UNIDAD 14
COMUNICACIÓN INDUSTRIAL
MÓDULO
PROGRAMACIÓN AVANZADA EN TIA PORTAL CON S7-1200
P.Texto(01).dot
ÍNDICE
M OTIVACIÓN ... 3
P ROPÓSITOS ... 4
P REPARACIÓN PARA LA UNIDAD ... 5
1. TCP/IP ... 7
1.1. D IRECCIONAMIENTO Y SUBDIRECCIONAMIENTO ... 8
1.1.1. D IRECCIONAMIENTO IP ... 8
1.1.2. D IRECCIONES IP ESPECIALES ... 12
1.1.3. S UBDIRECCIONAMIENTO IP ... 13
1.2. C OMANDOS ÚTILES EN TCP/IP ... 14
2. PROFIBUS ... 18
2.1. P ROFIBUS DP ... 20
2.2. F ICHEROS GSD PARA CONFIGURACIÓN DE DISPOSITIVOS ... 23
3. AS- I ... 26
3.1. E L CABLE ... 26
3.2. E L MAESTRO AS I ... 29
3.3. E SCLAVOS ... 31
3.4. A LIMENTACIÓN ... 32
3.5. T OPOLOGÍA ... 33
4. MODBUS ... 41
4.1. M ODBUS TCP/IP ... 42
4.1.1. P ROTOCOLO DE COMUNICACIONES ... 43
4.2. A PLICACIONES CON M ODBUS ... 44
C ONCLUSIONES ... 45
R ECAPITULACIÓN ...46
A UTOCOMPROBACIÓN ...49
S OLUCIONARIO ... 53
P ROPUESTAS DE AMPLIACIÓN ... 54
B IBLIOGRAFÍA ... 55
MOTIVACIÓN
Internet significa, hoy en día, una forma de trabajar, de conocer, de encontrar, de disfrutar, de compartir, es, al fin y al cabo, una forma de vida. ¿Te has para- do a pensar qué ocurriría si desapareciera? Sirva como respuesta la frustración que sufrimos cuando nuestro operador no puede darnos servicio durante unas horas o un día.
Een esta unidad también vas a descubrir los distintos tipos de buses que po-
demos utilizar para reducir cableado y mejorar la comunicación.
PROPÓSITOS
Al final de esta unidad serás capaz de:
Comprender el significado de los protocolos TCP/IP.
Entender qué significa una dirección IP y cómo se construye.
Supervisar una red a través de comandos IP.
Enumerar cuáles son los elementos esenciales para instalar una red AS-i y sus funciones.
Diferenciar las variantes de Profibus atendiendo a sus propósitos.
Reconocer los dos tipos de comunicación de Modbus.
Diferenciar Modbus de otros buses de campo.
PREPARACIÓN PARA LA UNIDAD
En esta unidad vamos a tratar el protocolo TCP/IP y dedicaremos un epígrafe aparte para tratar el direccionamiento y subdireccionamiento IP, así como lo propio para hablar de los puertos IP y de los comandos TCP/IP más utilizados.
Conocerás también los distintos tipos de bus industriales más utilizados así co-
mo sus características principales.
1. TCP/IP
En 1973 la Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa de EE UU (DARPA) propuso un plan de investigación sobre la transferencia de datos entre redes de comunicaciones. Fruto de estas investigaciones nacieron dos re- des, ARPANET dedicada a la investigación, y MILNET, de exclusivo uso militar.
La idea era crear protocolos que no fueran propietarios, es decir, que no de- pendieran del fabricante, del tipo ni de la configuración de máquina. Así, nacie- ron de manos de Vinton Cerf y Robert Kahn, el conjunto de protocolos TCP/IP.
ARPANET dejó de funcionar oficialmente en 1990, pero el nacimiento de Inter- net, unos años antes, popularizó el protocolo por todo el mundo.
Todos lo empleamos indirectamente y muchas veces confundimos con un solo protocolo cuando en realidad son varios, de entre los cuales, el más importante es el protocolo IP.
Internet no es un nuevo tipo de red, sino un conjunto de protocolos que permiten conectar redes heterogéneas en- tre sí. Cuando accedemos a ella, aunque no nos demos cuenta, estamos conectándonos a máquinas de diferente naturaleza que la nuestra, con un sistema operativo distin- to y cierta topología de red. Incluso el enlace se realizará por satélite.
Para que Internet se convirtiera en la Red de redes se ne-
1.1. DIRECCIONAMIENTO Y SUBDIRECCIONAMIENTO
Para hacer posible la comunicación entre equipos de una red es necesario que cada uno tenga una dirección con la cual poder enviar o recibir mensajes.
1.1.1. D IRECCIONAMIENTO IP
Todas las tarjetas adaptadoras de red llevan grabada de fábrica una dirección inalterable de 48 bits, denominada MAC. Esta es única en el mundo y no puede haber dos iguales. Los tres primeros bytes corresponden al identificador del fabricante y los tres restantes al número de serie de la tarjeta en cuestión.
