Curso sobre Controladores Lógicos Programables (PLC). Redes Digitales de Datos en Sistemas de Control de Procesos

Transcripción

1 Curso sobre Controladores Lógicos Programables (PLC). Por Ing. Norberto Molinari. Entrega Nº 22. Capitulo 5. Redes Digitales de Datos en Sistemas de Control de Procesos Continuación Transmisión en formato ASCII, con delimitadores Este método identifica el comienzo de la trama con un carácter que no se utilizará en el resto de la misma, como por ejemplo el símbolo ASCII ":" (dos puntos, código ASCII hexadecimal 3A). Figura 5.7 Transmisión del carácter ASCII E, representado por el número binario El orden de los bits se invierte, ya que se transmite el bit menos significativo primero.

2 El ejemplo corresponde a una paridad impar. Al haber tres bits 1, el bit de paridad es 0. Figura 5.8 Formato de una trama transmitida sin delimitadores. En forma similar, el final de la trama se identifica con los caracteres ASCII "CR" y "LF" (retorno de carro y alimentación de línea, caracteres hexadecimal ASCII 0D y 0A respectivamente) (Fig. 5.9.). Es obvio que estos caracteres ASCII no podrán estar en el mensaje como parte de la información transmitida, ya que serían erróneamente interpretados como inicio y final de la trama, en lugar de información. Para ello, se utiliza el siguiente procedimiento (Fig ): 1- La información binaria a transmitir es dividida en grupos de 4 bits (Fig a.). 2- Cada grupo de 4 bits es convertido al número hexadecimal correspondiente, con la Fig b. 3- Cada número hexadecimal es representado por el carácter ASCII correspondiente. Por ejemplo, el número hexadecimal "9" (binario 1001) es representado por el carácter ASCII "9" (hexadecimal 39, binario ). De esta forma, la secuencia de bits 1001 es finalmente transmitida como (Fig a). En forma similar, los números hexadecimales 0 al F son representados por los caracteres ASCII 0 al 9 (ASCII hexadecimal 30 al 39) y las letras A la F (ASCII hexadecimal 41 al 46), según se muestra en la Fig c. Estos caracteres no deberán ser utilizados como delimitadores de la trama. Vemos que los datos a transmitir son representados únicamente con los caracteres ASCII "0" al "9" y "A" al "F". Por tal motivo, no es posible que estos datos sean confundidos con los delimitadores ASCII ":", "CR" y "LF". Puesto que el final de la trama es identificado por medio de una secuencia de caracteres, este protocolo no exige que la trama sea transmitida en forma continua. Así, por ejemplo, puede haber interrupciones de hasta 1 segundo entre caracteres. Esto permite su uso cuando en la red hay estaciones con muy baja capacidad de procesamiento.

3 Un aspecto a considerar es que, al reemplazar los números expresados por bits puros, por números expresados como hexadecimales en código ASCII, este protocolo requiere el doble de bits que el protocolo de transmisión sin delimitadores, para transmitir el mismo dato. Figura 5.9 Formato de una trama delimitada por los caracteres ASCII : (comienzo de la trama) y CR LF (fin de la trama). Estos caracteres no podrán formar parte de los restantes campos. Figura 5.10 Transmisión en formato ASCII, con delimitadores. Este método es utilizado en el protocolo Modbus ASCII. Fig a) Conversión de una secuencia de bits a los caracteres ASCII equivalentes Fig b.) Equivalencia entre números binarios y hexadecimales

4 Fig c) Código ASCII de los caracteres 0 al 9 y A a F Transmisión con delimitadores e inserción de carácter El tercer método de encapsulado de la trama combina los dos métodos anteriormente citados, en el siguiente aspecto: los datos son transmitidos como bits (y no como códigos ASCII representando estos bits), pero la trama es delimitada con caracteres de control ASCII. Puede ocurrir que un número binario que se transmita represente justamente a alguno de los delimitadores. En este caso se inserta antes del número binario un carácter especial, tal como se describe a continuación. Cada trama se iniciara con los caracteres ASCII DLE STX y finalizará con los caracteres DLE ETX. Figura 5.11 Formato de una trama con delimitadores e inserción de caracteres.

