MÓDULO DEL CURSO ACADÉMICO
COMUNICACIONES INDUSTRIALES
Juan Carlos Vesga Ferreira
UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA
Y A DISTANCIA - UNAD Bucaramanga, 2008
CONTENIDO
1. 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.7.1 1.7.2 1.7.3 1.7.4 1.8 1.8.1 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 2. 2.1
Introducción Unidad No. 1 Introducción a las Redes de Comunicación de Datos Objetivos de capitulo Introducción a las redes de datos Objetivos de las redes de datos Redes de datos Topologias de red Topologías lógicas Dispositivos de networking Velocidad de transmisión y rendimiento en una red El papel de los medios de transmisión en una red local Par trenzado Cable coaxial Cable de fibra óptica Medios inalámbricos Cableado estructurado Topologías en el cableado estructurado Estándares Atenuacion Protocolos de red Protocolo TCP/IP Matemáticas para redes Lógica booleana Protocolo IP Direcciones IP y máscaras de subred Ancho de banda Modelos de capas El modelo osi Comunicación par a par Modelo TCP/IP Proceso de encapsulamiento Sistemas operativos de red Acceso remoto a la red local Intranet Unidad No. 2 Comunicaciones en Redes Industriales Objetivos de capitulo Introduccion a las redes industriales Integración de la red de comunicaciones
2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.8.4 2.8.5 2.9 2.10 2.11 2.11.1 2.11.2 2.11.3 2.11.4 2.11.5 2.11.6 2.11.7 2.11.8 2.11.9 2.12 2.12.1 2.12.2 2.12.3 2.12.4 2.12.4.1 2.12.4.2 2.12.4.3 2.12.4.4 2.12.4.5 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.6.1
Telemetría Telecontrol Sistemas de procesamiento y control industrial Sistema SCADA Las comunicaciones en el sistema SCADA Sistema de procesamiento y control Sistema de instrumentación y control local Variable Física Dispositivo de Control Transductores Acondicionamiento de las señales Módulo de Comunicaciones El Controlador Lógico Programable (PLC) Redes de procesos Protocolos industriales Protocolos ASCII Protocolo ASCII para Transmisores Digitales Protocolo ASCII ANSI X3.28-2.5-A4 Protocolo HART Protocolo MODBUS MODBUS TCP/IP Protocolo JBUS Protocolo BSAP Protocolo MICROBUFFER La red de campo (FIELDBUS) Características Básicas de la Red de Campo Estándar Ventajas de la Red de Campo Estándar Normalización de una Red de Campo La Red de Campo PROFIBUS Elementos del sistema PROFIBUS. Topología. Estructura lógica. Protocolo. Aplicaciones Unidad No. 3 Redes Domóticas y Otros Protocolos de Comunicación Objetivos de capitulo Redes domoticas Características de la domótica Funciones de la domótica Aplicaciones de la domótica Tipos de arquitectura Protocolos aplicados a la domótica. Power Line Carrier (PLC) Normatividad PLC
3.7 3.7.1 3.7.2 3.7.3 3.7.4 3.7.5 3.7.6 3.8 3.8.1 3.9 3.9.1 3.9.2 3.9.3 3.9.4 3.9.5 3.9.6
Las comunicaciones seriales El protocolo RS-232. Transmisión de Datos Recepción de datos Transmisiones en modo Diferencial Circuitos Integrados La comunicación serial con el PC Transmisiones seriales sincronas SPI Protocolo utilizado en el módulo SPI Bus de Comunicación I2C (Inter – Integrated Circuit) Especificaciones I2C Conceptos Generales del bus I2C Generalidades Protocolo de comunicación del bus I2C Protocolo de programación para el bus I2C Comunicaciones Avanzadas utilizando el bus I2C GLOSARIO BIBLIOGRAFIA
INTRODUCCIÓN
En este módulo se brinda una introducción general y conceptual sobre
diferentes temáticas aplicadas a problemas que se desarrollarán a lo largo
del presente módulo. Muchas descripciones serán cualitativas y otras
cuantitativas ya que los detalles y aplicaciones propios a la ingeniería así lo
exigen para facilitar el proceso de enseñanza-aprendizaje.
El factor clave del presente módulo consiste en el estudio de las
Telecomunicaciones y sus aplicaciones principalmente orientadas hacia las
Comunicaciones Industriales. La comunicación entre distintos elementos en
la producción es necesaria para el buen funcionamiento de la industria y
mejorar así su competitividad. Debe ser perfecta entre las personas y las
máquinas, entre éstas y los elementos de control, y con la gestión y
administración de la producción. La razón para contemplar el desarrollo de
este curso de Comunicaciones Industriales es básicamente por el desarrollo
sufrido en estas técnicas y su cada vez mayor impacto en los entornos
industriales.
Las tareas de los equipos de control han crecido en complejidad y
paralelamente han crecido sus prestaciones. Por un lado, estos sistemas
buscan el facilitar las tareas de instalación y puesta en marcha de equipos y
sistemas, pero por otro lado vienen impuestos por la necesidad de unificar
métodos y sistemas de producción compartiendo información entre ellos.
Actualmente los diferentes departamentos de una empresa necesitan
compartir información en tiempo real. Es aquí donde las comunicaciones
industriales se convierten en la columna sobre la que se apoya esta
metodología.
La asignatura denominada “Comunicaciones Industriales”, es un curso
ofrecido por la Escuela de Ciencias Básicas, Tecnología e Ingeniería de la
UNAD, constituido por 3 créditos académicos correspondiente al campo de
formación Electivo del Programa de Ingeniería en Telecomunicaciones. Este
curso presenta un carácter metodológico debido a que se espera que el
estudiante asimile los elementos conceptuales y los aplique en la
formulación de su proyecto mediante el uso de tecnología.
En los últimos años el desarrollo de los sistemas informáticos ha sido
vertiginoso, de manera que hoy día podemos encontrar computadores en
prácticamente todos los ámbitos de la vida cotidiana: en los bancos para la
realización de operaciones financieras; en la oficina para procesamiento de
textos, consulta de bases de datos y gestión de recursos; en las
universidades para la enseñanza y las tareas investigadoras; en la industria
para el control de plantas, monitorización de procesos productivos, gestión
integrada de las diferentes etapas de fabricación, control de máquinas
herramienta, robots y manipuladores, etc.
En muchas ocasiones, estos computadores o equipos de control no realizan
operaciones aisladas, sino que necesitan intercambiar datos con otros
equipos para desempeñar su función. Si nos centramos en el ámbito
industrial las aplicaciones más frecuentes son:
� Estar a cargo de procesos de automatización y controlar la
transferencia de componentes, a través del intercambio de datos
entre las diferentes unidades (autómatas programables o PLCs, PCs
industriales) que controlan el proceso productivo.
� Monitorear procesos de control desde el puesto de operación, que
puede estar situado en la propia planta o en cualquier otro lugar
mediante una conexión a través de redes de datos públicas o
privadas.
En el transcurso del módulo se plantearán diferentes situaciones que
permitan al estudiante comprender fácilmente cada uno de los temas a
tratar y la forma de interacción de cada uno de ellos aplicado hacia la
propagación de ondas electromagnéticas en el espacio, describiéndose
conceptos y modelos matemáticos simplificados cuando sea posible.
Lo que se busca es que el estudiante comprenda en esencia cada uno de los
temas y variables presentes en éste campo sin llegar a complicarse con
complejas expresiones matemáticas, ni llegar a depender en un ciento por
ciento de un computador para obtener un resultado sobre algún parámetro
en estudio. Vale la pena mencionar, que los temas que no son considerados
interés prioritario se dejaran pasar por alto.
Así, la primera parte del módulo corresponde al tema “INTRODUCCIÓN A
LAS REDES DE COMUNICACIÓN DE DATOS Y NORMAS DE SISTEMAS
ABIERTOS”, en la segunda unidad “INTRODUCCIÓN A LAS REDES
INDUSTRIALES” y finalmente se analizarán los principales “BUSES DE
CAMPO”, que se encuentran mas a menudo en diversas redes de
comunicación industrial.
UNIDAD No. 1 Introducción a las Redes de Comunicación de Datos
OBJETIVOS DE CAPITULO
En éste capitulo se busca que el estudiante adquiera conceptos generales
sobre Redes de Datos, ya que son el principio de funcionamiento de las
Redes de Comunicación Industrial.
El objetivo principal es que el lector adquiera la comprensión conceptual de
los problemas que deberá enfrentar en aplicaciones de la ingeniería propias
del campo de las redes de datos, orientadas propiamente a los sistemas de
comunicación industrial, las técnicas y herramientas utilizadas para su
análisis, configuración y administración.
1. INTRODUCCIÓN A LAS REDES DE DATOS
Las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC) son
incuestionables y están ahí, forman parte de la cultura tecnológica que nos
rodea y con las que debemos convivir. Las TIC configuran la sociedad de la
información y su extensivo e integrado legado se constituye en una
característica y un factor de cambio de nuestra sociedad actual.
El ritmo de los continuos avances científicos en un marco de globalización
económica y cultural, contribuyen a la rápida obsolescencia de
conocimientos y a la emergencia de otros nuevos, provocando continuas
transformaciones en nuestras estructuras económicas, sociales y culturales,
incidiendo en casi todos los aspectos de nuestra vida: el acceso al mercado
de trabajo, la sanidad, la gestión política, la gestión económica, el diseño
industrial y artístico, el ocio, la comunicación, la información, la manera de
percibir la realidad y de pensar, la organización de las empresas e
instituciones, sus métodos y actividades, la forma de comunicación
interpersonal, la calidad de vida y la educación entre otros.
Su gran impacto en todos los ámbitos de nuestra vida, hace cada vez más
difícil que podamos actuar eficientemente prescindiendo de ellas. Sus
principales aportes son: el fácil acceso a grandes fuentes de información, el
procesamiento rápido y fiable de todo tipo de datos, la disponibilidad de
canales de comunicación inmediata, la capacidad de almacenamiento, la
automatización de trabajos, la interactividad y la digitalización de la
información, los cuáles han impactado todas las actividades humanas.
El siglo XVIII fue la etapa de los grandes sistemas mecánicos que
acompañaron a la Revolución Industrial. El siglo XIX fue la época de la
máquina de vapor. Durante el siglo XX, la tecnología clave ha sido la
recolección, procesamiento y distribución de información, entre otros
desarrollos tales como la instalación de redes telefónicas en todo el mundo,
a la invención de la radio y la televisión, el nacimiento y crecimiento sin
precedente de la industria de los computadores, así como a la puesta en
orbita de los satélites de comunicación y muchas cosas más.
La Ingeniería de Telecomunicaciones constituye la rama del saber de mayor
desarrollo científico y tecnológico a nivel mundial. Los avances se derivan
de los mismos desarrollos de la electrónica digital, el procesamiento de la
información, los medios de transmisión de gran capacidad, antenas de alta
generación y enmarcados en un esfuerzo científico de desarrollo de la
sociedad en el presente siglo.
A medida que avanzamos hacia los últimos años de este siglo, se ha dado
una rápida convergencia de estas áreas, y también las diferencias entre la
captura, transporte almacenamiento y procesamiento de información están
desapareciendo con rapidez.
Todas las empresas con centenares de oficinas dispersas en diferentes
lugares del mundo desean conocer el estado actual de cada una de ellas,
simplemente oprimiendo una tecla. A medida que surgen en el mundo
nuevas tecnologías capaces de recolectar, procesar y distribuir información,
aparecen nuevas e interesantes aplicaciones orientadas hacia el campo de
las comunicaciones, en donde una de ellas son las “Comunicaciones
Industriales”, tema principal de estudio en el presente módulo.
La industria de los computadores personales y portátiles ha mostrado un
progreso espectacular en muy corto tiempo. Antiguamente bastaba
simplemente con tener un solo computador, el cual era suficiente para
satisfacer todas las necesidades en una empresa; sin embargo, debido al
rápido crecimiento tecnológico y con ello el aumento en las diversas
situaciones en las cuales el hombre requiere del uso de computadores para
realizar cada una de sus tareas, ha provocado que éste concepto de tener
un solo computador haya cambiado. Una empresa ahora considera un
número grande de computadores ubicados en diversos lugares
interconectados entre sí, realizando diversas tareas en forma simultánea,
mejorando considerablemente el tiempo de ejecución de cada uno de los
procesos y la administración de los recursos económicos, electrónicos y de
información propios de la empresa. Estos nuevos sistemas, se conocen con
el nombre de “Redes de Computadores”.
1.1 Objetivos de las Redes de Datos
Uno de los principales objetivos de las redes de computadores en general,
consiste en "Compartir Recursos", provocando con ello que todos los
programas, datos y equipos electrónicos y de computo estén disponibles en
la red para cualquiera que lo requiera, sin importar la localización física o
geográfica del recurso y del usuario. Esto quiere decir que, el hecho de que
un usuario se encuentre a una distancia de varios kilómetros de la fuente de
información o el recurso requerido, no debe evitar que este los pueda utilizar
como si se encontrara localmente.
Otros objetivos propios de las redes de datos consisten en:
� Proporcionar una alta fiabilidad, garantizando con ello acceder en
forma constante y eficiente a las diversas fuentes de información
existentes
� Reducción de costos. Los computadores pequeños poseen una mejor
relación costo / beneficio, comparada con la ofrecida por las máquinas
grandes.
� La red debe suministrar conectividad de usuario a usuario y de
usuario a aplicación con una velocidad y confiabilidad razonables.
� La red debe permitir su crecimiento según las necesidades.
� La red debe permitir la incorporación de futuras tecnologías, las
cuales interactúen sin dificultad con las existentes actualmente.
� Deben estar diseñadas para facilitar su monitoreo y administración,
con el objeto de asegurar una estabilidad de funcionamiento
constante
1.2 REDES DE DATOS
Una Red es un conjunto de computadores conectados entre sí, compartiendo
sus recursos e información, entre las cuales se mantiene una comunicación
constante.
Las redes de datos se desarrollaron como consecuencia de aplicaciones
comerciales diseñadas para microcomputadores. Por aquel entonces, los
microcomputadores no estaban conectados entre sí como sí lo estaban las
terminales de computadores mainframe, por lo cual no había una manera
eficaz de compartir datos entre varios computadores.
Se tornó evidente que el uso de disquetes para compartir datos no era un
método eficaz ni económico para desarrollar la actividad empresarial. La red
a pie creaba copias múltiples de los datos. Cada vez que se modificaba un
archivo, había que volver a compartirlo con el resto de sus usuarios. Si dos
usuarios modificaban el archivo, y luego intentaban compartirlo, se perdía
alguno de los dos conjuntos de modificaciones. Las empresas necesitaban
una solución que resolviera con éxito los tres problemas siguientes:
� Cómo evitar la duplicación de equipos informáticos y de otros
recursos
� Cómo comunicarse con eficiencia
� Cómo configurar y administrar una red
Las empresas se dieron cuenta de que la tecnología de networking podía
aumentar la productividad y ahorrar gastos. Las redes se agrandaron y
extendieron casi con la misma rapidez con la que se lanzaban nuevas
tecnologías y productos de red. A principios de la década de 1980
networking se expandió enormemente, aun cuando en sus inicios su
desarrollo fue desorganizado.
A mediados de la década de 1980, las tecnologías de red que habían
emergido se habían creado con implementaciones de hardware y software
distintas. Cada empresa dedicada a crear hardware y software para redes
utilizaba sus propios estándares corporativos. Estos estándares individuales
se desarrollaron como consecuencia de la competencia con otras empresas.
Por lo tanto, muchas de las nuevas tecnologías no eran compatibles entre sí.
Se tornó cada vez más difícil la comunicación entre redes que usaban
distintas especificaciones. Esto a menudo obligaba a deshacerse de los
equipos de la antigua red al implementar equipos de red nuevos.
Una red se compone de un servidor, que es la máquina principal de la red, el
cual se encarga de administrar los recursos de la red y el flujo de la
información. Un Servidor es un computador de alto rendimiento en cuanto a
velocidad de transmisión, procesamiento de información, capacidad de
almacenamiento. Una Estación de trabajo, que es un computador que se
encuentra conectado físicamente al servidor a través de un medio físico de
transmisión tales como: medios de cobre, aire, fibra óptica entre otros.
Las redes de datos según su tamaño se pueden clasificar de la siguiente
forma:
Redes Locales: Conocidas como LAN (Local Area Networks), son usadas
para comunicar un conjunto de computadores en un área geográfica
pequeña, generalmente un edificio o un conjunto de edificios cercanos o en
un campus.
Redes Metropolitanas: También conocidas como MAN (Metropolitan Area
Networks), cubren por lo general un área geográfica restringida a las
dimensiones de una ciudad. Usualmente se componen de la interconexión de
varias redes locales y utilizan alguna facilidad pública de comunicación de
datos.
Redes de Area Amplia: Las redes de área amplia, también denominadas
WAN (Wide Area Networks), son las primeras redes de comunicación de
datos que se utilizaron. Estas redes cubren áreas geográficas muy grandes,
del tamaño de un país o incluso del mundo entero, como es el caso de la red
Internet.
Una de las primeras soluciones fue la creación de los estándares de Red de
área local (LAN - Local Area Network, en inglés). Como los estándares LAN
proporcionaban un conjunto abierto de pautas para la creación de hardware
y software de red, se podrían compatibilizar los equipos provenientes de
diferentes empresas. Esto permitía la estabilidad en la implementación de
las LAN.
En un sistema LAN, cada departamento de la empresa era una especie de
isla electrónica. A medida que el uso de los computadores en las empresas
aumentaba, pronto resultó obvio que incluso las LAN no eran suficientes.
Lo que se necesitaba era una forma de que la información se pudiera
transferir rápidamente y con eficiencia, no solamente dentro de una misma
empresa sino también de una empresa a otra. La solución fue la creación de
redes de área metropolitana (MAN) y redes de área amplia (WAN). Como las
WAN podían conectar redes de usuarios dentro de áreas geográficas
extensas, permitieron que las empresas se comunicaran entre sí a través de
grandes distancias.
Las redes de computadores han tenido un auge extraordinario en los últimos
años y han permitido intercambiar y compartir información entre diferentes
usuarios a través del correo electrónico, crear grupos de discusión a
distancia sobre diversos temas, tener acceso a bibliotecas electrónicas en
lugares distantes, utilizar facilidades de cómputo en áreas de geográficas
diferentes y crear sistemas de procesamiento distribuido de transacciones,
por mencionar algunas de las aplicaciones que actualmente se tienen. Todos
estos beneficios que se derivan de la utilización de las redes locales han sido
posibles gracias a los avances logrados en el área de comunicación de datos
Un número muy grande de redes se encuentran funcionando, actualmente,
en todo el mundo, algunas de ellas son redes públicas operadas por
proveedores de servicios, otras están dedicadas a la investigación, redes en
cooperativas operadas por los mismos usuarios y redes de tipo comercial o
corporativo entre otras.
Para comprender mejor el papel que juegan los computadores en un sistema
de networking, es importante considerar la red de redes “INTERNET”. La
Internet es un sistema al cual la gran mayoría de las personas se encuentra
constantemente conectado, debido a que es fundamental para la actividad
empresarial, la industria y la educación, entre otras.
La Internet es la red de datos más importante del mundo, se compone de
una gran cantidad de redes de tipo LAN y WAN, grandes y pequeñas
interconectadas entre sí. Cada Computador es considerado como una
fuentes o destino de la información que viaja a través de la red. Toda
conexión que se establece en una red se compone de tres elementos
esenciales: una conexión física, una conexión lógica y un conjunto de
aplicaciones.
Casi se puede decir, que toda empresa requiere al menos de la existencia de
una Red Corporativa, la cual permita la conexión a Internet, requiriendo con
ello una cuidadosa planificación. Aun para conectar computadores
personales individuales (PC) a lnternet, se requiere de un diseño y
planificación básica bajo normas preestablecidas a nivel mundial; entre ellas
están los recursos computacionales necesarios para la conexión, tales como
una tarjeta de interfaz de red (NIC), un MODEM, el canal de datos
requerido, un proveedor de servicios y algunos otros elementos que son
vitales para la implementación y configuración de la Red.
Se debe tener en cuenta, que al diseñar una red, no basta con simplemente
interconectar equipos en forma física; es requerido implementar una
configuración lógica, la cual está conformada por la incorporación de
protocolos de comunicación, direccionamiento, niveles de seguridad,
políticas de administración, entre otras reglas antes de que un computador
se pueda conectar a otros e incluso a la misma Internet.
La conexión física se realiza conectando una tarjeta adaptadora, tal como un
módem o una NIC, desde un PC a una red. Mediante la conexión física, es
posible transferir las señales entre los distintos PC dentro de la red de área
local (LAN) y hacia los dispositivos remotos que se encuentran ya sea en la
misma red local o en a una red remota como por ejemplo la Internet.
La conexión lógica utiliza estándares denominados protocolos; un protocolo
es una descripción formal de un conjunto de reglas y normas que establecen
la estructura y forma en que se comunican los dispositivos de una red. En
toda red se pueden utilizar diversos tipos de protocolos según sea necesario.
Uno de los Protocolos más importantes orientado hacia la conexión de
computadores en red se denomina “Protocolo de control de
transporte/protocolo Internet (TCP/IP)”; es el principal conjunto de
protocolos que se utiliza actualmente, los cuales trabajan juntos para
transmitir o recibir datos e información en forma constante.
El elemento que se encuentra al principio y al final de todo proceso de
comunicación entre dos o más equipos es “La Aplicación”; la cual está
encargada no solo de establecer los procesos de comunicación entre los
diversos equipos terminales que conforman la red, sino que además
interpreta los datos y visualiza la información en un formato comprensible al
usuario. Las aplicaciones trabajan de la mano con los protocolos para enviar
y recibir datos a través de la red e incluso desde Internet.
Tarjeta de red
Una tarjeta de interfaz de red (NIC), o adaptador LAN, es un dispositivo que
permite establecer una comunicación en red desde y hacia un PC. En los
sistemas computacionales actuales, es una tarjeta de circuito impreso que
reside en una ranura o está incorporada directamente en la Main Board o
tarjeta madre y provee una interfaz de conexión a los medios de red.
Toda NIC se comunica con la red de datos a través de una conexión serial y
con el computador a través de una conexión paralela. La NIC mediante el
uso de una Petición de interrupción (IRQ), administra el envío y recepción de
información entre los diferentes equipos que hacen parte de la red. Un valor
IRQ (petición de interrupción) es número asignado por medio del cual el
computador clasifica diferentes acciones a realizar de acuerdo con las
señales que constantemente recibe a través de los diferentes periféricos que
lo componen.
Al seleccionar una tarjeta de red o NIC, se deben tener en cuenta los
siguientes factores:
� Protocolos de Comunicación: Ethernet, Token Ring o FDDI
� Medios de transmisión: Cable de par trenzado, cable coaxial,
inalámbrico o fibra óptica
� Tipo de bus de datos del sistema: PCI, ISA entre otros
La tarjeta de Red proporciona la interfaz para que un host o computador se
pueda conectar a la red; se encuentran diversos tipos de NIC según la
configuración del dispositivo específico. Los computadores pueden tener una
interfaz incorporada, utilizar una tarjeta PCMCIA, tarjetas de red
inalámbricas, adaptadores Ethernet USB (Universal Serial Bus /Bus Serial
Universal)
Existen diversos tipos de tarjetas propias para cada tipo de red. Las
principales características de una tarjeta de red son:
• Operan a nivel físico del modelo OSI : Las normas que rigen las
tarjetas determinan sus características, y su circuitería gestiona
muchas de las funciones de la comunicación en red como :
∗ Especificaciones mecánicas: Tipos de conectores para el
cable, por ejemplo.
∗ Especificaciones eléctricas: definen los métodos de
transmisión de la información y las señales de control para
dicha transferencia.
∗ Método de acceso al medio: es el tipo de algoritmo que se
utiliza para acceder al cable que sostiene la red. Estos
métodos están definidos por las normas 802.x del IEEE.
• Los circuitos electrónicos que componen la tarjeta de red
determinan elementos tales como: velocidad de transmisión,
tamaño del paquete, time-out, tamaño de los buffers, entre otros
aspectos. Una vez que estos elementos se han establecido,
empieza la verdadera transmisión, realizándose una conversión de
datos a transmitir a dos niveles:
∗ En primer lugar se pasa de paralelo a serie para transmitirlos
como flujo de bits.
∗ Seguidamente se codifican y a veces se comprimen para un
mejor rendimiento en la transmisión.
• Otro factor importante en toda NIC es la dirección física, la cual es
un concepto asociado a la tarjeta de red : Cada nodo de una red
tiene una dirección asignada que depende de los protocolos de
comunicaciones que esté utilizando. La dirección física
habitualmente viene definida de fábrica, por lo que no se puede
modificar. Sobre esta dirección física se definen otras direcciones,
como puede ser la dirección IP para redes que estén funcionando
con TCP/IP.
Otro dispositivo que se encuentra comúnmente en las redes de datos es el
MODEM (modulador-demodulador). Es un dispositivo que ofrece al
computador conectividad a otros medios o redes de comunicación que
operan bajo otros protocolos de comunicación. Un MODEM puede conectar
computadores o equipos entre sí a través de líneas telefónicas, enlaces de
microondas, comunicación satelital, redes ópticas entre otras.
El módem convierte (modula) los datos de una señal digital en una señal
analógica compatible con otro sistema de comunicación estándar. El módem
en el extremo receptor (demodula) la señal, convirtiéndola nuevamente en
una señal digital. Los módems pueden ser internos o externos, los cuales
pueden estar conectados a una ranura de expansión, integrados en la Main
Borrad o para conexión por puerto serie ó USB.
1.3 TOPOLOGIAS DE RED
Las topologías de una red definen su estructura propiamente, la cual se
encuentra compuesta por dos tipos de topologías: La primera se denomina
“topología física”; ésta corresponde a la disposición real de los cables o
medios. La segunda topología es la denominada “topología lógica”, la cual
define la forma en que los hosts acceden a los medios para enviar y recibir
datos.
Dentro de las topologías físicas comúnmente utilizadas se pueden
mencionar:
Topología Bus: La topología de bus es la manera más simple en la que se
puede organizar una red. En ella, todos los equipos están conectados a la
misma línea de transmisión mediante un cable, generalmente coaxial. La
palabra "bus" hace referencia a la línea física que une todos los equipos de
la red
Este tipo de topología consta de un único cable que se extiende de un
computador a otro a través de un modo serie. Los extremos del cable se
finalizan con una resistencia denominada terminador, que además de indicar
que no existen más computadores en el extremo, permiten cerrar el bus.
Fuente: Cortesía Tutorial Interactivo de Redes de Telecomunicaciones
Dentro de sus principales ventajas se pueden mencionar:
• Fácil instalación y configuración.
• No existen elementos centrales de los cuales que dependa toda la red.
Su principal desventaja consiste en que si se rompe el cable en algún punto,
la red queda inactiva completamente.
Topología Anillo: En éste tipo de topología, los nodos de la red se
disponen en un anillo cerrado conectado a él mediante enlaces punto a
punto. La información describe una trayectoria circular en una única
dirección y el nodo principal es quien gestiona conflictos entre nodos al
evitar la colisión de tramas de información.
Fuente: Cortesía Tutorial Interactivo de Redes de Telecomunicaciones
La topología de anillo esta diseñada como una arquitectura circular, con
cada nodo conectado directamente a otros dos nodos. Toda la información
de la red pasa a través de cada nodo hasta que es tomado por el nodo
apropiado. El anillo es fácilmente expandido para conectar mas nodos,
aunque en este proceso interrumpe la operación de la red mientras se
instala el nuevo nodo. Así también, el movimiento físico de un nodo requiere
de dos pasos separados: desconectar para remover el nodo y otra vez
reinstalar el nodo en su nuevo lugar.
Dentro de sus principales características se pueden mencionar:
� El cable forma un bucle cerrado formando un anillo.
� Todos los computadores que forman parte de la red se conectan a ese
anillo.
� Habitualmente las redes en anillo utilizan como método de acceso al
medio el modelo “paso de testigo” utilizado en la topología Token Ring.
Sus principales desventajas son:
� Si ocurre un fallo en un nodo, automáticamente afecta a toda la red;
aunque actualmente existen tecnologías que permiten mediante el uso
de conectores especiales, la desconexión del nodo averiado para que el
sistema pueda seguir funcionando.
� Es difícil de instalar.
� Requiere mantenimiento constante.
Topología en estrella: Para el caso de la topología en estrella, todos los
elementos de la red se encuentran conectados directamente mediante un
enlace punto a punto al nodo central de la red, quien se encarga de
gestionar las transmisiones de información por toda la estrella
Uno de los aspectos a tener en cuenta en éste tipo de topología, es que
todas las tramas de información que circulen por la red deben pasar por el
nodo principal, con lo cual un fallo en él, provocaría la caída de todo el
sistema. Sin embargo, si llegara a ocurrir un fallo en un determinado cable,
sólo afecta al nodo asociado a él; situación que no se presentaba en las
topologías anillo y bus expuestas anteriormente. La topología en Estrella es
una buena elección y es la topología que más se está utilizando a nivel
mundial en el desarrollo de redes LAN.
Fuente: Cortesía Tutorial Interactivo de Redes de Telecomunicaciones
Entre sus principales características se pueden mencionar:
� Todas las estaciones de trabajo están conectadas a un punto central
(concentrador), formando una estrella física.
� Habitualmente sobre este tipo de topología se utiliza como método de
acceso al medio poolling, siendo el nodo central el que se encarga de
implementarlo.
� Cada vez que se quiere establecer comunicación entre dos
computadores, la información transferida de uno hacia el otro debe
pasar por el punto central.
� existen algunas redes con esta topología que utilizan como punto
central una estación de trabajo que gobierna la red.
� Si se produce un problema de conexión en uno de los terminales, no se
afecta el óptimos funcionamiento de los otros equipos que hacen parte
de la red de datos
� es fácil de detectar y de localizar un problema en la red.
Topología Estrella Jerárquica: Es un tipo de topología particular, derivado
de la topología en estrella. Esta estructura de cableado se utiliza en la mayor
parte de las redes locales actuales, por medio de concentradores dispuestos
en cascada para formar una red jerárquica, tal como se ilustra en la figura.
Fuente: Cortesía Tutorial Interactivo de Redes de Telecomunicaciones
Topología Anillo configurado en Estrella: Es un tipo particular de
topología, el cual aunque su apariencia es de estrella, su comportamiento
real es el de una topología conectada en anillo.
