CAPÍTULO 2. BUSES DE CAMPO Y DOMÓTICA

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1 CAPÍTULO 2. BUSES DE CAMPO Y DOMÓTICA 2.1 ASPECTOS GENERALES DE LOS BUSES DE CAMPO Un bus de campo es un sistema de trasmisión de información que simplifica la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales. Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores y sensores. Los buses de campo deben ser capaces de hacer frente a los problemas que plantea la industria: - Control integrado en diferentes niveles de información y diferentes procesos en una misma planta. - Cantidad elevada de sensores y actuadores. - Distancia de control de mando superior a varias decenas de metros. Los buses de campo se están reemplazando progresivamente los sistemas de control aislados y centralizados por redes de control distribuido con las que mejorar la calidad del producto, reducir costes y mejorar la eficiencia[2]. La propia definición de control distribuido exige que los dispositivos interconectados tengan cierta capacidad de proceso de modo que parte de las tareas queden delegadas en los diferentes nodos de la red, esto los convierte en dispositivos inteligentes. Antes de la aparición de los buses de campo la técnica de comunicación que dominaba en la industria era el lazo de corriente de 4-20 ma, que aunque ofrece un medio con alto grado de inmunidad sólo podía proporcionar un circuito conmutado de 20 ma full duplex con una velocidad de 9600 bps y alcanzando una distancia de 300 metros. A pesar de que se intentó hacer del lazo de corriente un estándar, lo cierto es que cada fabricante introdujo diferentes niveles de señal. Frente a las limitaciones del lazo de corriente, los buses de campo nos ofrecen mayores prestaciones. A continuación se enumeran las ventajas que supone utilizar buses de campo: - Reducción del cableado. Habitualmente en la industria los autómatas se conectan a varios sensores y actuadores. Si tenemos en cuenta que por cada actuador o sensor hay que instalar al menos dos cables podemos imaginarnos la maraña de cables que se forma a la entrada del controlador y si además tenemos que llevar cada par de cables a un sitio distinto se puede observar que tanto el coste en cableado como el coste en la instalación de los mismos es bastante elevado. Por si fuera poco, si ocurre algún fallo en los cables sería difícil detectar en cuál ha ocurrido porque tendríamos que comprobarlos uno por uno. Los buses de campo usan muy pocas líneas, algunos sólo dos. Como se puede observar, la reducción en costes de cableado e instalación es evidente, además en caso de rotura del cable sería más fácil de detectar ya que sólo tenemos que comprobar un cable, el del bus de campo. - Información digital. El hecho de que la información que circula por el bus sea digital aporta más precisión al sistema y una mayor inmunidad ante el ruido que un sistema analógico.

2 - Protección contra ruido. Muchos de estos buses vienen preparados para funcionar en medio de fuertes campos electromagnéticos mediante la utilización de cables apantallados. Además algunos poseen medidas adicionales para poder operar en atmósferas potencialmente explosivas. Todo esto convierte a los buses de campo en sistemas idóneos para trabajar en ambientes hostiles pudiendo extender de esta manera el abanico de aplicaciones donde pueden ser utilizados. - Facilidad de mantenimiento y autodiagnóstico. Al simplificar el cableado se pueden realizar funciones de mantenimiento preventivo y predictivo, de una forma más fiable y actualizada. El hecho de que los elementos que se conectan al bus sean dispositivos inteligentes hace que podamos asignarles tareas de autodiagnóstico que permitan ahorrarnos tiempo y dinero a la hora de detectar y reparar averías. - Mayor velocidad. La velocidad de comunicación puede ser un elemento crítico ya que tiene que dar tiempo a que el controlador pueda actualizar todas sus entradas sin que el programa en ejecución pierda ninguna variación por lo que el tiempo de comunicación en todos los dispositivos no debería ser superior a 7ms. Como consecuencia habría que incrementar la velocidad de transmisión por encima de los 750 Kbps. Los buses de campo pueden ofrecer estas velocidades. - Mayor longitud. Las tecnologías empleadas en los buses de campo permiten aumentar las distancias respecto al lazo de corriente, más allá de los 500m. Además pueden integrarse en redes jerárquicas con pasarelas entre medios físicos pudiendo cubrir un área extensa. - Ampliable. La inclusión de nuevos elementos en el sistema es mucho más fácil ya que sólo habrá que hacer la conexión al bus mediante un conector en T o un conector-derivador en el punto del bus más cercano al sensor/actuador en cuestión. - Simplicidad. Para utilizar los buses de campo sólo se hacen uso de las capas física, de enlace y aplicación, lo cual simplifica el trabajo del diseñador y del usuario, ya que este último prácticamente sólo debería ocuparse de la capa física y la capa de usuario. 2.2 COMPARATIVA El bus de campo que fue finalmente escogido para elaborar el sistema domótico descrito en el capítulo 3 es CAN. De la especificación de CAN se pueden extraer dos características fundamentales: - Acceso por contienda con arbitraje de bits. Posee las ventajas de un bus de acceso por contienda sin desperdiciar tiempo en caso de colisión de tramas, ya que el arbitraje de bits resuelve el conflicto a favor de un único nodo sin destruir la información transmitida por éste. - Comunicación punto a multipunto. En CAN, los identificadores no son direcciones de nodos particulares, sino que expresan el tipo de contenido de la trama. Esto junto con las estructuras de buzones dentro de los nodos CAN hacen posible que un único mensaje transmitido al bus pueda ser recogido por varios nodos simultáneamente. Además, los mensajes son filtrados por hardware, lo que evita tener que implementar algoritmos de selección. 4

