Arquitectura y Estándares de Comunicación en Automatización Industrial

1. Sistemas de Control Industrial: Evolución y Arquitectura

Control Centralizado

Control Centralizado: Hasta los años 60, se caracterizaba por su lógica cableada a base de relés, condensadores y resistencias, utilizando señales analógicas de 4 a 20 mA. Todas las señales se llevaban a un armario, ubicado cerca de la planta en el centro de control. Las señales eran guiadas mediante cables.

Los inconvenientes de este control eran:

• Gran cantidad de cables (alimentación y señales).
• Interferencias.
• Caídas de tensión.
• Mantenimiento complicado.

Control Distribuido (DCS)

Control Distribuido (DCS): Aparecen dispositivos con microprocesador, como los PLCs (Controlador Lógico Programable), y los cambios se programan sin necesidad de sustituir hardware. Los sistemas complejos se subdividen: los controladores son propios de cada subsistema y se ubican junto a cada planta.

La comunicación entre subsistemas es digital a través de buses de campo, siendo este el único medio para transmitir todas las señales. Esto ofrece varias ventajas:

• Reducción del número de cables.
• Programación a distancia.
• Supervisión remota.
• Posibilidad de realizar diagnósticos.
• Acceso sencillo a la información.

2. Pirámide de Comunicación Industrial y Modelo OSI

Pirámide de Comunicación Industrial (CIM)

CIM (Computer Integrated Manufacturing): Implementa el sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). La información se almacena en BD (Bases de Datos) y es accesible desde toda la empresa, permitiendo la evaluación de estrategias a nivel global (procesos productivos, recursos humanos, logística, etc.).

Los niveles de comunicación se definen según el volumen de datos y la exigencia de respuesta rápida:

• Nivel de Oficina: Volumen de datos muy grande / Exigencia de respuesta pequeña. (Menor número de dispositivos).
• Nivel de Planta: Volumen de datos grande / Exigencia de respuesta media.
• Nivel de Célula: Volumen de datos medio / Exigencia de respuesta grande.
• Nivel de Campo: Volumen de datos pequeño / Exigencia de respuesta muy grande. (Mayor número de dispositivos).

5.1 Modelo OSI (Open System Interconnection)

El Modelo OSI (ISO/IEC 7498-1) es el modelo de referencia para los protocolos de red de arquitectura en capas, definiendo 7 niveles:

1. Capa Física: Define las características del medio físico (mecánicas, conectores, eléctricas, formas de señales eléctricas), las topologías aceptadas y los modos de emisión.
2. Capa de Enlace: Crea los paquetes de datos (longitud adecuada del paquete, detección y corrección de errores). Especifica el acceso al bus. Se puede subdividir en LLC y MAC.
3. Capa de Red: Se encarga del direccionamiento (routing), la fragmentación y la selección de distintas rutas. Controla el flujo.
4. Capa de Transporte: Establece un enlace fiable entre terminales (orden de envío y recepción, petición de reenvío si hay error o pérdida de paquetes). Actúa como frontera entre las capas de subred y aplicación.
5. Capa de Sesión: Administra las comunicaciones entre equipos (organización: establecimiento, mantenimiento y finalización). Incluye la compresión de datos y el sincronismo en el intercambio de datos.
6. Capa de Presentación: Realiza la conversión de datos a un formato común (ordenación de bytes, juego de caracteres como ASCII, EBCDIC, compresión de datos). No suele aparecer, ya que su funcionalidad la realiza la Capa 7.
7. Capa de Aplicación: Da acceso a la red a las aplicaciones (transferencia de ficheros, correo electrónico, navegación web, etc.).

Nota: No siempre es posible reconocer los 7 niveles, ya que depende del tipo de comunicación.

Estándares Industriales Complementarios al OSI

Estándar ISA/SP 50

• SP 50.1: Define el estándar analógico 4-20 mA.
• SP 50 (Señales Digitales): Implementa solo tres niveles OSI (Físico, de Enlace y de Aplicación).
• Nivel de Usuario: Agregado para permitir la intercambiabilidad de instrumentos y la gestión de bases de datos.
• Capa de Supervisión (Niveles 1-7): Agregada para monitorización, parametrización y configuración.

