redes industriales.pdf

UNIVERSIDAD DE BUENOS AIRES

FACULTAD DE INGENIERA

DEPARTAMENTO DE ELECTRNICA

LABORATORIO 6: REDES INDUSTRIALES 66.48 SEMINARIO DE REDES ALUMNOS Grupo:

Orlandi, Guido 78602 Veira Tassara, Alejandro Agustn 79458

2 CUATRIMESTRE 2005

ndice Objetivos Definiciones Fieldbus (bus de campo) Mecanismo de Schedulling Bus AS-I CAN (Control Area Network) DeviceNet Modbus Profibus Anexo RS 422 RS 485 RS 232

Objetivos El objeto del siguiente trabajo es presentar una breve descripcin de las redes utilizadas en el ambiente industrial. En comparacin con la amplia difusin del estndar 802.3/Ethernet-TCP/IP, no existe en el ambiente industrial un estndar ni una solucin de amplia difusin. La respuesta a las necesidades consiste en un conjunto de diversas soluciones propietarias que aplican distintos mtodos de acceso al medio, etc. Surgen dos preguntas intuitivas: que requiere una Red Industrial (a diferencia de una red de datos) y por que los estndares de redes de datos no son apropiados. A continuacin intentaremos encontrar un conjunto de respuestas satisfactorias a las preguntas anteriores. Los buses que vamos a describir son solo algunos de los existentes, pero dado a que no existe un estndar, sino que se trata en general de protocolos propietarios, elegimos estos debido a su amplia utilizacin en el mercado, a nuestro entender. Existen tambin otras redes muy conocidas. Definiciones Una Red Industrial es utilizada en un sistema de produccin, se encarga de conectar distintos procesos de aplicacin con el propsito de asegurar la explotacin de la instalacin. La red debe cumplir las siguientes condiciones:

Red de tiempo real: la informacin debe poder se enviada en el momento que se genera e idealmente debe llegar en el mismo momento que se genera. Aunque esto ltimo no se cumple exactamente, si se puede pedir a una red industrial una demora en la emisin y arribo de los datos mucho mayor que a una red convencional para datos.

Provee servicio bajo restricciones temporales: lo cual implica que un dato, dependiendo de su prioridad puede tener que ser entregado en un tiempo determinado, fijo (algo que no puede darse en una red Ethernet).

Identificacin de prioridades: Para priorizar la entrega de determinados datos sobre otros.

A diferencia de una red convencional de datos, en la Red Industrial los recursos son utilizados por procesos cuyo servicio ya est definido y en muchos casos tiene un tiempo de respuesta crtico. En vista esto, la red debe proveer un sistema de distribucin de trfico determinstico. Si se piensa en el mtodo tradicional de entrega de datos de Ethernet, el CSMA-CD, se comprende que ante la posibilidad de que otro usuario este utilizando el medio, habr que esperar que este termine, para agravar las cosas este tiempo de espera no esta definido, sino que depende de las necesidades del usuario y de la aplicacin, adems en caso de que dos terminales transmitan a la vez y haya colisin, deber retransmitirse pasado un cierto tiempo, no determinado, pudiendo darse el caso inclusive de que alguno de los terminales desista de enviar sus datos. Esto es lo que se conoce como mtodo de acceso al medio aleatorio. En contraposicin un medio de acceso determinstico asegura a cada proceso un instante de acceso y un intervalo de tiempo durante el cual puede transmitir determinado, y adems garantiza una demora acotada en el tiempo de acceso al medio. Todos estos parmetros se fijan de acuerdo a la prioridad y las necesidades del proceso.

Segn nuestra consideracin de Red Industrial hay que decir que adems de interactuar con los distintos procesos, adems esta conectada con redes de datos, permitiendo acceder a la informacin del control de la industria desde terminales conectados a la Internet o a una red IP-Privada. El siguiente grfico muestra como se da esa interaccin.

Para conectar la FAN con la LAN se colocan un gateway capaz de traducir los protocolos de las distintas redes. Cabe aclara que, en la mayora de los casos, ms all de la red de supervisin no se puede actuar sobre ningn parmetro de la red industrial, simplemente esta para ser consultado a modo informativo. La conexin de la LAN con la WAN se realiza en general a travs de ms de un firewall para garantizar la seguridad y confidencialidad de los datos industriales. En lo que sigue nos concentraremos en las partes ms baja de la imagen, la Red de Campo y la Red de Control de Procesos.

Fieldbus (bus de campo) La primera red que se ve de abajo hacia arriba es la red que se encarga de conectar los que se conoce como dispositivos de campo (PLCs, controladores, sensores, actuadores, etc.) distantes entre si. Esto es un bus de campo, el objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto, utilizadas en tiempos pasados, entre los elementos de campo y el equipo de control, hoy reemplazadas tpicamente con redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie. Solucin centralizada tradicional

Solucin distribuida con bus de campo con salida a redes de datos

Los buses de campo tienen ventajas frente a las soluciones centralizada en cuanto al costo y las facilidades del diseo, la instalacin y la futura ampliacin. Adems mucho de los procesos de control y sealizacin de la comunicacin que antes deban estar incluidos en los controladores hoy pueden distribuirse en los diversos dispositivos de campo, simplificando tareas. Por otro lado si un dispositivo de campo requiere algn dato de otro D.C. puede pedrselo directamente, sin necesidad de pedrselo al controlador, ya que estn conectados sobre el mismo bus. Aqu surgen otra vez los conceptos analizados antes, de tiempo de respuesta determinstico por parte de la red o el bus de campo. En lo que resta del trabajo nos

encargaremos de analizar los diversos estndares y protocolos de acceso al medio en buses de campo, en orden creciente de complejidad. Requisitos de un fieldbus (bus de campo):

1. Transportar pequeos paquetes de datos en un tiempo acotado, el tamao de los datos es corto para ocupara lo menos posible la red (Ethernet no cumple este requisito).

2. Transmitir datos peridicos antes de que vuelvan a ser muestreados, los componentes en rgimen toman datos de manera peridica y deben transmitirlos antes de renovar dichos datos.

3. Transmitir datos aperidicos en un tiempo acotado. 4. Indicar la si la frecuencia con que se muestrea un dato est acorde a la

importancia de ese dato (consistencia temporal), es de vital importancia controlar este parmetro y poder ajustar la red para cumplir los requisitos de consistencia temporal.

5. Poseer medios para determinar el orden en el que se produjeron los datos espordicos.

6. Soportar transmisiones punto a punto y multipunto. 7. Soportar los ambientes industriales, en general las redes de datos no tienen los

medios fsicos (cables, conectores, etc. que puedan ser utilizados en ambientes industriales).

Ethernet-TCP/IP como bus de campo Como dijimos antes gracias a la gran difusin de Ethernet junto a TCP/IP, a lo largo del tiempo han intentado utilizar esto protocolos en ambientes industriales. Hace ms de 20 aos aparecieron soluciones como MAP, FACTOR entre otras; todas ellas fueron descartadas por el factor de aleatoriedad que introduca ethernet con TCP/IP. Hoy gracias a la aparicin de Switchs que limitan los dominios de colisin, el aumento de las velocidades y la posibilidad de introducir mecanismo de priorizacin se volvi a pensar en utilizarlas. La siguiente tabla muestra las contras y las soluciones de la utilizacin de Ethernet con TCP/IP en relacin a los requerimientos de un bus de campo.

