a las averías.

Ninguna red existente en el mercadoofrecía estas tres propiedades.NERVIA es un BUS con «testigo», develocidad 2 Megabits por segundo,soportado por un cable coaxial de75 Ω.

BatiBUS

En el naciente sector del control deledificio, para enlazar los captadores,actuadores inteligentes y lascentrales ISIS, y en ausencia de unBUS específico, Merlin Gerin hacreado el BatiBUS. Esta red transmitemensajes cortos en modomultimaestro y eventualmente endifusión, con tiempos detransferencia medios de 100 a200 ms.

5 Merlin Gerin y las redes

Abierto a los participantes externos,varias decenas de constructores sehan agrupado en el club BatiBUScuyo objetivo es el de respaldar yagrupar esta oferta multiconstructor.Además la red BatiBUS estápendiente en estos momentos de sunormalización europea.

Sus características principales son:la facilidad de instalación, bajo costey evolutividad: es capaz de añadirfunciones conforme las necesidadeslo exijan. También permite: pensar enun diseño modular del edificiointeligente y multiplicar losautomatismos locales, dejando alinstalador el manejo del cuadroeléctrico.

El lector interesado por la utilizaciónde BatiBUS podrá remitirse a losdocumentos Merlin Gerin quepresentan el sistema de control deedificios ISIS.

FIP

Numerosos constructores trabajanen la normalización y el desarrollo deesta red FIP. En el campo deltransporte y la distribución de energíaeléctrica Merlin Gerin desarrolla FIPISIS que permitirá optimizar lascomunicaciones en los sistemas deprotección de las redes eléctricas(por ejemplo entre dispositivos deprotección numéricos SEPAM y unacentral de gestión de un centro detransformación MT).


Las instancias denormalización

La tabla de la figura 16 presentadiversas instancias que trabajan enel tema de las redes, especialmenteen Francia:

AFNOR: Association Française deNormalisation,

UTE: Union Technique de l'Electricité,

FT: France Télécom,

Normas:

n NF Z 70-001: «Interconexión desistemas abiertos». Esta norma estáde acuerdo con la norma ISO 7498.

n IEEE 802.3: para Ethernet.

n IEEE 802.4: para MAP.

n IEEE 802.5: para IBM Token Ring.

Anexo 1: Normalización de redes numéricas

ig. 16: Las instancias de normalización.

Telecomunicaciones Electrotecnia otras aplicaciones

Internacional ITU IEC, CIGRE, ... ISO

Regional (Europa) ETSI CENELEC CEN

Nacional (Francia) FT UTE AFNOR

Nacional (Alemania) VDE DIN

Regional/nacional FCC EIA, IEEE, EPRI, ... ASHRE, AME, ...(USA)

n ISO-IEC 95.06-1: definición deservicios.

n UTE C 46-602 y siguientes: paraFIP.

n UTE C 46-620 y siguientes: paraBatiBUS.

Proyectos de norma

n CENELEC: pr EN 50170: norma debase para las redes de terreno.

n CENELEC: pr EN 50090: definiciónde las comunicaciones a bajo nivelen domótica.

6 Conclusión

Sin ser explícito en cuanto al «cómova», este documento desmitifica elfuncionamiento de los enlacesnuméricos, en otras palabras: losBUS.

En efecto, con la descentralización dela inteligencia en los sistemas degestión técnica, los intercambios deinformación en forma numérica entre

los diversos componentes de unainstalación serán cada vez másfrecuentes en el sector eléctrico.

Esta evolución es imparable y es, sinduda, la más importante de finales deeste siglo.

Probablemente, la mayor evoluciónpodrá venir con la tecnologíamultimedia (ATM). Por una parte, las

grandes velocidades de informaciónque permite, así como la bajada decostes permitirán sin dudaenriquecer, descentralizar sufuncionamiento y hasta adelantarse alas funciones requeridas por losnuevos productos.

Por otra parte, la combinación deimágenes, voz y datos podrádesembocar en nuevas funciones.


Anexo 2: Características eléctricas de los BUS

JBUS

JBUS puede utilizar cuatro modos deemisión, correspondientes a losenlaces punto a punto reseñados enel capítulo 3, a saber:

o bucle de corriente,

o RS232-C,

o RS422-A,

o RS485.

