Paradigmas de comunicación

El paradigma de comunicación nos define como los diferentes procesos de una aplicación distribuida pueden cooperar entre sí.

El paradigma más ampliamente utilizado es el cliente/servidor. A través de este modelo, los procesos interactúan a través de peticiones y respuestas. El cliente es el proceso que hace las peticiones a otro proceso de la red, el servidor. El servidor realizará el trabajo, y devolverá al cliente un mensaje con los resultados. Es pues un modelo punto a punto. Este modelo se considera habitualmente más útil para la transmisión de información de estado, que para la comunicación de eventos. El servidor sólo podrá transmitir un evento tras una petición del cliente.

Las interacciones cliente/servidor se dan habitualmente en 4 pasos, como se puede ver en la Figura 3.4. Una indication es un evento producido en el cliente que le indica la recepción de una petición o request. La respuesta enviada mediante la primitiva response se comunicará en la parte del cliente a través de la primitiva confirmation. Este modelo se da en todos los protocolos derivados de la especificación MMS, como Interbus, Profibus (FMS y DP), P-NET y WorldFIP. Las interacciones reflejadas en la figura 3.4.a son las típicas en el

94 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES uso de servicios con confirmación. En este modelo también se da en el uso de servicios sin confirmación, como se puede ver en la Figura 3.4.b.

FIGURA3.4. Interacción Cliente/Servidor.

Este modelo presenta problemas de consistencia en sistemas distribuidos. Si se necesita enviar un valor a dos dispositivos desde un controlador, es necesario definir dos relaciones cliente/servidor. De esta forma, los mensajes de petición tendrán que transmitirse necesariamente uno detrás de otro, por lo que el valor comunicado a los dispositivos no será el mismo ni se corresponderá con el mismo instante de tiempo.

Los sistemas distribuidos basados en buses de campo utilizan para solventar esta problemática el modelo del productor/consumidor (producer/consumer, pero también llamado a veces publisher/subscriber), el cual es un modelo multipunto. Aquí las interacciones afectan a una entidad denominada productor, y a un grupo de uno o más consumidores. Los consumidores se subscriben al productor para recibir la información que necesitan. El productor del dato o variable producirá o publicará el valor en la red cada cierto tiempo según tenga programado, siendo accesible a todos los consumidores el mismo valor correspondiente al mismo instante de tiempo en el mismo mensaje de red.

En el modelo productor/consumidor denominado “pull model” (Fig. 3.5.a), hay un gestor de tráfico que se encarga de hacer la petición al productor, siendo éste únicamente responsable de enviar la información solicitada de forma que todos los consumidores subscritos a esta información puedan acceder a ella. Hay que resaltar aquí que es necesario que el mismo mensaje de confirmación enviado al gestor, contenga a través de un direccionamiento multicast el valor

CAP. 3. MODELO OSI DE RI. BUSES DE CAMPO. ORG. Y ESTANDARIZACIÓN 95 producido que han de recibir el resto de consumidores. En el modelo denominado “push model” existen dos tipos de servicios (Fig. 3.5.b) y no existe un gestor de tráfico. El primero de los servicios sigue el modelo de interacción cliente/servidor, usado por el consumidor para solicitar información del productor. El segundo modelo, de tipo sin confirmación, es utilizado por el productor para distribuir la información por los consumidores. Al no existir un gestor de tráfico es el propio productor el encargado de generar la información adecuada en cada instante de tiempo.

Buses de campo como WorldFIP, CAN, LonWorks, EIBus, ControlNet, Swiftnet o FF utilizan este modelo, aunque hay que destacar que muchos de ellos pueden utilizar diferentes modelos simultáneamente para distintos tipos de servicio (tráfico periódico, eventos, etc.).

Gestor productor

Consumidor

Consumidor

Consumidor

Petición de servicio con confirmación Respuesta conteniendo la información producida Consumidor productor Consumidor Consumidor Consumidor Petición/respuesta de servicio con confirmación

Servicio no confirmado conteniendo la información producida

a) modelo "pull" b) modelo "push"

Figura 3.5. Interacciones Productor/Consumidor.