Protocolo CIP (Common Industrial Protocol)

El Protocolo CIP (Common Industrial Protocol) busca unificar la gestión de dispositivos conectados a distintos tipos de redes. Utiliza una aproximación basada en objetos (perfiles o clases de distintos dispositivos), definiendo sus atributos, servicios y comportamientos.

3. Capa Física: Medios, Ruido y Transmisión

5.2 Capa Física

La Capa Física se encarga del intercambio de información y el transporte de energía, utilizando medios como cables, fibra óptica, enlaces ópticos o radiofrecuencia.

Ruido Eléctrico y Acoplamiento

El ruido eléctrico se debe a la suma de dos factores: fuentes de ruido que producen cambios rápidos en el voltaje o en la corriente (ej. arranque de grandes motores, tubos fluorescentes, rayos, subidas de tensión, equipos de soldadura) y el mecanismo que acopla la fuente con el circuito afectado. Hay varios tipos de acoplamiento:

• Acoplamiento por Impedancia: Ocurre cuando varios circuitos comparten conductores comunes. Solución: Utilizar un cable de retorno para cada señal.
• Acoplamiento Capacitivo: La magnitud del ruido depende de la longitud afectada, la distancia a la fuente (inversamente), la amplitud y la frecuencia de variación del voltaje de ruido.
  • Reducción: Separar los hilos de la fuente, reducir la amplitud y frecuencia del ruido, apantallar los hilos (debe estar conectado a tierra en un solo punto) y trenzar los hilos (se cancela el efecto de cada hilo del par).
• Acoplamiento Inductivo: Similar al capacitivo, pero depende de la variación de intensidad.
  • Reducción: Trenzar pares (reduce el área, las corrientes inducidas se cancelan) y apantallar (la pantalla genera un campo magnético opuesto, sin necesidad de conectarla a tierra).
• Radiación en Radiofrecuencia: Induce acoplamientos capacitivos e inductivos.
  • Reducción: Apantallar (evitando que el conductor actúe como antena) y colocar condensadores (dirigen voltajes inducidos a tierra).
• Aislamiento: Un circuito puede aislar a otro para evitar el paso de ruidos. Se realiza por optoacoplamiento o por transformador (siendo este último mejor para transitorios muy rápidos).

Medios de Transmisión

Cable Eléctrico

Formado por conductores (sólidos gruesos o hilos finos enrollados), un aislante que los rodea y una cobertura externa que mantiene los elementos unidos y protege del ambiente.

Cable Coaxial

Formado por un núcleo de cobre, aislante dieléctrico, malla conductora y cubierta protectora. Su impedancia depende de los diámetros y las propiedades del dieléctrico.

• Ventajas: Multitud de aplicaciones (voz, datos, video), fácil de instalar, precio razonable.
• Inconvenientes: Se daña con facilidad, más difícil de trabajar que el par trenzado, conectores caros.
• Problemas Típicos: Circuito abierto o cortocircuito en conectores, error en la impedancia.

Cable de Par Trenzado

Consiste en pares de 2 conductores aislados enrollados (unas 40 vueltas por metro). Puede ser sólido o de hilos finos de cobre. Se clasifica por su pantalla:

• UTP (Unshielded Twisted Pair): Sin pantalla.
• STP (Shielded Twisted Pair): Malla para todos los pares.
• ScTP o FTP: Hoja alrededor de todos los pares.
• U/FTP: Hoja alrededor de cada par.
• S/FTP: Hoja alrededor de cada par y malla para todos.

Formado por varios pares (2, 4, 6, 8, 25, 50 o 100) y cobertura (PVC, Teflón o Kynar).

• Ventajas: Facilidad de conexión. STP ofrece buen bloqueo de interferencias. UTP es barato y fácil de instalar.
• Inconvenientes: STP puede ser voluminoso y de difícil manejo. UTP tiene más interferencias que el coaxial o la fibra óptica.
• Problemas Típicos: Atenuación excesiva (demasiado largo), cruce de pares (error en el conector), diafonía (crosstalk) entre pares.

Fibra Óptica

Utiliza señales luminosas a través de un núcleo de material transparente. Los cables agrupan varias fibras.

• Tipos: Monomodo (un único haz paralelo al eje) y Multimodo (varios haces con distinto ángulo).
• Ventajas: El núcleo absorbe poca energía, gran ancho de banda, inmunidad electromagnética, muy ligera y flexible.
• Inconvenientes: Transmisores y receptores caros, conexionado complicado, fragilidad de las fibras.