Para saber cuál es la dirección física de nuestro equipo, disponemos del comando TCP/IP:
ipconfig/all
Vamos a ver qué pasos debemos seguir para conocer la dirección física de nuestro equipo.
Suponemos que tenemos Windows XP. Pinchamos en bo-
tón inicio/ejecutar y ponemos “cmd”. De esta manera pa-
saremos a ver una pantalla negra que viene a ser el siste-
ma operativo MS-DOS.
Pasar a modo MS-DOS
Ahora solo es necesario teclear el comando, en este caso,
“ipconfig/all” y pulsar la tecla “enter”.
Resultado del comando “ipconfig/all”
Donde podemos ver que la dirección física es:
00-13-D4-6D-C4-83
Los bytes 00-13-D4 identifican al fabricante y los bytes 6D- C4-83 son el número de serie.
Pero, en realidad, los usuarios nunca vamos a tener que manejar estas direccio- nes largas y engorrosas. En su lugar, utilizaremos las direcciones IP o direccio- nes lógicas.
Dependiendo de las características de accesibilidad, una dirección IP puede ser:
Pública.
Un equipo con este tipo de IP es accesible desde cualquier otro equipo conectado a Internet.
Para conectarse a Internet es necesario tener una IP pública.
Se utilizan para servidores web.
Privada.
Los equipos con IP privadas solo son accesibles por equipos de la misma red.
Es necesario disponer de un router que convierta esta IP en pú- blica para conectarse a Internet.
Desde Internet no se puede conectar a una IP privada.
Se utilizan en las estaciones de trabajo de las empresas.
Además, también se pueden clasificar en:
Dinámicas. Las utilizan los proveedores de Internet porque poseen más clientes que direcciones. Cada vez que conectemos el equipo lo hare- mos con una IP diferente.
Estáticas. Los servidores de Internet utilizan IP estáticas y fijas de for- ma que siempre tienen la misma dirección y son accesibles por el resto de equipos.
El estándar actual encargado de las direcciones IP es el IPv4. Este establece que las direcciones constan de 4 bytes que se representan de la siguiente manera:
NNN.NNN.NNN.NNN
Donde cada campo de tres cifras separado por punto puede ir de 0 a 255 en decimal. Por ejemplo, una dirección IP sería la siguiente:
Decimal → 192.168.20.3 Hexadecimal → C0.A8.14.3
Binario → 1100 0000 1010 1000 0001 0100 0000 0011
Las direcciones IP se componen de dos partes: netid, que hace referencia a la dirección de la red, y hostid, que hace referencia a la del equipo en particular.
Atendiendo al número de hosts (equipos) que hay en una red, las direcciones IP se dividen en clases:
Bits
Clase 0 1 2 3 4 8 16 24 31
A 0 netid
hostidB 1 0
netid hostidC 1 1 0
netid hostidD 1 1 1 0 Grupo de multicast
E 1 1 1 1 Direcciones reservadas que no se pueden utilizar
Figura 1. Clases de direcciones IPClase Número de
hosts por red
Rango de direcciones de redes Máscara de subred
A 16.777.214 0.0.0.0 - 127.0.0.0 255.0.0.0
B 65.534 128.0.0.0 - 191.255.0.0 255.255.0.0
C 254 192.0.0.0 - 223.255.255.0 255.255.255.0
D - 224.0.0.0 - 239.255.255.255 -
E - 240.0.0.0 - 255.255.255.255 -
Figura 2. Rangos de direcciones IP y máscaras de subred
Figura 3. Ejemplo de red IP
Conociendo solo la dirección IP no somos capaces de sa-
ber cual es la dirección de la red y cual es la del equipo en
cuestión. Para ello tendremos que realizar la operación ló-
gica AND con la máscara de subred.
0. Significa “0”. El campo de la dirección IP, que ocupe el mismo lugar que este campo, es una dirección de host o hostid.
Sabemos:
Dirección IP = 192.168.20.3 Máscara subred = 255.255.255.0
¿Qué dirección tiene la red?
192.168.20.0
Sabemos que la dirección de un equipo es:
Dirección IP = 148.126.34.12
¿Cuál es la dirección de la red?
Solución:
Vemos en la tabla anterior que para esta dirección IP la máscara de subred es 255.255.0.0. Por lo tanto, la dirección de la red es 148.126.0.0.
1.1.2. D IRECCIONES IP ESPECIALES
No todas la direcciones de la 0.0.0.0 a la 255.255.255.255 son válidas para una estación de trabajo, sino que hay ciertas direcciones reservadas.
Bits de red Bits de host Ejemplo Significado
Todos 0 0.0.0.0
Host propioTodos 0
hostid0.0.0.10
Host dentro de mi rednetid
Todos 0 192.168.1.0 Red
Todos 1 255.255.255.255 Difusión toda la red
netid
Todos 1 192.168.1.255 Difusión red indicada
127 Cualquier valor 127.0.0.1
Loopback Figura 4. Direcciones IP especialesUtilizaremos una dirección de difusión total o broadcast cuando necesitemos mandar el mismo mensaje a todos los equipos de la red. Para ello, solo es ne- cesario poner todos los campos a “1”, es decir, 255. Ejemplo:
255.255.255.255.