Contras Soluciones Tamao mnimo de la trama de 64bytes No es grave a altas velocidades Mtodo de acceso CSMA-CD La red se puede subdividir en dominios de

colisin colocando switchs y minimizar los problemas ocasionados por el acceso el medio

Poca capacidad para detallar prioridades Demasiado delay al detectar-corregir-retransmitir ante eventuales errores (puesto que es el nivel de enlace el que se

encarga de esto, genera mucho tiempo de procesamiento). Muestreo peridico de datos, requiere mucha complejidad y demora mucho

Se puede hacer implementando algoritmos de sincronizacin a nivel de procesos.

Se puede agregar un timestamp para verificar coherencia temporal.

No se puede saber el orden relativo de los eventos espordicos

Se puede transmitir en modo broadcast Los cables y conectores estndar no soportan la condiciones industriales

Estn apareciendo cables y conectores especiales para dicho tipo de ambientes

Ethernet usa topologa de rbol que resulta mas compleja que la utilizada por otros buses

Se requiere mayor complejidad computacional para implementar TCP que para otros buses industriales

Se debe cablear por separado la alimentacin de los equipos

Se ve que sigue comportndose de manera aleatoria la red, adems no se puede garantizar la consistencia temporal (solo verificarla), no se puede saber el orden de los eventos, no hay un mecanismo rpido de retransmisin, no hay cableado para alimentacin, y adems el cableado especial para ambientes industriales es mas caro y complejo que el convencional. An hoy utilizar Ethernet con TCP/IP como bus de campo presenta muchos inconvenientes. Queda limitada su funcionalidad a otras partes dentro de la red industrial. Despus de ver el estndar de Ethernet y sus mltiples fallas como bus de campo se ve que es necesario definir nuevas tecnologa para que puedan cumplir los requisitos necesarios, las siguientes son algunas soluciones desarrolladas con este fin. Las soluciones propuestas utilizan Mecanismos de Schedulling, Redes tipo token-ring, y mecanismos de acceso al medio que definen prioridades. Mecanismo de Schedulling Un mecanismo desarrollado para cumplir las condiciones de bus de campo antes mencionadas es el Schedulling. Este mecanismo, en contraposicin con el de CSMA-CD, consiste en dividir el tiempo en slots y asignar un tiempo de inicio u offset para que cada tarea transmita sus datos dentro de su slot comenzando en su tiempo asignado, as la red presenta un comportamiento determinstico. Adems se deja un slot destinado a comunicaciones no programadas dentro del cual puede transmitir cualquier proceso que lo necesite, dentro de ese slot la red presenta un comportamiento aleatorio. Este mecanismo requiere de una sincronizacin de los procesos, adems de un gestor de red que asigne los recursos que le corresponde a cada uno.

La siguiente figura ilustra la implementacin del mecanismo.

El xito en la implementacin de este mecanismo en un bus de campo depende del control de acceso al medio y la velocidad de transferencia. Bus AS-I (ACTUATOR SENSOR INTERFACE) El estndar AS-I comprende la capa fsica y de acceso al medio. Utiliza un modelo Master-Slave en contraposicin con el modelo Cliente-Servidor. En este modelo el Maestro realiza un ciclo de polling obligando a cada esclavo a enviarle sus datos, de a uno por vez, cada esclavo puede tener conectados de uno a cuatro dispositivos. El ciclo entero de polling esta dentro del orden los 5ms, esto impone una restriccin a la cantidad de esclavos que se pueden manejar por Maestro y la cantidad de informacin que cada esclavo puede transferir. El sistema completo consta de:

Maestro que soporta hasta 31 esclavos a una distancia de 300 metros (con repetidoras cada 100m)

El maestro puede ser un PLC, en este caso se controla directamente la planta programando el PLC; o puede colocarse Gateway (AS-I), a travs del cual se envan los datos I/O tomados del bus de campo a protocolos de capa superior como Profibus, DeviceNet, etc.

Esclavos que pueden ser: Unidades I/O con 4 entradas/salidas digitales para

conectar sensores, actuadores, etc.; o dispositivos con chip AS-I integrados.

Fuente de alimentacin Cableado especialmente diseado para ambientes industriales, en el mismo

cable se transportan los datos y la alimentacin para los esclavos y los sensores. El bus AS-I soporta configuraciones en red, en lnea, en rama y en rbol.

CAN (Controller Area Network) CAN es un protocolo definido por las normas ISO11898 e ISO16845 que garantizan el correcto intercambio de datos.

CAN se basa en un mecanismo de broadcast con un protocolo orientado a mensajes. Cada mensaje tiene un identificador que es nico dentro de la red. El identificador lleva asociada una prioridad que es fundamental en el arbitraje del medio. Mtodo de acceso al medio Transmisin en tiempo real En la transmisin en tiempo real, los mensajes que se transmite llevan distintos datos que dependiendo del tipo que sea deben ser entregados con mayor frecuencia y/o menor delay que otros. De alguna manera es necesario comparar los mensaje y determinar cual es de mayor prioridad. Esto se lleva a cabo utilizando una tcnica conocida como CSMA-APM que se encarga de arbitra el medio de la siguiente manera: Igual que en el caso de Ethernet los nodos que desean transmitir sus mensajes sensan el medio y si no est ocupado pueden transmitir. A diferencia de Ethernet las tramas de CAN no poseen direcciones origen y destino sino que tienen un campo de arbitraje (y se difunden en modo broadcast a todas las otras terminales). En el supuesto que dos o ms nodos transmitan simultneamente, se producir una colisin, en este caso el medio determina en base al campo de arbitraje cual de los nodos que transmiti simultneamente tiene derecho a ganar el medio. Esto se determina en funcin de la prioridad de cada nodo, que viene determinado por el identificador que lleva el mensaje. El bus CAN se comporta como una compuerta AND donde cada entrada lleva conectada un nodo, dependiendo del resultado de la operacin lgica entre los campos de arbitraje de todos los nodos que trasmiten simultneamente es que se determina quien gana el medio y tiene la mas alta prioridad. La siguiente figura muestra como se arbitra el medio mediante CSMA-AMP

El que tiene el identificador menor es el que tiene la mayor prioridad y por ende gana el medio. La siguiente figura muestra la trama que utiliza CAN

Los campos tienen las siguientes funcionalidades:

Identificador: Identifica el mensaje y su prioridad. En CAN base frame este campo tiene 11bits y permite un total de 2048 mensajes distintos, en CAN extended tiene 29bits y permite un total de 500 millones de mensajes.

Start of Frame: indicando el comienzo de la trama. RTR (remote erminalct request): Identifica si es un dato enviado o un

pedido de datos (se ve que el pedido de un dato es de menor prioridad que un dato enviado). El RTR + Identificador forman el campo de arbitraje.

IDE: Utilizado para distinguir entre CAN base o extended. Data length code (DLC): Utilizado para saber la longitud de los datos enviados

o la cantidad de datos solicitados dependiendo del RTR. Data: Campo conteniendo los datos enviados. CRC: Es un control de errores de la trama. ACK: Lo utilizan los nodos que reciben la informacin correctamente para

confirmarla. Utilizan el ACK de la misma trama que reciben y lo cambia de estado.