3 De la primera característica se deriva la posibilidad de establecer prioridades a los mensajes según su identificador y la ventaja de tener un bus con un alto rendimiento pudiendo conseguir velocidades de transmisión altas (hasta 1Mbps). De la segunda característica se deriva la posibilidad de establecer una comunicación mucho más efectiva en entornos en los que varios elementos necesitan compartir cierta información entre sí, como es el caso de la domótica. Esto ha propiciado el desarrollo de una arquitectura de protocolos sobre la cual se asienta el modelo de sistema domótico expuesto en el capítulo 3, y que aprovecha precisamente esta característica. Dentro de los buses de campo industriales, CAN se muestra como el más versátil, razón que impulsó a descartar otros buses como PROFIBUS o Ethernet. PROFIBUS está muy orientado a las aplicaciones industriales y aunque es bastante robusto es también más complejo, mientras que CAN a pesar de ser más sencillo, es capaz de ofrecer el servicio de comunicación que demandan las aplicaciones de domótica con una buena calidad y mucho más flexible, ya que se adapta bien a casi cualquier aplicación, no sólo a las de carácter industrial. Ethernet está más orientado a la transmisión de datos en redes de área local, y aunque ofrece una comunicación de banda ancha (del orden de 100Mbps), en aplicaciones de domótica no es necesario un ancho de banda tan grande. Por otra parte, Ethernet sólo ofrece comunicación punto a punto o por difusión a todos los nodos de la red, mientras que en este aspecto, CAN se muestra claramente superior. En cuanto a los buses de campo utilizados en domótica hay que decir que existen buses con prestaciones superiores a CAN en este ámbito, pero también hay muchos con prestaciones inferiores. Habría sido más sencillo escoger directamente un bus de campo de este tipo pero se ha creído más conveniente utilizar CAN por la siguiente razón: El objetivo de este proyecto es el de dar a conocer las ventajas de la utilización de buses de campo y demostrar con un ejemplo práctico que estos buses se pueden aplicar como solución de comunicación a problemas reales. Por éste y otros motivos se ha preferido diseñar una solución propia, que aunque implica un mayor esfuerzo, es mucho más enriquecedora en cuanto a conocimientos adquiridos. A continuación se detallan las razones adicionales que motivaron al descarte de otros buses: X10 a pesar de su facilidad de instalación (utiliza la red eléctrica y no necesita cableado adicional), está muy limitado en prestaciones y ofrece una velocidad de transmisión muy pobre. EHS mejora en cierto modo X10 pero sigue teniendo una velocidad de transmisión muy baja y fue también descartado. Aunque es cierto que BatiBUS ofrece algunas de las ventajas más importantes de CAN, su velocidad también es muy baja y fue descartado. LONWorks sí ofrece redes domóticas más robustas y estructuradas. El problema es que no es un estándar abierto y sobre todo que las redes LONWorks son complejas y caras, razón por la cual este bus sólo ha tenido éxito en redes domóticas para grandes edificios y hoteles. En el ámbito del hogar CAN puede ofrecer una solución más barata y sencilla con unas prestaciones similares. 5

4 2.3 PROFIBUS INTRODUCCIÓN Profibus es un bus industrial abierto independiente de fabricantes que sigue los estándares europeos EN y EN que aseguran tal condición. La organización que vela por este bus de campo es Profibus internacional (PI). Dentro de esta organización se encuentran inscritos más de 800 participantes de todo el mundo. Este es un bus que define todas las características de una red de comunicación serie industrial. Se utiliza como medio de intercambio de información entre dispositivos distribuidos en campo. Actualmente, más de 150 compañías de alta reputación han reconocido las ventajas de PROFIBUS y se han unido al PNO (PROFIBUS User Organization) o a alguna organización nacional afiliada. El PNO representa los intereses de fabricantes y usuarios, coordinando el mantenimiento y los desarrollos en el avance de la normativa PROFIBUS. PROFIBUS se caracteriza por su funcionalidad y amplio campo de adaptación dentro de la industria. Este campo abarca desde el nivel de sensores y actuadores hasta el nivel de celdas. Usa la misma técnica de transmisión y el mismo protocolo de acceso al bus con funciones de aplicación diferenciadas. Esto permite una reducción significativa de esfuerzo en la instalación, mantenimiento y entrenamiento. El rango de productos PROFIBUS se está extendiendo continuamente. Un sumario de los productos y servicios disponibles en el mercado se puede localizar en la guía de productos electrónicos PROFIBUS, que puede ser obtenida del PNO. La comunicación en un sistema industrial se puede dar a tres niveles, de forma separada o conjunta: 1) Nivel de actuador/sensor. Las señales binarias de los sensores y actuadores son transmitidas a través del bus de estos dispositivos de manera cíclica al maestro de la red. Para este nivel se suele utilizar ASInterface. 2) Nivel de campo. Este nivel conecta a todos los periféricos tales como módulos E/S, transductores de señal con el sistema de automatización por una comunicación en tiempo real. En este nivel los datos son también enviados de forma síncrona mientras que las alarmas, los parámetros y los datos de diagnóstico de la comunicación son enviados de forma asíncrona en momentos puntuales. Para este nivel PROFIBUS ofrece una solución transparente y especialmente preparada para procesos de automatización. 3) Nivel de célula. Los controladores programables tales como los PLC y los IPC se comunican unos con otros en este nivel mediante grandes paquetes y potentes funciones de comunicación, pudiendo estar esta capa integrada en el sistema de comunicaciones interno de una compañía mediante Internet, intranet, mediante los protocolos más usuales TCP/IP y Ethernet. 6

5 Fig 2.1. Esquema de comunicación industrial con Profibus En resumen, el uso más habitual de Profibus es la interconexión de diferentes dispositivos de distintos fabricantes sin unas especiales exigencias, pudiendo ser utilizado para aplicaciones donde el tiempo del bus sea crítico y con los objetivos de comunicación complejos CARACTERÍSTICAS GENERALES Este bus se basa en la comunicación controlada entre maestro-esclavo. Definimos de manera particular estos dispositivos como: - Dispositivos maestros (Master Devices). Entre estas estaciones activas rota un permiso de acceso y control que les permite enviar mensajes sin necesidad de petición. - Dispositivos secundarios (Slaves Devices). Periféricos asignados a los maestros. Consisten en una serie de dispositivos lo suficientemente inteligentes como para seguir las normas del protocolo. Entre ellos podemos encontrar: sensores, actuadores tipo relé, convertidores de frecuencia, electroválvula, etc. Su papel es pasivo, pudiendo sólo transmitir cuando se les ha realizado una petición previa. Suelen ocupar poco tiempo de comunicación pero son muy numerosos. Los datos que se desplazan por el canal físico son de 5 tipos diferentes: - Datos de entrada y de salida al proceso. - Funciones de diagnostico y verificación. - Configuración de dispositivos. - Programas entre los controladores. - Parámetros de control. Se podría decir que las principales características de Profibus son: 7

