Introduccion a los protocolos

Introducción a la transmisión digital de información
Introduccion a los protocolos
1.- Fuentes de Errores.
2.- Detección de errores.
• Paridad
• ChekSum
• CRC
3.- Control del flujo de la información.
• ARQ
4.- Metodos de acceso al medio.
5.- Modelos de comunicacion.
6.- Concepto de bus de campo
Introducción a la transmisión digital de información
Errores en la transmisión de la señal
EMISOR/RECEPTOR
EMISOR/RECEPTOR
Mensaje
“01100111”
“A”
“01100111”
“A”
1
Introducción a la transmisión digital de información
Errores en la transmisión de la señal
EMISOR/RECEPTOR
EMISOR/RECEPTOR
Mensaje
“01100111”
“A”
“01110111”
“C”
Introducción a la transmisión digital de información
1.1.- Fuentes de Errores en la transmisión:
Atenuación de la señal debida a la carga
Distorsión de la señal debida a la atenuación
Ruido (sucesos transitorios de tipo impulsivo)
Ruido
Ruidoimpulsivo:
impulsivo:Perturbaciones
Perturbacioneselectromagnéticas
electromagnéticasatmosféricas
atmosféricas
interferencias
interferenciaseléctricas
eléctricasen
enlas
laslíneas
líneasde
decomunicación
comunicación
Ruido
Ruidotérmico:
térmico:Ruido
RuidoBlanco
Blanco
Ruido
Ruidode
defluctuación:
fluctuación:Ruido
RuidoRosa
Rosa
2
Introducción a la transmisión digital de información
1.1.- Fuentes de Errores en la transmisión:
Señal
transmitida
Atenuación de la señal debida a la carga
Ruido
Distorsión de la señal debida a la atenuación
Ruido (sucesos transitorios de tipo impulsivo)
Señal y ruido
combinados
Señal recibida
Introducción a la transmisión digital de información
¿Qué podemos hacer con los errores?
La
Laatenuación
atenuaciónse
secorrige
corrigecon:
con:
REPETIDORES
para
señales
REPETIDORES para señalesdigitales
digitales
AMPLIFICADORES
AMPLIFICADORES
para
paraseñales
señalesanalógicas
analógicas
Reducir
Reducir las
las interferencias:
interferencias:
Minimizar
Minimizarla
lalongitud
longitudde
delos
loscables
cablesyybucles
bucles
Utilización
Utilizaciónde
depares
parestrenzados
trenzados
Apantallamiento
Apantallamientoelectroestático
electroestático
Tierra
Tierrasimple
simple
Filtros
Filtros
Amplificador
Amplificadordiferencial
diferencial
DETECTAR
DETECTARLOS
LOSERRORES
ERRORES
3
Introducción a la transmisión digital de información
¿Qué podemos hacer con los errores?
DETECTAR
DETECTARLOS
LOSERRORES:
ERRORES:
La aceptabilidad de los errores depende del contenido de los datos
Texto puro
20% de errores
Aplicación critica 0% de errores
La respuesta al error, su CORRECCION, depende del contenido,
importancia, etc.
Método mas directo retransmisión del dato
Los principales esquemas de detención se basan en la REDUNDANCIA
Bit adicionales que se envían con el mensaje
y que representan en algún modo el contenido de este.
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de caracteres: Paridad
Se añade un bit al final de la palabra de datos. Este bit es
una función del resto de la palabra
Convenciones
Paridad Par -> el nº de ‘1’ es par
Paridad Impar -> el nº de ‘1’ es impar
“A”
Paridad de marca (Mark) el bit de paridad es
siempre 1
0
1
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
0
1
0
1
0
1
Paridad de espacio (Space) el bit de paridad es
siempre cero
NO Paridad (None) el bit de paridad no se utiliza y su
valor se deja sin especificar
4
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de caracteres: Paridad
Recibido
Transmitido
0
1
0 0
0
0
0
1
0
1
0 0
0
0
0
1
0
1
0 0
0
0
0
1
0
1
0 0
0
0
1
1
Er. detectado
0
1
0 0
0
0
0
1
0
0
0 0
0
0
1
1
Er. NO detectado
0
1
0 0
0
0
0
1
0
1
0 1
1
1
0
1
Err. detectado
Correcto
Capacidad de detección muy baja (solo detecta errores que afectan
a un numero impar de bits)
SOBRETASA: Un 10% del tiempo se malgasta transmitiendo bit de
comprobación que no cumplen su cometido en un 40% de los
casos (1 Start, 7 Datos, 1 paridad, 1 stop
10 bits)
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: Paridad
Recibido
Transmitido
C 1 1
0 0
0
0
1
1
1
1
0 0
0
0
1
1
0
1
1 0
0
1
1
0
0
1
1 0
0
1
1
0
Y 1 1
1 1
1
0
0
1
1
1
1 0
0
0
0
1
U 0 1
BCC 0 0
0 1
0
1
0
1
0
1
0 1
0
1
0
1
0 0
1
0
0
1
0
0
0 0
1
0
0
1
f
CHECK VALUE 0 0 0 1 0 0 0 1
Error de dos bits
en una fila
Error detectado
La unidad básica de comprobación pasa a ser la trama
BCC carácter de comprobación de bloques.
