Evolución de los sistemas de control industrial y protocolos de comunicación

Control centralizado:

Hasta los años 60, se caracteriza por su lógica cableada a base de relés, condensadores y resistencias utilizando señales analógicas de 4 a 20mA. Todas las señales se llevan a un armario, ubicado cerca de la planta en el centro de control. Las señales son guiadas mediante cables. Los inconvenientes de este control son, la gran cantidad de cables (alimentación y señales), interferencias, caídas de tensión y un complicado mantenimiento.

Control distribuido (DCS):

Aparecen dispositivos con microprocesador, PLCs (Controlador Lógico Programable) y los cambios son programados sin necesidad de sustituir hardware. Los sistemas complejos se subdividen: los controladores son propios de cada subsistema y se ubican junto a cada planta. La comunicación entre subsistemas es digital a través de buses de campo. Siendo el único medio para transmitir todas las señales, reduciendo así el número de cables, la programación se realiza a distancia, la supervisión es remota, se pueden realizar diagnósticos y es posible acceder a la información.

Pirámide de Comunicación Industrial. CIM: Computer Integrated Manufacturing:

Implementa el sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). La información se almacena en BD (Bases de Datos) y es accesible desde toda la empresa. Evaluación de estrategias a nivel global (Procesos productivos, recursos humanos, logística, etc.). Los niveles de comunicación (Volumen de datos/exigencia a respuesta rápida) Nivel de oficina (muy grande/pequeña), nivel de planta (grande/media), nivel de célula (media/grande), nivel de campo (pequeño/muy grande). Siendo el nivel de campo el de mayor número de dispositivos y el de oficina el menor.

5.1 Modelo OSI. ISO/IEC 7498-1. Open System Interconnection.:

Es el modelo de referencia para los protocolos de la red de arquitectura en capas, definiendo 7 capas: Capa física: Características del medio físico (mecánicas, conectores, eléctricas, formas de señales eléctricas). Topologías aceptadas. Modos de emisión. Capa de enlace: Crea los paquetes de datos (longitud adecuada del paquete, detección y corrección de errores). Especifica acceso al bus. Se puede subdividir en LLC y MAC. Capa de red: direccionamiento (routing) (fragmentando. Distintas rutas). Control de flujo. Capa de transporte: enlace fiable entre terminales (orden de envío y recepción. Petición de reenvío si hay error o pérdida de paquetes). Fronteras entre capas de subred y aplicación. Capa de sesión: administra las comunicaciones entre equipos (organización: establecimiento, mantenimiento y finalización. Comprensión de datos. Sincronismo en el intercambio de datos). Capa de presentación: conversión de datos a formato común (ordenación de Bytes, juego de caracteres (ASCII, EBCDIC), comprensión de datos). No suele aparecer (funcionalidad la realiza la capa 7). Capa de aplicación: da acceso a la red a las aplicaciones (transferencia de fichero, correo electrónico, navegación web, etc.). No siempre es posible reconocer los 7 niveles, depende del tipo de comunicación.

Estándar ISA/SP 50:

SP 50.1 define el estándar analógico 4-20mA. SP 50 para señales digitales implementa solo tres niveles OSI (Físico, de enlace y de aplicación). Agrega el nivel usuario (permite la intercambiabilidad de instrumentos. Base de datos). Agrega capa de supervisión (niveles 1-7) (monitorización, parametrización y configuración).

Protocolo CIP:

Common Industrial Protocol: Trata de unificar la gestión de dispositivos (conectados a distintos tipos de redes). Aproximación basada en objetos (perfiles (clases) de distintos dispositivos: Atributos, servicios, comportamientos).

5.2 Capa física:

Intercambio de información-transporte de energía. Cables, fibra óptica, enlace óptico, radiofrecuencia.