6 - Abierto. Profibus no pertenece a ninguna compañía, está controlado por un comité de estandarización. Por lo tanto, permite la comunicación entre equipos de diferentes marcas sin la necesidad de una pasarela de protocolo. - Exactitud, gracias al reconocimiento de comandos y mensajes, Profibus es un sistema de comunicación altamente seguro puesto que los mensajes defectuosos son repetidos hasta que la confirmación de recepción es enviada. - Multi-funcional, Profibus se adapta a todas las tareas de automatización, permitiendo el intercambio de datos entre controladores y entre elementos de campo. - Capacidad de diagnóstico. El estándar Profibus define múltiples formas de diagnósticos entre el sistema de control de procesos y los dispositivos de campo. - Expansión del sistema. Un equipo adicional puede ser incorporado en cualquier momento al bus sin necesidad de reformar la estructura, incluso sin enturbiar la comunicación existente PERFILES Profibus ofrece protocolos de comunicaciones según la aplicación tanto para alta velocidad como para gran cantidad de elementos direccionables, caso de los sensores y actuadores, tanto para buses con largos tiempos de respuesta como para aplicaciones de comunicación compleja. Los tres perfiles compatibles que ofrece Profibus son: - Profibus-DP (Descentralized Periphery), para el control distribuido. Diseñado para la comunicación entre sistemas de control automático y entradas y salidas distribuidas o remotas en campo. Ofrece la funcionalidad de intercambiar datos de forma rápida y cíclica. Su principal ventaja es que es plug and play, en cuanto a que se permite la identificación automática de los dispositivos. - Profibus-PA (Processs Automation), automatización de procesos. Permite que tanto sensores como actuadores sean conectados en una línea de bus. Su aplicación está definida en procesos situados en áreas de seguridad intrínseca, denominadas Ex, y está regido según el estándar internacional IEC , especialmente indicado para las actividades petroleras y químicas. - Profibus-FMS (Field Message Specification), especificación de los mensajes en el bus de campo. Se trata de una serie de tareas de comunicación, de propósito general, en el nivel de comunicaciones de célula. Es el más alto nivel de comunicaciones que aborda este bus, y permite la coordinación de gran cantidad de aplicaciones de comunicación: buses de ordenadores industriales, robots, En Profibus-FMS se realiza la comunicación entre los dispositivos principales. Desarrollo cronológico de los diferentes perfiles: 8

7 FMS DP PA PA plus DPV1 Fig Desarrollo cronológico de los perfiles de Profibus ARQUITECTURA DE PROTOCOLOS La arquitectura de protocolos de Profibus se basa en el modelo de referencia OSI, de acuerdo con el estandar ISO Fig Arquitectura de protocolos basada en el modelo OSI Profibus-DP define las capas física y de enlace, así como el interfaz de usuario. Las capas 3 a 7 no están definidas. El DDLM (Direct Data Link Mapper) proporciona un interfaz de usuario sencillo para el acceso a la capa 2. Como medio físico se usa la tecnología RS-485, fibra óptica o ambas. En Profibus-FMS se definen las capas físicas, de enlace y de aplicación. La capa de aplicación consiste en el FMS (Fieldbus Message Specification) y el LLI (Lower Layer Interface). FMS contiene el protocolo de aplicación y proporciona al usuario un amplio conjunto de servicios. LLI permite proporcionar a FMS una interfaz independiente del dispositivo con la capa de enlace. 9

8 Dicha capa implementa el protocolo de acceso al bus y la seguridad de datos. Como medio físico se emplea RS-485, fibra óptica o ambas. Profibus-PA utiliza el protocolo de Profibus-DP y le añade como característica particular la definición de los perfiles de dispositivo. Como medio de transmisión utiliza el estándar IEC , lo que le permite su utilización en zonas de seguridad intrínseca. Mediante un dispositivo puente es fácil acoplar redes Profibus-DP con redes Profibus-PA. Por su parte, Profibus-DP y Profibus-FMS usan las mismas tecnologías de transmisión y protocolo uniforme de acceso al medio, por ello, ambas pueden operar simultáneamente sobre el mismo cableado MEDIOS FÍSICOS DE TRANSMISIÓN DE DATOS El área de aplicación de los sistemas de bus de campo está determinada por la tecnología disponible para el nivel físico. Igual que las demandas generales del sistema han llevado a éste a una arquitectura en bus, hacen falta satisfacer también características específicas a este nivel como son funcionamiento en ambientes agresivos, transmisión de datos y potencia en el mismo cable, etc. Actualmente existen tres métodos de transmisión: - RS-485: Medio de transmisión para aplicaciones generales de automatización en cadenas de montaje y fabricación. - IEC : Medio de transmisión para uso en procesos de automatización. - Fibra óptica: Medio de transmisión caracterizado por presentar inmunidad a interferencias y capacidad de salvar enlaces de largas distancias. Los desarrollos futuros intentarán usar Ethernet comercial como nivel físico para Profibus. Es posible utilizar acopladores para enlaces entre los diferentes métodos de transmisión RS-485 Es la tecnología de transmisión más usada por Profibus. Se utiliza en aplicaciones donde se necesita alta velocidad de transmisión y simplicidad de instalación. Utiliza un par trenzado de cobre apantallado. Características principales: - Topologías: Bus lineal, con distintos segmentos y terminadores activos en ambos extremos. También puede confeccionarse la red en árbol, generalización del bus. Por medio de repetidores se pueden conseguir diferentes segmentos del bus. - Cable: Par trenzado apantallado, de cobre con diferentes recubrimientos según el ambiente. 10

