Generalidades

En el uso de comunicaciones industriales se pueden dividir, aunque esta división se hace cada vez más difusa, en una comunicación a nivel de campo, y una comunicación hacia el SCADA. En ambos casos la transmisión de datos se realiza en tiempo real, o por lo menos con una demora que no es significativa respecto de los tiempos del proceso, por lo que puede suponerse como tiempo real, pudiendo ser súmamente crítico para el nivel de campo.

Para esta comunicación a nivel de campo no existe una norma de comunicaciones para esta transmisión de datos en tiempo real que haya alcanzado un algo grado de difusión, esto hace que en algunos casos resulte técnicamente difícil integrar equipos de distintos fabricantes, mas aún, en algunos casos puede resultar técnico-económicamente desaconsejable. Varias normas intentan imponerse y actualmente existe una muy dura batalla entre las dos mas destacadas: Profibus y Fieldbus Foundation, aunque también tienen una amplia difusión ASi, LonWorks, ArcNet, Interbus, DeviceNet, Seriplex, Genius, SERCOS, SDS, HART, ControlNet, WORLDFIP, FIP, etc. Pero las grandes batallas hacen a veces que los contendientes se distraigan, y aparezca una tercer tecnología como la TCP/IP, muy probada en redes administrativas, y que comienza a utilizarse en redes de bajo nivel para sistemas en tiempo real, como lo demuestran los principales fabricantes de PCL´s.

La difusa división antes enunciada responde a que mediante placas en el bus de la PC se puede integrar la misma con su sistema SCADA contenido, siendo un nodo mas en la red de campo. Las principales normas antes enunciadas lo permite hacer, y esto refleja la importancia que se le da a los sistemas SCADA´s en los controles de proceso.

Un aspecto sumamente importante sobre estos sistemas integrados es la seguridad, ya que al integrarse el equipamiento a ambas redes, administrativas y de control de procesos, el sistema se haya mas expuesto, además, sobre la red de control de procesos la seguridad viene dada no solo por el acceso a la variedad de datos que se manejan, como en las redes administrativas, sino que también se asocia con la disponibilidad de los datos en tiempo real, y la inmunidad del sistema a fallas de algún componente. De allí que los conceptos de seguridad sean más estrictos en estos ambientes.

El problema de acceso al medio físico surge en el instante en que dos o más equipos digitales comparten este medio físico. Existen varios métodos para resolver el problema, el más sencillo es el esquema maestro-esclavo, pero también se utilizan paso de testigo en bus, paso de testigo en anillo y acceso múltiple con detección de portadora y colisiones.

Se analizará en esta etapa la integración de los equipos de control según un esquema denominado maestro-esclavo. Este esquema es frecuentemente utilizado en la integración de PLC´s, controladores, registradores, cromatógrafos, etc. Esto constituye un sistema de control centralizado o un DCS que a su vez debe recabar información de equipamiento autónomo disponible en planta.

Esta integración maestro-esclavo también se utiliza en muchos equipos PLC´s, con configuraciones de módulos remotos, es decir utilizan este tipo de comunicaciones entre la CPU central y los módulos.

Así, la comunicación estará comandada por un equipo que se denomina maestro, y uno o varios equipos denominados esclavos. La función del maestro es organizar las comunicaciones y establecerlas. La función de los esclavos es contestarle al maestro cuando identifica que el mensaje va dirigido hacia él y si este lo solicita, se establece así lo que se denomina transacción. Esta transacción puede ser realizada por el maestro para obtener datos de los esclavos como también para escribirle datos a ellos. Se pueden distinguir dos tipos de transacciones entre el maestro y sus esclavos: Consulta/Respuesta y Difusión sin respuesta:

1. Consulta/Respuesta: el maestro transmite el mensaje a un esclavo determinado, el que transmite una respuesta correspondiente al mensaje que recibió. Cada esclavo está identificado por una dirección única en la red, y la red puede contener un número máximo de direcciones (32, 64, 256). El mensaje es escuchado por todos los esclavos, pero solamente el que se identifica con la dirección al que fue dirigido el mensaje responderá.
2. Difusión sin respuesta (broadcast): el mensaje emitido por el maestro va dirigido a todos los esclavos, y estos no emiten respuesta del mensaje. Este método se utiliza para transmitirle datos a todos los esclavos en una sola transacción. El maestro no recibe confirmación de que cada esclavo recibió correctamente la información.