RUIDO ELÉCTRICO:

Debido a la suma de dos factores: fuentes de ruido que producen cambios rápidos en el voltaje o en la corriente, por ejemplo, el arranque de grandes motores, tubos fluorescentes, rayos, subidas de tensión por fallos eléctricos, equipos de soldadura, etc. Y mecanismo que acopla fuente con circuito afectado, habiendo varios tipos: Acoplamiento por impedancia: cuando varios circuitos comparten conductores comunes. Se soluciona utilizando cable de retorno para cada señal. Acoplamiento capacitivo: la magnitud del ruido en los hilos depende de la longitud afectada por la fuente, la distancia a la fuente (inversamente), la amplitud del voltaje de ruido y la frecuencia de variación del voltaje de ruido. Puede reducirse separándolos de la fuente, reduciendo la amplitud y frecuencia del ruido, apantallando los hilos (crea caminos de baja impedancia, debe estar a tierra en solo un punto) y trenzando los hilos (se cancela el efecto de cada hilo del par). Acoplamiento inductivo: similar al capacitivo pero según variación de intensidad y puede reducirse trenzando pares (reduce el área, corrientes inducidas se cancelan) y apantallando (la pantalla genera campo magnético opuesto, no hay necesidad de conectarla a tierra). Radiación en radiofrecuencia: induce acoplamientos capacitivos e inductivos. Y puede reducirse apantallando (caso contrario: el conductor actúa como antena) y colocando condensadores (dirigen voltajes inducidos a tierra). Aislamiento: un circuito puede aislar a otro para evitar el paso de ruidos. Por optoacoplamiento o por transformador, siendo este mejor si hay transitorios muy rápidos.

MEDIOS:

Cable eléctrico, formado por conductores de tipo solido grueso o hilos finos enrollados juntos y número (simple, doble, multihilo), aislante que rodea a los conductores y una cobertura externa que mantiene los elementos unidos y protege del ambiente. Cable coaxial: Formado por un núcleo de cobre, aislante dieléctrico, malla conductora y cubierta protectora. Su impedancia depende de los diámetros y las propiedades del dieléctrico. Sus ventajas son, multitud de aplicaciones (transmisión de voz, datos y video), fácil de instalar y precio razonable. Sus inconvenientes, que se daña con facilidad, más difícil de trabajar que los de par trenzado y que los conectores pueden ser caros. Problemas típicos: circuito abierto o cortocircuito en los conectores y error en la impedancia. Cable de par trenzado: Par: 2 conectores aislados enrollados (unas 40 vueltas por metro, conductor solido o de hilos finos de cobre). Pantalla: UTP (sin pantalla), STP (maya para todos), ScTP o FTP (hoja alrededor de todos), U/FTP (hoja alrededor de cada par), S/FTP (hoja alrededor de cada para y malla para todos). Formado por varios pares de cables (2, 4, 6, 8, 25, 50 o 100) para redes típicamente 2 o 4 pares, pantalla y cobertura (PVC, Teflón o Kynar). Las ventajas del par trenzado son la facilidad de conexión de dispositivos. Para STP, buen bloqueo de interferencias, y para UTP, barato y fácil de instalar. Los inconvenientes, para STP, que a veces es demasiado voluminoso y de difícil manejo. Y para UTP, tiene más interferencias que el coaxial o la fibra óptica. Problemas típicos: atenuación excesiva (demasiado largo), cruce de pares (error en el conector) y diafonía (crosstalk) entre pares. Fibra óptica: Formada por fibra óptica, protección secundaria (holgada o densa), elemento de tracción (aramida o fibra de vidrio), cubierta interna (PVC, polietileno), coraza y cubierta exterior. Utiliza señales luminosas a través del núcleo. De material transparente, guía ondas para señales luminosas, los cables agrupan varias fibras. Tipos: Monomodo, un único haz paralelo al eje y Multimodo, varios haces con distinto ángulo. Las ventajas son, que el núcleo absorbe poca energía, gran ancho de banda, inmunidad electromagnética y muy ligera y flexible. Los inconvenientes, los transmisores y receptores son caros, el conexionado es complicado y la fragilidad de las fibras.

