Protocolos y Características Técnicas de Redes de Comunicación Industrial (Fieldbus)

Terminología Fundamental de Redes Industriales

• Red: Sistema de transmisión de datos numéricos.
• Bus: Línea de comunicación entre dos o más elementos que procesan información.
• Protocolo: Conjunto de reglas establecidas para la comunicación.
• Bus de Campo (Fieldbus): Bus específicamente utilizado en entornos de automatización industrial.
• Trama: Conjunto de bits o bytes que conforman una unidad de datos.
• Dirección: Identificador del destinatario de la información.
• Mensaje: Información intercambiada.

Estructura de la Trama de Datos

Una trama de datos generalmente incluye los siguientes campos:

1. Dirección
2. Operación
3. Datos/Variables
4. CRC (Comprobación de Redundancia Cíclica)

El Modelo ISO/OSI en Buses de Campo

El Modelo ISO/OSI está formado por 7 capas: 3 de aplicación y 4 de transporte. Sin embargo, para la implementación de buses de campo, solo se definen y utilizan las capas 1, 2 y 7:

• Capa 1: Física
• Capa 2: Enlace de Datos
• Capa 7: Aplicación

Funciones de las Capas Relevantes

Capa 1: Física

Define los aspectos físicos de la red:

• Topología: Bus, anillo, estrella, etc.
• Modo de Emisión.
• Soporte: Cable coaxial, fibra óptica, par trenzado, etc.

Capa 2: Enlace de Datos

Se encarga del control del acceso a la red y la gestión de la comunicación directa:

• Método de acceso al bus.
• Control del acceso a la red (dirección de mensajes).
• Detección de errores de conexión.

Capa 7: Aplicación

Define los servicios que se ofrecen al usuario:

• Diferentes servicios: mensajería, transferencia de ficheros, etc.
• Determina los mecanismos de empleo.
• Define el tipo de usuario (informático, humano, etc.).

Características Generales de los Buses de Campo

Un bus está definido por su implementación física y su protocolo de comunicación.

Parámetros Clave

Las características esenciales que definen un bus de campo incluyen:

• Medio físico.
• Topología.
• Tipo de transmisión.
• Método de acceso (determinístico o no determinístico).
• Velocidad de transferencia.
• Distancias medias.
• Número de equipos conectables.
• Restricciones del entorno y de tiempo.

Topologías Comunes

• Bus lineal
• Anillo
• Árbol
• Estrella

Métodos de Acceso al Bus

Determinísticos

Aseguran un tiempo máximo de respuesta conocido:

• Maestro/Esclavo
• Árbitro de Bus
• Paso de Testigo (Token Passing)

No Determinísticos

No garantizan un tiempo máximo de respuesta:

• CSMA/CD (Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Detección de Colisiones)

Especificaciones Técnicas de Buses de Campo Populares

A continuación, se detallan las características técnicas de algunos de los buses de campo más utilizados en la industria:

MODBUS

• Conexión: RS-485 y RS-422 o fibra óptica.
• Velocidad: 75 a 19.2 kbps.
• Distancia: 1200 m.
• Nodos: Un maestro y hasta 247 esclavos.
• Topología: Bus lineal.
• Protocolo: Maestro-Esclavo.
• Uso: Interconecta PLCs (Controladores Lógicos Programables).

PROFIBUS

• Tipo: Bus de campo serie.
• Uso: Interconecta sensores, PLCs, actuadores, etc.
• Estaciones: Dos tipos: Activas (maestro) y Pasivas (esclavo).
• Acceso: Paso de testigo entre participantes activos; Maestro-Esclavo entre nodos asociados.

AS-INTERFACE

• Principio: Maestro-Esclavo.
• Nodos: Un maestro y hasta 31 esclavos.
• Distancia: 100 m.
• Topología: Árbol.
• Capacidad: Hasta 4 entradas + 4 salidas por esclavo.

P-NET

• Conexión: RS-485, par trenzado apantallado.
• Velocidad: 76800 bits/s.
• Distancia: 1200 m.
• Nodos: 125.
• Topología: Anillo.
• Acceso: Paso de testigo.

WORLDFIP

• Conexión: Par trenzado apantallado.
• Velocidad: 31.5 kb/s a 5 Mb/s.
• Distancia: 1900 m.
• Nodos: 32.
• Topología: Bus lineal.
• Acceso: Centralizado.

CAN (Controller Area Network)

• Conexión: Par trenzado.
• Velocidad: 50 kb/s a 1 Mb/s.
• Distancia: 40-1000 m.
• Nodos: 127-64.
• Topología: Bus lineal.
• Acceso: CSMA/CD.

DEVICENET

• Conexión: Par trenzado.
• Velocidad: 125, 250, 500 kb/s.
• Distancia: 500, 250, 100 m (respectivamente).
• Nodos: 64.
• Topología: Bus lineal.
• Acceso: CSMA/CD.

LONWORKS

• Conexión: Par trenzado, fibra óptica, red eléctrica, coaxial, radio, infrarrojos.
• Velocidad: 78 kb/s a 1.25 Mb/s.
• Distancia: 2700-130 m.
• Nodos: 64.
• Topología: Bus, anillo, libre.
• Acceso: CSMA/CA (Acceso Múltiple por Detección de Portadora con Prevención de Colisiones).

FIELDBUS (Foundation Fieldbus)

• Conexión: Par trenzado apantallado.
• Velocidad: 31.5 kb/s a 5 Mb/s.
• Distancia: 1900 m.
• Nodos: 32.
• Topología: Bus lineal.
• Acceso: Centralizado.