CRL Comprobación de redundancia longitudinal (LRC).
CRV Comprobación de redundancia vertical (VRC).
5
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: Paridad
Recibido
Transmitido
C 1 1
0 0
0
0
1
1
1
1
0 0
0
0
1
1
0
1
1 0
0
1
1
0
0
1
1 0
0
1
1
0
Y 1 1
1 1
1
0
0
1
1
1
1 0
0
0
0
1
U 0 1
BCC 0 0
0 1
0
1
0
1
0
1
0 0
1
1
0
1
0 0
1
0
0
1
0
0
0 0
1
0
0
1
f
Error de dos bits
en dos filas
CHECK VALUE 0 0 0 0 1 0 0 1
Error NO
detectado
La mayor virtud es su sencillez pero tiene
un alto porcentaje de fallos
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: CHECKSUM
Recibido
Transmitido
C
1
0 0
0
0
1
1
1
0 0
0
0
1
1
f
1
1 0
0
1
1
0
1
1 0
0
1
1
0
Y
1
1 1
1
0
0
1
1
1 0
0
0
0
1
1
U
BCC 1 0 1
0 1
0
1
0
1
1
0 0
1
1
0
1
1 1
0
1
1
1
1
1 1
0
1
1
1
1
0
Error de dos
bits en
dos filas
1 0 1 0 1 1 1 1 1
Error detectado
Incrementa la presición
Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje)
6
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: CHECKSUM
Recibido
Transmitido
C
1
0 0
0
0
1
1
1
0 0
0
0
1
0
f
1
1 0
0
1
1
0
1
1 0
0
1
1
1
Y
1
1 1
1
0
0
1
1
1 0
0
0
0
1
1
U
BCC 1 0 1
0 1
0
1
0
1
1
0 0
1
1
0
1
1 1
0
1
1
1
1
1 1
0
1
1
1
1
0
Error de un
bits en
dos
columnas
1 0 1 1 1 0 1 1 1
Error NO detectado
Incrementa la presición
Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje)
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: CRC
(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)
Sobretasa idéntica a la suma de comprobación
Método extremadamente potente (99,997% de los errores detectados)
Punto de arranque: Nº de bit deseado en el valor de
comprobación (12, 32)
1000011
C
1100110
1111001
f
y
1010101
CRC
CRC
U
DIVISION LARGA EN MODULO 2
CRC-CCITT X-Modem
CRC-16 Modbus-RTU
CRC-12
7
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: CRC
(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)
DIVISION LARGA EN MODULO 2
1000011
1100110
C
1111001
f
1010101
y
3.278.305.62510
U
3.278.305.625/65.540
3.278.305.625/65.540=50.019
=50.019 con
con60.361
60.361de
deresto
resto
Divisor
de
17
bits
resto
menor
de
17
bits
Divisor de 17 bits resto menor de 17 bits
60.361
= EBC9 =
1110101111001001
60.36110
10 = EBC916
16 = 111010111100100122
“c”
“f”
“y”
“U”
1110101111001001
Introducción a la transmisión digital de información
3.3.- Control del flujo de información:
Control de caracteres:
ECO
XON/XOFF
Control de Línea completa (PAQUETE):
Campo
Campode
de
datos
servicios
ETX/ACK
SOH
Número de secuencia de
paquete
STX
DATA
SOH
Número de secuencia de
paquete
LEN
DATA
ETX
Valor de
comprobación
Valor de
comprobación
SOH: Start of Header, STX: Start of Text, ETX: End of text
8
Introducción a la transmisión digital de información
Solicitud de Repuesta Automática: ARQ
Parada y Espera
Envia un mensaje y espera respuesta
El receptor contesta si le ha llegado correctamente o no
El transmisor repite si no hay respuesta o si es negativa
Emisor
Receptor
1
1
ACK
Time-out: Tiempo de espera
para dar por fallida la
comunicación
Retries: Cantidad de intentos
2
2
que realiza el maestro
ACK
NAQ
Introducción a la transmisión digital de información
Solicitud de Repuesta Automática: ARQ
Parada y Espera
Envia un mensaje y espera respuesta
El receptor contesta si le ha llegado correctamente o no
El transmisor repite si no hay respuesta o si es negativa
