Fundamentos de Redes Industriales: Modulación, Control de Acceso y Protocolos PROFIBUS/SCADA

Modulación y Demodulación de Señales

La modulación y demodulación son técnicas esenciales para transmitir varias señales analógicas o digitales a distancia por un mismo medio.

• Modulación: Consiste en tomar una señal de alta frecuencia (portadora) y variar una de sus características en función de otra de menor frecuencia (moduladora).
• Demodulación: Es el proceso inverso.

En comunicaciones digitales, la moduladora es una onda cuadrada y la portadora es una senoide.

Modelo ISO/OSI y Estructura Lógica de Redes LAN

El Modelo ISO/OSI

El Modelo ISO/OSI (Interconexión de Sistemas Abiertos) subdivide las tareas del proceso de diálogo. Aunque fue diseñado principalmente para redes WAN, las redes LAN se adaptan a esta estructura utilizándola parcialmente.

Control de Acceso al Medio (MAC)

La estructura lógica de las LAN se centra en el Control de Acceso al Medio (MAC), el cual puede ser centralizado o descentralizado.

Técnicas de Control de Acceso

1. Paso de Testigo (Token Passing)

   El testigo (token) determina qué estación puede transmitir:

   • Topología en Anillo: El paso es cíclico.
   • Topología en Bus: El paso es libre.
   • Topología en Estrella: Se utilizan variables de control, resultando en una estructura de Maestro Flotante.

2. Acceso Múltiple con Detección de Portadora y de Colisión (CSMA/CD)

   Técnica utilizada principalmente para topología en bus. Si dos o más estaciones intentan tomar el control a la vez, se detecta una colisión (CD) y cada una espera un tiempo antes de un nuevo intento.

3. Técnicas Combinadas (Híbridas)

   Son un híbrido entre las dos técnicas anteriores. Al iniciar la red, las estaciones intentan ser maestro, pero solo una lo consigue. Las demás no pueden transmitir si no reciben el testigo.

   Maestro Flotante

   Todas las estaciones intentan ser maestro, pero solo una lo consigue, por lo que cada estación que entra en la red actuará como esclavo. Al terminar la transmisión, la maestra pasa el testigo a otra.

Bucle de Corriente TTY

Conexión serie que permite comunicaciones punto a punto o multipunto hasta 1200 metros con velocidades de 9600 baudios.

Arquitectura y Niveles de Redes Industriales

Niveles Jerárquicos de una Red Industrial

1. Nivel de Gestión: Se emplea una red LAN o WAN.
2. Nivel de Control: Red tipo LAN que conecta PCs y PLCs (Controladores Lógicos Programables).
3. Nivel de Campo y Proceso: Integra automatismos dentro de subredes, utilizando Buses de Campo.
4. Nivel de E/S (Entrada/Salida): Donde se sitúan los actuadores y sensores.

Redes LAN Industriales

• MAP (Manufacturing Automation Protocol): Diseñada para el entorno industrial, aunque no actúa a nivel de bus de campo.
• ETHERNET: Compatible con OSI (niveles 1, 2 y 7). Permite topologías en bus o árbol.

Buses de Campo Importantes

Entre los buses de campo más relevantes se encuentran: Modbus Modicon, Bitbus, PROFIBUS y S-Bus.

Detalle del Protocolo PROFIBUS

PROFIBUS utiliza un par diferencial como medio físico. Las conexiones físicas son semidúplex, e implementa protocolos de Acceso al Medio (MAC) y de Enlace Lógico (LLC). El nivel de aplicación está dirigido al usuario y se apoya en las funciones estándar para crear programas de gestión y presentación.

Familia PROFIBUS

• PROFIBUS-DP (Decentralized Periphery): Para comunicación entre sistemas automáticos de control y E/S distribuidas a nivel de campo.
• PROFIBUS-PA (Process Automation): Para automatización de procesos, especialmente en entornos peligrosos.
• PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification): Para tareas de comunicación a nivel de control.

Expansiones de E/S y Repetidores

Las Expansiones de E/S son la interfaz con las señales de proceso, pudiendo estar en un nodo activo o pasivo.

Los Repetidores son transceptores bidireccionales que no necesitan señales de control para conmutar el sentido de los datos. Su topología es en forma de bus de árbol o lineal, donde los repetidores son el nodo de partida de una expansión del bus.

Su estructura lógica es de tipo híbrido: los nodos activos son maestro flotante (mediante el paso de testigo) y los nodos pasivos son esclavos.

Sistemas SCADA y Arquitecturas de Control

Ventajas de Ethernet Industrial

ETHERNET destaca por su simplicidad, agilidad de direccionamiento, compatibilidad con el modelo OSI y alta velocidad.

SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)

SCADA es una aplicación de software para ordenadores de control que proporciona comunicación con los dispositivos de campo y permite controlar el proceso.

Prestaciones y Ventajas de SCADA

• Genera paneles de alarma.
• Explica el funcionamiento de la arquitectura de multiprocesadores centrales utilizada en la interconexión de procesadores de una unidad de control de un sistema modular.
• Ventajas: Control a distancia de equipos desde un programa en la CPU, disminución de costes y aumento de la seguridad.

Configuración de Arquitecturas Modulares

La interconexión de procesadores en sistemas modulares puede adoptar varias configuraciones:

• BUS: Solo un procesador de enlace se conecta en bus con cada bus local.
• ESTRELLA: La unidad base contiene tantos procesadores de enlace como unidades de expansión.
• MIXTA: La unidad base contiene procesadores independientes para cada expansión.

Protocolo UDP y Datagramas

Funcionamiento del Protocolo UDP

El protocolo UDP (User Datagram Protocol) es el encargado de distinguir entre los diferentes destinos que un datagrama puede tener en un mismo host. Esto permite que varias aplicaciones que se ejecutan en una misma computadora envíen y reciban datagramas de forma independiente.

Definición de Datagrama

Un Datagrama es la unidad de datos fundamental en TCP/IP, y consta de un encabezado y un área de datos.