Fuente: Cortesía Tutorial Interactivo de Redes de Telecomunicaciones
Uno de los inconvenientes de la topología en anillo era que si el cable se
rompía toda la red quedaba fuera de servicio; sin embargo, con la
implementación de la topología mixta anillo-estrella, éste y otros problemas
quedan resueltos.
Dentro de sus principales características se pueden mencionar:
� Cuando se instala una configuración en anillo, el anillo se establece de
forma lógica únicamente, ya que de forma física se utiliza una
configuración en estrella.
� Se utiliza un concentrador, o incluso un servidor de red (uno de los
nodos de la red, aunque esto es el menor número de ocasiones) como
dispositivo central, de esta forma, si se presenta un daño en un nodo,
sólo queda inactivo el nodo afectado.
� El concentrador utilizado cuando se está utilizando esta topología se
denomina MAU (Unidad de Acceso Multiestación), que consiste en un
dispositivo que proporciona el punto de conexión para múltiples nodos.
Contiene un anillo interno que se extiende a un anillo externo.
� A simple vista, la red parece una estrella, aunque internamente funciona
como un anillo.
� Cuando la MAU detecta que un nodo se ha desconectado, éste establece
un puente entre la entrada y salida del nodo afectado logrando con ello
mantener cerrado el anillo.
Topología Bus configurado en Estrella: Este tipo de topología es en
realidad una estrella que funciona como si fuese una topolgía bus.
Fuente: Cortesía Tutorial Interactivo de Redes de Telecomunicaciones
Para implementar éste tipo de topología, se utiliza como punto central un
concentrador pasivo (hub), el cual implementará internamente el bus, al
cual están conectados todos los computadores y demás dispositivos
existentes en la red. La única diferencia que existe entre esta topología
mixta y la topología en estrella con hub pasivo es el método de acceso al
medio utilizado.
Topología Malla: La topología en malla es considerada como una topología
redundante. La principal característica de esta topología es que todos los
computadores están interconectados entre sí, por medio de un arreglo de
cables. Este tipo de configuración provee redundancia debido a que si ocurre
un problema con una de las conexiones existentes, hay otros canales que
permiten mantener la comunicación.
Fuente: Cortesía Tutorial Interactivo de Redes de Telecomunicaciones
Una característica importante es mantener enlaces de comunicación alternos
en el caso de que se presente una falla, aumentando significativamente la
disponibilidad de los enlaces. Lo cual conlleva a una baja eficiencia de las
conexiones o enlaces, debido a la existencia de enlaces redundantes.
Esta topología requiere de mucho cableado por lo que se la considera muy
costosa y poco rentable a medida que aumentan la cantidad de enlaces
requeridos.
1.4 TOPOLOGÍAS LÓGICAS
Tal como se hizo mención anteriormente, la topología lógica de una red es la
forma en que los hosts se comunican a través del medio. Los dos tipos más
comunes de topologías lógicas son: broadcast y transmisión de tokens.
La topología broadcast consiste en que cada host envía sus datos hacia
todos los demás hosts del medio de red. No existe un criterio u orden que
los host deban seguir para utilizar la red. Es decir, que cada host tiene la
misma probabilidad de transmitir siempre y cuando el medio no se
encuentre ocupado por alguna otra transmisión.
El segundo tipo de topología lógica es la transmisión de tokens. Este tipo de
topología controla el acceso a la red mediante la transmisión de un token
electrónico a cada host de forma secuencial conocido como el paso de
testigo. Cuando un host recibe el token, ese host es el único que puede
enviar datos a través de la red, los demás adoptan una posición de host
receptores. Si el host no tiene ningún dato para enviar, transmite el token al
siguiente host y el proceso se vuelve a repetir. Dos ejemplos de redes que
utilizan la transmisión de tokens son: Token Ring y la Interfaz de datos
distribuida por fibra (FDDI).
La FDDI (Fiber Distribuited Data Interfaz) es un estándar nuevo para redes
de área local de alta velocidad. Se trata de un modelo presentado por ANSI
y que los organismos internacionales están pensando en normalizar. Sus
principales características son:
� Es una red basada en fibra óptica.
� La velocidad de transmisión es de unos 100 Mbps.
� Utiliza una configuración en anillo.
� Puede soportar distancias de hasta 2 Km de fibra óptica entre
estaciones, y una circunferencia total de fibra de 200 Km.
� El número máximo de estaciones conectadas es de 500, aunque se
pueden conectar dos redes a través de un bridge.
� Habitualmente los enlaces con FDDI se utilizan para unir el concentrador
que conecta varias estaciones a un servidor muy potente.
� Utiliza como método de acceso al medio el paso de testigo.
Un inconveniente que tiene es que las interfaces FDDI son más caras que los
estándares anteriores.
Existen adicionalmente una serie de factores que se deben tener en cuenta a
la hora de seleccionar una topología de red específica. Estos factores son:
� La distribución de los equipos a interconectar.
� El tipo de aplicaciones que se van a ejecutar.
� La inversión que se quiere hacer.
� Costo de mantenimiento y actualización de la red local.
� El tráfico que va a soportar la red local.
� La capacidad de expansión. Se debe diseñar una intranet teniendo en
cuenta la escalabilidad.
Vale la pena mencionar que no se debe confundir el término topología con el
de arquitectura. La arquitectura de una red es un concepto más amplio, el
cual incluye todo lo referente a la topología de red y el método de acceso al
medio físico de transmisión.
Actualmente se puede decir que la topología está directamente relacionada
con el método de acceso al medio físico de transmisión, puesto que éste
depende casi directamente el tipo de tarjeta de red y con ello la topología
lógica correspondiente.
1.5 DISPOSITIVOS DE NETWORKING
Existe una gran variedad de equipos de networking, los cuales desempeñan
un papel fundamental en alguno de los procesos existentes en una red de
datos. Los equipos que se conectan de forma directa a un segmento de red
se denominan dispositivos. Estos dispositivos se clasifican en dos grandes
grupos. El primer grupo está compuesto por los dispositivos de usuario final.
Los dispositivos de usuario final incluyen los computadores, impresoras,
escáneres, y demás dispositivos que brindan servicios directamente al
usuario. El segundo grupo está formado por los dispositivos de red. Los
dispositivos de red son todos aquellos que conectan entre sí a los
dispositivos de usuario final, posibilitando su intercomunicación.
Los dispositivos de usuario final que conectan a los usuarios con la red
también se conocen con el nombre de hosts; estos dispositivos permiten a
los usuarios compartir, crear y obtener información. Los dispositivos host
pueden existir sin una red, pero sin la red las capacidades de los hosts se
ven sumamente limitadas. Los dispositivos host están físicamente
conectados con los medios de red mediante una tarjeta de interfaz de red
(NIC). Utilizan esta conexión para realizar las tareas de envío de correo
electrónico, impresión de documentos, escaneado de imágenes o acceso a
bases de datos. Cada NIC individual tiene un código único, denominado
dirección de control de acceso al medio (MAC). Esta dirección se utiliza para
controlar la comunicación de datos para el host de la red. No existen
símbolos estandarizados para los dispositivos de usuario final en la industria
de networking. Son similares en apariencia a los dispositivos reales para
permitir su fácil identificación.
Los dispositivos de red son los que transportan los datos que deben
transferirse entre dispositivos de usuario final. Los dispositivos de red
proporcionan el conjunto de las conexiones de cable, la concentración de
conexiones, la conversión de los formatos de datos y la administración de
transferencia de datos. Algunos ejemplos de dispositivos que ejecutan estas
funciones son los repetidores, hubs, puentes, switches y routers.
Fuente: Cortesía Tutorial Interactivo de Redes de Telecomunicaciones
Un repetidor es un dispositivo de red que se utiliza para regenerar una
señal. Los repetidores regeneran señales analógicas o digitales que se
distorsionan a causa de pérdidas en la transmisión producidas por la
atenuación. Un repetidor no toma decisiones inteligentes acerca del envío de
paquetes como lo hace un router o puente.
Fuente: www.Netgear.com
Los hubs concentran las conexiones. En otras palabras, permiten que la red
trate un grupo de hosts como si fuera una sola unidad. Esto sucede de
manera pasiva, sin interferir en la transmisión de datos. Los hubs activos no
sólo concentran hosts, sino que además regeneran señales.
Fuente: Cortesía Tutorial Interactivo de Redes de Telecomunicaciones
Los puentes convierten los formatos de transmisión de datos de la red
además de realizar la administración básica de la transmisión de datos. Los
puentes, tal como su nombre lo indica, proporcionan las conexiones entre
LAN. Los puentes no sólo conectan las LAN, sino que además verifican los
datos para determinar si les corresponde o no cruzar el puente. Esto
aumenta la eficiencia de cada parte de la red.
Fuente: www.dlink.com
Los switches de grupos de trabajo agregan inteligencia a la administración
de transferencia de datos. No sólo son capaces de determinar si los datos
deben permanecer o no en una LAN, sino que pueden transferir los datos
únicamente a la conexión que necesita esos datos. Otra diferencia entre un
puente y un switch es que un switch no convierte formatos de transmisión
de datos.
Fuente:www.cisco.com
Los routers poseen todas las capacidades indicadas arriba. Los routers
pueden regenerar señales, concentrar múltiples conexiones, convertir
formatos de transmisión de datos, y manejar transferencias de datos.
También pueden conectarse a una WAN, lo que les permite conectar LAN
que se encuentran separadas por grandes distancias. Ninguno de los demás
dispositivos puede proporcionar este tipo de conexión
1.6 VELOCIDAD DE TRANSMISIÓN Y RENDIMIENTO EN UNA RED
Entre los aspectos importantes a tener en cuenta a la hora de diseñar una
red, es la velocidad de Transmisión y su rendimiento.
Existen varios factores que determinan la velocidad de transmisión de una
red, entre ellos podemos destacar:
• El cable utilizado para la conexión. Dentro del cable existen factores
como :
∗ El ancho de banda permitido.
∗ La longitud.
Existen otros factores que determinan el rendimiento de la red, son:
• Las tarjetas de red.
• El tamaño del bus de datos de las máquinas.
• La cantidad de retransmisiones que se pueden hacer.
1.7 EL PAPEL DE LOS MEDIOS DE TRANSMISIÓN EN UNA RED LOCAL
Los cables utilizados comúnmente para el diseño de redes de datos,
presentan diversas especificaciones según la velocidad de transmisión
deseada y el rendimiento requerido en la red. Constantemente se formulan
preguntas claves, que ayudan a seleccionar el mejor medio de transmisión
acorde con las necesidades propias de la red tales como:
� ¿Qué velocidad de transmisión de datos se puede lograr con un tipo
particular de cable? La velocidad de transmisión de bits por el cable es
de suma importancia. El tipo de conducto utilizado afecta la velocidad
de la transmisión.
� ¿Qué tipo de transmisión se planea? ¿Serán las transmisiones digitales o
tendrán base analógica? La transmisión digital o de banda base y la
transmisión con base analógica o de banda ancha son las dos opciones.
� ¿Qué distancia puede recorrer una señal a través de un tipo de cable en
particular antes de que la atenuación de dicha señal se convierta en un
problema? En otras palabras, ¿se degrada tanto la señal que el
dispositivo receptor no puede recibir e interpretar la señal
correctamente en el momento en que la señal llega a dicho dispositivo?
La distancia recorrida por la señal a través del cable afecta directamente
la atenuación de la señal. La degradación de la señal está directamente
relacionada con la distancia que recorre la señal y el tipo de cable que
se utiliza.
En todo proceso de comunicación a través de medios de cobre, las señales
de datos se representan por niveles de voltaje que representan unos y ceros
binarios. Los niveles de voltaje se miden respecto de un nivel de referencia
de cero voltios tanto en el transmisor como en el receptor. Este nivel de
referencia se denomina tierra de señal. Es importante que tanto el
dispositivo transmisor como el receptor hagan referencia al mismo punto de
cero voltios. Cuando es así, se dice que están correctamente conectados a
tierra, de lo contrario se estarían detectando fácilmente voltajes errados en
modo diferencial, llegando incluso a afectar no solo el proceso de
comunicación, sino también el equipo mismo.
Por tal razón es de vital importancia en el funcionamiento óptimo de una
red, que el dispositivo receptor sea capaz de interpretar con precisión los
unos y ceros binarios transmitidos como niveles de voltaje. Como la
tecnología actual de Ethernet admite velocidades de miles de millones de
bits por segundo, cada bit debe ser reconocido, aun cuando su duración sea
muy breve. Debido al avance a gran escala de las velocidades de
transmisión, es necesario que las nuevas instalaciones deben realizarse con
cables de excelente calidad, fabricados para soportar procesos de
comunicación a gran escala, conectores y dispositivos de interconexión entre
otros elementos acordes con las exigencias de la red en cuestión.
1.7.1 PAR TRENZADO
Existen dos tipos básicos de cables de cobre: blindados (STP) y no blindados
(UTP). En los cables blindados, el material de blindaje protege la señal de
datos de las fuentes externas de ruido, así como de ruido generado por
señales eléctricas dentro del cable.
En el diseño de redes, el medio más utilizado es el cable UTP. El cable de
par trenzado no blindado (UTP) es un medio de cuatro pares de hilos que se
utiliza en diversos tipos de redes. Cada uno de los 8 hilos de cobre
individuales del cable UTP está revestido de un material aislante. Además,
cada par de hilos está trenzado. Este tipo de cable cuenta sólo con el efecto
de cancelación que producen los pares trenzados de hilos para limitar la
degradación de la señal que causan las señales Electromagnéticas y de
interferencia por otras fuentes de radio frecuencia.
Uno de los factores más importantes que debe ser controlado en el cable de
par Trenzado es el efecto conocido como Diafonía. Para reducirlo, la cantidad
de trenzados en los pares de hilos varía el cual debe seguir especificaciones
precisas con respecto a cuánto trenzado se permite por unidad de longitud
del cable.
El cable de par trenzado no blindado presenta muchas ventajas. Presenta
una velocidad de transmisión que depende del tipo de cable de par trenzado
que se esté utilizando. Es de fácil instalación y es más económico que los
demás tipos de medios para networking. De hecho, el UTP cuesta menos por
metro que cualquier otro tipo de cableado para LAN. Sin embargo, la ventaja
real es su tamaño. Debido a que su diámetro externo es tan pequeño, el
cable UTP no llena los conductos para el cableado tan rápidamente como
sucede con otros tipos de cables. Esto puede ser un factor sumamente
importante a tener en cuenta, en especial si se está instalando una red en
un edificio antiguo. Además, si se está instalando el cable UTP con un
conector RJ-45, las fuentes potenciales de ruido de la red se reducen
enormemente y prácticamente se garantiza una conexión sólida y de buena
calidad. El cableado de par trenzado presenta ciertas desventajas. El cable
UTP es más susceptible al ruido eléctrico y a la interferencia que otros tipos
de medios para networking y la distancia que puede abarcar la señal sin el
uso de repetidores es menor para UTP que para los cables coaxiales y de
fibra óptica.
Se pueden utilizar tanto para transmisión analógica como digital, y su ancho
de banda depende de la sección de cobre utilizado y de la distancia que
tenga que recorrer. El cable Categoría 5e es el que actualmente se
recomienda e implementa con mayor frecuencia en las instalaciones.
Está dividido en categorías por el EIA/TIA:
� Categoría 1: Hilo telefónico trenzado de calidad de voz no adecuado
para las transmisiones de datos. Velocidad de transmisión inferior a 1
Mbits/seg
� Categoría 2 : Cable de par trenzado sin apantallar. Su velocidad de
transmisión es de hasta 4 Mbits/seg.
� Categoría 3 : Velocidad de transmisión de 10 Mbits/seg. Con este tipo
de cables se implementa las redes Ethernet 10-Base-T
� Categoría 4 : La velocidad de transmisión llega a 16 bits/seg.
� Categoría 5 : Puede transmitir datos hasta 100 Mbits/seg.
El otro tipo de cable, es el cable STP; el cual contiene un blindaje conductivo
externo conectado eléctricamente a tierra para aislar las señales del ruido
eléctrico externo. El STP utiliza además blindajes metálicos internos que
protegen cada par de cables del ruido generado por los otros pares. Al cable
STP a veces se lo llama por error par trenzado apantallado (ScTP). ScTP se
refiere generalmente a un cable de par trenzado de Categoría 5 o 5E,
mientras que STP se refiere a un cable propietario de IBM que contiene solo
dos pares de conductores.
El cable ScTP es más caro, más difícil de instalar, y se usa con menos
frecuencia que el UTP. El UTP no tiene blindaje y es más susceptible al ruido
externo, pero se usa con más frecuencia por ser económico y más fácil de
instalar.
1.7.2 CABLE COAXIAL
Otro medio de transmisión comúnmente utilizado en el diseño de redes es el
cable Coaxial. El cable coaxial consiste de un conductor de cobre rodeado de
una capa de aislante flexible. El conductor central también puede ser hecho
de un cable de aluminio cubierto de estaño el cual permite que el cable sea
fabricado de forma económica.
Sobre este material aislante existe una malla de cobre tejida u hoja metálica
que actúa como el segundo hilo del circuito y como un blindaje para el
conductor interno. Esta segunda capa, o blindaje, también reduce la
cantidad de interferencia electromagnética externa. Cubriendo la pantalla
está la chaqueta del cable.
En las aplicaciones LAN, el blindaje trenzado está conectado a tierra
eléctricamente para proteger el conductor interno del ruido eléctrico
externo. El blindaje contribuye además a eliminar la pérdida de la señal,
evitando que la señal transmitida se escape del cable. Esto ayuda a que el
cable coaxial sea menos sujeto al ruido que los otros tipos de cableado de
cobre, pero también lo hace más caro. La necesidad de conectar el blindaje
a tierra, así como el tamaño voluminoso del cable coaxial, dificultan su
instalación en comparación con otros cables de cobre.
En el diseño de redes, el cable coaxial ofrece varias ventajas. Puede
tenderse a mayores distancias que el cable de par trenzado blindado STP, y
que el cable de par trenzado no blindado, UTP, sin necesidad de repetidores.
Los repetidores son dispositivos que regeneran las señales de la red de
modo que puedan abarcar mayores distancias. El cable coaxial es más
económico que el cable de fibra óptica y la tecnología es sumamente
conocida. Este tipo de cable se ha usado durante muchos años para todo
tipo de comunicaciones de datos, en donde su mayor aplicación es en redes
de televisión por cable.
Uno de los aspectos que se debe tener en cuenta a la hora de trabajar con
cables, es tener en cuenta su tamaño. A medida que aumenta el grosor, o
diámetro, del cable, resulta más difícil trabajar con él. Recuerde que el cable
debe pasar por conductos y cajas existentes cuyo tamaño es limitado. Se
puede conseguir cable coaxial de varios tamaños.
El cable de mayor diámetro es de uso específico como cable de backbone de
Ethernet porque tiene mejores características de longitud de transmisión y
de limitación del ruido. Este tipo de cable coaxial frecuentemente se
denomina thicknet o red gruesa. Como su apodo lo indica, este tipo de cable
puede ser demasiado rígido como para poder instalarse con facilidad en
algunas situaciones. Generalmente, cuanto más difícil es instalar los medios
de red, más costosa resulta la instalación. El cable coaxial resulta más
costoso de instalar que el cable de par trenzado. Hoy en día el cable thicknet
casi nunca se usa, salvo en instalaciones especiales.
Existe otro tipo de cable coaxial denominado thinnet o red fina, el cual era
particularmente útil para redes ethernet o para las instalaciones de cable en
las que era necesario que el cableado tuviera que hacer muchas vueltas.
Como la instalación de thinnet era más sencilla, también resultaba más
económica. Tal como se hizo mención anteriormente, el cable coaxial posee
un trenzado externo metálico o de cobre, el cual debe ser siempre
asegurado a la conexión de tierra del circuito. La incorrecta conexión del
material de blindaje constituye uno de los problemas principales
relacionados con la instalación del cable coaxial. Los problemas de conexión
se ven reflejados en un ruido eléctrico que interfiere con la transmisión de
señales sobre los medios de networking. Por esta razón, thinnet ya no se
usa con frecuencia ni está respaldado por los estándares más recientes (100
Mbps y superiores) para redes Ethernet.
1.7.3 CABLE DE FIBRA ÓPTICA
Uno de los medios de transmisión que poco a poco ha venido tomando
mayor importancia en el campo relacionado con el diseño de redes es el
cable de FIBRA ÓPTICA. El cable de fibra óptica se usa para transmitir
señales de datos mediante el uso de la luz para representar unos y ceros
binarios. Uno de sus principales características es que la intensidad de una
señal luminosa no disminuye tanto como la intensidad de una señal eléctrica
a medida que viaja por un medio físico de transmisión. Las señales ópticas
no se ven afectadas por el ruido eléctrico, y no es necesario conectar la fibra
óptica a tierra a menos que la chaqueta contenga un miembro de tensión
metálico. A medida que disminuyen los costos y aumenta la demanda de
velocidad, es posible que la fibra óptica dentro de muy poco tiempo sea tan
económica como el uso de cable UTP.
Una fibra óptica es un medio de transmisión de la luz que consiste
básicamente en dos cilindros coaxiales de vidrios transparentes y de
diámetros muy pequeños. El cilindro interior se denomina núcleo y el
exterior se denomina envoltura, siendo el índice de refracción del núcleo
algo mayor que el de la envoltura.
En la superficie de separación entre el núcleo y la envoltura se produce el
fenómeno de reflexión total de la luz, el cual al pasar éste de un medio a
otro que tiene un índice de refracción más pequeño. Como consecuencia de
esta estructura óptica todos los rayos de luz que se reflejan totalmente en
dicha superficie se transmiten guiados a lo largo del núcleo de la fibra.
Los cables de fibra óptica tienen muchas aplicaciones en el campo de las
comunicaciones de datos:
� Conexiones locales entre computadores y periféricos o equipos de
control y medición.
� Interconexión de computadores y terminales mediante enlaces
dedicados de fibra óptica.
� Enlaces de fibra óptica de larga distancia y gran capacidad.
Los cables de fibra óptica ofrecen muchas ventajas respecto de los cables
eléctricos para transmitir datos:
� No existen problemas de retorno de tierra, crosstalk o reflexiones como
ocurre en las líneas de transmisión eléctricas.
� La atenuación aumenta con la distancia más lentamente que en el caso
de los cables eléctricos, lo que permite mayores distancias entre
repetidores.
� Se consiguen tasas de error típicas del orden de 1 en 109 frente a las
tasas del orden de 1 en 106 que alcanzan los cables coaxiales. Esto
permite aumentar la velocidad eficaz de transmisión de datos,
reduciendo el número de retransmisiones o la cantidad de información
redundante necesaria para detectar y corregir lo errores de transmisión.
� No existe riesgo de cortocircuito o daños de origen eléctrico.
� Los cables de fibra óptica son livianos en comparación con otros medios
físicos de transmisión.
� Mayor velocidad de transmisión. Las señales recorren los cables de fibra
óptica a la velocidad de la luz (c = 3 X 109 m/s), mientras que las
señales eléctricas recorren los cables a una velocidad entre el 50 y el 80
por ciento de ésta, según el tipo de cable.
� Mayor capacidad de transmisión. Pueden lograrse velocidades por
encima de 1 Gbit/s.
� Inmunidad total ante interferencias electromagnéticas.
� Los cables de fibra óptica son generalmente de menor diámetro, más
flexibles y más fáciles de instalar que los cables eléctricos.
� Los cables de fibra óptica son apropiados para utilizar en una amplia
gama de temperaturas.
� Se puede incrementar la capacidad de transmisión de datos añadiendo
nuevos canales que utilicen longitudes de onda distintas de las ya
empleadas.
� La fibra óptica presenta una mayor resistencia a los ambientes y
líquidos corrosivos que los cables eléctricos.
� Las materias primas para fabricar vidrio son abundantes y se espera
que los costos se reduzcan a un nivel similar al de los cables metálicos.
� La vida media operacional y el tiempo medio entre fallos de un cable de
fibra óptica son superiores a los de un cable eléctrico.
� Los costos de instalación y mantenimiento para grandes y medias
distancias son menores que los que se derivan de las instalaciones de
cables eléctricos.
1.7.4 MEDIOS INALÁMBRICOS
Los medios de cobre y cableados no son los únicos medios que se pueden
utilizar como medios físicos de Transmisión. Existen otras estrategias que
brindan alternativas excelentes para establecer procesos de comunicación
entre diversos equipos llegando a conformar redes de datos complejas
ENLACES ÓPTICOS AL AIRE LIBRE
El principio de funcionamiento de un enlace óptico al aire libre es similar al
de un enlace de fibra óptica, sin embargo el medio de transmisión no es un
polímero o fibra de vidrio sino el aire mismo.
Las comunicaciones ópticas al aire libre son una alternativa que brindan un
gran ancho de banda a los enlaces de fibra óptica o a los cables eléctricos.
Las prestaciones de este tipo de enlace pueden verse empobrecidas por la
lluvia fuerte o niebla intensa, pero son inmunes a las interferencias
eléctricas y no necesitan permiso del gobierno para su implementación.
El emisor óptico produce un haz estrecho que se detecta en un sensor, el
cual puede estar situado a varios kilómetros en la línea de visión. Las
aplicaciones típicas para estos enlaces se encuentran en los campus
universitarios, donde las carreteras no permiten el tendido de cables, o
entre los edificios de una compañía en una ciudad en la que resulte costoso
el uso de medios de cobre.
La evolución de ésta tecnología ha venido en aumento, mejorando
considerablemente sus prestaciones en cuanto al ancho de banda y
reducción de costos de implementación. A través de éstos enlaces, se puede
transmitir voz y datos alcanzando velocidades de transmisión hasta 45Mbps.
Éste tipo de enlaces es recomendado cuando la distancia entre los puntos
transmisor y receptor no superan los 2Km; en caso de superarlos, es
recomendable establecer enlaces de microondas.
Los enlaces ópticos son susceptibles al estado climático y condiciones de
temperatura. Existen dos efectos atmosféricos importantes a tener en
cuenta con los enlaces ópticos al aire libre:
� La dispersión de la luz que atenúa la señal óptica en proporción al
número y al tamaño de las partículas en suspensión en la atmósfera
provocadas por niebla, polvo, humo, entre otros factores.
� El movimiento del aire como consecuencia de las variaciones en la
temperatura, provoca variaciones en la densidad del aire y, por tanto,
variaciones en el índice de refracción a lo largo del haz, provocando con
ello dispersión de la luz. Este efecto puede reducirse elevando el haz de
luz lo bastante con respecto a cualquier superficie caliente o utilizando
emisores múltiples, en donde, la luz de cada emisor se verá afectada de
diferente forma por las brisas, promediando su intensidad en el
receptor.
Microondas
Los enlaces de microondas se utilizan mucho como enlaces allí donde los
cables coaxiales o de fibra óptica no son prácticos. Se necesita una línea de
visión directa para transmitir en la banda de SHF. Debido a esto, las antenas
debe ser ubicadas en torres elevadas, en las cimas de las colinas u otros
lugares bastante elevados con el fin de garantizar un camino directo entre
los puntos transmisor y receptor.
Las bandas de frecuencias más comunes para comunicaciones mediante
microondas son las de 2,4, 6 y 6.8 GHz. Un enlace de microondas a 140
Mbits/s puede proporcionara hasta 1920 canales de voz o bien varias
comunicaciones de canales de 2 Mbits/s multiplexados en el tiempo.
Los enlaces de microondas presentan unas tasas de error en el rango de 1
en 105 a 1 en 1011 dependiendo de la relación señal/ruido en los receptores.
Este sistema al igual que las comunicaciones ópticas son susceptibles a las
condiciones atmosféricas y de temperatura existentes en un momento dado.
Señales de radio
Consiste en la emisión/recepción de una señal de radio, por lo tanto el
emisor y el receptor deben sintonizar la misma frecuencia. La emisión puede
traspasar muros y no es necesario la visión directa de emisor y receptor.
La velocidad de transmisión suele ser baja : 4800 Kbits/seg. Se debe tener
cuidado con las interferencias de otras señales.
Comunicaciones via satélite
La tecnología cada día avanza vertiginosamente y los satélites no son la
excepción. Los satélites artificiales han revolucionado las comunicaciones
desde los últimos 20 años. Actualmente, son muchos los satélites de
comunicaciones que están alrededor del mundo brindando soporte a
diversos servicios en numerosas empresas, gobiernos y entidades en
general.
La función de un satélite de comunicaciones es la misma que cumple un
repetidor, recibiendo una señal de entrada, la cual es regenerada y
retransmitida hacia un dispositivo receptor. El proceso es simple, una
estación terrena A transmite al satélite señales a una frecuencia
determinada (canal de subida). Por su parte, el satélite recibe estas señales
y las retransmite a otra estación terrena B mediante una frecuencia distinta
(canal de bajada).
La señal de bajada puede ser recibida por cualquier estación situada dentro
del cono de radiación del satélite, la cual puede transportar voz, datos o
imágenes de televisión. El motivo por el cual se establecen frecuencias de
subida diferentes a las frecuencias de bajada es con el fin de impedir que los
canales de subida y de bajada interfieran entre sí. El dispositivo existente en
el satélite capaz de recibir y retransmitir las señales se denomina
TRANSPONDER. Los transponder trabajan a frecuencias muy elevadas en el
orden de los GHz.
La mayoría de los satélites de comunicaciones están situados en una órbita
denominada geoestacionaria, la cual se encuentra a 36000 Km sobre el
ecuador. Esto permite que el satélite gire alrededor de la tierra a la misma
velocidad que ésta, de modo que parece casi estacionario. Así, las antenas
terrestres pueden permanecer orientadas hacia una posición relativamente
estable (lo que se conoce como “sector orbital”) ya que el satélite mantiene
la misma posición relativa con respecto a la superficie de la tierra debido a
las características de la órbita geoestacionaria.
Los satélites tienen una vida media de siete a 10 años, pero pueden sufrir
fallos que provocan su salida de servicio. Es, por tanto, necesario dispones
de un medio alternativo de servicio en caso de cualquier eventualidad.