EOF: Maraca el final de la trama. IFS: Debe llevar como mnimo un nmero de bits definidos como el mnimo

espacio entre tramas. En CAN base la longitud de las tramas debe ser: 44 bits < long. De trama < 111 bits

(Esto da un troughtput del 58% del bitrate, adems cumple la condicin de generar paquetes pequeos de datos en el bus de campo) Control de errores: CAN implementa 3 mecanismos para detectar errores:

1. Un cdigo de redundancia cclico (CRC), para verificar la integridad de las tramas.

2. Chequeo de las tramas, comprndolas con el tipo y la longitud que deben tener. 3. Control por parte del receptor del ACK. 4. Monitoreo del bus, las estaciones que transmiten saben si lo que se inserta en el

medio es el dato que se desea transmitir y en caso de no coincidir avisan del error.

5. Utilizacin de bit stuffing. En caso de encontrar uno mas de estos errores, se genera una trama de error avisando al resto de las terminales que se difundi en el medio una trama con error, previniendo a los otros nodos de no aceptar mensajes fallados. Luego de esto el nodo que emiti los datos debe retransmitir. En el caso de que una estacin detecte localmente que est generando gran cantidad de errores, tiene la capacidad de desconectarse del bus si que esto afecte a los otros nodos. La deteccin es posible gracias a que CAN permite detectar los errores espordicos y tambin los permanentes. Definiciones del protocolo CAN

Dentro del modelo OSI ocupa las capas Data Link Layer y Phisical Layer.

CAN utiliza codificacin NRZ junto con bit stuffing.

CAN utiliza un sistema sincrnico bit a bit. Puesto que el nico delimitador de para sincronismo se encuentra al principio de la trama es necesario a lo largo de esta resincronizar. Para esto se agrega dentro del tiempo de bit una buffer antes y uno despus del intervalo de muestreo adems de segmento de sincronismo y un delay, como se ve a continuacin.

Se pueden distinguir entonces 2 sincronizaciones, una en el comienzo de la trama y una resincronizacin a lo largo de la misma.

Las velocidades van desde los 20kbit/s hasta 1Mbit/s, dependiendo de la

longitud del bus. Existen bridges y repetidores para aumentar la longitud de bus.

Se utilizan gateways para interactuar con protocolos de nivel superior.

Aplicaciones CAN originalmente se diseo para el control dentro de automviles, hoy adems se utiliza control de aviones y barcos, en la automatizacin de industrias y en equipamiento mdico entre otras.

DeviceNet DeviceNet es un estndar estable para redes industriales que utiliza CAN para su Data Link Layer y CIP (common industrial protocols) para sus capas de nivel superior. Sigue igual que CAN un estndar de productor-consumidor montado sobre una red digital que permite priorizacin de los mensajes. Adems brinda una cualidad nica como ser incluir en el cableado de red la tensin de alimentacin, pudiendo alimentarse los distintos dispositivos de ah mismo. Capa Fsica D.N. utiliza una topologa de bus en lnea de la cual se pueden derivar otras lneas con nodos. Tambin define un conjunto de velocidades acorde al tipo de cable y las distancias (junto con conectores de uso industrial), que se puede ver en la siguiente tabla.

Network Size 125 KBPS 250 KBPS 500 KBPS er Trunk Length 500 m (1,640 ft) 250 m (820 ft) 100 m (328 ft) Thin Trunk Length 100 m (328 ft) 100 m (328 ft) 100 m (328 ft) Flat Trunk Length 420 m (1,378 ft) 200 m (656 ft) 75 m (246 ft) Maximum Drop Length 6 m (20 ft) 6 m (20 ft) 6 m (20 ft) Cumulative Drop Length 156 m (512 ft) 78 m (256 ft) 39 m (128 ft)

Table 2: The end-to-end network distance varies with data rate and cable thickness.

Data link layer Como ya dijimos antes, utiliza CAN en esta capa. Capas de red y transporte D.N. requiere que se establezca primero una conexin entre los dispositivos que van a intercambiar informacin. Para eso se usan los mensajes UCMM o UP. Una vez establecida la conexin, esta es utilizada para transferir informacin entre nodos. Una vez que se ha establecido la conexin, el protocolo de D.N. se transporta dentro de los 11bit del campo identificacin de CAN, esto es una ventaja porque no ocupa lugar en el campo de datos CAN. A continuacin mostramos el formato D.N. encapsulado dentro de CAN.

El campo de identificacin esta dividido en: un MAC ID que identifica la conexin y un Message ID que identifica el mensaje (junto con su prioridad) dentro de la conexin. Los distintos dispositivos pueden ser clientes, servidores o ambos y a su vez cualquiera puede ser productor y/o consumidor. Cada nodo se su vez es el responsable manejar sus identificaciones (MAC ID) y la identificacin de sus mensajes. La ventaja de esto es que no se requiere de un registro centralizado de nodos, los cuales a su vez pueden ser agregados o descartados sin necesidad de actualizaciones. Adems existe un algoritmo encargado de controlar que no existan MACs ID repetidas. Capas superiores CIP CIP ocupa las capas de sesin, presentacin y aplicacin en DeviceNet. Es un protocolo de mensajeria (intercambio de mensajes), orientado a conexin donde a cada conexin se le asigna una identificacin (CID), en el caso de ser unidireccional, o dos identificaciones en el caso de ser bidireccional. Cada nodo se modela como una coleccin de objetos. Cada objeto pertenece a una clase (Ej. Drivers, Sensores de temperatura, etc) y se identifica cada uno por su instancia dentro de la clase. Un objeto/instancia o toda una clase poseen atributos o variables que los describen; servicios o comandos y conductas o reacciones que se especifican ante determinados eventos. Adems de la gestin de las conexiones, CIP se encarga de intercambiar mensajes entre los diversos objetos. Los mensajes pueden ser:

Implcitos: entre una o ms aplicaciones consumidoras y un productor (unidireccional). Est especialmente pensado para datos de control cuyos tiempos son crticos.

Explcitos: provee una conexin punto a punto, bidireccional. Es ms lenta que la anterior, un extremo debe solicitarle al otro los datos que necesita.

CIP en la capa de aplicacin: Le presenta al usuario una lista de los nodos, con sus objetos y a su vez la clase, los servicios, los atributos y las distintas reacciones de estos ltimos.

CIP en la capa de presentacin: Se encarga de traducir los datos ingresados por el usuario en datos que pueda entender la capa inferior. CIP en la capa de sesin: Lleva un control de las conexiones abiertas, adems se encarga de rutear los datos. En esta capa se colocan la MAC ID del nodo en el que se encuentra el objeto, el nmero de clase e instancia y el servicio requerido, de modo que la capa inferior (capa de transporte) pueda realizar el ruteo.

Aunque estudiamos CIP como protocolo adicional de DeviceNet, tambin se implementa sobre Ethernet-TCP/IP. Desde ya que siguen siendo vlidas todos los inconvenientes que presenta esta tecnologa en el control industrial. No obstante lo cual nos muestra lo similares que resultan ser las dos redes. Modalidad Maestro-Esclavo Adems de la modalidad peer-to-peer o modelo de cooperacin ya estudiada. D.N. permite la modalidad Maestro-Esclavo similar a la del Bus AS-I. Esto es til cuando se sabe de antemano la frecuencia con la que va a transmitir un dispositivo.

Esta modalidad soporta 3 tipos de operacin:

1. Polled: Cada esclavo espera recibir el output data del maestro y devolverle los datos (en unicast o multicast), en una secuencia de tiempo especfica. As la red presenta un comportamiento determinstico.

2. Cclico: Cada dispositivo produce y enva de manera peridica sus datos. 3. Change-of-State: Los dispositivo enva datos ante un cambi de estado.