Modos de Emisión y Transmisión

Sistemas de Transmisión

En cables, la transmisión puede ser por:

• Niveles de Tensión: Limitada por la longitud del cable (el aumento de la capacitancia conlleva la desaparición de armónicos). Las perturbaciones eléctricas afectan directamente.
• Corriente: Más robusta a perturbaciones. El estándar 4-20 mA se utiliza para señales analógicas.
• Señal Modulada: Utiliza una señal osciladora.
  • Banda Base: Variación de tensión según los datos.
  • Portadora: Señal sinusoidal modificada en amplitud, frecuencia o fase.

Modos de Transmisión

• Paralelo: Formado por varios conductores. Los datos se envían simultáneamente a gran velocidad, pero con distancia limitada. Ejemplo: Bus interno del ordenador, bus ISA, bus PCI.
• Serie: Formado por un único par de hilos. Los datos se envían multiplexándolos en el tiempo. Requiere temporización:
  • Síncrono: Se envía señal de reloj (SPI).
  • Asíncrono: Sin reloj (RS-232, RS-422, RS-485).

Codificación de la Información

Es la forma en la que se expresa cada bit, como variación de voltaje o intensidad para la transmisión. Las formas más utilizadas son:

• Codificación Directa: Un nivel para cada bit.
• Codificación Manchester: Cada bit se representa con un flanco.

Topologías de Red

La topología define la distribución de equipos alrededor del medio. Existen 5 tipos principales:

• Estrella: Todos los equipos conectados a un nodo central (HUB).
  • Características: Un fallo en el HUB paraliza la red. La ampliación está limitada a la capacidad del HUB. Necesita mayor cantidad de cableado. Sencillez de mantenimiento.
• Anillo: El paso de la información se realiza mediante un testigo.
  • Características: Reconocimiento automático. La señal se regenera en cada nodo. Un fallo en un nodo interrumpe el tráfico. No es ampliable en funcionamiento. El diagnóstico es difícil.
• Bus: Segmento de cable donde se conectan todos los equipos.
  • Características: Menor longitud de cable. Permite conectar y desconectar equipos sin afectar la caída de otros. Elevada velocidad de transmisión. Si se sobrecarga, baja el rendimiento.
• Árbol: Mezcla de bus, anillo y estrella.
• Malla: Cada nodo se une a varios.
  • Características: Alta fiabilidad. Mayor coste y mayor cableado.

Extensión de la Red

• WAN (Wide Area Network): Cubre necesidades internacionales.
• MAN (Metropolitan Area Network): Escala de una ciudad.
• LAN (Local Area Network): Redes de área local limitadas a 1 km.

4. Capa de Enlace y Control de Acceso al Medio

5.3 Capa de Enlace

Sentido de la Comunicación

• Simplex: Un equipo es emisor y otro receptor. La información fluye siempre en el mismo sentido.
• Half-duplex: Comunicación entre dos puntos en ambos sentidos, pero nunca simultáneamente.
• Full-duplex: Comunicación bidireccional y simultánea.

Emisores y Receptores

• Punto a Punto: Cada paquete tiene un único destinatario. Si hay varios destinatarios, se envían varios mensajes (ineficiencia e inexactitud temporal).
• Difusión (Broadcast): Mensaje para todos. El paquete enviado se identifica con una etiqueta (todos los interesados pueden leerlo, acceso simultáneo y sincronismo, economiza recursos con un único envío).

Organización de Nodos

• Maestro-Esclavo: Un único equipo controla la red, de forma permanente o temporal. Se encarga de iniciar la comunicación y los esclavos contestan a sus peticiones.
• Cliente-Servidor: Los nodos proporcionan un servicio. Los nodos clientes lo solicitan y los servidores responden. Los nodos pueden ser a la vez servidor y cliente.
• Productor-Consumidor: Se basa en la difusión. Se emite un mensaje cuando se considera necesario.

Subcapas de la Capa 2 (Enlace de Datos)

• LLC (Logical Link Control): El enlace es una unión lógica entre estaciones. Puede ser:
  • Estático: Activo todo el tiempo (cuando sobran recursos).
  • Dinámico: Cambia de interlocutor (se aprovechan mejor los recursos).
• MAC (Media Access Control): Control de acceso al medio.

