071 < < MICRO CAPACITACIÓN WWW.MICRO.COM.AR > CURSO 071 > REDES AS-i
4 MICRO Automación Micromecánica s.a.i.c M. Moreno 6546 B1875BLR Wilde. Buenos Aires. Argentina micro@micro.com.ar. www.micro.com.ar Tel. Ventas: 011 4227 0595 y líneas rotativas. Fax: 011 4206 6281 Conmutador: 0114206 6285 y líneas rotativas. Fax: 011 4206 0228
PREFACIO 5 En el presente mundo globalizado, la información tiene un valor importantísimo. Las comunicaciones tienen que ser eficientes y ágiles para aumentar la productividad de los distintos grupos de trabajo. Comunicaciones entre personas, máquinas, y máquinas - personas. Actualmente, las redes industriales son muy exigidas en cuanto a su velocidad y confiabilidad. Son un eslabón destacado en el conocimiento del funcionamiento de la planta, fabricación y en la interacción de ésta con los sistemas de administración. Es nuestro objetivo divulgar los conocimientos básicos de redes, y en particular el funcionamiento de una de ellas, las redes AS-i (Interfase Sensor Actuador), asimismo exponer algunas de sus aplicaciones en la industria. En MICRO, a través de los cursos de capacitación, pretendemos crear un espacio de formación y entrenamiento en el área de la automatización industrial, para estudiantes, profesores, operadores, técnicos e ingenieros que decidan completar la propia formación. El diseño del manual está elaborado con criterios eminentemente prácticos, para facilitar un estudio ágil y actualizado de cada uno de los temas. El objetivo de éste y de todos los cursos MICRO es ofrecer un sistema de aprendizaje dinámico e interactivo de clases teórico-prácticas, en el cual el alumno avance en la especialidad, ejecutando de una forma práctica los conocimientos desarrollados en las clases teóricas. Siempre con una visión real y profesional, para poder aplicar estos conocimientos a las necesidades de su empresa, tanto en el campo de mantenimiento, como en el de producción. Esperamos haber construido una herramienta que les permita apropiarse significativamente del nuevo saber. Para contribuir al logro de los objetivos reseñados, sus comentarios al final del curso serán de inestimable utilidad. Departamento de Capacitación capacitacion@micro.com.ar www.micro.com.ar
6 MICRO CURSO 071 Redes AS-i 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2 2.1 2.2 3 3.1 3.2 3.3 3.4 4 4.1 4.2 4.3 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.10 Buses de campo Introducción a los buses de campo El Modelo ISO/OSI Buses de Campo Existentes Topología - Estructura de la red Redes de difusión Modelos de comunicación Control de acceso al medio Reconocimiento de errores Medios físicos de transmisión Par trenzado Cable Coaxial Fibra óptica Comunicación por radio o satélite Actuador Sensor Interfase Capa Física Capa de enlace de datos. Data link layer Capa de Aplicación AS-i Schneider Recordatorio Presentación de los principales elementos del bus AS-Interface Características principales del bus AS-Interface V2 Descripción de los componentes del módulo master del bus AS-Interface: TWDNOI10M3 Características técnicas del módulo TWDNOI10M3 y del bus AS-Interface V2 Cableado y conexiones Botones y modos de funcionamiento del módulo TWDNOI10M3 Modos de funcionamiento del módulo master AS-Interface Panel de visualización del módulo AS-Interface TWDNOI10M3+ Diagnóstico del bus AS-Interface
INDICE 7 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 7 Puesta en Marcha Bus As-Interface V2 Descripción funcional general Principios de instalación del software Descripción de la pantalla de configuración del bus AS-Interface Configuración del bus As-Interface Descripción de la pantalla de depuración Modificación de la dirección de un esclavo Actualización de la configuración del bus As-Interface en modo conectado Direccionamiento automático de un slave As-Interface V2 Inserción de un equipo slave en una configuración As-Interface V2 existente Sustitución automática de un slave As-Interface V2 que presenta un fallo Direccionamiento de las entradas y salidas asociadas a los equipos slaves conectados al bus As-Interface V2 Programación y diagnóstico del bus As-Interface V2 Modo de funcionamiento del módulo de interfaz del bus As-Interface V2 Micro Capacitación
8 MICRO 1 Buses de campo Introducción En la industria, el uso de computadoras digitales aplicadas al control automático evoluciona desde un único computador supervisando algunos controladores analógicos a complejos sistemas que interrelacionan múltiples procesadores. Estos procesadores comprenden controladores PID mono y multiplazo, estaciones de operación, PLCs, transmisores inteligentes, cromatógrafos, sistemas de inventario de playa de tanques, etc., integrados en una o varias redes de datos de tiempo real, también denominadas redes de control de procesos. Por otra parte, las plantas industriales cuentan en muchos casos con sistemas de computadoras a fin de satisfacer sus necesidades administrativas y gerenciales. Denominamos red administrativa a este sistema. Aparece como evidente que la integración de ambas redes facilitaría la administración de todo el negocio, como la compra de materias primas, el proceso de producción, la venta de productos, el pago de sueldos, etc.
