Post on 03-Nov-2018
Introducción a la transmisión digital de información
Introduccion a los protocolosIntroduccion a los protocolos
1.- Fuentes de Errores.
2.- Detección de errores.2.- Detección de errores.• Paridad
• ChekSum
• CRC
3.- Control del flujo de la información.• ARQ
4.- Metodos de acceso al medio.4.- Metodos de acceso al medio.
5.- Modelos de comunicacion.
6.- Concepto de bus de campo
Introducción a la transmisión digital de información
Errores en la transmisión de la señalErrores en la transmisión de la señal
EMISOR/RECEPTOR EMISOR/RECEPTOR
Mensaje
“A”
“01100111”
“A”
“01100111”Mensaje
Introducción a la transmisión digital de información
Errores en la transmisión de la señalErrores en la transmisión de la señal
EMISOR/RECEPTOR EMISOR/RECEPTOR
Mensaje
“A”
“01100111”
“C”
“01110111”Mensaje
Introducción a la transmisión digital de información
1.1.-- Fuentes de Errores en la transmisión:Fuentes de Errores en la transmisión:
� Atenuación de la señal debida a la carga� Atenuación de la señal debida a la carga
Ruido impulsivo: Perturbaciones electromagnéticas atmosféricas
interferencias eléctricas en las líneas de comunicación
Ruido impulsivo: Perturbaciones electromagnéticas atmosféricas
interferencias eléctricas en las líneas de comunicación
� Distorsión de la señal debida a la atenuación
� Ruido (sucesos transitorios de tipo impulsivo)
interferencias eléctricas en las líneas de comunicación
Ruido térmico: Ruido Blanco
Ruido de fluctuación: Ruido Rosa
interferencias eléctricas en las líneas de comunicación
Ruido térmico: Ruido Blanco
Ruido de fluctuación: Ruido Rosa
Introducción a la transmisión digital de información
� Atenuación de la señal debida a la carga
1.1.-- Fuentes de Errores en la transmisión: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 (sucesos transitorios de tipo impulsivo)
Señal transmitida
Ruido
Señal y ruido Señal y ruido combinados
Señal recibida
Introducción a la transmisión digital de información
¿Qué podemos hacer con los errores?La atenuación se corrige con:
REPETIDORES���� para señales digitales
AMPLIFICADORES���� para señales analógicas
La atenuación se corrige con:
REPETIDORES���� para señales digitales
AMPLIFICADORES���� para señales analógicas
Reducir las interferencias:� Minimizar la longitud de los cables y bucles
� Utilización de pares trenzados
� Apantallamiento electroestático
Tierra simple
Reducir las interferencias:� Minimizar la longitud de los cables y bucles
� Utilización de pares trenzados
� Apantallamiento electroestático
Tierra simple
AMPLIFICADORES���� para señales analógicasAMPLIFICADORES���� para señales analógicas
� Tierra simple
� Filtros
� Amplificador diferencial
� Tierra simple
� Filtros
� Amplificador diferencial
DETECTAR LOS ERRORESDETECTAR LOS ERRORES
Introducción a la transmisión digital de información
¿Qué podemos hacer con los errores?
DETECTAR LOS ERRORES:DETECTAR LOS ERRORES:
� La aceptabilidad de los errores depende del contenido de los datos� La aceptabilidad de los errores depende del contenido de los datos
Texto puro���� 20% de errores
Aplicación critica ���� 0% de errores
� La respuesta al error, su CORRECCION, depende del contenido, importancia, etc.
Método mas directo ���� retransmisión del dato
� Los principales esquemas de detención se basan en la REDUNDANCIA� 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.