9 Fig Cable par trenzado apantallado para enlace Profibus - Velocidad de transmisión: Entre 9.6K 12M, según la distancia que haya que cubrir. Dado que la velocidad es única en el bus, un dispositivo principal suele marcarla y el resto se debe configurar a la misma. Tasa de bit (kbit/sec) Enlace de 1200 m 1200 m 1200 m 1000 m 400 m 200 m Tabla 2.1. Velocidades permitidas con RS-485 según la longitud del enlace - Distancia de transmisión sin repetidor hasta 1200 metros. - El número de estaciones máximo sin repetidores es 32, con repetidores se puede llegar hasta 127. La estructura del bus permite la expansión de la red. Sólo hay que insertar un nuevo dispositivo, mediante un derivador de línea, y, si está en el extremo, conectar el terminal o conmutador terminador de línea. - Conectores de diferentes tipos. El que recomienda la norma es el sub-d de 9 pines. Todos los dispositivos irán conectados al bus mediante derivadores, que recibirán un cable en la entrada (IN) y permitirán la continuidad de la línea por la salida (OUT). Si el dispositivo es final de línea, ésta morirá en él. Los derivadores tendrán integrada las resistencias adecuadas en caso de terminar o no la línea. Una representación del conexionado por RS-485 es: EA T EA T EP T R EP T EP T T R EP EA T Fig Esquema de un posible conexionado por RS-485 T T 11

10 En el esquema, EA son las estaciones que hacen de maestros, mientras que las EP son las estaciones que hacen de esclavos, T son los derivadores con y sin terminal de línea, R es un repetidor de RS-485, y la línea negra que conecta los diferentes equipos es par trenzado. Al conectar una estación al bus se debe asegurar el no conectar el cableado de datos al revés. El uso de una línea de datos apantallada es de absoluta necesidad para lograr un sistema inmune al ruido electromagnético. La pantalla debe estar conectada a la masa a ambos lados del cable, incluso se debe proteger las líneas de datos de los cables de alta tensión. El 90 % de los problemas ocurridos en una red Profibus son atribuidos a un incorrecto cableado e instalación; estos problemas pueden ser solventados usando comprobadores de buses que pueden detectar la mayoría de estos problemas FIBRA ÓPTICA La red de fibra óptica en Profibus es la opción para grandes distancias de transmisión o para los ambientes industriales más afectados por las interferencias electromagnéticas. A menudo se utiliza una red mixta con elementos eléctricos y ópticos. La red de dispositivos ópticos consiste en: - Módulos de enlace óptico. Estos módulos configuran un enlace óptico, junto con las fibras ópticas. De estos módulos se obtiene además una salida eléctrica para conectar a las estaciones participantes en la red. - Elementos de conexión de los que cuelgan otras estaciones. Tienen entrada y salida óptica. Algunos fabricantes ofrecen conexión directa a la red óptica sin necesidad de pasar a red eléctrica. La topología de una red óptica podría ser: Fig Posible topología de una red óptica. En el esquema EO, es el enlace óptico, siendo de nuevo T el terminador de línea, EA el terminal maestro y EP el terminal esclavo, la línea azul gruesa representa un canal de fibra doble, mientras que la línea a trazos es un canal de fibra simple. Las características generales de las redes ópticas en Profibus son: - Topología: permite crear una red en bus lineal, anillo y estrella. - Cable: fibra óptica de plástico para la longitud de onda de 660 nm. Si es vidrio puede emplearse una longitud de onda de 800 a 1500 nm. Además, se tendrá en 12

11 cuenta si el cable deber ser instalado en el interior o exterior, al igual que el cable eléctrico, para seleccionar la resistencia del cable. - Las distancias de transmisión pueden llegar a ser hasta de 10 y 15 km. - El número máximo de estaciones es de 127. La expansión de la red se complica. Deben coexistir sistemas eléctricos y ópticos. Aparecen conectores de fibra, adaptadores fibra-rs485, conectores de par de fibra (uno para transmitir y otro para recibir). Los dispositivos de enlace ópticos disponen de conexiones ópticas y también de cable de bus. Por lo general, los dispositivos de enlace óptico incorporan funcionalidades como la detección del estado de enlace, sincronización a la velocidad de transmisión del enlace, funciones de repetidor de señal óptica, etc IEC Este método de transmisión, con una tasa de transferencia de Kbit/s, es usada en procesos de automatización en industrias químicas y petroquímicas, en zonas potencialmente explosivas, debido a la seguridad intrínseca que ofrecen las dos líneas de alimentación por las que se transmiten los datos y se suministra corriente. Los principios de este estándar son definidos como el modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe COncept). Éste fue desarrollado en Alemania por el PTB (Instituto federal de física técnica) y hoy es internacionalmente reconocido como el modelo básico de cableado para buses de campo en zonas peligrosas. El FISCO está basado en: - Cada segmento tiene sólo una fuente de alimentación. - Cuando alguna estación está enviando tramas no hay alimentación en el bus. - Cada dispositivo de campo consume un nivel de corriente constante mientras funciona, no menos de 10 ma, actuando como un sumidero pasivo de corriente. - En los dos extremos del bus se colocan terminadores de línea. - Sólo están permitidos topologías lineales, en árbol y en estrella. Para trabajar en zonas peligrosas es necesario que todos los componentes usados hayan sido aprobados y certificados de acuerdo al modelo FISCO y al IEC por agencias autorizadas como PTB, BVS (Alemania), UL, FM (USA) PROTOCOLO DE ACCESO AL MEDIO. NIVEL DE ENLACE Las tres variaciones de Profibus usan el mismo control de acceso al medio, incluyendo los aspectos relacionados con la seguridad de los datos y el manejo de los protocolos de transmisión y los telegramas. En Profibus, la capa 2 se denomina FDL (Fieldbus Data Link). El MAC es determinista, de modo que sólo una estación tiene derecho a transmitir en cada momento. En particular ha sido diseñado para cumplir: - En las comunicaciones entre sistemas activos (maestros), encargados de tareas de control complejas, debe asegurarse que cada estación tenga suficiente tiempo para ejecutar sus tareas de comunicación dentro de un intervalo de tiempo definido. - Las tareas de comunicación cíclicas se implementarán de la forma más sencilla posible para permitir la comunicación entre un maestro y uno o varios esclavos. 13