MAC: Control de Acceso al Medio

• Polling: El maestro consulta a los esclavos. La comunicación entre esclavos se realiza a través del maestro.
• Multiplexado Temporal (TDMA): Se envía un único paquete para todos los esclavos. Los esclavos saben qué parte del paquete es para ellos (la leen y la modifican).
• Token Determinista: Un testigo de permiso pasa entre estaciones. El tiempo de posesión es determinado (se conoce el tiempo máximo de circulación). Variantes: Token-Ring, Token-Bus.
• Token Estocástico (CSMA): Cualquier estación puede emitir.
  • Arbitraje por Prioridad (AMP): El identificador contiene la prioridad. Si hay colisión, el que emite con el identificador más prioritario continúa y el otro se detiene.
  • Detección de Colisión (CD): Si hay colisión, las tramas se pierden (se espera un tiempo aleatorio para el reenvío). Las colisiones aumentan con el número de estaciones (saturación).
  • Evitación de Colisiones (CA): Se envía una trama especial de reserva del bus.

5. Interconexión de Redes y Comunicaciones Seriales

5.4 Interconexión de Redes

• Repetidor (Capa Física): Regenera señales eléctricas para alargar el segmento. Son bidireccionales. Pueden usarse para cambiar el medio o la norma. Los Hubs son buses con topología estrella. No necesitan configuración. No resuelven problemas de tráfico (retransmiten colisiones o información errónea).
• Puente (Capa de Enlace): Conocidos como Switch o Bridge. Unen redes del mismo tipo o protocolo.
  • Procedimiento: Almacenar el paquete recibido, analizarlo, eliminar el erróneo y enviarlo al destinatario solo si está en distinta rama.
• Router (Capa de Red): Une redes de igual protocolo, aunque tengan distinta configuración o estructura.
• Pasarela (Capa de Red): Conocidos como Gateway. Unen redes de distinto protocolo.
  • Funcionalidades: Almacenar paquetes a nivel de transporte, adaptación de formatos al destino, envío a la red y estación de destino.

5.5 Comunicaciones Paralelas y Seriales

Comunicación Paralela

Todos los bits están disponibles simultáneamente.

• Arbitraje Simple: Dato disponible.
• Arbitraje Completo: Listo para recibir, dato disponible.
• GPIB (IEEE-488): Bus de comunicaciones para instrumentación, 8 bits de datos, 5 bits de dirección.

Comunicación Serial

Utiliza multiplexación temporal (cada bit dura un cierto tiempo).

• Serial Síncrona: Con señal de reloj (reloj generado por un dispositivo maestro, SPI).
  • Con reloj incorporado en los datos: Codificación Manchester (un flanco en cada bit), caracteres de sincronismo al principio y al final (el receptor puede determinar el reloj).
• Serial Asíncrona: Sincronización a partir de la señal. El envío puede comenzar en cualquier momento. Requiere acuerdo en la velocidad de transmisión.
  • Estructura (UART): Bit de start, 7 u 8 bits de datos, bit de paridad (opcional), bit de stop.

Estándares Seriales Industriales

• Serial RS-232 (EIA-232): Surgió en 1969 para unir terminales (DTE) y módems (DCE). Utilizado por IBM en los PCs.
  • Líneas de datos: TxD y RxD.
  • Líneas de control (voltajes invertidos): RTS, CTS, DSR, DTR, CD.
  • Limitaciones: Transiciones <4% del periodo del bit. La capacidad del conductor deforma la señal. Velocidad medida en baudios. Conectores DB-25 (estándar) y DB-9 (IBM).
• Serial RS-422 (EIA-422):
  • Diferencias con RS-232: Usa señales diferenciales mediante 2 hilos, sin punto de referencia a masa. Rango de voltajes inferior, mayor velocidad y mayor distancia.
  • Estructura: Permite estructura bus (hasta 32 estaciones, maestro-esclavo, resistencia terminadora).
• Serial RS-485 (EIA-485):
  • Diferencias con RS-422: Solo 2 conductores (D+, D-). Tercer estado (alta impedancia si no está enviando). Todos los equipos pueden emitir (todos reciben).
  • Capacidad: Hasta 256 equipos (con receptores de alta impedancia).