MODOS DE EMISIÓN:

Sistemas de transmisión: En cables por: Niveles de tensión, limitada por la longitud del cable (aumento de la capacitancia conlleva a la desaparición de armónicos). Perturbaciones eléctricas afectan directamente. Corriente, más robusta a perturbaciones y el 4-20mA utilizado para señales analógicas. Señal modulada, utilizando señal osciladora, Banda base (variación de tensión según datos) Portadora, señal sinusoidal (modificada en amplitud, frecuencia o fase). Modos de transmisión: Paralelo, formado por varios conductores, los datos se envían simultáneamente a gran velocidad pero con distancia limitada. Ejemplo: bus interno del ordenador, bus ISA, bus PCI. Serie, formado por un único par de hilos, los datos se envían multiplexandolos en el tiempo y es necesaria una temporización (Síncrono, se envía señal de reloj (SPI), Asíncrono, sin reloj (RS-232, RS-422, RS-485). Codificación de la información: Es la forma en la que se expresa cada bit, como variación de voltaje o intensidad para la transmisión. Y las formas más utilizadas son, codificación directa (un nivel para cada bit) y codificación Manchester (cada bit un flanco).

TOPOLOGÍA:

Distribución de equipos alrededor del medio. 5 tipos:

Estrella: todos los equipos conectados a uno central, HUB. Un fallo en el HUB paraliza la red, la ampliación está limitada a la capacidad del HUB, el rendimiento depende del HUB, necesita mayor cantidad de cableado, sencillez de mantenimiento. Anillo: Paso por un testigo. Reconocimiento automático, la señal se genera en cada nodo, fallo en nodo interrumpe el tráfico, no es ampliable en funcionamiento, el diagnóstico es difícil. Bus: segmento de cable donde se conectan todos los equipos. Menor longitud de cable, permite conectar y desconectar equipos (no afecta la caída de equipos), elevada velocidad de transmisión, si se sobrecarga baja el rendimiento. Árbol: mezcla de bus, anillo y estrella. Malla: cada nodo se une a varios. Fiabilidad, mayor coste, mayor cableado.

Extensión de la red: WAN (Wide Area Network), cubre necesidades internacionales. MAN (Metropolitan Area Network) escala de una ciudad. LAN (Local Area Network) redes de area local limitadas a 1km.

5.3 Capa de enlace

Sentido de la comunicación: Simplex, un equipo es emisor, y otro receptor,  información fluye siempre en el mismo sentido. Half-duplex, entre dos puntos en ambos sentido pero nunca simultáneamente. Full-duplex, comunicación bidireccional y simultánea.

Emisores y receptores: Punto a punto, cada paquete tiene único destinatario, si hay varios destinatarios, hay varios mensajes (ineficiencia (misma información varias veces) inexactitud (llegan en distintos instantes)). Difusión (Broadcast), mensaje para todos. Paquete enviado se identifica con etiqueta (todos los interesados pueden leerlo, acceso simultáneo (sincronismo), economiza recursos (único envío)).

Organización de nodos: Maestro-esclavo: único equipo control de la red, de forma permanente o temporal. Se encarga de iniciar comunicación y los esclavos contestan a sus peticiones. Cliente-Servidor: los nodos proporcionan un servicio. Los nodos clientes lo solicitan y los servidores responden. Los nodos pueden ser a la vez servidor y cliente. Productor-Consumidor: se basa en difusión, se emite mensaje cuando se considera necesario.

Capa 2: Enlace de datos: LLC: Logical Link Control. Enlace es unión lógica entre estaciones. Puede ser estático, activo todo el tiempo (cuando sobran recursos), o dinámico, cambia de interlocutor (se aprovechan mejor los recursos). MAC: Media Access Control. Control de acceso al medio.