1.8 CABLEADO ESTRUCTURADO
Un tema que va siempre de la mano en cualquier diseño de redes, es el
denominado CABLEADO ESTRUCTURADO. Este consiste en la organización
de todo el cableado en dentro de un edificio el cual involucra todos los
servicios de comunicaciones requeridos tales como: telefonía,
computadores, fax, módems, energía, entre otros. Este tipo de instalaciones
hay que tenerlas en cuenta del mismo modo que se hace con la electricidad,
agua, gas, etc.
A la hora de realizar el cableado en un edificio hay que tener en cuenta que
la tecnología varía a tal velocidad que las nuevas tendencias pueden hacer
quedar obsoleta cualquier solución adoptada que no prevea una gran
capacidad de adaptabilidad.
Por este motivo aparece el concepto de “cableado estructurado”, cuyo fin es
el siguiente:
� Capacidad de crecimiento a bajo costo.
� Base para soportar todas las tecnologías de niveles superiores sin
necesidad de diferentes tipos de cableado
� Realizar una instalación compatible con las tecnologías actuales y las
futuras.
� Tener la suficiente flexibilidad para realizar los movimientos internos
de personas y máquinas dentro de la instalación.
� Estar diseñado e instalado de tal forma, la cual permita una fácil
supervisión, mantenimiento y administración
1.8.1 TOPOLOGÍAS EN EL CABLEADO ESTRUCTURADO
Dentro de las estrategias que utilizadas en el cableado estructurado está la
de reducir todas las topologías a una sola, la estrella. Todos los puestos se
unirán a través de los elementos de interconexión física en un único punto.
Esto es factible debido a que cualquier topología puede ser convertida en
topología estrella.
Hay que tener en cuenta que las tres topologías puras existentes en el
diseño de redes de datos son: anillo, estrella y bus. De la topología bus se
pasará a la estrella a través del teorema conocido como “teorema del punto
gordo”. Para pasar de la topología anillo a la estrella se utiliza una técnica
conocida como “estrella de mar”.
El cableado estructurado consiste por tanto en fijar una disposición física del
cable tendido en una instalación, de tal forma que se pueda optimizar al
máximo las posibilidades de una LAN y con ello facilite la administración y
adaptabilidad a nuevas tecnologías y situación física de los usuarios y
servidores.
1.9 ESTÁNDARES
A nivel mundial existe una gran cantidad de fabricantes y tendencias, ha
sido necesario definir una serie de normas, las cuales no solo establecen los
pasos y criterios a seguir para la implementación de cableado estructurado,
sino que además permiten adaptabilidad e integrabilidad entre cada uno de
los fabricantes.
Existen una serie de organizaciones y comités internacionales que se
encargan de establecer la normatividad a seguir en cada una de las áreas
referentes al campo de las Telecomunicaciones, tales como:ANSI, CCITT,
EIA/TIA.
En todo diseño de redes de datos, el cableado constituye el nivel de
infraestructura básica en una red de comunicaciones, su buen diseño y
correcta instalación son de vital importancia teniendo en cuenta que es una
de las principales causas que pueden afectar el buen funcionamiento de la
red, por ello es importante seguir los estándares definidos
internacionalmente.
1.10 ATENUACION
La atenuación se define como la disminución de la amplitud de una señal a
medida que se desplaza por un enlace. Un detalle importante es que los
cables muy largos y las frecuencias de señal muy elevadas contribuyen a
una mayor atenuación de la señal. La atenuación es expresada en decibelios
(dB).
Existen muchos los factores que contribuyen con la atenuación de una señal,
entre ellos se pueden mencionar: la resistencia del cable de cobre,
acoplamiento de impedancias deficientes provocada por conexiones
defectuosos, entre otros.
La discontinuidad en la impedancia provoca atenuación porque una porción
de la señal transmitida se volverá a reflejar en el dispositivo transmisor en
lugar de seguir su camino al receptor, como si fuera un eco. Este efecto se
complica si ocurren múltiples discontinuidades que hacen que porciones
adicionales de la señal restante se vuelvan a reflejar en el transmisor.
Cuando el retorno de este reflejo choca con la primera discontinuidad, parte
de la señal rebota en dirección de la señal original, creando múltiples efectos
de eco. Los ecos chocan con el receptor a distintos intervalos, dificultando la
tarea de detectar con precisión los valores de datos de la señal. A esto se lo
conoce como fluctuación, y genera errores en los datos.
1.11 PROTOCOLOS DE RED
Para lograr establecer un proceso de comunicación entre dos o más
terminales, es necesario definir entre ellos un protocolo de comunicación
común. Los Protocolos son conjuntos de reglas y normas que posibilitan la
comunicación de red desde un host, a través de la red, hacia otro host. Un
protocolo es una descripción formal de un conjunto de reglas y convenciones
que rigen un aspecto particular de cómo los dispositivos de una red se
comunican entre sí. En los protocolos se determina el formato, la
sincronización, la secuenciación y el control de errores en el proceso de
comunicación de datos. Sin el uso de protocolos, el computador no podría
reconstruir el formato original del flujo de bits entrantes desde otro
computador.
Un aspecto importante es que los protocolos son los encargados de controla
todos los aspectos existentes en un proceso de comunicación de datos, el
cual incluye lo siguiente:
� Topología de la red física
� Forma de conexión de los computadores a la red
� Formato adoptado para la transmisión de datos
� Forma de envío y recepción de datos
� Administración y corrección de errores
Los protocolos existentes actualmente se rigen bajo las normas establecidas
por organismos internacionales, tales como: el Instituto de Ingeniería
Eléctrica y Electrónica (IEEE), el Instituto Nacional Americano de
Normalización (ANSI), la Asociación de la Industria de las
Telecomunicaciones (TIA), la Asociación de Industrias Electrónicas (EIA) y la
Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), antiguamente conocida
como el Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico (CCITT),
entre otros.
1.12 PROTOCOLO TCP/IP
El protocolo de mayor popularidad a nivel mundial en el campo de redes de
datos es El Protocolo de control de transporte/protocolo Internet (TCP/IP),
fue desarrollado con el fin de permitir que los computadores que establecen
un proceso de comunicación puedan compartir sus recursos a través de una
red.
Uno de los aspectos más importantes sobre el Protocolo TCP/IP, es que es
un protocolo orientado a la conexión, permitiendo con ello una transmisión
de datos full-duplex confiable. Cuando se hace referencia a que TCP/IP es un
protocolo orientado a la conexión, quiere decir que el equipo transmisor
garantiza las condiciones del canal para establecer el proceso de
comunicación, manteniendo un flujo de comunicación constante con el
equipo receptor, validando la información transferida.
TCP hace parte del protocolo TCP/IP. En un entorno orientado a conexión, se
establece una conexión entre ambos extremos antes de que se pueda iniciar
la transferencia de información. TCP es responsable por la división de los
mensajes en segmentos, reensamblándolos en la estación destino,
reenviando cualquier mensaje que no se haya recibido y reensamblando
mensajes a partir de los segmentos. TCP establece un circuito virtual entre
las aplicaciones del usuario final.
Los protocolos que usan TCP incluyen:
• FTP (Protocolo de transferencia de archivos)
• HTTP (Protocolo de transferencia de hipertexto)
• SMTP (Protocolo simple de transferencia de correo)
• Telnet
TCP/IP es una combinación de dos protocolos individuales. IP opera en la
Capa 3 del modelo OSI y es un servicio no orientado a conexión que
proporciona una entrega de máximo esfuerzo a través de una red. TCP
opera en la Capa 4, del modelo OSI y es un servicio orientado a conexión
que suministra control de flujo y confiabilidad. Al unir estos protocolos, se
suministra una gama de servicios más amplia. De forma conjunta,
constituyen la base para un conjunto completo de protocolos que se
denomina conjunto de protocolos TCP/IP.
Una de las principales funciones del protocolo TCP, es garantizar que los
datos transmitidos no se pierdan. Un host receptor que no puede procesar
los datos tan rápidamente como llegan puede provocar una pérdida de
datos. El host receptor se ve obligado a descartar los datos. En tal caso, TCP
suministra un mecanismo de control de flujo al permitir que el host emisor y
el receptor se comuniquen. Luego los dos hosts establecen velocidades de
transferencia de datos que sean aceptables para ambos.
Cuando se trabaja en red, múltiples aplicaciones pueden compartir la misma
conexión de transporte en el modelo de referencia OSI. Una de las
funciones de la capa de transporte es establecer una sesión orientada a
conexión entre dispositivos similares en la capa de aplicación. Para que se
inicie la transferencia de datos, tanto las aplicaciones emisoras como
receptoras, éstas informan a sus respectivos sistemas operativos que se
iniciará una conexión. Un nodo inicia la conexión, que debe ser aceptada por
el otro. Los módulos de software de protocolo en los dos sistemas operativos
se comunican entre sí enviando mensajes a través de la red a fin de verificar
que la transferencia esté autorizada y que ambos lados estén preparados.
Después de que se haya establecido toda la sincronización, se establece la
conexión y con ello la transferencia de información. Durante el proceso de
transferencia, los dos dispositivos siguen comunicándose con el software de
protocolo con el fin de verificar que estén recibiendo los datos
correctamente.
Un parámetro importante es que los paquetes de datos son enviados al
receptor en el mismo orden en el que fueron transmitidos, con el fin de
alcanzar una transferencia de datos confiable, orientada a conexión. Un
protocolo falla cuando algún paquete se pierde, se daña, se duplica o se
recibe en un orden diferente al que le corresponde. Una estrategia que
comúnmente se utiliza es que el receptor envíe una señal de acuse de recibo
para cada paquete antes de que se envíe el siguiente paquete.
Según este criterio, si el emisor debe esperar a recibir un acuse de recibo
luego de enviar cada paquete, el rendimiento de la red se torna lento. Para
brindar una solución a esto, la mayoría de los protocolos confiables,
orientados a conexión, permiten que haya más de un paquete pendiente en
la red a la vez, debido a que se dispone de tiempo después de que el emisor
termina de transmitir el paquete de datos y antes de que el emisor termina
de procesar cualquier acuse de recibo, este rango se utiliza para transmitir
más datos. El número de paquetes pendientes por transmitir en un emisor
sin haber recibido un acuse de recibo se denomina "ventana".
Dentro de las principales del protocolo TCP/IP se pueden mencionar:
� Utiliza conmutación de paquetes.
� Proporciona una conexión fiable entre dos equipos en cualquier punto de
la red.
� Ofrece la posibilidad de interconectar redes de diferentes arquitecturas y
con diferentes sistemas operativos.
� Se apoya en los protocolos de más bajo nivel para acceder a la red física
(Ethernet, Token-Ring).
1.13 MATEMÁTICAS PARA REDES
Los sistemas electrónicos se fundamentan en señales eléctricas,
representando información en forma de niveles de tensión. Los
computadores manipulan y almacenan la información mediante el uso de
circuitos de conmutación. Los computadores sólo pueden entender y
manipular información que se encuentre en formato binario; los unos y los
ceros se usan para representar los dos estados posibles de un componente
electrónico, los 1 representan el estado ENCENDIDO, y los 0 representan el
estado APAGADO.
El hombre está acostumbrado al uso del sistema decimal como sistema
numérico, el cual es relativamente simple en comparación con las largas
series de unos y ceros que usan los computadores. A veces, los números
binarios se deben convertir en números Hexadecimales (hex), lo que reduce
una larga cadena de dígitos binarios a unos pocos caracteres hexadecimales.
Esto hace que sea más fácil recordar y trabajar con éste tipo de números.
La conversión entre diferentes sistemas numéricos es una tarea común
según sea requerido. Al igual que los sistemas binario y decimal, el sistema
hexadecimal se fundamenta en el uso de símbolos, potencias y propiedades
matemáticas en general. Los símbolos que se usan en hexadecimal son los
números 0 - 9 y las letras A, B, C, D, E y F.
Para realizar la conversión de números hexadecimales a binarios,
simplemente se expande cada dígito hexadecimal a su equivalente binario
de cuatro bits.
1.14 LÓGICA BOOLEANA
La lógica booleana define las reglas para realizar diversas operaciones
lógicas en el sistema binario mediante el uso de las funciones lógicas AND,
OR y NOT convencionalmente. Con la excepción de NOT, las operaciones
booleanas aceptan dos números, que pueden ser 1 ó 0, y generar un
resultado basado en la regla de lógica.
La función lógica NOT toma un valor de entrada (0 ó 1), entregando a la
salida su valor opuesto respectivamente (1 ó 0), es decir, el uno se
transforma en cero, y el cero se transforma en uno. Recuerde que las
compuertas lógicas son dispositivos electrónicos creados específicamente
con este propósito. La regla de lógica que siguen es que cualquiera sea la
entrada, el resultado será lo contrario.
La función lógica AND, efectúa una operación de multiplicación, tomando dos
valores de entrada. Si ambos valores son 1, la función lógica entrega como
resultado 1. De lo contrario, genera un 0 como resultado.
La función lógica OR, efectúa una operación de suma lógica más no
aritmética, la cual también toma dos valores de entrada. En éste caso, si por
lo menos uno de los valores de entrada es 1, el valor salida será 1, en caso
contrario será 0.
La lógica booleana se aplica en el campo de las redes a través del uso de un
elemento conocido como “máscara”, la cual puede ser de dos tipo: wildcard
y de subred. Las operaciones de máscara brindan una manera de filtrar
direcciones. Las direcciones identifican a los dispositivos de la red y
permiten que las direcciones se agrupen o sean controladas por otras
operaciones de red.
1.15 PROTOCOLO IP
Hasta el momento se ha expuesto el protocolo TCP/IP, centrándose en el
desempeño del Protocolo de Control de Transporte TCP. El protocolo
complementario es el Protocolo de Internet (IP), el cual consiste en
protocolo a nivel de red cuyas principales características son las siguientes:
� Ofrece un servicio no orientado a la conexión; esto significa que cada
trama en la que ha sido dividido un paquete es tratado por
independiente. Las tramas que componen un paquete pueden ser
enviadas por caminos distintos e incluso llegar desordenadas.
� Ofrece un servicio no muy fiable porque a veces los paquetes se
pierden, duplican o se destruyen sin establecer una señal que indique lo
ocurrido.
1.16 DIRECCIONES IP Y MÁSCARAS DE SUBRED
El protocolo TCP/IP se fundamenta en el protocolo IPv4, el cual representa
cada dirección IP con un total de 32 bits, los cuales se encuentran
constituidos por 4 octetos, en donde cada octeto puede tomar valores entre
0 y 255.
Toda dirección IP está compuesta por dos parámetros inmersos en ella; el
primero corresponde a la dirección de red y el segundo corresponde a la
dirección de host o número de identificación del equipo dentro de la red
LAN. La cantidad de bits designados para red depende de la clase de
dirección. Para que puedan identificarse claramente éstos dos parámetros en
la dirección IP, es necesario el uso de un segundo número de 32 bits
denominado máscara de subred. Esta máscara es una guía que indica cómo
se debe interpretar la dirección IP al identificar cuántos de los bits se utilizan
para identificar la red del computador. La máscara de subred representa los
bits de identificación de red como 1 y los bits de identificación de Host como
0.
Redes Clase A
Ejemplo:
Dirección IP :10.8.1.15
Máscara : 255.0.0.0
Redes Clase B
Ejemplo:
Dirección IP :172.16.1.15
Máscara : 255.255.0.0
Redes Clase C
Ejemplo:
Dirección IP :192.168.1.15
Máscara : 255.255.255.0
1.17 ANCHO DE BANDA
Uno de los parámetros más importantes en el funcionamiento y eficiencia de
una red es el ancho de banda. El ancho de banda se define como la cantidad
de información que puede fluir a través de una conexión de red en un
período dado, la unidad básica del ancho de banda es bits por segundo
(bps). Entre los aspectos importantes que se deben tener en cuenta sobre el
ancho de banda se pueden mencionar:
� El ancho de banda es finito. Independientemente del medio que se utilice
para construir la red, existen límites para la capacidad de la red para
transportar información. El ancho de banda está limitado por las leyes de
la física y por las tecnologías empleadas para colocar la información en
los medios.
� El ancho de banda no es gratuito.
� El ancho de banda es un factor clave a la hora de analizar el rendimiento
de una red, diseñar nuevas redes y comprender la Internet.
� La demanda de ancho de banda no para de crecer.
Hasta hace poco, las transmisiones de radio, televisión y teléfono se
enviaban por aire y por cables utilizando ondas electromagnéticas. Estas
ondas se denominan analógicas porque poseen la misma forma que las
ondas de luz y sonido producidas por los transmisores. A medida que las
ondas de luz y sonido cambian de tamaño y forma, la señal eléctrica que
transporta la transmisión cambia proporcionalmente. En otras palabras, las
ondas electromagnéticas son análogas a las ondas de luz y sonido.
El ancho de banda analógico se mide en función de la cantidad de espectro
magnético ocupada por cada señal. La unidad de medida básica del ancho
de banda analógico es el hercio (Hz), o ciclos por segundo. Por lo general, se
usan múltiplos de esta unidad de medida básica para anchos de banda
analógicos, al igual que para los anchos de banda digitales. Las unidades de
medida más comúnmente usadas son el kilohercio (KHz), el megahercio
(MHz), y el gigahercio (GHz). Aunque las señales analógicas pueden
transportar una amplia gama de información, presentan algunas desventajas
significativas en comparación con las transmisiones digitales.
Para el caso de una señal digital, toda la información se envía como bits,
independientemente del tipo de información del cual se trate. Voz, video y
datos se convierten todos en corrientes de bits. Este tipo de transmisión
confiere al ancho de banda digital una importante ventaja sobre el ancho de
banda analógico. Es posible enviar cantidades ilimitadas de información a
través de un canal digital con el ancho de banda más pequeño o más bajo.
Independientemente de lo que la información digital demore en llegar a su
destino y reensamblarse, puede ser vista, oída, leída o procesada en su
forma original.
1.18 MODELOS DE CAPAS
Una técnica que ha resultado bastante útil, no solo para facilitar la
descripción de cada una de las etapas que hacen parte de un proceso de
comunicación, sino también en lo referente a la fabricación de elementos y
dispositivos de red, ha sido el modelo de capas. El concepto de capas se
utiliza para describir la comunicación entre dos computadores.
Se puede descomponer el proceso de comunicación entre dos equipos en
distintas capas aplicables a todas las conversaciones. La capa superior es la
idea que se comunicará. La capa intermedia es la decisión respecto de cómo
se comunicará la idea. La capa inferior es la encargada de adecuar el
mensaje al canal de comunicación establecido en el proceso.
Generalmente, la información que se desplaza por una red recibe el nombre
de datos o paquete. Un paquete es una unidad de información, lógicamente
agrupada, que se desplaza entre los sistemas de computación. A medida
que los datos atraviesan las capas, cada capa agrega información que
posibilita una comunicación eficaz con su correspondiente capa en el otro
computador.
Existen dos modelos de referencia establecidos: El modelo OSI y el modelo
TCP/IP. Vale la pena mencionar que no hay que confundir el modelo de
capas TCP/IP con el protocolo de comunicación que lleva el mismo nombre.
Los modelos OSI y TCP/IP se dividen en capas que explican cómo los datos
se comunican de un computador a otro. Los modelos difieren entre sí por la
cantidad de capas que los constituyen y la función que desempeña cada una
de ellas. No obstante, se puede usar cada modelo para ayudar a describir y
brindar detalles sobre el flujo de información desde un origen a un destino.
Con el objetivo de que los paquetes puedan viajar desde el origen hasta su
destino a través de una red, es importante que todos los dispositivos de la
red hablen el mismo lenguaje o protocolo de comunicación, los cuales han
sido descritos anteriormente. Un protocolo, es un conjunto de reglas que
hacen que la comunicación en una red sea más eficiente. El protocolo en una
capa realiza un conjunto determinado de operaciones sobre los datos,
preparándolos para ser enviados a través de la red. Los datos luego pasan a
la siguiente capa, donde otro protocolo realiza otro conjunto diferente de
operaciones.
Cuando el paquete ha sido enviado y ha llegado a su destino, los protocolos
deshacen la construcción del paquete que se construyó inicialmente en el
extremo de origen, efectuándose el proceso inverso a la construcción del
mismo. Los protocolos para cada capa en el destino devuelven la
información a su forma original, para que la aplicación pueda leer los datos
correctamente.
1.19 EL MODELO OSI
Debido a una gran variedad de dificultades relacionadas con la eficiencia y
optimización de recursos e información empresarial, surgió la idea de las
redes de datos. Al principio, el desarrollo de redes comenzó en forma
desordenada en muchos aspectos; a medida que las empresas tomaron
conciencia de las ventajas de usar tecnología de networking, el crecimiento
de las redes de datos aumentaba casi al mismo ritmo en que lo hacía las
nuevas tecnologías de red. A mediados de la década de los 80, las empresas
comenzaron a sufrir las consecuencias debido a su crecimiento
desmesurado, por la falta de estándares tecnológicos, evitando con ello que
las diferentes tecnologías se pudieran integrar sí.
Para enfrentar el problema de incompatibilidad de redes, la Organización
Internacional de Normalización (ISO) investigó modelos de networking como
la red de Digital Equipment Corporation (DECnet), la Arquitectura de
Sistemas de Red (SNA) y TCP/IP a fin de encontrar un conjunto de reglas
aplicables de forma general a todas las redes. En base a esta investigación,
la ISO desarrolló un modelo de red que ayudaría a los fabricantes a
desarrollar nuevas tecnologías que fueran compatibles con otras,
solucionando el problema de estandarización.
El nuevo modelo, denominado “modelo de referencia de Interconexión de
Sistemas Abiertos (OSI)”, fue lanzado en 1984. El cual proporcionó a los
fabricantes un conjunto de estándares que aseguraron una mayor
compatibilidad e interoperabilidad entre los distintos tipos de tecnología de
red producidos por las empresas a nivel mundial. Actualmente, el modelo
OSI se ha convertido en el modelo por excelencia para el diseño y
administración de redes de datos. Aunque existen otros modelos semejantes
en el mundo, los fabricantes de redes prefieren el modelo OSI por ser el
más conocido y utilizado a nivel mundial, lo cual facilita su integrabilidad con
otros fabricantes con mayor facilidad.
Este modelo explica en forma clara la forma como los paquetes de datos
viajan a través de cada una de las capas a otro dispositivo de una red, aun
cuando el remitente y el destinatario poseen diferentes tipos de medios de
red.
El uso de un modelo de capas, ofrece las siguientes ventajas:
� Permite la compatibilidad con otros fabricantes
� Facilita que diversos tipos de hardware y software de red se puedan
comunicar entre sí.
� Evita que los cambios en una capa afecten las otras capas.
� Divide la comunicación de red en partes más pequeñas para simplificar
el aprendizaje.
1.20 COMUNICACIÓN PAR A PAR
Uno de los aspectos que se debe comprender a la hora de analizar el
comportamiento de las redes basadas en el modelo OSI, es que la
información de cada capa es solamente analizada y reconocida por la misma
capa en el equipo destino; esta forma de comunicación se conoce como
comunicación de par a par. Durante este proceso, los protocolos de cada
capa son los encargados de intercambiar información, denominada
unidades de datos de protocolo denominadas como (PDU). Cada capa de
comunicación en el computador origen se comunica con un PDU específico
de capa, y con su capa par en el computador destino, como lo ilustra la
figura.
Los paquetes de datos de una red parten de un origen y se envían a un
destino; a medida que los datos se desplazan hacia abajo a través de las
capas del modelo OSI, se agregan encabezados e información final
adicionales, lo que va constituyendo poco a poco el formato de cada una de
las PDU. A continuación se hace una descripción de cada una de las capas
que hacen parte del modelo OSI.
Capa Física
Es la primera capa del modelo OSI. Esta capa está constituida por todo el
conjunto de elementos físicos propiamente dichos del que consta toda
comunicación, definiendo las reglas por las cuales deben ser manipulados
cada uno de los bits según el medio físico de transmisión.
Capa de Enlace
Es la segunda capa del Modelo OSI. Aunque la capa física está encargada
solamente del control correspondiente al flujo de datos, la capa de enlace
establece un enlace físico seguro entre los dos equipos (emisor y receptor),
proporcionando los medios para activar, mantener y desactivar el enlace.
Entre sus principales funciones se puede mencionar el control de acceso al
medio y detectar errores en las tramas de datos. Sin embargo, si la
comunicación es entre dos sistemas que no están directamente conectados,
la conexión constará de varios enlaces de datos unidos, cada uno operando
en forma independiente, manteniendo con ello un control de los datos por
parte de las capas superiores.
Capa de Red
Es la tercera capa del modelo OSI; es la encargada de establecer los canales
lógicos de comunicación entre los equipos emisor y receptor mediante la
creación de paquetes de información, definiendo el destino a alcanzar a
través de una dirección IP.
Los Routers y dispositivos que operan en la capa 3 del modelo OSI, están
encargados de seleccionar la mejor ruta a seguir para alcanzar su destino,
basados en ésta dirección lógica. Esta capa es una capa no orientada a la
conexión, es decir, que ella se encarga de la creación de paquetes e
identificación de las direcciones IP origen y destino, mas no del control de
envío y recepción de los mismos, la cual corresponde a la capa de
transporte.
Capa de Transporte
Es la cuarta capa del modelo OSI. Esta capa define las estrategias para el
intercambio de información entre los equipos Emisor y Receptor. La capa de
transporte está orientada a una conexión asegura, en la cual se garantiza no
solamente que los paquetes que se entregan estén libres de errores, en
secuencia y sin pérdidas o duplicados, sino que además es el encargado
directo de la creación del canal lógico para el envío de paquetes de un
equipo a otro. Adicionalmente, está relacionada con la optimización del uso
de los servicios de red y proporcionar una calidad del servido solicitada
En la arquitectura de protocolos TCP/IP, existen dos protocolos comunes
propios de la capa de transporte: el orientado a conexión TCP y el no
orientado a conexión UDP (User Datagram Protocol), el cual comúnmente se
utiliza para envío de información propia de correo electrónico entre otros
servicios.
Capa de Sesión
Es la quinta capa del modelo OSI. Las cuatro capas inferiores del modelo
OSI proporcionan un medio para el intercambio rápido y seguro de
información. Sin embargo, aunque para muchas aplicaciones este servicio
básico es insuficiente, se vio la necesidad de mejorar algunos aspectos
claves, estableciendo mecanismos para el control del diálogo entre
aplicaciones comunes entre los equipos.
Dentro de los principales servicios ofrecidos por la capa de sesión se
incluyen los siguientes puntos:
� Control del modelo de comunicación, el cual puede ser simultánea en
dos sentidos (fullduplex) o alternada en los dos sentidos (semi-
duplex).
� Agrupamiento en el flujo de datos
� Proporcionar un mecanismo de puntos de comprobación, de forma tal
que si ocurre algún tipo de fallo entre puntos de comprobación, la
entidad de sesión pueda retransmitir todos los datos desde el último
punto de comprobación.
Capa de Presentación
Es la sexta capa del modelo OSI. En ésta capa se define el formato de los
datos que se van a intercambiar entre las aplicaciones. Algunos ejemplos de
los servicios específicos que se realizan en esta capa son los de compresión
y encriptado de datos.
Capa de Aplicación
Es la última capa del modelo OSI. Proporciona un medio a los programas de
aplicación para la visualización y lectura de información entre usuarios. Esta
capa contiene funciones de administración y generalmente mecanismos
útiles para admitir aplicaciones distribuidas. Además, se considera que
residen en esta capa las aplicaciones de uso general como transferencia de
ficheros correo electrónico y telnet, entre otras aplicaciones.
1.21 MODELO TCP/IP
Es el otro modelo que al igual que OSI, ha sido adoptado por los fabricantes
como estándar para el diseño de hardware y software orientado a redes de
datos. El estándar histórico y técnico de la Internet es el modelo TCP/IP;
creado por el Departamento de Defensa de EE.UU. (DoD) debido a la
necesidad de diseñar una red que pudiera sobrevivir ante cualquier
circunstancia, incluso una guerra nuclear.
A diferencia de las tecnologías de networking propietarias mencionadas
anteriormente, el modelo TCP/IP se desarrolló como un estándar abierto, lo
cual permitía su libre uso por cualquier individuo que lo requiera facilitando
con ello su consolidación como un estándar
El modelo TCP/IP, al igual que OSI se encuentra dividido por capas, sin
embargo, este modelo utiliza simplemente cuatro capas:
� Capa de aplicación
� Capa de transporte
� Capa de Internet
� Capa de acceso a la red
Aunque algunas de las capas del modelo TCP/IP tienen el mismo nombre
que las capas del modelo OSI, algunas de las capas en ambos modelos no
se corresponden entre sí de manera exacta.
Uno de los aspectos importantes es que la capa de aplicación del modelo
TCP/IP incluye las funciones de las capas de sesión, presentación y
aplicación del modelo OSI, al igual que ocurre con la capa de acceso a la red
que corresponde con las capas física y de enlace del modelo OSI.
El propósito de la capa Internet es dividir los segmentos TCP en paquetes y
enviarlos desde cualquier red, tal como ocurre en la capa de Red del modelo
OSI. Los paquetes llegan a la red de destino independientemente de la ruta
que utilizaron para llegar allí. El protocolo específico que rige esta capa se
denomina Protocolo Internet (IP). En esta capa se produce la determinación
de la mejor ruta y la conmutación de paquetes.
A continuación se listan algunos de los protocolos de capa de aplicación más
comúnmente usados:
� Protocolo de Transferencia de Archivos (FTP)
� Protocolo de Transferencia de Hipertexto (HTTP)
� Protocolo simple de transferencia de correo (SMTP)
� Sistema de denominación de dominios (DNS)
� Protocolo Trivial de Transferencia de Archivos (TFTP)
Los protocolos de capa de transporte comunes incluyen:
� Protocolo para el Control del Transporte (TCP)
� Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP)
El protocolo principal de la capa Internet es:
� Protocolo Internet (IP)
Independientemente de los servicios de aplicación de red que se brinden y
del protocolo de transferencia que se utilice, existe un solo protocolo de
Internet, IP. Esta es una decisión de diseño deliberada. IP sirve como
protocolo universal que permite que cualquier computador en cualquier
parte del mundo pueda comunicarse en cualquier momento.
Comparando el modelo OSI con los modelos TCP/IP, surgen algunas
similitudes y diferencias.
Las similitudes incluyen:
� Ambos se dividen en capas.
� Ambos tienen capas de aplicación, aunque incluyen servicios muy
distintos.
� Ambos tienen capas de transporte y de red similares.
