Introducción a la transmisión digital de información Introducción a la transmisión digital de información Errores en la transmisión de la señal Introduccion a los protocolos 1.- Fuentes de Errores. 2.- Detección de errores. • Paridad • ChekSum • CRC 3.- Control del flujo de la información. • ARQ EMISOR/RECEPTOR 4.- Metodos de acceso al medio. 5.- Modelos de comunicacion. 6.- Concepto de bus de campo Mensaje “01100111” “A” Introducción a la transmisión digital de información Errores en la transmisión de la señal EMISOR/RECEPTOR “01100111” “A” Introducción a la transmisión digital de información 1. 1.-- Fuentes de Errores en la transmisión: EMISOR/RECEPTOR Mensaje “01100111” “A” EMISOR/RECEPTOR “01110111” “C” Atenuación de la señal debida a la carga Distorsión de la señal debida a la atenuación Ruido (sucesos transitorios de tipo impulsivo) Ruido impulsivo: Perturbaciones electromagnéticas atmosféricas interferencias eléctricas en las líneas de comunicación Ruido térmico: Ruido Blanco Ruido de fluctuación: Ruido Rosa Introducción a la transmisión digital de información 1. 1.-- Fuentes de Errores en la transmisión: Introducción a la transmisión digital de información ¿Qué podemos hacer con los errores? La atenuación se corrige con: REPETIDORES para señales digitales 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 AMPLIFICADORES para señales analógicas Reducir las interferencias: Minimizar la longitud de los cables y bucles Utilización de pares trenzados Apantallamiento electroestático Tierra simple Filtros Amplificador diferencial DETECTAR LOS ERRORES Introducción a la transmisión digital de información ¿Qué podemos hacer con los errores? Introducción a la transmisión digital de información Redundancia: 0 de Caracteres: DETECTAR LOS ERRORES: 1 0 0 0 0 0 1 - Paridad carácter “A” 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. de Trama: Método mas directo retransmisión del dato 1000011 C Los principales esquemas de detención se basan en la REDUNDANCIA - Paridad Bit adicionales que se envían con el mensaje y que representan en algún modo el contenido de este. - CHECKSUM - CRC 1100110 f 1111001 y 1010101 U Introducción a la transmisión digital de información Introducción a la transmisión digital de información Redundancia de caracteres: Paridad 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 Recibido Transmitido Convenciones Paridad Par -> el nº de ‘1’ es par 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 Paridad Impar -> el nº de ‘1’ es impar 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 “A” Paridad de marca (Mark) el bit de paridad es siempre 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 Correcto Er. detectado Er. NO detectado Err. detectado Paridad de espacio (Space) el bit de paridad es siempre cero Capacidad de detección muy baja (solo detecta errores que afectan a un numero impar de bits) NO Paridad (None) el bit de paridad no se utiliza y su valor se deja sin especificar 1 0 1 0 1 0 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) 1 Introducción a la transmisión digital de información Introducción a la transmisión digital de información Redundancia de Bloques: Paridad Redundancia de Bloques: Paridad Recibido Transmitido C 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 f 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 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 U BCC Recibido Transmitido CHECK VALUE 0 0 0 1 0 0 0 1 Error de dos bits en una fila C 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 f 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 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 1 U BCC Error detectado CHECK VALUE 0 0 0 0 1 0 0 1 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). La mayor virtud es su sencillez pero tiene un alto porcentaje de fallos Error de dos bits en dos filas Error NO detectado Introducción a la transmisión digital de información Introducción a la transmisión digital de información Redundancia de Bloques: CHECKSUM 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 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 U BCC 1 0 1 0 Recibido Transmitido Error de dos bits en dos filas 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 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 U BCC 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 Error detectado Error NO detectado Incrementa la presición Incrementa la presición Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje) Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje) Introducción a la transmisión digital de información Introducción a la transmisión digital de información Redundancia de Bloques: CRC Redundancia de Bloques: CRC (COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS) (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 1000011 C 1100110 f 1111001 y 1010101 3.278.305.62510 U 3.278.305.625/65.540 =50.019 con 60.361 de resto Divisor de 17 bits resto menor de 17 bits DIVISION LARGA EN MODULO 2 CRC-CCITT X-Modem CRC-16 Modbus-RTU CRC-12 Error de un bits en dos columnas 60.36110 = EBC916 = 11101011110010012 “c” “f” “y” “U” 1110101111001001 Introducción a la transmisión digital de información 3. 3.-- Control del flujo de información: Introducción a la transmisión digital de información Solicitud de Repuesta Automática: ARQ Control de caracteres: ECO XON/XOFF Control de Línea completa (PAQUETE): 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 Campo Campode de datos servicios ETX/ACK Emisor Receptor Time-out: Tiempo de espera para dar por fallida la comunicación 1 1 ACK SOH SOH Número de secuencia de paquete STX Número de secuencia de paquete LEN DATA ETX DATA Valor de comprobación Retries: Cantidad de intentos 2 que realiza el maestro 2 ACK NAQ Valor de comprobación SOH: Start of Header, STX: Start of Text, ETX: End of text 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 Introducción a la transmisión digital de información 4. 4.