Continuo
Envía tramas numeradas y si falla pide ha partir
de la errónea
9
Introducción a la transmisión digital de información
4.- Métodos de acceso al medio
Maestro/esclavo
Peer–to-peer (Punto a punto)
Paso de testigo (Token)
CSMA: CD e BA
METODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO
CRC
AREA DE DATOS
DIRECCION
CODIGO FUNCION
CODIGO FUNCION
DIRECCION
AREA DE DATOS
CRC
ESCLAVO n
MAESTRO
TRAMA DE PREGUNTA
TRAMA DE RESPUESTA
PLC N.1
PLC N.3
PLC N. 2
AUTOMATA
WinCC
Puerto de Comunicaciones
ESCLAVO n
MAESTRO
10
PROTOCOLO MOD-BUS
METODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO
TRAMA DE PREGUNTA/ RESPUESTA
DIRRECION
CODIGO FUNCION
1 byte
1 byte
Mod-bus RTU:
PLC N.1
AREA DE DATOS
N bytes
CRC
2 bytes
PLC N.3
PLC N. 2
AUTOMATA
WinCC
Puerto de Comunicaciones
ESCLAVO n
MAESTRO
Peer_to_Peer
MODEN
MODEN
MODEN
MODEN
MODEN
11
Metodo de acceso al medio: PASO DE TESTIGO
Maestros
PC
PLC
PROFIBUS
Dispositivos de campo (Esclavos)
Introducción a la transmisión digital de información
Metodo de acceso al medio:
medio: CSMA
Carrier sense multiple access
CD: Collision detection
• se transmite cuando el bus está desocupado
• si hay colisión, se repite la tentativa después de un tiempo
aleatorio.
• ejemplo: Ethernet
I/O 4
I/O 1
I/O 2
I/O 3
12
Introducción a la transmisión digital de información
Metodo de acceso al medio:
medio CSMA
Carrier sense multiple access
BA: Bitwise Arbitration
• se transmite cuando el bus esta desocupado
• si existe colisión :
bit 0 es dominante
bit 1 es recesivo
• el dominante continua transmitiendo
• es más eficiente que CSMA/CD
Introducción a la transmisión digital de información
Metodo de acceso al medio:
medio CSMA/CA
Carrier sense multiple access
CA: Collision Avoidance)
Identificador único que determina la prioridad del mensaje.
Mensaje con alta prioridad gana el acceso al bus.
Mensajes de baja prioridad son retransmitidos en el siguiente ciclo
de bus
13
Introducción a la transmisión digital de información
5.- Modelos de comunicación
¿Qué modelos de PROTOCOLO existen en
el mercado?
¿Cuáles son sus diferencias?
1.- MODELO ORIGEN/DESTINO
ORIGEN
DESTINO
DATOS
CRC
Jerarquías:
Maestro/esclavo
Entre iguales: Peer-to-peer (punto a punto)
Paso de testigo
14
¿Qué modelos de PROTOCOLOS existen en
el mercado?
¿Cuáles son sus diferencias?
2.- MODELO PRODUCTOR/CONSUMIDOR
IDENTIFICADOR
-
DATOS
CRC
Los mensajes son identificados por su contenido
Múltiples nodos pueden consumir la misma
información al mismo tiempo (MULTIDIFUSION)
-
Permiten jerarquías maestro/esclavo, peer-to-peer
-
Producción de datos por:
Cambios de estado de los datos (por eventos).
Cíclica por tiempo.
Introducción a la transmisión digital de información
5.- Concepto de Bus de Campo
• Protocolo.
• Bus de comunicación.
• Bus de campo.
15
Introducción a la transmisión digital de información
¿QUÉ ES UN PROTOCOLO ?
Cuando el receptor y el emisor acuerdan de antemano
observar unas reglas comunes que gobiernan el intercambio
de datos reciproco se ha establecido un protocolo
Conjunto de reglas PROTOCOLO
Control del flujo
Control de errores
Método de acceso al medio
En un protocolo hay:
- Cooperación
Metafísicamente
“HANDSHAKING”
apretón de manos
- Acuerdo previo
Introducción a la transmisión digital de información
¿QUÉ ES UN BUS DE COMUNICACION ?