12 Por tanto, el control de acceso al medio de Profibus incluye un sistema de paso de testigo en bus (Token-bus) entre los maestros, junto con un sistema de consulta maestro-esclavo para la comunicación entre cada maestro y su periferia. Fig Nivel de enlace. Configuración maestro/esclavo El mecanismo de paso de testigo garantiza el derecho a acceder al bus de cada maestro durante un determinado periodo de tiempo. El paso de testigo es un telegrama especial que permite la cesión al nodo que lo recibe, el derecho a acceder al bus. El testigo sigue una secuencia según anillo lógico, con un tiempo máximo predeterminado para la rotación completa del testigo. La comunicación maestro-esclavo permite que el maestro que posee el testigo en un instante determinado se comunique con los esclavos que dependen de él. El maestro puede enviar mensajes a los esclavos y leer las contestaciones de éstos. De esta forma, es posible tener un sistema con un único maestro y múltiples esclavos, un sistema formado sólo por estaciones activas o un sistema híbrido. La capa de enlace también es la encargada de la seguridad de los datos. Todos los telegramas tienen distancia de Hamming 4, debido al uso de delimitadores de comienzo y fin de trama especiales, así como un bit de paridad para cada byte según se define en el estándar IEC El modo de funcionamiento es sin conexión. Permite tanto el direccionamiento unicast como direcciones multicast y broadcast. Bits de Delimitador de Profibus SDU Delimitador de establecimiento inicio (Unidad de datos de servicio) terminación De 1 a 8 bytes 1 byte De 1 a 256 bytes 1 byte Tabla 2.2 Formato de la trama del nivel físico de Profibus PROFIBUS DP PROFIBUS DP está diseñado para alta velocidad de transferencia de datos en el nivel de sensores y actuadores. En este nivel, los controladores tales como los PLC's intercambian datos 14

13 a través de un enlace rápido serie con sus dispositivos periféricos. El intercambio de datos con estos periféricos es principalmente cíclico. El controlador central (maestro) lee la información de entrada desde los esclavos y envía de retorno a los mismos la información de salida. Es importante que la duración del ciclo del bus sea menor que la duración del ciclo del programa del controlador, el cual es de aproximadamente de 10 ms en la mayoría de las aplicaciones. Un sumario de las características técnicas de PROFIBUS-DP queda reflejado en la siguiente tabla: Técnica de transmisión: Medio de acceso: Comunicación: Modos de operación: Sincronización: Funcionalidad: PROFIBUS DIN Parte 1. EIA RS485 par de cables trenzados o fibra óptica bits/s hasta 12 Mbits/s. 100 mts a 12 Mbits/s, 900 mts a 1.5 Mbits/s expandible con repetidores Protocolo de acceso al medio híbrido de acuerdo a DIN Parte 2. Soporta sistemas mono-maestro o multi-maestro. Dispositivos maestros y esclavos. Peer to peer (transferencia de data de usuario) o multicast (sincronización). Transferencia de datos de usuario Maestro esclavo cíclico o transferencia de datos maestro maestro acíclico. Operar (Operate): Transferencia cíclica de datos de entrada y salida. Borrar (Clear): Borrado de datos de entrada y salida. Detener (Stop): Solo es posible en funciones maestromaestro. Sincronización de las entradas y/o salidas de todos los esclavos DP. Sync-mode: Las salidas son sincronizadas. Freeze-mode: Las entradas son sincronizadas. Transferencia cíclica de datos entre maestros DP y esclavos DP. Activación o desactivación individual de esclavos DP. Chequeo de la configuración de los esclavos DP. Mecanismos de Autodiagnostico. Sincronización de entradas y salidas. Asignación de direcciones a los esclavos a través del bus. Configuración del maestro DP a través del bus. 246 bytes máximos de entrada / salida de datos por 15

14 esclavo DP (32 bytes típicos). Mecanismos de seguridad y protección: Tipos de dispositivos: Todos los mensajes son enviados con distancia Hamming de HD=4. Watchdog en los esclavos DP. Protección de acceso en las entradas / salidas de los esclavos DP. Monitorización de la transferencia de datos con intervalo de tiempo configurable en el DP-esclavo (DPM1). Dispositivo maestro DP clase 2 (DPM2), por ejemplo dispositivos de configuración y programación. Dispositivo maestro DP clase 1 (DPM1), por ejemplo controladores centrales tales como PLC. Cableado e instalación: Acoplamiento y desacople de estaciones sin afectar a las otras estaciones. Técnica de transmisión de dos conductores probados y de fácil manejo. Tabla 2.3. Características principales de Profibus DP CARACTERÍSTICAS BÁSICAS Una gran terminación no es suficiente para un uso exitoso de un sistema de bus. Mejor dicho, una instalación y servicio sencillo, buenas facilidades de diagnostico y una transmisión libre de errores son necesarias para cumplir con los requerimientos de los usuarios. PROFIBUS- DP combina estos requisitos de una manera óptima. PROFIBUS-DP necesita, aproximadamente, 6 ms a 1.5 Mbits/s para la transmisión de 512 bits de datos de entrada-salida distribuida en 32 estaciones. Esto cumple el requerimiento para un corto tiempo de reacción del sistema. La figura 2.8 muestra el tiempo de transmisión de PROFIBUS-DP, dependiendo del número de estaciones y la velocidad de transmisión. Este considerable incremento de la velocidad en comparación con PROFIBUS-FMS, resulta principalmente del uso del servicio SRD (envío y recepción de datos, send and receive data) de la capa 2. Este servicio permite la transmisión de datos de entrada y salida en un solo ciclo de mensaje. Adicionalmente, la mejora en el desempeño resulta del incremento de la velocidad de transmisión a 12 Mbits/s. 16

