Curso sobre Controladores Lógicos Programables

Curso sobre Controladores Lógicos
Programables (PLC).
Por Ing. Norberto Molinari.
Entrega Nº 21.
Capitulo 5.
Redes Digitales de Datos en Sistemas de
Control de Procesos
Una red de computadoras es un conjunto interconectado de procesadores, capaces de
intercambiar información entre sí. El estudio completo de redes de computadoras puede
abarcar varios libros, por lo que sólo se presentarán aquí algunos aspectos.
Justamente, se presentarán aquellos aspectos de las redes que estén relacionados con la
implementación de Sistemas Digitales de Control de Procesos.
En la industria, el uso de computadoras digitales aplicadas al control automático
evolucionó desde un único computador supervisando algunos controladores analógicos,
a complejos sistemas que interrelacionan múltiples procesadores.
Estos procesadores comprenden controladores PID mono y multilazo, estaciones de
operación, PLC´s, transmisores inteligentes, cromatógrafos, sistemas de inventario de
playa de tanques, etc., integrados en una o varias redes de datos de tiempo real,
también denominados redes de control de procesos.
Por otra parte, las plantas industriales cuentan en muchos casos con sistemas de
computadoras a fin de satisfacer sus necesidades administrativas y gerenciales.
Llamaremos red administrativa a este sistema. Aparece como evidente que la
integración de ambas redes facilitaría la administración de todo el negocio, como la
compra de materias primas, el proceso de producción, la venta de productos, el pago de
sueldos, etc.
Surgen entonces dos áreas para la implementación de redes en las que participan los
equipos digitales de control de procesos: la integración de estos equipos entre sí, y la
integración de estos equipos con la red administrativa.
La integración de equipos digitales de control de procesos en una red de datos en tiempo
real presenta problemas de diversa índole. Consideremos el caso de los Sistemas de
Control Distribuido (DCS). Si bien estos tienen varias redes como parte de su
arquitectura, su diseño es propiedad del proveedor, sin que el usuario pueda disponer de
su especificación.
La integración de controladores unilazo con una PC es un problema de naturaleza
distinta. En este caso, el usuario accede a todos los aspectos de la implementación de la
red; y debe analizar aspectos tales como la respuesta en tiempo real del sistema, ya que
ésta no es Garantizada por el diseño del sistema.
Lamentablemente, no existe una norma de comunicaciones para la transmisión de datos
en tiempo real que haya alcanzado un alto grado de difusión. Esto hace que en algunos
casos resulte técnicamente difícil integrar equipos de distintos fabricantes. Más aún, en
algunos casos puede resultar técnico / económicamente desaconsejable. Varias normas
emergentes intentan llenar este vacío, como MAP, SP50, etc., sin que ninguna de ellas
haya logrado, hasta ahora, una amplia difusión.
Las redes de datos de tiempo real y las administrativas implican distintos conceptos.
Consideremos, por ejemplo, la seguridad. En la red administrativa la seguridad está
asociada al acceso a la información (¿tiene usted derecho a acceder a la nómina de
sueldos de la compañía?), o su preservación, (¿cuándo hizo el último back-up?).
En la red de control de procesos, la seguridad también está asociada a la disponibilidad
de los datos en tiempo real, y a la inmunidad del sistema a fallas de algún componente,
como la rotura de un cable. Por tal motivo, es deseable la implementación de redes de
alta velocidad, sobre buses redundantes.
En este capítulo presentaremos conceptos básicos de redes, que permitirán una mejor
comprensión del problema de las comunicaciones digitales, en relación a las dos áreas
mencionadas.
Inicialmente, analizaremos la integración de equipos de control según esquema
denominado maestro-esclavo. Este esquema es frecuentemente utilizado en la
integración de PLC´s o instrumentos unilazo con computadoras personales.
Este caso nos servirá para analizar las complejidades del problema de comunicaciones,
y servirá como introducción para la presentación del modelo ISO / OSI para
interconexión de sistemas. Luego reanalizaremos el esquema maestro-esclavo a la luz
del modelo ISO / OSI.
Finalmente se presentarán distintos protocolos, y se los analizará desde el punto de vista
de las problemáticas mencionadas.
5.1 El esquema maestro-esclavo
Analizaremos a continuación los aspectos asociados a la comunicación de dos o más
equipos digitales de control de procesos comunicados entre sí según el esquema
maestro-esclavo. Este esquema es usual en muchas plantas industriales, para la
integración de controladores unilazo o PLC´s con computadoras personales.