DEFINICIÓN DE BUS: Línea de comunicación entre
dos o más elementos que procesan información.
Son seis los niveles que lo forman:
•Nivel mecánico. (Conectadores y placas)
•Nivel eléctrico. (alimentación, impedancia)
•Nivel lógico. (señales)
•Nivel de temporización básica. (diagramas de tiempos)
•Nivel de transferencia elemental. (maestro/esclavo, protocolo)
•Nivel de transferencia de bloque. (Protocolo)
16
Introducción a la transmisión digital de información
¿QUÉ ES UN BUS DE CAMPO ?
Protocolos y líneas de comunicación usadas
en las aplicaciones industriales
Existen dos tipos bien diferenciados:
Buses de campo propietarios:
La propiedad intelectual pertenece a una compañía y se
necesita licencia para usarlo.
Buses de campo no propietarios o abiertos:
Especificaciones publicas y disponibles
Componentes criticas disponibles
Proceso de validación definido.
Introducción a la transmisión digital de información
¿QUÉ CONTITUYE UN BUS DE CAMPO ?
El conjunto de todos los componentes
físicos necesarios para establecer una vía
de transmisión de datos así como los
procedimientos comunes asociados para
intercambiar datos.
17
¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro?
fieldbuses
Sensorbuses
•
•
•
•
•
ASI
CANbus
LonWorks
Seriplex
Sensoplex
Typical
Applications
•
•
•
•
•
CANbus
DeviceNet
SDS
InterBus-S
LonWorks
•
•
•
•
IEC 61158
PROFIBUS
WorldFIP
ModBus
ControlNET
Modbus ®
Interbus
Process, Factory
Process, Factory
Building Automation
Process, Factory
Data Rate bits/s
5M
Typ1.2K - 115.2K
500K
Communication Technique
Producer/Consumer
Master/Slave
Master/Slave
Media Access Method
CTDMA *3
Token Passing
None
Media Supported
Co-ax, Fibre-Optic
Twisted Pair
Co-ax, Fibre-Optic
Max. No. of Addressable
Nodes
99 per link
247 per network
256 Stations
Deterministic *1
Yes
No
Yes
Intrinsically Safe
No
No
No
Bus Powered?
No
No
No
ASICs *2 Available
Yes
No
Yes
Physical Layer Standard
Generally based on differential
Manchester encoding
Not Specified
RS485
Applicable Standards
BSI draft standard prov EN
50254
Modicon Protocol
PI-MBUS-300
Rev.E
DIN E 19258 prov EN
50254
18
Ethernet ®
WorldFIP
LONWORKS ®
Typical
Applications
Process, Data
Process, Smart,
Building, Factory
Automation
Process, Building, Factory
Automation
Data Rate bits/s
10M
31.5K, 1M and 2.5M
300 to 1.25M
Communication
Technique
Master/Slave,
Peer to Peer
Producer/Consumer
Master/Slave,
Peer to Peer
Media Access Method
CSMA/CD
Bus Arbiter Access
Predictive Media
Media Supported
Co-ax
Twisted Pair, Radio,
Fibre-Optic
Co-ax, Twisted Pair,
Radio, Fibre-Optic
Max. No. of Addressable
Nodes
400 per segment
256 per network
32,768 per domain
Deterministic *1
No
Yes
No
Intrinsically Safe
No
Yes
Yes
Bus Powered?
No
Yes
Yes
ASICs *2 Available
Yes
Yes
Yes
Physical Layer Standard
Unbalanced Voltage
IEC/ISA/FF IEC
1158-2
Numerous
Applicable Standards
IEE802.3,
ISO8802.3(10Bas
e-5)
EN 50170(Part 3)
LonMark Interoperability
Association
Guidelines
CAN
HART ®
AS-Interface
Typical
Applications
Process, Building,
Factory, Vehicle
Automation
Smart Instrumentation
Process, Building,
Factory
Automation
Data Rate bits/s
To 1M
1200
167K
Communication
Technique
Producer/Consumer,
Peer to Peer
Master/Slave
Master/Slave
Media Access
Method
CSMA/CD/NDA
None
Cyclic polling
Media Supported
Twisted Pair,
Fibre-Optic
Twisted Pair
Twisted Pair
Max. No. of
Addressable
Nodes
2^11, or 2^29 in
extended address
mode
15 per loop
31 per network
Deterministic *1
No
No
Yes
Intrinsically Safe
No
Yes
No
Bus Powered?