5 Figura 5.12 Formato de una trama con delimitadores e inserción de caracteres. En medio de los datos, aparece un DLE. Para que este sea interpretado como un número, y no como un delimitador, la estación emisora inserta un segundo DLE, que es eliminado por la estación receptora. DLE es la abreviatura de Data Line Escape, Escape de Enlace, y es representado en el código ASCII por el número hexadecimal 10; STX significa Start of Text, Inicio de Texto (representado por el hexadecimal 02); y ETX significa End of Text, Fin de Texto (representado por el hexadecimal 03). Una trama con este método se muestra en la Fig Cuando la secuencia de bits DLE (hexadecimal 10, binario ) aparece en la información a transmitir, el emisor inserta un segundo carácter DLE. Por lo tanto, el delimitador DLE se distingue por la presencia de un solo DLE, mientras que la presencia de la secuencia (DLE) en los datos se reconoce por medio de dos DLE sucesivos (Fig ). Este método es utilizado en el protocolo de la serie 760 de Foxboro Reconocimiento de errores Durante, la transmisión de datos es frecuente que aparezcan ruidos en la línea de, transmisión, que deforman la señal transmitida. Estos ruidos se pueden originar por interferencia eléctrica, ruido térmico (generado por el movimiento de electrones en el cobre), etc. Un ruido que tenga una duración de 10 mseg se escuchará al oído humano como un pequeño clic, pero a 9600 bps implica la desaparición de 96 bits. La capacidad del medio físico de permitir la transmisión de bits sin que algún fenómeno físico (principalmente eléctrico) pueda provocar alteraciones en el mensaje se conoce como inmunidad al ruido. Por ejemplo, es posible que un byte transmitido como llegue al receptor como En este caso podemos decir que ambos bytes difieren en un Bit. La cantidad de bits en que difieren el mensaje transmitido y el recibido se calcula efectuando un OR exclusivo entre ambos, y sumando la cantidad de unos del resultado (Fig. 5.13). Este número se conoce como distancia de Hamming.

6 Existen distintos métodos para la detección y corrección de errores. La capacidad de un método para detectar y corregir errores en un mensaje se cuantifica por medio de su distancia de Hamming. Se puede demostrar que, si se desean detectar d errores, se requiere de un método de detección de errores que tenga una distancia de Hamming de d + 1. En cambio, si se desean corregir d errores, el método deberá tener una distancia de Hamming de 2d + 1. Al igual que el agrupamiento de bits, el reconocimiento de errores también tiene dos niveles: uno a nivel de caracteres, y el otro a nivel de trama. Presentaremos a continuación tres métodos de detección y corrección de errores: el bit de paridad, que es un chequeo a nivel de carácter, y los métodos de bit de paridad longitudinal y transversal, y de Código de Redundancia Cíclico, utilizados a nivel de trama. Figura 5.13 Cálculo de la distancia de Hamming Bit de paridad El Bit de paridad es un sencillo método de detección de errores a nivel de caracteres. Cada carácter consta, según hemos anticipado, de un Bit de comienzo, 5 a 8 bits de datos, un Bit de paridad y uno o dos bits de finalización. El Bit de paridad sirve como chequeo del carácter transmitido. Su valor es adjudicado por el emisor de forma tal que la cantidad de unos en el carácter más el Bit de paridad sea par (paridad par) o impar (paridad impar). Por ejemplo, el carácter de 8 bits deberá tener un Bit de paridad 1 si la paridad es par, o 0 si la paridad es impar (Fig. 5.14). El receptor recibe el carácter, calcula su Bit de paridad, y compara el Bit de paridad transmitido con el calculado, verificando así la corrección del carácter recibido. En aquellos casos en que no se utiliza este método, el carácter se transmite precedido de un Bit de comienzo y seguido de uno o dos bits de final, omitiendo el Bit de paridad. El método del Bit de paridad está caracterizado por una distancia Hamming de 2, permitiendo la detección de un error en el carácter. Este método no permite la corrección de errores.

7 Bit de paridad transversal y longitudinal Este método es una derivación del método anterior, en la que los bits se agrupan en un bloque. Este bloque tiene n bits de ancho y k bits de alto. Se calcula el bit de paridad de las distintas columnas y de las filas, añadiéndose al bloque la fila y columna resultantes. Luego el bloque completo es transmitido. El receptor podrá identificar errores a partir del bloque recibido. Se puede demostrar que este método tiene una distancia de Hamming de 4, permitiendo el reconocimiento de hasta 3 errores, o la corrección de 1. La Fig muestra la representación de una trama con bit de paridad transversal y longitudinal, en la que se detectó y corrigió el error. Figura 5.14a Transmisión del carácter con paridad par (Cantidad total de unos = 4). Figura 5.14b Transmisión del carácter con paridad impar (Cantidad total de unos = 3) Código de Redundancia Cíclica o CRC Este método es de amplia difusión, utilizándose en numerosos protocolos. A partir de un algoritmo que utiliza un polinomio generador, y de los bits que forman la trama, se calcula un número llamado Chequeo Cíclico Redundante (Cyclic Redundancy Check, CRC). El CRC es añadido al final de la trama, y transmitido con ésta.

