Implementación de un módulo de comunicación inalámbrica para supervisión y control para el laboratorio de automatización. UTE extensión Santo Domingo 2013

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

Sede Santo Domingo

FACULTAD CIENCIAS DE LA INGENIERÍA

CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA Y AUTOMATIZACIÓN

Tesis de grado previo a la obtención del título de:

INGENIERO ELECTROMECÁNICO, MENCIÓN EN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL

“IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA

PARA SUPERVISIÓN Y CONTROL PARA EL LABORATORIO DE

AUTOMATIZACIÓN. UTE EXTENSIÓN SANTO DOMINGO 2013”

Estudiante:

CARLOS ALBERTO MÉNDEZ APOLO

Director de tesis

ING. JORGE TERÁN

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ii

“IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA

PARA SUPERVISIÓN Y CONTROL PARA EL LABORATORIO DE

AUTOMATIZACIÓN. UTE EXTENSIÓN SANTO DOMINGO 2013”

Ing. Jorge Terán

DIRECTOR DE TESIS ________________________________

APROBADO

Ing. Nilo Ortega

PRESIDENTE DEL TRIBUNAL ________________________________

Ing. Víctor Armijos

MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________

Ing. Cristian Laverde

MIEMBRO DEL TRIBUNAL ________________________________

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iii

Autor: CARLOS ALBERTO MÉNDEZ APOLO

Institución: UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

Título de Tesis: IMPLEMENTACIÓN DE UN MÓDULO DE

COMUNICACIÓN INALÁMBRICA PARA SUPERVISIÓN

Y CONTROL PARA EL LABORATORIO DE

AUTOMATIZACIÓN. UTE EXTENSIÓN SANTO

DOMINGO 2013.

Fecha: Octubre, 2014

El contenido del presente trabajo, está bajo la responsabilidad del autor.

_____________________________________

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL

Sede Santo Domingo

INFORME DEL DIRECTOR DE TESIS

Santo Domingo…....de………del 2014.

Ing. Nilo Ortega.

COORDINADOR DE LA CARRERA DE INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA.

Estimado Ingeniero

Mediante la presente tengo a bien informar que el trabajo investigativo realizado por el señor:

CARLOS ALBERTO MÉNDEZ APOLO, cuyo tema es:” IMPLEMENTACIÓN DE

UN MÓDULO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA PARA SUPERVISIÓN Y CONTROL PARA EL LABORATORIO DE AUTOMATIZACIÓN. UTE

EXTENSIÓN SANTO DOMINGO 2013”, ha sido elaborado bajo mi supervisión y

revisado en todas sus partes, por lo cual autorizo su respectiva presentación.

Particular que informo para fines pertinentes.

Atentamente.

____________________________ Ing. Jorge Terán

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v

Dedicatoria

A Dios, por poner en mi camino a las personas idóneas y

permitirme llegar a este momento tan especial en mi vida. Por los

triunfos y los momentos difíciles que me han enseñado a valorarlo

cada día más.

De igual forma, dedico esta tesis a mis padres que han sabido

formarme con buenos sentimientos, hábitos y valores, lo cual me ha

ayudado a salir adelante en los momentos más difíciles.

Y principalmente este trabajo le dedicó a mi esposa que me brindó

su amor, su estímulo, su apoyo constante, su comprensión y

paciente espera para que pudiera culminar con ésta travesía, son

evidencia de su gran amor. ¡Gracias!

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vi

Agradecimiento

En primer lugar doy infinitamente gracias a Dios, por haberme dado

fuerza y valor para culminar esta etapa de mi vida.

Un agradecimiento sincero y profundo a mi Director de Tesis, por

su tiempo, su apoyo así como por la sabiduría que me transmitió en

el desarrollo y la culminación de la misma.

A mis amigos a quienes les agradezco infinitamente por su apoyo

incondicional y por su valioso tiempo.

A todas aquellas personas que de una u otra forma contribuyeron a

la elaboración de este proyecto.

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ÍNDICE DE CONTENIDO

TEMA PAG.

Portada ……….………i

Sustentación y Aprobación de los Integrantes del Tribunal………….………..ii

Responsabilidad del Autor ……….………...iii

Informe del Director de Tesis……….………...iv

Dedicatoria ………...….v

Agradecimiento ………...…vi

Índice ……….………...vii

Resumen Ejecutivo ………...………...xvi

Executive Summary ………...………xvii

CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN 1.1 Antecedentes ... 1

1.2 Primera red local inalámbrica ... 2

1.3 Título de la Investigación ... 3

1.4 Problema ... 4

1.4.1 Planteamiento del Problema ... 4

1.4.2 Formulación del problema ... 4

1.4.3 Sistematización del problema ... 4

1.5 Objetivos ... 5

1.5.1 Objetivo General... 5

1.5.2 Objetivos Específicos ... 5

1.6 Justificación de la Investigación ... 6

1.6.1 Conveniencia ... 6

(8)

viii

1.6.3 Impacto Teórico ... 6

1.6.4 Impacto Metodológico ... 7

1.6.5 Impacto Práctico ... 7

1.6.6 Impacto Ecológico ... 7

1.6.7 Viabilidad ... 7

CAPITULO II MARCO REFERENCIAL 2.1 Telecomunicaciones ... 9

2.1.1 Definición ... 9

2.1.2 Tipos Comunes de Sistemas de Telecomunicaciones ... 9

2.2 Redes ... 10

2.3 Radio ... 11

2.4 Antenas Omnidireccionales ... 12

2.5 Red Inalámbrica ... 13

2.5.1 Definición ... 13

2.5.2 Potencia de salida ... 13

2.5.3 Ganancia de Antena ... 14

2.5.4 Redes Locales Inalámbricas ... 14

2.5.5 Relación de señal a ruido ... 15

2.5.6 Línea directa de visión (LOS) ... 15

2.5.7 Zonas de Fresnel ... 15

2.5.8 Topologías ... 17

2.5.9 Punto a Punto ... 17

2.5.10 Punto a Multipunto ... 18

2.5.11 Multidrop. ... 18

2.5.12 Multipunto ... 19

2.5.13 Peer-to-Peer (entre pares) ... 20

2.5.14 Estrella ... 20

(9)

ix

2.5.16 Mesh. ... 22

2.6 Protocolos de redes inalámbricas ... 23

2.6.1 Protocolos en la familia 802.11 ... 23

2.7 Comunicación Serial ... 26

2.8 Puertos Seriales RS232, RS485, USB ... 28

2.8.1 Puerto Serial RS232 ... 28

2.8.2 Puerto Serial RS-485 ... 30

2.8.3 Puerto Serial USB ... 31

2.9 Protocolo MODBUS ... 32

2.9.1 Campos de las tramas MODBUS ... 34

2.9.2 Descripción de los campos de las tramas MODBUS ... 35

2.9.3 Tipos de datos MODBUS y mapeo de rango de memoria ... 37

2.9.4 Control de errores LRC o CRC ... 39

2.9.5 Descripción de los códigos de operación o función más frecuentes ... 39

2.10 Transceptor de Datos ... 43

2.11 Automatización ... 43

2.11.1 Definición ... 43

2.11.2 Clases de Automatización ... 44

2.11.3 Automatización Fija ... 44

2.11.4 Automatización Programable ... 44

2.11.5 Automatización Flexible... 45

2.12 Microcontroladores ... 45

2.12.1 Placa Arduino ... 46

2.12.2 Código de Programación de Placas Arduino ... 47

2.13 PLC / HMI / RTU ... 55

2.13.1 PLC ... 55

2.13.2 HMI ... 55

2.13.3 RTU ... 56

2.14 Relé ... 56

2.15 Temporizador... 57

2.16 Sensor ... 57

2.17 Áreas de Aplicación... 58

(10)