MAC: Media Access Control. Control de acceso al medio: Polling: Maestro consulta a los esclavos. Comunicación entre esclavos a través del maestro. Multiplexado temporal (TDMA): único paquete para todos los esclavos. Los esclavos saben que parte del paquete es para él (la lee y la modifica).  Token determinista: testigo de permiso pasando entre estaciones. El tiempo de posesión es determinado (se conoce el tiempo máximo de circulación). Variantes: Token-Ring, Token-bus. Token estocástico (CSMA): cualquier estación puede emitir. Variantes: Arbitraje por prioridad (AMP): el identificador contiene prioridad, si hay colisión el que emite con identificador más prioritario continúa y el otro se detiene. Detección de colisión (CD): si hay colisión las tramas se pierden (se espera tiempo aleatorio para el reenvío), las colisiones aumentan con el número de estaciones (saturación). Evitación de colisiones (CA): se envía trama especial de reserva del bus.

5.4 Interconexión de redes

Repetidor: (Capa física) Regenera señales eléctricas (alargar el segmento. Son bidireccionales). Pueden usarse para cambiar medio o norma (coaxial por par trenzado). Hubs (bus con topología estrella). No necesitan configuración. No resuelven problemas de tráfico (retransmiten colisiones o información errónea). Puente: (Capa de enlace) Conocidos como switch o bridge. Unen redes del mismo tipo o protocolo. Procedimiento: Almacenar paquete recibido, analizar paquete, eliminando el erróneo, enviar al destinatario, solo si esta en distinta rama. Router: (Capa de red) Une redes de igual protocolo, aunque distinta configuración o estructura. Pasarela: (Capa de red) conocidos como Gateway. Une redes de distinto protocolo. Funcionalidades: almacenar paquetes a nivel transporte, adaptación de formatos al destino, envío a la red y estación de destino.

5.5 Comunicaciones Paralelas y Seriales

Comunicación Paralela: todos los bits están disponibles simultáneamente. Arbitraje simple (dato disponible). Arbitraje completo (listo para recibir, dato disponible). GPIB (IEEE-488): Bus de comunicaciones instrumentación, 8 bits de datos, 5 bits dirección. Comunicación Serial: Serial, multiplexación temporal (cada bit dura un cierto tiempo). Serial síncrona, con señal de reloj (reloj generado por un dispositivo, maestro, SPI). Comunicación Serial Síncrona: Con reloj incorporado en los datos. Codificación Manchester (un flanco en cada bit), caracteres de sincronismo al principio y al final (receptor pueda determinar el reloj). Comunicación Serial Asíncrona: Sincronización a partir de la señal. El envío puede comenzar en cualquier momento. Acuerdo en la velocidad de transmisión. Estructura (UART): Bit de start, 7 u 8 bits de datos, bit de paridad (opcional), bit de stop. Serial RS-232 (EIA-232): Surgido en 1969 para unir terminales (DTE) y módems (DCE). IBM lo utilizó en los PCs. Líneas de datos: TxD y RxD. Líneas de control (voltajes invertidos): RTS (listo para enviar), CTS (listo para recibir), DSR (el DCE está listo), DTR (el DTE está listo), CD (portadora detectada). Transiciones Serial RS-422 (EIA-422): diferencias con RS-232: Usa señales diferenciales mediante 2 hilos, sin punto de referencia a masa. Rango de voltajes inferior, mayor velocidad y mayor distancia. Se permite estructura bus (hasta 32 estaciones, maestro-esclavo, resistencia terminadora). Serial RS-485 (EIA-485): diferencias con RS-422: Solo 2 conductores (D+, D-). Tercer estado (alta impedancia si no está enviando). Todos los equipos pueden emitir (todos reciben). Hasta 256 equipos (con receptores de alta impedancia).

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)

Surgió 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 REC128, 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 Allen Bradley, basándose en bus CAN, mantenido por ODVA, utilizado por compañías americanas. Utiliza maestro-esclavo a pesar de usar bus CAN.