-- Métodos de acceso al medio Maestro/esclavo Peer–to-peer (Punto a punto) Paso de testigo (Token) CSMA: CD e BA PROTOCOLO MOD-BUS METODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO METODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO CRC AREA DE DATOS DIRECCION CODIGO FUNCION CODIGO FUNCION DIRECCION AREA DE DATOS CRC TRAMA DE PREGUNTA/ RESPUESTA ESCLAVO n MAESTRO TRAMA DE PREGUNTA DIRRECION CODIGO FUNCION 1 byte 1 byte Mod-bus RTU: AREA DE DATOS N bytes CRC 2 bytes TRAMA DE RESPUESTA PLC N.1 PLC N.3 AUTOMATA WinCC Puerto de Comunicaciones MAESTRO PLC N.3 PLC N.1 PLC N. 2 PLC N. 2 AUTOMATA WinCC ESCLAVO n Puerto de Comunicaciones ESCLAVO n MAESTRO Metodo de acceso al medio: PASO DE TESTIGO Peer_to_Peer MODEN MODEN Maestros PC PLC MODEN MODEN PROFIBUS Dispositivos de campo (Esclavos) MODEN Introducción a la transmisión digital de información Metodo de acceso al medio: medio: CSMA Carrier sense multiple access Introducción a la transmisión digital de información Metodo de acceso al medio: medio CSMA Carrier sense multiple access BA: Bitwise Arbitration CD: Collision detection • se transmite cuando el bus está desocupado • si hay colisión, se repite la tentativa después de un tiempo aleatorio. • ejemplo: Ethernet • 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 I/O 4 I/O 1 I/O 2 I/O 3 Introducción a la transmisión digital de información 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 5. 5.-- Modelos de comunicación ¿Qué modelos de PROTOCOLO existen en el mercado? ¿Cuáles son sus diferencias? 1.- MODELO ORIGEN/DESTINO ORIGEN DESTINO DATOS ¿Qué modelos de PROTOCOLOS existen en el mercado? ¿Cuáles son sus diferencias? 2.- MODELO PRODUCTOR/CONSUMIDOR CRC IDENTIFICADOR Maestro/esclavo Entre iguales: Peer-to-peer (punto a punto) Paso de testigo CRC Los mensajes son identificados por su contenido - Jerarquías: DATOS 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 Introducción a la transmisión digital de información ¿QUÉ ES UN PROTOCOLO ? 5. 5.-- Concepto de Bus de Campo • 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 • Bus de comunicación. Control de errores Método de acceso al medio • Bus de campo. En un protocolo hay: - Cooperación - Acuerdo previo Metafísicamente “HANDSHAKING” apretón de manos Introducción a la transmisión digital de información Introducción a la transmisión digital de información ¿QUÉ ES UN BUS DE COMUNICACION ? ¿QUÉ ES UN BUS DE CAMPO ? DEFINICIÓN DE BUS: Línea de comunicación entre dos o más elementos que procesan información. Protocolos y líneas de comunicación usadas en las aplicaciones industriales 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) 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 ¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro? ¿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. fieldbuses Sensorbuses • • • • • ASI CANbus LonWorks Seriplex Sensoplex • • • • • CANbus DeviceNet SDS InterBus-S LonWorks • • • • IEC 61158 PROFIBUS WorldFIP ModBus Ethernet ® WorldFIP LONWORKS ® ControlNET Modbus ® Interbus Process, Factory Process, Factory Building Automation Process, Factory Typical Applications Process, Data Typical Applications Process, Smart, Building, Factory Automation Process, Building, Factory Automation Data Rate bits/s 5M Typ1.2K - 115.2K 500K 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 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 Media Access Method CSMA/CD Bus Arbiter Access Predictive Media Co-ax Twisted Pair, Radio, Fibre-Optic Co-ax, Twisted Pair, Radio, Fibre-Optic 400 per segment 256 per network 32,768 per domain Max. No. of Addressable Nodes 99 per link 247 per network 256 Stations Media Supported Deterministic *1 Yes No Yes Max. No. of Addressable Nodes 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 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 DP FMS PA Typical Applications Process, Building, Factory, Vehicle Automation Smart Instrumentation Process, Building, Factory Automation Typical Applications Process, Factory Process, Factory Process, Smart Data Rate bits/s To 1M 1200 167K Data Rate bits/s To 1.5M and 12M 500K 31.25K Communication Technique Producer/Consumer, Peer to Peer Master/Slave Master/Slave Communication Technique Master/Slave, Peer to Peer Master/Slave, Peer to Peer Master/Slave, Peer to Peer Media Access Method CSMA/CD/NDA None Cyclic polling Media Access Method Token Passing Token Passing Token Passing Media Supported Twisted Pair, Fibre-Optic Twisted Pair Twisted Pair Media Supported Twisted Pair Twisted Pair Twisted Pair 127 per network 127 per network 2^11, or 2^29 in extended address mode 15 per loop 31 per network Max. No. of Addressable Nodes 127 per network Max. No. of Addressable Nodes Deterministic *1 No No No Deterministic *1 No No Yes Intrinsically Safe No No Yes Intrinsically Safe No Yes No Bus Powered? No No Yes Bus Powered? No Yes Yes ASICs *2 Available Yes Yes Yes ASICs *2 Available Yes Yes, partial Yes Physical Layer Standard RS485 RS485 IEC/ISA/FF IEC 1158-2 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 EN 50170(Part 2) DIN 19245 EN 50 254 EN 50170(Part 2) DIN 19245 DIN 19245 Applicable Standards Profibus ¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro? 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. Sensorbuses • • • • • ASI CANbus LonWorks Seriplex Sensoplex 2.- Comparar estas necesidades con las características de los fieldbuses disponibles. fieldbuses • • • • • CANbus DeviceNet SDS InterBus-S LonWorks • • • • IEC 61158 PROFIBUS WorldFIP ModBus Tríos interesantes Interbus-s, CAN/DeviceNet y Hart. 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? Topología de la red ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA Ethernet Industrial, Profibus y Asi. - 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. Para adaptarse a los diferentes requisitos, se pueden combinar diversas redes de comunicación. La arquitectura de una red engloba : La topología. El método de acceso al cable. Protocolos de comunicaciones