Solo el maestro tiene capacidad de iniciar una transacción, y los esclavos solo responden si se les ha preguntado algo en forma individual. De esta forma la relación maestro-esclavo es una relación de jerarquía entre los equipos, pero solamente desde le punto de vista de las comunicaciones. Desde el punto de vista del control de proceso los esclavos son generalmente de una o varias jerarquías superiores al maestro.

Por razones de seguridad se organizan las transacciones entre el maestro y sus esclavos en un mecanismo de interrogación sucesiva, conocido como encuesta (polling).

Este esquema puede verse interrumpido en ciertas configuraciones mediante lo que se denomina reporte por excepción. Aquí, cada esclavo tiene la posibilidad de iniciar la conversación generalmente ante un suceso de muy alta prioridad que debe informar sin demoras al maestro. Esto se utiliza básicamente en telesupervisión, donde los tiempos de ciclos de interrogación son altos y el mensaje crítico no puede esperar a ser comunicado en la próxima interrogación que el maestro le solicita al esclavo en cuestión. Por supuesto que tanto los esclavos como el maestro deben estar preparados para poder operar de esta manera.

Físicamente, todas las estaciones están conectadas a un único medio, este esquema es de fácil implementación, bajo la definición de ciertos aspectos.

Se debe definir como se interconectarán las distintas estaciones entre sí. El medio más usual es el uso de cables de cobre, pero la utilización de fibras ópticas está ganando buen espacio, además, en determinados sectores se debe utilizar radio, V-Sat, etc. Para la utilización de cualquier de estos medios, se debe definir aspectos tales como:

• Aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales de la comunicación.
• Definición del método utilizado para compartir un único medio físico entre varias estaciones (problema de acceso al medio)
• Aspectos asociados al correcto envío y recepción de un mensaje.
• Definición de los comandos que establecen los objetivos de la comunicación.

Las distintas estaciones conectadas al medio físico deberán resolver estos problemas en forma compatible, caso contrario no habrá posibilidades de comunicación entre ellas.

El conjunto de reglas y convenciones que se utilizan para resolver el problema de comunicaciones se denomina protocolo.

Se dice que el protocolo es abierto si el diseñador del protocolo ofrece la información necesaria para llevarlo a cabo en cualquier equipo en forma gratuita o a un precio razonable o si existe una norma que defina esta especificación, en caso contrario se dice que el protocolo es cerrado. La utilización de protocolos cerrados era moneda corriente entre los grandes fabricantes de equipos de control hasta principios de la década del ´90, luego, la presión de los consumidores a integrar sistemas de distintos fabricantes, y el fuerte desarrollo, auge y masificación de los sistemas SCADA´s llevaron a que se proveyera esta documentación. Hoy, existen estándares de facto que debieron ser integrados por todos los fabricantes de equipos y se tiende a un estándar de jure, de común acuerdo entre los principales fabricantes del mundo, que por primera vez en la historia de comunicaciones industriales se intenta realizar.

En relación a los aspectos mecánicos, eléctricos y funcionales de la comunicación, la implementación de un esquema maestro-esclavo se basa con frecuencia en las normas RS-232-C, RS-422 y RS-485, que de ahora en más nomenclaremos RS-xxx.

RS-232-C, RS-422 y RS-485

La norma RS-232-C es la tercer revisión de la norma original RS-232, fue propuesta por la EIA e incluida con algunas modificaciones por la CCITT (modificaciones que muy rara vez se utilizan).

Esta norma define las características mecánicas, eléctricas y funcionales de la interface entre un DTE y un DCE.

Por sus características eléctricas (tener en cuenta que se normalizó cuando el funcionamiento de los equipos era con válvulas de vacío) hace que el sistema sea punto a punto y a distancias no mayores de 50´ (15 m). En la práctica se recurre a modems, conversores, para salvar la inconveniencia del esquema punto a punto (o alguna otra técnica mas elaborada). En cuanto a la distancia de los equipos a comunicar se puede llegar hasta 100 m (en ambientes sin ruido eléctrico) con los niveles desarrollo eléctricos actuales. La velocidad máxima de transmisión es de 115200 baudios.

En esta norma los niveles de tensión se refieren a un común, que forma parte del enlace físico, y se la denomina transmisión asimétrica, en oposición a la transmisión simétrica que regula las normas RS-422 y RS-485.

