comunicacion industrial tecs up

8/17/2019 Comunicacion Industrial TECS UP

1/14

32 Instrumentación Digital y Redes Industriales

UNIDAD IV

“COMUNICACIÓN INDUSTRIAL”

1. INTRODUCCIÓN

Actualmente es cada vez mayor el empleo en equipos de Instrumentación yControl de señales digitales en reemplazo de las analógicas. Es importanteentonces, conocer algunas características acerca de la transmisión de lasmismas y de los medios físicos a través de los cuales son enviadas.

2. OBJETIVOS

Enumerar los medios de transmisión para señales digitales.

Identificar los modos de transmisión digital.

Comparar las diferentes interfaces para comunicación digital.

3. SEÑALES ANALÓGICAS Y DIGITALES

A pesar que la señal de 4-20 mA, como ejemplo de señal estándar detransmisión, es todavía empleada en la mayoría de los casos, en añosrecientes se ha visto una gradual transformación de instrumentaciónanalógica a digital. Hoy, se está dando el cambio de señales analógicas adigitales.

La transmisión analógica de información se caracteriza por el continuocambio de amplitud de la señal. En la ingeniería de procesos, la señal de 4-20mA mencionada, es transmitida en una forma analógica pura. Una corrienteproporcional al valor medido, en el caso de los transmisores, fluye entreéstos y los instrumentos que la reciben tal como un controlador, un medidor

o un registrador. En una señal analógica tal, sin embargo, el contenido deinformación es muy restringido; solamente el valor de la corriente y lapresencia o no de ésta puede ser determinada.

Una señal digital a diferencia, no cambia continuamente, sino que estransmitida en paquetes discretos. No es tampoco inmediatamenteinterpretada, sino que debe ser primero decodificada por el receptor. Elmétodo de transmisión también es otro: como pulsos eléctricos que varíanentre dos niveles distintos de voltaje. En lo que respecta a la ingeniería deprocesos, no existe limitación en cuanto al contenido de la señal y cualquierinformación adicional, desde un transmisor por ejemplo, puede ser

transmitida con la variable medida.


2/14

Instrumentación Digital y Redes Industriales 33

Una de las ventajas de la transmisión digital es la eliminación de lasinnecesarias conversiones de analógica a digital. En este caso, la señalanalógica es muestreada. A mayor velocidad de muestreo con una resolución

más fina, mejora la conversión. Los costos sin embargo también seincrementan, de modo tal que debe existir un compromiso entre costo yprecisión.

4. PRINCIPIOS BÁSICOS DE LA COMUNICACIÓN DIGITAL

En la comunicación analógica, la información es transmitida a través de laamplitud de la señal. En la comunicación digital, la señal está compuesta poruna serie de pulsos de voltaje y es enviada del transmisor al receptor a travésde un medio de transmisión. Este puede ser un cable, fibra óptica o radio. La

información es usualmente contenida en los cambios entre dos niveles devoltaje que pueden tomar los valores lógicos “1” y “0”. Los nive les reales devoltaje y las tolerancias dependen del estándar de interfaz empleado. Losvoltajes que caen fuera de las bandas no son considerados como datos.

Las unidades de datos individuales, representadas por los valores 0 y 1 sonconocidos como bits. Estos valores son por supuesto la base del sistema denumeración binario. El sistema binario es usado para todos los cálculosdentro del microprocesador que aparece como el corazón de un instrumentodigital de procesos. El conjunto de 8 bits es denominado un byte el cualrepresenta el bloque de construcción de todos los valores alfanuméricos

empleados por ejemplo por un operador para comunicarse con unmicroprocesador.

Desde que la comunicación digital involucra por lo menos dos equipos,ambos deben ser capaces de interpretar la señal. Es por ello que usan códigosde control en los cuales una secuencia específica de bits, indica a uno de losequipos lo que se está transmitiendo y cómo. Los códigos de datos sonempleados para la información misma. Las mismas reglas se aplican sinimportar si estamos hablando a un microprocesador o si varios dispositivosen una red se están comunicando entre ellos. El código ASCII (AmericanStandard Code for Information Interchange) es probablemente el ejemplo

más conocido de un código de control y de datos.


