La trama se forma por concatenación de los datos de cada estación. De forma física se realiza mediante un registro. Cada dispositivo se une al anillo mediante un registro cuya longitud depende de la cantidad de información que debe transmitir. Los datos provenientes de las distintas estaciones van llegando al master en función de su posición dentro del anillo. Cada ciclo de transmisión comienza con una secuencia de datos que contiene la palabra de loopback seguida de los datos de salida de los distintos dispositivos, en la línea de salida. Durante el envío de datos, el flujo de retorno entra el maestro como flujo de entrada. Tras el envío de la trama completa, se envía un CRC de 32 bits. Debido a la estructura de conexiones punto a punto, el cálculo siempre se hace entre cada dos nodos, por lo que no es necesario dar una vuelta completa al anillo. Por último se envía una palabra de control para indicar el estado de cada dispositivo (detección de errores de transmisión, etc.). Si no hubo errores comienza un nuevo ciclo, como se ve en el esquema de la figura 18.
Además de los ciclos de datos, también hay ciclos de identificación. Este ciclo permite la administración del bus. Cada dispositivo tiene un código de identificación que indica el tipo de dispositivo de que se trata, y el tamaño de su bloque de datos. La configuración del bus se lleva a cabo por una secuencia de ciclos de identificación en los que el maestro comienza a leer en orden, la identificación de los dispositivos conectados. En función de estas lecturas se configura la trama que circulará en el ciclo de datos. Desde el punto de vista físico INTERBUS funciona según un procedimiento asíncrono de arranque y parada. Se envía una cabecera que contiene información adicional como por ejemplo los delimitadores de trama, código de función y tipo de mensaje, junto con ocho bits de datos adicionales. Los momentos de inactividad se ocupan con mensajes de estado. No contienen datos de la capa de enlace y sólo sirven para garantizar una actividad permanente en el medio de transmisión. Si dicha actividad se interrumpe durante más de 20 ms, se interpreta por todos los dispositivos como una caída del sistema. En respuesta a esta situación, los dispositivos se desconectan de la red y van a un punto seguro definido con antelación.
La tercera de las capas de INTERBUS corresponde la capa de aplicación.
En el maestro se ejecuta de forma cíclica un programa que actualiza continuamente los datos correspondientes a los distintos procesos conectados a la red, y los deja accesibles para el sistema de control, de modo que por ejemplo un PLC puede acceder a ellos de forma sencilla mediante instrucciones de entrada/salida. El uso de técnicas de acceso directo a memoria evita el uso de servicios que necesitan grandes bloques de datos, lo que facilita la consecución del tiempo real. El acceso desde ordenadores se realiza mediante drivers.
INTERBUS implementa en la capa de aplicación un subconjunto de servicios basados en MMS que se denomina PMS (Peripherals Message Specification). Incluye unos 25 servicios que permiten la comunicación con dispositivos de proceso inteligentes. Estos servicios permiten por ejemplo el establecimiento y monitorización de conexiones, lectura y escritura de parámetros o la ejecución remota de programas.
5.7 CAN: CONTROLLER AREA NETWORKING
CAN es un bus de comunicaciones serie estandarizado por ISO, que fue desarrollado inicialmente a finales de los 80 para la industria del automóvil. En su especificación básica, se exigía alta velocidad, alta inmunidad al ruido y capacidad para la detección de cualquier tipo de error. Con el tiempo, CAN ha pasado de la industria automovilística a la fabricación y a la industria aeronaútica.
Los protocolos definidos por CAN se ajustan a la especificación OSI. CAN define sólo las dos capas más bajas: física y de enlace. Otras redes como SDS o DeviceNet proporcionan especificaciones de la capa de aplicación sobre la base de CAN.
El medio físico consiste en un cable de par trenzado con los terminadores adecuados. En la especificación básica de CAN, la velocidad máxima de transmisión es de 250 Kbps, mientras que en la versión ampliada alcanza velocidades de 1 Mbps.