x

2.17.2 Aplicaciones en Diferentes Áreas ... 58

CAPITULO III DISEÑO DE PROCESOS INDUSTRIALES PARA UN PROTOTIPO DE UNA PLANTA INDUSTRIAL REMOTA 3.1 Introducción ... 60

3.2 Arquitectura del Sistema ... 60

3.3 Códigos de Programación ... 62

3.3.1 Código de programación para el modulo maestro ... 63

3.3.2 Código de programación para el modulo Esclavo ... 69

3.4 Alcance ... 70

3.5 Banda de RF que se Empleara Para la Transmisión ... 71

3.6 Número de módulos que se implementara ... 71

3.7 Capacidades particulares de cada módulo ... 72

3.8 Módulo Maestro. ... 72

3.8.1 Arduino Mega 2560 ... 73

3.8.2 Escudo V1.2 LCD TFT01 MEGA Para Arduino Mega 2560 ... 75

3.8.3 TFT_320QVT ... 76

3.8.4 Convertidor de TTL a RS-485 ... 78

3.8.5 Transceptor de Datos RF YS1020 ... 78

3.8.5.1 Características Principales ... 79

3.8.5.2 Especificaciones ... 79

3.8.6 LM 7805 ... 80

3.8.7 Batería de 9V ... 82

3.8.8 Cable USB ... 83

3.9 Módulo Esclavo ... 84

3.9.1 Sensor PIR de Movimiento ... 85

3.9.2 Sensor de Temperatura y Humedad... 86

3.9.3 Relés de Accionamiento. ... 90

(11)

xi

CAPITULO IV

IMPLEMENTACIÓN Y PRUEBAS DEL MODULO DE COMUNICACIÓN INALÁMBRICA PARA SUPERVISIÓN Y CONTROL

4.1 Estudio de telecomunicaciones, para medir los niveles de señal en la UTE ... 98

4.2 Pruebas de alcance en la UTE ... 112

4.3 Pruebas de alcance en la Ciudadela del Magisterio ... 114

4.4 Pruebas de alcance en el Bomboli ... 115

CAPITULO V ELABORACIÓN DE UN MANUAL DE LOS DISPOSITIVOS INALÁMBRICOS E INVESTIGACIÓN DE LA APLICACIÓN DE MICROCONTROLADORES 5.1 Manual de Operación de los módulos ... 116

5.1.1 Descripción del funcionamiento ... 116

5.1.2 Descripción de operación ... 117

5.1.3 Partes Principales ... 117

5.2 Cómo empezar con Arduino en Windows ... 119

5.2.1 Obtener una placa Arduino y el cable USB ... 119

5.2.2 Descargar el entorno Arduino. ... 119

5.2.3 Conecte la placa Arduino Mega2560 ... 121

5.2.4 Instale los controladores ... 121

5.2.5 Inicie la aplicación Arduino ... 122

5.2.6 Abrir un Ejemplo ... 122

5.2.7 Selección deTarjeta... 123

5.2.8 Selección del Puerto Serie ... 124

5.2.9 Cargar el Programa ... 125

(12)

xii

5.3.1 Tecnología ZigBee ... 126

5.3.1.1 Tipos de dispositivos ... 127

5.3.1.2 Funcionalidad ... 128

5.3.1.3 Hardware y software ... 129

5.3.1.4 Topologías de red ... 129

5.3.2 XBee Series 2 ... 130

5.3.3 Microcontroladores ... 132

5.3.3.1 Características ... 132

5.3.4 Aplicación de la tarjeta inalámbrica ZigBee con microcontroladores. ... 134

CAPITULO VI CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 6.1 Conclusiones ... 136

6.2 Recomendaciones ... 138

BIBLIOGRAFÍA ... 140

ANEXOS………. ... 144

ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1. 1: Fotófono ... 1

Figura 1. 2: Esquema de funcionamiento de un fotófono ... 2

Figura 1. 3: Red Aloha ... 3

Figura 2. 1: Sistema Telefónico Simple de Dos Estaciones ... 10

Figura 2. 2: Cadena Transmisora en Radiodifusión ... 12

Figura 2. 3: Señal Omnidireccional ... 12

Figura 2. 4: Visión Directa ... 15

(13)

xiii

Figura 2. 6: Enlace Punto a Punto ... 17

Figura 2. 7: Enlace Punto a Multipunto ... 18

Figura 2. 8: Enlace Multidrop ... 19

Figura 2. 9: Conexión Multipunto ... 19

Figura 2. 10: Peer-to-Peer ... 20

Figura 2. 11: Red en Estrella ... 21

Figura 2. 12: Estructura en Árbol ... 21

Figura 2. 13: Red Mesh ... 22

Figura 2. 14: Diagrama del Conector DB-9 con Protocolo RS-232 ... 28

Figura 2. 15: Transmisión Asíncrona con RS-232 ... 29

Figura 2. 16: Conexión de RS-485 ... 30

Figura 2. 17: Señal de Transmisión en TTL, RS-232, RS-422/485 ... 31

Figura 2. 18: Esquema del Protocolo Modbus ... 32

Figura 2. 19: Esquema de un Proceso con HMI ... 56

Figura 2. 20: Partes del Relé ... 57

Figura 2. 21: Área de Aplicación de ZigBee ... 59

Figura 3. 1: Diagrama de flujo del Módulo Didáctico ... 61

Figura 3. 2: Esquema de Funcionamiento de los Módulos ... 62

Figura 3. 3: Modulo Maestro ... 73

Figura 3. 4: Arduino Mega 2560 ... 74

Figura 3. 5: Shield TFT LCD Mega ... 75

Figura 3. 6: Pantalla TFT_320QVT ... 76

Figura 3. 7: Pines de Conexión de la Pantalla TFT_320QVT ... 77

Figura 3. 8: Dimensiones de la Pantalla TFT_320QVT ... 77

Figura 3. 9: Convertidor de TTL a RS-485 ... 78

Figura 3. 10: Transceptor de Datos RF ... 79

Figura 3. 11: LM 7805 ... 81

Figura 3. 12: Conexión para regular DC ... 82

Figura 3. 13: Pila de 9V. ... 82

Figura 3. 14: Pines del Cable USB ... 83

Figura 3. 15: Módulo Esclavo ... 85

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Figura 3. 17: Sensor de Humedad y Temperatura HU-10S ... 87

Figura 3. 18: Curva de Respuesta típica a 25°C ... 88

Figura 3. 19: Dimensiones y Distribución de Pines ... 89

Figura 3. 20: Diagrama de conexión eléctrica ... 90

Figura 3. 21: Esquema de la Tarjeta Para un Relé ... 91

Figura 3. 22: Tarjeta de Expansión de 4 Relés ... 91

Figura 3. 23: Conectores de la Tarjeta ... 92

Figura 3. 24: Conectores de Salidas ... 93

Figura 4. 1: Venta Principal Radio Mobile ... 99

Figura 4. 2: Menú de Opciones de Radio Mobile ... 99

Figura 4. 3: Ventana de Opciones de Radio Mobile ... 100

Figura 4. 4: Menú de Archivo de Radio Mobile ... 100

Figura 4. 5: Ventana de propiedades de Radio Mobile ... 101

Figura 4. 6: Mapa Topológico del Sector Orangine ... 102

Figura 4. 7: Menú de Edición ... 102

Figura 4. 8: Ventana Para Combinar Imágenes ... 103

Figura 4. 9: Mapa Sobrepuesto de las Vías del Sector ... 104

Figura 4. 10: Menú de Archivo ... 104

Figura 4. 11: Opción Para Borrar Proyectos Anteriores ... 105

Figura 4. 12: Creación de Nueva Red ... 105

Figura 4. 13: Propiedades de Parámetros de las Redes ... 106

Figura 4. 14: Propiedades de Topología de las Redes ... 108

Figura 4. 15: Propiedades de Miembros de las Redes ... 108

Figura 4. 16: Propiedades de Sistemas de las Redes ... 109

Figura 4. 17: Propiedades de Estilo de las Redes ... 110

Figura 4. 18: Propiedades de las Unidades ... 110

Figura 4. 19: Ubicación de Antenas ... 111

Figura 4. 20: Simulación de Señal de Transmisión ... 112

Figura 4. 21: Instalación del módulo Esclavo al Tablero ... 113

Figura 4. 22: Ubicación de Prueba en el Taller de la UTE ... 114

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xv

Figura 5. 1: Módulos de comunicación ... 116

Figura 5. 2: Partes del Módulo Maestro ... 118

Figura 5. 3: Partes del Módulo Esclavo ... 118

Figura 5. 4: Software Arduino ... 119

Figura 5. 5: Ventana Principal de Programación ... 120

Figura 5. 6: Partes de la Ventana ... 121

Figura 5. 7: Ejemplo Blink ... 123

Figura 5. 8: Selección de Tarjeta ... 124

Figura 5. 9: Selección de Puerto Serial ... 125

Figura 5. 10: Carga de Programación ... 125

Figura 5. 11: Módulos XBee ... 130

Figura 5. 12: Comunicación entre módulos XBee ... 131

Figura 5. 13: Microcontrolador Atmel ... 132

Figura 5. 14: Esquema de un microcontrolador ... 133

Figura 5. 15: Diagrama del funcionamiento con ZigBee ... 135

ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2. 1: 802.11b/g Mapa de Canales y Frecuencias ... 25