3/14


Cuadro Nº 01: Tabla de Código ASCII

Existen también otros códigos como el ANSI (American National StandardsInstitute) y el RTU (Remote Terminal Unit). Un sistema numérico a menudoencontrado al configurar redes o programar PLC’s, es el sistemahexadecimal. Este es mayormente empleado en el direccionamiento debancos de memoria (conocidos como registros) en una computadora o elmicroprocesador de una estación en red.

5. MEDIOS DE TRANSMISIÓN

A mayor información transmitida y a mayor velocidad de transmisión,mayor es la demanda de mejores características para el medio detransmisión. Esto es particularmente cierto para las redes industriales decomunicación, en donde las condiciones distan mucho de ser ideales porejemplo debido a las posibles interferencias de máquinas eléctricas. Por estarazón, el mejor medio de transmisión depende en mucho de la aplicación.

5.1 Cables Trenzados (Twisted Cable)

Es la solución más económica para la transmisión de datos; permitevelocidades de transmisión de hasta 375 KBit/s sobre líneas de hasta300 m de largo. En muchos casos, se usan pares trenzados yapantallados que proveen mayor inmunidad a la interferencia. Eneste caso las distancias pueden llegar a los 1200 m. Se pueden

B7 B6 B5 000 001 010 011 100 101 110 111B4 B3 B2 B1

0 0 0 0 NULL D LE SPACE 0 @ P . p

0 0 0 1 SOH DC1 ! 1 A Q a q

0 0 1 0 STX DC2 " 2 B R b r

0 0 1 1 ETX DC3 # 3 C S c s

0 1 0 0 EOT DC4 $ 4 D T d t

0 1 0 1 ENQ NAK % 5 E U e u

0 1 1 0 ACK SYN & 6 F V f v

0 1 1 1 BEL ETB ´ 7 G W g w

1 0 0 0 BS CAN ( 8 H X h x

1 0 0 1 HT EN ) 9 I Y i y

1 0 1 0 LF SUB * : J Z j z

1 0 1 1 VY ESC + ; K ] k {

1 1 0 0 FF FS ,< L L 1 l

1 1 0 1 CR GS - = M ] m }

1 1 1 0 SO RS . > N ^ n ~

1 1 1 1 SI US / ? O - o Delete


4/14


5/14


Figura Nº 1: Medios físicos de transmisión

6. MODOS DE TRANSMISIÓN

Cuando se envía una señal desde un dispositivo a otro, debe pasar primero através de un interfaz al medio de transmisión. Hay dos formas básicas derealizar esto: en forma paralela o en forma serial.

6.1 Transmisión Paralela

Es el envío de datos de byte en byte sobre un mínimo de 8 líneasparalelas a través de una interfaz paralela. La interfaz paralela más

conocida es la Centronics para impresoras. El bus IEC-6257/IEEE-488que es encontrada a menudo en sistemas de medición de laboratorio,es otro ejemplo.

6.2 Transmisión en serie

Es el envío de datos bit a bit sobre una interfaz serial. Requiere menoscables que la transmisión en paralelo, pero el tiempo de transmisiónse incrementa como función del tamaño de cadena de bits a sertransmitida. Ejemplo de esto son las interfaces RS-232 y RS-485.


6/14


6.3 Interfaz

Tiene la tarea de colocar la señal digital generada por el dispositivoen red en el medio de transmisión. La cadena de bits es mayormentetransmitida como corriente alterna modulada en amplitud omodulada en frecuencia y fase. Luego de su recepción, la señal esdemodulada por la electrónica de la interfaz y se recupera lainformación original. Los módulos electrónicos que realizan lamodulación y demodulación, son parte de toda interfaz y sonconstruidos bajo un estándar particular.A través de la interfaz entonces, que es el enlace físico de latransmisión de datos, es que se envía la información, cuyascaracterísticas y estructura se dan bajo algún protocolo en particular,tema a ser tratado más adelante.