Profibus (PROcess FIeld BUS) (bus alto nivel)

Nació en 1989 por fabricantes alemanes, normas EN50170, IEC 61158, extendido por todo el mundo. Perfiles: FMS (nivel OSI 7 , gran transferencia de datos), DP (periferia descentralizada, niveles 1 y 2 sobre RS-485, volumen medio de datos), PA (DP ampliado, zonas de seguridad intrínseca, reducción de voltajes y corrientes). Dos tipos de dispositivo: maestros, estaciones activas, esclavos, estaciones pasivas. DP: maestros (DPM1, funcionamiento normal, PLCs. DPM2, programación, configuración y diagnóstico), esclavos (DP-Slave, sensor actuador asignado por único maestro). Transferencia DPM1 a DP-Slave: modo cíclico envío-recepción, modo ‘sync’ (esclavos congelan sus salidas,en el siguiente ‘sync’ vuelcan sus salidas a campo), modo ‘freeze’ (esclavos congelan sus entradas, datos se actualizan solo al recibir ‘freeze’), si respuesta en tiempo (modo OPERATE), si respuesta se retrasa (modo CLEAR, fija salidas a todos sus esclavos a modo seguro), también temporización en esclavos (fija sus salidas a modo seguro)

Nivel físico: Basado en EIA-485: bus terminado en ambos extremos, cable de par trenzado apantallado, velocidad entre 9,6kbps (1200m), con repetidores hasta 4800m y 12Mbps (100m), 32 estaciones con repetidores hasta 127.

Nivel de enlace: Acceso al medio por: testigo (token) entre maestros, en orden ascendente de direcciones (cada maestro trata de pasar el token 3 veces, después prueba con el siguiente), el de id más bajo inicia el proceso tras el encendido o si hay pérdida de testigo. Muestreo (polling) solo el maestro que tiene el testigo (a los esclavos que tiene asignados y a otros maestros), mensaje de alta prioridad incluso sin testigo.

Mensaje a un destinatario, también posible: broadcast (para todos) o multicast (para un grupo). Posibilidad de transmisión: envío de datos con confirmación (SDA), envío de datos sin confirmación (SDN), envío de datos con respuesta (SRD), envío cíclico de datos con respuesta (CSRD).

Nivel de aplicación: FMS (Field Message Specification): se ve como proveedor de servicios (confirmados o sin confirmar), los servicios pueden ser: establecer conexión, acceso a variables, arrays y listas, acceso a bloques de memoria, invocación de programas (arranque, parada, etc.), gestión de eventos (alarmas), envío de informes en modo difusión, diccionario de objetos (lectura/escritura). LLI (Lower Layer Interface): adaptación del nivel 7 al nivel 2 (control de flujo, monitorización de conexión), comunicaciones soportadas (sin conexión: broadcast, multicast. Con conexión: 1 a 1, establecimiento, finalización). FMA (Fieldbus Management service): gestión de contexto (abrir y cerrar comunicaciones de gestión), gestión de configuraciones, gestión de fallos.

Modelo de comunicación: Permite gestión de procesos distribuidos. Define dispositivos virtuales de campo (VFD), cada elemento del dispositivo (objeto de comunicación), objetos disponibles (diccionario de objetos): tipos de datos soportados, direccionamiento (lógico, índice de 16 bits. Nombre. Dirección física).

Modbus (bus alto nivel)

Desarrollado inicialmente por Gould Modicon, actual Schenider Electric. Estándar abierto (de facto) usado por muchos fabricantes, consigue la integración entre ellos y es recomendable tanto para clientes como para fabricantes. No define nivel físico, aunque suele implementarse sobre EIA-232/485 y está sujeto a sus limitaciones: velocidad, número de estaciones. Hoy en día también pasando a TCP/IP (Modbus/TCP).

Organización: cada dispositivo tiene una dirección, normalmente maestro-esclavo, los dispositivos tienen una serie de registros (se puede solicitar su contenido y se puede fijar su valor). Modos de transmisión: modbus ASCII, datos en ASCII (modbus-A), modbus RTU, datos en binario (modbus-B).