Tabla 2. 2: Características ASCII Y RTU ... 34

Tabla 2. 3: Códigos de Función ... 38

Tabla 3. 1: Especificaciones de la Pantalla ... 76

Tabla 3. 2: Pines del Transceptor ... 80

Tabla 3. 3: Características de Pines de los Tipos A y B ... 84

Tabla 3. 4: Especificaciones del cable USB tipo A/B ... 84

Tabla 3. 5: Características Eléctricas ... 87

Tabla 3. 6: Valor estándar de voltaje de salida ... 88

Tabla 3. 7: Valor de la Señal de Temperatura ... 89

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RESUMEN EJECUTIVO

Los avances tecnológicos se desarrollan cada día con el fin del mejoramiento del estándar de vida. La automatización en la industria permite el mejoramiento de procesos optimizando el tiempo y cantidad de producción, en los hogares la automatización también está tomando fuerza ya que esto ayuda a tener un control en ciertas actividades y también es un factor fundamental en la seguridad.

La implementación de un módulo de comunicación inalámbrica para supervisión y control para el laboratorio de automatización, se realizó pensando en la versatilidad de la conectividad inalámbrica teniendo la comodidad de realizar un control y supervisión de manera móvil evitando la problemática de los cables cuando se moviliza de un lugar a otro, también hay que tener en cuenta que este proyecto de tesis será un beneficio para los estudiantes de electromecánica ya que tendrán a disposición los módulos inalámbricos para que realicen las practicas necesarias para que puedan ampliar sus conocimientos y así tener mejores ideas en la aplicación de automatismo en los diferentes campos laborales como industrial y domiciliario.

Una de las características importantes de este proyecto es la utilización de las tarjetas Arduino que tienen incorporados microprocesadores, los cuales son programables, tienen puertos de comunicación y tienen disponibilidad de varias entradas y salidas analógicas y digitales.

Se realizaron practicas con los módulos para para comprobar su funcionamiento y de esta manera también podrán los estudiantes de electromecánica realizar pruebas en el laboratorio de automatización utilizando como guías las practicas realizadas.

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EXECUTIVE SUMMARY

Technological advances are developed every day with the purpose of improving the life standard. Automation in industry process improvement allows optimizing the time and quantity of production, household automation is also gaining strength as it helps to have a control in certain activities and it is also a key factor in security.

The implementation of a wireless communication module for monitoring and controlling for laboratory automation was performed considering the versatility of wireless connectivity with the comfort performing control and supervision movably avoiding the problem of cables during moves from one place to another, we must also take into account that this thesis project will be a benefit to electro mechanic students since it will have available the wireless modules for students to perform their practices to enable them to expand their knowledge and have better ideas about automation application in different fields such as industrial and at homes.

One of the important features of this project is the utilization of the Arduino cards that have embedded chips, which are programmable; they have communication ports and availability of various analog and digital outputs and inputs.

Practices with modules to check its operation were perform so electro mechanic students can perform test in the automation laboratory using as guides the performed practices.

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CAPÍTULO I

INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes

Según (Tanenbaum, 2010) “La historia de las redes inalámbricas empezó en 1880, en este año, Graham Bell y Summer Tainter inventaron el primer aparato de comunicación sin cables, el fotófono. El fotófono permitía la transmisión del sonido por medio de una emisión de luz, pero no tuvo mucho éxito debido a que en ese entonces todavía no se distribuía la electricidad y las primeras bombillas se habían inventado un año antes (ver figura 1.1 y 1.2).

Figura Nº 1. 1 Fotófono

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Figura Nº 1. 2

Esquema de funcionamiento de un fotófono

Fuente: (Tanenbaum, 2010)

Según (Tanenbaum, 2010) “En 1888 el físico alemán Rudolf Hertz realizó la primera transmisión sin cables con ondas electromagnéticas mediante un oscilador que usó como emisor y un resonador que hacía el papel de receptor. Seis años después, las ondas de radio ya eran un medio de comunicación. En 1899 Guillermo Marconi consiguió establecer comunicaciones inalámbricas a través del canal de la Mancha, entre Dover y Wilmereux y, en 1907, se transmitían los primeros mensajes completos a través del Atlántico. Durante la Segunda Guerra Mundial se produjeron importantes avances en este campo”.

1.2 Primera red local inalámbrica

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mensajes entre sí. En un principio se solucionó haciendo que la estación central emitiera una señal intermitente en una frecuencia distinta a la del resto de computadoras mientras estuviera libre, de tal forma que cuando una de las otras estaciones se disponía a transmitir, antes “escuchaba” y se cercioraba de que la central estaba emitiendo dicha señal para entonces enviar su mensaje, esto se conoce como CSMA (Carrier Sense Multiple Access)”.

Figura Nº 1. 3 Red Aloha

Fuente: (Tanenbaum, 2010)

Según (Tanenbaum, 2010) “Un año después Aloha se conectó mediante ARPANET al continente americano. ARPANET es una red de computadoras creada por el Departamento de Defensa de los EEUU como medio de comunicación para los diferentes organismos del país.

A finales de la década de los setenta se publicaron los resultados de un experimento consistente en utilizar enlaces infrarrojos para crear una red local en una fábrica llevada a cabo por IBM en Suiza”.

1.3 Título de la Investigación

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1.4 Problema

1.4.1 Planteamiento del Problema

La comunicación para la supervisión y control en procesos industriales actualmente se realiza por medio de cables lo cual implica un gasto de tiempo y económico, ya que se utilizan más materiales para la instalación en la industria, también teniendo el inconveniente de la ubicación de los cables de comunicación, en algunas industrias donde tienen diferentes maquinas en lugares distantes, hay el inconveniente de pasar lo cables por lugares geográficamente de difícil acceso donde un operario tiene dificultades para llegar a tiempo para supervisar el funcionamiento de la las maquinas o el control de las mismas.

En los procesos industriales hay el temor de que se pare un proceso simplemente por el caso de que un cable de comunicación se deteriore, sea interrumpido o se dañe accidentalmente.

En una industria cuando ya se tiene todo instalado y se requiera implementar otros equipos al proceso de producción es necesario realizar un cableado para poder tener control de las máquinas y también para poder supervisar el proceso lo cual requiere muchas veces que se pare todo el proceso de una industria solo para implementar nuevos dispositivos de control lo cual genera pérdida de tiempo y paralización de todo el personal en la industria.

1.4.2 Formulación del problema

¿Cómo poner en práctica y desarrollar habilidades en el control y supervisión de procesos industriales con la tecnología inalámbrica en la UTE?

1.4.3 Sistematización del problema

(22)

 ¿Qué ventajas se puede obtener al implementar un módulo de comunicación inalámbrica en el laboratorio de automatización?

 ¿Qué beneficios tendrán los estudiantes de electromecánica al implementar este módulo?

1.5 Objetivos

1.5.1 Objetivo General

Implementar un módulo de comunicación inalámbrica en el laboratorio de automatización de la UTE, con el fin de aplicar la tecnología inalámbrica, para poner en práctica nuevos conocimientos y así poder aplicarlos en procesos industriales, también aplicarlo en situaciones de nuestra vida diaria y cotidiana, facilitando el uso de los diferentes dispositivos de una red con lo que se optimizara el modo de instalación y adquisición de datos.

1.5.2 Objetivos Específicos

 Armar un prototipo de una planta industrial remota.

 Realizar diseños de procesos industriales en los cuales se pueda aplicar el control y supervisión inalámbrica.

 Implementar la comunicación inalámbrica para demostrar el modo de funcionamiento y ventajas en procesos industriales.

 Realizar un estudio de telecomunicaciones, para medir los niveles de señal en la universidad UTE.

 Realizar diferentes pruebas de funcionamiento del módulo inalámbrico.

 Definir los costos de la implementación del módulo inalámbrico.

 Seleccionar material adecuado para la instalación de la comunicación inalámbrica.