� Ambos modelos deben ser conocidos por los profesionales de
networking.
� Ambos suponen que se conmutan paquetes. Esto significa que los
paquetes individuales pueden usar rutas diferentes para llegar al
mismo destino. Esto se contrasta con las redes conmutadas por
circuito, en las que todos los paquetes toman la misma ruta.
Las diferencias incluyen:
� TCP/IP combina las funciones de la capa de presentación y de sesión
en la capa de aplicación.
� TCP/IP combina la capa de enlace de datos y la capa física del modelo
OSI en la capa de acceso de red.
� TCP/IP parece ser más simple porque tiene menos capas.
� Los protocolos TCP/IP son los estándares en torno a los cuales se
desarrolló la Internet, de modo que la credibilidad del modelo TCP/IP
se debe en gran parte a sus protocolos. En comparación, por lo
general las redes no se desarrollan a partir del protocolo OSI, aunque
el modelo OSI se usa como guía.
Aunque los protocolos TCP/IP representan los estándares en base a los
cuales se ha desarrollado la Internet, este currículum utiliza el modelo OSI
por los siguientes motivos:
� Es un estándar genérico, independiente de los protocolos.
� Es más detallado, lo que hace que sea más útil para la enseñanza y el
aprendizaje.
� Al ser más detallado, resulta de mayor utilidad para el diagnóstico de
fallas.
Los profesionales de networking tienen distintas opiniones con respecto al
modelo que se debe usar. Dada la naturaleza de esta industria, es necesario
familiarizarse con ambos. A lo largo de todo el currículum se hará referencia
a ambos modelos, el OSI y el TCP/IP. Se hará énfasis en lo siguiente:
� TCP como un protocolo de Capa 4 OSI
� IP como un protocolo de Capa 3 OSI
� Ethernet como una tecnología de Capa 2 y Capa 1
Recuerden que hay una diferencia entre un modelo y un protocolo que
realmente se utiliza en networking. Se utilizará el modelo OSI para describir
protocolos TCP/IP
1.22 PROCESO DE ENCAPSULAMIENTO
Todas las comunicaciones de una red parten de un origen y se envían a un
destino. La información que se envía a través de una red se denomina datos
o paquetes de datos. Si un computador (host A) desea enviar datos a otro
(host B), en primer término los datos deben empaquetarse a través de un
proceso denominado encapsulamiento.
El encapsulamiento rodea los datos con la información de protocolo
necesaria antes de que se una al tránsito de la red. Por lo tanto, a medida
que los datos se desplazan a través de las capas del modelo OSI, reciben
encabezados, información final y otros tipos de información.
Para ver cómo se produce el encapsulamiento, examine la forma en que los
datos viajan a través de las capas como lo ilustra la figura . Una vez que se
envían los datos desde el origen, viajan a través de la capa de aplicación y
recorren todas las demás capas en sentido descendente. El
empaquetamiento y el flujo de los datos que se intercambian experimentan
cambios a medida que las capas realizan sus funciones para los usuarios
finales. Como lo muestra la figura , las redes deben realizar los siguientes
cinco pasos de conversión a fin de encapsular los datos:
1. Crear los datos. Cuando un usuario envía un mensaje de correo
electrónico, sus caracteres alfanuméricos se convierten en datos que
pueden recorrer la internetwork.
2. Empaquetar los datos para ser transportados de extremo a
extremo. Los datos se empaquetan para ser transportados por la
internetwork. Al utilizar segmentos, la función de transporte asegura
que los hosts de mensaje en ambos extremos del sistema de correo
electrónico se puedan comunicar de forma confiable.
3. Agregar la dirección de red IP al encabezado. Los datos se
colocan en un paquete o datagrama que contiene un encabezado de
paquete con las direcciones lógicas de origen y de destino. Estas
direcciones ayudan a los dispositivos de red a enviar los paquetes a
través de la red por una ruta seleccionada.
4. Agregar el encabezado y la información final de la capa de
enlace de datos. Cada dispositivo de la red debe poner el paquete
dentro de una trama. La trama le permite conectarse al próximo
dispositivo de red conectado directamente en el enlace. Cada
dispositivo en la ruta de red seleccionada requiere el entramado para
poder conectarse al siguiente dispositivo.
5. Realizar la conversión a bits para su transmisión. La trama debe
convertirse en un patrón de unos y ceros (bits) para su transmisión a
través del medio. Una función de temporización permite que los
dispositivos distingan estos bits a medida que se trasladan por el
medio. El medio en la internetwork física puede variar a lo largo de la
ruta utilizada. Por ejemplo, el mensaje de correo electrónico se puede
originar en una LAN, atravesar el backbone de una universidad y salir
por un enlace WAN hasta llegar a su destino en otra LAN remota
1.23 SISTEMAS OPERATIVOS DE RED
Los sistemas operativos de red, además de incorporar herramientas propias
de un sistema operativo como son por ejemplo las herramientas para
manejo de ficheros y directorios, incluyen otras para el uso, gestión y
mantenimiento de la red, así como herramientas destinadas a correo
electrónico, envío de emnsajes, copia de ficheros entre nodos, ejecución de
aplicaciones contenidas en otras máquinas, compartición de recursos
hardware etc. Existen muchos sistemas operativos capaces de gestionar una
red dependiente de las arquitecturas de las máquinas que se utilicen. Los
más comunes son : Novell, Lantastic, Windows 3.11 para trabajo en grupo,
Unix, Linux, Windows 95, Windows NT, OS/2... Cada sistema operativo
ofrece una forma diferente de manejar la red y utiliza diferentes protocolos
para la comunicación.
1.24 ACCESO REMOTO A LA RED LOCAL
Las redes locales actuales pueden extenderse más allá de los límites del
propio lugar de trabajo. Con la informática móvil y la proliferación de las
redes locales, es necesario que cuando un usuario se encuentre fuera de su
lugar de trabajo exista alguna posibilidad de conectar con la red local de la
empresa, ya sea para consultar correo electrónico, para enviar datos o
imprimir un informe en un dispositivo de la propia empresa para que lo
puedan ver otras personas de la compañía.
El acceso remoto a redes ofrece una función principal : permite acceder a los
recursos de la red de la compañía, luego se permite acceder a ficheros que
se encuentran en el servidor de red de la empresa, y se garantiza que todos
los usuarios puedan acceder a una misma copia de un fichero, de forma que
cualquier modificación realizada por un usuario queda disponible para todos
los demás que tengan permisos para consultarlo.
Si la red local de la compañía posee acceso permanente a Internet los
usuarios que conectan de forma remota pueden utilizar dicho recurso. De
este modo, la empresa se convierte en un proveedor de Internet que
proporciona acceso a sus propios empleados.
Todo este acceso lo facilita la red telefónica tanto la fija como la móvil
(GSM). El aspecto de la telefonía móvil resulta muy interesante, ya que en la
actualidad un teléfono GSM se puede conectar a un computador
(normalmente un portátil). El problema es el elevado precio de las llamadas,
aunque no lo es tanto. Si se observan las tarifas de llamadas telefónicas
móviles a teléfonos fijos en un horario determinado por cada compañía
telefónica (que suelen denominar superreducido), veremos que son
inferiores a las llamadas nacionales, por lo que una desde un celular puede
resultar más barata que una llamada desde un teléfono fijo. Pero
generalmente el horario superreducido no coincide con las necesidades de
comunicación de los usuarios y se hace necesario disponer de otra fuente de
comunicación más barata. Por ello, si la red local tiene acceso a Internet,
mediante un servicio como VPN que proporciona la compañía Telefónica
podemos conectar con la red de la empresa al precio de una llamada local.
1.25 INTRANET
Una intranet no es más que una red local funcionando como lo hace
Internet, es decir usando el conjunto de protocolos TCP/IP en sus
respectivos niveles. Este concepto es reciente y engloba a todo un conjunto
de redes locales con distintas topologías y cableados, pero que en sus
niveles de transporte y de red funcionan con los mismos protocolos.
Este hecho, facilita enormemente la conexión con otros tipos de redes a
través de Internet, puesto que utiliza sus mismos protocolos. Además todas
las herramientas y utilidades que existen para Internet, se pueden utilizar
en una intranet (creación de páginas Web, correo electrónico, IRC ...
UNIDAD No. 2
Redes Industriales de Comunicación
OBJETIVOS DE CAPITULO
En éste capitulo se busca que el estudiante adquiera conceptos generales
sobre los principios que rigen las Redes de Datos Industriales y su relación
con las Redes de Datos TCP/IP, centrándose en el modo de operación de los
diversos tipos de protocolos que hacen parte de las redes industriales.
El objetivo principal es que el lector adquiera la comprensión conceptual de
los problemas que deberá enfrentar en aplicaciones de la ingeniería propias
del campo de las redes de datos, orientadas propiamente a los sistemas de
comunicación industrial, las técnicas y herramientas utilizadas para su
análisis, configuración y administración, entre otros aspectos relevantes
característicos de éste tipo de sistemas de control.
2. INTRODUCCION A LAS REDES INDUSTRIALES
Hoy en día, la Automatización Industrial se ha convertido en un
elemento clave para mejorar el rendimiento y la eficiencia de las
funciones operacionales de una empresa industrial moderna. La
obtención de información en el momento y punto de origen, al integrarse al
ciclo de procesamiento y control de las operaciones y al actualizar las bases
de datos en forma automática, permite la toma de decisiones
operacionales, tácticas y estratégicas más eficientes.
En este capítulo se describe la configuración general de un sistema de
procesamiento y control como soporte de la automatización industrial.
Se describe cada uno de los diferentes subsistemas, haciéndose
énfasis en aquellos dispositivos necesarios para la adquisición,
procesamiento y transmisión de los datos desde el campo hasta un centro
de control y supervisión. Se estudia algunas de las características de las
señales de campo y dispositivos y sistemas tales como los SCADA, los
PLC, las RTU, los sensores y actuadores, así como los medios para el
acondicionamiento y medición de las señales.
La mayor parte del capítulo está dedicada a la descripción de los
protocolos industriales más conocidos y utilizados en la industria. La
descripción de estos protocolos se hace en relación con el Modelo de
Referencia ISO/OSI, indicándose las características propias de cada una
de las capas como un medio para entender el proceso global de la
comunicación en los ambientes industriales.
La automatización de procesos industriales está dirigida hacia los
siguientes objetivos:
1.Aumentar la eficiencia de las operaciones y procesos industriales a través
de la aplicación de las modernas tecnologías de la Electrónica, la
Informática y las Telecomunicaciones.
2. Incrementar la productividad de los recursos humanos mediante:
� La automatización de las actividades manuales y repetitivas
� La dotación de procedimientos, equipos y sistemas que permitan
disponer de la información en forma oportuna y confiable en el
sitio y momento deseados
� Disminuir costos usando menor energía y manteniendo inventarios
mínimos
� Aumentar la disponibilidad de la planta física mediante
mantenimiento centrado en la confiabilidad
3. Transformar la forma de operar mediante la integración de los puntos 1 y
2, y la aplicación de nuevos métodos de análisis de procesos y de la
teoría del control, y la incorporación de las tecnologías más avanzadas.
2.1 INTEGRACIÓN DE LA RED DE COMUNICACIONES
El campo de las telecomunicaciones juegan un papel importante en los
nuevos procesos de automatización Industrial, principalmente en aquellas
empresas cuyas operaciones se encuentran dispersas geográficamente,
como es el caso de los grandes sistemas de producción existentes a nivel
mundial.
Fuente: Cortesía de Schneider Electric
Una Red de Telecomunicaciones aplicada a procesos de Automatización
Industrial tiene como objetivos los siguientes aspectos:
� La recolección de información, instantáneamente desde las localidades
remotas
� La transmisión de los información hasta los Centros de Control de
Operaciones y de Procesamiento de la Información
� Establecer recursos con el fin de aumentar la confiabilidad y seguridad
en los procesos de producción mediante detección temprana
de condiciones de alarma, supervisión y control continuo de
procesos de alto riesgo, verificación del estado de las
instalaciones y seguimiento de las condiciones de operación de
estaciones remotas
� Proveer paralelamente Servicios de Transmisión de Voz e Imágenes
entre otros servicios que se requieran
Todo esto es posible siempre y cuando la red integrada de comunicaciones
se encuentre soportada bajo una estructura bien definida, bajo las
premisas de racionalización, conectividad, calidad y confiabilidad. En la
mayoría de las grandes empresas industriales el modelo de sistemas tiene
una estructura piramidal tal como se ilustra en la siguiente figura
Modelo de Sistemas de una Empresa Industrial
Nivel Operacional: Es aquel nivel donde se llevan a cabo todas las
actividades y procesos básicos que constituyen el objetivo principal de la
empresa, por ejemplo, la producción de crudo en la industria petrolera o la
manufactura de un producto. En éste nivel, la velocidad de la transferencia
de información es variable, en donde puede ir desde los 300bps hasta los
20Mbps.
Nivel Táctico: Es aquel nivel donde se llevan cabo actividades
relacionadas directamente con las actividades del Nivel Operacional. Estas
actividades pueden ser: la planificación de operaciones, mantenimiento,
procesos de ingeniería, control de inventarios, administración de insumos,
entre otros. En este nivel la velocidad de transferencia de la información es
alta, por encima de los 20 Mbps.
Nivel Estratégico: En éste nivel se administran todas las directrices de
producción y mercadeo, las políticas de la empresa, la definición de las
metas del Nivel Táctico entre otros aspectos propios de la empresa. En
este nivel la velocidad de transferencia de información es generalmente muy
alta, del orden de los 100 Mbps.
Sin embargo, si se analizan éstos tres niveles en una empresa no
automatizada, están casi desconectados entre sí debido a las siguientes
situaciones:
� Diversidad de estándares y fabricantes en temas tales como:
sistemas operativos, protocolos de comunicación y bases de
datos, entre otros; algunos de estos protocolos de comunicación son
primitivos, ineficientes y específicos para la transmisión de
información predeterminada. Específicamente, en el Nivel
Operacional puede existir toda una variedad de protocolos
industriales poco o nada compatibles entre sí.
� Dispersión y redundancia de Información parcialmente controlada,
debido a la no homogeneidad en la misma en los diversos sistemas
existentes, obligando a mantener tablas de conversión con problemas
de actualización y mantenimiento de tablas.
� Debilidad en Soporte y Mantenimiento hardware y Software, cuya
obsolescencia es rápida.
� La interacción con los diversos sistemas a través de interfaces
de usuario disímiles y poco amistosas.
� Poca integración entre las áreas de control de procesos,
informática e instrumentación debido a la rápida evolución de
cada área. Los avances en Electrónica, Informática y
Telecomunicaciones, impulsarán y estimularán cada vez más la
necesidad de integración.
Con base en lo anterior se puede decir que el objetivo principal de la
integración de la información en los tres Niveles es la creación de un sistema
distribuido capaz de ofrecer alta conectividad e interoperabilidad entre sí,
permitiendo con ello lograr la automatización de procesos en forma óptima.
Para lo cual se requiere lo siguiente:
1. Infraestructura sólida de comunicaciones que comprenda:
� Redes orientadas al control local
� Redes orientadas al control supervisor
� Redes orientadas al soporte de la planificación, ingeniería,
gerencia y administración
� Interconexión con Redes Externas a la Empresa
2. Establecer una visión integrada de los sistemas, involucrando el flujo de
información y la integración de los procesos. En otras palabras, se requiere
de un sistema integrado de red el cual permita:
� Conectividad e interoperabilidad entre todos los sistemas de
información y control existentes
� Fácil acceso a la red de datos
� Fluidez de información entre los niveles Operacionales, Tácticos y
Estratégicos.
2.2 Telemetría
La Telemetría es uno de los elementos más importantes en los nuevos
sistemas de automatización Industrial; consiste en el uso de equipos
eléctricos o electrónicos cuyo fin es adquirir, almacenar y procesar
información correspondiente a variables físicas tales como: presión,
temperatura, humedad, velocidad entre otras en un lugar específico, para
después ser transmitidos a una estación remota en donde se realizarán los
procesos de procesamiento y almacenamiento respectivamente.
2.3 Telecontrol
Otro proceso importante en los actuales sistemas de automatización
industrial es el Telecontrol. Consiste en que una vez recibidas y
procesadas las señales o variables de físicas, de acuerdo con sus valores
exigen la ejecución de un proceso o la modificación de algún parámetro
existente en un proceso de control, el cual puede realizarse en forma
automática o a través de un operario experto. Por ejemplo, si en un proceso
se detecta que la temperatura de un horno se encuentra más alta de lo que
requiere el proceso, el sistema determina que debido al aumento de la
temperatura por encima del nivel normal es necesario bajarla, envía una
señal de control indicando al módulo de temperatura que reduzca su
intensidad cerrando una de las válvulas que soportan la temperatura del
horno.
2.4 SISTEMAS DE PROCESAMIENTO Y CONTROL INDUSTRIAL
A Nivel Operacional, un sistema de procesamiento y control industrial
se puede representar esquemáticamente como se ilustra en la siguiente
figura
Sistema de Procesamiento y Control en forma General
El conjunto de cada uno de los subsistemas de Procesamiento y control
ilustrados en la gráfica anterior, ha permitido el desarrollo del concepto
de lo que se conoce hoy como Sistema SCADA (Supervisory Control
and Data Adquisition) el cual es considerado hoy en día como la columna
vertebral en cualquier proceso de Automatización Industrial.
2.5 SISTEMA SCADA
El sistema SCADA, se define como una tecnología que permite la
adquisición y procesamiento de la información de procesos industriales que
se encuentran dispersos o lugares remotos inaccesibles, transmitiendo la
Ejemplo de un Sistema de Automatización SCADA.
información propia de cada uno de ellos a un lugar en particular o punto de
concentración común, en donde re realizan los procesos de monitoreo,
control y análisis. El sistema SCADA permite controlar simultáneamente
procesos e instalaciones distribuidos, generando de cada uno de ellos
diversos reportes según las necesidades tales como: presentación de
gráficos de tendencias e información histórica, de informes de operación y
programación de eventos, programas de mantenimiento preventivo,
entre otros. En la siguiente figura ilustra un ejemplo de un sistema SCADA
Un sistema SCADA no debe confundirse con un Sistema de
Control Distribuido (“Distributed Control System, DCS”) aunque los
principios y tecnologías que ambos utilizan son muy semejantes. Su
principal diferencia radica en que los DCS se utilizan convencionalmente
para controlar procesos industriales complejos dentro de un área
pequeña, por ejemplo, una planta industrial y las restricciones en tiempo
son muy diferentes. En cambio, el SCADA se emplea para el control y
supervisión de áreas geográficas muy grandes, como, por ejemplo, un
sistema de distribución de energía eléctrica o las instalaciones de las
compañías petroleras, y la red de comunicaciones es su soporte físico.
La principal ventaja de implementar un SCADA en un proceso de
automatización, es que permite al usuario conocer el estado de las
instalaciones bajo su responsabilidad y coordinar eficazmente las
labores de producción y mantenimiento en el campo, monitoreando y
controlando operaciones críticas, proporcionando los recursos para recibir la
información en forma dinámica y en tiempo real.
2.6 LAS COMUNICACIONES EN EL SISTEMA SCADA
Según se pudo observar en el ejemplo de un sistema SCADA, en cada
localidad remota de interés se debe instalar una RTU (Unidad Terminal
Remota), la cual está constituida por un servidor de adquisición/control y un
Transceptor de comunicaciones, la cual debe estar en comunicación
permanente con el Centro de Control. Adicionalmente, existe un Servidor
de Comunicaciones que junto con los Radios Base constituyen la MTU
(“Master Terminal Unit, MTU”); su función principal consiste en realizar
todas las funciones de interrogación y comunicaciones entre los niveles 1 y
3.
En todo sistema de comunicaciones se deben establecer protocolos de
Comunicación, denominados protocolos industriales o de campo, los
cuales permiten la interacción entre los equipos de comunicación.
Están constituidos por un conjunto de reglas y procedimientos
para el intercambio de mensajes, detección y corrección de errores, y
establecer las secuencias y lazos de control y supervisión. Hay
muchos protocolos industriales, de los cuales describiremos algunos más
adelante.
2.7 SISTEMA DE PROCESAMIENTO Y CONTROL
Tal como se hizo mención anteriormente, en todo sistema de control existe
un sistema encargado de realizar el análisis y procesamiento de la
información recibida. Una vez que los datos han sido recolectados
desde las localidades remotas y transmitidos el Centro de Control, es
necesario realizar sobre ellos un procesamiento en tiempo real, con el fin
de obtener información que permita tomar decisiones o realizar procesos de
control basados en los resultados obtenidos; éste información es entregada
al operador, el cual puede ser humano o automático y emprender acciones
de supervisión y control cuando sea necesario. Este sistema debe poseer
una alta capacidad de cómputo debido a la gran cantidad de información que
recibe y que debe procesar en tiempo real en forma simultánea, asegurando
la confiabilidad e integridad de cada una de sus funciones. Este sistema
es regido por herramientas software especializadas, las cuales integran
entre sí funciones del Sistema Operativo, las Bases de Datos, el Software
SCADA y los Programas de Servicio y Aplicación, entre otras según sean
requeridas.
2.8 SISTEMA DE INSTRUMENTACIÓN Y CONTROL LOCAL
En todo proceso de automatización industrial, es necesario el registro del
comportamiento de diversas variables físicas, las cuales rigen el
comportamiento y funcionamiento de un sistema en particular. Toda variable
debe ser acondicionada y digitalizada para su posterior transmisión,
almacenamiento y procesamiento, estableciendo con ello un proceso de
control y monitoreo constante según sea necesario. En tal caso surgen dos
conceptos claves a analizar: variable física y dispositivo de control.
2.8.1 Variable Física
Se denomina Variable Física a toda cantidad física tales como: temperatura,
presión, velocidad, entre otras; presente en el desarrollo de un proceso de
control. La medición de las variables puede ser realizado mediante el uso
de sensores o transductores, los cuales realizan un proceso de
transformación de la variable física en cuestión en una señal eléctrica
susceptible de ser acondicionada, transmitida y procesada.
Un transductor eléctrico, en particular, convierte la magnitud de una
variable física en una señal eléctrica proporcional, en la cual debe existir
una relación conocida entre la entrada y la salida del transductor.
El transductor es entonces el elemento que responde a la variable física a
ser medida y la transforma de tal manera que el resultado de la operación
pueda ser utilizado como información útil y representativa de dicha
cantidad.
2.8.2 Dispositivo de Control
Todo proceso físico contiene también elementos que permiten modificar,
acondicionar o controlar las variables existentes en un proceso de control.
Un dispositivo de control es un elemento que permite controlar el estado de
una variable física, como por ejemplo una válvula, la cual puede ser abierta
o cerrada según sea necesario para aumentar o disminuir el valor de una
variable física presente en un proceso de automatización.
2.8.3 Transductores
Tal como se hizo mención anteriormente, Un transductor es un dispositivo
capaz de convertir la magnitud de una variable física en una señal eléctrica
proporcional. En algunos transductores la energía se obtiene de una fuente
externa. Por ejemplo, en los potenciómetros y los transductores
capacitivos, en donde la variable física hace variar la resistencia o la
capacitancia en cuyo caso estas variaciones son reflejadas en variaciones de
voltaje o de frecuencia proporcionales a las variaciones de la variable física.
Representación de un Transductor
Clasificación de los Transductores
Existen en el mundo una gran cantidad de dispositivos transductores, cada
uno de ellos con la capacidad de permitir la cuantificación de algún tipo de
variable física. Sin embargo, los transductores se pueden clasificar en
dos tipos en particular: analógicos y digitales. Los transductores analógicos
pueden ser autogeneradores o de parámetros variables. Los
transductores digitales pueden ser de frecuencia variable o digitales
propiamente dichos.
A continuación se ilustran algunos tipos de transductores según sus
características comunes:
� Transductores Autogeneradores: termopares, acelerómetros
y vibrómetros piezoeléctricos.
� Transductores de Parámetros Variables: Potenciómetro,
fotoresistencia, termómetro de resistencia de platino, anemómetro
de alambre caliente.
� Transductores de Frecuencia Variable: Alambre vibrante.
� Transductores Digitales: Transductores codificadores de posición
lineal o angular.
Aplicaciones de los Transductores
Los transductores se aplican en un amplio campo de actividades en la
industria y en la investigación. Sus aplicaciones se pueden resumir en:
� Monitoreo de procesos
� Control de procesos automáticos
En general, un transductor debe cumplir con las siguientes características:
� Intercambiable
� Estable sobre un amplio rango de temperaturas
� Preciso y seguro
� De medida reproducible en el tiempo y sobre la gama de frecuencias
de interés
� Resistente a condiciones extremas de humedad, temperatura,
choque, presencia de gases, etc. que cabe esperar en el sitio de
aplicación
� Compatible con los elementos de acondicionamiento y regeneración
de señales
� Robusto y simple, a fin de ser utilizado por personal con poca
experiencia.
2.8.4 Acondicionamiento de las señales
En la mayoría de las situaciones de control, la señal eléctrica de salida
entregada por los transductores presentes en un proceso de control no es
apropiada para ser procesada debido a los siguientes factores:
� Alto contenido de ruido
� Las impedancias no están adaptadas
� Los niveles de amplitud son o demasiado altos o demasiado bajos
� No compatible con el resto del sistema
Por tal razón es necesario que la señal eléctrica proveniente de los
transductores sea acondicionada teniendo en cuenta diversos factores tales
como: ancho de banda, nivel de amplitud, impedancia y ruido antes de
realizar el proceso de digitalización y codificación.
2.8.5 Módulo de Comunicaciones
En muchas instalaciones industriales pequeñas no es necesario comunicarse
con el exterior al sitio donde se están realizando los procesos físicos y con
los elementos descritos hasta ahora es suficiente para un control completo
del sistema. Sin embargo, en sistemas de gran envergadura, como por
ejemplo, en el control de un sistema de almacenamiento de petróleo, hay
que tomar algunas acciones de tipo global que no pueden ser
tomadas localmente pues es posible que los sistemas locales no estén
asistidos por personal y la vigilancia y/o toma de decisiones se efectúa
por control remoto desde una Sala de Control.
Las señales involucradas en la CPU en general no son apropiadas
para su transmisión por un medio de transmisión dado. En la práctica
existen algunos circuitos que permiten convertir las señales digitales de
trabajo en formatos apropiados para su transmisión por un canal dado.
Estos sistemas se denominan “receptor/transmisor universal asincrónico
(UART)” y “receptor/transmisor universal sincrónico y asincrónico (USART)”
los cuales disponen de una interfaz normalizada, generalmente una interfaz
RS-232C, para acceder a un módem y entrar en el subsistema de
comunicaciones.
El módulo de comunicaciones maneja entonces el intercambio de
información con la estación principal o maestra. Las velocidades van
normalmente desde 1200 bps hasta 19200 bps, aunque con los
nuevos transceptores digitales se puede alcanzar velocidades que
pueden llegar hasta los 128 kbps.
2.9 El Controlador Lógico Programable (PLC)
Actualmente, en los grandes procesos industriales la mayor parte de las
operaciones desarrolladas por el subsistema de instrumentación local, con
excepción de la adquisición de información proveniente de variables físicas
y la manipulación de dispositivos, son efectuadas por un autómata
programable, el denominado Controlador Lógico Programable (PLC).
El PLC es un equipo electrónico diseñado para controlar en tiempo real
procesos secuenciales en un medio industrial. Su configuración y
programación puede ser realizada por personal electricista, electrónico o
de instrumentación sin conocimientos de informática. El PLC realiza
funciones lógicas tales como: conversión serie/paralelo, temporizaciones,
conteos y otras funciones de mayor complejidad. Adicionalmente, dispone
de varios puertos compatible con protocolos de comunicación estandar tales
como RS232, RS485, USB, Ethernet, entre otros, facilitando con ello su
integrabilidad y conformación de sistemas basados en redes.
Debido al gran potencial ofrecido por éstos equipos, el PLC tiene un campo
de aplicación muy amplio, su reducido tamaño, facilidad de programación,
lo hacen apto para aquellos procesos en que se producen necesidades tales
como:
� Espacio reducido
� Procesos de producción periódicamente cambiantes
� Procesos secuenciales
� Maquinarias de procesos variables
� Instalaciones de procesos complejos y amplios
Son muchas las ventajas que presentan los PLC, entre otras se tiene:
� Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos
� Facilidad de programación y configuración
� Tamaño reducido
� Bajo Costo
� Poco mantenimiento
2.10 REDES DE PROCESOS
La red de procesos, como su mismo nombre lo indica, es la plataforma
sobre la cual se efectúan todas las operaciones de un sistema de
procesamiento y control de la información. Estas son redes
generalmente centralizadas en un punto, el Centro de Control, y sobre
ella se conectan todos los equipos que intervienen en las operaciones. La
red de procesos generalmente es una red de área local o alguna
red propietaria y normalmente trabaja hasta 20Mbps; la cual debe
poseer una alta capacidad de cómputo y ser capaz de alcanzar altas
velocidades de transferencia de información debido a que se requiere el
control de procesos en tiempo real. Esta capacidad sólo la proporcionan
las redes de área local LAN y las redes de área metropolitana MAN.
Bases de Datos
En toda aplicación es importante el uso de bases de datos, las cuales son
el corazón del sistema, pues todos los periféricos tales como
servidores, estaciones de trabajo, entre otros, utilizan la información allí
contenida para realizar sus propias funciones: funciones de adquisición
y control, funciones de interfaz hombre/máquina, programas de
aplicación, etc.
La transferencia ordenada, definida y segura de datos entre diferentes
procesos es una de las funciones de la base de datos.
Los Servidores
En el campo de las redes industriales, comúnmente se utiliza el modelo
“cliente/servidor” en la prestación de servicios de red, lo cual permite la
optimización de los recursos disponibles. Entre los servidores integrados
al sistema de procesamiento se pueden mencionar:
� Servidor de datos históricos: Responsable de procesar,
almacenar y mantener la información histórica del proceso a fin
de producir gráficos de tendencias, generación de reportes y el
despliegue de información.
� Servidor de Aplicaciones: Responsable de la ejecución
de los diversos programas de aplicaciones del sistema.
� Servidor de Dispositivos Entrada/Salida: Es responsable de
establecer una interfaz hombre/máquina conformada por consolas
de operadores equipadas con teclados, monitores, impresoras,
graficadoras, entre otros dispositivos. Su objetivo principal es el de
suplir las necesidades del operador y del personal de
mantenimiento del sistema.