Utilizaremos una dirección de difusión o multicast cuando necesitemos man- dar el mismo mensaje a un grupo de hosts de una red en concreto. Para ello, solo es necesario poner los hostid a “1”, es decir, 255. Ejemplo:
192.168.10.255.
La dirección loopback o bucle de retorno nos sirve de au- todiagnóstico de forma que, si mandamos un paquete a esta dirección y no hay contestación, significa que algo fa- lla en la red.
Prueba a poner este comando en la ventana de MS-DOS:
ping 127.0.0.1
1.1.3. S UBDIRECCIONAMIENTO IP
En redes complejas, compuestas a su vez por varias redes LAN, se utiliza la técnica del subdireccionamiento, que consiste en dividir el campo hos- tid en dos: subnetid y hostid. Ahora, la dirección IP queda de la siguiente manera:
Figura 5. Subdireccionamiento IP
La ventaja que ofrece el subdireccionamiento es evitar el crecimiento masivo
de las tablas de direcciones globales de Internet, ya que por grande que sea
la red, presenta solo una dirección de cara al exterior. Cualquier equipo de
una red subdireccionada comparte la misma dirección pública para salir al
exterior.
Por ejemplo, una red de clase B podría constar de varias subredes LAN de la siguiente manera:
Figura 6. Ejemplo de subdireccionamiento en red clase B
1.2. COMANDOS ÚTILES EN TCP/IP
En ocasiones necesitaremos configurar o revisar el estado de la red. A conti-
nuación, se muestran los comandos más utilizados para estas tareas. Ten en
cuenta que en sistemas operativos Windows debes pinchar en “Ejecutar” y es-
cribir “cmd” para abrir una ventana del sistema MS-DOS.
Hostname. Nos indica el nombre del equipo. En este caso d9c609b1311.
Figura 7. Respuesta del comando hostname
Ping. Mediante este comando podemos comprobar que nuestra estación de trabajo se comunica con una dirección IP remota de forma correcta.
Figura 8. Respuesta del comando ping
Tracert. Nos permite comprobar el camino que siguen los paquetes de datos desde el origen hasta el destino.
Figura 9. Respuesta del comando tracert
Ipconfig. Nos muestra los valores de las direcciones IP asignadas a nuestro sistema.
Figura 10. Respuesta del comando ipconfig
Ftp. Nos permite descargar ficheros de un equipo remoto.
Netstat. Muestra la pila de conexiones TCP/IP. Para parar la presentación pre- siona “Ctrl.+C”.
Route. Nos permite ver y modificar la tabla de enrutamiento.
Arp. Nos permite ver y modificar las tablas de conversión de direcciones IP lógi- cas a direcciones físicas utilizadas por el protocolo de resolución de dirección.
Telnet. Nos permite acceder en modo Terminal a otro host.
Nbtstat. Actualiza el caché del archivo Lmhosts. Nos muestra las cone- xiones TCP/IP actuales utilizando NBT (NetBIOS en TCP/IP) y otras es- tadísticas del protocolo.
Cada comando suele llevar parámetros de configuración que no hemos comentado. Si deseas obtener más infor- mación, te recomendamos:
www.es.kioskea.net/faq/sujet-430-comandos-tcp-ip-para- windows
Además, también puedes ver los parámetros poniendo
simplemente el nombre del comando en la ventana del
sistema MS-DOS.
2. PROFIBUS
Profibus (process field bus) nació en el año 1987 de manos de varias firmas pri- vadas e institutos de investigación alemanes, cuando empezaron a desarrollar un proyecto de comunicaciones industriales que permitiera la interconexión de equipos de distintos fabricantes. Pero, además, también se buscaba crear un bus de comunicaciones abierto capaz de integrar en la misma red desde senso- res y transductores, pasando por los autómatas y controles numéricos, hasta llegar a la estaciones de trabajo del nivel de diseño y gestión de la producción.
A partir del año 1990, como ocurre con la mayoría de los buses de campo, se fundó Profibus Internacional, organización con más de 800 miembros, a la que puede pertenecer cualquier usuario o empresa que desarrolla y da soporte al nivel de aplicación y certificación de productos.
Todos los productos con certificación Profibus pasan unos estrictos controles de calidad, de forma que nos aseguran la compatibilidad en una red formada por dispositivos de distintos fabricantes.
Profidus es actualmente el bus de campo líder en Europa y está ampliamente extendido por todo el mundo, de hecho, todos los fabricantes líderes de tecno- logía de automatización ofrecen interfaces Profibus para sus dispositivos.
A día de hoy, tenemos más de 250 fabricantes con 2.500 dispositivos y servicios
a nuestra disposición, que otros clientes han utilizado en alrededor de medio mi-
llón de aplicaciones en todo el mundo haciendo un total de más de 20 millones de
dispositivos instalados (fuente: http://www.profibus.com/pi/organization/about/).