 Realizar un manual de configuración y operación de los dispositivos inalámbricos.

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1.6 Justificación de la Investigación

1.6.1 Conveniencia

La comunicación inalámbrica es segura, permite a los usuarios acceder a información como a diferentes recursos, en tiempo real, sin necesidad de estar físicamente en un sólo lugar. Permitiendo la movilidad y eliminando la necesidad de usar cables, establece nuevas aplicaciones añadiendo flexibilidad a la red, pero lo más importante, es que incrementa la productividad y eficiencia en las actividades diarias de la industria. También permite la comunicación con múltiples puntos remotos en una misma zona utilizando la comunicación inalámbrica como es la radio frecuencia. Pudiendo establecer la comunicación mediante protocolo Modbus.

1.6.2 Impacto Social

Lo importante de esta investigación es la información que la comunidad pueda obtener, para que sirva a las diferentes aplicaciones de redes inalámbricas, ya que en la actualidad el mundo se va desarrollando en base de tecnologías para que el trabajo del ser humano sea más práctico y así poder estar a la vanguardia de la productividad, empleando en la industria y en la vida cotidiana, ya que esta tecnología no es un lujo sino una necesidad para realizar trabajos de manera más eficiente desde cualquier lugar que tengamos servicio de una red inalámbrica.

1.6.3 Impacto Teórico

(24)

1.6.4 Impacto Metodológico

Esta investigación es una contribución para exponer una metodología que permitirá utilizar este procedimiento en otras aplicaciones.

1.6.5 Impacto Práctico

Esta investigación ayudará a los estudiantes de la UTE, a utilizar o aplicar los resultados de esta red inalámbrica en sus prácticas de laboratorio de automatización.

1.6.6 Impacto Ecológico

Para el medio ambiente no existe ningún impacto perjudicial, ya que para la tecnología inalámbrica en general se utilizan ondas electromagnéticas, ondas de radio, puertos infrarrojos, entre otros, teniendo en cuenta que los Transceptores de Radio Frecuencia que se emplean en los módulos inalámbricos son de Baja Potencia, la potencia de los Transceptores son de 50mW a diferencia de los teléfonos celulares que son transmisores de radiofrecuencias de baja potencia pero que funcionan en un intervalo de frecuencias de entre 450 y 2700 MHz y tienen un pico de potencia que va de 0,1 a 2 vatios.

Por ende se puede decir que estos módulos inalámbricos no podrían perjudicar en lo absoluto al medio ambiente ni a la salud de las personas. Además con este tipo de comunicación inalámbrica se evitaría la utilización conductores, canaletas conectores estructuras y otros materiales más que tendrían que ser instalados en una determinada área y esto sí podría afectar al medio ambiente.

1.6.7 Viabilidad

(25)
(26)

CAPITULO II

MARCO REFERENCIAL

2.1Telecomunicaciones

2.1.1 Definición

Según (Herrera, 2004) “La telecomunicación significa la transmisión a distancia de información mediante procedimientos electromagnéticos.

Desde el punto de vista de las telecomunicaciones, la información es un concepto perfectamente definido que se puede cuantificar. Para la transferencia efectiva de información entre dos puntos, deben existir cuatro componentes esenciales:

 Un dispositivo de transmisión.

 Un mecanismo de transporte.

 Un mecanismo de recepción y

 Que el transmisor envié solo la información que sea compatible para el receptor.

Los cuatro componentes anteriores juntos forman un sistema de telecomunicaciones. En resumen se puede decir que la telecomunicación es un conjunto de medios de comunicación a distancia o transmisión de palabras, sonidos, imágenes o datos en forma de impulsos o señales electrónicas o electromagnéticas”.

2.1.2 Tipos Comunes de Sistemas de Telecomunicaciones

(27)

 Telegrafía.

 Telefonía.

 Télex.

 Redes de datos empleando ya sea conmutación de circuitos o conmutación de paquetes.

 Redes de computadoras locales y de área amplia (LANs y WANs).

 Redes integradas de voz y datos.

Los cuales han permitido un desarrollo en este ámbito de manera tal que cada mejora hace más rápida la comunicación y más eficiente”

2.2 Redes

Según (Herrera, 2004) “Hay que considerar las propiedades ideales de los diferentes componentes del sistema de telecomunicaciones, este sistema es ideal siempre que las dos estaciones A y B deseen comunicarse entre sí y nunca con alguien más. Si tanto A como B se abastecen de teléfonos, el mecanismo de transporte no necesita ser más que una sola línea de transmisión, como se ilustra en la figura 2.1”.

Fuente: (Méndez, 2014)

Circuito o línea telefónica

A B

Figura Nº 2. 1

(28)

2.3 Radio

Según (Limann, Fundamentos de Radio, 1989) Una radio portátil significa un receptor de fácil traslado de un lugar para otro, aparato que recibe también la denominación de radio transistor y, frecuentemente, en expresión abreviada (un transistor).

Radio o radiodifusión son, sin embargo, conceptos de una realidad bastante más compleja, para lo cual se puede definir como un conjunto de dispositivos para transmitir a distancia la voz y la música, haciéndolas así asequibles simultáneamente a muchas personas. Para ello es necesario transformar varias veces las ondas de sonido originales en otro tipo de oscilaciones, amplificar luego las señales u oscilaciones eléctricas empleadas como un vehículo, para finalmente reconvertirlas reproduciendo el sonido original.

En la figura 2.2 se esquematiza el proceso en su conjunto. El micrófono capta las ondas de sonido y las transforma en corrientes de audiofrecuencia, es decir, de baja frecuencia (BF); seguidamente tiene lugar en el centro emisor su conversión en corrientes de alta frecuencia (HF), que se envían luego a la antena emisora, la cual las emite al espacio en forma de ondas electromagnéticas.

La antena receptora no capta más que una pequeña parte de la energía radiada en HF, esta energía es transmitida al receptor, luego se convierte en corrientes de audiofrecuencia mediante pasos o etapas sucesivos. El altavoz genera finalmente ondas de sonido.

Las acciones más importantes que tienen lugar en esta larga cadena transmisora son:

 Transformación de las ondas sonoras en oscilaciones eléctricas y viceversa.

 Transformación de las oscilaciones de BF en otras de HF y viceversa.

(29)

Figura Nº 2. 2

Cadena Transmisora en Radiodifusión

Fuente: (Limann, Fundamentos de Radio, 1989)

2.4 Antenas Omnidireccionales

Según (Universidad Politecnica Saleciana, 2009) “Las antenas que constan de un dipolo simple se han utilizado desde los primeros días de las comunicaciones inalámbricas para irradiar y recibir de igual manera en todas las direcciones. Sin embargo, lo que parecía ser suficiente en entornos RF simples ya no es eficaz en los sistemas actuales. La dispersión incontrolada de la energía en una antena omnidireccional conduce a los usuarios que accedan al sistema con un pequeño porcentaje de la energía radiada, y al mismo tiempo tener que desafiar otros efectos perjudiciales para el medio ambiente como varias rutas de acceso o la interferencia cocanal, esto limita la reutilización de frecuencias y la capacidad de los usuarios (ver figura 2.3)”.

Figura Nº 2. 3 Señal Omnidireccional

(30)

2.5 Red Inalámbrica

2.5.1 Definición

Según (Servicios en Red, 2010) “Un punto de acceso inalámbrico (WAP o AP por sus siglas en inglés: Wireless Access Point) es el dispositivo que conecta diferentes dispositivos de comunicación inalámbrica para formar una red inalámbrica. A esta forma de conexión se le denomina infraestructura. Lo habitual es que un WAP también permita a los dispositivos inalámbricos conectarse a una red cableada, y sirve de elemento de intercomunicación entre los dispositivos conectados a la red de cable y los dispositivos que forman parte de la red inalámbrica. Salvando las distancias, un punto de acceso en una red inalámbrica se parece a un hub o concentrador en una red cableada. A su vez los WAP pueden conectarse entre sí para formar una red aún mayor, realizando lo que se conoce como roaming”.

