introduccion a los protocolos - uco.es · introduccion a los protocolos 1.-fuentes de errores....

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Introducción a la transmisión digital de información

Introduccion a los protocolosIntroduccion a los protocolos

1.- Fuentes de Errores.

2.- Detección de errores.• Paridad

• ChekSum

• CRC

3.- Control del flujo de la información.• ARQ

4.- Metodos de acceso al medio.

5.- Modelos de comunicacion.

6.- Concepto de bus de campo


Errores en la transmisión de la señalErrores en la transmisión de la señal

“A”

EMISOR/RECEPTOR EMISOR/RECEPTOR

“01100111”

“A”

“01100111”Mensaje

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Errores en la transmisión de la señalErrores en la transmisión de la señal

“A”

EMISOR/RECEPTOR EMISOR/RECEPTOR

“01100111”

“C”

“01110111”Mensaje


1.1.-- Fuentes de Errores en la transmisión:Fuentes de Errores en la transmisión:

� Atenuación de la señal debida a la carga

Ruido impulsivo: Perturbaciones electromagnéticas atmosféricas

interferencias eléctricas en las líneas de comunicación

Ruido térmico: Ruido Blanco

Ruido de fluctuación: Ruido Rosa

Ruido impulsivo: Perturbaciones electromagnéticas atmosféricas

interferencias eléctricas en las líneas de comunicación

Ruido térmico: Ruido Blanco

Ruido de fluctuación: Ruido Rosa

� Distorsión de la señal debida a la atenuación

� Ruido (sucesos transitorios de tipo impulsivo)

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� Atenuación de la señal debida a la carga

1.1.-- Fuentes de Errores en la transmisión:Fuentes de Errores en la transmisión:

� Distorsión de la señal debida a la atenuación

� Ruido (sucesos transitorios de tipo impulsivo)

Señal transmitida

Ruido

Señal y ruido combinados

Señal recibida


¿Qué podemos hacer con los errores?

Reducir las interferencias:� Minimizar la longitud de los cables y bucles

� Utilización de pares trenzados

� Apantallamiento electroestático

� Tierra simple

� Filtros

� Amplificador diferencial

Reducir las interferencias:� Minimizar la longitud de los cables y bucles

� Utilización de pares trenzados

� Apantallamiento electroestático

� Tierra simple

� Filtros

� Amplificador diferencial

La atenuación se corrige con:

REPETIDORES �� para señales digitales

AMPLIFICADORES �� para señales analógicas

La atenuación se corrige con:

REPETIDORES �� para señales digitales

AMPLIFICADORES �� para señales analógicas

DETECTAR LOS ERRORESDETECTAR LOS ERRORES

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¿Qué podemos hacer con los errores?

DETECTAR LOS ERRORES:DETECTAR LOS ERRORES:

� La aceptabilidad de los errores depende del contenido de los datos

Texto puro�� 20% de errores

Aplicación critica �� 0% de errores

� La respuesta al error, su CORRECCION, depende del contenido, importancia, etc.

Método mas directo �� retransmisión del dato

� Los principales esquemas de detención se basan en la REDUNDANCIA

Bit adicionales que se envían con el mensaje y que representan en algún modo el contenido de este.


Redundancia de caracteres: ParidadRedundancia de caracteres: ParidadSe añade un bit al final de la palabra de datos. Este bit es una función del resto de la palabra

Convenciones

Paridad Par -> el nº de ‘1’ es par

Paridad Impar -> el nº de ‘1’ es impar

Paridad de marca (Mark) � el bit de paridad es siempre 1

Paridad de espacio (Space)� el bit de paridad es siempre cero

NO Paridad (None) � el bit de paridad no se utiliza y su valor se deja sin especificar

1010101

110000 10

01000010“A”

5


Redundancia de caracteres: Redundancia de caracteres: ParidadParidad

10000010

10000010

10000010

10000010

Transmitido Recibido

11000000

10111010

11000010

10000010 Correcto

Er. detectado

Er. NO detectado

Err. detectado

Capacidad de detección muy baja (solo detecta errores que afectan a un numero impar de bits)

SOBRETASA: Un 10% del tiempo se malgasta transmitiendo bit de comprobación que no cumplen su cometido en un 40% de los casos (1 Start, 7 Datos, 1 paridad, 1 stop�� 10 bits)


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: ParidadParidad


10101010

10000111

10010000

01100110

11000011

La unidad básica de comprobación pasa a ser la trama

� BCC �� carácter de comprobación de bloques.