1< < BUSES DE CAMPO 9 Surgen dos áreas para la implementación de redes en las que participan los equipos digitales de control de procesos: la integración de estos equipos entre sí y la integración de estos equipos con la red administrativa. La integración de equipos digitales de control de procesos en una red de datos en tiempo real que presenta problemas de diversa índole. Consideramos el caso de los Sistemas de Control Distribuido (DCS). Si bien estos tienen varias redes como parte de su arquitectura, su diseño es propiedad del proveedor, sin que el usuario pueda disponer de su especificación. La integración de controladores unilazo con una PC es un problema de naturaleza distinta. En este caso, el usuario accede a todos los aspectos de la implementación de la red; y debe analizar aspectos tales como la respuesta en tiempo real del sistema, ya que ésta no es garantizada por el diseño del sistema. Lamentablemente no existe una norma de comunicaciones para la transmisión de datos en tiempo real que haya alcanzado un alto grado de difusión. A pesar de ello varias normas emergentes intentan llenar este vacío como MAP, SP50 etc. Ante la variedad de opciones existente, parece razonable pensar que fabricantes y usuarios hicieran un esfuerzo en la búsqueda de normativas comunes para la interconexión de sistemas industriales. Lo que ha venido llamándose la guerra de los buses tiene que ver con la permanente confusión reinante en los entornos normalizadores en los que se debate la especificación del supuesto bus de campo universal. Desde mediados de los años 80 la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC-CEI) y la Sociedad de Instrumentación Americana (ISA) ha sido escenario del supuesto esfuerzo de los fabricantes para lograr el establecimiento de una norma única de bus de campo de uso general. En 1992 surgieron dos grupos: el ISP (Interoperable Systems Project) y WorldFIP, cada uno promoviendo su propia versión del bus de campo. En el primer grupo estaban fabricantes como Siemens, Fisher-Rosemount, Foxboro y Yokogawa. En el segundo Allen-Bradley, HoneyWell, Square D y diversas empresas francesa. En 1994 ambos grupos se unieron en la Fieldbus Foundation. El debate se trasladó luego, y continúa en la actualidad, a la conjunción de Fieldbus y el mundo Profibus. Los años pasan, la norma del supuesto bus universal nunca se acaba de generar y en el camino aparecen nuevas opciones como CAN, LonWorks, Ethernet. Incluso el debate es confuso y totalmente incomprensible, otras empresas participantes en el debate generaban en paralelo soluciones propias, es el caso de Allen-Bradley con DeviceNet y HoneyWell con SDS. La realidad es que sólo los usuarios están realmente interesados en la obtención de normas de uso general. Los fabricantes luchan por su cuota de mercado y, en general, sólo están a favor de una norma cuando ésta recoge las características de su propia opción, lo cual es comprensible dadas las fuertes inversiones necesarias para el desarrollo de un bus industrial normalizado.