6. Buses de Campo (Fieldbuses)

Requisitos de un Bus de Campo

Un bus de campo debe cumplir los siguientes requisitos:

• Integración de Datos: Distintos tipos de datos para distintos dispositivos.
• Integración de Dispositivos: Distintos tipos de fabricantes.
• Tiempo Real: Ciclo de bus conocido (determinista).
• Eficiencia del Protocolo: Poca sobrecarga.
• Seguridad: Inmunidad a perturbaciones, velocidad no muy alta.
• Otros: Ampliable, diagnosticable, disponible en el mercado.

Buses de Campo de Bajo Nivel

MAP (Manufacturing Automation Protocol)

Desarrollado por General Motors en 1980.

• Capa Física: Modulación portadora FSK (Frequency Shift Keying).
  • Banda Ancha: Varias frecuencias por cable, varios canales (hasta 10 Mbits/s por canal).
  • Banda Base: Más barata (hasta 5 Mb/s, un solo canal por cable).
• Acceso al Medio: Método de paso por testigo (Token).
• Capa de Aplicación: FTAM (transferencia de ficheros), MMS (interconexión de sistemas robóticos), ACSE (comunicación entre programas).

TOP (Technical Office Protocol)

Desarrollado por Boeing. Comparte muchos puntos en común con MAP.

• Capa Física: Ethernet, Token-Bus, Token-Ring, Fibra Óptica.
• Capa de Aplicación: ACSE, FTAM, CCITT X.400 (correo electrónico).

Interbus

Muy difundido, optimizado para E/S numérica.

• Capa Física: Monomaestro, 512 esclavos. Topología anillo activo (bus remoto, bus local). Asignación de direcciones por posición en el bus (evita errores). Medios: doble par RS-485 + Vcc, Fibra Óptica, Infrarrojos. Velocidad: 500 Kbits/s.
• Trama Aditiva: Datos para todos los esclavos (según posición en el bus), longitud fija (tiempo de ciclo fijo, determinista). Fiable (la trama regresa al maestro). Inmune (baja velocidad y uso de fibra óptica). Permite la desconexión de ramas en funcionamiento.

HART

Utiliza tendidos 4-20 mA (rentabiliza la inversión con FSK en el rango ±0,5 mA). Permite dispositivos inteligentes (parámetros, estado, ajustes).

• Conexión: Hasta 15 dispositivos a un cable (solo transmisión digital, 0-4 mA). Hasta 3 km.
• Modos de Comunicación: Maestro-esclavo, modo difusión (si hay un único dispositivo).
• Nivel de Aplicación: 3 niveles de comandos: universales (leer fabricante, variable principal, valor en porcentaje), habituales (leer hasta 4 variables dinámicas, fijar periodo de muestreo, realizar testeo, fijar función de transferencia), específicos del instrumento.

AS-Interface

Creado en 1994 por 11 fabricantes (Siemens, Omron, Festo, etc.). Estándares: EN 50295, IEC 62026/2, IEC 947. Orientado a sensores y actuadores binarios (un bit por elemento), no a señales analógicas.

• Direccionamiento: Dirección de esclavos en memoria no volátil asignada por el maestro.
• Dispositivos: Tarjetas maestro para PLCs, conectores para RS-232/422/485, pasarelas Profibus, tarjetas para PC y configuradores manuales.
• Capa Física: Cable de 2 hilos sin trenzar (amarillo: alimentación y comunicación; rojo/negro: alimentación auxiliar 220 Vac/24 Vdc). Conectores vampiro. Consumo: hasta 65 mA por dispositivo. Topología flexible: estrella, bus, árbol.
• Capa de Enlace: Protocolo maestro-esclavo (único maestro). Hasta 31 esclavos (124 entradas y salidas digitales). Ciclo determinista de 5 ms. Codificación Manchester de onda sinusoidal (gran robustez).

CAN y CANopen

CAN (Controller Area Network): Surgió en 1986 de Bosch para reducir el cableado de los automóviles, estandarizado en 1993. Utilizado en aplicaciones industriales (transporte público, control industrial, automatización de edificios) por su robustez y eficacia.