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia:Redundancia:
de Caracteres:de Caracteres: 0 1 0 0 0 0 0 1
“A”carácter
-- ParidadParidad
de Trama:
“A”
1000011 1100110 1111001 1010101
C f y U
carácter
-- ParidadParidad
-- CHECKSUMCHECKSUM --
-- CRCCRC
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de caracteres: ParidadRedundancia de caracteres: ParidadSe 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 ‘1’ es par
Paridad Impar -> el nº de ‘1’ es impar
Paridad de marca (Mark) � el bit de paridad es siempre 1
Paridad de espacio (Space)� el bit de paridad es siempre cero
NO Paridad (None)� el bit de paridad no se utiliza y su
0 1 0 0 0 0 1 0
0 1 0 0 0 0 1 1
“A”
NO Paridad (None)� el bit de paridad no se utiliza y su valor se deja sin especificar
1 0 1 0 1 0 1
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de caracteres: Redundancia de caracteres: ParidadParidad
Transmitido Recibido0 1 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 0 0 1
0 1 0 0 0 0 1 1
0 0 0 0 0 0 1 1
0 1 0 1 1 1 0 1
Correcto
Er. detectado
Er. NO detectado
Err. detectado
Capacidad de detección muy baja (solo detecta errores que afectan a un numero impar de bits)a un numero impar de bits)
SOBRETASA: Un 10% del tiempo se malgasta transmitiendo bit de comprobación que no cumplen su cometido en un 40% de los casos (1 Start, 7 Datos, 1 paridad, 1 stop���� 10 bits)
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: ParidadParidad
Transmitido Recibido1 1 0 0 0 0 1 1
0 1 1 0 0 1 1 0
1 1 1 0 0 0 0 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 0 0 1 0 0 1
C
f
Y
UBCC
1 1 0 0 0 0 1 1
0 1 1 0 0 1 1 0
1 1 1 1 1 0 0 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 0 0 1 0 0 1
Error de dos bits en una fila
Error detectado0 0 0 1 0 0 0 1CHECK VALUE
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).
Error detectado0 0 0 1 0 0 0 1CHECK VALUE
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: ParidadParidad
Transmitido Recibido1 1 0 0 0 0 1 1
0 1 1 0 0 1 1 0
1 1 1 0 0 0 0 1
0 1 0 0 1 1 0 1
0 0 0 0 1 0 0 1
C
f
Y
UBCC
1 1 0 0 0 0 1 1
0 1 1 0 0 1 1 0
1 1 1 1 1 0 0 1
0 1 0 1 0 1 0 1
0 0 0 0 1 0 0 1
Error de dos bits en dos filas
Error NO 0 0 0 0 1 0 0 1CHECK VALUE
La mayor virtud es su sencillez pero tiene un alto porcentaje de fallos
Error NO detectado
0 0 0 0 1 0 0 1CHECK VALUE
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CHECKSUMCHECKSUM
Transmitido Recibido1 0 0 0 0 1 1
1 1 0 0 1 1 0
1 1 0 0 0 0 1
1 0 0 1 1 0 1
1 0 1 1 1 0 1 1 1
C
f
Y
UBCC
1 0 0 0 0 1 1
1 1 0 0 1 1 0
1 1 1 1 0 0 1
1 0 1 0 1 0 1
1 0 1 1 1 0 1 1 1
Error de dos bits en dos filas
1 0 1 0 1 1 1 1 1
Incrementa la presición
Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje)
Error detectado
1 0 1 0 1 1 1 1 1
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CHECKSUMCHECKSUM
Transmitido Recibido1 0 0 0 0 1 0
1 1 0 0 1 1 1
1 1 0 0 0 0 1
1 0 0 1 1 0 1
1 0 1 1 1 0 1 1 1
C
f
Y
UBCC
1 0 0 0 0 1 1
1 1 0 0 1 1 0
1 1 1 1 0 0 1
1 0 1 0 1 0 1
1 0 1 1 1 0 1 1 1
Error de un bits en dos
columnas
1 0 1 1 1 0 1 1 1
Incrementa la presición
Incrementa la sobretasa (depende de la longitud del mensaje)
Error NO detectado
1 0 1 1 1 0 1 1 1
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CRCCRC(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)
� Sobretasa idéntica a la suma de comprobación
� Método extremadamente potente (99,997% de los errores detectados)� Método extremadamente potente (99,997% de los errores detectados)
� Punto de arranque: Nº de bit deseado en el valor de comprobación (12, 32)
1000011 1100110 1111001 1010101 CRC CRC
C f y U
� DIVISION LARGA EN MODULO 2
� CRC-CCITT ���� X-Modem
� CRC-16 ���� Modbus-RTU