10 MICRO 1.1 Introducción a los Buses de Campo Un bus de campo es un sistema de transmisión de información (datos) que simplifica enormemente la instalación y operación de máquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de producción. El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control. Típicamente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores y sensores. Cada dispositivo de campo incorpora cierta capacidad de proceso, que lo convierte en un dispositivo inteligente, manteniendo siempre un costo bajo. Cada uno de estos elementos será capaz de ejecutar funciones simples de diagnóstico, control o mantenimiento, así como de comunicarse bidireccionalmente a través del bus. El objetivo es reemplazar los sistemas de control centralizados por redes de control distribuido, mediante el cual permita obtener información adicional y mejor, durante los tiempos de proceso; para obtener mejor calidad de producto, reducir los costos y mejorar la eficiencia, reducir los tiempos de instalación, planeamiento y comienzo de obra, eliminar las interrupciones rápidamente, mantener los ahorros potenciales para la instalación y costo de parada de una máquina o una planta. Para ello se basa en que la información que envían y/o reciben los dispositivos de campo es digital. Además, cada dispositivo de campo es un dispositivo inteligente y puede llevar a cabo funciones propias de control, mantenimiento y diagnóstico. De esta forma, cada nodo de la red puede informar en caso de fallo del dispositivo asociado, y en general sobre cualquier anomalía asociada al dispositivo. Esta monitorización permite aumentar la eficiencia del sistema y reducir la cantidad de horas de mantenimiento necesarias. 1.1.1 Ventajas de los Buses de Campo La principal ventaja que ofrecen los buses de campo, y la que los hace más atractivos a los usuarios finales, es la reducción de costos. El ahorro proviene fundamentalmente de tres fuentes: ahorro en costo de instalación, ahorro en el costo de mantenimiento y ahorros derivados de la mejora del funcionamiento del sistema. Una de las principales características de los buses de campo es su significativa reducción en el cableado necesario para el control de una instalación. Cada componente sólo requiere un cable para la conexión de los diversos nodos. Se estima que puede ofrecer una reducción de 5 a 1 en los costos de cableado. En comparación con otros tipos de redes, dispone de herramientas de administración del bus que permiten la reducción del número de horas necesarias para la instalación y puesta en marcha. El hecho de que los buses de campo sean más sencillos que otras redes de uso industrial como por ejemplo MAP, hace que las necesidades de mantenimiento de la red sean menores, de modo que la fiabilidad del sistema a largo plazo aumenta. Además, los buses de campo permiten a los operadores monitorizar todos los dispositivos que integran el sistema e interpretar fácilmente las interacciones entre ellos. De esta forma, la detección de las fuentes de problemas en la planta y su corrección resulta mucho más sencilla, reduciendo los costos de mantenimiento y el tiempo de parada de la planta.
1< < BUSES DE CAMPO 11 Los buses de campo ofrecen mayor flexibilidad al usuario en el diseño del sistema. Algunos algoritmos y procedimientos de control, que en los sistemas de comunicación tradicionales debían incluirse en los propios algoritmos de control, radican ahora en los propios dispositivos de campo, simplificando el sistema de control y sus posibles ampliaciones. También hay que tener en cuenta que las prestaciones del sistema mejoran con el uso de la tecnología de los buses de campo, debido a la simplificación en la forma de obtener información de la planta desde los distintos sensores. Las mediciones de los distintos elementos de la red están disponibles para todos los demás dispositivos. La simplificación en la obtención de datos permitirá el diseño de sistemas de control más eficientes. Con la tecnología de los buses de campo, se permite la comunicación bidireccional entre los dispositivos de campo y los sistemas de control, pero también entre los propios dispositivos de campo. 1.2 El Modelo ISO/OSI En 1997 la Organización Internacional de Normalización dio los primeros pasos para desarrollar la arquitectura de una red que permitiera una comunicación sencilla y eficiente entre computadoras de distintos proveedores. A medida que avanzaban los estudios se vio la conveniencia de dividir los aspectos relacionados con comunicaciones en 7 capas, cada una con una función definida. El modelo desarrollado por ISO se conoció como Interconexión de Sistemas Abiertos (Open System Interconnection, OSI). Cada una de las 7 capas maneja problemas distintos. Es importante destacar que este modelo define una estructura de comunicación con funciones determinadas, pero no establece cómo esas funciones son cumplidas. Por lo tanto, un protocolo que respete el modelo ISO/OSI respetará la división en 7 capas de sus funciones, pero esto no significa necesariamente que la especificación de cada capa está disponible a quién la requiera.
