Buses de Campo: Requisitos, Protocolos y Aplicaciones

Tema 6 Buses de campo

Requisitos de un bus de campo:

 integración de datos (distintos tipos para distintos dispositivos), integración de dispositivos (distintos tipos de fabricantes), tiempo real (ciclo de bus conocido), eficiencia del protocolo (poca sobrecarga), Seguridad (inmunidad a perturbaciones, velocidad no muy alta), ampliable, diagnosticable, disponible en el mercado.

MAP (Manufacturing Automation Protocol)

 General Motors en 1980 (bus bajo nivel)

Capa física:

 Modulación portadora FSK (Frecuency Shift Keying). Banda ancha (varias frecuencias por cable, varios canales. Hasta 10Mbits/s por canal). Banda base (más barata. Hasta 5Mb/s. Un solo canal por cable). Método de paso por testigo. 

Capa de aplicación:

FTAM (transferencia de ficheros). MMS (interconexión de sistemas robóticos). ACSE (comunicación entre programas).

TOP (Technical Office Protocol):

Boeing. Muchos puntos en común con MAP.
(Bus bajo nivel)

Capa física:

Ethernet, token-bus, token-ring, fibra óptica. 

Capa de aplicación:

 ACSE, FTAM, CCITT X.400 (correo electrónico).

Interbus (bus bajo nivel)

Muy difundido. Optimizado E/S numérica. Capa física: {Monomaestro, 512 esclavos. Topología anillo activo (bus remoto, bus local). Asignación de direcciones por posición en el bus (evita errores). Medios (doble par RS-485+Vcc, Fibra óptica, infrarrojos). Velocidad 500 Kbits/s}. Trama aditiva: datos para todos los esclavos (según posición en el bus), longitud fija (tiempo de ciclo fijo, determinista). Fiable (trama regresa al maestro). Inmune (baja velocidad y uso de fibra óptica). Desconexión de ramas en funcionamiento.

HART  (bus bajo nivel)

Utiliza tendidos 4-20mA (rentabilizar la inversión con FSK en el rango ±0,5mA). Dispositivos inteligentes (parámetros, estado, ajustes). Hasta 15 dispositivos a un cable (solo transmisión digital, 0-4mA). Hasta 3km. Modos de comunicación: maestro-esclavo, modo difusión (si único dispositivo). Nivel de aplicación, 3 niveles de comandos: comandos universales (leer fabricante, variable principal, valor en porcentaje), comandos habituales (leer hasta 4 variables dinámicas, fijar periodo de muestreo, realizar testeo, fijar función de transferencia), comandos específicos del instrumento.

AS-Interface (bus bajo nivel)

Creado en el año 1994, 11 fabricantes (Siemens, Omrom, Festo, etc.), estándares (EN 50295, IEC 62026/2, IEC 947). Orientado a sensores y actuadores binarios, un bit por elemento y no señales analógicas. Dirección de esclavos en memoria no volátil asignada por máster. Existen: tarjetas maestro para PLCs, conectores para RS-232, RS-422, RS-485, pasarelas profibus, tarjetas para PC y configuradores manuales.

Capa física:

Nivel físico: cable 2 hilos sin trenzar (amarillo, alimentación y comunicación, rojo, alimentación aux. 220Vac y negro, alimentación aux 24Vdc). Posibilidad de conectores vampiro (atraviesan la cobertura, autociactrizantes, única posición). Consumo: cada dispositivo hasta 65mA (caso contrario, línea auxiliar de alimentación). Protocolo: maestro-esclavo. Único maestro. Hasta 31 esclavos (hasta 124 entradas y salidas digitales). Topología flexible: estrella, bus, árbol.

Capa de enlace:

Maestro llama a cada esclavo (paquete de llamda de 14bits, paquete de respuesta de 7bits). Ciclo determinista de 5ms. Codificación Manchester de onda sinusoidal (gran robustez en la comunicación).

CAN-CANopen (bus bajo nivel)

Surgíó en 1986 de mano de Bosch para reducir el cableado de los automóviles y se convirtió en estándar en 1993. Utilizado por la mayoría de fabricantes europeos. Dada su robustez y eficacia utilizada en aplicaciones industriales (transporte público, CANopen
Lift, CleANopen, control industrial, automatización de edificios).

CANopen

Trabajo en modo difusión (broadcast) (mensajes con ID, no dirección, sin maestro). Paquetes de hasta 8bytes de datos. Sistema de prioridades no destructiva. Desconexión de nodos defectuosos. Velocidades máximas (1Mbps a 30m, 10kbps a 5km, depende de la topología y número de dispositivos).

Capa física:

 Medio: par trenzado de 2 o 4 hilos, resistencia terminadora 120 ohm. Transmisión diferencial: NRZ (Non Return to Zero). Define dos niveles: dominante (0, diferencia 2V), recesivo (1, no hay diferencia). Topología: Cadena (Daisy chain), derivaciones (Droplines), Mixto (combinación de los anteriores). Conectores: DB9, RJ45, Abierto, Mini-Din 5 pines.

Capa de enlace:

 Estructura del paquete: identificador de 11 bits, RTR solicitud de transmisión. Fragmentación del paquete: si los datos a enviar son más de 8 bytes, se transmiten 7 bytes de datos por paquete y el primer byte es para especificar la secuencia.

Acceso al medio:

 Usa arbitraje con prioridad a bit: se hace la y-lógica (0 más prioridad que 1), cada nodo escucha a la vez que envía.

Gestión de errores:

 Bit ACK emitido recesivo (1): debe ser activo dominante por algún receptor. Trama de error, si un receptor no reconoce la trama. Estado de error: conectores de error (TEC, contador de errores de transmisión, REC, contador de errores de recepción), estados (error activo, TEC y REC<128, envío de error. Error pasivo, TEC y REC>128, no envía trama de error. Bus-OFF, TEC>255, desconectado del bus).

Capa de aplicación:

 Especificaciones a cumplir por dispositivo: DS301, perfil básico, DS4XX, objetos de comunicación según tipo. Perfil: define datos mínimos que debe tener el dispositivo (diccionario de objetos), cada objeto indexado (índice de 16 bits y subíndice de 8 bits), cada dispositivo debe tener EDS (hoja de datos electrónica).

Protocolos

No hay direcciones sino identificadores COB-ID (4 bits número de nodo, 7 bits de servicio). Servicios: PDO, servicio de objetos de proceso (tareas cíclicas en tiempo real, sin confirmación, productor-consumidor, configurables), SDO, servicio de objetos de datos (tareas de baja prioridad, acíclicas, maestro-esclavo, se usa en fase de configuración), SFO, objetos funcionales especiales (sincronización, emergencia y errores), MNT, gestión de red (700-77F).

CAN FD (CAN Flexible Data-rate):

Mejora del CAN (transmitir a mas de 1Mbit/s, transmitir hasta 64bytes). Parte de cabeza y cola hasta 1Mbit/s. Velocidad se puede aumentar en datos.

DeviceNET:

Desarrollado a principios de los 90 por Allén Bradley, basándose en bus CAN, mantenido por ODVA, utilizado por compañías americanas. Utiliza maestro-esclavo a pesar de usar bus CAN.