Profibus establece su versatilidad a través de tres versiones, que le permiten instaurarse en aplicaciones de manufactura, automatización o generación de procesos, todas recogidas en el estándar internacional EN 50170, IEC 61158 y IEC 61784.
Veamos una breve descripción de las tres modalidades del bus:
Profibus DP (distributed peripherals). Fue creado con la intención de si- tuarse en la parte baja de la pirámide CIM, interconectando los siste- mas de campo y las entradas/salidas distribuidas. Por ello, está optimi- zado para trabajar a alta velocidad y su implementación supone un coste reducido. También podemos resaltar que las conexiones son sencillas y el intercambio de datos se produce de manera cíclica.
Profibus PA (process automation). Este tipo de bus interconecta los mismos dispositivos que la versión DP, con la diferencia de que está diseñado para trabajar exclusivamente en ambientes explosivos (“ex”).
Por otro lado, también permite la comunicación de datos y alimentación en el bus mediante el uso de dos cables, según la Norma IEC 1158-2.
Profibus FMS (fieldbus message specification). Proporciona una solución
general en la interconexión de dispositivos en el nivel de control de la pirá-
mide CIM. Este intercambio de datos se produce generalmente de manera
acíclica, primando la funcionalidad frente a la rapidez de comunicación.
2.1. PROFIBUS DP
Profibus DP está orientado a la comunicación de datos a alta velocidad entre los controladores más inteligentes, como son los PLC y los dispositivos de campo a través de un enlace serie. Principalmente, el modo de comunicaciones va a ser cíclico, según la Norma EN 50170, pero acciones como la de establecer la con- figuración del dispositivo, por ejemplo, se realiza acíclicamente.
Los sistemas más sencillos solo constan de un maestro que gestiona la infor- mación del conjunto de los esclavos.
Figura 12. Sistema monomaestro en red Profibus DP
Sin embargo, es más común encontrarnos redes multimaestro basadas en va- rios dispositivos maestros capaces de gestionar subconjuntos de esclavos. Es- tos sistemas constan de los siguientes elementos:
Maestro DP de clase 1: tiene el control de las comunicaciones y decide con qué esclavo en concreto debe establecerse el intercambio de da- tos; suelen ser dispositivos PLC, sistemas VME u ordenadores.
Maestro DP de clase 2: se encarga de la programación, diagnóstico o gestión de la red, además de ejecutar funciones de diagnóstico y servicio técnico.
Esclavo DP: son los dispositivos del nivel de campo por medio de los
cuales se leen señales, o bien se emiten; los primeros se denominan
sensores y los segundos, actuadores.
La transmisión de datos entre maestros de clase 1 y sus esclavos asociados es cíclica y se ejecuta de forma automática en un orden que definimos al configurar el sistema. Esta transmisión se divide internamente en tres fases:
Parametrización y configuración. En estas fases se comprueba que, tanto el dispositivo esclavo elegido como su configuración, son los apropiados.
Transferencia de datos. Está dirigida en todo momento por un maestro y en ella es en la que se produce el intercambio de datos como tal.
Independientemente de las fases de transmisión de datos, según en qué situa- ción se encuentre la red, distinguiremos tres modos de operación:
Stop. No existe transmisión y un maestro clase 1 es controlado por un maestro clase 2.
Clear. Un maestro clase 1 puede leer las entradas de los esclavos, pero sus salidas quedan en modo de seguridad.
Operate. Un maestro de clase 1 comunica normalmente con los escla- vos, leyendo información de sus entradas y escribiendo en sus salidas.
Figura 13. Sistema multimaestro en red Profibus DP
Profibus DP nos permite implementar una red multimaes-
tro en la que cada subsistema consta de un maestro clase
1 y varios esclavos.
Hay que resaltar dos comandos utilizados por los maestros para proporcionar sincronismo al sistema. Por un lado, está el comando sync, que sincroniza las salidas de los esclavos y, por otro, freeze, que se encarga de sincronizar las entradas de los mismos.
Profibus DP dispone, además, de una serie de funciones básicas cíclicas para con- trolar el flujo de datos y diagnosticar el sistema. Hemos de destacar las siguientes:
Funciones de diagnóstico. Son recibidas por los maestros a través del bus y permiten una rápida localización de los errores gracias a su jerar- quización. De hecho, distinguimos errores de estaciones cuando el dis- positivo muestra una disfunción general, errores de módulos, cuando estos se presentan en rangos de entradas/salidas, o relativos a canales, cuando falla un bit en concreto de un elemento entrada/salida.
Funciones de seguridad y protección. Para asegurar la confiabilidad de los datos, el bus dispone de herramientas como el watchdog, monitori- zación de datos de usuario con temporizador, distancia hamming igual a cuatro y una protección de acceso a los datos de los esclavos.
Pero existen también un conjunto de funciones extendidas de carácter acícli- co, que pueden ser realizadas de forma paralela a la transmisión de datos cí- clica. Estos accesos acíclicos a los parámetros y valores de medida de un es- clavo pueden ser utilizados para el diagnóstico y el control de operación sobre estaciones.