CANopen:

• Modo de Trabajo: Difusión (broadcast). Mensajes con ID (no dirección), sin maestro.
• Características: Paquetes de hasta 8 bytes de datos. Sistema de prioridades no destructiva. Desconexión de nodos defectuosos. Velocidades máximas: 1 Mbps a 30 m, 10 kbps a 5 km (depende de la topología y número de dispositivos).
• Capa Física: Medio: par trenzado de 2 o 4 hilos, resistencia terminadora de 120 ohm. Transmisión diferencial NRZ (Non Return to Zero). Niveles: dominante (0, diferencia 2V), recesivo (1, no hay diferencia). Topología: Cadena (Daisy chain), derivaciones (Droplines), Mixto. Conectores: DB9, RJ45, Abierto, Mini-Din 5 pines.
• Capa de Enlace: Estructura del paquete: identificador de 11 bits, RTR (solicitud de transmisión). Fragmentación: si los datos son > 8 bytes, se transmiten 7 bytes de datos por paquete, usando el primer byte para especificar la secuencia.
• Acceso al Medio: Arbitraje con prioridad a bit (se hace la Y-lógica, 0 más prioridad que 1). Cada nodo escucha a la vez que envía.
• Gestión de Errores: Bit ACK emitido recesivo (1), debe ser activo dominante por algún receptor. Trama de error si un receptor no reconoce la trama.
  • Estados de Error: Error Activo (TEC y REC < 128, envío de error). Error Pasivo (TEC y REC > 128, no envía trama de error). Bus-OFF (TEC > 255, desconectado del bus).
• Capa de Aplicación: Especificaciones a cumplir por dispositivo (DS301, perfil básico; DS4XX, objetos de comunicación según tipo). Perfil: define datos mínimos (diccionario de objetos, indexado). Cada dispositivo debe tener EDS (hoja de datos electrónica).
• Protocolos: No hay direcciones, sino identificadores COB-ID (4 bits número de nodo, 7 bits de servicio).
  • PDO: Objetos de proceso (tareas cíclicas en tiempo real, sin confirmación, productor-consumidor, configurables).
  • SDO: Objetos de datos (tareas de baja prioridad, acíclicas, maestro-esclavo, usado en configuración).
  • SFO: Objetos funcionales especiales (sincronización, emergencia y errores).
  • MNT: Gestión de red (700-77F).
• CAN FD (CAN Flexible Data-rate): Mejora del CAN (transmite a más de 1 Mbit/s, hasta 64 bytes). La velocidad se puede aumentar en la sección de datos.

DeviceNET

Desarrollado a principios de los 90 por Allen Bradley, basado en bus CAN y mantenido por ODVA. Utilizado por compañías americanas. Utiliza el modelo maestro-esclavo a pesar de usar bus CAN.

Buses de Campo de Alto Nivel

Profibus (PROcess FIeld BUS)

Nació en 1989 por fabricantes alemanes. Normas EN50170, IEC 61158. Extendido globalmente.

• Perfiles:
  • FMS (Field Message Specification): Nivel OSI 7, gran transferencia de datos.
  • DP (Periferia Descentralizada): Niveles 1 y 2 sobre RS-485, volumen medio de datos.
  • PA (Process Automation): DP ampliado, para zonas de seguridad intrínseca (reducción de voltajes y corrientes).
• Tipos de Dispositivo: Maestros (estaciones activas) y Esclavos (estaciones pasivas).
• DP Maestros: DPM1 (funcionamiento normal, PLCs), DPM2 (programación, configuración y diagnóstico).
• Transferencia DPM1 a DP-Slave: Modo cíclico envío-recepción.
  • Modo ‘Sync’: Esclavos congelan sus salidas; en el siguiente ‘Sync’ vuelcan sus salidas a campo.
  • Modo ‘Freeze’: Esclavos congelan sus entradas; los datos se actualizan solo al recibir ‘Freeze’.
  • Gestión de Fallos: Si la respuesta se retrasa (modo CLEAR, fija salidas a modo seguro). Temporización en esclavos (fija sus salidas a modo seguro).
• Nivel Físico (EIA-485): Bus terminado en ambos extremos, cable de par trenzado apantallado. Velocidad entre 9,6 kbps (1200 m) y 12 Mbps (100 m). Con repetidores, hasta 4800 m y 127 estaciones.
• Nivel de Enlace (Acceso al Medio):
  • Testigo (Token): Entre maestros, en orden ascendente de direcciones. El maestro de ID más bajo inicia el proceso.
  • Muestreo (Polling): Solo el maestro que tiene el testigo consulta a los esclavos asignados y a otros maestros.
• Transmisión: Mensaje a un destinatario, broadcast (para todos) o multicast (para un grupo). Tipos de envío: SDA (con confirmación), SDN (sin confirmación), SRD (con respuesta), CSRD (cíclico con respuesta).
• Nivel de Aplicación (FMS): Se ve como proveedor de servicios (confirmados o sin confirmar). Servicios: establecer conexión, acceso a variables/arrays/listas, acceso a bloques de memoria, invocación de programas, gestión de eventos (alarmas), envío de informes en difusión.