Mensaje: Campo 1 (1 byte para la dirección de esclavo), tanto envío como respuesta, en el rango de 1 a 247. Campo 2 (1 byte para la función a realizar), en la respuesta se devuelve igual si es realizada con éxito y con el MSB a 1 si no puede realizarla. Campo 3 (datos, tamaño variable), información para la función, información de respuesta. Campo 4 (2 bytes CRC 16).

Funciones: De lectura de datos: 01, señales discretas de salida (output coils), 02, señales discretas de entrada (input contacts), 03, registros analógicos de salida (output holding register), 04, registros analógicos de entrada (analog input register). De escritura de datos: 05, una señal discreta de salida (simple discrete output coil), 15, múltiples señales discretas de salida (multiple discrete output coils), 06, un registro analógico de salida (simple analog output holding register), 16, múltiples registros analógicos de salida (múltiple analog output holding registers).

Rangos de memoria se asignan según tipo: 1-10000 salidas digitales DOs: 1 bit por dir para leer el estado de una salida, funciones: 1, 5, 15. 10001-20000 entradas digitales DIs: 1 bit por dirección para leer estado de entrada. Función 2. 30001-40000 entradas analógicas AI: 16 bits por dir. Posible más de un registro. Función 4. 40001-50000 salidas analógicas AO: 16 bits, salidas analógicas o de propósito general. Funciones 3, 6 y 16.

Errores: Respuesta: dir del dispositivo, el código de la función con el MSB a 1, el código de error, CRC.

Modbus/ TCP: Empaqueta RTU en TCP añade: Transaction ID (2 bytes) incrementar en cada petición, Protocol ID (2 bytes), Length (2 bytes). Cambia Slave ID por Unit ID. Elimina CRC.

Modbus Plus: Comunicación entre varios segmentos: campo de dirección ampliado para especificar hasta 5 saltos de red, bridges se encargan del encaminamiento, hasta 64 ids distintos por segmento. Paso de testigo el que lo tiene se convierte en maestro.

Ethernet (bus alto nivel)

Desarrollado por Xerox a mediados de los 60. En 1980 consorcio DIX (Digital, Intel, Xerox). En 1983 estándar IEEE 802.3 con ligeras diferencias con respecto al Ethernet de DIX. Ethernet define capa física y de enlace. 802.3 divide enlace en MAC y LLC (incluida MAC en la capa física) Hoy en día es el tipo de red más utilizada (estándar, fiable y barata), entrando rápidamente en el mundo industrial, desplazando otros buses. Medios: IEEE 802.3 define  10Base5 coaxial grueso, 10Base2 coaxial fino, 10BaseT UTP, 10 BaseF fibra óptica. Señales: usa codificación Manchester (flancos de subida ‘0’, flancos de bajada ‘1’). Acceso al medio: Half-duplex, CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access wtih Collision Detection), nodo espera bus inactivo durante 96 periodos de bit, comienza transmisión y escucha a la vez durante los 512 primeros bits, si lo que transmite es distinto a lo que recibe, colisión, espera un tiempo antes de intentarlo de nuevo. Formato de paquete: preámbulo, 7 bytes 0xAA para sincronización, comienzo del paquete (SFD), byte 0xAB, direcciones fuente y destino, 6 bytes cada una, longitud del campo de datos, si >1500 representa el tipo (protocolo utilizado), datos, relleno (si el paquete es menor de 64 bytes), FCS (Frame Check Sequence), CRC de 32 bytes.