Las normas RS-422 y RS-485 se especifican como punto-multipunto (multidrop) y en el caso de RS-485 se puede llegar por norma a una distancia de 4000´ (1200 m). Es, básicamente por estos motivos, que se constituyeron como estándares en el uso industrial.

En los sistemas SCADA’s, la utilización de RS-422 y/o RS-485 se realiza a través de conversores RS-232 a RS-422/485 sobre las RS-232 que provienen de la PC o incorporadas como placas en el bus de la misma (generalmente ISA). Es muy común en la utilización de RS-422/485, la incorporación de placas en bus de PC que proveen esta tecnología. Existen en el mundo muchos fabricantes tanto de conversores como de placas en bus de PC.

Las normas RS-xxx sólo se ocupan de la transmisión de una sucesión de bits. Estos bits no representan información alguna, en tanto no se los organice. Los bits se organizan generalmente en dos niveles.

Protocolos

El primer nivel es un agrupamiento de unos pocos bits, conocido como carácter. Cada carácter es precedido un bit de comienzo (start bit), y es seguido por un bit de paridad (parity bit) y uno, uno y medio o dos bits de finalización (stop bit). La codificación estandarizada en forma de facto es la ASCii, fue introducida en 1963, y su versión actual utiliza 8 bits, con un total de 256 caracteres, incluyendo letras, números, símbolos y caracteres de control. Este ancho de banda define el valor de world lenght en la configuración de la transmisión RS-xxx dependiendo de que tipo de caracteres se desea transmitir.

El segundo nivel de organización consiste en el agrupamiento de caracteres de una trama, que constituye el mensaje. Típicamente la trama contendrá caracteres que contienen la siguiente información: dirección del esclavo al cual va dirigido, comando que define la operación, datos relacionados al comando y códigos de chequeo.

• Transmisión con delimitadores e inserción de carácter: este método de encapsulado de trama combina los dos métodos anteriores, en el siguiente aspecto: los datos son transmitidos como bits (y no como ASCii´s representando estos bits), pero la trama es delimitada con caracteres de control ASCii. Puede ocurrir que un número binario que se transmita represente justamente alguno de los delimitadores, en este caso se inserta antes del número binario un carácter especial. Protocolos que utilicen esta tecnología son los PCL’s Siemens con comunicación a través del módulo CP y los controladores Foxboro serie 760.

Comienzo de trama: "DLE" y "STX" (ASCii 10H y 02H)

El chequeo es una parte sumamente importante en la detección y tratamiento de errores de la trama.

Detección de errores

La posibilidad de alteraciones a nivel de bits sobre la trama a transmitir hace que existan metodologías para tratar de detectarlos y corregirlos.

La cantidad de bits en que se diferencian el mensaje transmitido y el mensaje recibido se calcula efectuando un OR exclusivo entre ambos, y sumando la cantidad de unos del resultado. Este número se conoce como distancia de Hamming. Se puede demostrar que, si se desean detectar d errores, se requiere de un método de detección de errores que tenga una distancia de Hamming de d+1. En cambio, si se desean corregir d errores, el método deberá tener una distancia de Hamming de 2d+1.

Para la detección y corrección de errores existen dos componentes a tratar, la paridad sobre la configuración del manejo físico de la RS-xxx y lo que los protocolos incorporan como chequeo.

El primer control es sobre el bit de paridad, y se utiliza a nivel de carácter. Cada carácter consta de un bit de comienzo, de 5 a 8 bis de datos, uno de paridad y uno, uno y medio o dos de finalización. El bit de paridad sirve como chequeo de carácter, su valor es adjudicado por el emisor de forma tal que la cantidad de unos en el carácter mas el bit de paridad sea par (paridad par), o impar (paridad impar). El receptor recibe el carácter, calcula su bit de paridad y lo compara con el transmitido, verificando la correlación. El método del bit de paridad está caracterizado por una distancia de Hamming de 2, permitiendo la detección de un error en el carácter. Este método no permite la corrección de errores.

El segundo control a nivel de trama, se destacan dos métodos muy empleados, el chequeo de redundancia longitudinal y el chequeo de redundancia cíclica.

En el LRC los bits se agrupan en un bloque, de n bits de ancho (columnas) y k de alto (filas). Se calcula el bit de paridad de las distintas columnas y filas, añadiéndose al bloque la fila y columna resultantes, luego, el bloque completo es transmitido. También se calcula como el complemento a dos de la suma de las filas. El receptor realiza el mismo procedimiento, comparando finalmente su resultado con el recibido. Este método tiene una distancia de Hamming de 4, permitiendo el reconocimiento de hasta 3 errores, o la corrección de 1. Este chequeo es utilizado en el protocolo Modbus ASCii.