Modbus

Desarrollado inicialmente por Gould Modicon (actualmente Schneider Electric). Estándar abierto (de facto) muy usado. No define nivel físico, pero suele implementarse sobre EIA-232/485. Actualmente migrando a Modbus/TCP.

• Organización: Maestro-esclavo. Cada dispositivo tiene una dirección. Los dispositivos tienen registros (se puede solicitar o fijar su valor).
• Modos de Transmisión: Modbus ASCII (datos en ASCII, Modbus-A), Modbus RTU (datos en binario, Modbus-B).
• Estructura del Mensaje:
  1. Campo 1: Dirección de esclavo (1 byte, 1 a 247).
  2. Campo 2: Función a realizar (1 byte). En la respuesta, se devuelve igual si es exitosa o con el MSB a 1 si hay error.
  3. Campo 3: Datos (tamaño variable).
  4. Campo 4: CRC 16 (2 bytes).
• Funciones de Lectura de Datos: 01 (salidas discretas DOs), 02 (entradas discretas DIs), 03 (registros analógicos de salida), 04 (registros analógicos de entrada).
• Funciones de Escritura de Datos: 05 (una salida discreta), 15 (múltiples salidas discretas), 06 (un registro analógico de salida), 16 (múltiples registros analógicos de salida).
• Rangos de Memoria: 1-10000 (DOs), 10001-20000 (DIs), 30001-40000 (AI), 40001-50000 (AO).
• Modbus/TCP: Empaqueta RTU en TCP. Añade Transaction ID, Protocol ID, Length. Cambia Slave ID por Unit ID. Elimina CRC.
• Modbus Plus: Comunicación entre varios segmentos. Paso de testigo (el que lo tiene se convierte en maestro).

Ethernet Industrial y Profinet

Ethernet Estándar

Desarrollado por Xerox a mediados de los 60. Estándar IEEE 802.3. Define Capa Física y de Enlace. Hoy es la red más utilizada (estándar, fiable y barata), entrando rápidamente en el mundo industrial.

• Medios (IEEE 802.3): 10Base5 (coaxial grueso), 10Base2 (coaxial fino), 10BaseT (UTP), 10BaseF (fibra óptica).
• Señales: Codificación Manchester (flancos de subida ‘0’, flancos de bajada ‘1’).
• Acceso al Medio (Half-duplex): CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). El nodo espera bus inactivo, comienza la transmisión y escucha. Si detecta colisión, espera un tiempo aleatorio antes de reintentar.
• Fast Ethernet (100 Mbps, 802.3u): 100BaseTX, 100BaseFX. 802.3x utiliza Full-duplex (no hay colisiones, el HUB debe ser switch).

Ethernet Industrial

Utiliza Capa 1 y 2 de buses tradicionales (Modbus/TCP, Ethernet/IP, ProfiNET, Foundation Fieldbus HSE).

• Conectores: RJ45 (poco adecuados en ciertos ambientes), M12 (IEC61076, resistentes a polvo, temperatura, vibraciones).
• Determinismo: El CSMA/CD es indeterminista (colisiones). El problema se reduce con Gigabit Ethernet, switches y full-duplex.
• Sobrecarga: El protocolo añade muchos bytes (para transmitir 2 bytes necesita 60 bytes más). Problema mitigado con altas velocidades (100 Mbps, 1 Gbps).
• Mejoras para la Industria:
  • Ruidos: Elegir medio adecuado (FTP, ScTP o fibra óptica) y alejar el tendido de las fuentes.
  • Particionado: Separar de redes de oficina (por seguridad y velocidad).
  • Alta Disponibilidad: Switches avanzados (VLAN, QoS), dispositivos con doble tarjeta de red, anillos redundantes entre HUBs, fuentes de alimentación redundantes, cambio de elementos en funcionamiento (hot-swap).

Profinet

Evolución de Profibus basado en Ethernet. Única tecnología a todos los niveles (Profibus-DP, Profibus-FMS). Uso de TCP/IP.