� CRL Comprobación de redundancia longitudinal (LRC).

� CRV Comprobación de redundancia vertical (VRC).

C

f

Y

UBCC

10101010

10011111

10010000

01100110

11000011

Error de dos bits en una fila

Error detectado0 0 0 1 0 0 0 1CHECK VALUE

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Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: ParidadParidad


10110010

10000111

10010000

01100110

11000011

La mayor virtud es su sencillez pero tiene un alto porcentaje de fallos

C

f

Y

UBCC

10101010

10011111

10010000

01100110

11000011

Error de dos bits en dos filas

Error NO detectado

0 0 0 0 1 0 0 1CHECK VALUE


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CHECKSUMCHECKSUM


1

1011001

1000011

11101110

0110011

1100001

Incrementa la presición

Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje)

C

f

Y

UBCC 1 0

1010101

1001111

1110111

0110011

1100001

Error de dos bits en dos filas

Error detectado

1 0 1 0 1 1 1 1 1

7


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CHECKSUMCHECKSUM


1

1011001

1000011

11101110

1110011

0100001

Incrementa la presición

Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje)

C

f

Y

UBCC 1 0

1010101

1001111

1110111

0110011

1100001

Error de un bits en dos

columnas

Error NO detectado

1 0 1 1 1 0 1 1 1


Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CRCCRC(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)

� Sobretasa idéntica a la suma de comprobación

� Método extremadamente potente (99,997% de los errores detectados)

� Punto de arranque: Nº de bit deseado en el valor de comprobación (12, 32)

U

1010101 CRC

C

1000011

f

1100110

y

CRC1111001

� DIVISION LARGA EN MODULO 2

� CRC-CCITT �� X-Modem

� CRC-16 �� Modbus-RTU

� CRC-12

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Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CRCCRC(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)

�� 3.278.305.62510C

1000011

f

1100110

Uy

10101011111001

3.278.305.625/65.540 =50.019 con 60.361 de resto

Divisor de 17 bits �� resto menor de 17 bits

60.36110 = EBC916 = 11101011110010012

3.278.305.625/65.540 =50.019 con 60.361 de resto

Divisor de 17 bits �� resto menor de 17 bits

60.36110 = EBC916 = 11101011110010012

�� DIVISION LARGA EN MODULO 2

1110101111001001“U”“y”“f”“c”


3.3.-- Control del flujo de información:Control del flujo de información:

Control de caracteres:ECOXON/XOFF

Control de Línea completa (PAQUETE):

ETX/ACK

Valor de comprobación

ETXDATASTXNúmero de secuencia de paquete

SOH

Valor de comprobación

DATALENNúmero de secuencia de paquete

SOH

SOH: Start of Header, STX: Start of Text, ETX: End of text

Campo de datos

Campo de servicios

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Solicitud de Repuesta Automática: ARQSolicitud de Repuesta Automática: ARQ

� Parada y EsperaEnvia un mensaje y espera respuesta

El receptor contesta si le ha llegado correctamente o noEl transmisor repite si no hay respuesta o si es negativa

Time-out: Tiempo de espera para dar por fallida la

comunicación

Retries: Cantidad de intentos que realiza el maestro

ACKNAQ

1

2

1

2

Emisor

Receptor

ACK


Solicitud de Repuesta Automática: ARQSolicitud de Repuesta Automática: ARQ

� Parada y EsperaEnvia un mensaje y espera respuesta

El receptor contesta si le ha llegado correctamente o noEl transmisor repite si no hay respuesta o si es negativa

� ContinuoEnvía tramas numeradas y si falla pide ha partir de la errónea

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4.4.-- Métodos de acceso al medioMétodos de acceso al medio

