Fundamentos de Comunicación Industrial: OSI, Transmisión Serie, RS-485 y Topologías

Modelo OSI en Comunicaciones Industriales: Capas Utilizadas

El modelo OSI (Open Systems Interconnection) estructura las funciones de comunicación en capas. En el ámbito industrial, las capas más relevantes suelen ser:

• Física: Se encarga de la transmisión de bits a través del canal de comunicación. Define los niveles de la señal eléctrica con la que se trabaja y controla la velocidad de transmisión.
• Enlace: Encargada de establecer una comunicación libre de errores entre dos equipos directamente conectados. Forma la trama organizando la información binaria y la pasa a la capa física para su transmisión.
• Aplicación: Es la capa más próxima al usuario final y puede ofrecer diversos servicios, tales como correo electrónico, acceso a bases de datos, transferencia de ficheros, videoconferencia, y específicamente en industria, la interacción con PLCs, HMI, SCADA, etc.

Transmisión Serie

Para este tipo de transmisión se necesita un canal de comunicación para el envío de los datos y, a menudo, una señal de reloj o un mecanismo para la sincronización entre emisor y receptor.

• Los datos son transmitidos bit a bit, utilizando una única línea de comunicación (o un par diferencial).
• Es la forma clásica de transmitir los datos a larga distancia.
• Se utiliza comúnmente cuando el volumen de información a transmitir es relativamente pequeño o la velocidad no es el factor más crítico.

Sincronización en la Transmisión

Sincronización Asíncrona

En la transmisión asíncrona, no existe una señal de reloj compartida que una los diferentes equipos. Cuando se envía una información, esta se inicia con una señal especial de START. El equipo emisor, una vez transmitida la información (normalmente un carácter o byte), enviará una señal de STOP indicando la finalización del envío de esa unidad de datos.

Sincronización Síncrona

En la transmisión síncrona, emisor y receptor operan coordinados por una señal de reloj. Existen dos formas principales de configurar la señal del reloj:

• No incorporada en los datos: Existe una señal de reloj independiente que une el equipo emisor con los demás equipos participantes en la red. Esta señal servirá para la sincronización entre el envío y la recepción de los datos.
• Incorporada en los datos: Existen sistemas para la detección de la velocidad de transmisión (y la temporización de los bits) a partir de la propia información recibida. Se realiza una codificación previa de la información para asegurar que en cada intervalo de bit existan cambios de nivel suficientes para que el receptor pueda sincronizarse, como es el caso del método de codificación Manchester.

Norma Física RS-485

La RS-485 es una norma que define las características eléctricas de la capa física. Se considera una interfaz multipunto y permite la comunicación de hasta 32 equipos (definidos como cargas unitarias; pueden ser más con transceptores modernos) emisores-receptores en un bus de datos común.

En esta norma se utiliza comúnmente el tipo de transmisión diferencial Half-Duplex, que se caracteriza por:

• Utilizar dos hilos o cables para la señal de datos (par trenzado recomendado).
• El dato se obtiene de la diferencia de la señal eléctrica entre los dos hilos que componen el canal de comunicación, lo que le confiere alta inmunidad al ruido.
• Cada equipo puede enviar y recibir, pero no de forma simultánea (half-duplex).
• Esta norma permite velocidades de hasta 10 Mbps (a distancias cortas) y distancias de hasta un máximo de 1200 metros (a velocidades menores).
• Permite la configuración de una red con un máximo teórico estándar de 32 estaciones de trabajo (nodos) por segmento, ampliable con repetidores.

Topologías de Red Comunes

Punto a Punto

Se basa en la conexión directa de dos equipos únicamente.

Características:

• No es necesario que dentro de la trama del mensaje se incluyan las direcciones de origen y destino, ya que solo hay un posible receptor.

Ventajas:

• Topología simple en su instalación.
• Fácil control de acceso a la red (solo dos participantes).
• Si un nodo falla, solo afecta a esa comunicación directa.
• Su evolución conceptual puede llevar a topologías de tipo estrella si un nodo central se conecta punto a punto con varios otros.

Bus

Consiste en una única línea de comunicación (el bus), compartida por todos los nodos de la red. Al ser un bus compartido, antes de enviar un mensaje, cada nodo ha de verificar si el bus está libre (mediante protocolos de acceso al medio como CSMA/CD o paso de testigo).

Tan sólo un mensaje puede circular por el canal en cada momento.

Ventajas:

• Coste de instalación bajo debido al cableado reducido.
• El fallo de un nodo individual generalmente no afecta al funcionamiento del resto de la red (salvo cortocircuitos en el bus).
• Control del flujo relativamente sencillo (dependiendo del protocolo).
• Todos los nodos pueden comunicarse entre sí directamente (broadcast o direccionado).
• La ampliación añadiendo nuevas estaciones o nodos es conceptualmente sencilla (aunque puede requerir ajustes de terminación).

Inconvenientes:

• Limitado en la distancia máxima sin el uso de repetidores, debido a problemas de atenuación de la señal.
• Posibilidad de acaparamiento del medio si un nodo establece una comunicación muy larga o si el protocolo de acceso no es eficiente.
• Dependencia total del canal físico. Si el cable principal falla (rotura, cortocircuito), la red completa o un segmento importante puede paralizarse.
• Diagnóstico de fallos puede ser más complejo que en punto a punto.

Aplicaciones:

• Redes industriales (ej. Modbus RTU sobre RS-485, CAN bus, Profibus DP).
• Redes LAN Ethernet (especialmente las versiones antiguas como 10BASE2 o 10BASE5; las modernas usan topología física en estrella con conmutadores).