2.5.2 Potencia de salida

Según (Caprile, 2009) “La potencia de salida de un transmisor de RF es una medida de la intensidad de energía de RF que éste puede entregar a una carga (una antena). Si bien es común especificarla en watts o mili watts, es más manejable el expresarla en dBm o decibeles respecto de 1mW, es decir,

P [dBm] = 10 . log (P[mW])

El concepto de dBm nos da además una idea de qué tan útil es aumentar la potencia de salida de un transmisor, por ejemplo, si pasamos de 1W a 2W (el doble de potencia en watts), estamos pasando de 30 a 33 dBm; sólo hemos ganado 3dB. Al tener en cuenta la propagación de esa energía, el decibel es una herramienta que nos permite tener una visión más clara. Entonces, un transmisor de mayor potencia consume mayor energía (dadas las demás condiciones iguales), pero este incremento de energía no se transfiere en igual medida como un aumento de las prestaciones obtenidas”.

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P [dBW] = 10 . log(P [W]) = P[dBm] –30

2.5.3 Ganancia de Antena

Según (Caprile, 2009) “Una antena es un elemento pasivo, y como tal no puede tener ganancia. El concepto de ganancia de antena responde a un modelo que nos permite realizar cálculos de enlace, y se basa en la direccionalidad de una antena, es decir, la capacidad de concentrar la energía irradiada en un sector del espacio”.

2.5.4 Redes Locales Inalámbricas

Según (Rodríguez, 2002) “Los sistemas cordless pueden utilizarse para tener acceso a redes locales que por lo general ya están instaladas, pero si en el lugar donde se está considerando no tiene red local o se tiene alguna que se necesite actualizar, entonces una red local con comunicación inalámbrica es una buena opción.

Una red local cubre un área limitada, interconecta entidades independientes y proporciona servicios como correo electrónico, transferencia de archivos, procesamiento, etc. Si esta red local utiliza un medio de comunicación como el aire, entonces sus enlaces serán inalámbricos y tendremos una red local inalámbrica.

Dentro de las aplicaciones más importantes de una red local inalámbrica se encuentran las siguientes: extensión de redes locales, interconexión de edificios, acceso móvil a servicios e implementación de redes hechas a la medida o temporales para satisfacer necesidades inmediatas.

(32)

2.5.5 Relación de señal a ruido

Según (Caprile, 2009) “La relación de señal al ruido o SNR (Signal to Noise Ratio) es, como su nombre lo indica, el cociente entre la señal útil y el ruido en un determinado ancho de banda. Generalmente se la expresa en dB”.

2.5.6 Línea directa de visión (LOS)

El concepto anterior, particularmente en microondas, es válido si las antenas pueden verse, es decir, ambas están en una línea directa de visión (line of sight) y no existen obstáculos que puedan obstruir el paso o incluso ocasionar reflexiones (ver figura 2.4).

Figura Nº 2. 4 Visión Directa

Fuente: (Caprile, 2009)

2.5.7 Zonas de Fresnel

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Figura Nº 2. 5 Zona Fresnel

Fuente: (Caprile, 2009)

La ecuación que nos permite calcular el radio de las zonas de Fresnel en determinado punto del trayecto es la siguiente:

𝐹𝑛 = √𝑛𝜆𝑑(𝑟 − 𝑑) 𝑟

Donde (n) es el número de zona de Fresnel, (r) la distancia entre antenas, y d la distancia del transmisor al punto en cuestión. La forma más común es expresar las distancias desde ambas antenas:

𝐹𝑛 = √

𝑛𝜆𝑑1𝑑2 𝑑1+ 𝑑2

Según (Caprile, 2009) La primera zona de Fresnel (la cual, como dijéramos, debemos dejar libre de obstáculos), tiene entonces un radio:

𝐹𝑛 = √𝑛𝜆𝑑(𝑟 − 𝑑)

𝑟 = √

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2.5.8 Topologías

Abordamos aquí algunas de las topologías básicas que encontramos en los sistemas de comunicaciones. Se trata de abstracciones que nos permiten observar el flujo de información sin necesidad de estar considerando constantemente las características del medio y todos los demás elementos involucrados. Cuando nos referimos a una determinada topología, podemos utilizarla para representar la forma de conexionado y el flujo físico de los datos, como por ejemplo: punto a punto y punto a multipunto; o también podemos abstraernos al movimiento lógico de la información, sin importar la forma en que están conectados los elementos físicos que realizan la tarea de transportarla, como por ejemplo: peer-to-peer, o incluso los anteriores.

2.5.9 Punto a Punto

Cuando hablamos de un enlace punto a punto, nos referimos a uno en el cual toda la comunicación se produce entre dos puntos, y sólo entre éstos. El caso más simple y tal vez el más común es el de la unión de dos equipos mediante un cable (ver figura 2.6).

Figura Nº 2. 6 Enlace Punto a Punto

Fuente: (Méndez, 2014)

(35)

2.5.10 Punto a Multipunto

En un enlace punto a multipunto, existe un punto central que se comunica con varios otros puntos remotos. Generalmente esto implica que la comunicación es solamente entre el punto central y los remotos, y de éstos hacia el central; no existe comunicación entre los remotos (ver figura 2.7).

Figura Nº 2. 7

Enlace Punto a Multipunto

Fuente: (Caprile, 2009)

Esta topología por lo general implica una comunicación half-duplex, aunque existen casos en que se utiliza una conexión del punto central a todos los remotos y otra compartida por los remotos, por lo que es posible que el central y un remoto hablen a la vez.

2.5.11 Multidrop.

(36)

Figura Nº 2. 8 Enlace Multidrop

Fuente: (Caprile, 2009)

2.5.12 Multipunto

El término multipunto se aplica a una conexión en la que varios elementos están conectados a un mismo medio, pudiendo verse entre sí al ser requerido; por ejemplo un bus RS-485 o Ethernet con cable coaxial. Una diferencia fundamental con Multidrop es que cada elemento puede recibir y transmitir, es decir, hay más de un transmisor conectado al medio (ver figura 2.9).

Figura Nº 2. 9 Conexión Multipunto

Fuente: (Caprile, 2009)

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2.5.13 Peer-to-Peer (entre pares)

Si bien este término involucra arquitecturas de comunicaciones y conceptos más avanzados, cuando se lo aplica a una topología o enlace nos referimos a una red cuya estructura física no definimos, pero en la que cualquiera de sus integrantes puede dialogar directamente con cualquier otro. Se puede imaginar como una red similar a un punto a multipunto en la que se permite la comunicación entre los remotos, como si durante cada comunicación estableciéramos pequeños enlaces punto a puntos virtuales (ver figura 2.10).

Figura Nº 2. 10 Peer-to-Peer

Fuente: (Caprile, 2009)

2.5.14 Estrella

Desde el punto de vista de la conectividad, una red en estrella puede asimilarse a un enlace punto a multipunto en donde el punto central se ubica precisamente en el centro.

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medio inalámbrico, o un mismo cable en el que todos están conectados y la estrella es lógica, es decir, las comunicaciones siempre pasan por el sitio central (ver figura 2.11).

Figura Nº 2. 11 Red en Estrella

Fuente: (Caprile, 2009)

2.5.15 Árbol (Tree)

Un árbol es una estructura jerárquica en la cual se desciende desde un punto central por sus ramas. A medida que descendemos, cada nodo es hijo del que le antecede. Si todos los nodos que conforman las ramas tienen el mismo número de hijos, el árbol está balanceado. Si cada nodo tiene no más de dos hijos, es un árbol binario (ver figura 2.12).

Figura Nº 2. 12 Estructura en Árbol

(39)

Esta estructura prácticamente no tiene aplicación en comunicaciones, dado que es demasiado abstracta. Una forma más común es el cluster tree.

2.5.16 Mesh.

Según (Caprile, 2009) una Red Mesh es una red múltiplemente conexa, en la cual los nodos tienen más de una conexión con más de un nodo diferente. No necesariamente deben conectarse todos contra todos, éste es un caso especial que se denomina full-Mesh, mientras que el caso genérico suele denominarse partial-mesh, por oposición (ver figura 2.13).

Figura Nº 2. 13 Red Mesh

Fuente: (Caprile, 2009)

En una red full-Mesh de n nodos, cada nodo tiene una conexión con los n-1 nodos restantes, en un total de n(n-1) conexiones.