�Maestro/esclavo

�Peer–to-peer (Punto a punto)

�Paso de testigo (Token)

�CSMA: CD e BA

Puerto de Comunicaciones

METODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO

AUTOMATA

MAESTRO

ESCLAVO n

TRAMA DE PREGUNTA

PLC N.1 PLC N. 2PLC N.3

WinCC

CODIGO FUNCION DIRECCIONAREA DE DATOSCRC

MAESTRO

ESCLA

VO n

TRAMA DE RESPUESTA

DIRECCION CODIGO FUNCION AREA DE DATOS CRC

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Puerto de Comunicaciones

PROTOCOLO MOD-BUSMETODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO

AUTOMATA

MAESTRO

ESCLAVO n

DIRRECION CODIGO FUNCION AREA DE DATOS CRC

1 byte 1 byte N bytes 2 bytes

TRAMA DE PREGUNTA/ RESPUESTA

PLC N.1 PLC N. 2PLC N.3

WinCC

Mod-bus RTU:

MODEN MODEN

Peer_to_Peer

MODEN MODEN

MODEN

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Maestros

Dispositivos de campo (Esclavos)

PLCPC

PROFIBUS

Metodo de acceso al medio: PASO DE TESTIGO


Metodo de acceso al medioMetodo de acceso al medio: CSMA: CSMACarrier sense multiple accessCarrier sense multiple access

I/O 1 I/O 2 I/O 3

� CD: Collision detection• se transmite cuando el bus está desocupado

• si hay colisión, se repite la tentativa después de un tiempo aleatorio.

• ejemplo: Ethernet

I/O 4

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� BA: Bitwise Arbitration• se transmite cuando el bus esta desocupado

• si existe colisión :

�bit 0 es dominante

�bit 1 es recesivo

• el dominante continua transmitiendo

• es más eficiente que CSMA/CD

Metodo de acceso al medioMetodo de acceso al medio: CSMACarrier sense multiple access


CA: Collision Avoidance)

Metodo de acceso al medioMetodo de acceso al medio: CSMA/CACarrier sense multiple access

Identificador único que determina la prioridad del mensaje.

Mensaje con alta prioridad gana el acceso al bus.

Mensajes de baja prioridad son retransmitidos en el siguiente ciclode bus

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5.5.-- Modelos de comunicaciónModelos de comunicación

¿Qué modelos de PROTOCOLO existen en el mercado?

¿Cuáles son sus diferencias?

1.- MODELO ORIGEN/DESTINO

ORIGEN DESTINO DATOS CRC

Jerarquías:

Maestro/esclavo

Entre iguales: Peer-to-peer (punto a punto)

Paso de testigo

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¿Qué modelos de PROTOCOLOS existen en el mercado?

¿Cuáles son sus diferencias?

2.- MODELO PRODUCTOR/CONSUMIDOR

IDENTIFICADOR DATOS CRC

- Los mensajes son identificados por su contenido

- Múltiples nodos pueden consumir la misma información al mismo tiempo (MULTIDIFUSION)

- Permiten jerarquías maestro/esclavo, peer-to-peer

- Producción de datos por:

Cambios de estado de los datos (por eventos).

Cíclica por tiempo.


5.5.-- Concepto de Bus de CampoConcepto de Bus de Campo

• Protocolo.

• Bus de comunicación.

• Bus de campo.

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Cuando el receptor y el emisor acuerdan de antemano Cuando el receptor y el emisor acuerdan de antemano observar unas reglas comunes que gobiernan el intercambio observar unas reglas comunes que gobiernan el intercambio de datos reciproco se ha establecido un protocolode datos reciproco se ha establecido un protocolo

Conjunto de reglas �� PROTOCOLOControl del flujo

Control de errores

Método de acceso al medio

En un protocolo hay:

- Cooperación

- Acuerdo previo

Metafísicamente“HANDSHAKING”

apretón de manos

¿QUÉ ES UN PROTOCOLO ?


DEFINICIÓN DE BUS: Línea de comunicación entre dos o más elementos que procesan información.