El CRC es el método de chequeo más utilizado, el protocolo Modbus RTU lo utiliza. A partir de un algoritmo que utiliza un polinomio generador, y de los bits que forman la trama, se calcula un número llamado CRC, este se añade al final de la trama, y es transmitido como parte de esta. El receptor realiza el mismo procedimiento comparando ente número. En la utilización práctica de este método se utilizan rutinas sumamente optimizadas de dominio público.

En la práctica no se utiliza el reconstituir una trama, aunque el chequeo del protocolo lo permita, simplemente si no se da una correspondencia, se solicita nuevamente los datos.

Otros aspectos

Existen dos parámetros importantes en la configuración de un sistema de comunicación, que son el tiempo máximo de espera (time-out) y los reintentos (retries). Cuando un maestro inicial la comunicación, espera luego la contestación del esclavo al cual fue dirigido el mensaje, ya sea datos que se solicitaron, o confirmación que recibió correctamente los datos que se escribieron. Si esta contestación no llega, el maestro debe abortar la espera, y dar por fallida la comunicación, este tiempo de espera es lo que se define como time-out. Ahora, en caso de fallar la comunicación, que puede suceder por ejemplo por que no se dio en el esclavo el chequeo, el maestro debe definir si intenta comunicarse nuevamente con este esclavo o continúa con la interrogación de los demás equipos. La cantidad de intentos que realiza el maestro se denomina retries.

En caso de telesupervisión, se suele definir una cantidad máxima de comunicaciones consecutivas fallidas con un equipo, superado este índice se da de baja este equipo y no se lo interroga más (provocando las alarmas necesarias), hasta que el maestro es obligado a hacerlo. Esto es para ahorrar tiempo de aire.

También en caso de telesupervisión, cuando se utiliza un enlace radial para establecer la comunicación, se define un tiempo de levantada de portadora que debe esperar el maestro antes de comenzar a enviar la trama, es decir, levanta una línea de control para que el equipo de radio abra el canal, y espera que se establezca durante algunos milisegundos antes de comenzar a enviar datos. Lo mismo cuando termina de enviar la trama, debe esperar unos milisegundos antes de bajar la línea de control para salir de aire. En equipamiento moderno digital estos tiempos ya no se consideran.

Medio Físico

Un factor importante en la constitución del medio físico de la transmisión es el vínculo entre las estaciones, los mas utilizados son:

• Par trenzado: se trata de un par de conductores enlazados en forma helicoidal. El par de conductores puede tener una malla o no que hará de protección contra interferencias, generalmente constituida de una película de aluminio. En caso de no tener malla se conocen como UTP, y si la poseen STP.
• Cable coaxil: consiste en dos conductores concéntricos, aislados por un dieléctrico.
• Fibra óptica: consiste en una fibra flexible de vidrio o plástico que transporta luz.
• Comunicación por radio o satélite: el medio físico, en este caso, es una onda de radio, que puede ser escuchada por todas las estaciones dentro de la misma frecuencia y a su alcance.

Modelo ISO/OSI del esquema Maestro-esclavo

Desde el punto de vista del modelo ISO/OSI, el esquema de maestro esclavo queda compuesto como:

• Nivel Físico: esta capa está representada por las normas RS-xxx utilizando conductores tipo par trenzado como medio físico, en una topología tipo bus.
• Nivel de Enlace: la capa de enlace comprende la subcapa de control de acceso al medio y la subcapa de control lógico de línea. El control de acceso al medio es maestro-esclavo. El control lógico de línea tiene dos modalidades, transacciones de consulta/respuesta y de broadcasting.
• Nivel de Red: no es necesaria en este esquema ya que la topología es tipo bus.
• Nivel de Transporte: como las tramas son cortas, no es necesario subdividirlas, por lo que no existe esta capa.
• Nivel de Sesión: como las transacciones son de corta duración, no es necesario la monitorización del avance, por lo que no es necesario esta capa.
• Nivel de Presentación: al no efectuarse conversiones, o es necesaria esta capa.
• Nivel de Aplicación: esta capa incluye los comandos específicos para el pedido de datos o la escritura de los mismos.

En la última década se han empezado a difundir aplicaciones que utilizan redes LAN, sobre las cuales se implementan protocolos de cada fabricante.