(40)

2.6 Protocolos de redes inalámbricas

Según (Team, 2014) “La tecnología principal utilizada actualmente para la construcción de redes inalámbricas de bajo costo es la familia de protocolos 802.11, también conocida en muchos círculos como Wi-Fi. La familia de protocolos de radio 802.11 (802.11a, 802.11b, and 802.11g) han adquirido una gran popularidad en muchos países. Mediante la implementación de un set común de protocolos, los fabricantes de todo el mundo han producido equipamiento altamente interoperable. Esta decisión ha resultado ser de gran ayuda para la industria y para los consumidores. Los compradores pueden utilizar equipamiento que implementa el estándar 802.11 sin miedo a “quedar atrapado con el vendedor”. Como resultado, pueden comprar equipamiento económico en un volumen que ha beneficiado a los fabricantes. Si por el contrario estos últimos hubieran elegido implementar sus propios protocolos, es poco probable que las redes inalámbricas fueran económicamente accesibles y ubicuas como lo son hoy en día”.

2.6.1 Protocolos en la familia 802.11

Según (INGENIERÍA DE MICOONDAS, 2014) Existen muchos y no todos están relacionados específicamente con el protocolo de radio. Los tres estándares implementados actualmente en la mayoría de los equipos disponibles son:

 BANDA ISM, las bandas ISM (Industrial Scientific Medical) son bandas de radiofrecuencia electromagnética reservadas internacionalmente para uso no comercial en áreas de trabajo industriales, científicas y médicas. Estas bandas pueden utilizarse sin necesidad de licencia siempre que se respeten unos determinados límites de potencia.

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Algunos aparatos que usan la frecuencia de 2,4 GHz son los microondas, teléfonos inalámbricos, monitores de bebés, IEEE 802.15.1 (WPAN - Bluetooth) e IEEE 802.11 (WLAN).

Según la zona geográfica, en la banda de los 2,4GHz se utilizan de 7 a 14 canales (13 en Europa). El ancho de banda de la señal (22 MHz) es superior a la separación entre canales consecutivos (5 MHz), por eso se hace necesaria una separación de al menos 5 canales con el fin de evitar interferencias entre celdas adyacentes. Tradicionalmente se utilizan los canales 1, 6 y 11 o los canales 1, 5, 9 y 13.

 802.11b. Ratificado por IEEE el 16 de setiembre de 1999, el protocolo de redes inalámbricas 802.11b es probablemente el más asequible hoy en día. Millones de dispositivos que lo utilizan han sido vendidos desde 1999. Utiliza una modulación llamada Espectro Expandido por Secuencia Directa (Direct Sequence Spread Spectrum) (DSSS) en una porción de la banda ISM desde 2400 a 2484 MHz. Tiene una tasa de transmisión máxima de 11 Mbps, con una velocidad real de datos utilizable mayor a 5 Mbps.

 802.11g. Como no estuvo finalizada sino hasta junio de 2003, el protocolo 802.11g llegó relativamente tarde al mercado inalámbrico. A pesar de esto, el protocolo 802.11g es hoy por hoy el estándar de facto en la redes inalámbricas utilizado como una característica estándar en virtualmente todas las laptops y muchos de los dispositivos handheld. Utiliza el mismo rango ISM que 802.11b, pero con el esquema de modulación denominado. Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) Multiplexaje por División de Frecuencias Ortogonales. Tiene una tasa de transmisión máxima de 54 Mbps (con un rendimiento real de hasta 25 Mbps), y mantiene compatibilidad con el altamente popular 802.11b gracias al soporte de las velocidades inferiores.

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incompatible con el 802.11b o el 802.11g, y su alta frecuencia implica un rango más bajo comparado con el 802.11b/g al mismo nivel de potencia.

Si bien esta porción del espectro es relativamente inutilizada comparada con la de 2,4GHz, desafortunadamente su uso es legal sólo en unos pocos lugares del mundo. Realice una consulta a sus autoridades locales antes de utilizar equipamiento 802.11a, particularmente en aplicaciones externas.

Según (Team, 2014) “Esto mejorará en el futuro, pues hay una disposición de la unión Internacional de comunicaciones (UIT) instando a todas las administraciones a abrir el uso de esta banda. El equipo es bastante barato, pero no tanto como el 802.11b/g”.

Tabla 2. 1: 802.11b/g Mapa de Canales y Frecuencias

Canal Center Frecuencia Ancho de banda Canales solapados

1 2.412 GHz 2.401 GHz - 2.423 GHz 2,3,4,5

2 2.417 GHz 2.406 GHz - 2.428 GHz 1,3,4,5,6

3 2.422 GHz 2.411 GHz - 2.433 GHz 1,2,4,5,6,7

4 2.427 GHz 2.416 GHz - 2.438 GHz 1,2,3,5,6,7,8

5 2.432 GHz 2.421 GHz - 2.443 GHz 1,2,3,4,6,7,8,9

6 2.437 GHz 2.426 GHz - 2.448 GHz 2,3,4,5,7,8,9,10

7 2.442 GHz 2.431 GHz - 2.453 GHz 3,4,5,6,8,9,10,11

8 2.447 GHz 2.436 GHz - 2.458 GHz 4,5,6,7,9,10,11,12

9 2.452 GHz 2.441 GHz - 2.463 GHz 5,6,7,8,10,11,12,13

10 2.457 GHz 2.446 GHz -2.468 GHz 6,7,8,9,11,12,13,14

11 2.462 GHz 2.451 GHz - 2.473 GHz 7,8,9,10,12,13,14

12 2.467 GHz 2.456 GHz - 2.478 GHz 8,9,10,11,13,14

13 2.472 GHz 2.461 GHz - 2.483 GHz 9,10,11,12,14

14 2.484 GHz 2.473 GHz - 2.495 GHz 12,13

(43)

2.7 Comunicación Serial

Según (Digital, 2014) La comunicación serial es un protocolo muy común para comunicación entre dispositivos que se incluye de manera estándar en prácticamente cualquier computadora. La mayoría de las computadoras incluyen dos puertos seriales RS-232.

La comunicación serial es también un protocolo común utilizado por varios dispositivos para instrumentación; existen varios dispositivos compatibles con GPIB que incluyen un puerto RS-232. Además, la comunicación serial puede ser utilizada para adquisición de datos si se usa en conjunto con un dispositivo remoto de muestreo.

El puerto serial envía y recibe bytes de información un bit a la vez. Aun y cuando esto es más lento que la comunicación en paralelo, que permite la transmisión de un byte completo por vez, este método de comunicación es más sencillo y puede alcanzar mayores distancias. Por ejemplo, la especificación IEEE 488 para la comunicación en paralelo determina que el largo del cable para el equipo no puede ser mayor a 20 metros, con no más de 2 metros entre cualesquier dos dispositivos; por el otro lado, utilizando comunicación serial el largo del cable puede llegar a los 1200 metros.

Típicamente, la comunicación serial se utiliza para transmitir datos en formato ASCII. Para realizar la comunicación se utilizan 3 líneas de transmisión: (1) Tierra (o referencia), (2) Transmitir, (3) Recibir. Debido a que la transmisión es asincrónica, es posible enviar datos por una línea mientras se reciben datos por otra. Existen otras líneas disponibles para realizar handshaking, o intercambio de pulsos de sincronización, pero no son requeridas. Las características más importantes de la comunicación serial son la velocidad de transmisión, los bits de datos, los bits de parada, y la paridad. Para que dos puertos se puedan comunicar, es necesario que las características sean iguales.

Velocidad de transmisión (baud rate): Indica el número de bits por segundo que se

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bits por segundo. Cuando se hace referencia a los ciclos de reloj se está hablando de la velocidad de transmisión. Por ejemplo, si el protocolo hace una llamada a 4800 ciclos de reloj, entonces el reloj está corriendo a 4800 Hz, lo que significa que el puerto serial está muestreando las líneas de transmisión a 4800 Hz. Las velocidades de transmisión más comunes para las líneas telefónicas son de 14400, 28800, y 33600. Es posible tener velocidades más altas, pero se reduciría la distancia máxima posible entre los dispositivos. Las altas velocidades se utilizan cuando los dispositivos se encuentran uno junto al otro, como es el caso de dispositivos GPIB.