Comparacin DeviceNet vs. Ethernet

DeviceNet Ethernet Tamao de trama pequea acorde a los requisitos de un bus de campo.

Tamao de trama grande para el estndar de buses de campo.

Implementa un sistema de priorizacin rpido y sofisticado que arbitra el medio.

Implementa un sistema de priorizacin que introduce mayor delay y no resuelve quien gana el medio.

Simplemente se agregan o quitan los dispositivos de la red.

Requiere planeamiento y management de la red para agregar o quitar dispositivos.

Provee diagnostico de los dispositivos. Simplemente configura y toma los datos de la red.

Abarca un rea reducida de trabajo. Puede cubrir toda una industria. La distancia queda limitada por la velocidad y por la potencia.

No hay lmites de distancia pudiendo utilizarse diversos medios de transporte (satlite, ATM).

No se requiere filtrar distintos tipos de trfico, puesto que solo acepta lo que es DeviceNet.

Lo trficos que no corresponden a procesos productivos deben ser filtrados para que no interfieran.

Costos bajos de tecnologa CAN Costos bajos por la gran popularidad de Ethernet.

El cable lleva datos y alimentacin. Solo datos, pero a mayor velocidad.

MODBUS En su definicin inicial Modbus era una especificacin de tramas, mensajes y funciones utilizada para la comunicacin con los PLCs Modicon. Modbus puede implementarse sobre cualquier lnea de comunicacin serie y permite la comunicacin por medio de tramas binarias o ASCII con un proceso interrogacin-respuesta simple. Debido a que fue incluido en los PLCs de la prestigiosa firma Modicon en 1979, ha resultado un estndar de facto para el enlace serie entre dispositivos industriales. Modbus Plus define un completo bus de campo basado en tcnica de paso de testigo. Se utiliza como soporte fsico el par-trenzado o fibra ptica. Es un protocolo utilizado en comunicaciones va mdem-radio, para cubrir grandes distancia a los dispositivos de medicin y control, como el caso de pozos de petrleo, gas y agua. Velocidad a 1200 baudios por radio y mayores por cable. Estructura de la red Medio Fsico El medio fsico de conexin puede ser un bus semidplex (half duplex) (RS-485 o fibra ptica) o dplex (full duplex) (RS-422, BC 0-20mA o fibra ptica). (Ver Anexo) La comunicacin es asncrona y las velocidades de transmisin previstas van desde los 75 baudios a 19.200 baudios. La mxima distancia entre estaciones depende del nivel fsico, pudiendo alcanzar hasta 1200 m sin repetidores. Acceso al Medio La estructura lgica es del tipo maestro-esclavo, con acceso al medio controlado por el maestro. El nmero mximo de estaciones previsto es de 63 esclavos ms una estacin maestra. Los intercambios de mensajes pueden ser de dos tipos: Intercambios punto a punto, que comportan siempre dos mensajes: una demanda del maestro y una respuesta del esclavo (puede ser simplemente un reconocimiento (acknowledge)) . Mensajes difundidos. Estos consisten en una comunicacin unidireccional del maestro a todos los esclavos. Este tipo de mensajes no tiene respuesta por parte de los esclavos y se suelen emplear para mandar datos comunes de configuracin, reset, etc.

PROTOCOLO

La codificacin de datos dentro de la trama puede hacerse en modo ASCII o puramente binario, segn el estndar RTU (Remote erminalct Unit). En cualquiera de los dos casos, cada mensaje obedece a una trama que contiene cuatro campos principales, segn se muestra en la figura 1. La nica diferencia estriba en que la trama ASCII incluye un carcter de encabezamiento (:=3AH) y los caracteres CR y LF al final del mensaje. Pueden existir tambin diferencias en la forma de calcular el CRC, puesto que el formato RTU emplea una frmula polinmica en vez de la simple suma en mdulo 16. Con independencia de estos pequeos detalles, a continuacin se da una breve descripcin de cada uno de los campos del mensaje:

Nmero de esclavo (1 byte): Permite erminalct un mximo de 63 esclavos con direcciones que van del 01H hasta 3FH. El nmero 00H se reserva para los mensajes difundidos. Cdigo de operacin o funcin (1 byte): Cada funcin permite transmitir datos u rdenes al esclavo. Existen dos tipos bsicos de rdenes: Ordenes de lectura/escritura de datos en los registros o en la memoria del esclavo. Ordenes de control del esclavo y el propio sistema de comunicaciones (RUN/STOP, carga y descarga de programas, verificacin de contadores de intercambio, etc.) Campo de subfunciones/datos (n bytes): Este campo suele contener, en primer lugar, los parmetros necesarios para ejecutar la funcin indicada por el byte anterior. Estos parmetros podrn ser cdigos de subfunciones en el caso de rdenes de control (funcin 00H) o direcciones del primer bit o byte, nmero de bits o palabras a leer o escribir, valor del bit o palabra en caso de escritura, etc. Palabra de control de errores (2 bytes): En cdigo ASCII, esta palabra es simplemente la suma de comprobacin (checksum) del mensaje en mdulo 16 expresado en ASCII. En el caso de codificacin RTU el CRC se calcula con una frmula polinmica segn el algoritmo mostrado en la figura 2.

En la capa 7 del modelo OSI que provee comunicacin cliente servidor entre dispositivos conectados en distintos tipos de buses o redes.

La comunidad e Internet puede acceder a Modbus mediante el puerto reservado TCP/IP 502. Es actualmente utilizado usando:

TCP/IP over Ethernet Transmisin serial asincrnica sobre distintos tipos de medios (cable

, fibra, radio) MODBUS PLUS, una red de alta velocidad con token.

Referencias: RFC 791, Internet Protocol, Sep81 DARPA Abreviaturas ADU Application Data Unit BSD Berkeley Software Distribution HDLC High level Data Link Control HMI Human Machine Interface IETF Internet Engineering Task Force I/O Input/Output IP Internet Protocol MAC Medium Access Control MB MODBUS Protocol MBAP MODBUS Application Protocol MSL Maximum Segment Lifetime PDU Protocol Data Unit PLC Programmable Logic Controller TCP Transport Control Protocol Contexto El Protocolo Modbus permite la fcil comunicacin entre todo tipo de arquitecturas de red.

Todo tipo de dispositivos (PLC, HMI, Panel de Control, Controlador, control de Movimiento, I/O Device) pueden usar Modbus para iniciar una operacin remota. La misma comunicacin puede ser tanto en lnea serial como en redes Ethernet TCP/IP. Los gateways permiten la comunicacin entre varios tipos de buses o redes usando el protocolo Modbus. Descripcin General Se define una unidad de datos de protocolo (PDU) independiente de las capas de comunicacin inferiores. Se pueden incluir en distintos buses algunos campos adicionales en la unidad de datos de aplicacin (ADU)

La ADU es creada por el cliente que inicia la transaccin Modbus. La funcin indica al servidor que tipo de accin tomar. El Modbus aplication protocol establece el formato de un request iniciado por un cliente. El campo de funcin de una unidad de datos Modbus esta codificado en 1 byte. Los cdigos validos van del 1 al 255 decimal (128-255 reservados para excepciones).