6.4 Temporización

6.4.1 Modo Asíncrono

Una interfaz puede transmitir en uno o dos modos,asincrónicamente, que significa que la transmisión básicamenteocurrirá en cualquier momento o sincrónicamente, que significaque la transmisión depende de un sistema común de reloj. Latransmisión asíncrona es particularmente aplicable paramensajes cortos y es encontrada a menudo en sistemas de buses

de campo (fieldbus). Cada byte a ser transmitido eempaquetado entre un bit de inicio y otro de parada. El bit deinicio le dice al receptor que lo que sigue es un byte de datos; elbit de parada le dice la transmisión está completada.

Figura Nº 2: Modo asíncrono

Naturalmente el contenido del mensaje debe ser mayor a unbyte, de modo tal que se requiere un acuerdo en la secuencia delos sets de datos y tipos de información. La transmisiónasíncrona requiere relativamente un pequeño esfuerzo técnico ypuede ser empleada en prácticamente todas las situaciones.

0 1 1 0 1 0 0 1 0

Start

Stop


7/14


6.4.2 Modo Síncrono

En la transmisión síncrona, el reloj del sistema tanto deltransmisor como del receptor deben estar en fase. Esto requiereque se envíe el llamado preámbulo antes del inicio de latransmisión. Esto usualmente comprende un burst de la señalportadora para sincronizar al receptor, patrones de bits parasincronizar el temporizado de los bits y luego patrones decontrol para sincronizar los mensajes.

Durante la transmisión, el carácter de sincronización debe serrepetido a intervalos regulares. La transmisión síncronaentonces, posee más problemas técnicos que la asíncrona. Suventaja sin embargo radica en la posibilidad de transmitirbloques largos de datos eficientemente es decir, con una alta

proporción de datos útiles.

Figura Nº 3

6.5 Modos de comunicación

Otra característica de la comunicación digital entre dos dispositivoses el modo de comunicación es decir, la forma en la cual van a hablarentre ellos. Existen tres modos posibles:

Comunicación simplex, por la cual la información fluye enuna sola dirección. La confirmación de recepción del mensajeno es posible en este modo. Ejemplo de este modo son la radio

y la televisión. Comunicación half-duplex, por la cual la información fluye en

ambas direcciones; primero uno de los dispositivos transmite.Al término, el otro responde. Un ejemplo de esto es el telefax,en donde la comunicación debe ser primero establecida antesde transmitir el mensaje. Este es el modo de comunicaciónpreferido para el campo.

Comunicación full-duplex, en donde se puede transmitir yrecibir simultáneamente. Un ejemplo es la comunicacióntelefónica entre dos personas. Para la comunicación entre dosmáquinas sin embargo, se requiere líneas separadas de

transmisión y recepción, de lo contrario la información nopodría ser decodificada.


8/14


9/14


7.1 Lazo de corriente de 20 Ma

Se origina de la telegrafía en donde requería comunicación confiable

sobre largas distancias. Trabaja con una corriente de 20 mA que esconmutada entre encendida y apagada según la cadencia detransmisión. Por lo tanto, cada terminal tiene dos lazos, uno paratransmisión y otro para recepción. El lazo de corriente de 20 mA esutilizado como alternativa de la interfaz RS-232C. Su mayor ventajaestá en su insensibilidad a la interferencia, de modo tal que se usacuando se requiere cubrir grandes distancias o cuando seencuentran fuertes campos eléctricos en la vecindad de la línea detransmisión.

7.2

Interfaz Rs-232c

Es usada para interconectar dos dispositivos vía un cable multifilar,usualmente una computadora con un dispositivo periférico o unmódem. El estándar cumple con los requerimientos eléctricos y físicospara la transmisión serial de bits. Define las señales dereconocimiento para el control de equipo estándar para líneastelefónicas y módems. Eléctricamente el sistema está basado enpulsos positivos y negativos de 12 V en los cuales los datos soncodificados.

Mecánicamente, el estándar RS-232C tiene conectores de 9 o 25 pines.Las señales principales que llevan los datos de un terminal a otro sonmanejadas por las líneas “transmit data” y “receive data”. Para hacerposible la transmisión, se requiere una tercera línea que lleva elpotencial común de referencia. El resto de líneas, que no tienen queestar presentes, llevan información del estado de los terminales decomunicación. Los módems son controlados por las señales “requestto send” y “clear to send”, la disponibilidad de un bloque de datos enun computador por “data set ready” y la habilidad para recibir elbloque desde un computador por “data terminal ready”.