Figura 5.1 Integración de controladores unilazo y una PC.
En forma simplificada, el sistema consta de un equipo digital al que llamaremos
maestro, y uno o varios equipos digitales a los que llamaremos esclavos.
Genéricamente, denominaremos estaciones al maestro y a los esclavos (Fig. 5.1.).
La diferencia básica entre el maestro y los esclavos es que el maestro inicia las
comunicaciones. Los esclavos sólo envían mensajes cuando el maestro así se los
solicita. El proceso por el cual el maestro envía un mensaje, y recibe una respuesta del
esclavo (si así lo solicitó) se denomina transacción.
Existen dos tipos de transacción:
•
Consulta / respuesta (query / response): El maestro transmite un mensaje a un
esclavo determinado, el que transmite una respuesta correspondiente al mensaje que
recibió. Cada esclavo está identificado con una dirección (address) único en la red.
Tanto el mensaje de consulta como el de respuesta contienen la dirección que
identifica al esclavo al que fue dirigida la consulta. El mensaje que envía el maestro
es escuchado por todos los esclavos, pero será contestado sólo por aquel esclavo
cuya dirección coincida con la del mensaje. Este método es utilizado por el maestro
para transmitir datos a un esclavo, así como para obtenerlos de él.
•
De difusión sin respuesta (broadcast / no response): Estas transacciones tienen
dos diferencias básicas con las de consulta / respuesta: tiene como destinatario a
todos los esclavos, y éstos no emiten mensaje de respuesta. Este método se utiliza
para transmitir un mismo dato a todos los esclavos, en una sola transacción. Un
aspecto que debe considerarse es que el maestro no recibe confirmación alguna
acerca de la correcta recepción del mensaje por parte de los esclavos.
Obsérvese que sólo el maestro tiene capacidad de iniciar la transacción, y que los
esclavos sólo hablan si este les ha preguntado algo. De esta forma, la relación maestroesclavo es definitivamente una relación de jerarquía entre ambos equipos, al menos
desde el punto de vista de las comunicaciones. Por supuesto desde otros puntos de vista
(como el control de procesos), cualquier esclavo podría ser más importante que el
maestro.
Por razones de seguridad, es frecuente que el esquema maestro-esclavo se implemente
utilizando únicamente transacciones consulta / respuesta.
Sucesivamente, el maestro interroga a todos los esclavos de la red, en un mecanismo
conocido como encuesta (polling).
Físicamente, todas las estaciones están conectadas a un único medio físico; por ejemplo,
un par de cables.
Brevemente descripto, este esquema parece de fácil implementación. Sin embargo, para
que funcione es necesario definir varios aspectos.
En primer lugar debemos definir cómo se interconectarán las distintas estaciones entre
sí. El medio más usual es el uso de cables de cobre, pero también se utilizan fibras
ópticas, radio, etc.
Supongamos que utilizaremos cables. ¿Cómo se representarán los unos y ceros que la
comunicación implica? También aquí hay una variedad de opciones: tensión, tonos de
frecuencia, etc. Más aún, ¿cómo será físicamente el conector que permitirá conectar el
cable? ¿Cómo se transmitirán los mensajes? ¿Qué técnicas asegurarán que el mensaje
llegó sin que su contenido se altere?
Como se ve, aún para este sencillo esquema es necesario detallar numerosos aspectos.
Los clasificaremos en 4 grupos:
•
Aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales de la comunicación.
•
Definición del método utilizado para compartir un único medio físico entre
varias estaciones (problema conocido como acceso al medio).
•
Aspectos asociados al correcto envío y recepción de un mensaje.
•
Definición de los comandos que establecen los objetivos de la comunicación: en
definitiva, ¿para qué sirve el mensaje que el maestro envió?. Por ejemplo, cambiar
un valor deseado, conocer el estado de una variable de procesos, etc.
Las distintas estaciones conectadas al medio físico deberán resolver estos problemas en
forma compatible. Caso contrario, no habrá posibilidad decomunicaciones entre ellas.
En la práctica, será como tratar que un argentino intenta hablar con un zulú: distinto
idioma, distinta cultura, distinta forma de pensar. Aún cuando compartan el mismo
medio físico (el aire) y utilicen sus cuerdas vocales para hablar, no podrán intercambiar
mensajes en forma directa.