� CRC-12
Introducción a la transmisión digital de información
Redundancia de Bloques: Redundancia de Bloques: CRCCRC(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)(COMPROBACION DE REDUNDANCIAS CICLICAS)
���� DIVISION LARGA EN MODULO 2
���� 3.278.305.625101000011 1100110 1111001 1010101
C f y U
3.278.305.625/65.540 =50.019 con 60.361 de resto
Divisor de 17 bits ���� resto menor de 17 bits
3.278.305.625/65.540 =50.019 con 60.361 de resto
Divisor de 17 bits ���� resto menor de 17 bits
60.36110 = EBC916 = 1110101111001001260.36110 = EBC916 = 11101011110010012
“c” “f” “y” “U” 1110101111001001
Introducción a la transmisión digital de información
3.3.-- Control del flujo de información:Control del flujo de información:
Control de caracteres:ECOECOXON/XOFF
Control de Línea completa (PAQUETE):
ETX/ACK
Valor de comprobación
ETXDATASTXNúmero de secuencia de paquete
SOH
Campo de datos
Campo de servicios
comprobación paquete
Valor de comprobación
DATALENNúmero de secuencia de paquete
SOH
SOH: Start of Header, STX: Start of Text, ETX: End of text
Introducción a la transmisión digital de información
Solicitud de Repuesta Automática: ARQSolicitud de Repuesta Automática: ARQ
� Parada y EsperaEnvia un mensaje y espera respuesta
El receptor contesta si le ha llegado correctamente o noEl transmisor repite si no hay respuesta o si es negativa
Time-out: Tiempo de espera para dar por fallida la
comunicación
Retries: Cantidad de intentos que realiza el maestro
1
1
2
Emisor
Receptor
ACK
ACKNAQ
2
Introducción a la transmisión digital de información
Solicitud de Repuesta Automática: ARQSolicitud de Repuesta Automática: ARQ
� Parada y EsperaEnvia un mensaje y espera respuesta
El receptor contesta si le ha llegado correctamente o noEl transmisor repite si no hay respuesta o si es negativa
� ContinuoEnvía tramas numeradas y si falla pide ha partir de la errónea
Introducción a la transmisión digital de información
4.4.-- Métodos de acceso al medioMétodos 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
CODIGO FUNCION DIRECCIONAREA DE DATOSCRCMAESTRO
ESCLAVO n
AUTOMATA
PLC N.1 PLC N. 2PLC N.3
WinCC
MAESTRO
ESCLAVO n
TRAMA DE RESPUESTA
DIRECCION CODIGO FUNCION AREA DE DATOS CRC
Puerto de Comunicaciones
MAESTRO
ESCLAVO n
PROTOCOLO MOD-BUSMETODO DE ACCESO AL MEDIO: MAESTRO- ESCLAVO
DIRRECION CODIGO FUNCION AREA DE DATOS CRC
TRAMA DE PREGUNTA/ RESPUESTA
AUTOMATA
1 byte 1 byte N bytes 2 bytes
PLC N.1 PLC N. 2PLC N.3
WinCC
Mod-bus RTU:
Puerto de Comunicaciones
MAESTRO
ESCLAVO n
MODEN MODEN
Peer_to_Peer
MODEN MODEN
MODEN
Maestros
PC
Metodo de acceso al medio: PASO DE TESTIGO
PLCPC
PROFIBUS
Dispositivos de campo (Esclavos)
Introducción a la transmisión digital de información
Metodo de acceso al medioMetodo de acceso al medio: CSMA: CSMACarrier sense multiple accessCarrier 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 1 I/O 2 I/O 3
I/O 4
Introducción a la transmisión digital de información
� BA: Bitwise Arbitration• se transmite cuando el bus esta desocupado
Metodo de acceso al medioMetodo de acceso al medio: CSMACarrier sense multiple access
• se transmite cuando el bus esta desocupado
• si existe colisión :
�bit 0 es dominante
�bit 1 es recesivo
• el dominante continua transmitiendo
• es más eficiente que CSMA/CD
Introducción a la transmisión digital de información
CA: Collision Avoidance)
Metodo de acceso al medioMetodo de acceso al medio: CSMA/CACarrier sense multiple access
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
Introducción a la transmisión digital de información
5.5.-- Modelos de comunicaciónModelos de comunicación
¿Qué modelos de PROTOCOLO existen en el mercado?