Cuando un mensaje es enviado desde un Servidor a un Cliente la el campo de funcin de cdigo le indica que accin debe tomar. (0 no es valido). Tambin se pueden agregar subfunciones para definir mltiples acciones. El campo de datos de los mensajes enviados de cliente a servidor contiene informacin adicional que el servidor usa para tomar la accin definida en el cdigo de funcin. El campo de datos puede ser 0 de largo en algunos tipos de respuestas.

El tamao del PDU esta limitado por el tamao limite proveniente de la primera implementacin en Serial Line network (mx. RS485 ADU =256 bytes) PDU serial line communication = 256 Server address (1 byte) CRC (2 bytes) = 253 bytes. Entonces: RS232 / RS485 ADU = 253 bytes + Server address (1 byte) + CRC (2 bytes) = 256 bytes. TCP MODBUS ADU = 253 bytes + MBAP (7 bytes) = 260 bytes.

Se definen 3 paquetes: MODBUS Request PDU MODBUS Response PDU MODBUS Exception Response PDU Codificacin de datos Se usa una big-Endian representacin para direcciones y datos. Esto quiere decir que cuando una cantidad numrica ms larga que un simple byte es transmitida, el byte ms significativo se manda primero.

Modelo de Direcciones En un PDU cada dato es erminalcta de 0 a 65535

Transaccin Una vez que el request fue procesado por el servidor, una respuesta es construida Segn el resultado del proceso se construyen dos tipos de respuestas:

Una respuesta positiva: El cdigo de funcin de respuesta = cdigo de funcin de request

Una respuesta negativa El objetivo es proveer al cliente informacin relevante

concerniente al error detectado durante el proceso El cdigo de funcin de respuesta = cdigo de funcin de request

+ 0x80 El cdigo de excepcin es provisto para indicar el motivo del

error Respuestas de Excepciones Si un cliente enva un request a un Server espera una respuesta normal. Una de los cuatro posibles eventos puede ocurrir:

Si el servidor recibe un request sin error de comunicacin y puede manejar la consulta normalmente devuelve una respuesta normal.

Si el servidor no recibe un request debido a un error de comunicacin no devuelve ninguna respuesta. El cliente procesara el timeout del request

Si el servidor recibe un request, pero detecta un error de comunicacin (parity, LRC, CRC,), no devuelve respuesta. El cliente procesara el timeout del request

Si el servidor recibe un request sin error de comunicacin, pero no puede manejarlo (ej. Si el request es leer una salida existente o registro), el servidor va a devolver una respuesta de excepcin para informar al cliente de la naturaleza del error.

El mensaje de respuesta de excepcin tiene dos campos que lo diferencian de la respuesta normal: Campo de cdigo de funcin: En una respuesta normal, el servidor responde el cdigo de funcin del request original. Todos los cdigos de funcin tienen un bit mas significativo en 0 (los valores estn todos debajo del 80 hexadecimal). En una respuesta de excepcin, el servidor setea este bit en 1. Por lo que la respuesta ser el nmero de funcin ms 80. Con el MSB seteado, el programa de aplicacin del cliente puede reconocer la respuesta de excepcin y examinar el campo de datos del cdigo de excepcin. Campo de Datos: En una respuesta normal, el servidor debe retornar datos o estadsticas en el campo (cualquier informacin que haya sido pedida). En una excepcin, el servidor devuelve un cdigo de excepcin en el campo de datos.

MODBUS Mensajes de Excepcin Code Name Meaning

01 ILLEGAL FUNCTION El cdigo de funcin recibido en la consulta

no es una accin posible para el servidor. O porque el cdigo de funcin es solo aplicable en los dispositivos mas nuevos y no esta implementado en el dispositivo elegido, o bien puede indicar que el servidor esta en el estado incorrecto como para procesar un request de este tipo.

02 ILLEGAL DATA ADDRESS La direccin de datos recibida en la consulta no es permitida para el servidor.

03 ILLEGAL DATA VALUE Un valor contenido en la consulta del campo de datos no contiene un valor possible para el servidor. Ej, el largo

04 SLAVE DEVICE FAILURE Se produjo un error irreparable cuando el servidor trataba de realizar el request.

05 ACKNOWLEDGE Completa el mensaje para saber si el proceso fue finalizado. O para saber si se recibi un request.

06 SLAVE DEVICE BUSY El dispositivo esta ocupado se debe retransmitir mas tarde

08 MEMORY PARITY ERROR Al tratar de leer o escribir en memoria se detecta un error de paridad.

0A GATEWAY PATH UNAVAILABLE

Indica que el gateway no fue capaz de encontrar un camino para el ermin de entrada al ermin de salida requerido. Esto quiere decir generalmente que esta desconfigurado o sobrecargado.

0B

GATEWAY TARGET DEVICE FAILED TO RESPOND

Indica que no se obtuvo respuesta del dispositivo que se quiere alcanzar. Generalmente quiere decir que el dispositivo no esta presente en la red.

MODBUS EN TCP/IP Es una variante o extensin del protocolo Modbus que permite utilizarlo sobre la capa de transporte TCP/IP. De este modo, Modbus-TCP se puede utilizar en Internet, de hecho, este fue uno de los objetivos que motiv su desarrollo (la especificacin del protocolo se ha remitido a la IETF=Internet Engineering Task Force). En la prctica, un dispositivo instalado en Europa podra ser erminalcta desde EEUU o cualquier otra parte del mundo. Las ventajas para los instaladores o empresas de automatizacin son innumerables: Realizar reparaciones o mantenimiento remoto desde la oficina utilizando un PC, reduciendo as los costes y mejorando el servicio al cliente. El ingeniero de mantenimiento puede entrar al sistema de control de la planta desde su casa, evitando desplazamientos. Permite realizar la gestin de sistemas distribuidos geogrficamente mediante el empleo de las tecnologas de Internet/Intranet actualmente disponibles. Modbus/TCP simplemente encapsula una trama Modbus en un segmento TCP. TCP proporciona un servicio orientado a conexin fiable, lo que significa que toda consulta espera una respuesta.

El servicio de mensajes Modbus provee una comunicacin Cliente/Servidor entre dispositivos en una red Ethernet TCP/IP Este modelo cliente/servidor esta basado en cuatro tipo de mensajes: MODBUS Request, MODBUS Confirmation, MODBUS Indication, MODBUS Response

MODBUS Request es el mensaje enviado en la red por el cliente para iniciar una transaccin. MODBUS Indication es el mensaje request recibido en el lado del Servidor. MODBUS Response es el mensaje request enviado por el Servidor. MODBUS Confirmation es el mensaje request recibido en el lado del Cliente.

Este servicio es usado para el intercambio en tiempo real: Entre dos aplicaciones de dispositivos. Entre una aplicacin de un dispositivo y otro dispositivo. Entre aplicaciones HMI/SCADA y otros dispositivos. Entre una PC y un programa de un dispositivo que da servicios online.

Documentos de referencia RFC 1122 Requirements for Internet Hosts Communication Layers Descripcin del Protocolo Un sistema de comunicacin Modbus TCP/IP debe incluir diferentes tipos de dispositivos:

Un Cliente y un Servidor Modbus TCP/IP conectados a una red TCP/IP La interconexin entre dispositivos como bridge, router o gateway para

interconexin entre la red TCP/IP y una sub red de lnea serial que permita conexiones del Cliente y Servidor Modbus Serial Line.

Recordando el PDU de Modbus

Unidad de datos de aplicacin Modbus en TCP/IP Ahora veremos el encapsulado de una respuesta o request Modbus cuando es transportado en una red Modbus TCP/IP.