Fast Ethernet: Ethernet a 100Mbps (802.3u): 100BaseTX (2 pares de cable UTP categoría 3), 100BaseFX (2 fibras multimodo). 802.3x: utiliza full-duplex, HUB debe ser switch, no hay colisiones (un par para transmitir y el otro para recibir), autonegociación de la velocidad. Gigabit Ethernet: 1000BaseT (cable UTP categoría 5, tamaño mínimo de paquete 512 Bytes)

Ethernet Industrial: Primeras versiones no aptas, nuevas versiones estándar de facto. Capa 1 y 2 de buses tradicionales. Modbus/TCP, Ethernet/IP, ProfiNET, Fundation Fieldbus HSE. Conectores: RJ45 poco adecuados en ciertos ambientes (protección para el conector), M12 (IEC61076) (resistentes al polvo, temperatura, vibraciones, etc.). Determinismo: ciclo típico proceso industrial (5 a 20ms, algunos 2 a 5ms), método CSMA/CD indeterminista (colisiones (congestión)), 10BaseT típicamente 10 a 100ms (ocupación debe bajar al 10% de la capacidad), problema se reduce con: Gigabit Ethernet, HUBs-switch, full-duplex. Sobrecarga: protocolo necesita añadir muchos bytes (para transmitir 2 bytes necesita 60 bytes más, muchos más que otros buses), problema no importante con 100Mbps, 1Gbps, full-duplex. Mejoras: Ruidos, elegir medio adecuado (FTP, ScTP o fibra óptica en vez de UTP, tendido alejado de las fuentes). Particionado (separar de redes de oficina, por seguridad y velocidad). Alta disponibilidad: Hubs-switch avanzados (soportan VLAN, calidad de servicio, QoS), dispositivos con doble tarjeta de red (conectados a distintas redes), anillos redundantes entre HUBs, fuentes de alimentación redundantes, cambio de elementos en funcionamiento (hot-swap).

Profinet (bus alto nivel)

Evolución de profibus basado en Ethernet. Única tecnología a todos los niveles (Profibus-DP, Profibus-FMS). Uso del TCP/IP. Comparado con otros buses de campo: la conexión de más nodos, rendimiento hasta 100 veces mejor, acceso a los datos con herramientas de oficina, comunicación sin cables con Wireless LAN. Rendimientos diferentes sobre Ethernet: acíclica sin prioridad de tiempo (NRT, TCP/IP ≈ 100ms), cíclica con  prioridad de tiempo (RT≈10ms, no usa TCP/IP por lo que reduce la sobrecarga, Ethernet con prioridad), isócrona en tiempo real (IRT

Tema 7 Protocolos de internet

Protocolo IP:

Es el protocolo estándar de internet (IPv4), comenzó en 1969 con la ARPANET en la universidad de California (UCLA), Stanford Reserch Institute. Definido en los RFC. Define la capa de red, nivel 3, no define capa física ni de enlace, utiliza otras redes, Ethernet, ATM, X.25. Se encarga de enviar paquetes (datagrams) entre máquinas (hosts), fragmentando si es necesario (cambios en la capa de enlace), según su dirección IP.

Direccionamiento: 32 bits = 4 Bytes (notación puntos decimales 193.145.98.254), bits más significativos, identificador de red, bits menos significativos, identificador de host.

Direcciones IP (clases): inicialmente el tamaño de red depende de la clase (problemas de reparto). En 1993 surge CIDR (classless) que añade indicación de bits de red (193.145.98.0/24), esquema jerárquico de reparto (global-local).

Rangos reservados 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/16 y 192.168.0.0/16 redes privadas, 127.0.0.0/8 Loopback, 224.0.0.0/4 Multicast, 255.255.255.255 Broadcast.

Cabecera: varios campos: versión 4 o 6; IHL (longitud de la cabecera); Identification, fragment Offset, flag, fragmentado y reconstrucción; protocol, protocolo utilizado (capa superior); Time To Live TTL (máximos saltos).

