Introduccion a los protocolos

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1 Introduccion a los protocolos.- 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 Errores en la transmisión de la señal EMISOR/RECEPTOR A Mensaje EMISOR/RECEPTOR A

2 Errores en la transmisión de la señal EMISOR/RECEPTOR A Mensaje EMISOR/RECEPTOR C.- 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 impulsivo: Perturbaciones electromagnéticas atmosféricas interferencias eléctricas en en las las líneas de de comunicación Ruido térmico: Ruido Blanco Ruido de de fluctuación: Ruido Rosa 2

3 .- Fuentes de Errores en la transmisión: Señal transmitida Atenuación de la señal debida a la carga Distorsión de la señal debida a la atenuación Ruido Ruido (sucesos transitorios de tipo impulsivo) Señal y ruido combinados Señal recibida Qué podemos hacer con los errores? La La atenuación se se corrige con: REPETIDORES para señales digitales AMPLIFICADORES para señales analógicas Reducir las interferencias: Minimizar la la longitud de de los los cables y bucles Utilización de de pares trenzados Apantallamiento electroestático Tierra simple Filtros Amplificador diferencial DETECTAR LOS LOS ERRORES 3

4 Qué podemos hacer con los errores? DETECTAR LOS LOS ERRORES: La aceptabilidad de los errores depende del contenido de los datos Texto puro 2% de errores Aplicación critica % 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. 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 es par Paridad Impar -> el nº de es impar A Paridad de marca (Mark) el bit de paridad es siempre Paridad de espacio (Space) el bit de paridad es siempre cero NO Paridad (ne) el bit de paridad no se utiliza y su valor se deja sin especificar 4

5 5 Redundancia de caracteres: Redundancia de caracteres: Paridad Paridad Transmitido Recibido Correcto Er. detectado Er. NO detectado Err. detectado Capacidad de detección muy baja (solo detecta errores que afectan a un numero impar de bits) SOBRETASA: Un % del tiempo se malgasta transmitiendo bit de comprobación que no cumplen su cometido en un 4% de los casos ( Start, 7 Datos, paridad, stop bits) Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: Paridad Paridad Transmitido Recibido 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). C f Y U BCC Error de dos bits en una fila Error detectado CHECK VALUE

6 6 Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: Paridad Paridad Transmitido Recibido La mayor virtud es su sencillez pero tiene un alto porcentaje de fallos C f Y U BCC Error de dos bits en dos filas Error NO detectado CHECK VALUE Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CHECKSUM CHECKSUM Transmitido Recibido Incrementa la presición Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje) C f Y U BCC Error de dos bits en dos filas Error detectado

7 Redundancia de Bloques: CHECKSUM Transmitido Recibido C f Y U BCC Error de un bits en dos columnas Error NO detectado Incrementa la presición Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje) 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 (2, 32) CRC CRC C f y U DIVISION LARGA EN MODULO 2 CRC-CCITT X-Modem CRC-6 Modbus-RTU CRC-2 7

8 Redundancia de Bloques: CRC (COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS) DIVISION LARGA EN MODULO 2 C f y U /65.54 =5.9 con con 6.36 de de resto Divisor de de 7 7 bits bits resto menor de de 7 7 bits bits 6.36 = EBC9 6 = c f y U 3.- Control del flujo de información: Control de caracteres: ECO XON/XOFF Control de Línea completa (PAQUETE): ETX/ACK Campo de servicios datos SOH Número de secuencia de paquete STX DATA ETX Valor de comprobación SOH Número de secuencia de paquete LEN DATA Valor de comprobación SOH: Start of Header, STX: Start of Text, ETX: End of text 8

9 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 Receptor 2 ACK Emisor 2 Time-out: Tiempo de espera para dar por fallida la comunicación Retries: Cantidad de intentos que realiza el maestro ACK NAQ 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

10 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 TRAMA DE PREGUNTA MAESTRO CRC AREA DE DATOS CODIGO FUNCION DIRECCION DIRECCION CODIGO FUNCION AREA DE DATOS CRC TRAMA DE RESPUESTA ESCLAVO n WinCC PLC N. PLC N. 2 PLC N.3 AUTOMATA Puerto de Comunicaciones ESCLAVO n MAESTRO

11 PROTOCOLO MOD-BUS METODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO TRAMA DE PREGUNTA/ RESPUESTA DIRRECION CODIGO FUNCION AREA DE DATOS CRC Mod-bus RTU: byte byte N bytes 2 bytes WinCC PLC N. PLC N. 2 PLC N.3 AUTOMATA Puerto de Comunicaciones ESCLAVO n MAESTRO Peer_to_Peer MODEN MODEN MODEN MODEN MODEN