Un header dedicado es usado en TCP/IP para identificar el Unidad de datos de aplicacin Modbus. Es llamado header MBAP (MODBUS Application Protocol header). El header posee algunas diferencias comparado con la unidad de datos de aplicacin RTU Modbus usado en lnea serial:

El campo slave address usualmente usado en lnea serial es reemplazado por un byte Unit identifier dentro del MBAP header. Este campo es usado para comunicar va dispositivos como bridges, routers y gateways que usan una direccin IP para soportar mltiples unidades Modbus independientes

Todos los request y respuestas estn diseadas de manera tal que el receptor pueda verificar que el mensaje termino. Para cdigos de funcin donde Modbus PDU tiene un largo fijo, el cdigo de funcin solo es suficiente. Para cdigos de funcin que lleven una cantidad de datos variables en el request o en la respuesta, el campo de datos incluye un byte de conteo.

Cuando es transportado en TCP, se lleva informacin adicional del largo en el header MBAP para permitir al receptor reconocer los lmites del mensaje aunque este haya sido dividido en mltiples paquetes para la transmisin. La existencia de reglas de largo implcitas y explicitas y el uso del cdigo de chequeo de error CRC-32 (en Ethernet) resultan en una chance infinitesimal de detectar mensajes con error.

Descripcin del Header Campos Largo Descripcin Cliente Servidor Identificador de transaccin

2 bytes Identifica la transaccin de respuesta o request

Inicializado por el cliente

Recopiado por el servidor del request recibido

Identificador de Protocolo

2 Bytes 0= Protocolo Modbus



Largo 2 Bytes Numero de los siguientes Bytes

Inicializado por el cliente(request)

Inicializado por el servidor (response)

Identificador de Unidad

1 Byte Identificacin de un esclavo remoto conectado en una lnea serial o en otros buses



Modelo de la arquitectura

Communication Application Layer- TCP Management Layer- Administra el establecimiento y el fin de la conexin

y administra el flujo de la informacin en conexiones TCP establecidas o Connection Management se encarga de administrar globalmente los

mensajes de las conexiones TCP. La aplicacin de usuario administra las conexiones TCP por si mismo o la administracin de la conexin es totalmente realizada por este modulo y entonces es transparente a nivel de aplicacin de usuario.

o Access Control Module- En algunos contextos, la accesibilidad a datos

internos de los dispositivos debe ser prohibida para algunos hosts. Es por eso que se necesita un modo de seguridad.

TCP/IP Stack Layer Puede ser parametrizado para adaptar el control de flujo de datos, la administracin de direcciones y la administracin de conexiones de a distintos limites especficos para un producto o un sistema. Generalmente se usa el socket BSD para administrar las conexiones TCP.

Resource management and Data Flor Control- Para equilibrar el flujo de mensajes de datos de entradas con las salidas entre el cliente y el servidor, el mecanismo de data erm control es implementado en todas las capas. Esta basado bsicamente en el control de flujo de TCP con el agregado de un control de flujo de datos en la capa de link y tambin en la capa de aplicacin de usuario.

TCP CONECTION MANAGEMENT La comunicacin Modbus requiere el establecimiento de una conexin TCP entre Cliente y Servidor. Esta puede ser activada explcitamente por el modulo de aplicacin de usuario o automticamente por el modulo de administracin de conexin TCP. En el primer caso una interfaz de programa de aplicacin debe ser provisto en el modulo de aplicacin de usuario para manejar completamente la conexin. Esto le da flexibilidad pero requiere un buen manejo de TCP/IP. En el segundo caso es completamente invisible para la aplicacin de usuario. El modulo de administracin de conexin de TCP es el que se encarga de establecer una nueva conexin TCP cuando esta es requerida. Si el numero de conexiones llega al mximo para abrir una conexin nueva se cierra las mas antigua. Para terminar una conexin el cliente debe iniciar el procedimiento de cerrado de conexin.

PROFIBUS En el ao 1987, las firmas alemanas Bosch, Klckner Meller y Siemens iniciaron un proyecto de desarrollo de una arquitectura de comunicaciones industriales que permitiera la interconexin de equipos de distintos fabricantes. Esta fue la base de un grupo de trabajo al que se integraron otras grandes empresas tales como ABB, AEG, Landis&Gir, etc., algunas universidades y organizaciones tcnicas estatales, entre ellas la propia VDE y el Ministerio Federal de Investigacin Alemn. Se formaron varios grupos de trabajo en distintas reas, cuya tarea esencial fue la de desarrollar un sistema abierto de comunicaciones apto para integrar desde los sencillos transductores y elementos de campo, pasando por los autmatas y controles numricos hasta llegar al nivel de los mini ordenadores para diseo y gestin de la produccin. El primer objetivo fue slo el diseo de un bus de campo con una estructura abierta y un protocolo compatible que permitiera enlazar con una red adoptada como base en los niveles superiores (MAP), con lo que result el proyecto de normas y protocolos que se estudiarn con ms profundidad en apartados posteriores. A partir del ao 1990 se abri la posibilidad para cualquier usuario o empresa de integrarse en un consorcio denominado PROFIBUS Nutzerorganisation, que a travs de diversos comits sigue desarrollando y dando soporte al nivel de aplicacin y certificacin de productos. PROFIBUS es actualmente el lder de los sistemas basados en buses de campo en Europa y goza de una aceptacin mundial. Sus reas de aplicacin incluyen manufacturacin, automatizacin y generacin de procesos. PROFIBUS es un bus de campo normalizado internacional que fue estandarizado bajo la norma EN 50 170. Esto asegura una proteccin ptima tanto a los clientes como a los vendedores y asegura la independencia de estos ltimos. Hoy en da, todos los fabricantes lderes de tecnologa de automatizacin ofrecen interfaces PROFIBUS para sus dispositivos. La variedad de productos existentes incluye ms de 1500 elementos y servicios, de los cuales 400 estn certificados, asegurando un funcionamiento sencillo y correcto incluso en redes de diferentes fabricantes. PROFIBUS ha sido usado satisfactoriamente en alrededor de 200.000 aplicaciones en todo el mundo y se han instalado ms de 2.000.000 dispositivos. Contexto PROFIBUS es un bus de campo erminal que acoge un amplio rango de aplicaciones en fabricacin, procesado y automatizacin. La independencia y franqueza de los vendedores est garantizada por la norma EN 50 170. Con PROFIBUS los componentes de distintos fabricantes pueden comunicarse sin necesidad de ajustes especiales de interfaces. PROFIBUS puede ser usado para transmisin crtica en el tiempo de datos a alta velocidad y para tareas de comunicacin extensas y complejas. Esta versatilidad viene dada por las tres versiones compatibles que componen la familia PROFIBUS: PROFIBUS define toda una red de Comunicacin industrial, desde el nivel fsico hasta el de aplicacin, integrando al mximo las tcnicas de comunicacin previamente definidas y consolidadas. Todos los grupos de usuarios se unen bajo la Organizacin PROFIBUS erminalctar (PI), que con ms de 750 miembros es la organizacin de buses de campo ms grande del mundo.