Otra de las ventajas de estas funciones extendidas es que Profibus DP cum- ple así los requerimientos de dispositivos complejos que, de otra forma, de- berían ser parametrizados durante la operación. Algunos ejemplos típicos son los elementos usados en procesos de automatización, operadores de control inteligentes y dispositivos de monitorización, así como los converti- dores de frecuencia.
En comparación con los valores medidos en la transmisión cíclica, estos valo- res son raramente cambiados. Por esta razón, la transmisión se realiza con una menor prioridad en relación con la alta velocidad de la transferencia de datos cíclica.
Dentro de este tipo de funciones se encuentran:
Comunicaciones extendidas de datos entre maestros de clase 1 y es- clavos. Son un conjunto de funciones que posibilitan el acceso directo tanto de escritura como de lectura del maestro de clase 1 a una parte deseada dentro del esclavo. También dotan al maestro de capacidad para reconocer alarmas.
Transmisión extendida de datos entre maestros de clase 2 y esclavos.
Permite a los maestros de clase 2 realizar lecturas y escrituras en cual-
quier bloque del esclavo que se desee.
Profibus DP define cómo van a ser transmitidos los datos de usuario entre los dispositivos, pero no los evalúa. De ello se encargan los perfiles, los cuales, además de eva- luar los datos de usuario, especifican cómo serán utiliza- dos por los dispositivos.
Gracias a ellos podemos intercalar dispositivos de dife- rentes fabricantes sin temor a que surja ningún tipo de problema.
2.2. FICHEROS GSD PARA CONFIGURACIÓN DE DISPOSITIVOS
Los archivos GSD son las bases de datos de los dispositivos donde se defi- nen sus variables y funcionalidades, y nos simplifican la configuración del sistema. Podríamos decir que son los drivers de los dispositivos y lo normal es que lo proporcione el fabricante, aunque también lo puede modificar el usuario.
En ellos quedan reflejadas:
Especificaciones generales, dentro de las cuales se encuentran valo- res como el fabricante del dispositivo, velocidades, frecuencias, tem- peraturas, etc.
Especificaciones para estaciones maestras, donde quedan registra- dos valores propios de un maestro como, por ejemplo, el número má- ximo de esclavos.
Especificaciones de los esclavos: recogen valores como el número má- ximo de E/S o los mensajes de diagnóstico.
Los archivos GSD están escritos en formato de texto ASCII con lo que podemos leerlos o editarlos con cualquier programa editor de textos por sencillo que sea, como el Wordpad de Windows.
A continuación, te mostramos un ejemplo de fichero GSD correspondiente a
un transductor de presión del fabricante SMAR. En concreto, se trata del
modelo LD303.
;***********************************************************
;** GSD file for LD303 - Pressure Transmitter **
;** **
;** Manufacture : SMAR **
;** **
;** Stand: 01.13.2000 Revised by: MG. **
;** smar0895.GSD **
;***********************************************************
;
#Profibus_DP
GSD_Revision = 2
Vendor_Name = "SMAR"
Model_Name = "LD303 SMAR"
Revision = "1.0"
Ident_Number = 0x0895 ; 0x9740
Protocol_Ident = 0
Station_Type = 0
Bitmap_Device = "Src0895n"
FMS_supp = 0
Hardware_Release = "3.0"
Software_Release = "1.19"
31.25_supp = 1
45.45_supp = 1
93.75_supp = 1
187.5_supp = 1
MaxTsdr_31.25 = 100
MaxTsdr_45.45 = 250
MaxTsdr_93.75 = 1000
MaxTsdr_187.5 = 1000
Redundancy = 0
Repeater_Ctrl_Sig = 0
24V_Pins = 0
Freeze_Mode_supp = 0
Sync_Mode_supp = 0
Auto_Baud_supp = 0
Set_Slave_Add_supp = 1 Min_Slave_Intervall = 250
Modular_Station = 1
Max_Module = 2
Max_Input_Len = 10
Max_Output_Len = 2
Max_Data_Len = 12
Max_Diag_Data_Len = 14
Slave_Family = 12
User_Prm_Data_Len = 0
;Ext_User_Prm_Data_Const(0) = 0x00,0x00,0x00
;Modules for Analog Input
Module = "Analog Input (short) " 0x94 EndModule
Module = "Analog Input (long)" 0x42, 0x84, 0x08, 0x05 EndModule
;Module for Totalizer
Module = "Total " 0x41, 0x84, 0x85
EndModule
Module = "Total_Settot " 0xC1, 0x80, 0x84, 0x85 EndModule
Module = "Total_Settot_Modetot " 0xC1, 0x81, 0x84, 0x85 EndModule
;Empty module
Module = "EMPTY_MODULE" 0x00 EndModule
Encontrarás más ficheros GSD en la página web:
www.procentec.com/gsd/
Y también en la página oficial de Profibus:
www.profibus.com
3. AS-I
En el proceso de cambio de tecnologías centralizadas a distribuidas, surgió la necesidad de desarrollar un bus que conectara los sensores y actuadores con los elementos que los gobiernan, los PLC.