¿Cuáles son sus diferencias?
1.- MODELO ORIGEN/DESTINO1.- MODELO ORIGEN/DESTINO
ORIGEN DESTINO DATOS CRC
Jerarquías:
Maestro/esclavoMaestro/esclavo
Entre iguales: Peer-to-peer (punto a punto)
Paso de testigo
¿Qué modelos de PROTOCOLOS existen en el mercado?
¿Cuáles son sus diferencias?
2.- MODELO PRODUCTOR/CONSUMIDOR2.- 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.
Introducción a la transmisión digital de información
5.5.-- Concepto de Bus de CampoConcepto de Bus de Campo5.5.-- Concepto de Bus de CampoConcepto de Bus de Campo
• Protocolo.
• Bus de comunicación.
• Bus de campo.
Introducción a la transmisión digital de información
Cuando el receptor y el emisor acuerdan de antemano Cuando el receptor y el emisor acuerdan de antemano observar unas reglas comunes que gobiernan el intercambio observar unas reglas comunes que gobiernan el intercambio de datos reciproco se ha establecido un protocolode datos reciproco se ha establecido un protocolo
¿QUÉ ES UN PROTOCOLO ?
de datos reciproco se ha establecido un protocolode datos reciproco se ha establecido un protocolo
Conjunto de reglas ���� PROTOCOLOControl del flujo
Control de errores
Método de acceso al medio
En un protocolo hay:
- Cooperación
- Acuerdo previo
Metafísicamente“HANDSHAKING”
apretón de manos
Introducción a la transmisión digital de información
DEFINICIÓN DE BUS: Línea de comunicación entre dos o más elementos que procesan información.
¿QUÉ ES UN BUS DE COMUNICACION ?
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 elemental. (maestro/esclavo, protocolo)•Nivel de transferencia de bloque. (Protocolo)
Introducción a la transmisión digital de información
Protocolos y líneas de comunicación usadas en las aplicaciones industriales
¿QUÉ ES UN BUS DE CAMPO ?
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:Buses de campo no propietarios o abiertos:Especificaciones publicas y disponiblesComponentes criticas disponiblesProceso de validación definido.
Introducción a la transmisión digital de información
El conjunto de todos los componentes físicos necesarios para establecer una vía
¿QUÉ CONTITUYE UN BUS DE CAMPO ?
físicos necesarios para establecer una vía de transmisión de datos así como los
procedimientos comunes asociados para intercambiar datos.
Sensorbuses fieldbuses
¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro?