El conjunto de reglas y convenciones que se utilizan para resolver el problema de
comunicaciones se denomina protocolo.
Se dice que un protocolo es abierto si el fabricante de un equipo ofrece la
especificación de su protocolo en forma gratuita o a un precio razonable; o si
existe una norma que defina esta especificación. En caso contrario, se dice que el
protocolo es cerrado.
En relación a los aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales de la comunicación, la
implementación de un esquema maestro-esclavo se basa con frecuencia en las normas
RS-232 ó RS-485, que serán descriptas a continuación.
5.1.1. RS-232 y RS-485
La norma RS-232-C es la tercera revisión de la norma original RS-232.
Fue propuesta por la Asociación de Industrias Electrónicas (Electronic Industry
Association, EIA), e incluida en la recomendación V.24 del Comité Consultivo
Internacional Telegráfico y Telefónico (Comité Consultatif Internationale
Telégraphique et Téléphonique, CCITT), con unas pocas modificaciones en
circuitos que rara vez se usan.
Prácticamente cualquier computadora personal cuenta con una o varías interfases RS232, utilizadas para la conexión de módems, impresoras láser, ratones (mouses), etc.
Esta norma define las características mecánicas, eléctricas y funcionales de la interfase
entre un Equipo Terminal de Datos (Data Terminal Equipment, DTE) y un Equipo de
Comunicación de Datos (Data Comunication Equipment, DCE). Un DTE es un
terminal al cual accede un usuario. Podría ser también un sistema que se comporta en
forma similar, como por ejemplo, una computadora o un PLC. Un DCE es un módem
(modulador / demodulador), que codifica la información digital en tonos de audio que
puedan ser transmitidos por una línea telefónica.
Los bits se transmiten en forma seriada, esto es, se utiliza un conductor para transmitir
los bits uno a continuación del otro. Otro conductor es utilizado para recibir datos, y
algunos conductores adicionales se utilizan para el control de la transmisión.
Desde un punto de vista mecánico, la forma especifica un conector de 25 pines o
clavijas, conocido como DB25. Los 25 pines están distribuidos en dos filas, la primera
de 13 pines numerados del 1 al 13, y la segunda de 12 pines, numerados del 14 al 25. La
función de los circuitos principales es mostrada en la Fig. 5.2.
Desde un punto de vista eléctrico, cada uno de estos pines se puede poner en 1 ó 0,
según sea su nivel de tensión con referencia al pin 7. Una tensión inferior a -3V indica
un 1, mientras que un nivel de tensión superior a + 4V indica un 0.
Obsérvese que todos los circuitos comparan sus niveles de tensión con un único común,
que es el pin 7. Esta técnica se denomina transmisión asimétrica, en oposición a la
transmisión simétrica, que se presentará para el caso de la norma RS-485.
Desde el punto de vista funcional, se definen funciones para cada uno de los circuitos.
Mientras el DTE está encendido pone un 1 en el pin 20 (por medio de un nivel de
tensión referido al pin 7 inferior a -3V), indicando que la Terminal de Datos está lista
(Data Terminal Ready). En forma similar, al ser encendido el DCE pone un 1 en el pin 6
(Módem listo, Data Set Ready).
Cuando el módem (DCE) detecta una señal en la línea telefónica, pone un 1 en el pin 8
(Detección de Portadora, Carrier Detect). De esta forma, el DTE se entera que el DCE
esta recibiendo datos. El pin 4 (Solicitud de Envío, Request to Send) indica que el DTE,
quiere enviar datos, mientras que el pin 5 (Libre para Enviar, Clear to Send) indica que
el DCE esta en condiciones de recibirlos. Los pines 2 y 3 son utilizados para transmitir
y recibir datos.
La norma especifica funciones adicionales para otros pines, que permiten seleccionar la
velocidad del módem, verificar su estado, etc. Con frecuencia, muchos de estos circuitos
no son necesarios en la práctica.
Figura 5.2 Circuitos de la norma RS – 232 C. Se indica entre paréntesis el número de
pin correspondiente. Las funciones (transmitir, recibir, etc.) se describen desde el
punto de vista del DTE
La transmisión de bits se concreta variando los niveles de tensión en el pin 2, de
acuerdo a los datos a transmitir. La transmisión de cada bit puede implicar un cambio en
el nivel de tensión (de menos de -3V a más de +4V, o viceversa), dependiendo del valor
del bit interiormente transmitido. Por ejemplo, la transmisión de los bits 11111111 no
implica cambio del nivel de tensión, mientras que la transmisión le los bits 10101010
implica un cambio en el nivel de tensión por cada bit transmitido (Fig. 5.3.).