3.5.3.2. Paradigmas de planificación

Hasta ahora se ha visto la importancia de los buses de campo y como la transmisión de información a través de la red, siguiendo algunos de los modelos de comunicación vistos, presenta importantes ventajas en el diseño de sistemas distribuidos, automatización industrial, control de procesos, etc. Los buses de

96 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES campo disponen además de mecanismos de acceso al medio en el nivel de enlace que permiten “ordenar” el tráfico dentro del bus. Sin embargo, es necesario considerar otro aspecto por encima del nivel MAC, la planificación de mensajes. Esta planificación tiene un impacto directo en la capacidad de satisfacer los requerimientos temporales en un sistema de control, así como en la capacidad del mismo de adaptarse de forma flexible a los cambios. Desde el punto de vista de la planificación hay varias clasificaciones que se pueden hacer.

En primer lugar, esta planificación puede ser estática o dinámica. La planificación estática es realizada de forma previa a la puesta en marcha del sistema. Para poder usar esta planificación es necesario conocer a priori todos los requerimientos temporales del tráfico que el bus de campo ha de soportar. Al conocer estos requerimientos a priori, es posible ejecutar algoritmos de planificación muy complejos. Como consecuencia de sus propiedades, esta planificación permite garantizar el comportamiento temporal del tráfico, aunque limita la flexibilidad y adaptabilidad del sistema ante la necesidad de incorporar nuevos dispositivos, o modificar el comportamiento del sistema para cambiar la producción. En la planificación dinámica se considera que los requerimientos de comunicación pueden cambiar en tiempo de ejecución, y por tanto deberá de proporcionar mecanismos para hacer esto posible satisfaciendo los requerimientos temporales del tráfico. La necesidad y capacidad de adaptar en tiempo de ejecución la planificación limita el uso de complejos algoritmos de planificación por una parte, pero por otra proporciona flexibilidad. Para garantizar los requerimientos temporales son necesarias técnicas de control de admisión en tiempo de ejecución, a través del análisis de la planificabilidad de los nuevos flujos de tráfico, o de las modificaciones de las propiedades temporales de los flujos ya existentes.

Un ejemplo de planificación estática son los buses de campo basados en la planificación estática por tablas, como por ejemplo WorldFIP en cuanto al intercambio periódico de variables, TTP y TT-CAN. En este caso los requerimientos de comunicación han de ser conocidos a priori, de forma que se produce una planificación del tráfico en el gestor o arbitro del bus, que no puede ser modificada en tiempo de ejecución. Conocidos las características del tráfico, si éste es planificable se generará una tabla de planificación.

Para comprender mejor el funcionamiento de este tipo de planificación se presenta un ejemplo. Cada flujo de tráfico síncrono i se caracteriza por el periodo Ti, y el consumo del bus que se necesita para su transmisión Ci y se

tiene un deadline Dio tiempo para realizar la transmisión menor o igual a Ti. Se

CAP. 3. MODELO OSI DE RI. BUSES DE CAMPO. ORG. Y ESTANDARIZACIÓN 97 conjunto de tráfico periódico (en determinadas unidades de tiempo, por ejemplo milisegundos):

A={5,0.6}; B={10,1.2}; C={20,0.9}; D={5,0.3}; E={10,0.6}

El planificador podrá generar la tabla de planificación que se puede ver en la Figura 3.6.a. En este tipo de planificación se suele denominar ciclo elemental al periodo determinado por el máximo común divisor de los periodos de tráfico síncrono, y macrociclo al mínimo común múltiplo de esos mismos periodos. En dicha tabla se puede ver la distribución de tráfico que se realizará en los 4 ciclos elementales que contiene un macrociclo, dado que esta distribución se irá repitiendo indefinidamente. En la figura 3.6.b se puede ver la distribución en los dos primeros ciclos elementales. El espacio libre en cada uno de los ciclos elementales puede ser utilizado, por diferentes mecanismos, para la transmisión de tráfico asíncrono.

FIGURA3.6. Planificación dirigida por tablas.

En el ejemplo mostrado los periodos son armónicos, es decir, son múltiplos entre si. En el caso de que esto no sea así, la tabla de planificación sería infinita, aunque también se puede dar la situación de que sean múltiplos, pero generan una tabla de grandes dimensiones. Para solventar este problema existen diferentes técnicas, como por ejemplo reducir el periodo del tráfico no armónico. Una variante de este mecanismo de planificación estático es la planificación por tablas dinámica, donde se permite la petición de cambios en las propiedades temporales del tráfico, siempre que estos cambios no impliquen el incumplimiento de los requerimientos temporales del conjunto de tráfico en ejecución. Por ejemplo, en Fieldbus Foundation H1 el árbitro de bus, denominado LAS (Link Active Scheduler) admite estas peticiones, aunque en la norma no esta definido como implementar este perfil. Otro ejemplo de planificación dinámica es el denominado planificación por plan. Dado que la

98 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES tabla es generada cada número determinado de microciclos, este método es capaz de adaptarse dinámicamente a los cambios de necesidades del sistema, no siendo además necesario que los periodos de las peticiones sean armónicos, como por ejemplo en FTT-CAN.