7.3 Interfaz Rs-422

Cubre solamente los requerimientos eléctricos y físicos para latransmisión. Usa señales diferenciales y simétricas que permite altasvelocidades de transmisión de hasta 10 Mbits/s. En el extremo finalde recepción, la diferencia entre los niveles de voltaje es usada paradecodificar las señales; la mayor diferencia positiva corresponde al“0” y la menor al “1”. La ventaja está en que si un campo externoactúa sobre la línea, ambas señales son influenciadas al mismotiempo. La diferencia en la señal se mantiene con excepción del ruido

individual de cada línea, sustancialmente igual. De esta manera esposible, tender líneas más largas que para la interfaz RS-232C.


10/14


Además, desde que los efectos de la interferencia son restringidos,son posibles velocidades mayores de transmisión.

Debido a las líneas diferenciales y la disponibilidad de driversapropiados, esta interfaz es aplicable no solamente para caminos detransmisión extensos, sino también para estructuras de buses seriales.A pesar de ser concebido principalmente como sistema de punto apunto, se pueden operar hasta 16 dispositivos con un solo transmisor.

7.4 Interfaz Rs-485

Especifica los requerimientos eléctricos y físicos para la transmisiónsimétrica de datos (similar a RS-422) entre varios dispositivos. Hasta32 dispositivos actuando como transmisores o receptores pueden ser

conectados a un cable de dos hilos es decir en una verdaderaoperación de bus. El direccionamiento y respuesta a los comandosdebe ser resuelta por software. La máxima longitud de las líneas varíaentre 1.2 km a una velocidad de 93.75 kBit/s hasta 200m a unavelocidad de 500 kBit/s.Esta interfaz usa tres estados lógicos, “0”, “1” y “non-data ”(ausenciade datos); esta última es usada para el control o sincronización delflujo de datos. Esta interfaz es con frecuencia encontrada en el campo.Al utilizar pares de cables trenzados y blindados, se asegura unacomunicación confiable y económica.

7.5 Interfaz Iec 1158-2

Es la interfaz internacional para fieldbus intrínsecamente segura; losdatos, en una forma de señal sin retorno a cero, son acoplados conuna señal de reloj y enviados como una señal de corriente o voltaje através del medio de transmisión. El 1 y el 0 son formados por uncambio de fase en el momento que se tiene el medio bit, dos estadosde ausencia de datos se generan cuando no hay cambio de fase.

La interfaz usa un preámbulo para sincronización y añade un

delimitador de inicio y uno final a los datos transmitidos. Lanaturaleza no ambigua de los delimitadores y el estricto monitoreodel temporizado de la señal, aseguran una transmisión muy segura aaltas velocidades y sobre grandes distancias. La interfaz puedesuministrar alimentación segura hasta para 10 dispositivos; sepueden acomodar más si tienen alimentación externa.

A continuación, se tiene un cuadro comparativo de las interfacesmencionadas.

Cuadro Nº 2: Tabla de Interfaces de comunicación


11/14


Característica RS 232C RS 422 RS 485 TTY IEC 1158-2

N° máx. de

dispositivos

1

transmisor,1 receptor

1

transmisor,16receptores

32

transmisores/receptores

1

transmisor,1 receptor

10 transmis./

receptores

Medio a tierra diferencial diferencial corriente Manchester II

Máx. longitud 15 m 1200 m 1200 m 1000 m 1900 m

N° de líneas mín. 3 4 2 4 3

Máx. veloc. 19,2 kbps 10 Mbps 10 Mbps 19,2 kbps 31,25 kbps

Modo de Com. duplex duplex semi-duplex duplex Semi-duplexNiveles -12...+12V -5...+5V -5...+5V 0...20 mA -2...+2V

7.6 Gateway: interfaz a otras redes

Una de los objetivos de la comunicación digital es la comunicaciónabierta entre todos los niveles de la fábrica, de modo tal que lainformación desde el campo por ejemplo el nivel en un tanque de

almacenamiento, pueda ser pasado hacia el nivel administrativo. Unared en el nivel administrativo debe transmitir grandes cantidades dedatos, siendo el temporizado para este efecto poco crítico. Encontraste, un bus de campo (fieldbus) debe transmitir mensajes cortosrápidamente, confiablemente y con tiempos de respuesta cortos.Adicionalmente debe ser intrínsecamente seguro, un requisito que nopueden cumplir la mayoría de los sistemas de bus.