15 Fig Tiempo de ciclo de Bus dependiendo de la velocidad de transmisión y del nº de dispositivos esclavos en el sistema DIAGNÓSTICO Las extensas funciones de diagnóstico de PROFIBUS-DP permiten una rápida localización de fallos. Los mensajes de diagnóstico son transmitidos al bus y recogidos por el maestro. Operan en tres niveles: - Diagnóstico relacionado a estaciones: Estos mensajes abarcan estados operacionales generales de todos los dispositivos. Ejemplo: bajo voltaje en el dispositivo. - Diagnóstico relacionado a los módulos: Estos mensajes indican que un fallo se presenta en un rango de I/O específico de una estación. Ejemplo: módulo de 8 bits de salida. - Diagnóstico relacionado a los canales: Estos mensajes muestran que hay un fallo en un bit de entrada o salida (canal). Ejemplo: cortocircuito en el canal de salida número INSTALACIÓN Y SERVICIO La técnica de transmisión RS-485 es muy sencilla de utilizar. Esto permite una enorme flexibilidad en la configuración del sistema. La instalación del par trenzado de cables no requiere destreza. La estructura del bus permite acoplar o desacoplar estaciones sin afectar a las demás estaciones. Adicionalmente, es posible configurar el sistema paso a paso CONFIGURACIÓN DEL SISTEMA Y TIPOS DE DISPOSITIVOS PROFIBUS-DP permite sistemas mono-maestro o multi-maestro. Es posible conectar hasta 126 estaciones (maestros o esclavos) en el mismo bus. La descripción de la configuración del sistema consiste de: el número de estaciones, la asignación entre dirección de estaciones y direcciones de entrada y salida, la consistencia de la trama de datos, formato del mensaje de diagnóstico y los parámetros del bus. 17

16 Cada sistema PROFIBUS-DP contiene diferentes tipos de dispositivos. En una clasificación por aplicación existen tres tipos principales: - DP-maestro clase 1 (DPM1). Este es el controlador central, el cual intercambia información con las estaciones descentralizadas (esclavos DP) en un ciclo de mensaje definido. Los dispositivos típicos son los PLC's, los controles numéricos o los controladores de robots. - DP-maestro clase 2 (DPM2). Este tipo de dispositivos son usados para programación, configuración y diagnóstico. Son utilizados durante la instalación para definir la configuración del sistema. - DP-esclavo A. Los esclavos DP son dispositivos periféricos (sensores, actuadores) que recogen información de entrada y emiten información de salida al periférico. También es posible fabricar dispositivos solamente para entrada o salida de datos. Los dispositivos DP típicos son dispositivos con entradas o salidas binarias de 24 Vdc o 110/220 Vac, entradas o salidas analógicas, contadores, etc. El número de datos de entrada y salida depende del dispositivo y está limitado a un máximo de 246 bytes. Muchos de los esclavos DP disponibles actualmente tienen únicamente un máximo de 32 bytes de entradas y 32 bytes de salidas. En la mayoría de los casos, este límite se debe a razones de implementación. En sistemas mono-maestro, solo un maestro está activo en la fase operativa. La figura 2.9 muestra la estructura de un sistema PROFIBUS-DP mono-maestro. El PLC es el maestro del proceso. Los esclavos DP distribuidos están conectados al PLC a través del bus. Esta configuración provoca la menor duración del ciclo de bus. Fig Sistema DP mono-maestro En configuración multi-maestro, varios maestros DP están activos en el bus, funcionando como subsistemas (cada uno formado por un maestro con sus esclavos asignados) u operando como dispositivos de configuración o diagnóstico. La imagen de entrada y salida puede ser leída por cada maestro. Sólo a un maestro (el cual fue asignado por configuración) se le permite escribir a la salida de un esclavo DP. Los sistemas multimaestro producen un ciclo de bus más largo que los sistemas monomaestro. 18

17 COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA Las especificaciones PROFIBUS-DP incluyen una descripción detallada de comportamiento del sistema. Esto facilita la interoperabilidad de los dispositivos. El comportamiento del sistema es afectado principalmente por el estado de DPM1. El estado puede ser controlado local o remotamente por los dispositivos de configuración. Usualmente, se dan los siguientes estados: - Detenido (Stop). En este estado no ocurre transferencia de datos entre el DPM1 y los esclavos DP. - Limpiar (Clear). El DPM1 lee la información de entrada de los esclavos DP y mantiene a las salidas en su estado de a prueba de fallos. - Operar (Operate). El DPM1 está en estado de transferencia de datos. En una secuencia de mensajes cíclicos, la trama de datos de entrada es leída del esclavo- DP y la trama de datos de salida es escrita en el esclavo-dp. El DPM1 transmite su estado local en un intervalo de tiempo configurable, con un comando multicast, a todos los esclavos DP asignados. La reacción del sistema debido a fallos en la fase de transferencia de datos, por ejemplo, la caída de un esclavo-dp, está determinada por el parámetro de configuración "Autoclear" del DPM1. Si este parámetro es "cierto", el DPM1 lleva las salidas de todos los esclavos-dp asignados a su estatus de fail-safe (a prueba de fallos), lo que significa que no está habilitado para transmitir la trama de datos válida. Después, DPM1 cambia al estado Limpiar. Si "Autoclear" es falso, el DPM1 se mantiene en su estado de Operación incluso en el caso de que se produzca un fallo de esclavo-dp. El usuario puede determinar la reacción del sistema TRANSFERENCIA CÍCLICA DE DATOS La transferencia de datos del usuario entre el DPM1 y sus esclavos DP asignados es ejecutada automáticamente por DPM1 mediante un orden recurrente definido. Durante la configuración del bus del sistema, el usuario define la asignación de esclavos DP a un DPM1 y cuales de estos esclavos DP están incluidos o excluidos del ciclo de mensajes. La interacción entre el DPM1 y sus esclavos DP está estructurada en fases de parametrización, configuración y transferencia de trama de datos. En las fases de parametrización y configuración, cada esclavo DP compara su configuración real con la trama de datos de configuración recibida desde su DPM1. Cuando verifica su configuración, el tipo de dispositivo, formato y longitud de la información así como el número de entradas y salida tienen que ser idénticas. El usuario, en consecuencia tiene una extensa protección contra fallos de configuración mediante estas pruebas. Sólo si estas pruebas concluyen con éxito, el esclavo DP está listo para pasar a la fase de transferencia de datos. La figura 2.10 muestra los principios de transferencia de data de usuario entre el DPM1 y los esclavos DP En adición a la transferencia de tramas de datos de usuario ejecutada automáticamente, es posible enviar datos de usuario de parametrización definidos por los esclavos DP. 19