Interfaces Hombre-Máquina
El servidor de dispositivos entrada/salida junto con las bases de datos,
constituyen el sistema denominado hombre-máquina, el cual permite al
usuario interactuar con el sistema para la ejecución de diferentes
funciones, entre las que se pueden mencionar:
� Control y supervisión
� Planificación y mantenimiento de operaciones
� Generación de informes y estadísticas para cada uno de los
procesos
� Introducción de ordenes de control e información
� Monitoreo de cada uno de los estados presentes en un proceso
2.11 PROTOCOLOS INDUSTRIALES
Existen muy pocas diferencias entre un Protocolo de Comunicación y un
Protocolo Industrial; Sin embargo, los protocolos Industriales poseen
características especiales, lo que los hace tan imprescindibles en los
Sistemas de Control de Procesos y en los Sistemas SCADA. Estas
características son:
� Fácil mantenimiento
� Alto nivel de integridad en la transferencia de datos
� Alta velocidad en la actualización de parámetros.
La gran mayoría de los protocolos industriales no son protocolos abiertos,
esta situación genera dificultades a la hora de tratar de interconectar
diversos dispositivos. Ésta situación en particular es común en los
sistemas SCADA en donde generalmente los dispositivos utilizados en
no son interoperables entre sí. Sin embargo, algunos de los protocolos
industriales han llegado a un grado de aplicación que puede
considerarse que ellos son “protocolos de facto”; por ejemplo, el
protocolo MODBUS es uno de ellos, pero aún así sigue siendo un
protocolo propietario.
Actualmente, la intención de muchos fabricantes debido a las dificultades
que se han presentado por falta de integrabilidad entre los diversos
dispositivos que hacen parte de los sistemas, están trabajando en un
grupo de protocolos que permitan solucionar los problemas vigentes en el
campo de la automatización a los cuales se les denomino “Protocolos de
Redes de Campo (Fieldbus)”. A continuación se exponen los principales
protocolos Industriales y sus características más relevantes:
2.11.1 Protocolos ASCII
Los protocolos ASCII son muy populares debido a su simplicidad, lo cual
los hace apropiados para instalaciones sencillas, generalmente un
módulo Maestro y un módulo Terminal Remoto. Su principal
desventaja es su lentitud y su incapacidad para manejar
sistemas más complicados, por ejemplo, sistemas multipunto de más de
32 módulos terminales remotos. Comúnmente, se encontrar dos tipos de
protocolo ASCII: el protocolo ASCII para Transmisores Digitales y el
protocolo ASCII ANSI X3.28-2.5-A4; este último es un poco más
complejo.
2.11.2 Protocolo ASCII para Transmisores Digitales
Comercialmente se encuentra una gran variedad de transmisores que
aceptan la salida de sensores tales como: temperatura, flujo,
densidad, presión, entre otros, los cuales transmiten asincrónicamente
en formato digital a través de un puerto serie de un PC.
Características
� Control por Caracteres
� Transmisión HDX asincrónica
� Velocidades: entre 300 y 1200 bps
� Interfaces: RS-232C en operación punto a punto. En algunos
casos se llega a utilizar en operación multipunto, en donde se hace
uso de la interfaz RS-485.
2.11.3 Protocolo ASCII ANSI X3.28-2.5-A4
Este protocolo es mucho más elaborado que el anterior y se puede
usar para interconectar un PLC o cualquier otro procesador, por
ejemplo, un PC corriente, con un número de dispositivos que puede ir
hasta 32.
Características
� Control por Caracteres
� Transmisión HDX asincrónica
� Formato del Carácter: un bit de arranque, siete bits de
información, un bit de paridad par (o no paridad) y un bit de
parada
� Velocidades: entre 300 y 19200 bps
� Un procesador puede controlar hasta 32 dispositivos de campo
� Interfaz de preferencia: RS-485
2.11.4 Protocolo HART
El Protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer)
permite la transmisión simultánea de información analógica y
digital, opera sobre un lazo de corriente de 4-20 mA, y utiliza una
señal FSK para la transmisión digital binaria a 1200 bps, equivalente a
un módem Bell 202 (2200 Hz para un Cero y 1200 Hz para un UNO), la
frecuencia máxima de la señal analógica es de 10 Hz. Como es común en
casi todos los protocolos industriales, el protocolo HART tiene una
estructura que comprende solamente las Capas Aplicación, Enlace de
Datos y Física.
Su impedancia mínima del lazo requerida para la comunicación está entre
230 y 1200 Ohm, y es compatible con las barreras de seguridad
intrínseca normalmente utilizadas en áreas peligrosas (la seguridad
intrínseca es una metodología de diseño de circuitos en los cuales una
chispa o un efecto térmico producido en condiciones de trabajo normales
o en condiciones de falla especificadas, no puede causar la ignición de una
atmósfera explosiva determinada).
Mecanismo de transmisión en el Protocolo HART
El Protocolo HART se utiliza convencionalmente en configuración punto a
punto, en aplicaciones tales como: Configuración remota, ajuste de
parámetros y diagnóstico de dispositivos de campo inteligentes,
entre otros. Uno de los aspectos a tener en cuenta, es que este protocolo
no es apropiado para sistemas que requieren respuestas muy rápidas;
sin embargo, si se requieren altas velocidades, se puede
utilizar el protocolo en configuración multipunto (multidrop), en cuyo
caso no se emplea el lazo de corriente, es decir, la presencia de señales
analógicas en el sistema; todas las mediciones se efectúan con los
formatos HART. En cada uno de los transmisores se establece una
corriente fija de 4mA; en donde cada uno de ellos posee un módem
HART.
Este protocolo puede ser utilizado en conjunto con otros protocolos tales
como: Modbus, FIELDBUS, entre otros. Una particularidad del Protocolo
HART es que posee dos terminales de control, una fija (generalmente en
la Sala de Control) y una portátil, permitiendo con ello el ajuste de
parámetros o cualquier otra operación desde cualquier punto del lazo.
Características
� Control por Conteo de Bytes
� Transmisión Asincrónica HDX, punto a punto y multipunto
� Carácter Básico de 1 bit de arranque, 8 de información, 1 de
paridad impar y 1 de pare; NRZ
� Una módulo de control Maestro, el cual puede controlar hasta 15
módulos de control Remotos
� Operación en Modo de Respuesta Normal
� Permite hasta 250 variables en cada dispositivo de campo
� Distancia máxima: hasta 3000 m con par trenzado
apantallado calibre AWG 24; hasta 1500 m con cable multipar,
par trenzado común apantallado calibre AWG 20.
� Modulación FSK, 1200 bps, con Módems Tipo Bell 202
� Medio de transmisión: par trenzado y el lazo de corriente de 4-20
mA
� Interfaces asociadas: RS-232D y RS-485
Comandos HART
El Conjunto de Comandos HART está organizado en tres grupos y provee
el acceso en lectura/escritura a toda la información disponible en los
instrumentos de campo inteligentes.
� Comandos Universales: Proveen el acceso a información que
es útil en las operaciones normales, por ejemplo, el
fabricante del instrumento, el modelo, número de serie, rango
de operación, variables físicas, etc.
� Comandos comunes: Proveen el acceso a funciones que
pueden efectuarse en muchos dispositivos pero no en
todos, como, por ejemplo, leer variables, calibración (cero,
rango), iniciar autotest, valores constantes, etc.
� Comandos específicos de dispositivo: Proveen el acceso a
funciones que son propias de un dispositivo de campo
particular, como, por ejemplo, funciones específicas del
instrumento, arranque/pare/reset, seleccionar la variable
primaria, habilitar el control PID, sintonizar el enlace, opciones
especiales de calibración, etc. Los comandos universales y los
comandos comunes aseguran la interoperabilidad entre productos
de diferentes fabricantes.
2.11.5 Protocolo MODBUS
Modbus es un protocolo de transmisión desarrollado por la Gould Modicon
(ahora AEG Schneider Automation) para sistemas de control y
supervisión de procesos (SCADA) con control centralizado. Utilizando
este protocolo, una Estación Maestra (MTU) puede comunicarse con
una o varias Estaciones Remotas (RTU) con la finalidad de obtener datos
de campo para la supervisión y control de un proceso. El protocolo
Modbus es muy utilizado en la industria en una gran variedad de
sistemas SCADA.
En Modbus los datos pueden intercambiarse en dos modos de
transmisión: en Modo RTU y en Modo ASCII. El Modo RTU, algunas
veces denominado Modbus-B (por Modbus Binario), es el tipo más
común y es el que describiremos a continuación. En el modo de
transmisión ASCII los mensajes generalmente son de duración casi del
doble que en el modo de transmisión RTU. Aunque el Protocolo Modbus
es anterior al desarrollo del Modelo OSI, está constituido por 3 capas o
niveles: un nivel de Capa Física, un nivel de Capa Enlace y un nivel de
Aplicación.
El Protocolo Modbus es un protocolo bastante robusto, el cual cuenta con
diversos tipos de mensaje. Los intercambios de mensajes en este
protocolo se pueden dividir en dos tipos: peticiones de datos y peticiones
de control. En las peticiones de datos la MTU transmite un mensaje
solicitando valores de datos a la RTU, la cual responde
transmitiendo los valores requeridos. Estos valores de datos pueden ser
valores discretos o analógicos, contenidos de un acumulador, variables
calculadas, estado de la RTU, etc. Los mensajes de control son aquellos
en los cuales la MTU solicita a la RTU que cambie el estado de un
dispositivo de campo, o que cambie o modifique una condición
interna de la RTU.
Características (Modo RTU):
� Control por Conteo de Caracteres
� Transmisión FDX/HDX asincrónica
� Carácter Básico NRZ de ocho dígitos de información
(transmitidos como dos caracteres hexadecimales de cuatro
dígitos)
� Un módulo Maestro puede controlar hasta 247 módulos Remotos
� Operación en Modo de Respuesta Normal (NRM)
� Se puede conectar en Topología en Estrella
� Interfaces de Capa Física: RS-232D, RS-422A, RS-485, o lazo de 4-
20 mA
� Velocidades de Transmisión: 1200 a 19200 bps
� Medios de Transmisión: par trenzado, cable coaxial, radio
Funciones
Todas las funciones soportadas por el Protocolo MODBUS se identifican
mediante un código. Algunas de estas funciones son:
Comandos de control para lectura de entradas y salidas digitales
(discretas)
� Comandos de control para lectura y reposición de registros
� Otras funciones para test, diagnóstico, polling, condiciones de
excepción, entre otras.
2.11.6 MODBUS TCP/IP
A partir del protocolo MODBUS, surgen algunas variantes del mismo con
funciones especiales y mejoradas. MODBUS TCP/IP es una variante o
extensión del protocolo Modbus, el cual permite utilizarlo sobre la
capa de transporte TCP/IP, situación novedosa debido a que el
protocolo Modbus no incluía éste nivel. De este modo, Modbus-TCP se
puede utilizar en Internet, de hecho, este fue uno de los objetivos que
motivó su desarrollo (la especificación del protocolo se ha remitido a la
IETF=Internet Engineering Task Force). En la práctica, un dispositivo que
utilice éste protocolo puede ser controlado desde cualquier lugar del
mundo debido a que éste deberá poseer una dirección IP.
Dentro de las ventajas ofrecidas por éste protocolo en el diseño e
implementación de aplicaciones orientadas a la automatización de
procesos se pueden mencionar:
� Realizar procesos de mantenimiento en forma remota, reduciendo
así los costos y mejorando el servicio al cliente.
� No es necesario realizar desplazamientos.
� Permite realizar la gestión de sistemas distribuidos
geográficamente mediante el empleo de las tecnologías de
Internet/Intranet actualmente disponibles.
MODBUS TCP/IP, se ha convertido en un estándar industrial de gran
importancia, debido a su simplicidad, bajo costo de implementación,
requiere de pocos componentes hardware, y sobre todo a que se trata de
un protocolo abierto.
La combinación de una red física versátil y escalable como Ethernet
con el estándar universal de interredes TCP/IP y una
representación de datos independiente de fabricante, como
MODBUS TCP/IP, proporciona una red abierta y accesible para
el intercambio de datos de proceso.
El protocolo Modbus TCP, simplemente encapsula una trama Modbus
en un segmento TCP. TCP proporciona un servicio orientado a
conexión fiable, lo que significa que toda consulta espera una respuesta.
Esta técnica de consulta/respuesta encaja perfectamente con
la naturaleza Maestro/Esclavo de Modbus, añadido a la ventaja del
determinismo que las redes Ethernet conmutadas ofrecen a los
usuarios en la industria. El empleo del protocolo abierto Modbus con
TCP proporciona una solución para la gestión desde unos pocos a
decenas de miles de nodos.
Prestaciones de un sistemas MODBUS TCP/IP
Con relación a las prestaciones ofrecidas por éste protocolo, dependen
básicamente de la red y el hardware. Si se usa MODBUS TCP/IP sobre
Internet, las prestaciones serán las correspondientes a tiempos de
respuesta en Internet, que no siempre serán las deseables para un
sistema de control. Sin embargo, pueden ser suficientes para la
comunicación destinada a depuración y mantenimiento, evitando así
desplazamientos al lugar de la instalación. Situación que puede cambiar si
se dispone de una red con altas prestaciones de velocidad y ancho de
banda.
Cuando se tiene un sistema basado en Modbus y se desea establecer una
comunicación con MODBUS TCP/IP es necesario el uso de un transceiver,
debido a que MODBUS TCP/IP es simplemente un protocolo MODBUS
encapsulado en TCP, lo cual resulta bastante sencillo de implementar.
2.11.7 Protocolo JBUS
JBUS es una designación utilizada por la firma APRIL para un bus propio
que presenta gran similitud con MODBUS, con protocolos prácticamente
idénticos.
La designación JBUS, de la misma forma que MODBUS, corresponde a un
protocolo de enlace más que a una red propiamente dicha. Puede, por
tanto, implementarse con cualquiera de las conexiones físicas
normalizadas.
Comparación entre JBUS y MODBUS
La arquitectura de la red, el formato general de la trama y muchos de los
códigos de función de ambos buses coinciden exactamente. Existen, sin
embargo, algunos códigos de función cambiados, otros que presentan
ligeras diferencias o funciones añadidas.
Entre las diferencias más relevantes entre se pueden mencionar:
� JBUS posee un registro de estado en cada estación que
permite un diagnóstico de la estación.
� El número de esclavo para JBUS (1er byte de la trama) permite
valores que van del 01H hasta el FFH, lo cual permite direccionar
hasta 255 esclavos en vez de 63.
� El número 00H se reserva igualmente para mensajes difundidos.
� Las funciones disponibles son prácticamente las mismas en ambos
protocolos, pero algunos códigos de función (2º byte de la
trama) y de las subfunciones no coinciden.
2.11.8 Protocolo BSAP
Otro de los protocolos de gran interés en el ámbito industrial es el
Protocolo BSAP (Bristol Synchronous/Asynchronous Protocol) de la
Bristol Babcock Instruments/Systems, el cual es un protocolo
industrial utilizado comúnmente para el control y supervisión de
sistemas SCADA. BSAP, es un protocolo muy completo, el cual
requiere el uso de una topología tipo árbol con un máximo de seis
niveles y 127 nodos por nivel; a su vez, cada nodo puede
controlar hasta 127 dispositivos remotos.
Cada nodo tiene una dirección única basada en su posición en la red y
puede ser maestra de los niveles inferiores o esclava de los
niveles superiores. El protocolo BSAP, según su estructura está
conformado por las cuatro primeras capas del modelo OSI, lo cual es una
ventaja bastante interesante en el desarrollo de aplicaciones debido a que
posee compatibilidad con el protocolo TCP/IP.
El Protocolo BSAP está diseñado de acuerdo con las cuatro
primeras capas del Modelo OSI más la Capa de Aplicación; en esta
última capa están los programas de aplicación usuario/sistema. El flujo
de información en las capas puede ir hacia abajo o hacia arriba,
dependiendo de si el mensaje es un comando o una respuesta,
respectivamente.
La Capa Transporte es la responsable de la transmisión exacta del
mensaje en la modalidad “primero llegado/primero atendido” en
cualquier nivel funcional. Cuando la Capa Transporte determina que se
está listo para transmitir, el control se pasa a la capa inferior.
La Capa Red o Capa de Control de Red, como se la denomina
en BSAP, es la encargada de la manipulación del proceso de
transmisión. Ella tiene la responsabilidad de determinar la mejor ruta
que debe tomar el mensaje a través de la red, qué direcciones
utilizar y establecer la trayectoria de comunicación.
La Capa Enlace es la responsable de robustecer la integridad del
mensaje mediante la inclusión de mecanismos de verificación y
recuperación de errores. Ella controla también el acceso al canal físico
que se utilizará.
La Capa Física consiste principalmente de todos los equipos, medios y
programas necesarios para controlar el intercambio de dígitos a nivel
físico. Esta capa es totalmente independiente del formato final del
mensaje que se está transmitiendo.
Dentro de las principales características del Protocolo BSAP se pueden
mencionar:
� Control por Caracteres (Modo Transparente)
� Transmisión Asincrónica/Sincrónica HDX y FDX
� Topología Tipo Arbol; en la raíz se encuentra la MTU
� Operación en Modo de Respuesta Normal y Par a Par
� Carácter básico codificado en ASCII sin bit de paridad
� Interfaces de Capa Física: RS-232C, RS-422A, RS-423A y RS-485
� Velocidades de transmisión Sincrónica: 187,5 kbps, 1 Mbps
� Velocidades de transmisión Asincrónica: 300 bps a 38,4 kbps
� Medios de transmisión: par trenzado, cable coaxial, radio
Estructura Jerárquica
La topología del protocolo BSAP es una estructura en árbol, en donde el
nodo o Maestra A, en el Nivel 0, es la raíz del árbol, y el árbol puede
contener hasta seis niveles.
Estructura Jerárquica del Protocolo BSAP
El número máximo de nodos en un nivel está determinado por el
tiempo de respuesta de mensajes críticos y por el número de direcciones
que un nodo puede soportar, que es de 127. En cada nodo se tiene
entonces 127 posiciones de control que generalmente se denominan
“direcciones locales” para distinguirlas de las “direcciones globales”,
conceptos que definiremos a continuación.
Cualquier nodo dentro de la red (excepto los extremos: nivel 0 y nivel
último) cumple una doble función, puede ser maestro de sus nodos
inferiores o puede ser esclavo del nodo inmediatamente superior.
Esta doble relación se define como una “relación local”, pues los nodos
en cuestión son verticalmente adyacentes entre sí.
Se denomina entonces “mensajes locales” al intercambio entre un
maestro y una esclavo o nodo sin pasar por ningún otro nodo; en
este caso se aplica las direcciones locales. Mensajes que pasan por uno o
más nodos hasta alcanzar su destino, se denominan “mensajes globales”
en donde se aplica las direcciones globales.
Los nodos en su función de maestro, el nodo es responsable de la
interrogación periódica de sus esclavos para determinar su estado, recibir
información y ordenar la ejecución de acciones. En el caso de cumplir la
función de esclavo, el nodo debe responder a las interrogaciones de su
maestro. El período de interrogación, es decir, la velocidad a la cual el
nodo maestro interroga a los nodos esclavos, depende del sistema y es
ajustada por el usuario. Esta velocidad puede ser diferente en otras
partes de la red. Para maximizar el tráfico de mensajes, se utilizan
cuatro tipos de interrogación:
� Lazo principal de interrogación
� La interrogación de reactivación
� El lazo preferido de interrogación
� El lazo muerto de interrogación
Estas etapas de interrogación son ejecutados en este mismo orden. Lo
que se desea es interrogar a los nodos esclavos con fallas a una
frecuencia menor que con la que se interroga a las esclavas sin fallas. La
comunicación Par a Par es un mecanismo para la transferencia de
bloques de datos entre dos nodos adyacentes en la red. En el entorno
BSAP se tienen los denominados Módulos ACCOL Maestro/Esclavo que
permiten efectuar la transferencia. Los módulos se ejecutan
periódicamente a la velocidad de la correspondiente tarea ACCOL, y las
peticiones se pasan al entorno BSAP para su interconexión. Cuando
un Módulo Esclavo recibe un comando desde un Módulo Maestro, la
tarea es ejecutada de inmediato.
2.11.9 Protocolo MICROBUFFER
El Protocolo Microbuffer es un protocolo de línea, diseñado por la
Compañía AETI. Su estructura está concebida para la operación de
sistemas de control distribuido y sistemas SCADA. Este protocolo
permite la interconexión directa entre dos nodos cualquiera de la red,
basados en una estructura de red de área local, bajo operación punto
a punto o multipunto. En el caso de sistemas SCADA, se establece uno o
más nodos como Maestros (MTU) y al resto como remotas (RTU).
En el protocolo Microbuffer está constituido por las tres primeras capas
del modelo OSI.
Dentro de las características principales se encuentran:
� Control por conteo de caracteres
� Topología BUS en red de área local
� Topología tipo Estrella, con la MTU en el centro (HUB) y
radialmente las líneas remotas. Cada línea puede tener
diferentes características físicas: conductores metálicos o radio.
Maneja configuraciones punto a punto y multipunto
� Número máximo de nodos: 64 por línea
� Transmisión asincrónica HDX y FDX
� Operación en Modo de Respuesta Normal
� Interfaces: RS-232C y RS-485
� La velocidad de transmisión depende del medio utilizado (red
de área local, conductores metálicos, radio)
Otros Protocolos Industriales
En la práctica existe una gran variedad de protocolos industriales, pero
todos tienen características similares a las de los protocolos que se
han expuesto hasta el momento. Otros protocolos de comunicación
orientados al desarrollo de aplicaciones de índole industrial se
encuentran: WESDAC, TANO, MOTOROLA INTRAC 2000, SCI
RDACS, SYSTRONICS MICROMOTE, TRW2000, OPTROL, AMOCAMS,
TEJAS, TIWAY 1.
2.10 LA RED DE CAMPO (FIELDBUS)
Los buses de campo se usan en la actualidad de forma
prioritaria como un sistema de comunicación para el
intercambio de información entre sistemas de automatización y
sistemas de campo distribuidos. Miles de pruebas satisfactorias han
demostrado de manera impresionante que el uso de la tecnología de los
buses de campo puede ahorrar un 40% en costos por cableado,
mantenimiento, etc. Si lo comparamos con las tecnologías
tradicionales. Solamente se usan dos líneas para transmitir toda la
información relevante (es decir, datos de entrada y salida,
parámetros, diagnósticos, programas y modos de operación para
distintos dispositivos de campo).
En el pasado era muy normal la utilización de buses de campo
incompatibles entre marcas. Afortunadamente, en la actualidad todos
los sistemas responden a unas características standards. Por tanto,
el usuario no está “atado” a un único vendedor y es capaz de
seleccionar el producto que mejor se adapte a sus necesidades
dentro de una amplia gama.
La Red de Campo (Fieldbus) o Bus de Campo es un nombre genérico que
involucra una gran cantidad de protocolos de campo o protocolos
industriales. Básicamente, una Red de Campo es una red digital de
comunicaciones serie, multipunto, bidireccional, compartida por
diferentes elementos de campo (controladores, transductores,
actuadores y sensores), que permite la transferencia de datos e
información de control entre estos elementos primarios de
automatización, control y monitoreo, con elementos de más alto nivel
tales como los DCS y los SCADA.
Un aspecto importante es que cada dispositivo de campo es un dispositivo
inteligente capaz de ejecutar funciones sencillas tales como
diagnóstico, control, mantenimiento, así como capacidad de
intercomunicación con elementos de más alto nivel; estos dispositivos
se conocen con el nombre de “dispositivos electrónicos inteligentes
(Intelligent Electronic Device, IED).
Debido a las bondades ofrecidas por el sistema Fieldbus, la red de campo
reemplazará las redes de control centralizado por subredes de control
distribuido en un futuro no muy lejano. El problema actual es
principalmente de estandarización, debido a que no todos los fabricantes
de sistemas PLC e IED (sensores, actuadores, instrumentos de campo,
etc.) soportan todos los protocolos existentes o comparten
protocolos comunes. Actualmente, a la hora de realizar diseños de
control soportados en el uso de Fieldbus, requiere primero seleccionar los
elementos IED y después buscar al fabricante de los sistemas de control
(DCS, PLC y SCADA) que puedan soportar esos elementos, lo cual a
menudo es contrario a la forma lógica ideal de diseño.
Actualmente se puede encontrar toda una variedad de redes que efectúan
funciones de una red de campo; pero cuando se hace referencia a una
Red de Campo o Fieldbus, se habla de redes que están en proceso
de normalización por diversas organizaciones, tales como la Sociedad
Americana de Instrumentación (ISA), el Instituto Americano de Normas
Nacionales (ANSI), la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) y otras
entidades de Europa y Japón, cuyo objetivo es el de llegar a
definir un estándar abierto único que permita la intercomunicación
entre y con dispositivos de campo en la forma más versátil
independientemente de las diferentes marcas comerciales en existencia.
2.10.1 Características Básicas de la Red de Campo Estándar
La red de campo estándar deberá contar con las siguientes
características básicas:
� Modo de Transmisión serie asincrónica, HDX/FDX y una
variada gama de velocidades de transmisión en los niveles
de adquisición, transmisión y procesamiento
� Protocolos relativamente simples, limitados, y de fácil configuración
bsados en sistemas abiertos
� Funcionamiento en tiempo real con prestaciones (performance)
predecibles
� Estado de las estaciones accesible en cualquier momento
� Intercambio de mensajes con y sin confirmación
� Bajo costo de instalación y mantenimiento, e independencia de los
fabricantes
� Servicios de conformación/verificación independientes y con
reconocimiento
� Versatilidad para atender simultáneamente procesos continuos y
discretos, que impliquen mejores tiempos de respuesta,
optimización de las distancias de cableado, seguridad intrínseca,
entre otros aspectos relevantes
� Capacidad de aplicación en el campo de la generación y transporte
de energía eléctrica
Actualmente, las organizaciones están patrocinando la creación de una
red de campo única, la cual debe ser compatible con el Modelo OSI. Sin
embargo, la compatibilidad total no es necesaria ni deseable, debido
a que implicaría pobres prestaciones de servicio en tiempo real.
La compatibilidad parcial permite que la red de campo sea más coherente
con redes de área local de más alto nivel, mientras conserva las
características y técnicas ya probadas en los niveles de Capa Física y de
Enlace.
Según lo anterior, la Red de Campo Estándar cumplirá con las
siguientes características, las cuales involucran las capas 1 y 2 del modelo
OSI de la siguiente forma:
Capa Física
� Velocidades de Transferencia apropiadas. 31,25 kbps, 1 Mbps y
2,5 Mbps.
� Distancias Máximas optimizadas para cada nivel de operación
(adquisición, transmisión y procesamiento). En SP50 la máxima
distancia permitida entre dos dispositivos sobre par trenzado es de
1900 m a 31,25 kbps, 750 m a 1 Mbps y 500 m a 2,5 Mbps
� Codificación y Transmisión Digital de Datos. Transmisión Serie,
Sincrónica, HDX. Se utiliza el código Manchester
� Topologías: barra, árbol y punto a punto
� Características Eléctricas, Mecánicas, Funcionales y de
Procedimiento
� Requerimientos para los diferentes componentes de la
red, por ejemplo, seguridad intrínseca y alimentación de
potencia
� Configuración del medio físico para alcanzar una gran
integridad en la transmisión (medios para control de error)
y para la interoperabilidad entre dispositivos
Capa Enlace
� Establecimiento/Desconexión del enlace lógico
� Direccionamiento de Estaciones (Nótese que el direccionamiento es
una función de la Capa Red OSI, pero como esta capa no está
definida en la barra de campo esa función se realiza en la Capa
Enlace)
� Conformación de las tramas
� Control de Error y Flujo en el enlace
� Dos Subcapas de Enlace: Control del Enlace de Datos (FDLC) y de
Acceso al Medio (FMAC)
� Recursos para la Transmisión eficiente y segura de mensajes
(Códigos CRC) Capa Aplicación
� Modelo Cliente-Servidor
Actualmente, los estándares de Capa Enlace y Aplicación están en
desarrollo.
2.10.2 Ventajas de la Red de Campo Estándar
La red de campo estándar presentan una gran diversidad de ventajas, las
cuales benefician al usuario final. Dentro de las ventajas se pueden
mencionar:
� Reducción en los costos de implementación, debido a que una de
las principales características de la red de campo es la
reducción en el cableado, en los costos de instalación de los
dispositivos de campo y en la puesta a punto del sistema. Como la
red de campo es, básicamente, una red multipunto, ella permite
una reducción de 5 a 1 en los costos de cableado e instalación,
pues la red de campo requiere menos materiales y personal para
su instalación.
� Reducción de Costos de Mantenimiento, debido a su arquitectura
simple y de menor complejidad que sus homólogas, provocando
con ello una mayor confiabilidad y estabilidad del sistema.
� Mejoramiento de las Prestaciones del Sistema.
� Interoperabilidad e Intercambiabilidad entre dispositivos. Uno de
los aspectos que está siendo actualmente objeto de un gran
debate, es lo concerniente a la “interoperabilidad” y la
“intercambiabilidad”. La interoperabilidad y la intercambiabilidad
son características deseadas para las redes de campo, debido a que
éstas permiten al usuario cierta libertad en la selección de
instrumentos de campo de diferentes fabricantes para la misma
red y para las condiciones de operación normales. Vale la pena
recalcar que “interoperabilidad de dispositivos” no es lo mismo
que “intercambiabilidad de dispositivos”.
Con la interoperabilidad, se puede reemplazar sin problemas un
dispositivo de un fabricante dado por un dispositivo similar de otro
fabricante. La intercambiabilidad, por otro lado, es la habilidad
para reemplazar exactamente un dispositivo de un fabricante por
un dispositivo de otro fabricante.
Muy pocas veces, por razones obvias, dos fabricantes pueden o
quieren producir dispositivos idénticos; por lo tanto, desde el punto de
vista de los fabricantes, la intercambiabilidad es más restrictiva y menos
deseable que la interoperabilidad.
En resumen, los dispositivos de campo (interoperables o
intercambiables) producidos por diferentes fabricantes le permitirán al
usuario seleccionar en forma óptima los elementos que cumplan con sus
requerimientos para una buena estrategia de control, operación y
monitoreo flexibles, y capacidad de configuración y diagnóstico remotos.