Un gateway transfiere datos de un nivel de red a otro, en efecto es untipo de interfaz. Al realizar su tarea, engancha la velocidad detransmisión, interpreta los códigos de control y de datos y mapea los

servicios de un nivel con los de otro.

7.7 Acceso De Bus

Cuando un computador pasa los datos hacia una impresora en unaconexión punto a punto, no hay preguntas como que es permitidotransmitir y como el medio de transmisión ha de ser accesado.Cuando diversos dispositivos de comunicación están presentes enuna misma línea, sin embargo, deben haber reglas claras. Hay dos

métodos distintos de regular el acceso, también conocidos comoarbitraje de bus:


12/14


Maestro fijo (control centralizado de bus), en donde el acceso albus por los dispositivos es controlado por un maestro de bus

central. Ejemplos son el método maestro-esclavo y el método dearbitraje de bus.

Maestro flotante (control descentralizado de bus), en dondegracias a su inteligencia, cada dispositivo está en posición decontrolar al bus mismo cuando desea comunicarse. Hay dosmodelos que son los más aceptados: el modelo CSMA/CD,Ethernet (IEEE 802.3) y el modelo Token Passing (IEEE 802.2).

8. RESUMEN

Es importante recordar:

Las señales digitales permiten transportar mayor cantidad deinformación que las analógicas.

El medio de transmisión empleado para la comunicación deinstrumentos digitales depende de la aplicación.

La elección de la interfaz de comunicación está en función defactores como la velocidad de transmisión, la distancia y el númerode estaciones.

9. EJEMPLOS DE APLICACIÓN

En la figura se muestra las características de la información digitaltransmitida entre una computadora y un dispositivo a través de una interfazserial RS-485.


13/14


Figura Nº 4: Interfaz RS-485

A continuación se muestran las características de un conversor RS-232 a RS-485.

Model 266 - RS-232 to RS-485 Interfaz Converter

Supports 32 Users.

Uses Single Twisted Pair Programmable Contention.

Selectable Termination.

Implements Low Cost LAN.

Model 266 Specifications

Interfaz: Conforms to RS-232.RS-485: Conforms to RS-485 specification.

Signals supported Pin No.TD Transmit Data 2

RD Receive Data 3

RTS Request to Send 4

GND Ground 7

Connectors: RS-232: DB25 pin female

RS-485: 4 terminal block, 2 terminals for daisy chaining.Indicators: 3 LED's indicating TD, RD and RTS/CTS.Switches: DTE/DCE selector switch: allows reversing Pins 2 and 3 of RS-232connector. Four position dip switch: 2 switches set operating mode and 2switches set cable termination value.Data Rate: 0 to 38.4 KBPS.Transmission: Differential voltage in compliance with EIA RS-485.Power: 110 Volts AC, 60 Hz 20 VA. 220 V, 50 Hz optional. May also bepowered via pins 9 & 10 of RS-232 connector - +12 volts DC @ 50mA., -12Volts DC @ 20mA.


14/14

Size: 4"L (102mm) x 2.2"W (56mm) x 1"H (25 mm), plus wall mountedtransformer.Environment: 0o to 50o C, 0% to 95% RH.

10. AUTOCOMPROBACIÓN

1. ¿Cuál es el medio de transmisión que soporta mayor velocidad detransmisión?

a)

Cable coaxialb) Cables trenzadosc) Cable de fibra óptica

d)

Cualquiera de ellos

2.

¿Cual modo de comunicación permite la transmisión y recepciónsimultánea de información?

a)

Simplexb) Full-duplexc) Duplexd)

Half-duplexe) Ninguna de ellas

3. ¿Cuál de las siguientes interfaces utiliza menor cantidad de líneas físicas?

a) RS 232 Cb) RS 485c)

RS 422d) TTYe) IEEE 1158-2

11. SOLUCIONARIO

1. c) 2. b) 3. b)

comunicacion industrial tecs up

Documents