PROFIBUS emplea un protocolo implementado en la capa 2 del modelo OSI. El control de acceso al medio o MAC se basa en el principio de comunicacin Maestro Esclavo (estacin activa estacin pasiva), y entre Maestros mediante Token passing, siendo el Maestro clase l un controlador (tpicamente, un PLC), el clase 2 un sistema de monitoreo o configuracin (PC o panel HMI). Un esclavo DP es un dispositivo perifrico que se encarga de reunir la informacin de entrada y enviar dicha informacin como salida al controlador (maestro clase 1) ante su pedido; pueden ser tanto seales simples como dispositivos inteligentes. De este modo, podramos pensar en una red PROFIBUS DP en la cual un PLC es uno de los maestros, mientras que otro puede ser una PC en la cual corre una aplicacin SCADA. Los esclavos pueden ser instrumentos de campo, estaciones remotas, islas de vlvulas, posicionadores, PLCs, switchgears, drives, transmisores HART, etc. El controlador central (maestro) puede leer cclicamente la informacin de entrada de sus esclavos, y escribir tambin en forma cclica la informacin de los campos de salida de los mismos. El tiempo de ciclo de bus en una configuracin extensa de 512 bits de seales de input/output promedia 1ms en 12Mbit/seg de velocidad de transferencia. Las funciones de diagnstico garantizan que aun a 12Mbits/segundo haya un constante monitoreo y seguridad de la informacin transmitida.

PROFIBUS PA (Process Automation). Para control de proceso y cumpliendo normas especiales de seguridad para la industria qumica (IEC 1 1 15 8-2, seguridad intrnseca). Apta para la conexin de instrumentacin de campo y actuadores en entornos normales y EX.

Diseado para automatizacin de procesos. Permite la conexin de sensores y actuadores a una lnea de bus comn incluso en reas especialmente protegidas. Permite la comunicacin de datos y energa en el bus mediante el uso de 2 tecnologas (norma IEC1158-2).

PROFIBUS DP (Decentralized Periphery/Periferia Distribuida) Para la descentralizacin de seales y controladores. Orientado a sensores/actuadores enlazados a procesadores (PLCS) o terminales.

Optimizado para alta velocidad. Conexiones sencillas y baratas. Diseada especialmente para la comunicacin entre los sistemas de control de automatismos y las entradas/salidas distribuidas.

PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). Para comunicacin entre clulas de proceso o equipos de automatizacin. La evolucin de Profibus hacia la utilizacin de protocolos TCP/IP para enlace al nivel de proceso hace que este perfil est perdiendo importancia.

Solucin general para tareas de comunicacin a nivel de clula. Gran rango de aplicaciones y flexibilidad. Posibilidad de uso en tareas de comunicacin complejas y extensas.

Medio Fsico La tecnologa de transmisin ms usada es la RS 485, conocida habitualmente como H2. Su rea de aplicacin comprende aquellas aplicaciones donde prima su simplicidad, la velocidad de transmisin y lo barato de la instalacin. Se usa un par diferencial con cable trenzado, previsto para comunicacin semi-duplex, aunque tambin puede implementarse con fibra ptica y enlaces con estaciones remotas va mdem o va radio. La velocidad de transmisin vara entre 9.6Kbits/s y 12Mbits/s. Al conectar varias estaciones, hay que comprobar que el cable de las lneas de datos no sea trenzado. El uso de lneas apantalladas es absolutamente esencial para el logro de una alta inmunidad del sistema en ambientes con emisiones altas de electromagnetismo (como en la fabricacin de automviles). El apantallamiento se usa para mejorar la compatibilidad electromagntica (CEM).

Bus El elemento esencial del bus es el nodo. PROFIBUS prev la existencia de dos tipos de nodos: Activos: son nodos que pueden actuar como maestro del bus, tomando enteramente el control del bus. Pasivos: son nodos que nicamente pueden actuar como esclavos y, por tanto, no tienen capacidad para controlar el bus. Estos nodos pueden dialogar con los nodos activos mediante un simple mecanismo de pregunta-respuesta, pero no pueden dialogar directamente entre s. Aparte de estos dos tipos de nodos, existen otros dos bloques esenciales en la arquitectura del bus:

Expansiones E/S: este tipo de bloques constituyen la interfaz con las seales de proceso y pueden estar integrados tanto en un nodo activo como en un nodo pasivo. Repetidores: los repetidores ejecutan el papel de simples transceptores bidireccionables para regenerar la seal. Su diferencia esencial con los estudiados en el caso del BITBUS es que no se requieren seales de control (RTS+, RTS-) para conmutar el sentido de la lnea de datos, ya que el sistema de codificacin en PROFIBUS es del tipo NRZ (por niveles) y las velocidades son ms bajas.

Caractersticas de las redes PROFIBUS La misma topologa, protocolo y estructura de red. Adaptacin a diferentes baudrates, desde 9,6Kbits/seg hasta 12Mbits/seg, permiten adaptar la comunicacin a cada requisito tecnolgico. Enorme capacidad de procesamiento de diagnstico. Adaptacin a diferentes medios como fibra ptica (para largas distancias o ambientes con perturbaciones), cable de cobre en RS485 o para entornos Ex (con riesgos de explosin) donde se requiere enviar la energa por el mismo cable de seal. Reconfiguracin online sin cada del maestro y reemplazo con energa. Independiente de marca: cualquier componente de cualquier marca puede hablar con otro que adhiera al estndar PROFIBUS.

Conclusiones: Aunque a lo largo del trabajo se dio la impresin de que los estndares industriales compiten comercialmente con los estndares de datos, esto no es del todo cierto. Si bien es cierto que por simplicidad y difusin tecnolgica se est tratando de aplicar estndares de datos en el control industrial, lo cierto es que tanto los actuales estndares industriales como los de datos encuentran su lugar en las redes industriales. No toda la informacin es utilizada siempre para el control de la planta sino que muchas veces se utiliza a ttulo informativo, es en esos caso cuando se puede aplicar perfectamente los estndares de datos y es por eso que existen muchas soluciones tecnolgicas para lograr la interaccin de las redes industriales con las redes de datos. Cuando uno piensa en redes de datos suele pensar en 2 o tres estndares muy difundidos y en pos de eso suele quitarle importancia a otras tecnologas ya en desuso (Token Ring, TDMA). El error radica en pensar exclusivamente las redes en funcin del transporte de datos digamos triviales en comparacin con lo visto en este trabajo. En cuanto a la gran diversidad de protocolos y estndares industriales, se puede decir que buscan alcanzar una meta inalcanzable. Como en todas las soluciones de ingeniera siempre est el compromiso de fondo es necesario buscarlo, teniendo en cuanta que en este ambiente las fallas pueden tener repercusiones muy severas.

Anexo

RS-422

El RS-422 conocido originalmente como EIA-422 es un interfaz o sistema de comunicacin serie que consiste en 4 hilos con transmisin full-duplex y lnea diferencial. Permite conectar ms de un dispositivo a la lnea de transmisin. La comunicacin diferencial permite una mayor velocidad que el RS-232 permitiendo hasta 10Mbits/seg.

Cuando solo se usan 2 hilos en half-duplex line se denomina EIA-485 o RS-485.

La longitud mxima del cable son 1200 metros. No puede implementar una autentica red multipunto, como si hace el RS-485 pero s permite que un ordenador controle por el mismo bus hasta 10 dispositivos.

RS-485

El Estndar RS-485

La norma RS-485 est siendo la aplicacin fundamental para conexiones multipunto en la industria.

La RS-485 es la nica que permite una red de nodos mltiples con comunicacin bidireccional con un solo par de cables trenzados, no todos los estndares combinan esta capacidad con el buen rechazo al ruido, con excelente velocidad de transmisin de datos, con gran longitud del cable de interconexin, y la robustez general del estndar.