12 Metodo de acceso al medio: PASO DE TESTIGO Maestros PLC PC PROFIBUS Dispositivos de campo (Esclavos) Metodo de acceso al 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 I/O 2 I/O 3 2

13 Metodo de acceso al medio: CSMA Carrier sense multiple access BA: Bitwise Arbitration se transmite cuando el bus esta desocupado si existe colisión : bit es dominante bit es recesivo el dominante continua transmitiendo es más eficiente que CSMA/CD Metodo de acceso al 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 3

14 5.- Modelos de comunicación Qué modelos de PROTOCOLO existen en el mercado? Cuáles son sus diferencias?.- MODELO ORIGEN/DESTINO ORIGEN DESTINO DATOS CRC Jerarquías: Maestro/esclavo Entre iguales: Peer-to-peer (punto a punto) Paso de testigo 4

15 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. 5.- Concepto de Bus de Campo Protocolo. Bus de comunicación. Bus de campo. 5

16 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 - Acuerdo previo Metafísicamente HANDSHAKING apretón de manos 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) 6

17 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. 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. 7

18 Cual es la mejor elección actual y para el futuro? Sensorbuses fieldbuses ASI CANbus LonWorks Seriplex Sensoplex CANbus DeviceNet SDS InterBus-S LonWorks IEC 658 PROFIBUS WorldFIP ModBus ControlNET Modbus Interbus Typical Applications Process, Factory Process, Factory Building Automation Process, Factory Data Rate bits/s 5M Typ.2K - 5.2K 5K Communication Technique Producer/Consumer Master/Slave Master/Slave Media Access Method CTDMA *3 Token Passing ne Media Supported Co-ax, Fibre-Optic Twisted Pair Co-ax, Fibre-Optic Max.. of Addressable des 99 per link 247 per network 256 Stations Deterministic * Intrinsically Safe Bus Powered? ASICs *2 Available Physical Layer Standard Generally based on differential Manchester encoding t Specified RS485 Applicable Standards BSI draft standard prov EN 5254 Modicon Protocol PI-MBUS-3 Rev.E DIN E 9258 prov EN

19 Ethernet WorldFIP LONWORKS Typical Applications Process, Data Process, Smart, Building, Factory Automation Process, Building, Factory Automation Data Rate bits/s M 3.5K, M and 2.5M 3 to.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.. of Addressable des 4 per segment 256 per network 32,768 per domain Deterministic * Intrinsically Safe Bus Powered? ASICs *2 Available Physical Layer Standard Unbalanced Voltage IEC/ISA/FF IEC 58-2 Numerous Applicable Standards IEE82.3, ISO882.3(Bas e-5) EN 57(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 M 2 67K Communication Technique Producer/Consumer, Peer to Peer Master/Slave Master/Slave Media Access Method CSMA/CD/NDA ne Cyclic polling Media Supported Twisted Pair, Fibre-Optic Twisted Pair Twisted Pair Max.. of Addressable des 2^, or 2^29 in extended address mode 5 per loop 3 per network Deterministic * Intrinsically Safe Bus Powered? ASICs *2 Available, partial Physical Layer Standard Balanced Differential Voltage 4-2mA pair (f.s.k current modulation) Balanced Differential Voltage Applicable Standards ISO 898 HART Protocol Specification Rev 5. Physical Layer Rev 8. IEC /D EN6947 DIN VDE 66/28 9

20 Profibus DP FMS PA Typical Applications Process, Factory Process, Factory Process, Smart Data Rate bits/s To.5M and 2M 5K 3.25K 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.. of Addressable des 27 per network 27 per network 27 per network Deterministic * Intrinsically Safe Bus Powered? ASICs *2 Available Physical Layer Standard RS485 RS485 IEC/ISA/FF IEC 58-2 Applicable Standards EN 57(Part 2) DIN 9245 EN EN 57(Part 2) DIN 9245 DIN 9245 Cual es la mejor elección actual y para el futuro? Sensorbuses fieldbuses ASI CANbus LonWorks Seriplex Sensoplex CANbus DeviceNet SDS InterBus-S LonWorks IEC 658 PROFIBUS WorldFIP ModBus 2

21 ENFOQUE METÓDICO ANTE LA SITUACIÓN ACTUAL DE DIFERENTES FIELDBUSES:.- 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? Interbus-s, CAN/DeviceNet y Hart. Ethernet Industrial, Profibus y Asi. Tríos interesantes Para adaptarse a los diferentes requisitos, se pueden combinar diversas redes de comunicación. 2

22 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. 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 en Bus o lineal: Topología de la red ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA Terminador Terminador PLC- PLC-2 PLC-3 PLC-4 PLC- Sus principales ventajas son : - Fácil de instalar y mantener. - 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

23 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 en estrella: Topología de la red ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA 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

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