La cantidad máxima de cambios del valor de la señal por segundo está limitada por la
tecnología utilizada en la instalación, y se mide en baudios. Se define como baudio a la
cantidad de cambios de la señal que pueden ser identificados en un segundo. Así, una
velocidad de transmisión de 300 baudios indica una capacidad de identificar 300
cambios por segundo.
Otro término utilizado para indicar una velocidad de transmisión es el de bits por
segundo (bps). En el caso que hemos presentado, la cantidad de bits por segundo que se
puede transmitir coincide con la cantidad de cambios de señal por segundo que la
instalación permite, por lo que la velocidad de transmisión se puede expresar
indistintamente en baudios o bps (300 baudios = 300 bps). En la sección 5.5 se
presentarán algunos casos en los que la velocidad expresada en bps no coincide
numéricamente con la expresada en baudios.
Por lo dicho, la velocidad de transmisión puede expresarse cuantitativamente en baudios
o bps. También es usual referirse a la velocidad de la transmisión mediante el término
ancho de banda (bandwidth). El ancho de banda refleja la capacidad de una red de
transmitir información en un determinado tiempo. Una tecnología de mayor ancho de
banda tendrá mayor capacidad de transmitir información. Así, decimos que RS – 232 no
tiene un ancho de banda suficiente para una determinada aplicación, o que ATM
incrementará el ancho de banda de las instalaciones existentes.
Es común que dos equipos digitales traten de conectarse por medio de la norma
RS – 232. Como ninguno de los dos e un módem, es necesario cruzar algunos de los
conductores. De otro modo, ambos intentarán transmitir por el pin 2, sin éxito.
Figura 5.3 Representación de bits por medio de niveles de tensión.
El cruzamiento de cables se hace utilizando un cable especial con los colectores
convenientemente cruzados, o utilizando un módem nulo, que efectúa la cruzada de los
cables (Fig. 5.4.). Adicionalmente, el puente entre los pines 4 y 5 hace que ambos
equipos consideren que el otro esté siempre disponible para transmitir y recibir. Este
puente es usual en aplicaciones maestro-esclavo, en las que la disponibilidad del medio
está resuelta por la estación maestra, por lo que no es necesario chequearla antes de
iniciar la transmisión.
La norma RS-232 especifica los aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales para la
conexión de dos equipos, un DTE y un DCE. Existen numerosos ejemplos de aplicación
de esta conexión, por cepillo, la conexión de un PLC con una PC. Pero, ¿qué ocurre
cuando deseamos integrar a más de dos equipos en una red?. En este caso debemos
recurrir al uso de módems, a razón de uno por cada equipo que deseamos conectar en la
red (Fig. 5.5.).
De esta forma, un módem recibe en su internase RS-232 un mensaje, y lo retransmite
como tonos de audio por la línea telefónica. Todos los demás módems escuchan estos
tonos de frecuencia, y los transmiten por sus interfases RS-232 a sus correspondientes
DTE. Esta arquitectura se conoce como multicaída (multidrop).
Cuando RS-232 fue desarrollada, la tecnología se basaba en tubos de vacío,
requiriéndose niveles de tensión más bien altos (del orden de 6 V), e implementándose
velocidades de comunicación de hasta 20 Kbaudios, en distancias de no más de 15
metros. Las versiones posteriores de RS-232 mantuvieron esta especificación para
asegurar compatibilidad con los productos existentes, aún cuando nuevas tecnologías
permitirían superar estas limitaciones ( 115 Kbaudios ó mas ).
La tecnología actualmente disponible permite (y a menudo exige) alcanzar mayores
distancias y velocidades. Varias normas han surgido con este objetivo, de ellas, la más
difundida en el ámbito industrial es la RS-485. Otra norma ampliamente difundida es la
RS-422, que tiene pequeñas diferencias con la RS-485.
Ambas normas se diferencian de la RS-232 en que utilizan una técnica de transmisión
balanceada. En esta técnica cada circuito tiene dos hilos, sin que exista una tierra en
común.