Son seis los niveles que lo forman: •Nivel mecánico. (Conectadores y placas)•Nivel eléctrico. (alimentación, impedancia)•Nivel lógico. (señales)•Nivel de temporización básica. (diagramas de tiempos)•Nivel de transferencia elemental. (maestro/esclavo, protocolo)•Nivel de transferencia de bloque. (Protocolo)

¿QUÉ ES UN BUS DE COMUNICACION ?

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Protocolos y líneas de comunicación usadas en las aplicaciones industriales

¿QUÉ ES UN BUS DE CAMPO ?

Existen dos tipos bien diferenciados:Buses de campo propietarios:

La propiedad intelectual pertenece a una compañía y se necesita licencia para usarlo.

Buses de campo no propietarios o abiertos:Especificaciones publicas y disponiblesComponentes criticas disponiblesProceso de validación definido.


El conjunto de todos los componentes físicos necesarios para establecer una vía

de transmisión de datos así como los procedimientos comunes asociados para

intercambiar datos.

¿QUÉ CONTITUYE UN BUS DE CAMPO ?

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• ASI

• CANbus

• LonWorks

• Seriplex

• Sensoplex

• CANbus

• DeviceNet

• SDS

• InterBus-S

• LonWorks

Sensorbuses

• IEC 61158

• PROFIBUS

• WorldFIP

• ModBus

fieldbuses

¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro?

DIN E 19258 prov EN

50254

Modicon Protocol

PI-MBUS-300

Rev.E

BSI draft standard prov EN

50254

Applicable Standards

RS485Not SpecifiedGenerally based on differential

Manchester encodingPhysical Layer Standard

YesNoYesASICs *2 Available

NoNoNoBus Powered?

NoNoNoIntrinsically Safe

YesNoYesDeterministic *1

256 Stations247 per network99 per linkMax. No. of Addressable

Nodes

Co-ax, Fibre-OpticTwisted PairCo-ax, Fibre-OpticMedia Supported

NoneToken PassingCTDMA *3Media Access Method

Master/SlaveMaster/SlaveProducer/ConsumerCommunication Technique

500KTyp1.2K - 115.2K5MData Rate bits/s

Process, FactoryProcess, Factory

Building AutomationProcess, FactoryTypical

Applications

InterbusModbus ®ControlNET

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LonMark Interoperability

Association

Guidelines

EN 50170(Part 3)IEE802.3,

ISO8802.3(10Bas

e-5)


NumerousIEC/ISA/FF IEC

1158-2

Unbalanced VoltagePhysical Layer Standard

YesYesYesASICs *2 Available

YesYesNoBus Powered?

YesYesNoIntrinsically Safe

NoYesNoDeterministic *1

32,768 per domain256 per network400 per segmentMax. No. of Addressable

Nodes

Co-ax, Twisted Pair,

Radio, Fibre-Optic

Twisted Pair, Radio,

Fibre-Optic

Co-axMedia Supported

Predictive MediaBus Arbiter AccessCSMA/CDMedia Access Method

Master/Slave,

Peer to Peer

Producer/ConsumerMaster/Slave,

Peer to Peer

Communication

Technique

300 to 1.25M31.5K, 1M and 2.5M10MData Rate bits/s

Process, Building, Factory

Automation

Process, Smart,

Building, Factory

Automation

Process, DataTypical

Applications

LONWORKS ®WorldFIPEthernet ®

IEC947-5-2/D EN60947

DIN VDE 0660/208

HART Protocol

Specification Rev 5.1

Physical Layer Rev 8.0

ISO 11898Applicable

Standards

Balanced Differential

Voltage

4-20mA pair (f.s.k current

modulation)

Balanced Differential

Voltage

Physical Layer

Standard

YesYes, partialYesASICs *2 Available

YesYesNoBus Powered?

