Comunicaciones con autómatas programables en un sistema de control de procesos (1ª PARTE)

La comunicación ha llegado a ser una parte principal en cualquier sistema de automatización de procesos. Hoy en día la comunicación de PLCs es tanto adquisición de datos como control de planta. La primera cosa que el diseñador a menudo se pregunta es cómo? Pero lo primero que debería preguntarse es por qué?

Antes que uno pueda considerar cómo implementar un sistema de comunicación, uno tiene que considerar cuál es el objetivo final. Cuál es la importancia de los datos, cuál es la cantidad de volúmenes de datos que se transfieren y con qué frecuencia se requieren los datos. Una vez se conoce esta información, podremos decidir cómo hacerlo.

Topologías

La topología de una red se refiere a la estructura de la red, es decir, como las máquinas, participantes o usuarios, están conectadas.

La topología más simple es punto a punto – una conexión simple entre dos máquinas. Esto generalmente trabaja muy bien en pequeñas instalaciones. Cuando la instalación crece y se requiere comunicación entre todos los participantes de un sistema, la configuración llega a ser muy confusa (ver siguiente figura). Esto comúnmente se conoce como topología mesh. Como vemos en la figura, para conectar 8 usuarios se requieren 28 líneas y por lo tanto 56 interacciones. Esto es claramente muy caro en hardware e instalación.

Para ir más allá, se desarrolló la red de área local (LAN). El concepto aquí es tener una interface de comunicación por usuario, y un cable simple (o medio) conectando todos los laboratorios. Físicamente esto se consigue utilizando una cadena árbol o cadena daisy según vemos en las siguientes figuras.

Ilustración 1. Topología árbol

Ilustración 2. Topología de cadena Daisy 

También es necesario en algunas aplicaciones usualmente restringida por una distribución geográfica configurar una red en una topología de estrella.

Después del desarrollo de una comunicación de tipo bus inmediatamente se elevó el problema de controlar el bus. En comunicación punto a punto el control es un control de tipo maestro-esclavo. Esto trabaja bien, ya sea si falla el usuario, ninguna comunicación tiene lugar en modo alguno. En una configuración de bus, sin embargo, éste no es siempre el caso. Para instalaciones donde el dispositivo maestro está siempre en control y los esclavos son dispositivos “mudos” que necesitan sólo comunicarse con el maestro, esta topología es suficiente. En un ambiente de control distribuido, sin embargo, donde todos los usuarios necesitan acceder al bus, el fallo de una estación maestro y pérdida subsiguiente de la red de comunicación no es aceptable.

Esto lleva al concepto de comunicación “peer to peer”. En este formato, ningún usuario simple tiene control, pero un protocolo se desarrolló para permitir que el control del bus se compartiese entre todos los participantes. En comunicaciones PLC esto normalmente toma la forma de una red “token passing” o red (CSMA/CD) de “carrier sense multiple Access/collision detect”.

Token passing significa que todos los participantes en la red tienen una lista de todos los participantes en la re incluyéndose a sí mismo, usualmente en la forma de una dirección o  número de nodo en orden ascendente. En cualquier momento, uno de los participantes tiene el token para una cantidad de tiempo igual o menor que un tiempo máximo pre-definido. Durante este tiempo puede enviar datos o solicitar datos de cualquier otro nodo. Cuando ha finalizado, o el máximo tiempo transcurrido, el token pasará al siguiente nodo en la lista de participantes y actuará como esclavo hasta que reciba de nuevo el token.

Las redes CSMA/CD, o lo que más comúnmente se conoce como Ethernet, trabaja en el principal sin control absoluto de la red. Cada usuario en la red detecta para sí mismo si está conectado a la red. Esto es conocido como una detección del portador. Una vez detecta un transportador en la red ve la red como viva y accede a la red, enviando a o solicitando datos desde otro usuario. Claramente hay más que un usuario en la red, más que un usuario puede intentar acceder a la red al mismo tiempo, acceso múltiple. Eléctricamente estos dos mensajes se corrompen entre sí, así que cuando esto ocurre, ambos usuarios que tengan los datos transmitidos detectarán datos en otra red que la que envía, detectando colisión. Ambos usuarios entonces paran la comunicación durante una cantidad aleatoria de tiempo y luego lo intentan de nuevo.

Medio de transmisión

El medio de transmisión es la trayectoria física entre transmisor y receptor en una red de comunicaciones. Los medios que se han usado en redes locales incluyen conductores en parejas trenzados, cable coaxial y fibra óptica. Adicionalmente, la forma de propagación electromagnética, a través de la atmósfera, puede emplearse para conexiones edificio-a-edificio o sobre grandes áreas geográficas.

Varios medios pueden ser descritos usando la serie de características descritas a continuación:

•  Descripción física: La naturaleza del medio de transmisión.
• Características de transmisión: Incluyen si se usa conmutación analógica o digital, técnica de modulación, capacidad, y rango de frecuencia sobre la que ocurre la transmisión.
• Conectividad: Multipunto o punto-a-punto.
• Alcance geográfico: Máxima distancia entre puntos de la red.
• Inmunidad de ruido: Resistencia del medio a la contaminación de datos transmitidos.
• Coste relativo: Basado en costes de computadores, instalación y mantenimiento.

Los medios o canales de transmisión tienen las siguientes características de transmisión:

• Ancho de banda: Esto es una característica eléctrica de la línea o circuito de transmisión. Indica el rango de frecuencias (medidas en Hercios) que pueden transmitirse con éxito en la línea.
• Ratio baud: El número de elementos simples o cambios de condición por segundo. Esto define la tasa de señalización en la línea de transmisión. Un elemento de señal es un valor de voltaje discreto, frecuencia o fase.
• Capacidad del canal: Esto es la tasa máxima a la que puede transmitirse información sin error. Para información digital, esto se mide en bits por segundo y: capacidad = ratio baud x número de bits por elemento de señal.

Ver 2ª PARTE