2.10.3 Normalización de una Red de Campo
En el actual proceso de normalización se están promoviendo tres
clases de tecnologías para aplicación en el campo. Estas tecnologías son:
� Redes digitales de multipropósito y multiservicios
� Barras sensoras (sensor bus) diseñadas primordialmente para
dispositivos de dos estados y otros dispositivos sencillos
� Digitalizadores de señal para terminación remota de dispositivos de
dos estados.
2.10.4 La Red de Campo PROFIBUS
La Red de Campo Profibus es un protocolo industrial, es actualmente el
líder de los sistemas basados en buses de campo en Europa y
goza de una aceptación a nivel mundial. Sus áreas de aplicación
incluyen manufacturación, automatización y generación de procesos.
PROFIBUS es un bus de campo normalizado internacional que fue
estandarizado bajo la norma EN 50 170. Esto asegura una
protección óptima tanto a los clientes como a los vendedores y
asegura la independencia de estos últimos.
Hoy en día, todos los fabricantes líderes de tecnología de automatización
ofrecen interfaces PROFIBUS para sus dispositivos. La variedad
de productos existentes incluye más de 1500 elementos y
servicios, de los cuales 400 están certificados, asegurando un
funcionamiento sencillo y correcto incluso en redes de
diferentes fabricantes. PROFIBUS ha sido usado satisfactoriamente
en alrededor de 200000 aplicaciones en todo el mundo y se han
instalado más de 2000000 dispositivos.
Como es el caso en la mayoría de los protocolos industriales, la
arquitectura de Profibus consta de tres capas equivalentes a las
correspondientes OSI (1,2 y 7). Las capas Profibus son:
� Capa Física. Describe las características físicas de la
tranmsmisión.
� Capa Enlace de Datos. Especifica las reglas de acceso al medio.
Es un protocolo de control por bit.
� Capa de Aplicación. Define los mecanismos comunes útiles en las
aplicaciones y el significado de las informaciones intercambiadas.
Dentro de las Características Generales de Profibus están:
� Control por Bit
� Velocidad: 31,25 kbps (H1)
� Topologías: multidrop y en árbol
� Distancias: 100 m a 12 Mbps hasta 1200 m a 9,6 kbps
� Medios de transmisión: para trenzado apantallado
� Número de estaciones: máximo 32 por segmento; 126 con 4
repetidoras
� Seguridad Intrínseca aplicable
� Interfaz de preferencia: RS-485
La necesidad de una red de campo estándar es un punto vital en la
integración de equipos de diversos fabricantes a nivel de campo y
tendrá alternativas efectivas de funcionamiento, tanto para
aplicaciones en procesos continuos como en discretos. La existencia
de un estándar único dará nuevas dimensiones al control de procesos y
permitirá la comunicación efectiva entre los equipos de campo (sensores,
actuadores, digitalizadores, etc.) y los controladores de mayor nivel (PLC,
DCS y SCADA), así como la incorporación de Servidores de
Comunicación, Puentes y Gateways en todas las etapas del proceso.
PROFIBUS puede ser usado para transmisión crítica en el tiempo
de datos a alta velocidad y para tareas de comunicación extensas
y complejas. Esta versatilidad viene dada por las tres versiones
compatibles que componen la familia PROFIBUS. Algunas de las
características más sobresalientes de estas versiones se exponen a
continuación:
PROFIBUS PA:
� Diseñado para automatización de procesos.
� Permite la conexión de sensores y actuadores a una línea de
bus común incluso en áreas especialmente protegidas.
� Permite la comunicación de datos y energía en el bus
mediante el uso de 2 tecnologías (norma IEC 1158-2).
PROFIBUS DP:
� Optimizado para alta velocidad.
� Conexiones sencillas y baratas.
� Diseñada especialmente para la comunicación entre los
sistemas de control de automatismos y las entradas/salidas
distribuidas.
PROFIBUS FMS:
� Solución general para tareas de comunicación a nivel de célula.
� Gran rango de aplicaciones y flexibilidad.
� Posibilidad de uso en tareas de comunicación complejas y extensas.
La tecnología de transmisión más usada es la RS-485, conocida
habitualmente como H2. Su área de aplicación comprende aquellas
aplicaciones donde prima su simplicidad, la velocidad de transmisión
y bajo costo de instalación. Comúnmente se usa un par diferencial
con cable trenzado, previsto para comunicación semi-duplex,
aunque también puede implementarse con fibra óptica y enlaces
con estaciones remotas vía módem o vía radio. La velocidad de
transmisión varía entre 9.6Kbits/s y 12Mbits/s, dependiendo del
medio físico.
2.10.4.1 Elementos del sistema PROFIBUS.
El elemento esencial del bus es el nodo. PROFIBUS prevé la
existencia de dos tipos de nodos:
� Activos: son nodos que pueden actuar como maestro del bus,
tomando enteramente el control del bus.
� Pasivos: son nodos que únicamente pueden actuar como
esclavos y, por tanto, no tienen capacidad para controlar el bus.
Estos nodos pueden dialogar con los nodos activos mediante un
simple mecanismo de pregunta-respuesta, pero no pueden
dialogar directamente entre sí.
Aparte de estos dos tipos de nodos, existen otros dos bloques
esenciales en la arquitectura del bus:
� Expansiones E/S: este tipo de bloques constituyen la interfaz
con las señales de proceso y pueden estar integrados tanto
en un nodo activo como en un nodo pasivo.
� Repetidores: los repetidores ejecutan el papel de simples
transceptores bidireccionables para regenerar la señal. Su
diferencia esencial con los estudiados en el caso del
BITBUS es que no se requieren seña les de control (RTS+,
RTS-) para conmutar el sentido de la línea de datos,
ya que el sistema de codificación en PROFIBUS es del tipo
NRZ (por niveles) y las velocidades son más bajas.
2.10.4.2 Topología.
La topología puede ser simplemente en forma de bus lineal o en
forma de árbol, en el que los repetidores constituyen el nodo de
partida de una expansión del bus.
En este caso, la estructura en árbol es completamente una
impresión de dibujo, debida a que PROFIBUS admite una estructura
lógica de maestro flotante y una estación activa, ejerciendo el papel
de maestro, que puede estar físicamente conectada a lo que se pudiera
considerar una expansión del bus. Por tanto, incluso en caso de
ramificaciones debe considerarse como un bus único.
El número máximo de nodos conectables a cada tramo del bus,
sin necesidad de repetidores es de 32. A efectos de esta limitación
los propios repetidores cuentan como un nodo. El número máximo de
nodos del bus es de 127, de los cuales un máximo de 32 pueden ser
nodos activos.
No existe ninguna limitación en cuanto a poder configurar una
estructura con buses anidados (un esclavo puede ser, a su vez,
maestro de otro bus de nivel inferior), aunque deben considerarse
como buses independientes, dado que el protocolo no permite
direccionar desde arriba las estaciones de niveles inferiores.
Fuente: Cortesía de Schneider Electric
2.10.4.3 Estructura lógica.
La estructura lógica es de tipo híbrido: las estaciones activas
comparten una estructura de maestro flotante, relevándose en el
papel de maestro mediante paso de testigo. Las estaciones pasivas
sólo pueden ejercer el papel de esclavos, sea cual sea el maestro
activo en cada momento.
Naturalmente esta estructura admite la posibilidad de que exista un
solo nodo activo en el bus, con lo que se convertiría en un bus con una
estructura del tipo maestro- esclavo.
Cabe señalar que cuando una estación activa posee el testigo,
considera a todas las demás como esclavos, incluyendo también al
resto de estaciones activas que no poseen el testigo en aquel
momento.
2.10.4.4 Protocolo.
PROFIBUS especifica las características técnicas y funcionales de un
sistema de buses de campo serie con el cual controladores
digitales descentralizados pueden trabajar juntos en red desde el
nivel de campo hasta el nivel de célula. Esto lo hace distinguiendo
entre elementos Maestro y elementos Esclavo.
Los dispositivos Maestro determinan la comunicación de datos en el
bus. Un Maestro puede enviar mensajes sin una petición externa
cuando mantiene el derecho de acceso al bus (llamado de forma
común “testigo”).
Los dispositivos Esclavo son dispositivos periféricos. Algunos de ellos
son las entradas y salidas, las válvulas y los transmisores de
medida. No tienen derecho de acceso al bus y sólo pueden
reconocer mensajes recibidos o enviar mensajes al Maestro cuando
este se lo ordena (por lo que se les llama estaciones
pasivas). Su implementación es especialmente económica ya que
sólo requieren una pequeña parte del bus.
2.10.4.5 Aplicaciones
La implementación del protocolo PROFIBUS es sencilla y económica,
debido a la amplia gama de chips disponibles en la actualidad. En
principio, el protocolo PROFIBUS puede ser implementado en
cualquier microprocesador equipado interna o externamente con una
interface serie asíncrona (UART). Sin embargo, el uso de chips
protocolares (ASICs) es muy recomendable cuando el protocolo
requiera soportar velocidades superiores a 500 Kbits/seg. O cuando
se requiere una conexión en cierto tipo de tecnologías.
La decisión sobre el método a seguir en la
implementación dependerá básicamente de la complejidad del
elemento de campo, la actuación necesaria y la funcionalidad
requerida.
PROFIBUS ha adquirido una aceptación creciente (en un principio
en Alemania para después implantarse por Europa y abrir su
mercado al resto del mundo). Los pioneros fueron fabricantes
como ABB, AEG, Bauer, Danfoss, Kllöckner Möeller, Phoenix o
Siemens, llegando en la actualidad a ofrecer un elevado número de
productos compatibles y exhibiciones conjuntas que demuestran que
la red es capaz de integrar y gestionar productos de diferentes
marcas bajo un bus de comunicaciones gestionado con un software
único.
Los fabricantes líderes de tecnología de automatización apoyan la
tecnología PROFIBUS y presentan una oferta cada vez mayor de
productos y servicios innovadores. Algunos de los sectores en los
que ha cobrado una mayor importancia la tecnología PROFIBUS son
los siguientes:
� Computadores industriales.
� Módulos de Pc.
� Componentes neumáticos.
� Herramientas de software.
� Componentes de red.
� Procesos de automatización.
� HMI.
� Descentralización de entradas/salidas.
UNIDAD No. 3
Redes Domoticas y otros Protocolos de Comunicación orientados a las Redes de Comunicación Industrial
OBJETIVOS DE CAPITULO
En éste capitulo se busca que el estudiante adquiera conceptos generales
sobre las Domóticas y diversos protocolos de comunicación como: RS232,
RS485,I2C, SPI entre otros; así como el uso de nuevas tecnologías tales
como:Power Line Carrier, la cual hace parte de las tecnologías con mayor
futuro en el campo de las telecomunicaicones.
El objetivo principal es que el lector adquiera la comprensión conceptual
de los problemas que deberá enfrentar en aplicaciones de la ingeniería
propias en éste tipo de temas relacionado con su implementación en las
redes Industriales, las técnicas y herramientas utilizadas para su análisis,
configuración y administración, entre otros aspectos relevantes
característicos de éste tipo de sistemas de control.
3. REDES DOMOTICAS
El término domótica, derivado de la palabra doméstico e informático, no
trata de dar nombre a una nueva tecnología, sino a un conjunto de
servicios integrados de la vivienda, para una mejor gestión de aspectos
como el confort, la seguridad y el ahorro energético. En los últimos años
se viene utilizando, de manera indiscriminada, términos como inteligente
o domótica sin que en muchas ocasiones su utilización este del todo
justificada o sea comprendida correctamente.
En los sistemas informáticos fue donde se comenzó a utilizar el término
‘inteligente’ para distinguir aquellos terminales con capacidad de
procesamiento de datos (inteligentes), de aquellos sin esa capacidad (no
inteligentes)1.
Esta capacidad de procesar automáticamente datos esta íntimamente
relacionada con la utilización de los microprocesadores y
microcontroladores; así, la incorporación de éstos en distintas áreas ha
hecho que se extienda comercialmente el uso de este sustantivo. Por ello,
a pesar de que los llamados edificios inteligentes han sido objeto de la
observación pública y han merecido la atención de los medios
informativos, no puede decirse que exista una asimilación de los
conceptos implicados, con denominaciones poco claras y en ocasiones
engañosas.
1 LAMAS, Javier. Sistemas de control para viviendas y edificios, Mexico, Ed.
Paraninfo
El concepto de edificio inteligente nació en Estados Unidos a finales de los
años setenta y principios de los ochenta. Desde entonces se le ha
denominado domótica cuando se aplica el concepto al ámbito doméstico,
edificios inteligentes (cuando se aplica a edificios), edificios precableados
(cuando incorpora una red de comunicaciones voz / datos estructurada y
universal), edificios de alta tecnología (capaces de utilizar tecnologías
avanzadas de comunicaciones e informática), edificios automatizados
(cuando incorpora instalaciones de control de servicios técnicos y
seguridad).
Una vivienda será Domótica si incluye una infraestructura de cableado y
los equipos necesarios para disponer de servicios avanzados en la misma;
el conjunto de servicios de la vivienda esta garantizado por sistemas que
realizan varias funciones, las cuales están conectadas entre sí mediante
redes interiores y exteriores de comunicación, que gracias a ello se
obtiene un notable ahorro de energía, alto grado de comodidad, un nivel
de seguridad y una nueva comunicación con el interior y/o exterior de la
vivienda.
La Domótica se encarga de gestionar principalmente tres grandes campos
de aplicación que son: el confort, la seguridad y la gestión de la energía.
Aunque muchas veces estos campos se pueden solapar, se tratara de
diferenciarles cada uno de ellos.
Al realizar una instalación en un Edificio o Vivienda, la inversión que se
realiza en cada uno de los campos va a depender directamente de la
función a la cual vaya a ser destinado el edificio o la vivienda. Se resalta
esto, porque se dice que la domótica da la impresión de ser una disciplina
elitista aplicada solamente a instalaciones de lujo, pero se puede decir
con seguridad que esto no es así, porque podemos tener en cuenta que
un sistema domótico no necesita que sea completo, solamente debe
cubrir las necesidades que un usuario demande y el sistema será
diseñado para que en etapas posteriores pueda ser ampliado. Y por
supuesto llegar a soluciones más complejas, que no son necesariamente
lujosas pero si que puedan estar al alcance de todos.
En otro contexto también los franceses han respondido con una doble
clasificación muy general; domótica, cuando se refiere a la vivienda, e
inmótica cuando se refiere a la edificación no residencial (hospitales,
hoteles, estaciones, plantas industriales, centros comerciales, edificios,
otros). De una manera general, un sistema domótico dispone de una red
de comunicación y dialogo que permite la interconexión de una serie de
equipos y sensores a fin de obtener información sobre las variables a
controlar en el entorno doméstico y basándose en éste, realizará unas
determinadas acciones sobre dicho entorno.
Los elementos de campo (detectores, sensores, captadores etc.)
transmitirán las señales al computador que reconocerá y procesará la
información recibida. En función de dicha información y de una
determinada programación, la unidad central actuará sobre determinados
circuitos de potencia relacionados con las señales recogidas por los
elementos de campo correspondientes.
La Domótica es la integración en el hogar de los sistemas provenientes de
sectores como el de la electricidad, la electrónica, informática, la robótica
y las telecomunicaciones. En Francia para adoptar términos propios a las
nuevas disciplinas se escogió la palabra “DOMOTIQUE”. De hecho la
enciclopedia Larousse definía en 1988 él termino Domótica asi: “El
concepto de vivienda que integra todos los automatismos en materia de
seguridad, confort, gestión de la energía y comunicaciones.”
3.1 CARACTERÍSTICAS DE LA DOMÓTICA
Dentro de las principales características que encierran la Domótica se
pueden mencionar:
Control programable dentro de la vivienda: A través de un esquema
de comunicación con los distintos equipos (mando a distancia, bus de
comunicación, etc.), reduce la necesidad de moverse dentro de la
vivienda, este hecho puede ser particularmente importante en el caso de
personas de la tercera edad o minusválidos.
Control remoto desde fuera de la vivienda: Presupone un cambio en
los horarios en los que se realizan las tareas domesticas (por ejemplo: la
posibilidad que el usuario pueda activar la cocina u otro electrodoméstico
desde el exterior de su vivienda) y como consecuencia permite al usuario
un mejor aprovechamiento de su tiempo.
Programabilidad: El hecho de que los sistemas de la vivienda se puedan
programar ya sea para que realicen ciertas funciones con solo tocar un
botón o que las lleven a cabo en función de otras condiciones del entorno
(hora, temperatura interior o exterior) produce un aumento del confort y
un ahorro de tiempo.
Acceso a servicios externos: Servicios de información, telecompra y
tele banco. Para determinadas personas estos servicios pueden ser de
gran utilidad (por ejemplo, en aquellas familias donde ambos cónyuges
trabajan) ya que producen un ahorro de tiempo.
3.2 FUNCIONES DE LA DOMÓTICA
Dentro de las principales funciones se pueden mencionar:
Prevención de los accidentes domésticos: Los daños provocados por
el agua, el incendio, las explosiones debidas al gas son algunos de los
accidentes que se podrían evitar si existiera “algo” que detectara todos
estos fenómenos y que permitiera tomar rápidamente las medidas
correctivas. En caso de que ocurra un incendio, el sistema de protección
permite la detección precoz del incendio, efectuando un aviso rápido y
efectivo al personal encargado de la extinción con un sistema de llamadas
preprogramadas para avisar a bomberos, en caso de estar ausente el
dueño de la vivienda.
Sistemas de Alarma: Es relativo a la seguridad de las personas y de los
bienes frente a las agresiones e intrusiones. Esta no es más que la
función de una central de alarmas. Esta central puede ser inteligente y
por ejemplo telefonear discretamente a la estación de policía, a un amigo
o a un vecino, con el fin de que intervenga con mucha más eficacia que
las sirenas colocadas sobre el tejado.
Control de la energía: Principalmente el control inteligente de la
calefacción o del aire acondicionado, la programación de las horas de
funcionamiento de la energía en función de la presencia real de los
ocupantes, pero también la selección de temperatura en función de la
utilización de las habitaciones, o de la alternancia día/noche ó en las
zonas tropicales dependiendo de la estación en que se encuentren según
la época del año.
Control de equipos: Estas funciones también denominadas telemandos
son una combinación de funciones como: el control de los niveles de
iluminación, el cierre ó apertura de cortinas, el control de electroválvulas
para el riego del jardín y en general, a todo lo que pueda ser controlado a
distancia.
3.3 APLICACIONES DE LA DOMÓTICA
En esta sección se pretende dar una visión global de la utilización de la
domótica en los tres grandes campos de aplicación como son: el Confort,
la seguridad y Control de la Energía.
Confort
La Domótica nos proporciona una serie de comodidades que van dirigidas
principalmente a las instalaciones CVC (climatización, ventilación y
calefacción) Sin embargo, se incluyen los sistemas de audio y vídeo,
control de la iluminación, mando a distancia, riego de jardines, y todo
aquello que contribuya al bienestar y comodidad de las personas que
utilicen las instalaciones.
Control de Iluminación: En toda la vivienda se efectuará
encendido/apagado de luces mediante programación. Las lámparas que
estén conectadas a enchufes se podrán apagar/encender mediante un
módulo domótico controlado desde el PC definido por el usuario.
Control de Climatización: El control del aire acondicionado o la
calefacción, dependerá del tipo de electrodoméstico que se desee
controlar.
Seguridad.
La seguridad que nos proporciona un sistema domótico es más amplia,
aquí se incluyen tanto alarmas contra incendio, fugas de agua o gas y
otros peligros. También se integran tres campos de la seguridad que
normalmente están controlados por distintos sistemas:
Simulación de presencia: Entre las numerosas formas empleadas por
los ladrones para saber si pueden “visitar” una vivienda sin riesgo,
consiste en observar por la noche la ausencia de luz. Se puede decir, que
cuando en una vivienda en el transcurso de la noche y la madrugada no
se enciende la luz por varios días, es muy probable que no esté ocupada.
Por eso en ausencia de personas dentro de la vivienda es posible hacer
simulación de apagado y encendido de una o varias luces. Las luces que
se definan en la programación, se encenderán y apagarán solas, de forma
totalmente automática, cuando el usuario no se encuentre en la vivienda
y siempre dentro del horario deseado.
Detección de presencia: Es posible utilizar detectores de presencia que
sin activar ninguna alarma, pueden hacer creer que los lugares estén
ocupados. Se pueden utilizar varios métodos para detectar la proximidad
de un individuo, considerándose el detector infrarrojo como el de mayor
eficacia.
Temporizadores: El sistema básico lleva incorporados sensores con
temporizadores por software para activar y desactivar luces o cualquier
otro equipo o electrodoméstico a la hora que se desee. Se pueden utilizar
para encender o apagar luces interiores y/o exteriores a horas convenidas
los días escogidos. (p. ej. todos, laborables, festivos, lunes y martes.)
Control de Enchufes: Esta función se puede utilizar como seguridad al
poder desactivar líneas completas de enchufes en forma manual ó
automática evitando accidentes domésticos..
Sensor Crepuscular: Permite el activado/desactivado de luces según la
iluminación exterior sin tener que recurrir a los temporizadores ya que los
niveles de iluminación varían mucho en función de la época del año. Este
sensor podrá ser controlado en forma manual ó automática con el fin de
evitar el encendido de luces cuando exista suficiente luminosidad.
Riego: Con esta opción se suple ampliamente la utilización de un
programador de riego permitiendo de esta forma integrarlo junto con el
resto de la instalación eléctrica de la vivienda. El riego podría activarse
por medio de un temporizador, en el cual se podrá programar, la hora de
inicio y de finalización del riego, en los días que se desee.
Programación los electrodomésticos : En combinación con los
Temporizadores que incorpora el sistema, podrán programarse los
electrodomésticos para que funcionen en horarios definidos por el usuario.
Racionalizar el consumo de energía: Estableciendo prioridades en el
funcionamiento de los electrodomésticos y demás consumos de la
vivienda.
Control Energético: La proliferación de equipos electrónicos en el hogar
ha hecho necesario idear sistemas, como el domótico, que se encarga,
entre otras funciones, de gestionar y racionalizar adecuadamente el
consumo de energía de todos ellos.
Según la Real Academia Española, la domótica es el conjunto de sistemas
que automatizan las diferentes instalaciones de una vivienda. Bajo esta
definición académica se esconde, en la práctica, un significativo ahorro de
energía.
3.4 TIPOS DE ARQUITECTURA
Para poder clasificar técnicamente un sistema de automatización de
viviendas, es necesario tener claros una serie de conceptos técnicos,
como son: Tipo de arquitectura, medio de transmisión, velocidad de
transmisión y protocolo de comunicaciones. La arquitectura de un sistema
domótico, como la de cualquier sistema de control, especifica el modo en
que los diferentes elementos de control del sistema se van a ubicar.
Existen dos arquitecturas básicas: La arquitectura centralizada y la
distribuida.
Arquitectura Centralizada: Es aquella en la que los elementos a
controlar y supervisar (sensores, luces, válvulas.) han de cablearse hasta
el sistema de control de la vivienda (PC o similar). El sistema de control
es el corazón de la vivienda, en cuya falta todo deja de funcionar y su
instalación no es compatible con la instalación eléctrica convencional en
cuanto que en la etapa de construcción hay que elegir esa topología de
cableado.
Arquitectura distribuida: Es aquella en la que el elemento de control se
sitúa próximo al elemento a controlar. En las arquitecturas distribuidas,
las redes de control pueden intercambiar datos mediante cables de pares
trenzados, por corrientes portadoras sobre la misma red de baja tensión
(powerline comunication), vía radio, por fibra óptica ó con cable coaxial,
siendo las dos primeras las de uso más frecuente. En los sistemas de
arquitectura distribuida se deben de tener en cuenta para poder
realizar comparaciones objetivas los siguientes criterios: Medio de
transmisión de las comunicaciones, Velocidad de comunicaciones,
Topología de la red y Protocolo de comunicaciones.
Medios de transmisión: Como medio de transmisión se entiende el
soporte físico sobre el cual son transportados los datos de
comunicaciones, básicamente son:
� Corrientes portadoras.
� Cable (par trenzado)
� Radiofrecuencia.
� Fibra óptica.
Topología: Para los sistemas de cable, existe un concepto a tener
en cuenta que es la topología de la red de comunicaciones. La topología
de la red se define como la distribución física de los elementos de
control respecto al medio de comunicación (cable), estos pueden ser
clasificados en bus, anillo, topología libre.
Velocidad: En todo sistema domótico con arquitectura distribuida,
los diferentes elementos de control deben intercambiar información
unos con otros a través de un soporte físico (par trenzado, línea de
potencia o red eléctrica, radio ó infrarrojos). La velocidad a la cual
se intercambia información entre los diferentes elementos de
control de la red se denomina velocidad de transmisión.
Protocolo: Una vez establecido el soporte físico y la velocidad de
comunicaciones, un sistema domótico se caracteriza por el protocolo
de comunicaciones que utiliza, que no es otra cosa que el ‘idioma’ o
formato de los mensajes que los diferentes elementos de control del
sistema deben utilizar para entenderse unos con otros y que
puedan intercambiar su información de una manera coherente.
Dentro de los protocolos existentes, se puede realizar una primera
clasificación atendiendo a su estandarización:
Protocolos estándar: Los protocolos estándar son los que están
definidos por una norma y son utilizados ampliamente por
diferentes empresas como por ejemplo: El Bus Europeo de Instalación
(EIB). Este estándar está regulado por una asociación independiente
(EIBA) de la que ya forman parte más de 100 fabricantes (entre ellos
algunos como Siemens, Bosch, ABB, Simon, Legrand, etc.).
Recientemente ha sido homologado en Estados Unidos con la norma ANSI
EIA-776.
Protocolos propietarios: Son aquellos que son desarrollados por una
empresa; la cual fabrica productos que solo son capaces de
comunicarse entre si.
3.5 PROTOCOLOS APLICADOS A LA DOMÓTICA.
Entre los protocolos aplicados en domótica, el protocolo más extendido
entre los diferentes elementos de la red domótica es el X10, que utiliza la
red eléctrica como medio de transmisión, aunque existen otros protocolos
europeos como el EIB, el EHS y el llamado Lonworks.
X-10: es uno de los protocolos más antiguos que se están usando en
aplicaciones domóticas. Fue diseñado en Escocia entre los años 1976 y
1978 con el objetivo de transmitir datos por las líneas de baja tensión a
muy baja velocidad (60 bps en EEUU y 50 bps en Europa). Resulta muy
económico ya que al usar las líneas de eléctricas de la vivienda, no es
necesario tender nuevos cables para conectar dispositivos.
El European Installation Bus o EIB: es un sistema domótico
desarrollado bajo los auspicios de la Unión Europea con el objetivo de
contrarrestar las importaciones de productos similares que se estaban
produciendo desde el mercado japonés y el norteamericano.
Recientemente ha sido homologado en Estados Unidos con la norma
ANSI EIA-776. El objetivo era crear un estándar europeo, con el
suficiente número de fabricantes, instaladores y usuarios, que permita
comunicarse a todos los dispositivos de una instalación eléctrica como:
contadores, equipos de climatización, seguridad, gestión energética y
electrodomésticos.
HBS: éste se publico en 1988 como un estándar de comunicación para
automatización del hogar en la forma de un Bus de Sistema para el
Hogar (Home Bus System). HBS se publico como la norma EIAJ/REEA
ET-2101 Home Bus System y se ha comercializado desde octubre de
1988, existiendo a la fecha más de un millón de sistemas en uso.
CeBus: En 1984 varios miembros de la EIA norteamericana (Electronics
Industry Association) llegaron a la conclusión de la necesidad de un bus
domótico que aportara más funciones que las que aportaban sistemas de
aquella época (ON, OFF, DIMMER, ALL OFF, etc). Especificaron y
desarrollaron un estándar llamado CEBus (Consumer Electronic Bus). Para
la transmisión de datos por corrientes portadoras, el CEBus usa una
modulación en espectro expandido; estos se transmite uno o varios bits
dentro de una ráfaga de señal que comienza en 100 kHz y termina en 400
kHz (barrido) de duración 100 microsegundos. La velocidad media de
transmisión es de 7500 bps2.
Entre los sistemas propietarios mas conocidos : Amigo, Biodom, Dialogo,
Dialoc, Domolon, Cardio, SSI, Starbox, Simon Vox, Vantage,
Crestron, Redes de datos, HomeRF, HomePNA, HomePlug, Middleware,
HAVI, UpnP, JINI, HomeAPI, SWAP, OSGi y MHP entre otros, quienes
impulsan el desarrollo de estas soluciones aventuran que el mercado en
los países avanzados dará buenos dividendos hacia el 2008.
Para la domotización masiva, sin embargo, resta esperar por una baja en
los costos de la inversión. Los costos de inversión según, la Asociación
Nacional de Constructores (NAHB) la cual alienta el proyecto SmartHouse,
equivale al 2% del valor total de la casa. Algunos especialistas en la
materia prefieren no adelantar cifras, porque dicen que el sistema puede
hacerse a la medida de cada necesidad o construirse de manera modular
y agregar funciones gradualmente.
3.6 Power Line Carrier (PLC)
Después de un siglo de uso, parece ser que los cables eléctricos que en
principio sólo servían para transmitir energía, son capaces de brindar
nuevos servicios en el área de telecomunicaciones como: Internet,
telefonía, videoconferencia, vídeo, seguridad, control de contadores
eléctricos, domótica y teleasistencia entre otros. Es así como el cable para
energización cumple ahora una función adicional, muy distinta a la que
2 SANDOVAL, Juan. Domótica, Mexico, Ed. Paraninfo
fue creado, siendo objeto de varias investigaciones y aplicaciones que han
descubierto su capacidad para transmitir datos a baja y alta velocidad.
La primera aplicación que utilizó la tecnología portadora por línea de
potencia PLC fue en los mensajes de control, éstos mensajes usaban un
método de control llamado “Ripple”; proceso que se caracteriza por la
utilización de muy bajas frecuencias en el orden de 100Hz a 900Hz,
generando una baja tasa de transmisión de bits y una gran demanda de
energía en el transmisor de 10KW, éste método inserta tonos de audio
frecuencia superpuestos sobre la señal de voltaje para transmitir
instrucciones de On y Off (encendido y apagado). El principal
inconveniente en este método, es que la modulación de estas señales
requería equipos altamente costosos y necesitaba de un constante y
costoso mantenimiento. Ripple control y todos sus sucesores han sido
utilizados sobre redes en Europa por muchos años.