12 MICRO Nivel 1: Físico (Physical Layer) El nivel físico define las características mecánicas, eléctricas y funcionales para establecer y liberar conexiones físicas, que permiten transmitir bits entre extremos de un medio físico. Se entiende por características mecánicas a la forma y tamaño de los conectores, cantidad de circuitos y detalles del medio físico. Algunas características eléctricas son los niveles de tensión utilizados para representar las señales lógicas, impedancias de los conductores, etc.; entre las características funcionales encontramos la velocidad de transmisión y la función de cada circuito. La capa física determina la topología (forma de conexión entre estaciones) y el medio físico. El diseño de la capa física debe asegurar que cuando se envía una señal lógica (1 ó 0) por un extremo del medio físico, se la obtenga sin errores en el otro extremo. Un ejemplo clásico de nivel físico es la norma RS232. Nivel 2: Enlace (Data Link Layer) Mientras que la capa física transmite una sucesión de ceros y unos, la capa de enlace debe asegurar el envío y recepción de tramas entre estaciones. Dentro de la capa de enlace hay dos subcapas: la de Control de Acceso al Medio (Media Access Control) y la de Control Lógico de Línea (Line Logical Control LLC). La función de Control de Acceso al Medio (MAC) es definir el procedimiento por el cual varias estaciones acceden al uso de un medio físico compartido, sin que se produzcan interferencias entre ellas. Existen para ello varios métodos, algunos de los cuales son: - Maestro-esclavo. - Paso de testigo en bus. - Paso de testigo en anillo. - Acceso múltiple con detección de portadora y colisiones. El Control Lógico de Línea (LLC) establece los procedimientos para una transmisión libre de errores, incluyendo el chequeo de tramas. Por ello implementa métodos como el bit de paridad transversal y longitudinal, o un código de redundancia cíclico (CRC). Adicionalmente incluye un servicio de transmisión y confirmación de recepción de tramas, definiendo la relación que establecen las estaciones antes y después de enviar la trama (aviso de conexión y recepción). Nivel 3: Red (Network Layer) Esta capa agrega la información requerida para el manejo de paquetes en una red con múltiples caminos. En este caso, existen más de un camino posible para que un mensaje vaya de una estación a otra. Por lo tanto, es necesario definir procedimientos para seleccionar el camino que seguirá un mensaje, así como procedimientos para casos de congestión de tráfico en un camino. Nivel 4: Transporte (Transport Layer) El manejo de volúmenes de información de gran tamaño en un único mensaje es inconveniente, ya que la detección de un error obliga a la retransmisión de todo el mensaje. La división del mensaje en unidades llamadas paquetes es ventajosa, ya que permite la detección de errores en cadenas más cortas de datos, facilitando y disminuyendo la carga para el caso de que sea necesario el reenvío de un paquete. La función de la capa de transporte es justamente dividir la información a transmitir en paquetes, y asegurar su correcto ordenamiento. Esta función es crítica en una red global WAN, en la que generalmente los paquetes llegan en forma desordenada.
1< < BUSES DE CAMPO 13 Nivel 5: Sesión (Session Layer) La capa de sesión establece los procedimientos para que dos programas, residentes en distintas computadores, dialoguen entre sí. Uno de los servicios de la capa de sesión consiste en el control del diálogo. Si consideramos que las computadoras pueden correr más de un programa, y que éstos pueden efectuar transacciones con otros procesos residentes en otras máquinas, surge que entre dos máquinas puede haber más de una sesión en forma simultánea. Nivel 6: Presentación (Presentation Layer) Prepara la información transmitida para su uso en el nivel de aplicación, efectuando las interpretaciones y conversiones de datos requeridas. Estas conversiones típicamente pueden incluir los formatos ASCII y EBCDIC, y el encriptado y desencriptado de información. Nivel 7: Aplicación (Application Layer) Provee los servicios a usuarios finales, dando acceso a la información. Ejemplos: emulación de terminales, transferencia de archivos, correo electrónico, etc. 1.3 Buses de Campo Existentes Debido a la falta de estándares, diferentes compañías han desarrollado distintitas soluciones, cada una de ellas con diferentes prestaciones y campos de aplicación. Podemos ejemplificar los distintos niveles de los buses de campo con los diferentes tipos de caminos donde: Nivel Sensor/Actuador (camino menor) o Buses de alta velocidad y baja funcionalidad. Nivel de dispositivo (camino mayor) o Buses de alta velocidad y funcionalidad media. Nivel de Campo (Autopista) o Buses de altas prestaciones. Sensor/Actuator level ( minor roads ) Device level ( major roads ) Field level ( high ways )