18 POWER_ON Set_Slave_Address WAIT_PRM Slave_Diagnose Get_Config WAIT_CFG Slave_Diagnose Set_Param, OK Get_Config Check_Config, OK Set_Param, NOT OK Check_Config, NOT OK DATA_EXC Set_Param, OK Check_Config, OK Data_Exchange, OK Fig Funcionamiento de un dispositivo esclavo DP TRANSFERENCIA DE DATOS ENTRE DPM1 Y LOS DISPOSITIVOS DE CONFIGURACIÓN Como complemento a las funciones maestro-esclavo, PROFIBUS DP permite funciones maestro-maestro. Son usadas entre DPM1 y los dispositivos de configuración y programación (DPM2). Principalmente, estas funciones permiten la configuración del DPM1 a través del bus. Además de las facilidades de Upload y Download, la función maestro-maestro permite habilitar o deshabilitar dinámicamente la transferencia de tramas de datos entre DPM1 y los esclavos seleccionados, así como el cambio del modo de operación del DPM MODOS SYNC Y FREEZE En adición a la transferencia cíclica de datos de usuario, el cual es realizado en forma automática por DPM1, es posible enviar datos de comando de control desde un maestro DP a un único esclavo DP, grupo de esclavos o a todas las demás estaciones. Estos comandos son transmitidos como comandos multicast. El uso de estas funciones permite el modo sync o freeze de los esclavos DP. Estos modos permiten la sincronización del manejo de evento de los esclavos DP. Las estaciones seleccionadas entran en modo sync, después de que el maestro envía un comando sync. En este modo, la salida de los esclavos DP seleccionados se congela en su estado actual. Durante los siguientes ciclos de intercambio de datos, los datos de salida son almacenados en el esclavo DP, pero la salida física se mantiene sin cambios. Cuando el esclavo 20

19 DP recibe el siguiente comando sync del maestro, los datos de salida son emitidos al periférico. El usuario puede detener el modo sync con el comando unsync. De la misma manera, el comando freeze habilita el modo freeze de los esclavos DP. Este comando permite congelar las entradas a su valor presente. Los datos de entrada se actualizan después de recibir el siguiente comando freeze. El usuario puede detener el modo freeze con el comando unfreeze MECANISMOS DE PROTECCIÓN Debido al rango de aplicación del PROFIBUS DP, es necesario equipar al sistema con una protección efectiva contra fallos de parametrización o fallos en el bus. PROFIBUS DP utiliza mecanismos de control en el maestro DP y en los esclavos DP. Estos son implementados como temporizadores de perros guardianes o Watchdog timers. - En el maestro DP: El DPM1 monitoriza la transferencia de datos de usuario de los esclavos DP con el Data_Control_Timer (temporizado de control de trama de datos). Para cada esclavo DP se utiliza un temporizado de control individual. Este temporizador expira si dentro de un intervalo de control de datos, no ocurre una transferencia de datos de usuario con éxito, en cuyo caso, el usuario sería informado del fallo. Si el error de reacción automática ha sido habilitado (Auto_clear = true), el DPM1 abandona el estado de operación (operate), cambia las salidas de todos los esclavos DP asignados a su condición de fail-safe y los cambia a su estado de Limpieza (Clear). - En los esclavos DP: El esclavo DP usa el temporizador Watchdog para detectar fallos del DPM1 asignado o del bus. Si un esclavo DP reconoce que no ocurre una transferencia de datos de usuario con éxito con DPM1 dentro del intervalo del temporizador Watchdog, cambia las salidas a su condición de fail-safe. Para garantizar la operación segura en sistemas multimaestro, es necesario realizar una protección de acceso para las entradas y las salidas de los esclavos DP. Esta protección asegura que solo será posible el acceso directo de las entradas y salidas desde el DPM1 asignado. Para todos los otros mensajes maestros DP, los esclavos DP ofrecen una imagen de las entradas y salidas, la cual puede ser leída por cualquier otro maestro DP sin derecho de acceso LA BASE DE DATOS DE DISPOSITIVOS Las características principales de cada esclavo DP y cada DPM1 tienen que ser documentada por el fabricante y ser entregada al usuario del dispositivo en forma de una hoja de datos del dispositivo y un archivo de base de datos. La estructura, contenido y codificación de esta información está estandarizada. Lo que permite una configuración conveniente de cualquier esclavo DP con dispositivos de configuración de cualquier fabricante. El PNO administra esta información, independientemente del fabricante, y ofrece la misma a requerimiento. 21

20 Fig Archivo GSD. Base de datos de dispositivos Profibus DP NÚMERO DE IDENTIFICACIÓN Cada tipo de esclavo DP tiene que tener un número de identificación individual. Este número es necesario para permitir al DPM1 identificar el tipo de esclavo DP conectado sin un significativo gasto en protocolo. El DPM1 compara el número de identificación de cada esclavo DP conectado con el número de identificación de los datos de configuración determinado por la configuración del dispositivo. La transferencia de datos de usuario en la fase de operación del sistema solamente empezará cuando el esclavo DP correcto esté conectado en el bus con la dirección de estación adecuada. Esto asegura una alta protección contra fallos de parametrización. El fabricante es requerido por el PNO para aplicar un número de identificación individual para cada tipo de esclavo DP. El PNO administra los números de identificación junto a la información de la base de datos del dispositivo. 22