• Ventajas: Conexión de más nodos, rendimiento hasta 100 veces mejor, acceso a datos con herramientas de oficina, comunicación inalámbrica con Wireless LAN.
• Rendimientos sobre Ethernet:
  • NRT (Non Real Time): Acíclica sin prioridad de tiempo (TCP/IP ≈ 100 ms).
  • RT (Real Time): Cíclica con prioridad de tiempo (≈ 10 ms). No usa TCP/IP, reduciendo la sobrecarga.
  • IRT (Isochronous Real Time): < 1 ms. Requiere hardware de red específico y ventanas de tiempo (solo en el mismo segmento).

7. Protocolos de Internet (TCP/IP)

Protocolos de Internet

Protocolo IP (Internet Protocol)

Protocolo estándar de internet (IPv4), definido en los RFC. Define la Capa de Red (Nivel 3). Se encarga de enviar paquetes (datagramas) entre máquinas (hosts), fragmentando si es necesario, según su dirección IP.

• Direccionamiento: 32 bits = 4 bytes (notación puntos decimales: 193.145.98.254). Bits más significativos: identificador de red. Bits menos significativos: identificador de host.
• CIDR (Classless Inter-Domain Routing): Surgió en 1993, añade indicación de bits de red (193.145.98.0/24). Esquema jerárquico de reparto.
• Rangos Reservados: Redes privadas (10.0.0.0/8, 172.16.0.0/16, 192.168.0.0/16), Loopback (127.0.0.0/8), Multicast (224.0.0.0/4), Broadcast (255.255.255.255).
• Cabecera: Incluye campos como versión (4 o 6), IHL (longitud de la cabecera), Identification, Fragment Offset, Flag (fragmentado y reconstrucción), Protocol (capa superior), TTL (Time To Live, máximos saltos).

ARP (Address Resolution Protocol)

Se usa para convertir el número IP a la dirección de la capa física (Dirección IP – Dirección Ethernet). Envía broadcast Ethernet solicitando la dirección Ethernet de cierta IP. El propietario contesta y la información se guarda en caché ARP. Solo para direcciones en la misma red.

DNS (Domain Name System)

Sistema jerárquico de nombre de dominio. Información almacenable:

• A: Dirección IP asociada al nombre.
• NS: Servidor de subdominio.
• SOA: Información de una zona.
• MX: Servidor de correo del dominio.
• CNAME: Alias de un nombre.

Resolución inversa (PTR) (in-addr.arpa.) no siempre disponible. Servicios DNS: búsqueda en DNS (servidor primario y secundarios, tiempo de validez).

DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol)

Protocolo para la configuración dinámica de los parámetros de red IP (Broadcast sobre UDP). Parámetros mínimos: dirección IP, máscara de red, routers, servidores de nombre. Otros parámetros: servidor de tiempo, nombre de la máquina, servidor de impresión, servidores WINS.

Capa de Transporte

Principales protocolos:

• ICMP: Usado para diagnóstico y control (generado por errores, utilidades: ping y traceroute).
• IPsec: Encriptación y autenticación (a nivel IP).
• UDP (User Datagram Protocol).
• TCP (Transmission Control Protocol).

Definen su propia cabecera, que se añade a los datos de la capa superior.

Protocolo UDP (User Datagram Protocol)

Para envíos sin conexión ni confirmación (orientado a transacción). Hay CRC para comprobar errores en los datos. Poca sobrecarga. Se utiliza cuando no es necesario mantener la conexión, en servicios de tiempo real o cuando la retransmisión no tiene sentido (streaming).

• Puertos (Sockets): 16 bits (0 a 65535). Puertos reservados (< 1024).
• Servicios Típicos: DHCP (67 y 68), DNS (53), NFS (111 y 2049), Bootp (67 y 68), TFTP (69), SNMP (161), NTP (123).

Protocolo TCP (Transmission Control Protocol)

Proporciona una conexión fiable, ordenada (bytes numerados), protegida de error (CRC), con control de flujo (ventana deslizante) y persistencia (asegura conexión activa). Es más complejo y genera más sobrecarga que UDP.

• Puertos (Sockets): 16 bits (0 a 65535). Puertos reservados (< 1024).
• Servicios Típicos: FTP (20), Telnet (23), SSH (22), SMTP (25), HTTP (80), SSL (443).