14 MICRO 1.3.1 Buses de alta velocidad y baja funcionalidad Están diseñados para integrar dispositivos simples como finales de carrera, fotocélulas, relés y actuadores simples, funcionando en aplicaciones de tiempo real, y agrupados en una pequeña zona de la planta, típicamente una máquina. Básicamente comprenden las capas física y de enlace del modelo OSI, es decir, señales físicas y patrones de bits de las tramas. Sensor / Actuador Nivel orientado a bit Nombre AS-Interface Seriplex Organización soporte AS-International Association Seriplex Technical Organization Estándar EN50295 IEC62026 IEC62026 Sensores Típicos: Simples entradas, pulsadores, llaves selectoras, sensores inductivos, capacitivos, foto electrónicos, sensores de nivel, presostatos, flujostatos, termostatos encoders. Actuadores Típicos: Válvulas neumáticas (válvulas prendido - apagado), Válvulas hidráulicas, indicadores lumínicos, audibles, válvulas binarias, etc. 1.3.2 Buses de alta velocidad y funcionalidad media Se basan en el diseño de una capa de enlace para el envío eficiente de bloques de datos de tamaño medio. Estos mensajes permiten que el dispositivo tenga mayor funcionalidad, de modo que permite incluir aspectos como la configuración, calibración o programación del dispositivo. Son buses capaces de controlar dispositivos de campo complejos, de forma eficiente y a bajo costo. Normalmente incluyen la especificación completa de la capa de aplicación, lo que significa que se dispone de funciones utilizables desde programas basados en PCs para acceder, cambiar y controlar los diversos dispositivos que constituyen el sistema. Algunos incluyen funciones estándar para distintos tipos de dispositivos (perfiles) que facilitan la interoperabilidad de dispositivos de distintos fabricantes. Algunos ejemplos son:
< 1 BUSES DE CAMPO 15 Nombre Organización soporte Estándar CANOpen CIA EN50325 DeviceNet ODVA EN50325 IEC62026 Nivel de dispositivos: orientado a byte Device WorldFIP WorldFIP EN50254 IEC61158 Inter Bus S Interbus Club EN50254 IEC61158 Profibus DP Profibus Int'l Association EN50254 IEC61158 Sercos Sercos N.A. IEC61491 EIB EIBA EN50090 Sensores Típicos: Scanner Láser, lectores de código de barras, transmisores de presión, de temperatura y de nivel, pruebas de nivel, dispositivos para determinar propiedades físicas y químicas, sistemas de posicionamiento lineal y absoluto, etc. 1.3.3 Actuadores Típicos: Válvulas proporcionales hidráulicas y neumáticas, controladores. Buses de alta velocidad y baja funcionalidad Son capaces de soportar comunicaciones a nivel de todos los niveles de la producción CIM. Aunque se basan en buses de alta velocidad, algunos presentan problemas debido a la sobrecarga necesaria para alcanzar las características funcionales y de seguridad que se les exigen. La capa de aplicación tiene un gran número de servicios a la capa de usuario, habitualmente un subconjunto del estándar MMS (Manufacturing Message Specification). Entre sus características incluyen: Redes multi-maestro con redundancia. Comunicación maestro-esclavo según el esquema pregunta-respuesta. Recuperación de datos desde el esclavo con un límite máximo de tiempo. Capacidad de direccionamiento unicast, multicast y broadcast. Petición de servicios a los esclavos basada en eventos. Comunicación de variables y bloques de datos orientada a objetos. Descarga y ejecución remota de programas. Altos niveles de seguridad de la red, opcionalmente con procedimientos de autentificación. Conjunto completo de funciones de administración de la red.
16 MICRO Nombre Organización Soporte Estándar ControlNet ControlNet Int'l EN50170 IEC61158 Nivel de Campo: Orientado a bloques FF P-Net Fieldbus Foundation Int'l P-Net User Organisation EN50170 IEC61158 EN50170 IEC61158 Profibus FMS Profibus Int'l Association EN50170 IEC61158 WorldFIP WorldFIP EN50170 IEC61158 1.3.4 Buses para áreas de seguridad intrínseca Incluyen modificaciones en la capa física para cumplir con los requisitos específicos de seguridad intrínseca en ambientes con atmósferas explosivas. La seguridad intrínseca es un tipo de protección por la que el componente en cuestión no tiene posibilidad de provocar una explosión en la atmósfera circundante. Un circuito eléctrico o una parte de un circuito tienen seguridad intrínseca, cuando alguna chispa o efecto térmico en este circuito producidos en las condiciones de prueba establecidas por un estándar (dentro del cual figuran las condiciones de operación normal y de fallo específicas) no puede ocasionar una ignición. Algunos ejemplos son HART, Profibus PA o WorldFIP. 1.4 Topología - Estructura de la red Se dijo que la capa física es la que determina la topología de la red. Se entiende por topología a la forma en que las distintas estaciones o componentes de un automatismo se conectan al medio físico. Las topologías de red existentes se pueden clasifica en dos grupos: - Enlaces punto a punto. - Las redes de difusión. 1.4.1 Enlaces punto a punto En los enlaces punto a punto dos estaciones utilizan un vínculo único y exclusivo. Es un método simple y de disponibilidad absoluta, ya que no hay otra estación que ocupe el medio físico. Su implementación es difícil en la medida que crece la cantidad de estaciones, porque la cantidad de líneas requeridas crece en forma drástica (figura). A partir de enlaces punto a punto es posible la implementación de otras topologías, en las que cada estación juega un papel activo, repitiendo el mensaje de una estación a otra hasta que éste llega a su destinatario. Esta función también puede ser cumplida por elementos de conmutación, que tienen capacidad para reenviar los mensajes.