Por estas razones, existe una gran variedad de uso de las aplicaciones con RS-485 para la transmisin de datos entre aparatos en sectores como:

Automocin Informtica Robtica Repetidores celulares Fabricantes de PLCs Fabricantes de Sinpticos Etc.

Aunque la RS-485 es sumamente popular, los fabricantes de productos que quieren incorporar esta norma, deben aprender y comprender los problemas de la interconexin con la RS-485.

La RS-485 es de bajo coste, bidireccional, multi-punto, interconexin con fuerte rechazo del ruido, buena tasa y rapidez de transmisin de datos, alta velocidad en la transmisin de datos y un rango del modo comn ancho.

La norma especifica las caractersticas elctricas de transmisores y receptores para la transmisin diferencial multi-punto de datos, no hace referencia ni especifica el protocolo, si el cdigo, las caractersticas mecnicas del conector y las conexiones de los pines (pinout).

La EIA (Electronic Industries Association) Technical Recommendation ermin TR30, especific la norma RS-485 en el ao 1983. La Telecommunitcations Industry Association (TIA) es ahora la responsable para las revisiones futuras. La RS-485 se est revisando actualmente, en su revisin y despus de una votacin la norma revisada pasar ha llamarse ANSI TIA/EIA-485-A.

Conceptos tcnicos

Existen, por lo menos, 10 conceptos tcnicos que se deben repasar antes de aplicar la norma, que son:

La forma de los nodos Las configuraciones La media de erminalctares Velocidad de los datos y la longitud del cable Terminales y adaptadores Diferencial nico y parmetros de RS-485 Blindajes y tierras Modo de proteccin Especial-funcin transmisor-receptor Relacin fallo-seguridad

La forma de los Nodos

El estndar RS-485 permite su uso en redes mltiples de gran velocidad si tenemos en cuenta las siguientes recomendaciones:

1. Cada bus o red no debe tener ms de 32 cargas. 2. El control direccional de los repetidores es complejo, pero se puede solucionar

por hardware, por consiguiente, una estimacin algo conservadora es que, sin usar los transceptores especiales, una red puede incluir 32 transceptores.

Datos Tcnicos ESPECIFICACIONES RS-485

Modo de trabajo Diferencial Nmero Total de Emisores y Receptores en Una Lnea 1 EMISOR 32 RECEPTORES Mxima Longitud del Cable 4000 FT. (1.200 m.) Velocidad Mxima de transmisin de Datos 10 Mb/s Tensiones Mximas de Salida -7V a +12V Nivel de la Seal de Salida (Carga Min.) Con Carga +/-1.5V Nivel de la Seal de Salida (Carga Max.) Con Carga +/-6V Resistencia de Carga (Ohms) 54 Max. Corriente en Estado Z Alto Alimentacin conectada +/-100A Max. Corriente en Estado Z Alto Alimentacin desconectada +/-100A

Velocidad de Cambio (Max.) N/A Tensiones de entrada del Receptor -7V a +12V Sensibilidad de entrada del Receptor +/-200mV Resistencia de entrada del Receptor (Ohms) >=12k min.

Instalacin y Conexionado Para la instalacin del bus RS-485 debemos tener en cuenta las siguientes consideraciones:

Longitud mxima del bus RS485: 1200 m aprox. (sin amplificadores).

Para mas distancias, es posible utilizar amplificador, que regenera y amplifica la seal.

Cable a utilizar: Se pueden instalar buses RS-485 usando cable de pares trenzados. La impedancia caracterstica del cable puede variar entre 100 o 120ohm. Es recomendable la utilizacin de cable UTP cat.5 o superior.

Evitar el paso del bus cerca de cables y equipos de potencia, ya que estos producen

inducciones electromagnticas que pueden provocar mal funcionamiento en el sistema y en algunos casos incluso la avera de los equipos.

El bus RS-485 es un bus serie, nunca instale los equipos en estrella o anillo.

El estndar RS-485 es el nico que permite que mltiples nodos se comuniquen bidireccionalmente sobre un nico par de cables. Ningn otro estndar combina esta capacidad con un equivalente rechazo de ruido, longitud de cable y, en general, robustez. Es necesaria una buena interconexin de los equipos como indica el siguiente esquema:

Norma de comunicacin TIA/EIA-232-E

Norma RS-232 El estndar RS-232 es una de las normas de comunicacin serie asncrona ms popular y es ampliamente aceptada en la industria. Esta norma es utilizada para la comunicacin entre modems, impresoras, ordenadores, etc. Fue definida como estndar por la Asociacin de Industrias Electrnicas (EIA) y la letra final de su denominacin indica la versin. La RS-232 toma en cuenta las caractersticas mecnicas, elctricas, funcionales y de procedimientos tpicos de un protocolo orientado al enlace fsico punto a punto. Este estndar se basa en comunicacin asncrona, es decir, los datos pueden ser trans- mitidos en cualquier momento, por lo que deben tomarse precauciones para sincronizar la transmisin con la recepcin. La Transmisin En la transmisin bit a bit la lnea se mantiene en estado latente (no transmisin) y el envo de la informacin se realiza enviando un bit de inicio (siempre en nivel bajo), seguido de 5,6,7,u 8 bits de datos, un bit adicional de paridad y 1, 1.5 o 2 bits de parada. Esta secuencia permite reconocer el inicio de la transmisin, los datos, as como la integridad de la misma y la finalizacin del envo. Para que dos dispositivos puedan hacer efectivo el intercambio de informacin se requiere, adems, que cada una de ellos utilice las mismas caractersticas de transmisin, entre estas caractersticas estn la velocidad que pueden ser de: 110 bps, 300 bps, 600 bps, 900 bps, 1200 bps, 2400 bps, 4800 bps, 9600 bps, 19200 bps. Estas velocidades han sido ampliadas en la versin RS-232-E. El Puerto RS-232 El estndar establece adems las caractersticas fsicas y mecnicas del conector, el tipo de dispositivo (emisor o receptor), las caractersticas elctricas de la conexin y los mecanismos de sincronizacin de la comunicacin. El conector es un DB25 (conector de 25 contactos), aunque en la prctica se suele utilizar un DB9, en los que estn definidos cada uno de los contactos dependiendo del tipo de dispositivo. El DTE (Equipo erminal de Datos) lleva instalado el conector macho y el DCE (Equipo de Comunicacin de Datos) dispone del conector hembra. Subir

Referencias:

www.CAN-CIA.org www.profibus.org www.automatas.org Modbus Application Protocol - www.modbus-IDA.org Modbus Messaging Implementation Guide V1.0a -www.modbus-

IDA.org Comunicaciones Industriales, Profesor Manuel Jimnez

Buenda, Universidad Politcnica de Cartagena, Dpto. de Tecnologa Electrnica

Tema 9: REDES LOCALES EN ENTORNOS INDUSTRIALES. BUSES DE CAMPO- Ingeniera de Sistemas y Automtica, Universidad de Oviedo

ANALISIS DEL ESTADO DEL ARTE DE LOS BUSES DE CAMPO APLICADOS AL CONTROL DE PROCESOS INDUSTRIALES,Dr. Ing. Hctor Kaschel C. e Ing. Ernesto Pinto L., Fac. de Ingeniera, Depto. de Ingeniera Elctrica ,Universidad de Santiago de Chile

E-mail: [email protected] [email protected]

redes industriales.pdf

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