Nace, de esta manera, en el año 1990 el bus ASi (actuador sensor interfaz) con la misión de crear una red simple para comunicaciones binarias capaz de trans- portar por el mismo bus datos y alimentación.
Dos años después se creó la AS-International Association, formada por 13 paí- ses y la gran mayoría de las empresas del sector. Esta tiene como funciones:
Informar a los usuarios y proporcionar soporte técnico.
Estandarizar y revisar las normas ASi.
Certificar que los productos que salen al mercado cumplen las normas ASi, de forma que son 100% compatibles, independientemente del fabricante.
Difundir la idea del bus.
El estándar ASi queda plasmado en las Normas EN 50295, IEC 62026/2 e IEC 947.
3.1. EL CABLE
Por medio del cable del bus ASi somos capaces de transportar datos y, a la vez,
proporcionar alimentación a los dispositivos. Pero los cables de par trenzado,
coaxiales o de fibra óptica, utilizados por otros buses, no son adecuados para
este menester.
Solo es necesario disponer de un cable de 2 conductores con una sección de 1,5 mm
2sin trenzar ni apantallar, si bien nosotros recomendamos utilizar el ca- ble que cumple el estándar. Este es de color amarillo, plano, flexible y robusto.
Figura 14. Cable estandarizado ASi
La cubierta amarilla tiene una forma especial que le hace encajar en el disposi- tivo en una única posición, lo que nos protege de una posible inversión de po- laridad. Además, los dispositivos van provistos de unos alojamientos con unas pequeñas cuchillas que, al presionar el cable sobre estas, lo perforan y toman contacto con el conductor. Denominamos a este tipo de conexión tomas de vampiro.
Figura 15. Detalle de un conector con tomas de vampiro
Figura 16. Conector comercial con tomas de vampiro
El cable amarillo del bus ASi es autocicatrizante. Esto quie- re decir que, si retiramos el cable de un dispositivo, el pro- pio material de la cubierta cierra los orificios creados por las tomas de vampiro.
Pero no todos los elementos de una red ASi los podemos alimentar con el pro- pio cable de datos. De hecho, gran parte de la instrumentación de control traba- ja con tensiones de 24 V DC o, incluso, 230 V AC. Para ello, se ha definido en el estándar el color de cada uno de ellos:
Marrón para el terminal + ASi.
Azul para el terminal - ASi.
Amarillo para el cable de datos.
Rojo para tensión alterna de 230 V.
Negro para tensión continua de 24 V.
Algunas de las recomendaciones que debemos tener en cuenta son:
Utilizaremos cable apantallado en entornos con ruido electromagnético.
Para conseguir un mejor apantallamiento, conectaremos a tierra las pantallas.
Utilizaremos cable de sección comprendida entre 0,75 mm
2y 2,5 mm
2.
No retorcer el cable.
Tenderemos el cable próximo a las superficies conectadas con el potencial de referencia, para favorecer la inmunidad frente a ruido electromagnético.
Figura 17. Reducción de cableado en instalaciones ASi
3.2. EL MAESTRO ASI
Cada red ASi está gobernada por un único maestro que puede ser un PC o un PLC. El método de acceso al medio que utiliza es el muestreo, o polling, y no será necesario definir la velocidad ni la cantidad de datos a transmitir. Estos paráme- tros se configuran automáticamente, siendo una tarea transparente para nosotros.
Un maestro podía controlar en las versiones iniciales hasta 31 esclavos, pasan- do a 62 en la versión 2.1 del protocolo. Todos los esclavos son identificados mediante un código establecido desde el maestro. Otra característica de esta versión de protocolo es que soporta esclavos analógicos.
Las funciones que realiza el maestro son:
Comunicación con el autómata asociado para transferir el estado de la red.
Diagnóstico de esclavos.
Número de esclavos conectados.
Una vez hemos instalado la red, podemos hacer funcionar al maestro en dos modos:
Protegido. En este modo solo se activan los esclavos que están recogi- dos en la base de datos del maestro. Si sustituimos un esclavo por otro, el maestro le asigna una dirección automáticamente.
Configuración. En este modo, todos los esclavos conectados al bus son activados independientemente de si los tiene reconocidos o no en su base de datos.
Cuando encendemos, el maestro ASi realiza estos pasos:
Inicialización del bus. En este proceso se lee la con- figuración y se inicializa las bases de datos y la me- moria.
Detección de esclavos. Determina el número de es- clavos con los que va a intercambiar información.
Intercambio de datos. Empieza la comunicación como tal.
Figura 18. Módulo de comunicación Así para el S7-1200
3.3. ESCLAVOS
Podemos conectar al bus ASi todo tipo de dispositivos digitales, mediante un adaptador de bus. Dependiendo de dónde vaya colocado este, diferenciamos:
Esclavos convencionales: son actuadores o sensores tradicionales que necesitan un dispositivo adaptador a bus ASi, que se coloca de forma independiente.