< 1 BUSES DE CAMPO 17 La función de los elementos de conmutación está relacionada con el manejo de los mensajes en la red, pero es transparente al usuario. Dentro de las topologías implementadas en base a enlaces punto a punto, podemos describir las siguientes: 1.4.2 Topología Estrella Cada estación está conectada con un vínculo punto a punto a un elemento de conmutación central. Éste establece las conexiones entre estaciones, el elemento de conmutación central tiene la inteligencia suficiente para definir el camino entre estaciones que desean comunicarse. 1.4.3 Topología Anillo Cada estación se vincula a otras dos con un vínculo punto a punto. La información se transmite en forma unidireccional, de una estación a otra. 1.4.4 Topología Irregular Existen varios elementos de conmutación. Algunos de éstos tienen más de una entrada y una salida, con capacidad de redireccionar los mensajes por las distintas salidas, en función del estado de los enlaces punto a punto.
18 MICRO 1.5 Redes de difusión Como contrapartida, las redes de difusión se caracterizan por la existencia de un medio físico compartido, la cual todas las estaciones acceden en forma directa. Las topologías típicas de este tipo de red son las siguientes. Bus: La red es un medio físico de estructura lineal al que se conectan todas las estaciones. Radio: El medio físico es básicamente una onda de radio, que puede ser escuchada por todas las estaciones dentro de la misma frecuencia y a su alcance. RECUERDE que... Cuestiones importantes concernientes a la topología: Cuál es el máximo número de usuarios para la red? a) Físicos b) Lógicos Cuál es la máxima distancia que puede ser cubierta por el bus de campo? a) Entre maestro y esclavo b) Entre dos esclavos
19 2 Modelos de comunicación Introducción Además de las diferentes técnicas de acceso y los sistemas de comunicación, resulta importante conocer los dos modelos básicos en los que se enmarca cualquier sistema de comunicación. Estos modelos son fuente/destino y productor-consumidor. Con el modelo fuente/destino un nodo emite un mensaje a cada nodo destino, debiendo repetir ese mensaje para cada uno de los nodos si es que desea que el mensaje llegue a varios nodos, pues la trama del mensaje enviado contiene una cabecera donde figura el nodo fuente y el nodo destino. De este modo, no es posible la llegada simultánea del mismo mensaje a todos los nodos, utilizando la red de comunicaciones durante un largo periodo de tiempo. Además, el tiempo de emisión a todos los nodos cambia según el número de nodos a los que se desea hacer llegar el mensaje. Este modelo es empleado por protocolos como Ethernet, Profibus, Interbus-S, Seriplex y Modbus. El modelo productor/consumidor emplea un sistema por el que todos los nodos reciben los mensajes que se transmiten, siendo la tarea de cada nodo decidir si ese mensaje debe aceptarlo. De este modo, todos los nodos reciben el mensaje simultáneamente y no es necesario repetirlo para cada uno de los nodos a los que está dirigido, con el consiguiente ahorro en el tiempo de utilización del bus. Así, el tiempo de transmisión resulta constante independientemente del número de nodos a los que se desea hacer llegar el mensaje. En este caso, la trama del mensaje incluye un identificador de mensaje; este identificador permite que los nodos receptores conozcan si deben aceptarlo o no. Este tipo de emisión es apropiado cuando se realizan mensajes en emisión de difusión completa (broadcast) o semidifusión (multicast). Actualmente, la mayoría de protocolos intentan emplear ambos tipos de mensajes para así optimizar el funcionamiento de la red dependiendo del tipo de mensajes a enviar o recibir. La siguiente figura muestra el formato de los mensajes para cada uno de los modelos. Fuente Destino Datos CRC Identificador Datos CRC 2.1 Control de acceso al medio El control de acceso al medio constituye la topología lógica de la red, y sirve para determinar que nodo puede emplear la red en un instante determinado para enviar o recibir señales. Esta gestión se enmarca dentro de la segunda capa OSI. A menudo, se describe este proceso como MAC (Medium Access Control) o control de acceso al bus. En la topología estrella, el elemento central asegura una conexión directa entre dos nodos, que se conserva durante todo el mensaje. En los esquemas basados en anillos o buses existe una única vía de comunicación que debe ser compartida por todos los nodos. Esto hace necesario el establecimiento de una disciplina de funcionamiento con el objeto de asegurar a todos ellos la posibilidad de una transmisión exitosa.