21 2.4 CAN (CONTROLLER AREA NETWORK) INTRODUCCIÓN Controller Area Network (CAN) es un protocolo de comunicación serie que soporta eficientemente el control distribuido en tiempo real con un alto nivel de seguridad. El aumento de la complejidad de los sistemas electrónicos para automoción y la exigencia de mayor seguridad y confort por parte de los usuarios motivaron a Bosch a diseñar un bus de campo que diera solución a estas necesidades. CAN ha sido estandarizado internacionalmente de manera que numerosos fabricantes de semiconductores han desarrollado circuitos integrados basados en este estándar. El ejemplo más habitual de aplicación del bus CAN es el ABS, que requiere la actuación conjunta de las revoluciones del motor y del carburador para reducir el par cuando una rueda motriz patina. Pero aunque inicialmente fue utilizado para la automoción, sus características le permiten adaptarse a un amplio rango de aplicaciones, desde redes de alta velocidad hasta cableado de bajo coste para múltiples elementos, pudiendo controlar máquinas, sensores, etc. con velocidades de hasta 1 Mbit/s. De acuerdo con el modelo OSI, CAN se subdivide en capas, de las cuales el estándar define las dos primeras, capa física y capa de enlace. No existen los niveles del 3 al 6 puesto que se pasa directamente a la capa de aplicación desde la de enlace. Una peculiaridad de CAN es que las capas de enlace y aplicación no están totalmente separadas sino que guardan un cierto vínculo que quedará patente cuando se muestre la estructura de tramas del nivel de enlace. Existen dos partes dentro de la especificación CAN 2.0[3], la A y la B, y aunque utilicen diferentes nombres para las subcapas del nivel de enlace, su misión es la misma. Básicamente la única diferencia que existe entre CAN 2.0 A y CAN 2.0 B es que la parte A utiliza identificadores de 11 bits, compatible con anteriores versiones de CAN, mientras que B utiliza identificadores de 29 bits. Por lo demás, el funcionamiento es el mismo. NIVEL CAN 2.0 A CAN 2.0 B Aplicación (Protocolo específico) (Protocolo específico) Presentación Sesión Transporte Red Enlace CAN Object layer LLC CAN Transfer layer MAC Físico ISO ISO Fig Torre de protocolos en aplicaciones CAN Antes de entrar en detalle es conveniente citar las dos características más importantes de CAN, clave esencial para comprender las enormes ventajas que trae consigo utilizar este bus: - Los identificadores no son direcciones de nodos concretos, sino que expresan el contenido del mensaje. Por ejemplo: podríamos asignar un identificador para los datos de temperatura, otro para los de velocidad, etc. De esta manera se pueden 23

22 establecer comunicaciones punto a multipunto ya que sólo los nodos a los que interese el mensaje lo recibirán. - El tipo de acceso al medio es basado en contienda pero con la particularidad de que no se desperdicia tiempo, debido a que las colisiones se resuelven mediante un arbitraje de bits en el que gana el nodo con más prioridad sin que esto suponga la modificación de ninguno de los bits que este nodo ha transmitido. Esto es algo parecido a lo que ocurre en un canal D de un acceso RDSI NIVEL FÍSICO El nivel físico de CAN está estandarizado por el ISO (International Organization for Standardization) en la norma ISO 11898[4]. La transmisión puede efectuarse de dos formas, la primera es a través de una sola línea, siempre que todos los nodos tengan una referencia de tierra común y los niveles de tensión estarían referidos a tierra. La segunda es a través de dos hilos en modo diferencial. Nos centraremos en esta última forma puesto que es la que regula el estándar ISO En la figura 2.13 se muestra la disposición típica del bus CAN. En ella podemos observar que el bus está formado por dos líneas, CANH Y CANL, dentro de un cable, que puede estar apantallado o no, por tanto pueden ser utilizados cables UTP (Unshielded twisted pair) y STP (Shielded twisted pair). Es importante reseñar que el bus debe estar terminado en los extremos con resistencias de terminación de 120 Ohmios. Además no es conveniente incluir las resistencias de terminación en los nodos que están colocados en los extremos puesto que si estos nodos son retirados, el bus se quedará sin terminación y se pueden dar reflexiones que imposibiliten una correcta comunicación. CANH CANL Terminador Terminador Transceiver TX RX Controlador (digital) Transceiver TX Controlador (digital) RX Nodo 1 Nodo n Fig Esquema de conexión de los nodos al bus CAN El bus está en estado recesivo cuando todos los transmisores están desactivados. La tensión de las líneas del bus en este caso es generado por las resistencias de terminación y los circuitos de recepción de los nodos, que muestran una impedancia alta entre las líneas del bus. Un bit dominante es enviado al bus cuando al menos uno de los nodos tiene habilitado su transmisor y quiere escribir un bit dominante. Esto provoca un flujo de corriente a través de las 24

23 resistencias de terminación y consecuentemente una tensión diferencial entre ambas líneas del bus. El bus puede estar en uno de los dos estados: recesivo o dominante. En el estado recesivo, las tensiones en CANH y CANL son fijadas al nivel de tensión de modo común, y se considerarán como un 1 lógico siempre que la tensión diferencial no supere un cierto umbral máximo. El bus está en estado recesivo cuando se quiere transmitir un 1 o cuando el bus está en reposo. En el estado dominante la tensión diferencial es mayor que un umbral mínimo. Un bit dominante sobreescribe a un bit dominante y ocurre cuando uno o más nodos quieren transmitir un 0 lógico. V CANH CANL Recesivo Dominante Recesivo t Fig Niveles de tensión en el bus CAN A continuación se muestran los umbrales de tensión que se definen en la especificación: Recesivo Parámetro Notación Unidad Mínimo Típico Máximo Tensión del bus en modo V CANH V 2,5 7,0 común V CANL V -2,0 2,5 Tensión diferencial V diff mv Tabla 2.4 Niveles de tensión para el estado recesivo Dominante Parámetro Notación Unidad Mínimo Típico Máximo Tensión del bus en modo V CANH V 3,5 7,0 común V CANL V -2,0 1,5 Tensión diferencial V diff mv 1,2 2,0 3,0 Tabla 2.5 Niveles de tensión para el estado dominante 25