Para solucionar algunos inconvenientes de los métodos de control
tradicionales, a mediados de los 80 en Europa y en Estados unidos, se
realizaron experimentos en más altas frecuencias, que permitieron
analizar las propiedades y características de los cables eléctricos como
medios de transporte de información. Frecuencias en el rango de 5Khz a
500Khz fueron utilizadas para medir los valores de la relación señal a
ruido y atenuación de la señal a lo largo del cable.
Ya a finales de la década algunas compañías eléctricas utilizaban la
tecnología PLC para obtener datos de consumo y facturación; sin
embargo, los equipos presentaban varios inconvenientes que limitaban su
desempeño: en primer lugar los equipos eran muy lentos, trabajaban con
tasas de transmisión iguales o inferiores a 9600 bits por segundo, por
otro lado, funcionaban unidireccionalmente, transmitiendo datos de
cargas en las líneas de potencia hacia las compañías. Es así como las
empresas transportadoras de energía llevan mucho tiempo usando sus
propias redes, para transmisión de datos a nivel interno y para el control
y monitoreo de dispositivos a grandes distancias.
Todo este gran desarrollo en la industria de control de las empresas
eléctricas generaron cambios significativos en la implementación de
estándares y comercialización en el mercado eléctrico, y es cuando en
1897 fue patentado en Reino Unido el primer modelo de señalización por
línea de potencia, en 1905 algunas aplicaciones comerciales fueron
patentadas en Estados unidos y en 1913 la primera producción comercial
de medidores y repetidor es electromecánicos se llevo a cabo.
La idea de utilizar líneas de energía como medio de transporte de
información tuvo su gran desarrollo en 1920, cuando los cables de alto
voltaje fueron considerados como una posible alternativa para instalar
pruebas piloto especialmente en áreas remotas, donde las distancias
fueran superiores a cientos de kilómetros. La necesidad para el monitoreo
y control remoto de las redes pudieron ser el motivo que impulso el
desarrollo de esta tecnología sobre la red eléctrica.
En 1936 los laboratorios BELL comenzaron a investigar la posibilidad de
utilizar las líneas de potencia como medio de transmisión de servicio
telefónico en áreas rurales y apartadas, para los anteriores experimentos
se trabajaron frecuencias en el rango de 150Khz a 455Khz; ya que
frecuencias por debajo de este rango presentaban grandes problemas de
acople y frecuencias mayores, generaban alta atenuación e interferencias
con emisoras que limitaban su desempeño. Ya en 1946 el laboratorio
BELL desarrolló un sistema telefónico a través de la red eléctrica conocido
como el M1 Carrier telephone system el cuál fue fabricado por la
compañía Western Electric.
La compañía eléctrica norteamericana Wisconsin en la década de los 70,
investigo la posibilidad de utilizar la portadora por línea de potencia sobre
sus líneas de distribución para implementar un control de carga del
sistema eléctrico. El sistema fue desarrollado no solo para lectura remota
de medidores de luz sino también para medidores de agua y gas.
Los avances en la tecnología PLC en Europa y Estados Unidos permiten
hoy en día mayores velocidades y comunicaciones de mayor ancho de
banda sobre líneas de bajo y medio voltaje. A finales de los 80 la
electrificadora más grande de Italia ENEL y el grupo IRI –STE T
desarrollaron una técnica para optimizar el uso de los recursos
disponibles para generar corriente eléctrica y controlar el consumo final
del usuario.
Todos los datos anteriormente mostrados llevan a la conclusión que
desde hace mucho tiempo se ha utilizado el cable eléctrico para el
transporte de señales de datos. Se hicieron muchos experimentos e
intentos pero sin mucho éxito en países como Alemania o Reino Unido, sin
embargo, algunas empresas habían fijados sus intereses en la
investigación de PLC como el caso de la compañía eléctrica israelí Nisko,
desarrolladora del protocolo NISCOM de PLC. Otras empresas también se
han puesto a la cabeza de la lucha por el mercado, como son las
alemanas RWE y Polytrax y la japonesa Hitachi.
Todos estos precursores del PLC creen tener buenas condiciones para
conseguir un buen lugar en el mercado, pero antes deberán terminar de
resolver algunos problemas técnicos intrínsecos de ésta tecnología,
como son las interferencias electromagnéticas y el ruido eléctrico de la
red, evitando que éstos afecten la llegada de los datos en perfecto estado
a los receptores.
En 1988 la compañía NORWEB comenzó a investigar la posibilidad de
utilizar frecuencias mayores de 1Mhz sobre la red de bajo voltaje, debido
a los grandes avances y pruebas exitosas, pudo montar la primera red de
demostración en Manchester basada en tecnología CT2. Posteriormente
en conjunto con la compañía NORTEL fijaron y desarrollaron un servicio
de Internet de alta velocidad usando frecuencias mayores de 1 Mhz sobre
la red eléctrica pero fue abandonado en 1999 ante la presencia de
muchos inconvenientes.
Es entonces cuando el precursor de la tecnología PLC en Reino unido, el
ingeniero británico Paul Brown de 51 años desarrolló un sistema para
transmitir voz y datos a través de la red eléctrica en la empresa Norweb
Communications, obteniendo un resultado muy interesante al poder
eliminar el principal problema de esta tecnología, el ruido eléctrico que se
generaba con la conexión o desconexión de los distintos equipos y
electrodomésticos instalados a la red eléctrica.
La solución encontrada por Brown a este problema, consiste en utilizar
varias frecuencias, enviando pequeños paquetes de información a través
de cada una de ellas, para luego volver a integrarlos, previa corrección de
errores. Este sistema es similar al de los paquetes TCP/IP de Internet, y
de hecho también puede servir para conectarse a la Web.
En Estados Unidos, donde esta tecnología tiene las siglas BPL (Broadband
Over Power Line), la Comisión Federal de Comunicaciones acaba de
aprobar las normas que deben cumplir las empresas eléctricas que
quieran iniciar su despliegue.
En el mundo moderno con el desarrollo de la domótica y los edificios
inteligentes, la tecnología PLC puede proveer un medio de comunicación
entre los dispositivos existentes en el hogar con sensores, alarmas e
interruptores e implementando la tecnología PLC en un sistema
residencial de bajo voltaje. La tecnología utilizada en Power Line
Communication posibilita la transmisión de información a través de los
cables eléctricos de baja tensión que llegan a los hogares, convirtiendo
cualquier enchufe de la casa en una conexión a todos los servicios de
telecomunicación.
Tras varios años de investigación, desarrollo y solución de algunos
inconvenientes propios de PLC, esta tecnología salta ahora al mercado
real de las telecomunicaciones como una solución de última milla, donde
deberá competir con tecnologías utilizadas para el acceso a Internet como
ADSL, cable e inalámbrica entre otras, ya sólo queda en manos del
usuario final escoger la solución más adecuada basándose en parámetros
como velocidad, costos, comodidad y ancho de banda requerido.
La implementación de PLC se está desarrollando en forma lenta debido a
que se encuentra en una fase de prueba, y no se ha establecido un
estándar ni un manual de usuario general. Todas las expectativas de
implementación global se esperan que comiencen a funcionar en pocos
años. El desarrollo e investigación de pruebas piloto en diferentes países
traerá como resultado el mejoramiento y corrección de algunos detalles
técnicos que han estancado la utilización de la tecnología PLC en el
mundo.
3.6.1 Normatividad PLC
Como PLC es una tecnología emergente a nivel mundial, en Colombia
todavía no existe una normatividad propia sobre su legislación, por tal
razón adopta las siguientes leyes Internacionales relacionadas con ésta
nueva tecnología.
Los organismos y entidades reguladoras (FCC en Norteamérica y CENELEC
en Europa) han desarrollado diferentes restricciones al uso de la red
eléctrica como medio físico para el envío de datos en el área de
telecomunicaciones, limitando así el ancho de banda disponible para tales
fines. Diferentes instituciones como la IEEE, el ETSI y la ARRL han
planteado ventajas y desventajas a tener en cuenta, en relación al envió
de diversos tipos de datos utilizando las redes eléctricas, motivando así,
una discusión mundial sobre el adecuado uso de frecuencias, protocolos,
niveles de tensión, tipos de codificación y modulación utilizados para el
intercambio de información en sistemas PLC.
La ARRL (American Radio Relay League), asociación americana de
radioafición, afirma que las diferentes emisiones de potencia presentes a
través del envío de datos por las líneas eléctricas, están presentando altos
niveles de interferencia para los radioaficionados, especialmente aquellos
que trabajan en la banda de HF. La asociación afirma que los hilos
conductores de las redes eléctricas se comportan como antenas,
permitiendo así, la transmisión de esas señales, no sólo por la red
eléctrica, sino también a través del espectro electromagnético,
especialmente en la banda de HF.
Es así como el IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) y la
FCC (Federal Communications Comisión) se pronunciaron al respecto y
emitieron las siguientes directrices:
� Contemplar bajos niveles de potencia para las transmisiones PLC y
utilizar diferentes esquemas de modulación y codificación que
permitan disminuir el nivel de ruido e interferencia que se presenta
en estas bandas.
� El incremento de los niveles de potencia en sistemas PLC es
utilizado para expandir mucho más la señal de información con el
objetivo de llegar a lugares más alejados con QoS (Quality of
Service) eficiente. Debido a lo anterior, si se requiere llegar a
lugares mas alejados, se propone utilizar enlaces con otras
tecnologías, por ejemplo, enlaces PLC con Wi-Fi.
� A los radioaficionados, por su parte, les proponen orientar sus
antenas hacia otros lugares con el fin de minimizar al máximo los
niveles de interferencia generados por la emisión de estas señales.
Todas las tecnologías de comunicación de PLC de Banda Angosta trabajan
en las llamadas bandas CENELEC en concordancia con el estándar EN.
Esta norma brinda las regulaciones sobre parámetros importantes, tales
como el rango de frecuencia, los niveles de señal, la potencia de
transmisión, etc., permitiendo que los sistemas de PLC operen en la
banda de frecuencia de 3 a 148.5 khz. Se toma este rango para evitar
interferir con otros sistemas que trabajan a frecuencias más bajas y de
interferir con las señales de radio de onda larga (LW) y media onda (MW),
dejando esto el límite de frecuencia superior.
La asignación de las bandas de frecuencias EN 50065-B-C-D están
realizadas para las Redes PLC que conectan directamente a los clientes de
baja tensión (LV). Para los sistemas de comunicación que trabajan en
líneas de energía de media tensión (1 KV a 36 KV), las asignaciones antes
indicadas, quedan sin sentido debido a que no están conectados a
sistemas residenciales. Por lo tanto los sistemas de PLC de media tensión
están permitidos para trabajar en todas las bandas conforme a EN 50065.
A continuación, se presentan las categorías de las distintas bandas de
frecuencia mencionadas anteriormente:
El rango de frecuencias de la Banda A está comprendido desde los 9 a 95
Khz., asignado para empresas de servicios eléctricos. No hay necesidad
de utilizar protocolo de acceso al medio cuando se opera en esta banda.
El rango de frecuencias restante, comprende a las bandas de frecuencias
B, C y D, las cuales están reservadas para aplicaciones del usuario final.
Estas tres bandas difieren principalmente en las regulaciones de los
protocolos de cada una de ellas.
La Banda B se encuentra en el rango de 95 a 125 Khz. y no requiere el
uso de protocolos de acceso al medio para el establecimiento de las
comunicaciones. Por lo tanto es posible que dos sistemas transmitan
simultáneamente sobre la banda B, y en consecuencia de ello, puede
producirse una colisión de mensajes. Esta banda está diseñada para
usarse en aplicaciones tales como intercomunicadores.
La Banda C está clasificada en el rango de frecuencia comprendido entre
los 125 a 140 Khz. y requiere de un protocolo de acceso al medio, para
ser usados por los dispositivos de transmisión. Este protocolo apunta a
que la transmisión simultánea de mensajes sea altamente improbable. En
consecuencia pueden existir varios sistemas de transmisión, pero
solamente uno puede transmitir en cualquier momento. Las aplicaciones
de los dispositivos que operan en esta banda incluyen las comunicaciones
internas entre computadores de un edificio.
La Banda D comprende las frecuencias de 140 a 148.5 Khz., tiene
características similares a la banda A, en que no requiere protocolo de
acceso al medio y por ende es factible la colisión de mensajes.
Hay diferentes reglas en USA y Japón. Estos países tienen el límite
superior de frecuencia para los sistemas PLC alrededor de 500 KHz. Esto
es, porque ellos no usan sistemas de radio de onda larga. La mayoría de
los sistemas de PLC de gran velocidad, que trabajan en las bandas
CENELEC, con una tasa de datos de hasta 1 Mbps, son diseñados para
trabajar en el mercado de USA y Japón.
Finalmente, la Norma EN50065 especifica ciertas condiciones, como los
protocolos de comunicación, las especificaciones de los filtros para
eliminar la portadora, para evitar la atenuación excesiva de la señal
debido a los múltiples dispositivos PLC de baja impedancia en una Red y
también brinda información sobre la impedancia de los equipos de
comunicaciones.
La IEEE elaboró la norma IEEE P1675, cuya conclusión finalizó en el
segundo semestre del 2006, y que provee a las empresas de servicios
eléctricos de un estándar comprensivo para instalar hardware sobre líneas
de distribución - aéreas y subterráneas - para proveer infraestructura
para sistemas de banda ancha (BPL, broadband-over-power-line).
También incluirá los requisitos de instalación para la protección de
quienes trabajan sobre equipamiento de BPL y para garantizar que dichos
sistemas no representen un riesgo para la seguridad pública.
Por otra parte, la ETSI también se encuentra desarrollando estándares y
especificaciones para cubrir la provisión de servicios de voz y datos sobre
redes de transporte y distribución de energía y/o cableado eléctrico
interior. Los estándares se desarrollarán con el detalle suficiente para
permitir la interoperabilidad de equipos de diferentes fabricantes y la
coexistencia de múltiples sistemas dentro de un mismo entorno. En
particular, los estudios contemplan los requerimientos técnicos para evitar
interferencias con usuarios del espectro radioeléctrico.
3.7 LAS COMUNICACIONES SERIALES
La comunicación serial, como su nombre lo indica, realiza la transferencia
de información enviando o recibiendo datos descompuestos en bits, los
cuales viajan secuencialmente uno tras otro. En la comunicación paralela,
los datos pueden ser transferidos en paquetes de 8, 16, 32 o más bits en
forma simultánea, utilizando un cable para cada bit.
Las principales diferencias entre estos modos de comunicación son la
velocidad y la cantidad de cables necesarios. La transferencia de datos en
forma paralela es rápida pero usa muchas líneas conductoras y la
transferencia serial es lenta pero utiliza menor número de cables.
Adicionalmente, la comunicación en paralelo permite menor distancia
entre los equipos a comunicar que la comunicación serial.
La comunicación serial está compuesta principalmente de dos elementos
básicos, el hardware, que hace referencia a la configuración de los
conectores y niveles de voltaje, y el software, con el que se controla la
información binaria que se quiere transferir. Todo esto está regido por
normas o protocolos donde el utilizado por las computadoras
convencionales es el Protocolo RS-232.
La EIA (Electronics Industry Association) ha desarrollado estándares para
RS485, RS422, RS232 y RS423, que tratan con comunicaciones de datos.
Estos estándares previamente se les reconocían como "RS" para indicar que
eran los estándares recomendados, en la actualidad se les denomina
estándares EIA.
3.7.1 El protocolo RS-232.
A nivel de software, la configuración principal que se debe dar a una
conexión a través de puertos seriales RS-232 es básicamente la selección
de la velocidad en baudios (1200, 2400, 4800, etc.), la verificación de
datos o paridad (paridad par, paridad impar o sin paridad), los bits de
parada luego de cada dato (1 ó 2), y la cantidad de bits por dato (7 ó 8),
que se utiliza para cada símbolo o carácter enviado.
Todo esto está regido por normas o protocolos donde el utilizado por las
computadoras convencionales es el Protocolo RS-232.
El protocolo RS-232 es una norma o estándar mundial que rige los
parámetros de uno de los modos de comunicación serial.
Distribución de pines del conector DB9
Niveles de tensión en el Protocolo RS-232
Valor Lógico Equivalente en TTL Equivalente en
Protocolo RS-232
1 Lógico 2.5 a 5V -5 a -20V
0 Lógico 0 a 0.8V 5 a 20V
3.7.2 Transmisión de Datos
Para transmitir serial y asincrónicamente, además del dato, se necesita la
generación adicional del bit de arranque ( un “cero” lógico) y los de
parada (un “uno” lógico); el bit de paridad es opcional. Parta recibir
datos, el elemento clave es detectar sobre la línea que recibe los datos, el
bit de arranque, bien sea a través interrupciones, o bien a través de la
lectura frecuente de la línea.
3.7.3 Recepción de datos
Parta recibir datos, se debe detectar sobre la línea que recibe los datos, el
bit de arranque, bien sea a través interrupciones, o bien a través de la
lectura frecuente de la línea. En ambos casos, lo recomendable es que
después de detectado el bit de arranque, la lectura de cada uno de los
bits del realice en la mitad del bit, tal como se puede observar en la
figura.
Diagrama de Flujo: Rutina Transmisión Serial
Diagrama de flujo de la rutina de Recepción serial
Lectura de los bits de datos
Onda correspondiente al valor 85 (01010101) a 2400 baudios
Considerando que:
El tiempo de 1 Bit = sseg µ41610*4162400
1 6==
−
.
3.7.4 Transmisiones en modo Diferencial
Cuando las comunicaciones se realizan a través de largas distancias para
aplicaciones reales el anterior protocolo resulta ineficaz.
Onda correspondiente al valor 85 (01010101) tomada entre los terminales T+ y T- del SN75176 (RS485)
Las transmisiones en modo Diferencial (señales en modo diferencial
balanceadas o equilibradas) ofrecen mayores posibilidades. Las señales
diferenciales pueden ayudar a anular los efectos del offset y señales de
ruido inducido que pueden aparecer como tensiones de modo común en la
red. Los datos a transmitir se codifican y decodifican en forma de voltaje
diferencial entre dos conductores (Si Va - Vb es < -0.2V, corresponde al “0”
lógico. Mientras que si Va - Vb es > +0.2 V, corresponde al “1” lógico). El
rango de voltaje en modo común soportable va de -7 a +12 V.
RS485 (modo diferencial) fue diseñado para grandes distancias (hasta
1200m) y altas velocidades de transmisión (hasta 100 Kbits/s). El estándar
especifica hasta 32 emisores y 32 receptores en un único bus de 2 hilos.
3.7.5 Circuitos Integrados
En aplicaciones que requieren el uso del Protocolo RS-232, se utiliza
convencionalmente el Circuito Integrado MAX232 como un integrado que
permite convertir los niveles RS-232 a niveles TTL.
En el caso en que se requiere el uso del Protocolo RS-485, el circuito
integrado utilizado es el integrado SN75176, que permite la conversión de
niveles TTL a niveles RS-485.
El SN75176, es un integrado fabricado por Texas Instrument, y permite
configurarse como transmisor o como receptor, siendo necesario la
implementación de dos integrados de este tipo, configurados como
transmisor y receptor respectivamente, empleando como medio físico de
transmisión cable UTP sin blindaje (según recomendaciones de la Texas
Instrument); el esquema final de esta interfase se ilustra en la figura .
Interfase de comunicación RS232/485
3.7.6 LA COMUNICACIÓN SERIAL CON EL PC
Como es sabido, la comunicación serial se estará efectuando entre el
microcontrolador y el PC. Las rutinas de transmisión y recepción desde el
microcontrolador ya fueron explicadas anteriormente, ahora analizaremos
las rutinas de transmisión y recepción desde el PC mediante Visual Basic.
Para la utilización de las comunicaciones seriales en Visual Basic se debe
utilizar un control ActiveX llamado MICROSOFT COMM CONTROL, que
permite manipular las comunicaciones seriales desde cualquier puerto
serial existente en el PC y a velocidades deseadas por el usuario.
La explicación de la lógica de transmisión y recepción serial ya fueron
expuestas con anterioridad, por ello solamente se explicará la
implementación de este control y sus respectivas rutinas.
Control para comunicación serial con Visual Basic y sus
propiedades
En la figura anterior se pueden observar las propiedades principales para
la configuración del control activeX y su aspecto físico. El significado de
cada una de ellas es el siguiente:
CommPort : Indica que puerto serial se desea utilizar para la
comunicación. Cuando se asigna el valor 1 corresponde al COMM1 y así
sucesivamente.
Handshaking : Constante de protocolos
Opciones de la propiedad Handshaking
CONSTANTE VALOR DESCRIPCION
Compone 0 Sin Protocolo
ComXonXoff 1 Protocolo XON/XOFF
ComRTS 2 Protocolo RTS/CTS (Petición de envío/preparado para enviar)
InputMode : El tipo de los datos recuperados por la propiedad Input esta
determinado por el valor de esta propiedad, que puede tomar alguno de
los valores siguientes:
Valores posibles de la propiedad InputMode
CONSTANTE VALOR DESCRIPCION
comInputModeText 0 (Predeterminado) Los datos se recuperan como texto
Mediante la propiedad Input
comInputModeBinary 1 Los datos se recuperan como datos binarios mediante
la propiedad Input
RThreshold : Si toma el valor de 0 desactiva la posibilidad de detectar en
que momento se recibe algún dato, si toma el valor de 1 lo activa.
SThreshold : Si toma el valor de 0 desactiva la posibilidad de enviar
algún dato, si toma el valor de 1 lo activa.
Settings : Esta propiedad permite configurar el modo en el cual se
van a enviar los datos serialmente en el siguiente orden:
� Velocidad de transmisión : Puede tomar valores de 1200, 2400,
4800, 9600, 14400 baudios.
� Cantidad de bits de datos : Se pueden considerar dos opciones
ya sean 8 o 9 bits de datos.
� Paridad : Configura si se desea considerar en la transmisión
paridad o no, si lo desea coloca S, de lo contrario N.
� Bits de Parada : Si transmite 8 bits de datos se puede o no
colocar un bit de parada, de lo contrario no se puede por la longitud
del buffer de transmisión.
Considerando lo anterior, al utilizar una transmisión a 2400 baudios, 8
bits de datos, sin paridad y un bit de parada, en la propiedad Settings se
coloca lo siguiente:
Settings = 2400,8,n,1
Rutinas para transmisión y recepción con Visual Basic
A continuación se ilustran las rutinas para la transmisión y recepción
serial con Visual Basic.
RUTINA PARA RECEPCIÓN Private Sub MSComm1_OnComm() ; Ocurrió algún evento Dim DatoMIC as Variant Select Case MSComm1.CommEvent Case comEvReceive ; En caso de ser Recepción DatoMIC = Asc(MSComm1.Input) ; Lea el dato del Buffer End Select End Sub RUTINA PARA TRANSMISIÓN Private Sub Enviar() Dim Dato_a_Enviar as Variant MSComm1.Output=chr(Dato_a_Enviar) ; Envia el dato almacenado End Sub ; en la variable.
3.8 TRANSMISIONES SERIALES SINCRONAS SPI
Otro sistema es el denominado SPI (Serial Peripheral Interface); consiste
fundamentalmente de un sistema de comunicación serie síncrono de alta
velocidad el cual puede ser utilizado simplemente como un puerto
bidireccional facilitando la comunicación entre diferentes dispositivos
electrónicos.
Cuando se desea establecer una comunicación entre dos dispositivos, el
MCU permite seleccionar entre dos modos de funcionamiento: el modo
maestro y el modo esclavo. Cuando se realizan redes de
comunicaciones (entre dos o más dispositivos) solamente está permitido
la existencia de un solo maestro, y los dispositivos restantes
pertenecientes a la red serán configurados como esclavos.
Se debe tener en cuenta que la potencia de la unidad llega al límite al
permitir transmisiones full duplex (en ambos sentidos simultáneamente)
entre un maestro y un esclavo. A partir de aquí, es posible realizar desde
una simple comunicación unidireccional entre el MCU y un periférico hasta
construir enlaces jerárquicos complejos entre MCUs y/o periféricos.
3.8.1 Protocolo utilizado en el módulo SPI
Una de las cosas que se debe tener en cuenta a la hora de establecer una
comunicación es el protocolo de comunicación a utilizar; cuando un
dispositivo Maestro desea enviar un mensaje a uno o varios esclavos debe
proceder a realizar una selección de los mismos, de esta forma, al ser
activado el esclavo, recibe el dato manteniendo el sincronismo gracias a
una señal de reloj conjunta. Suele ocurrir que cuando un esclavo sea
activado con el fin de recibir un dato, este desee enviar una trama de
respuesta al maestro, lo cual será posible mientras su línea de activación
la mantenga el maestro, de modo que si es necesario la transmisión se
efectuará simultáneamente en los dos sentidos (Full Duplex).
Cuando se establece una comunicación entre dispositivos utilizando el
módulo SPI, se pueden presentar cuatro líneas básicas asociadas a la
unidad SPI mediante las cuales es posible establecer los diferentes
enlaces:
MOSI (Master Out, Slave In)
Esta es la línea por donde son enviados los datos desde el dispositivo
maestro hacia los dispositivos esclavos, por tanto será la señal de salida
de datos de la unidad que funcione como maestro y la señal de entrada
de datos para los esclavos.
MISO (Master In, Slave Out)
A través de esta línea son enviados los datos que van desde algún
dispositivo esclavo hacia un dispositivo maestro, de esta forma será una
señal de entrada para el maestro y las respectivas salidas para los
esclavos.
SCK (Serial Clock)
Corresponde a la señal de reloj, la cual permite establecer el proceso de
comunicación y sincronismo entre el dispositivo maestro y el esclavo.
Comunicación de dos dispositivos mediante SPI
SS (Slave Select)
Está línea tiene una funcionalidad muy concreta, en los dispositivos
esclavos permite la activación o no del respectivo dispositivo indicándole
que recibirá información desde un dispositivo maestro. Cuando la unidad
es configurada como dispositivo maestro, puede utilizarse para diferentes
fines que serán descritos posteriormente.
Cada dispositivos esclavo es seleccionado por un nivel lógico bajo (‘0’) a
través de la línea (CS = Chip Select o SS Slave Select ). Los datos son
transferidos en bloques de 8 bits, en donde el bits mas significativo (MSB)
se transmite primero.
Una de las características que presenta éste módulo SPI, es que mediante
software es posible seleccionar la velocidad de transmisión, la polaridad y
la fase de la señal de reloj encargada del sincronismo permitiendo con ello
la compatibilidad con diferentes dispositivos que permiten entrada serie
directa como por ejemplo: puertos, LCD, teclados, conversores A/D, entre
otros.
Otra de las ventajas que ofrece éste módulo consiste en que la
implementación de sistemas de comunicación basados en comunicaciones
seriales síncronas es muy fácil de realizar, complementándose con el
hecho de que es notable el ahorro de líneas de conexión que se genera en
comparación con un puerto estándar, donde es necesario como mínimo el
cableado del bus de datos.
Cuando se desea activar los dispositivos SPI esclavos es necesario
disponer del control sobre las líneas respectivas SS. Para establecer una
comunicación del tipo MCU−MCU o simplemente MCU−periférico, este
control se utiliza de una manera sencilla gracias a que es posible conectar
directamente la línea SS del maestro trabajando como entrada/salida a la
entrada de selección del esclavo; es decir, conectar simplemente las
líneas SS.
Modos del Reloj
Como se había mencionado anteriormente, la transferencia de los datos
son sincronizados por la línea de reloj de este bus en donde un bit es
transferido por cada ciclo de reloj.
La mayoría de las interfaces SPI tienen 2 bits de configuración, llamados
CPOL (Clock Polarity = Polaridad de Reloj) y CPHA (Clock Phase = Reloj
de Fase). CPOL determina el estado o condición de la línea de transmisión
en un momento dado; puede ser que se encuentre en el estado Idle
(Vacía o desocupada) o se encuentre ocupada.
Existen cuatro modos de reloj definidos por el protocolo SPI, estos modos
son :
Modo A
Modo B
Modo C
Modo D
En la siguiente figura se ilustra un ejemplo claro de cómo se deben
conectar las diferentes líneas de comunicación entre los dispositivos que
conforman luna red basados en el módulo SPI, teniendo en cuenta que un
solo dispositivo se encuentra configurado en modo maestro y todos los
demás están configurados como modo esclavo.
En general, se podría decir lo siguiente acerca del modo de comunicación
serial síncrono: Cuando se establece una comunicación entre dos
dispositivos (un dispositivo maestro y un dispositivo esclavo) se utilizan
tres líneas sobre las cuales son transmitidos los paquetes de información
de 8 bits.
Adicionalmente, cada dispositivo conectado al bus puede actuar como
transmisor y receptor al mismo tiempo, por lo que este tipo de
comunicación serial es conocida como comunicación full duplex, en
donde, dos de las tres líneas son las encargadas de transferir la
información de cada uno de los dispositivos (una en cada dirección) y la
tercer línea es la que se encarga de transportar la señal de reloj para
mantener el sincronismo de comunicación entre los dos dispositivos
lográndose con ello una mayor confiabilidad en el proceso de
comunicación a comparación de otros modos de transmisión.
Esquema de conexión SPI
Como se puede observar en la figura, cuando un dato (8 bits) desea ser
transferido desde un dispositivo maestro hacia un dispositivo esclavo,
éste inicializa su transferencia tomando como punto de partida el bit más
significativo, comenzando la transferencia de datos a través del pin MOSI;
a su vez, el dispositivo esclavo a medida que va recibiendo los bits, los va
desplazando y retornando al dispositivo maestro a través del pin MISO.
Éste desplazamiento va trabajando de la mano con el sincronismo
establecido entre los dos dispositivos utilizando una señal de reloj a
través del pin SPSCK. Adicionalmente, el pin SS es utilizado como pin de
selección de dispositivos esclavos; cuando el dispositivo maestro desea
establecer una comunicación con un dispositivo esclavo, coloca un nivel
lógico “0” a través de éste pin, provocando con ello que el dispositivo que
lo recibe adopte la condición de esclavo y quede a la espera de iniciar la
comunicación.