Esclavos convencionales comunicantes: son sensores o actuadores a los que se les añade funcionalidad ASi por medio de un accesorio elec- trónico colocado dentro del propio sensor.
Esclavos ASi: son sensores o actuadores diseñados explícitamente para trabajar en bus ASi y no necesitan adaptación.
Figura 19. Tipos de esclavos
Algunas de las propiedades de los esclavos son:
La tensión de operación de los esclavos debe estar entre 26,5 V y 31, 6 V.
El consumo de cada esclavo es de alrededor de 200 mA.
Cada esclavo permite direccionar 4 entradas y 4 salidas digitales y,
además, 4 bits de parámetros, con un máximo de 248 entradas/salidas
Figura 20. Módulo comercial genérico de 2E/2S
Algunos esclavos tienen una función añadida que consiste en vigilar que la comunicación con el maestro es la correc- ta. En caso de no detectar señal por parte del maestro en un tiempo superior a 40 min, apagarán las salidas y pasarán a modo seguro. Esta función de denomina watchdog.
3.4. ALIMENTACIÓN
Los módulos de alimentación son los que nos van a proporcionar energía a los dispositivos del bus. Por un lado, disponemos de los terminales ASi+ y ASi-, que proporcionan una tensión de 30 V DC, que es donde conectaremos el cable de comunicaciones amarillo.
Por otro lado, habitualmente nos encontramos con esclavos que consumen más de 200 mA de corriente continua o, incluso, esclavos que trabajan con tensión alterna. En estos casos será necesario alimentar los esclavos independiente- mente con una fuente de 24 V DC o de 220 V AC, según corresponda.
El estándar establece que el cable de alimentación adicio-
nal de corriente continua debe ser de color negro, mien-
tras que, si es alterna, será de color rojo.
En el mercado podemos encontrar desde fuentes simples, que alimentan solo al bus de 30 V DC y fuentes complementarias de solo 24 V DC o 220 V AC, hasta fuentes completas, que nos proporcionan alimentación de 30 V DC para el bus, 24 V DC y 220 V AC, ensambladas todas en un solo módulo.
En la siguiente figura mostramos una fuente de alimentación de la casa Siemens.
Figura 21. Módulo comercial fuente de alimentación
3.5. TOPOLOGÍA
El bus ASi no pone ninguna restricción al modo de conexión de los dispositivos, de forma que podemos conectar cualquier esclavo donde mejor nos convenga.
De esta forma, podemos crear alguna topología típica de otros buses, como es
la de anillo, de bus o punto a punto, o bien no seguir ningún patrón de conexión,
en cuyo caso la denominamos topología en árbol. Solo hay que tener en cuenta
que la distancia máxima sin repetidor desde el maestro es de 100 m.
Algunas de las topologías básicas de conexión son:
Punto a punto. Todos los esclavos cuelgan directamente del maestro lle- vando el cable hasta él.
Figura 22. Topología conexión punto a punto
Árbol. Los esclavos no siguen ninguna estructura definida y cuelgan el uno del otro formando ramas.
Figura 23. Topología conexión árbol
Bus. Se crea una línea principal de la que cuelgan todos los esclavos.
Figura 24. Topología conexión bus
Anillo. Se forma una línea principal de la que cuelgan todos los esclavos, pero, en este caso, el final de esta línea se une con su principio cerrando, de esta forma, en círculo el circuito.
Figura 25. Topología conexión anillo
3.6. REPETIDORES
Una de las normas básicas que debemos seguir en la instalación de redes de
bus ASi es que los esclavos no pueden estar a más de 100 m del maestro, de-
bido a la caída de tensión y a la propia distorsión de la señal. Si necesitamos
extender la red, deberemos usar repetidores.
La distancia máxima de un esclavo al maestro, en cual- quier caso, no debe superar los 300 m.
A continuación, mostramos un ejemplo de cómo sería una instalación con repe- tidores.
Figura 26. Esquema de instalación de repetidores
Vemos en la imagen que la máxima distancia de un esclavo al maestro son 300 m, sin embargo, de un esclavo a otro podemos alcanzar 500 m. De hecho, la distancia máxima de un esclavo a otro, con el maestro en el medio, sería de 600 m.
3.7. PASARELAS O GATEWAYS
Las pasarelas o gateways son dispositivos que nos permiten adaptar los proto-
colos de una red a otra. En este caso, nos permiten acondicionar el protocolo
ASi a otros protocolos de buses de los niveles superiores de la pirámide CIM,
como pueden ser Modbus o Fipio, versión del bus FIP desarrollada por la casa
Telemecanique.
Por ejemplo, imaginemos que tenemos varias islas automatizadas con bus ASi y queremos centralizar su control en un autómata de gama alta que utiliza bus Fipio. El esquema quedaría como indica la figura:
Figura 27. Esquema de instalación de una pasarela
Un dispositivo pasarela real es el TBX SAP 10 de la firma Telemecanique. Veamos:
Figura 28. Módulo comercial de pasarela de bus ASi a Fipio
Descripción
El módulo TBX SAP 10 incluye:
1
Un conector macho tipo SUB-D 9 contactos para la conexión al bus Fipio.