• ASI
• CANbus
• LonWorks
• CANbus
• DeviceNet
• SDS
Sensorbuses
• IEC 61158
• PROFIBUS
• WorldFIP
fieldbuses
• Seriplex
• Sensoplex
• InterBus-S
• LonWorks
• ModBus
ControlNET Modbus ® Interbus
Typical
Applications
Process, Factory Process, Factory
Building AutomationProcess, Factory
Data Rate bits/s 5M Typ1.2K - 115.2K 500K
Communication Technique Producer/Consumer Master/Slave Master/Slave
Media Access Method CTDMA *3 Token Passing NoneMedia Access Method CTDMA *3 Token Passing None
Media Supported Co-ax, Fibre-Optic Twisted Pair Co-ax, Fibre-Optic
Max. No. of Addressable
Nodes
99 per link 247 per network 256 Stations
Deterministic *1 Yes No Yes
Intrinsically Safe No No No
Bus Powered? No No No
ASICs *2 Available Yes No Yes
Physical Layer Standard Generally based on differential Not Specified RS485Physical Layer Standard Generally based on differential
Manchester encodingNot Specified RS485
Applicable Standards BSI draft standard prov EN
50254
Modicon Protocol
PI-MBUS-300
Rev.E
DIN E 19258 prov EN
50254
Ethernet ® WorldFIP LONWORKS ®
Typical
Applications
Process, Data Process, Smart,
Building, Factory
Automation
Process, Building, Factory
Automation
Data Rate bits/s 10M 31.5K, 1M and 2.5M 300 to 1.25M
Communication
Technique
Master/Slave,
Peer to Peer
Producer/Consumer Master/Slave,
Peer to Peer
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. No. of Addressable
Nodes
400 per segment 256 per network 32,768 per domain
Deterministic *1 No Yes No
Intrinsically Safe No Yes Yes
Bus Powered? No Yes YesBus Powered? No Yes Yes
ASICs *2 Available Yes Yes Yes
Physical Layer Standard Unbalanced Voltage IEC/ISA/FF IEC
1158-2
Numerous
Applicable Standards IEE802.3,
ISO8802.3(10Bas
e-5)
EN 50170(Part 3) LonMark Interoperability
Association
Guidelines
CAN HART ® AS-Interface
Typical
Applications
Process, Building,
Factory, Vehicle
Automation
Smart Instrumentation Process, Building,
Factory
Automation
Data Rate bits/s To 1M 1200 167K
Communication
Technique
Producer/Consumer,
Peer to Peer
Master/Slave Master/Slave
Media Access
Method
CSMA/CD/NDA None Cyclic polling
Media Supported Twisted Pair,
Fibre-Optic
Twisted Pair Twisted Pair
Max. No. of
Addressable
Nodes
2^11, or 2^29 in
extended address
mode
15 per loop 31 per network
Deterministic *1 No No Yes
Intrinsically Safe No Yes NoIntrinsically Safe No Yes No
Bus Powered? No Yes Yes
ASICs *2 Available Yes Yes, partial Yes
Physical Layer
Standard
Balanced Differential
Voltage
4-20mA pair (f.s.k current
modulation)
Balanced Differential
Voltage
Applicable
Standards
ISO 11898 HART Protocol
Specification Rev 5.1
Physical Layer Rev 8.0
IEC947-5-2/D EN60947
DIN VDE 0660/208
Profibus DP FMS PA
Typical
Applications
Process, Factory Process, Factory Process, Smart
Data Rate bits/s To 1.5M and 12M 500K 31.25K
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. No. of Addressable
Nodes
127 per network 127 per network 127 per network
Deterministic *1 No No No
Intrinsically Safe No No Yes
Bus Powered? No No YesBus Powered? No No Yes
ASICs *2 Available Yes Yes Yes
Physical Layer Standard RS485 RS485 IEC/ISA/FF IEC 1158-2
Applicable Standards EN 50170(Part 2) DIN
19245 EN 50 254
EN 50170(Part 2) DIN
19245
DIN 19245
Sensorbuses fieldbuses
¿Cual es la mejor elección actual y para el futuro?
• ASI
• CANbus
• LonWorks
• CANbus
• DeviceNet
• SDS
Sensorbuses
• IEC 61158
• PROFIBUS
• WorldFIP
fieldbuses
• Seriplex
• Sensoplex
• InterBus-S
• LonWorks
• ModBus
1.- Realizar una evaluación de las aplicaciones y el tipo de control que se necesita.Tamaño de la red, Volumen de trafico, Rendimiento, Fallos de estaciones, Longitud del mensaje, Expansión.
2.- Comparar estas necesidades con las características de los fieldbuses disponibles.
ENFOQUE METÓDICO ANTE LA SITUACIÓN ACTUAL DE DIFERENTES
FIELDBUSES:
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?
DeterminismoRepetitibidadTiempo de respuesta
Gateways:¿Requiere de mas de un fieldbus el diseño propuesto?¿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.
- Definida por: Distribución del cable que interconecta los diferentes interlocutores.
- Las diferentes estaciones son los nodos de la red.
Topología de la red
ESTRUCTURA GEOMETRICA BASICA
- 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.La capacidad de expansión.
No 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