NoYesNoIntrinsically Safe

YesNoNoDeterministic *1

31 per network15 per loop2^11, or 2^29 in

extended address

mode

Max. No. of

Addressable

Nodes

Twisted PairTwisted PairTwisted Pair,

Fibre-Optic

Media Supported

Cyclic pollingNoneCSMA/CD/NDAMedia Access

Method

Master/SlaveMaster/SlaveProducer/Consumer,

Peer to Peer

Communication

Technique

167K1200To 1MData Rate bits/s

Process, Building,

Factory

Automation

Smart InstrumentationProcess, Building,

Factory, Vehicle

Automation

Typical

Applications

AS-InterfaceHART ®CAN

20

DIN 19245EN 50170(Part 2) DIN

19245

EN 50170(Part 2) DIN

19245 EN 50 254


IEC/ISA/FF IEC 1158-2RS485RS485Physical Layer Standard

YesYesYesASICs *2 Available

YesNoNoBus Powered?

YesNoNoIntrinsically Safe

NoNoNoDeterministic *1

127 per network127 per network127 per networkMax. No. of Addressable

Nodes

Twisted PairTwisted PairTwisted PairMedia Supported

Token PassingToken PassingToken PassingMedia Access Method

Master/Slave,

Peer to Peer

Master/Slave,

Peer to Peer

Master/Slave,

Peer to Peer

Communication

Technique

31.25K500KTo 1.5M and 12MData Rate bits/s

Process, SmartProcess, FactoryProcess, FactoryTypical

Applications

PAFMSDPProfibus

• ASI

• CANbus

• LonWorks

• Seriplex

• Sensoplex

• CANbus

• DeviceNet

• SDS

• InterBus-S

• LonWorks

Sensorbuses

• IEC 61158

• PROFIBUS

• WorldFIP

• ModBus

fieldbuses

¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro?

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1.- Realizar una evaluación de las aplicaciones y el tipo de control que se necesita.Tamaño de la red, Volumen de trafico, Rendimiento, Fallos de estaciones, Longitud del mensaje, Expansión.

2.- Comparar estas necesidades con las características de los fieldbuses disponibles.

3.- Clasificar las prioridades de control de las aplicaciones tomando en cuenta los siguientes factores:

Rendimiento:¿Cuál es la característica más importante para la aplicación?

DeterminismoRepetitibidadTiempo de respuesta

Gateways:¿Requiere de mas de un fieldbus el diseño propuesto?¿Es necesaria la comunicación mutua entre diferentes fieldbuses?

Costos:¿Cuáles de los siguientes costos son mas importantes:

Componentes físicos.Costos por tiempo improductivo.Costos de la instalación.

¿Es fácil la integración en el sistema?

ENFOQUE METÓDICO ANTE LA SITUACIÓN ACTUAL DE DIFERENTES

FIELDBUSES:

Interbus-s, CAN/DeviceNet y Hart.

Ethernet Industrial, Profibus y Asi.

Tríos interesantes

Para adaptarse a los diferentes requisitos, se pueden combinar diversas redes de comunicación.

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- Definida por: Distribución del cable que interconecta los diferentes interlocutores.

- Las diferentes estaciones son los nodos de la red. - La estructura más simple es una red formada por dos estaciones, es decir,

dos nodos (punto a punto)

Topología de la red

ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA

Factores a tener en cuenta:La distribución de los equipos a interconectar.La inversión que se quiere hacer.El tráfico que va a soportar la red local.La capacidad de expansión.

No se debe confundir el término topología con el de arquitectura.

La arquitectura de una red engloba :La topología.El método de acceso al cable.Protocolos de comunicaciones

Topología en Bus o lineal:



TerminadorTerminador

PLC-2PLC-1 PLC-3 PLC-4

PLC-0

Sus principales ventajas son :- Fácil de instalar y mantener.- No existen elementos centrales del que dependa toda la red, cuyo

fallo dejaría inoperativas a todas las estaciones.

Sus principales inconvenientes son :- Si se rompe el cable en algún punto, la red queda inoperativa por

completo.

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Topología en anillo:



Habitualmente las redes en anillo utilizan como método de acceso al medio el modelo “paso de testigo”.

Es difícil de instalar y requiere mantenimiento

Topología en estrella:



Habitualmente sobre este tipo de topología se utiliza como método de acceso al medio poolling, siendo el nodo central el que se encarga de implementarlo.

Si se rompe un cable sólo se pierde la conexión del nodo que interconectaba.

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