La implementación básica de CAN presenta un fuerte acoplamiento entre la CPU y el controlador CAN (que implementa los protocolos de capa física y de enlace). Los mensajes son difundidos por toda la red y son comprobados por la CPU de cada una de las estaciones que la forman. Este tipo de funcionamiento disminuye el aprovechamiento de la velocidad de transmisión de la red. En la versión conocida como "Full CAN", el controlador de red incorpora un filtro de selección de mensajes en base a un campo de identificación. De esa forma la CPU sólo recibirá aquellos mensajes que le interesen. Philips es el principal líder de la versión básica de CAN, mientras que Intel y Siemens lideran la versión completa.
Full CAN permite dos tamaños distintos de identificadores de mensajes: la versión A permite identificadores de 11 bits (2032 identificadores) figura 19, mientras que la versión extendida (B) tiene identificadores de 29 bits, figura 20 .
La capa de enlace define el formato y la temporización usada para la transmisión de los mensajes. Las tramas CAN tiene dos bytes descriptores y hasta 8 bytes de datos. Los descriptores definen la prioridad de los mensajes y su tipo. El primer campo, o campo de arbitraje está formado por los 11 bits del identificador (en tramas tipo A) y el bit RTR. Si RTR vale 0, indica que se trata de una trama de datos, mientras que si vale 1 indica que se trata de una petición de datos. En ese caso, el campo de datos indicará los bytes que formarán la respuesta.
Fig. 19:
Fig. 20:
El campo de control está formado por 6 bits. Los bits r1 y r0 están reservados para futuras ampliaciones del protocolo. Los cuatro bits que forman el DLC indican el número de bytes que forman la trama de datos y que van a continuación.
El campo de datos contiene de cero a ocho bytes. El bit más significativo de cada byte es el primero que se transmite. A continuación hay un campo de CRC, que contiene un código de redundancia cíclica de 15 bits y un bit delimitador que siempre vale 1. El campo de acuse de recibo consiste en dos bits. El primer bit se envía a 1 y es puesto a cero por las estaciones que reciben correctamente el mensaje. El segundo es un bit delimitador que vale 1. El delimitador de final de trama consiste en 7 bits a 1. Tras cada trama hay un período de tres bits (deben estar a 1), destinado a dar un tiempo mínimo a las estaciones a prepararse para la recepción o envío de otro mensaje.
Las tramas de tipo B se diferencian en el campo de arbitraje. En este caso hay un primer grupo de 11 bits similar al de las tramas de tipo A, y que actúa como valor base del identificador. La segunda parte del identificador (18 bits) es la extensión del identificador. Para distinguir ambos formatos, la trama tipo B incorpora dos bits que separan los dos trozos del identificador. El primero es el bit SRR (Substitute Remote Request). Se envía siempre a 1 para dar prioridad a las tramas de datos estándar de tipo A con el mismo identificador base. El bit IDE que sigue al bit SRR se envía siempre a 1, y permite distinguir tramas tipo A y tipo B.
Fig. 21: mecanismo de accse al medio
Una característica fundamental de CAN es que cuanto menor sea el identificador del mensaje mayor es su prioridad. Si dos nodos intentan transmitir simultáneamente, el primero que envíe un cero cuando el otro intente enviar un 1 obtendrá el acceso al medio, ya que el valor cero es dominante frente al valor 1. Como cada estación es capaz de monitorizar el medio físico, podrá detectar si su trama ha sido sobrescrita por otra de mayor prioridad (que permanece inalterada). La estación que no ha podido enviar el mensaje, reintentará el envío en cuanto detecte un período de inactividad, como puede verse en la figura 21. Las ventajas de este mecanismo de acceso son la minimización del retardo en el acceso al no tener que esperar por el turno como sucede en un sistema de paso de testigo, y la mejora de la eficiencia al evitar las colisiones destructivas. Los mensajes son enviados por orden de prioridad.