8 La estación receptora calculará el CRC utilizando el mismo polinomio Generador, y los bits recibidos. Luego comparara el CRC recibido con la trama, y el calculado. La presencia de errores en la transmisión se reconoce por desigualdad entre ambos CRC. Aunque el cálculo de un CRC puede parecer complicado, existen métodos que permiten una implementación sencilla, que funcione con gran velocidad Y si alguno de estos métodos detecta un error? La acción de la estación en caso de detección de error en el mensaje depende de la implementación específica del protocolo, y del tipo de error. Sin embargo, si bien los protocolos implementan en general algoritmos de chequeo que permiten corrección de algunos errores, como es el CRC, lo usual es que no se utilice esta posibilidad. Así, cuando la estación recibe un mensaje en el que detecta un error, simplemente lo ignora. Lo que ocurra luego depende del tipo de transacción que se esté ejecutado. Si se trata de una transacción de difusión sin respuesta, que tiene por destino todas las estaciones, la estación que haya detectado un error en el mensaje no tomará la acción requerida. Al no existir mensaje de respuesta, el maestro tampoco sabrá que este problema se ha dado. Por eso, las transacciones de división sin respuesta se pueden considerar inseguras. En cambio, en las transacciones de consulta / respuesta el maestro está esperarlo una respuesta a su mensaje. Si el error se produjo en la recepción del mensaje por parte del esclavo, el mensaje de respuesta no llegará. Figura 5.15 Reconocimiento de errores con bit de paridad longitudinal y transversal. El ejemplo se muestra un bloque recibido con paridad par. Con ese método se detectó que el número grisado fue recibido incorrectamente, siendo posible su corrección.

9 Por otra parte, si el error se produjo en el maestro, al recibir el mensaje de respuesta, este mensaje será desechado. En ambos casos, el maestro detecta que no logró completar la transmisión dentro de un tiempo predefinido. Este tiempo es configurable por el usuario, y se conoce como tiempo máximo de espera (time-out). Pasado el time-out el maestro define que esta transacción no podrá cumplirse, e inicia una nueva transacción. El maestro intentará comunicarse nuevamente con el mismo esclavo, acción que se conoce como reintento (retry). La cantidad de veces que el maestro reintenta una transacción con un esclavo es también un parámetro configurable. Luego de realizar la cantidad de reintentos especificada, el maestro continuará con la encuesta (polling), interrogando a los demás esclavos Comandos Luego de verificar la corrección de la información recibida, la estación elimina los caracteres de chequeo y los delimitadores del mensaje (si los hubiera), y obtiene lo que en definitiva es el objeto de la transacción: un comando, con sus correspondientes datos. Básicamente podríamos dividir los comandos en tres grupos: a) Aquellos en los que el maestro solicita información. b) Aquellos en los que el maestro solicita una acción definida. c) Comandos especiales asociados a un protocolo específico (como comandos para el chequeo del estado del esclavo o de las comunicaciones, útiles para el diagnóstico en caso de falla de las comunicaciones). Puesto que su implementación es más general, analizaremos sólo los dos primeros grupos. En ambos grupos de comandos la información implícita es la de variables que se encuentran en la memoria RAM del esclavo. Para el caso en que el esclavo sea un PLC, esta información comprende el estado de variables de entrada / salida analógicas y digitales, y de registros auxiliares, contadores y Timers. En un controlador unilazo, esta información comprende entradas y salidas, parámetros PID, estado automático / manual, remoto / local, etc. Los comandos que solicitan información básicamente piden a la CPU del esclavo la emisión de un mensaje que contenga la información contenida en porciones de su RAM. La información leída puede ser un solo dato, o múltiples datos.

10 El mensaje de consulta contendrá un comando específico, generalmente representado por algunos caracteres ASCII, seguido de la identificación de los datos requeridos. En el caso de un PLC que actúe como esclavo, los datos requeridos se identificarán por la dirección de memoria. Un mensaje que solicite un solo dato contendrá la dirección del dato requerido (por ejemplo, leer el registro 40001), mientras que tratándose de múltiples datos contendrá un rango de direcciones (por ejemplo, leer los registros a 40010). El mensaje de respuesta contendrá la dirección de la estación consultado, el código de comando solicitado por el maestro, y los datos solicitados. Es evidente que estos comandos no pueden utilizarse en transacciones de difusión sin respuesta. Los comandos que solicitan acciones del esclavo básicamente modifican datos (bits) contenidos en la memoria RAM del equipo. De esta forma, el maestro fuerza a uno o varios bits de la memoria RAM del esclavo a un valor que es definido por él, y transmitido en el mensaje. Este comando se utiliza, por ejemplo, cuando desde una PC se modifica el set point de un controlador unilazo. Continuará... Nota de Radacción: El lector puede descargar el curso capítulo a capítulo desde la sección Artículos Técnicos dentro del sitio de EduDevices ( )