Bits de datos: Se refiere a la cantidad de bits en la transmisión. Cuando la computadora envía un paquete de información, el tamaño de ese paquete no necesariamente será de 8 bits. Las cantidades más comunes de bits por paquete son 5, 7 y 8 bits. El número de bits que se envía depende en el tipo de información que se transfiere. Por ejemplo, el ASCII estándar tiene un rango de 0 a 127, es decir, utiliza 7 bits; para ASCII extendido es de 0 a 255, lo que utiliza 8 bits. Si el tipo de datos que se está transfiriendo es texto simple (ASCII estándar), entonces es suficiente con utilizar 7 bits por paquete para la comunicación. Un paquete se refiere a una transferencia de byte, incluyendo los bits de inicio/parada, bits de datos, y paridad. Debido a que el número actual de bits depende en el protocolo que se seleccione, el término paquete se usar para referirse a todos los casos.

Bits de parada: Usado para indicar el fin de la comunicación de un solo paquete. Los

valores típicos son 1, 1.5 o 2 bits. Debido a la manera como se transfiere la información a través de las líneas de comunicación y que cada dispositivo tiene su propio reloj, es posible que los dos dispositivos no estén sincronizados. Por lo tanto, los bits de parada no sólo indican el fin de la transmisión sino además dan un margen de tolerancia para esa diferencia de los relojes. Mientras más bits de parada se usen, mayor será la tolerancia a la sincronía de los relojes, sin embargo la transmisión será más lenta.

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el bit de paridad (el último bit después de los bits de datos) a un valor para asegurarse que la transmisión tenga un número par o impar de bits en estado alto lógico. Por ejemplo, si la información a transmitir es 011 y la paridad es par, el bit de paridad sería 0 para mantener el número de bits en estado alto lógico como par. Si la paridad seleccionada fuera impar, entonces el bit de paridad sería 1, para tener 3 bits en estado alto lógico. La paridad marcada y espaciada en realidad no verifican el estado de los bits de datos; simplemente fija el bit de paridad en estado lógico alto para la marcada, y en estado lógico bajo para la espaciada. Esto permite al dispositivo receptor conocer de antemano el estado de un bit, lo que serviría para determinar si hay ruido que esté afectando de manera negativa la transmisión de los datos, o si los relojes de los dispositivos no están sincronizados.

2.8 Puertos Seriales RS232, RS485, USB

2.8.1 Puerto Serial RS232

Según (México, 2014) El puerto serial, como su nombre lo indica envía su información de manera serial, es decir, como un tren de pulsos, utilizando el protocolo RS-232. Para la transmisión de información solo son necesarios 3 pines, uno a través del cual se envía la información, otro a través del cual se recibe y otro como referencia de voltaje o tierra. Pero el puerto serial posee 9 pines, los 5 restantes son para el control de datos, petición de información, libre para enviar, etc. (ver figura 2.14).

Figura Nº 2. 14

Diagrama del Conector DB-9 con Protocolo RS-232

(46)

2.8.1.1Características de la señal eléctrica.

Según (Teletipos Ingenieria, 2010) La interfaz emplea conexiones eléctricas no balanceadas, el nivel de señal es relativo a la tierra de señal, son más susceptibles al ruido y emplean velocidades menores a las conexiones balanceadas, un par de hilos por señal, no referido a tierra.

Es una interfaz de bajo voltaje que opera entre -15 V. y +15 V. donde:

 Voltajes entre - 3 V. y - 15 V. corresponden a un "1" lógico.

 Voltajes entre + 3 V. y + 15 V. corresponden a un "0" lógico.

 Voltajes entre - 3 V. y + 3 V. corresponden a una región de transición o seguridad.

La región de transición funciona como un margen donde no se define un estado lógico ya que los cables pueden estar sometidos a ruidos e interferencias eléctricas que pueden llevar a transiciones de estado no deseadas: si aumenta la velocidad de transmisión la señal se vuelve susceptible a pérdidas de voltaje por efecto de las altas frecuencias, motivadas por la resistencia, inductancia y capacidad del cable como línea de transmisión, y aumentan con la longitud del cable. El ancho de la región de seguridad determina el margen de ruidos y limita directamente la velocidad máxima de transmisión de datos sin pérdidas (ver figura 2.15).

Figura Nº 2. 15

Transmisión Asíncrona con RS-232

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2.8.2 Puerto Serial RS-485

Según (B&B Electronics, 2014) Está definido como un sistema en bus de transmisión multipunto diferencial, es ideal para transmitir a altas velocidades sobre largas distancias (35 Mbit/s hasta 10 metros y 100 kbit/s en 1200 metros) y a través de canales ruidosos, ya que reduce los ruidos que aparecen en los voltajes producidos en la línea de transmisión.

El medio físico de transmisión es un par entrelazado que admite hasta 32 estaciones en 1 solo hilo, con una longitud máxima de 1200 metros operando entre 300 y 19200 bit/s y la comunicación half-duplex (semiduplex). Soporta 32 transmisiones y 32 receptores. La transmisión diferencial permite múltiples drivers dando la posibilidad de una configuración multipunto. Al tratarse de un estándar bastante abierto permite muchas y muy diferentes configuraciones y utilizaciones (ver figura 2.16).

Figura Nº 2. 16 Conexión de RS-485

Fuente: (B&B Electronics, 2014)

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Va -Vb <-0.2V = "1" Va – Vb>0.2V = "0"

Dónde Va y Vb son las tensiones en las líneas "B" "A" y respectivamente, en la figura 2.17 se puede apreciar los niveles de voltaje de la señal de transmisión en TTL, 232, RS-422/485.

Figura Nº 2. 17

Señal de Transmisión en TTL, RS-232, RS-422/485

Fuente: (B&B Electronics, 2014)

2.8.3 Puerto Serial USB

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 La arquitectura serial le brinda al usuario una velocidad de reloj mucho más alta que la interfaz paralela debido a que este tipo de interfaz no admite frecuencias demasiado altas (en la arquitectura de alta velocidad, los bits que circulan por cada hilo llegan con retraso y esto produce errores);

 Los cables seriales resultan mucho más económicos que los cables paralelos.

2.9 Protocolo MODBUS

Según (Xncarne, 2014) MODBUS es un protocolo de comunicación serie desarrollado y publicado por Modicon en 1979. En su origen el uso de MODBUS estaba orientado exclusivamente al mundo de los controladores lógicos programables o PLC’s de Modicon.

En la actualidad el protocolo MODBUS es el protocolo de comunicaciones más común utilizado en entornos industriales, sistemas de telecontrol y monitorización (ver figura 2.18).

Figura Nº 2. 18

Esquema del Protocolo Modbus

Fuente: (Xncarne, 2014)

(50)

se limitan a retornar los datos solicitados o a ejecutar la acción indicada por el maestro. La comunicación del maestro hacia los esclavos puede ser de dos tipos:

Peer to Peer: en que se establece comunicación “maestro - esclavo”, el maestro solicita información y el esclavo responde (se envía el comando a un dispositivo comprendido entre las direcciones 1d y247d).

Broadcast: en que se establece comunicación “maestro - todos los esclavos”, el maestro envía un comando a todos los esclavos de la red sin esperar respuesta (se envía a la dirección @0d).

Como se puede ver, la secuencia básica en las comunicaciones MODBUS consiste siempre en una trama de pregunta, seguida de su correspondiente trama de respuesta:

Pregunta: con el código de función que indica al esclavo que operación ha de realizar,

y los bytes necesarios (datos, comprobación…) para su ejecución.

Respuesta: con la confirmación o datos resultantes de la ejecución de la función.

Existe algún caso concreto, en que hay más de una trama de respuesta para una trama de pregunta, como por ejemplo cuando el maestro envía una operación cuya respuesta puede llevar al esclavo un tiempo elaborar. En estas situaciones el esclavo envía una primera respuesta indicando que aún no tiene los datos y tardará un tiempo en disponer de ellos, y otra segunda con los datos o confirmación de la operación.

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Tabla 2. 2: Características ASCII Y RTU

Modo ASCII Modo RTU

Caracteres ASCII ‘0’…’9’,’A’….’F’ Binario 0…255

Comprobación de Error

LRC Longitudinal Redundancy check

CRC Cyclic Redundancy Check

Inicio de trama Carácter ‘:’ 3.5 veces t de carácter

Final de trama Carácter CR/CL 3.5 veces t de carácter

Distancia máx. entre

caracteres 1 seg. 1.5 veces t de carácter

Bit de inicio 1 1

Bits de datos 7 8

Paridad Par / Impar / Ninguna Par / Impar / Ninguna

Bits de parada 1 si hay paridad 2 si ninguna 1 si hay paridad 2 si ninguna

Fuente: (Méndez, 2014)

2.9.1 Campos de las tramas MODBUS

El número de campos de las tramas MODBUS varía ligeramente dependiendo de si utilizamos la codificación ASCII o RTU:

 Codificación ASCII ( formato texto ):

Inicio de trama: 2 caracteres ASCII (que representan 1 byte) codificando el carácter “:” (0x3A)

Nº Esclavo: 2 caracteres ASCII (que representan 1 byte) codificando la dirección del esclavo destino (u origen) de la trama

Código Operación: 2 caracteres ASCII (que representan 1 byte) con el código de operación.