Este esquema de planificación es centralizado, puesto que un nodo de la red ha de realizar la tabla y organizar el tráfico en la red, bien mediante peticiones de generación de variables en un modelo productor consumidor (como WorldFIP), o mediante el envío de tramas de encuesta (polling), como por ejemplo entre un maestro Profibus y los nodos esclavos.

Cuando no existe un nodo centralizado para realizar la planificación, se ha de recurrir a mecanismos de planificación distribuidos. El método más representativo de este modelo es el denominado “dynamic best-effort

scheduling”. A través de éste, el sistema trata de hacer lo mejor posible el envío

del tráfico asignado, según el método de acceso al medio que utilice. Buses de campo que utilizan este método son P-Net, el tráfico asíncrono en WorldFIP, o la gestión del tráfico entre maestros en una red Profibus. Por ejemplo, en Profibus, una vez que un maestro ha recibido el testigo, enviará en primer lugar el tráfico de alta prioridad, el tráfico cíclico por polling con los esclavos, y finalmente el de baja prioridad. Si en el momento en que está transmitiendo una trama, se termina el tiempo de posesión de testigo, terminará su envío y cederá el testigo a la siguiente estación, existiendo la posibilidad de que quede tráfico pendiente de enviar. Para evitar incumplimientos temporales será por tanto necesario realizar análisis de planificabilidad previos, que deberán ser realizados de nuevo ante cada cambio en el conjunto de tráfico que se dé en el bus.

En el campo de la planificación, los nuevos desarrollos y las tendencias actuales para dar soporte a nuevos escenarios más complejos y dinámicos, están conduciendo al desarrollo de nuevos métodos que consideren:

x La planificación flexible y adaptativa. De forma que los algoritmos de planificación puedan manejar aplicaciones donde sólo una parte de sus propiedades son conocidas; se puedan dar restricciones temporales más relajadas y que no son expresadas únicamente en términos de periodo y

deadlines.

x Composición de planificadores. La complejidad de los sistemas hace que se combinen en un mismo sistema varios tipos de tareas y requerimientos. Se requiere aquí la coexistencia y cooperación entre

CAP. 3. MODELO OSI DE RI. BUSES DE CAMPO. ORG. Y ESTANDARIZACIÓN 99 diferentes tipos de planificadores de forma que se integren y combinen sus propiedades y faciliten así la integración en el mismo sistema de los requerimientos temporales y de flexibilidad.

x La planificación de contenido multimedia. Los flujos multimedia presentan altos requerimientos de red y una alta variabilidad, que no encajan en el tradicional esquema tarea/deadline. Además los requerimientos temporales del procesamiento multimedia tampoco encajan en el modelo periodo/deadline, debido a las dependencias entre la información transmitida.

x La planificación teniendo en cuentas las consideraciones energéticas. Otro ejemplo donde T y D no son los únicos parámetros a tener en cuenta. La penetración de las redes inalámbricas hace que sea necesario considerar el consumo de energía de la CPU y de la transmisión de tramas.

3.6. CONCLUSIONES

Se ha desarrollado en este capítulo las funciones y características de esta tecnología y las razones de su aparición en la industria, lo que permite clarificar cuando y como usar este tipo de redes en distintos ámbitos de aplicación. También se analiza en detalle el complejo proceso de estandarización, lo que clarifica la situación actual de la técnica y permite disponer de la información pertinente para no ahogarse en este mar de siglas y números que representa el estado final de esta estandarización.

3.7. BIBLIOGRAFÍA

T. Sauter. The Industrial Communication Technology Handbook. Capítulo 7. "Fieldbus System: History and Evolution". CRC Press, 2005.

J.-P. Thomesse. Fieldbus technology in industrial automation. Proceedings of the IEEE, vol. 93, núm. 6, pág. 1073-1101. Junio de 2005.