Un bus CAN puede tener un máximo de 32 nodos. El número de mensajes por segundo varía entre 2000 y 5000 en un bus de 250 Kbps, según el número de bytes por mensaje. Aunque se ha dicho que CAN se basa en un medio físico de par trenzado, también existen interfaces para la conexión mediante fibra óptica. El método más común es el par trenzado, de modo que las señales se envían mediante una diferencia de tensión entre los dos hilos. Los hilos reciben los nombres de CAN_H y CAN_L, y en estado inactivo la diferencia de tensión entre ambos es de 2.5 V. Un '1' se envía colocando CAN_H a más tensión que CAN_L, mientras que un cero se envía colocando CAN_L a más tensión que CAN_H. El uso de tensiones diferenciales permite el uso de CAN incluso si una de las líneas está dañada, o en ambientes muy ruidosos.
5.8 Comparación de los casos estudiados
Para finalizar la sección 5 se presenta la tabla 4 donde se muestra en forma resumida los parámetros más importantes de las distintas redes de comunicación de sistemas de control estudiadas.
Tabla 5
Conclusiones
A lo largo de la presente monografía se pudo observar en primer lugar la ventaja que presenta los sistemas de control distribuidos frente a los centralizados ya que los distribuidos permite la ejecución de rutinas de control en paralelo, ejecutadas por algún controlador inteligente (PC/PLC o microcontrolador). También se pudo observar que las características de las características especiales que deben tener los protocolos de comunicación para el uso en el control donde generalmente se usa solo 3 o 4 capas, según el caso, del clásico modelos de 7 capas de OSI (Física, Enlace , Presentación y Aplicación ), para acotar los tiempos se intercambio de mensajes entre equipos.
También pudo verse que al igual que en los sistemas distribuidos de computadoras, cuando el volumen de información intercambiada es grande y no se requiere un respuesta en tiempo real o cuasi real las tramas intercambiadas son de mayor tamaño. En cambio cuando es critico el tiempo de entrega de una paquete de información el protocolo debe trabajar con tramas pequeña sin ser crucial el control de errores e estas.
Siempre en este trabajo se trato de ser abstracto en la explicaciones de las distintas tecnología existentes, cosa que resultó muy difícil ya que si bien del tema existe infinidad de información, esta es especifica de cada fabricante, y no existe muchas normas de aplicación general sobre protocolos de comunicación. Si bien esto puede verse con claridad que todos los fabricantes apuntan a darles a sus productos características propias de los sistemas distribuidos como:
• Escalabilidad, que implica la posibilidad de ampliarlo sin dificultades, y a voluntad, sin que esto signifique algún perjuicio para la estructura preinstalada.
• Apertura : Software y hardware que permitan interconexiones de distintos proveedores y soluciones particulares para cada caso.
• Concurrencia: básicamente que se pueda realizar rutinas de control simultáneamente en toda la planta.
• Tolerancia a fallas, con la inclusión de redundancia de comunicación y operativa de modo que ni el control ni la comunicación entre equipos fallen o reduciendo al mínimo esta posibilidad.
Bibliografía
[1] "The Measurement and Automation" catalog 2004 National Instrumentets
[2] Revista "Instrumentación y Control Automático" nº 122 [3] "EtherNet/IP" Rockwell automation Noviembre 2000
[4] "NetLinx" Rockwell automation Noviembre 2002 [5] "Latinoamericana Advance" Siemens 2004
[6] "Sistemas De Control " Carmen D'Sousa www.monografias.com
[7] "Tecnologías y actividades de estandarización para la interconexión de Industrial
Networks" Alcatel para Fundación AUNA
[8] "Comunicaciones Industriales" Autores: V.Sempere, J. Silvestre, J.A. Martínez
Editiorial : SPUPV (SPUPV-2002.213) Año:2002
Autor:
Juan Pablo Ferrari F-1694/2
Año 2005
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