ARP (Address Resolution Protocol): se usa para convertir numero IP a dirección de la capa física. Dirección IP – Dirección Ethernet: envío broadcast Ethernet solicitando dirección Ethernet de cierta dirección IP, propietario contesta con información, se guarda en caché ARP. Solo para direcciones en la misma red (host en otras redes, se contacta con el router, default gateway)

DNS (Domain Name System): Sistema jerárquico de nombre de dominio, información almacenable (A, dirección IP asociada al nombre (nombre=IP), NS, servidor de subdominio, SOA, información de una zona, MX, servidor de correo del dominio, CNAME, alias de un nombre (otro nombre)). Resolución inversa (PTR) (in-addr.arpa.) no todas las máquinas tienen. Servicios DNS: búsqueda en DNS, cada dominio (servidor primario y servidores secundarios, cada información tiene tiempo de validez). Máquina UNIX /etc/resolv.conf (dirección IP servidores a utilizar). Depuración nslookup o dig.

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol): Protocolo para la configuración dinámica de los parámetros de red IP (Broadcast sobre UCP). Parámetros mínimos (dirección IP, máscara de red, Routers, servidores de nombre). Otros parámetros (servidor de tiempo, nombre de la máquina, servidor de impresión, servidores WINS).

Capa de transporte: Principales protocolos: ICMP usado para diagnóstico y control (Generado por errores (ej. Cuando un paquete es descartado), utilidades: ping y traceroute), IPsec encriptación y autenticación (a nivel IP), UDP User Datagram Protocol, TCP Transmission Control Protocol. Definen su propia cabecera (se añaden a los datos de la capa superior, forman parte de los datos de la capa IP).

Protocolo UDP:

Para envíos sin conexión ni confirmación: orientado a transacción (no hay dialogo), hay CRC para comprobar errores en los datos (comprobaciones de recepción a nivel superior), poca sobrecarga, se utiliza cuando (no es necesario mantener la conexión, servicios de tiempo real, no tiene sentido la retransmisión (streaming)).

Puertos (sockets): para acceder a distintos servicios, 16 bits (de 0 a 65535), se puede ver fichero (/etc/services), puertos reservados (los de números inferiores,

Servicios: DHCP (67 y 68) DNS (53). NFS (111 y 2049) Network File System (sistemas de archivos en red (utilizados en sistemas UNIX), nueva implementación en TCP). Bootp (67 y 68) Bootstrap Protocol (carga del sistema operativo desde servidor, dispositivos no necesitan almacenamiento secundario (disco duro, memoria flash), se puede conseguir con DHCP). TFTP (69) Trivial File Transfer Protocol (se puede utilizar como parte del arranque remoto). SNMP (161) Simple Network Management Protocol (gestión de dispositivos de red, base de datos MIB estructura jerárquica de información). NTP (123) Network Time Protocol (sincronización de reloj del sistema, estructura jerárquica de servidores de tiempo).

Protocolo TCP/IP:

Proporciona conexión: fiable (el destinatario tiene que confirmar recepción), ordenada (bytes numerados, se reconstruyen en orden a pesar de pérdidas o retrasos), protegida de error (CRC), control de flujo (receptor indica cuantos datos más puede procesar, ventana deslizante: 0 parar, control de congestión adaptación de la velocidad), persistencia (asegura conexión activa). Comunicación pasa por varios estados. Más complejo (paquete más sobrecarga que UDP).

Puertos (sockets): para acceder a distintos servicios, 16 bits (de 0 a 65535), se puede ver fichero (/etc/services), puertos reservados (los de números inferiores,

Servicios: FTP (20) File Transfer Protocol (transferencia de ficheros entre máquinas, único medio antes de la www). Telnet (23) acceso a la línea de comandos (terminales RS-232 IP). SSH (22) Secure Shell acceso seguro a la línea de comandos (evita las vulnerabilidades del Telnet). SMTP (25) Simple Mail Transfer Protocol (envoi y almacenamiento de e-mail, en combinación con el DNS (MX)). HTTP (80) Hypertext Transfer Protocol (protocolo en el que se basa la www, otros puertos usados: 8080). SSL (443) Secure Sockets Layer (comunicaciones encriptadas, usando claves simétricas X.509. Da seguridad a protocolos HTTP, IMAP).