20 MICRO La situación ideal sería la de un sistema de control que resuelva rápidamente las interacciones o problemas en general que se pueden dar cuando varios nodos acceden simultáneamente al bus, y que sea poco sensible a los fallos de las estaciones, viéndose poco afectado por ampliaciones o problemas en general que se pueden dar cuando varios nodos acceden simultáneamente al bus. Si existen tramas de control de la red, el método de acceso debe ser capaz de asumir esta cantidad de tráfico añadida, siendo aconsejable que disponga de espera para organizar mejor el tráfico de la red. Existen dos tipos de técnicas principales: Técnicas de repartición. A cada usuario se le asigna una fracción de la unidad total a repartir. Pertenecen a este tipo las técnicas de multiplexación por división de frecuencia (MDF), multiplexación por división de tiempo (MDT). Son eficientes si los usuarios demandan servicios con regularidad. Técnicas de compartición. Se produce una asignación del medio en función de la demanda, son eficientes cuando el tráfico no es estable y la demanda se produce a ráfagas, como ocurre en las LAN. Existe una variada cantidad de técnicas de acceso, una primera clasificación puede hacerse de acuerdo que el canal esté libre o no del colisiones, es decir mensajes simultáneos. Cuando no existe posibilidad de colisiones, se dirá que el acceso es controlado, caso contrario será contencioso. Las técnicas empleadas son: colisión (ó contienda), reserva y selección. - Colisión o Contienda: Si el usuario (nodo) necesita el canal de comunicación intenta tomarlo, produciéndose una contienda con los usuarios que tengan el mismo propósito. Se producirán colisiones y se debe incorporar algún algoritmo para resolver estas situaciones. - Reserva: El usuario conoce con adelanto cuando va a poder utilizar el medio. No se producirán colisiones en la transferencia de información, pero podrán existir en el proceso de reserva. - Selección: El usuario es avisado cuando llega su turno y toma el control del medio para transmitir. Los usuarios son seleccionados por algún tipo de turno y desconocen cuando van a serlo nuevamente. 2.1.1 Compartición del medio por contienda Por lo que respecta a las técnicas de contienda, existen dos tipos principales, las técnicas de transmisión sorda (ALOHA) y las técnicas de transmisión con escucha (CSMA). La primera fue desarrollada por la Universidad de Hawai, se envía un mensaje al canal cuando se necesita, si hay colisión se produce una retransmisión del mensaje; existen variantes como el método ALOHA rasurado. En cuanto a las técnicas con escucha (CSMA, Carrier Sense Multiple Access) permiten acceso múltiple con detección de portadora. Antes de transmitir, el usuario averigua si el canal está libre, lo que evita son colisiones con antelación aunque se pueden producir colisiones al transmitir. También existen diferentes variantes como CSMA no persistente, CSMA persistente, CSMA con retardo prioritario, etc. La detección y resolución de colisiones resulta muy importante en los sistemas de acceso múltiple al bus, dado que esto es lo que permite que se produzca cierto orden en el vertido de señales al bus. Cuando se produce una colisión, se pone en marcha un sistema de resolución de colisiones para asignar el control a un nodo, y éste debe volver a retransmitir la información deteriorada. Para intentar que la retransmisión no sufra otra colisión se utiliza un algoritmo para determinar el momento idóneo para enviar el paquete. Son dos los métodos habitualmente empleados para la detección de colisiones:
< 2 MODELOS DE COMUNICACIÓN 21 - Detección de interferencias en el canal. Se detecta por técnicas de comparación de la señal emitida con la que está circulando por el canal mediante técnicas de análisis de la señal en la línea. A este tipo pertenece el método CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) utilizado por Ethernet y contemplado en el estándar IEEE 802.3 para transmisión a 10Mbps. Se detiene la transmisión tan pronto como se detecta la colisión. Otro método en el CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision avoidance), donde antes de transmitir se escucha el canal para ver si está ocupado, así la posibilidad de colisión se reduce, aunque no se evita completamente dado que existe la posibilidad de que dos