Dirección, datos y subfunciones Datos: con los parámetros necesarios para realizar la operación.

LRC (16): H L

Final de trama: 4 caracteres ASCII (que representan 2 bytes) con los caracteres CR

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 Codificación RTU (en el formato binario, el inicio de trama debería ser tras 3.5 tiempo de carácter):

Nº Esclavo: 1 byte con la dirección del esclavo destino (u origen) de la trama

Código Operación: 1 byte con el código de operación

Subfunciones de Datos: con los parámetros necesarios para realizar la operación.

CRC (16): H L.

2.9.2 Descripción de los campos de las tramas MODBUS

Número de Esclavo (1 byte): En el caso de las tramas enviadas por el máster, el campo de número de esclavo indica la dirección del destinatario de esta trama. Permite direccionar hasta 247 esclavos, con las direcciones de 1d a 247d (0x00 a 0xF7). El 0x00 es para los mensajes de Broadcast, así el primer esclavo comienza con la dirección 1 (de 1 a 247). En el caso de las tramas enviadas por los esclavos, este byte sirve para indicar al máster a quién pertenece la respuesta.

Es decir, cada vez que un esclavo responde, sitúa su propia dirección en el byte de dirección lo que permite saber al maestro a que equipo corresponde cada respuesta. Las tramas broadcast, no tienen asociada respuesta, y algunas implementaciones de MODBUS no admiten la trama de broadcast.

Código de Operación o Función (1 byte): Indica el tipo de operación que queremos

realizar sobre el esclavo. Las operaciones se pueden clasificar en dos tipos:

De lectura / escritura en memoria: para consultar o modificar el estado de los registros del mapa de memoria del esclavo.

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El código de operación puede tomar cualquier valor comprendido entre el 0 y el 127 (el bit de más peso se reserva para indicar error). Cada código se corresponde con una determinada operación. Algunos de estos códigos se consideran estándar y son aceptados e interpretados por igual por todos los dispositivos que dicen ser compatibles con MODBUS, mientras que otros códigos son implementaciones propias de cada fabricante. Es decir que algunos fabricantes realizan implementaciones propias de estos códigos “no estándar”.

Es también mediante el código de función que el esclavo confirma si la operación se ha ejecutado correctamente o no. Si ha ido bien responde con el mismo código de operación que se le ha enviado, mientras que si se ha producido algún error, responde también con el mismo código de operación pero con su bit de más peso a 1 ( 0x80 ) y un byte en el campo de datos indicando el código de error que ha tenido lugar.

Dirección, datos y subfunciones (n bytes): Este campo contiene la información necesaria para realizar la operación indicada en el código de operación. Cada operación necesitará de unos parámetros u otros, por lo que el número de bytes de este campo variará según la operación a realizar. En el caso del esclavo, este puede responder con tramas con o sin campo de datos dependiendo de la operación. En los casos en que se produzca algún error es posible que el esclavo responda con un byte extra para especificar el código de error.

Al establecer la dirección de una variable u otro elemento en el mapa de direcciones MODBUS, direccionamos con 1 unidad menos a la del registro al que queremos acceder, de manera que si por ejemplo quisiéramos acceder al relé @ 127d, lo haríamos situando el valor 126d en el byte del campo de dirección. Otros ejemplos:

(54)

 El relé 0x007F (127d) de un controlador se direccionaría con el valor 0x007E (126d) en el campo de dirección de un mensaje MODBUS.

 El Holding Register 40001 se accedería situando el valor 0000 en el campo de dirección del mensaje. Como se puede ver el código de función de acceso a los Holding Registers lleva implícito el acceso a la dirección ‘4XXXX’.

 El Holding Register 40108 es accedido leyendo de la dirección 0x006B (107d)

2.9.3 Tipos de datos MODBUS y mapeo de rango de memoria

@1-10000 (DOs - digital outputs): 1 bit por dirección para indicar el estado de una

salida, mando o relé (0 desactivado, 1 activado). Las direcciones de este rango se suelen acceder mediante las funciones 1 (lectura), 5 (escritura), 15 (escritura múltiple).

@10001-20000 (DIs - digital inputs): 1 bit por dirección para leer el estado de una entrada digital (0 desactivada, 1 activada) también denominadas DIs (Digital Inputs). Las direcciones de este rango se suelen acceder con la función 2 (lectura) y llevan implícita la dirección 10001 como dirección base (para acceder a una dirección bastará con especificar la distancia entre esta y la dirección base).

@20001-30000: el protocolo MODBUS estándar no hace uso de este rango de

direcciones.

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la dirección 30001 como dirección base (para acceder a una dirección bastará con especificar la distancia entre esta y la dirección base).

@40001-50000 (AOs - analog outputs): 16 bits con los registros de salidas analógicas

o de propósito general (Output Registers – Holding Registers). Se acceden con las funciones 3 (lectura), 6 (escritura) o 16 (escritura múltiple) y llevan implícita la dirección 40001 como dirección base (para acceder a una dirección bastará con especificar la distancia entre esta y la dirección base).

Algunos fabricantes expresan la dirección de forma compuesta, separando la dirección de palabra y la dirección de bit: por ejemplo: Word 0x30 bit 1

Como se cita en el apartado de “Código de Operación o Función”, cuando se produce un error en la ejecución de un comando en el esclavo, este responde poniendo a 1 el bit de más peso del código de función (0x80). Con este bit el maestro sabe que se ha producido un error, pero para obtener más detalle sobre el tipo de error, ha de comprobar el campo de datos:

Tabla 2. 3: Códigos de Función

Código Nombre Significado

01

ILLEGAL FUNCTION

El código de función recibido no se corresponde a ningún comando disponible en el esclavo

02

ILLEGAL DATA ADDRESS

La dirección indicada en la trama no se corresponde a ninguna dirección válida del esclavo

03

ILLEGAL DATA

VALUE El valor enviado al esclavo no es válido

04

SLAVE DEVICE FAILURE

El esclavo ha recibido la trama y la ha comenzado a procesar, pero se ha producido algún error y no ha podido termina la tarea.

05 ACKNOWLEDGE

(56)

más tarde una trama una trama de tipo Poll Program Complete para verificar si ha completado el comando

06

SLAVE DEVICE BUSY

El esclavo está ocupado realizando otra tarea y no puede atender a esa petición en ese instante por lo que el máster tendrá que reintentarlo más adelante.

Fuente: (Méndez, 2014)

2.9.4 Control de errores LRC o CRC

Se utiliza un sistema de detección de errores diferente dependiendo del tipo de codificación utilizado (ASCII o RTU). En el caso de la codificación ASCII es el checksum (o Longitude Redundancy Check LRC) en módulo 16 expresado en ASCII (2 caracteres representan 1 byte), sin considerar el ":" ni el “CR LF” de la trama. En la codificación RTU se utiliza el método de CRC (Cyclical Redundancy Check) codificado en 2 bytes (16 bits).

Para calcular el CRC se carga un registro de 16 bits todo con ‘1’s, se hace OR con cada uno de los caracteres de 8 bits con el contenido de cada byte y el resultado se desplaza una bit a la izquierda insertando un 0 en la posición de menos peso (la de la derecha). El de la izquierda se extrae y se examina: si es 1 se vuelve a hacer OR con un valor prefijado, si es 0 no se hace ninguna OR... y el proceso se repite hasta que se han hecho los 8 shifts del byte.

2.9.5 Descripción de los códigos de operación o función más frecuentes

Según (Bartolomé, 2014) Los siguientes códigos son algunos de los códigos de función MODBUS más extendidos, soportados por todos los dispositivos que cumplen con las especificaciones del estándar (controladores de MODICON):

 Función 1 Read Coil Status

 Función 2 Read Input Status

 Función 3 Read Holding Registers

Figure

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Referencias

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