Bucle de corriente (no normalizado)

Este modo de transmisión empleados bucles, uno para la emisión yotro para la recepción:

nnnnn la corriente atraviesa todos losreceptores (en serie);

nnnnn niveles de corriente (emisión):nivel «0»: 0 mA ó 4 mA (según lasvariantes); nivel «1»: 20 mA;

nnnnn nivel de recepción:estado abierto (nivel «0»): 5 mA,estado cerrado (nivel «1»): 10 mA;

nnnnn velocidad máxima: 9,6 Kbits/s;

nnnnn enlace punto a punto o multipunto,según la red;

nnnnn longitud máxima: 3 000 m;

RS232-C (EIA)

n tensión de emisión:nivel «0»: +5 a +15 V(generalmente +12 V);nivel «1»: -5 a -15 V(generalmente -12 V);

n impedancia de recepción:de 3 a 7 kΩ;n niveles de recepción:nivel «0»: > +3 V,nivel «1»: < -3 V;

n velocidad máxima: 19,2 Kbits/s;

n enlace punto a punto (un emisorpor cada receptor);

n longitud máxima: 15 m;

RS422-C (EIA)

n tensión de emisión:nivel «0»: +2 a +6 V(generalmente +5 V);nivel «1»: -2 a -6 V(generalmente -5 V);

n impedancia de recepción:> 4 kΩ (no especificada);

n niveles de recepción:nivel «0»: > +0,2 V,nivel «1»: < -0,2 V;

nnnnn velocidad máxima: 10 Mbits/s;

nnnnn enlace multipunto (un emisor porcada 10 receptores, como máximo);

nnnnn longitud máxima: 1 200 m.

RS485 (EIA o V11/CCITT)

nnnnn tensión de emisión:nivel «0»: +1,5 V a +5 V,nivel «1»: -1,5 V a -5 V;

nnnnn nivel de recepción:nivel «0»: > +0,2 V,nivel «1»: < -0,2 V;

nnnnn velocidad máxima: 10 Mbits/s;

nnnnn enlace multipunto, en la práctica:28 emisores/receptores comomáximo;

nnnnn longitud máxima: 1200 m.

BatiBUS

nnnnn forma de onda del bit (figura 17);

nnnnn tensión de emisión:nivel «0»: +15,5 V ± 10% (en vacío),nivel «1»: <1,5 V (carga 330 mA);

nnnnn impedancia de recepción: 500 kΩ;nnnnn nivel de detección:nivel «0»: >9 V,nivel «1»: <7 V;

nnnnn velocidad: 4,8 Kbits/s;

nnnnn enlace multipunto;

nnnnn resistencia máxima de línea: 12 Ω.

FIP

FIP está perfectamente definido porlos proyectos de norma UTE C 46-602 a 607.

nnnnn Están previstas tres clases:

ooooo CH (High): alto nivel para entornoperturbado o distancias (longitudes)importantes;

ooooo CM (Mid): media potencia;

ooooo CL (Low): baja potencia; destinadoa los tramos del BUS en atmósferaexplosiva;

Fig. 18: Forma del bit FIP.

330 mA

corriente en el emisor,línea no cargada

300 mA

270 mA

100 A

5 s

5 s

0,75 s

0,75 s

T=208 s

Fig. 17: Forma del bit BatiBus.

T/5

T/40

0,1Vcc0

tensión deemisión(V)

t

Vcc

T/40

T== 0,4 ó 1 ó 20 µs

T/50,1Vcc


n Macchi et Guilbert.Téléinformatique. Ed. DUNOD

n Pujolle. Réseaux et télématique.Ed. Eyrolle.

Bibliografía

nnnnn forma de onda del bit (figura 18);

nnnnn tensión de emisión (altura del bit):

CH CM CL

en vacío < 13 V < 13 V < 2,5 V

con carga 5,6 a 2,8 a 1,5 a8,5 V 8,5 V 2 V

nnnnn corriente de emisión: del orden de50 mA (no especificado) para la cargamáxima en clase CM;

nnnnn impedancia de recepción:

ooooo > 8 kΩ para las clases CH y CL,ooooo > 2 kΩ para la clase CM.

Los BUS y la CEM

Respecto a los otros BUS,especialmente los BUS de tipoinformático que tienen valores muybajos de tensión y corriente, BatiBUSo FIP emplean niveles eléctricoselevados.

Además, con BatiBUS, la formaredondeada de los bits y la bajavelocidad de modulación limitan lasperturbaciones que podrían inducirseen otros conductores de bajacorriente de su entorno próximo.

Todo esto es una prueba de un buennivel de compatibilidadelectromagnética (CEM) obtenidamediante una buena inmunidad alos parásitos y a los camposcreados por conductores de potenciaque pasan en proximidad a estasredes digitales. A título de ejemplo,una red numérica FIP de clase CH,con una velocidad de 1 Mbit/s,instalada en la central EDFhidroeléctrica de Revin, ha puesto demanifiesto que un par trenzadoblindado de 1 000 m de longitudtendido en una estación de 400 kVno tiene problemas decompatibilidad electromagnética.

iniciación a las redes de comunicaciones...

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