nodos inicien su emisión simultáneamente una vez detectado el canal libre. - No recepción de un mensaje de conformidad. Se detectan errores de transmisión en general. Como inconveniente se tiene la lentitud, ya que el paquete se transmite completo. Existen diversos métodos de resolución de colisiones, la siguiente figura muestra los principales tipos. Algoritmos no adaptativos: El retardo para la retransmisión no depende de la actividad anterior del canal o del número de colisiones. El retardo se obtiene mediante una distribución uniforme. Se utiliza en las redes ALOHA pura y ALOHA rasurado. Algoritmos adaptativos: El retardo depende de la actividad anterior del canal. La función de distribución del retardo varía dinámicamente según unas condiciones locales o globales. Técnicas de retardo prioritario: Detectada una colisión se retarda la retransmisión en un intervalo distinto para cada usuario (nodo). Se establece una prioridad que puede ser fija o round robin. Reserva tras la colisión: Cuando se produce una colisión los usuarios establecen entre sí un sistema de reservas para retransmitir sin conflictos. El sistema de contienda se convierte en un sistema de acceso al medio por reserva, este sistema de reservas puede ser gestionado de un modo centralizado o distribuido. 2.1.2 Compartición del medio por reserva El usuario conoce con adelanto cuando va a poder utilizar el medio dado que existen métodos de ordenación para la asignación del canal. La figura subsiguiente muestra la subdivisión en la que se clasifican estas técnicas.
22 MICRO 2.1.2.1 Control centralizado de reservas Existe un controlador que gestiona (recibe y concede) las demandas de reserva del canal. Se puede disponer de dos canales distintos, uno para efectuar las reservas y otro para transmitir los datos. El método SRMA (Split channel Reservation Multiple Access) multiplexa los dos canales en frecuencia, pero se puede producir colisión en el canal de las reservas. El método GSMA (Global Scheduling Multiple Access) multiplexa en el tiempo el canal, asignando durante un tiempo el canal para transmisión de datos, a su vez, multiplexa el canal de reservas entre todas las estaciones, evitando colisiones. Se puede reservar el canal durante un determinado tiempo (reserva de conexión) o para cada mensaje a transmitir (reserva de mensaje). 2.1.2.2 Control distribuido de reservas Se trata de un control de acceso distribuido, si todos los nodos intervienen en la decisión de qué nodo y en qué instante se va a disponer de acceso al bus. En la detección por colisión, cada nodo supervisa la red continuamente, esperando que quede libre para poder transmitir, pero en el momento que queda libre seguramente más de un nodo comenzará a transmitir, produciendo una colisión y generando una distorsión de las señales emitidas, con lo que el nodo emisor debe saber que ha habido esta colisión y, por tanto, debe esperar poder transmitir de nuevo cuando la red quede desocupada. Todas las estaciones reciben las solicitudes de reserva formuladas por las demás. Aplican un algoritmo que determina a quién y por cuanto tiempo se le concede el medio. El resultado debe ser función de las demandas aceptadas y pendientes de resolución. - Técnicas implícitas: No existe un procedimiento de solicitud y resolución de reserva previa a la transmisión. La estación que pretende utilizar el canal intenta tomarlo. Si lo consigue, el resto de estaciones entiende que lo tiene reservado hasta que se señalice lo contrario. Se pueden producir colisiones. - Técnicas explícitas: Existe un procedimiento previo de establecimiento de reservas. Hasta que no se resuelve una demanda, la estación no inicia la transmisión. Los procedimientos para realizar una reserva explícita son: Piggyback: la reserva se realiza para un mensaje de información completo. Subtrama: se destina una subtrama para la reserva de un paquete. Entre 2 subtramas sucesivas una estación sólo transmite un paquete. 2.1.3 Compartición del medio por selección Estas técnicas también pueden ser centralizadas o distribuidas, no se producen colisiones dado que no se accede al medio hasta que el canal es asignado al nodo, asegurando que un único nodo accede en cada momento al bus. Existen diversas técnicas, la figura siguiente muestra las variantes principales empleadas habitualmente.