Los unos y ceros lógicos se establecen en función de la diferencia de tensión entre
ambos conductores del circuito (Fig. 5.6.). Se alcanzan así distancias de hasta 12OOm,
con velocidades de hasta 2 Mbaudios.
Otro aspecto que favorece a la norma RS-485 con respecto a la norma RS-232, es que
permite la conexión de varios equipos al bus de comunicaciones.
Figura 5.4 Ejemplo de la implementación de la Norma RS – 232 entre dos equipos
que se comportan como DTE.
Figura 5.5 Bus de comunicaciones multidrop implementado con la norma RS-232 C
y módems.
Los equipos se conectan en paralelo a los dos conductores que usualmente se utilizan en
la implementación de este bus. De esta forma se elimina la necesidad del uso de
módems en los casos en que se deben comunicar más de 2 equipos.
La implementación industrial de redes RS-485 se realiza usualmente por medio de un
par de conductores conectados a borneras, sin un conector especial.
5.1.2 El acceso al medio físico
El problema de acceso al medio físico surge desde el instante en que dos (o más)
equipos digitales comparten el mismo medio físico. El problema es similar al de una
conversación entre dos o más personas, que comparten el mismo medio físico (el aire).
Existen diversos métodos para resolver este problema, Uno de los más sencillos es
justamente el esquema maestro-esclavo. En este esquema el maestro tiene el control del
acceso al medio, existiendo dos posibilidades: o es el maestro el que ocupa el medio
físico, o es aquel esclavo que fue consultado por el maestro y le está respondiendo.
5.1.3 Envío de mensajes
La norma RS-232 (o cualquier otra norma que se utilice para resolver los aspectos
mecánicos, eléctricos y funcionales de la comunicación) sólo se ocupa de la transmisión
de una sucesión de bits. Estos bits no representan información alguna, en tanto no se los
organice.
Figura 5.6 Niveles de tensión de las normas RS-458 y RS-442
Los bits se organizan generalmente en dos niveles. El primer nivel es un agrupamiento
de unos pocos bits, por ejemplo, ocho. Este agrupamiento se conoce como carácter.
Cada carácter es precedido de un bit de comienzo (start bit), y es seguido por un bit de
paridad (parity bit, se trata de un bit opcional cuyo significado describiremos
posteriormente), y uno o dos bits de finalización (stop bits). (Fig. 5.7.). Un aspecto que
deberá ser definido a nivel de carácter por el protocolo es si el bit de mayor valor o peso
es el primero que se transmite, o el último. Otro aspecto es el significado mismo de este
conjunto de bits. Por ejemplo, la secuencia 11111111 podría tener distintos significados
en función de la codificación utilizada.
Una de las codificaciones más comunes es la ASCII (American Standard Code for
information Interchange, Código Americano Normalizado para el Intercambio de
Información). Esta codificación fue introducida en 1963. En su versión actual utiliza 8
bits, con un total de 256 caracteres, que incluyen letras minúsculas y mayúsculas,
números, símbolos, y caracteres de control tales como STX (Start of Text, Comienzo
del Texto), EOT (End of Text, Final del Texto), LF (Line Feed, Alimentación de Línea),
etc.
El segundo nivel de organización consiste en el agrupamiento de caracteres de una
trama, que constituye el mensaje. Típicamente la trama contendrá caracteres que
contienen la siguiente información: dirección del esclavo (ya sea en el mensaje de
consulta o respuesta), copiando de consulta o respuesta, datos, y códigos de chequeo.
Uno de los problemas a resolver es el de identificación del comienzo y el final de una
trama. Para ello se pueden utilizar diversos métodos, algunos de los cuales se
describirán a continuación.
5.1.3.1. Transmisión sin delimitadores
Este sencillo método consiste en agrupar todos los bits de una trama, y transmitirlos de
una sola vez. El receptor observa los bits a medida que llegan, y mide el tiempo entre
caracteres. Si deja de recibir bits durante un tiempo determinado (por ejemplo, el tiempo
equivalente a la transmisión de tres y medio caracteres), asumirá que la trama se ha
completado, y procederá al chequeo a nivel de trama (Fig. 5.8.). Este método es
utilizado en el protocolo Modbus RTU.
Continuará.....
Nota de Radacción: El lector puede descargar el curso capítulo a capítulo desde la
sección “Artículos Técnicos” dentro del sitio de EduDevices
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