2
Microinterruptores para la codificación de la dirección del bus Fipio.
3
Un emplazamiento para una etiqueta cliente de identificación de punto de conexión/módulo.
4
Bloque de visualización.
5
Tornillos de estribo para la conexión a masa del módulo.
6
Bornero con tornillo desenchufable (con etiqueta de bornero) para la conexión al cable AS-interface.
Figura 29. Descripción de módulo comercial de pasarela de bus ASi a Fipio
Una pasarela nos permite ampliar la estructura de una red
adaptando el protocolo de un bus a otro.
4. MODBUS
Modbus es uno de los protocolos de comunicaciones más veterano, desarrolla- do en 1979 por el fabricante Modicon con el objetivo de interconectar sus equi- pos PLC. El hecho de que su código fuera público, requiera poco desarrollo y sea fácil su implementación hizo que su uso se extendiera rápidamente en au- tomatización industrial. En el entorno industrial, Modbus interconecta los senso- res/actuadores con los dispositivos de campo.
A pesar de gozar de gran éxito en la industria, no tiene ninguna norma internacional donde se recoja el estándar.
Actualmente, la firma Modicon y, por tanto Modbus, pertenecen al grupo Schneider Electric. Las principales características del bus de campo Modbus son:
Es capaz de comunicar todo tipo de dispositivos, entre los que desta- can sensores y actuadores, PLC, terminales de interfaz HMI o paneles de control.
Se sitúa en la capa siete del modelo de referencia OSI.
Utiliza una arquitectura de comunicación maestro-esclavo.
Puede implementarse sobre cualquier línea de comunicación serie, lo
La versión Plus define un completo bus de campo basado en técnica de paso de testigo y también existe otra versión para implantar el bus mediante TCP/IP.
Figura 30. Diferentes implementaciones de redes con Modbus
4.1. MODBUS TCP/IP
Hemos comentado que Modbus se basa en protocolos de la capa siete del mo- delo OSI, dejando a libre elección las capas inferiores. De esta manera, si im- plementamos las capas propias de los protocolos TCP/IP, obtendremos por ejemplo, aplicaciones Modbus compatibles sobre tecnología Ethernet y, conse- cuentemente, sobre Internet.
Tener acceso a un bus a través de redes Ethernet abre un gran abanico de po- sibilidades en tareas de mantenimiento y monitorización de procesos automati- zados. En concreto nos va a permitir:
Monitorizar el proceso de una máquina situada en cualquier parte del mundo.
Gestionar diferentes sistemas de automatización distribuidos geográfi- camente.
Configurar los sistemas o repararlos si es posible.
El hecho de que Modbus sobre TCP/IP sea un protocolo abierto, con un coste
reducido y los requerimientos en hardware no sean tampoco severos, ha hecho
que se convierta en un estándar de facto.
A continuación, mostramos un ejemplo de red Modbus sobre TCP/IP.
Figura 31. Red Modbus basada en TCP/IP
Donde vemos una red principal basada en Modbus TCP/IP de la que cuelgan dispositivos tales como clientes y servidores TCP/IP o conversores a Modbus serie. Estos pueden ser simples clientes serie o bien pasarelas o gateways, que nos permiten conectar una subred completa Modbus serie a la red TCP/IP.
4.1.1. P ROTOCOLO DE COMUNICACIONES
Para transmitir la información de la capa de aplicación Modbus al medio físico a
través de los protocolos TCP/IP, se recurre a insertar, con ligeras modificacio-
nes, la trama Modbus en el segmento TCP. Estas modificaciones consisten,
básicamente, en coger los campos dato y código de función de la trama RTU
Modbus y añadirle una cabecera denominada MBAP (Modbus application pro-
tocol header). Veamos la siguiente figura:
La cabecera MBAP establece algunas diferencias respecto de la trama RTU original de Modbus:
El campo de dirección de esclavo, o slave address, pasa a llamarse identifica- dor de unidad y queda insertado dentro de la cabecera MBAP. Este campo sir- ve para comunicar a través de dispositivos como bridges, routers o gateways.
El campo código de función no se modifica en el caso de tener una longitud prefijada. En caso contrario, se incluye un byte que especifica el tamaño del campo.
Para más información, puedes acceder a la página oficial de Modbus, www.Modbus-ida.org/specs.php, donde en- contrarás dos ficheros relacionados con la implementa- ción de Modbus sobre TCP/IP.
4.2. APLICACIONES CON MODBUS
La implementación de Modbus sobre TCP/IP nos permite, de manera sencilla, crear una red completa de automatización industrial, donde en los niveles más bajos los ocuparían Modbus y los más altos Ethernet. Veamos cómo quedaría:
Figura 33. Automatización industrial con Modbus y Ethernet