No
Yes
Yes
ASICs *2 Available
Yes
Yes, partial
Yes
Physical Layer
Standard
Balanced Differential
Voltage
4-20mA pair (f.s.k current
modulation)
Balanced Differential
Voltage
Applicable
Standards
ISO 11898
HART Protocol
Specification Rev 5.1
Physical Layer Rev 8.0
IEC947-5-2/D EN60947
DIN VDE 0660/208
19
DP
FMS
PA
Typical
Applications
Process, Factory
Process, Factory
Process, Smart
Data Rate bits/s
To 1.5M and 12M
500K
31.25K
Communication
Technique
Master/Slave,
Peer to Peer
Master/Slave,
Peer to Peer
Master/Slave,
Peer to Peer
Media Access Method
Token Passing
Token Passing
Token Passing
Media Supported
Twisted Pair
Twisted Pair
Twisted Pair
Max. No. of Addressable
Nodes
127 per network
127 per network
127 per network
Deterministic *1
No
No
No
Intrinsically Safe
No
No
Yes
Bus Powered?
No
No
Yes
ASICs *2 Available
Yes
Yes
Yes
Physical Layer Standard
RS485
RS485
IEC/ISA/FF IEC 1158-2
Applicable Standards
EN 50170(Part 2) DIN
19245 EN 50 254
EN 50170(Part 2) DIN
19245
DIN 19245
Profibus
¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro?
fieldbuses
Sensorbuses
•
•
•
•
•
ASI
CANbus
LonWorks
Seriplex
Sensoplex
•
•
•
•
•
CANbus
DeviceNet
SDS
InterBus-S
LonWorks
•
•
•
•
IEC 61158
PROFIBUS
WorldFIP
ModBus
20
ENFOQUE METÓDICO ANTE LA SITUACIÓN ACTUAL DE DIFERENTES
FIELDBUSES:
1.- Realizar una evaluación de las aplicaciones y el tipo de control que se necesita.
Tamaño de la red, Volumen de trafico, Rendimiento, Fallos de estaciones,
Longitud del mensaje, Expansión.
2.- Comparar estas necesidades con las características de los fieldbuses disponibles.
3.- Clasificar las prioridades de control de las aplicaciones tomando en cuenta los
siguientes factores:
Rendimiento:
¿Cuál es la característica más importante para la aplicación?
Determinismo
Repetitibidad
Tiempo de respuesta
Gateways:
¿Requiere de mas de un fieldbus el diseño propuesto?
¿Es necesaria la comunicación mutua entre diferentes fieldbuses?
Costos:
¿Cuáles de los siguientes costos son mas importantes:
Componentes físicos.
Costos por tiempo improductivo.
Costos de la instalación.
¿Es fácil la integración en el sistema?
Tríos interesantes
Interbus-s, CAN/DeviceNet y Hart.
Ethernet Industrial, Profibus y Asi.
Para adaptarse a los diferentes requisitos, se pueden combinar
diversas redes de comunicación.
21
Topología de la red
ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA
- Definida por: Distribución del cable que interconecta los diferentes
interlocutores.
- Las diferentes estaciones son los nodos de la red.
- La estructura más simple es una red formada por dos estaciones, es decir,
dos nodos (punto a punto)
Factores a tener en cuenta:
La distribución de los equipos a interconectar.
La inversión que se quiere hacer.
El tráfico que va a soportar la red local.
La capacidad de expansión.
No se debe confundir el término topología con el de arquitectura.
La arquitectura de una red engloba :
La topología.
El método de acceso al cable.
Protocolos de comunicaciones
Topología de la red
ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA
Topología en Bus o lineal:
Terminador
Terminador
PLC-1
PLC-2
PLC-3
PLC-4
PLC-0
Sus principales ventajas son :
- Fácil de instalar y mantener.
- No existen elementos centrales del que dependa toda la red, cuyo
fallo dejaría inoperativas a todas las estaciones.
Sus principales inconvenientes son :
- Si se rompe el cable en algún punto, la red queda inoperativa por
completo.
22
Topología de la red
ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA
Topología en anillo:
Habitualmente las redes en anillo utilizan como método de acceso al medio
el modelo “paso de testigo”.
Es difícil de instalar y requiere mantenimiento
Topología de la red
ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA
Topología en estrella:
Habitualmente sobre este tipo de topología se utiliza como método de
acceso al medio poolling, siendo el nodo central el que se encarga de
implementarlo.
Si se rompe un cable sólo se pierde la conexión del nodo que
interconectaba.
23