Actas de los Congresos:

x IEEE Workshop on Factory Communication Systems. x IFAC Fieldbus Systems and their Applications. x IEEE Emerging Technologies in Factory Automation.

100 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES

3.8. EVALUACIÓN

3.8.1. Evaluación Objetiva

1. El modelo OSI de 7 capas se mostró ineficiente para su utilización en redes industriales debido a:

A) La imposibilidad de proporcionar un ahorro de costes en el cableado usando este modelo

B) La no necesidad de disponer de capas de red y transporte dentro de una red industrial C) La sobrecarga que este modelo impone, lo que condujo a desarrollar estas redes

utilizando únicamente 3 de estos niveles

D) La complejidad del nivel de aplicación si se desea soportar aplicaciones con requerimientos de baja latencia

2. El protocolo MiniMAP

A) Es un protocolo desarrollado por Boeing desarrollado específicamente para la automatización industrial

B) Es una versión del protocolo MAP que utiliza únicamente los niveles OSI 1, 2 y 7 C) El un protocolo compatible con TOP, donde se puede utilizar en el nivel físico IEEE

802.3 o 802.5

D) Es un protocolo diseñado para la transferencia entre ordenadores, caracterizada por la transmisión de grandes cantidades de información entre equipos muy distantes.

3. Dentro de los precursores de los buses de campo, en la industria aeronáutica se desarrolló: A) MIL-STD-1533

B) CAMAC C) GPIB D) ARCNET

4. Los precursores del primer estándar europeo CENELEC fueron: A) P-NET y Ethernet

B) CAN y Devicenet

C) Fieldbus Foundation H1 y FSE D) FIP y Profibus

CAP. 3. MODELO OSI DE RI. BUSES DE CAMPO. ORG. Y ESTANDARIZACIÓN 101 5. EN 50254 es:

A) una norma Europea centrada en subsistemas de comunicación de alta eficiencia para la transmisión de pequeños paquetes de datos.

B) una norma internacional que se compone de diferentes soluciones basadas en CAN C) una norma Europea relacionada con los buses de campo de propósito general. D) una norma internacional surgida de la unión entre varias empresas americanas y

WorldFIP North America

6. La norma internacional que normaliza los servicios del nivel de enlace es: A) EN 50170-2

B) EN 50325-3 C) IEC 61158-3 D) IEC 61158-8

7. Un manual de uso práctico mostrando qué partes del IEC-61158 pueden ser compiladas en un sistema funcional y como se puede realizar, que fue publicada como la norma:

A) IEC-61784 B) CPF-1 C) EN 50254-2 D) IEC-61158-10

8. Algunos buses de campo que siguen el paradigma de comunicación cliente/servidor son: A) Interbus, Profibus, P-Net y WorldFIP

B) Interbus, CAN, P-Net y WorldFIP C) Profibus, DeviceNet, Swiftnet y WorldFIP

D) Únicamente Profibus utiliza este paradigma de comunicación

9. Algunos buses de campo que siguen el paradigma de comunicación producor/consumidor son: A) Únicamente WorldFIP utiliza este paradigma de comunicación

B) ControlNet, FF-HSE y Profibus

C) WorldFIP, CAN, LonWorks, EIBus, ControlNet, Swiftnet y FF, D) WorldFIP, CAN, LonWorks, EIBus, Profibus FMS, Swiftnet y FF-H1,

102 COMUNICACIONES INDUSTRIALES: SIS. DISTRIBUIDOS Y APLICACIONES 10. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es cierta?:

A) Profibus utiliza un árbitro de bus, denominado LAS, para proporcionar una planificación dinámica dirigida por tablas

B) P-Net utiliza un esquema de planificación basado en el envío de tramas de encuesta C) La gestión de tráfico entre maestros en una red WorldFIP utiliza un mecanismo

“Dynamic Best-Effort”

TEMA4

BUS DE CAMPOPROFIBUS. APLICACIONES

INDUSTRIALES

4.1. Introducción y orientación para el estudio 4.2. Objetivos

4.3. Capa física (PHY)

4.4. Capa de enlace de datos (FDL)

4.5. Máquina de estados del nivel de enlace de datos (FDL) 4.6. Tiempos y temporizadores

4.7. Estructura de las tramas

4.8. Seguridad en los datos y gestión de errores 4.9. Servicios de transferencia de datos

4.10. Aplicaciones y productos comerciales 4.11. Conclusiones

4.12. Bibliografía 4.13. Evaluación