Conexiones del Sistema SPI
3.9 Bus de Comunicación I2C (Inter – Integrated Circuit)
El Bus I2C es uno de los buses de comunicación más útiles y versátiles
inventados hasta el momento, debido a su poca complejidad a nivel
circuital y su eficiencia en el proceso de comunicación con otros
dispositivos que comparten la misma infraestructura de comunicación,
favoreciendo la creación de redes de sensores y dispositivos de control;
tecnología que actualmente se encuentra en auge en el ámbito industrial.
Philips Semiconductors inventó el bus de dos alambres al cual lo llamó
I2C para comunicación entre Circuitos Integrados en 1980 y desde
entonces, se ha convertido en el bus serial Standard, implementado en un
gran número de circuitos integrados y con licencias otorgadas a mas de
50 compañías con un total de 1000 dispositivos compatibles I2C en el
mercado mundial.
La velocidad de transmisión originalmente especificada para establecer un
proceso de comunicación entre dos o más dispositivos es de 100 kbits/s
en donde el objetivo inicial era realizar transmisión de señales para
control simple y monitoreo de variables que no requieran supervisión
constante, brindando con ello un bajo costo de implementación, facilidad
de instalación y configuración y versatilidad técnica asegurando de ésta
manera un crecimiento y aceptación dentro de los estándares
popularmente utilizados.
El bus serial I2C ha sido extendido para soportar velocidades de hasta 3.4
Mbits/s, combinado con una función de desplazamiento del nivel de
voltaje, en modo High-speed (Hs-mode) ofreciendo una solución ideal
para los sistemas que utilizan diferentes estándares de comunicación,
donde las altas velocidades y la variedad de voltajes (5V, 3 V o menor)
son comúnmente utilizados.
El nuevo modo de configuración I2C (Hs) es compatible con todos los
sistemas existentes del bus I2C, incluyendo el estándar original (S-mode)
y el modo Fast (F-mode), actualización introducida al mercado en 1992,
alcanzando velocidades de transmisión de hasta 400 kbits/s. Para
desarrollar aplicaciones que integren los diferentes modos I2C pueden ser
conectados de manera simultánea fácilmente; así como en sistemas de
redes de computadores, hay equipos que funcionan a velocidades de
10Mbps (Ethernet), los cuales son conectados a dispositivos
concentradores que pueden manejar velocidades superiores de hasta
100Mbps (Fast Ethernet) y éstos a su vez pueden ser conectados a
dispositivos concentradores con una mayor velocidad (Gigabit- Ethernet),
debido a que deben soportar un mayor tráfico, así sucede con las redes
utilizando el bus I2C, en donde los equipos con menor velocidad utilizarán
en modo (S-mode o Standard Mode), éstos son concentrados por
dispositivos que manejen una mayor velocidad (F-mode o Fast Mode) y
finalmente éstos últimos concentrados mediante dispositivos que utilicen
el modo (Hs-mode o High Speed Mode ) .
Philips fue el inventor del bus Inter-IC o I2C hace más de 20 años, y
actualmente debido al éxito obtenido por éste protocolo de comunicación
se encuentra firmemente establecido como la solución mundial para
aplicaciones integradas. Debido a esto, se ha incluido un módulo de
comunicación I2C en una gran variedad de microcontroladores facilitando
con ello la creación de aplicaciones de telecomunicaciones, control,
diagnóstico, monitoreo y administración de señales en diferentes campos
como son el industrial, el médico y las telecomunicaciones.
El bus I2C, es un estándar que facilita la comunicación entre
microcontroladores, memorias y otros dispositivos con cierto nivel de
"inteligencia", requiriendo sólo dos líneas para manejo de señales (datos y
sincronismo) y una tercera línea como nivel de referencia o tierra. La
metodología de comunicación de datos del bus I2C es en serie y
sincrónica. Una de las señales del bus marca el tiempo (pulsos de reloj) y
la otra se utiliza para intercambiar datos.
3.9.1 Especificaciones I2C
Tal como se mencionó anteriormente, actualmente éste poderoso
estándar está orientado a las aplicaciones de 8-bits, en donde
básicamente los criterios que se deben establecer son los siguientes:
� Un sistema consiste en al menos un microcontrolador y varios
sistemas periféricos como memorias, conversores A/D, relojes de
tiempo real entre otros dispositivos que utilicen el bus I2C como
protocolo de comunicación.
� El costo de conexión entre los diferentes dispositivos dentro del
sistema debe de ser el mínimo.
� El sistema que utilice este bus no requerirá de una alta tasa de
transferencia de información.
� La eficiencia del sistema dependerá de la correcta selección,
manipulación e interconexión de los diferentes dispositivos en la
estructura del bus.
3.9.2 Conceptos Generales del bus I2C
El bus I2C soporta cualquier tipo de componente (NMOS, CMOS, bipolar,
etc.); está constituido por dos hilos físicos uno de datos (SDA) y otro de
reloj (SCL) utilizado para el sincronismo, debido a que como se mencionó
anteriormente la comunicación es serial sincrónica, transportando la
información entre los diferentes dispositivos que se encuentran
conectados al bus de comunicación.
En conclusión, en éste bus se pueden encontrar las siguientes señales:
� SDA (System Data) por la cual viajan los datos entre los
dispositivos.
� SCL (System Clock) por la cual transitan los pulsos de reloj que
sincronizan el sistema.
� GND (Nivel de Referencia o Tierra) Interconectada entre todos
los dispositivos "conectados" al bus, es decir, comparten la misma
tierra o nivel de referencia.
Las líneas SDA y SCL son del tipo drenador abierto, es decir, un estado
similar al de colector abierto, pero asociadas a un transistor de efecto de
campo (o FET). Se deben polarizar en estado alto (conectándose a la
alimentación por medio de resistores "pull-up") lo que define una
estructura de bus que permite conectar en paralelo múltiples entradas y
salidas. Tanto la línea de datos (SDA) como la Señal de Reloj (SCL) son
bidireccionales.
Conexión de dispositivos al bus I2C
El diagrama anterior ilustra de una manera muy clara la forma de
conexión de los dispositivos que conforman la red y forma de polarización
de las líneas de comunicación. Cuando ningún dispositivo se encuentra
transmitiendo, las dos líneas del bus están en un nivel lógico alto
indicando un estado inactivo, de lo contrario tomarán los valores
respectivos en un momento dado de comunicación.
En principio, el número de dispositivos que se puede conectar al bus no
tiene límites, aunque hay que tener en cuenta que la Capacitancia
máxima sumada de todos los dispositivos no supere los 400 pF. El valor
de las resistencias de polarización no es muy crítico, y puede ir desde
1.8k (1.800 ohms) a 47K (47.000 ohms).
Cuando se utiliza un valor pequeño de resistencia se incrementa el
consumo de los integrados pero disminuye la sensibilidad al ruido y
mejora el tiempo de los flancos de subida y bajada de las señales; por
ésta razón los valores recomendados más comunes en polarización de las
líneas de comunicación (SDA y SCL) son entre 1.8K y 10K. Se debe tener
en cuenta que el valor máximo permitido a nivel de tensión para
representar un “0” lógico será de 1.5V y el valor mínimo permitido a nivel
de tensión para representar un “1” lógico será de 3.0 V, valores que serán
válidos en ambas líneas de comunicación (SDA y SCL).
Cada dispositivo es reconocido por una única dirección (si es un
microcontrolador, LCD, memoria o teclado) y puede operar cualquiera
como transmisor o emisor de datos, dependiendo de la función del
dispositivo. Un display es solo un receptor de datos mientras que una
memoria recibe y transmite datos. En función de que el dispositivo envíe
o reciba datos se debe considerar los dispositivos como Maestros (Master)
o esclavos (Slaves). A continuación se describe la terminología utilizada
en las diferentes configuraciones de dispositivos según su condición en la
red I2C.
Terminología básica del Bus I2C
Términos Descripción
Transmisor El dispositivo que envía datos al Bus
Receptor El dispositivo que recibe datos desde el Bus
Master
(Maestro)
El dispositivo que inicia una transferencia, genera las
señales del reloj y termina un envío de datos
Slave (Esclavo) El dispositivo direccionado por un master
Multi-Master
Mas de un master puede controlar el bus al mismo tiempo
sin corrupción de los mensajes
Arbitraje
Procedimiento que asegura que si uno o mas master
simultáneamente deciden controlar el Bus solo uno es
permitido a controlarlo y el mensaje saliente no es
deteriorado
Sincronización
Procedimiento para sincronizar las señales del reloj de dos o
mas dispositivos
3.9.3 Generalidades
Los Master son generalmente dispositivos basados en
Microcontroladores, por lo que un microcontrolador puede ser unas veces
Master y otras Slave. La posibilidad de conectar mas de un dispositivo al
Bus significa que uno o más microcontroladores pueden iniciar el envío de
datos al mismo tiempo. Para prevenir el caos que esto ocasionaría se ha
desarrollado un sistema de arbitraje.
Si uno o mas dispositivos con configuración “Master” intentan colocar
información en el bus, es la señal del reloj si esta "1" o "0" lo que
determina los derechos de arbitraje.
La generación de señales de reloj (SCL) es siempre responsabilidad de los
dispositivos Master, cada Master genera su propia señal de reloj cuando
envía datos al bus, las señales de reloj de un master solo pueden ser
alteradas cuando la línea de reloj sufre una caída por un dispositivo
esclavo o por el dominio del control del Bus por el arbitraje de otro
microcontrolador.
Se debe tener en cuenta que todos los dispositivos conectados al bus
deben ser de colector abierto o drenaje abierto y que durante el tiempo
en que no hay transferencia de datos (tiempo inactivo), tanto la línea del
reloj (SCL) como la línea de datos (SDA) tomarán un valor de un “1”
lógico o +5V a través de resistencias externas pull-up conectadas a ellas;
y que la única limitación en la conexión de dispositivos al bus depende de
la capacitancia máxima que no puede superar los 400 pF.
A continuación se ilustran los tipos de transferencia de datos que se
pueden presentar en el bus I2C dependiendo del modo de configuración:
� Modo Estándar aproximadamente a 100 kBits/Sg.
� Modo Rápido aproximadamente a 400kbits/Sg.
� Modo Alta velocidad mas de 3,4 Mbits/Sg.
Anteriormente se mencionó la terminología utilizada en cuanto a la
configuración de los dispositivos en un momento dado dentro de la red
I2C; a continuación se presenta la terminología según los estados de
comunicación propiamente dichos; las definiciones o términos utilizados
en relación con las funciones del bus I2C son las siguientes:
Maestro (Master): Dispositivo que determina la temporización y la
dirección del tráfico de datos en el bus. Es el único que aplica los pulsos
de reloj en la línea SCL. Cuando se conectan varios dispositivos maestros
a un mismo bus la configuración obtenida se denomina "multi-maestro".
Esclavo (Slave): Cualquier dispositivo conectado al bus incapaz de
generar pulsos de reloj. Reciben señales de comando y de reloj
proveniente del dispositivo maestro.
Bus Desocupado (Bus Free): Estado en el cual ambas líneas (SDA y
SCL) están inactivas, presentando un estado lógico alto. Únicamente en
este momento es cuando un dispositivo maestro puede comenzar a hacer
uso del bus.
Comienzo (Start): Sucede cuando un dispositivo maestro hace
ocupación del bus, generando esta condición. La línea de datos (SDA)
toma un estado bajo mientras que la línea de reloj (SCL) permanece alta.
Parada (Stop): Un dispositivo maestro puede generar esta condición
dejando libre el bus. La línea de datos toma un estado lógico alto
mientras que la de reloj permanece también en ese estado.
Dato Válido (Valid Data): Sucede cuando un dato presente en la línea
SDA es estable mientras la línea SCL está a nivel lógico alto.
Formato de Datos (Data Format): La transmisión de datos a través de
este bus consta de 8 bits de datos (ó 1 byte). A cada byte le sigue un
noveno pulso de reloj durante el cual el dispositivo receptor del byte debe
generar un pulso de reconocimiento, conocido como ACK (del inglés
Acknowledge). Esto se logra situando la línea de datos a un nivel lógico
bajo mientras transcurre el noveno pulso de reloj.
Dirección (Address): Cada dispositivo diseñado para funcionar en este
bus dispone de su propia y única dirección de acceso, que viene pre-
establecida por el fabricante. Hay dispositivos que permiten establecer
externamente parte de la dirección de acceso. Esto permite que una serie
del mismo tipo de dispositivos se puedan conectar en un mismo bus sin
problemas de identificación. La dirección 00 es la denominada "de
acceso general", por la cual responden todos los dispositivos conectados
al bus, tal como ocurre en el caso de las redes de computadores, donde la
dirección con la cual todos los dispositivos conectados reciben la misma
información se denomina Broadcast.
Lectura/Escritura (Bit R/W): Cada dispositivo dispone de una
dirección de 7 bits. El octavo bit (el menos significativo ó LSB) enviado
durante la operación de direccionamiento corresponde al bit que indica el
tipo de operación a realizar. Si este bit es alto el dispositivo maestro lee
información proveniente de un dispositivo esclavo. En cambio, si este bit
fuese bajo el dispositivo maestro escribe información en un dispositivo
esclavo.
3.9.4 Protocolo de comunicación del bus I2C
Cuando se tiene una red constituida por varios dispositivos conectados
sobre el bus I2C, es lógico que para establecer una comunicación a través
de él se deba respetar un protocolo o lenguaje de comunicación. A
continuación se describen los pasos a seguir para establecer una
comunicación entre dos o más dispositivos existentes en una red I2C:
En primer lugar, existen dispositivos maestros y dispositivos esclavos.
Se debe tener muy claro que sólo los dispositivos maestros pueden iniciar
una comunicación.
La condición inicial, de bus libre, es cuando ambas señales están en
estado lógico alto. En este estado cualquier dispositivo maestro puede
ocuparlo, estableciendo la condición de inicio (start). Esta condición se
presenta cuando un dispositivo maestro pone en estado bajo la línea de
datos (SDA), pero dejando en alto la línea de reloj (SCL).
Para establecer una comunicación entre un dispositivo Maestro y uno
Esclavo, el dispositivo Maestro transmite un primer byte luego de la
condición de inicio, éste byte contiene siete bits que componen la
dirección del dispositivo que se desea seleccionar para entabla la
comunicación, y un octavo bit que corresponde a la operación que se
quiere realizar con él (lectura o escritura).
Si al enviar éste primer byte y el dispositivo cuya dirección corresponde a
la que se indica en los siete bits (A0-A6) está presente en el bus, éste
contesta con un bit en bajo por la misma línea de datos (SDA), ubicado
inmediatamente luego del octavo bit que ha enviado el dispositivo
maestro.
Este bit se conoce como bit de reconocimiento (ACK) en bajo le indica al
dispositivo maestro que el esclavo reconoce la solicitud y está en
condiciones de comunicarse. Aquí la comunicación se establece en firme y
comienza el intercambio de información entre los dispositivos.
Si el bit de lectura/escritura (R/W) fue puesto en esta comunicación a
nivel lógico bajo (escritura), el dispositivo maestro envía datos al
dispositivo esclavo. Esto se mantiene mientras continúe recibiendo
señales de reconocimiento, y el contacto concluye cuando se hayan
transmitido todos los datos.
En el caso contrario, cuando el bit de lectura/escritura estaba a nivel
lógico alto (lectura), el dispositivo maestro genera pulsos de reloj para
que el dispositivo esclavo pueda enviar los datos. Luego de cada byte
recibido el dispositivo maestro (quien está recibiendo los datos) genera un
pulso de reconocimiento.
El dispositivo maestro puede dejar libre el bus generando una condición
de parada (o detención; stop en inglés).
Si se desea seguir transmitiendo, el dispositivo maestro puede generar
otra condición de inicio en lugar de una condición de parada. Esta nueva
condición de inicio se denomina "inicio reiterado" y se puede emplear
para direccionar un dispositivo esclavo diferente o para alterar el estado
del bit de lectura/escritura.
En resumen, se podría decir que cuando el dispositivo maestro quiere
comunicarse con un esclavo, produce una secuencia de inicio en el bus. La
secuencia de inicio es una de las dos secuencias especiales que se han
definido anteriormente en el bus I2C; la otra es la secuencia de parada.
Las secuencias de inicio y la de parada son especiales porque son los dos
únicos casos en que se permite que la línea de datos (SDA) cambie
cuando la línea de reloj (SCL) está alta.
Se debe tener muy claro que cuando se están transmitiendo datos, la
línea SDA debe permanecer estable, y jamás cambiar, mientras la línea
SCL está alta. Las secuencias de inicio y de parada señalan el comienzo y
el final de una transacción con los dispositivos esclavos.
Los datos se transfieren en secuencias de 8 bits. Estos bits se colocan en
la línea SDA comenzando por el bit de más peso (o más significativo).
Una vez puesto un bit en SDA, se lleva la línea SCL a alto. Se debe
recordar que el dispositivo Maestro no puede llevar la línea a un estado
alto, en realidad, lo que hace es "liberar la línea", y el que se encarga de
establecer un nivel alto en la línea es la resistencia de Pull-Up. Por cada 8
bits que se transfieren, el dispositivo que recibe el dato envía de regreso
un bit de reconocimiento, de modo que en realidad por cada byte de
información enviada se producen 9 pulsos sobre la línea SCL (es decir, 9
pulsos de reloj por cada 8 bits de datos). Si el dispositivo que recibe envía
un bit de reconocimiento bajo, indica que ha recibido el dato y que está
listo para aceptar otro byte, por el contrario, si retorna un nivel alto, lo
que indica es que el dispositivo esclavo no puede recibir más datos y el
dispositivo maestro deberá terminar la transferencia enviando una
secuencia de parada.
Lo más común en los dispositivos para el bus I2C es que utilicen
direcciones de 7 bits, aunque existen dispositivos de 10 bits. Este último
caso es raro. Una dirección de 7 bits implica que se pueden colocar hasta
128 dispositivos sobre un bus I2C, ya que un número de 7 bits puede ir
desde 0 a 127.
El direccionamiento de 10 bits permite usar hasta 1024 direcciones; ésto
no cambia el formato de direcciones definido en la especificación del bus
I2C, usando direcciones reservadas en la especificación existente. El
direccionamiento a 10-bit no afecta el direccionamiento existente de 7
bits, permitiendo que los dispositivos con direcciones de 7 ó 10 bits
puedan ser conectados al mismo bus I2C, y ambos tipos de dispositivos
pueden ser usados en sistemas con modos Standard, Fast o High-speed.
Cuando se envían las direcciones de 7 bit, de cualquier modo la
transmisión es de 8 bits. El bit extra se utiliza para informarle al
dispositivo esclavo si el dispositivo maestro va a escribir o va a leer datos
desde él. Si el bit de lectura/escritura (R/W) es cero, el dispositivo
maestro está escribiendo en el esclavo. Si el bit es 1 el maestro está
leyendo desde el esclavo. La dirección de 7 bit se coloca en los 7 bist más
significativos del byte y el bit de lectura/escritura es el bit menos
significativo.
El hecho de colocar la dirección de 7 bits en los 7 bits más significativos
del byte produce confusiones entre quienes comienzan a trabajar con este
bus. Si, por ejemplo, se desea escribir en la dirección 27 (hexadecimal),
en realidad se debe enviar un 54, que es un 27 desplazado un bit hacia la
izquierda o posiciones de mas peso. También se pueden tomar las
direcciones del bus I2C como direcciones de 8 bit, en las que las pares
son de sólo escritura y las impares son de sólo lectura. Para dar un
ejemplo, un dispositivo cualquiera que posea fijado en fábrica en la
dirección 0xF0 ($F0). La dirección 0xF0 se utiliza para escribir en él y la
dirección 0xF1 es para leer de él.
3.9.5 Protocolo de programación para el bus I2C
Lo primero que ocurre en un bus I2C es que el dispositivo maestro envía
una secuencia de inicio. Esto alerta a los dispositivos esclavos,
indicándoles que deben estar a la espera de una transacción. Éstos
quedan atentos para ver si se trata de una solicitud para ellos. A
continuación el dispositivo maestro envía la dirección de dispositivo. El
dispositivo esclavo que posee esa dirección continuará con la transacción,
y los otros ignorarán el resto de los intercambios, esperando la próxima
secuencia de inicio.
Cuando se ha establecido comunicación con el dispositivo esclavo de
interés, lo que debe hacer ahora el dispositivo maestro es enviar la
ubicación interna o número de registro desde el que desea leer o al que
va a escribir. La cantidad depende, obviamente, de qué dispositivo es y
de cuántos registros internos posee. Algunos dispositivos muy simples no
tienen ninguno, pero la mayoría sí los poseen. Por ejemplo, si se tiene un
dispositivo que posee 16 ubicaciones internas, éstas estarán enumeradas
desde la posición 0 a la 15.
Cuando el dispositivo maestro ha enviado la dirección del dispositivo en el
bus I2C y la dirección del registro interno del dispositivo, puede comenzar
a enviar los respectivos bytes de datos que desee transmitir; el
dispositivo maestro puede seguir enviando bytes al esclavo, que
normalmente serán almacenados en registros con direcciones sucesivas,
debido a que el esclavo incrementa automáticamente la dirección del
registro interno después de recibir cada byte; cuando el dispositivo
maestro ha terminado de escribir datos en el dispositivo esclavo, envía
una secuencia de parada que concluye la transacción.
El procedimiento para escribir datos en un dispositivo esclavo son
los siguientes:
1. Enviar una secuencia de inicio
2. Enviar la dirección de dispositivo con el bit de lectura/escritura en bajo
3. Enviar el número de registro interno en el que se desea escribir
4. Enviar el byte de dato
5. [Opcionalmente, enviar más bytes de dato]
6. Enviar la secuencia de parada
Ejemplo: Se tiene un dispositivo esclavo que presenta una dirección de
bus establecida de fábrica de 0xF0 y se desea enviarle desde un
dispositivo maestro el valor 0x21 que corresponde a una orden
establecida en su menú interno de funciones, el cual deberá ser
almacenado en el registro ubicado en la dirección interna 0x01. La
secuencia de señalización y transmisión de datos es la siguiente:
1. Enviar una secuencia de inicio
2. Enviar 0xF0 (La dirección de dispositivo esclavo con el bit de
lectura/escritura en bajo)
3. Enviar 0x01 (dirección interna del registro de comando)
4. Enviar 0x21 (Valor a transmitir desde el dispositivo maestro)
5. Enviar la secuencia de parada
En conclusión, la secuencia de transmisión de datos desde un dispositivo
maestro a un dispositivo esclavo será tal como se ilustra en la figura:
Secuencia de Transmisión de datos desde un dispositivo Maestro a
un dispositivo Esclavo
Lectura desde un dispositivo esclavo:
Cuando se desea leer datos desde un dispositivo esclavo, primero se debe
informar desde cuál de sus direcciones internas se va a leer, de manera
que, una lectura desde un dispositivo esclavo en realidad comienza con
una operación de escritura en él; con base en lo anterior, se debe enviar
la secuencia de inicio, la dirección de dispositivo con el bit de
lectura/escritura en bajo y el registro interno desde el que se desea leer,
posteriormente se envía otra secuencia de inicio nuevamente con la
dirección de dispositivo, pero esta vez con el bit de lectura/escritura en
alto, quedando lista la configuración de lectura de bytes desde el
dispositivo esclavo los cuales serán leídos de manera secuencial a partir
de la dirección inicial preestablecida de lectura, culminando el proceso de
lectura con una secuencia de parada.
El procedimiento para leer datos desde un dispositivo esclavo son
los siguientes:
1. Enviar una secuencia de inicio
2. Enviar la dirección de dispositivo con el bit de lectura/escritura en Bajo
3. Enviar el número de registro interno en el que se desea escribir
4. Enviar una secuencia de inicio (inicio reiterado)
5. Enviar la dirección de dispositivo con el bit de lectura/escritura en Alto
6. Leer el byte de dato
5. [Opcionalmente, leer más bytes de dato]
6. Enviar la secuencia de parada
Ejemplo: Se tiene un dispositivo esclavo que presenta una dirección de
bus establecida de fábrica de 0xF0 y se desea leer desde un dispositivo
esclavo el valor almacenado en el registro ubicado en la dirección interna
0x01. La secuencia de señalización y transmisión de datos es la siguiente:
1. Enviar una secuencia de inicio
2. Enviar 0xF0 (La dirección de dispositivo esclavo con el bit de
lectura/escritura en bajo)
3. Enviar 0x01 (dirección interna del registro a leer)
4. Enviar una secuencia de inicio (inicio reiterado)
5. Enviar 0xF1 (La dirección de dispositivo escalvo con el bit de
lectura/escritura en alto)
6. Leer un byte de dato desde el dispositivo esclavo
7. Enviar la secuencia de parada
La secuencia se verá así:
En conclusión, la secuencia de lectura de datos desde un dispositivo
esclavo será tal como se ilustra en la figura:
Secuencia de lectura de datos desde un dispositivo Esclavo
3.9.6 Comunicaciones Avanzadas utilizando el bus I2C
Hasta el momento se han explicado las formas de establecer una
comunicación sencilla utilizando el bus I2C, sin embargo, esto no siempre
es así debido a que se pueden presentar complicaciones en el proceso de
comunicación con dispositivos que tengan que realizar tareas diferentes a
la de comunicación.
Si un dispositivo maestro está leyendo información desde un dispositivo
esclavo, quien establece los datos en la línea SDA del bus es el dispositivo
esclavo, y el dispositivo maestro es el que controla el pulso de reloj. ¿Qué
sucede si el dispositivo esclavo no está listo para enviar un dato?; con
dispositivos esclavos como una EEPROMs o un conversor A/D esto no
sería problema, pero si el dispositivo esclavo es un microprocesador o un
microcontrolador, el cual tiene otras funciones que realizar, pueden surgir
inconvenientes.
En el caso eventual de que se presente la situación anterior, para atender
la transacción, el dispositivo debe pasar a una rutina de interrupción,
guardar sus registros de trabajo, determinar qué dirección desea leer el
dispositivo maestro, obtener el dato y colocarlo en el registro de
transmisión. Esto puede llevar varios microsegundos, lo que implica que
el dispositivo maestro podría estar enviando pulsos de reloj ciegamente
por la línea SCL sin que el dispositivo esclavo pueda responderle.
Con el fin de solucionar éste inconveniente, el protocolo I2C ofrece una
solución para este problema: el dispositivo esclavo, puede mantener la
línea SCL en bajo; a esto se le llama estiramiento del reloj. Cuando el
dispositivo esclavo recibe el comando de lectura lo primero que hace es
colocar la línea de reloj en bajo, por lo tanto, si se obtiene el dato
solicitado, lo coloca en el registro de transmisión y posteriormente libera
la línea de reloj, que pasará de inmediato a un nivel alto debido a la
resistencia de polarización.
Desde el punto de vista del dispositivo maestro, éste tratará de enviar el
primer pulso de reloj para la lectura de datos liberando la línea SCL la
cual retornará a un estado lógico alto, pero antes de hacerlo, comprobará
que ésta realmente haya ido al nivel lógico 1. Si la línea SCL permanece
en bajo, el dispositivo maestro interpreta que el esclavo la mantiene así y
espera a que SCL retorne a un nivel alto antes de continuar. Por suerte, la
mayoría de los dispositivos que utilizan el bus I2C de los
Microcontroladores manejan esto de manera automática; sin embargo, a
veces el manejo de I2C en el dispositivo maestro no se encuentra
implementado de manera automática, sino que mediante la programación
de subrutinas manejan los estados de las dos líneas de un puerto I2C.
Algunos dispositivos ignoran o no poseen la propiedad del estiramiento
del reloj. Estas soluciones trabajarán bien con dispositivos tales como las
EEPROM, relojes de tiempo real, entre otros, pero no podrán intercambiar
datos correctamente con Microprocesadores y/o Microcontroladores
esclavos que utilizan el estiramiento del pulso de reloj, generando como
resultado transmisiones de información erradas.
Reconocimiento
En toda comunicación que se realice utilizando en bus I2C, el bit de
reconocimiento es obligatorio en la transferencia de datos. El pulso de
reloj correspondiente al bit de reconocimiento (ACK) es generado por el
dispositivo Maestro, desbloqueando el transmisor la línea SDA
estableciendo en ella un nivel lógico alto ("1") durante el pulso de
reconocimiento; cuando el receptor ha recibido a satisfacción el byte
enviado desde el dispositivo Maestro, el receptor debe colocar en nivel
lógico "0" la línea SDA durante el pulso ACK de modo tal que la duración
del bit ACK generado por el dispositivo maestro y el bit ACK generado por
el dispositivo esclavo sean iguales.
En condiciones normales de comunicación un receptor cuando ha recibido
un byte que ha sido enviado desde un dispositivo Maestro, esta obligado a
generar un ACK o bit de reconocimiento, informándole de ésta manera al
dispositivo Maestro que el byte enviado fue recibido a satisfacción; si el
byte fue recibido de manera correcta, el dispositivo Esclavo establecerá el
bit de reconocimiento ACK como un nivel lógico bajo (“0”), en caso
contrario el dispositivo generará el bit de reconocimiento ACK como un
nivel lógico alto (“1”).
Otra situación que se puede presentar, es que el dispositivo esclavo no se
encuentre preparado para recibir información desde un dispositivo
Maestro, en ésta situación el dispositivo Esclavo no generará el bit ACK
(debido a que se encuentra ocupado realizando otras funciones y no
puede atender el Bus de comunicación), manteniendo entonces la línea
SDA a nivel lógico alto ("1") durante el bit ACK; en tal caso, el dispositivo
Maestro puede generar una condición de STOP abortando la transferencia
de datos o repetir la condición de Inicio enviando una nueva transferencia
de datos.
Si un dispositivo esclavo se encuentra recibiendo datos de manera
constante y no desea seguir recibiendo mas bytes, el dispositivo Maestro
podrá detectar ésta condición gracias a que el dispositivo Esclavo, no
generará el bit ACK manteniendo la línea SDA a en nivel lógico Alto ("1"),
por lo cual el dispositivo Maestro podrá generar una condición de Stop o
repetir la condición de Inicio para reintentar un nuevo proceso de
transmisión.
Si un dispositivo Maestro se encuentra recibiendo datos desde un
dispositivo Esclavo, el dispositivo Maestro deberá generar un bit ACK por
cada byte recibido; en caso de requerirse la culminación de transferencia
de información el dispositivo Maestro no deberá generar bit de
reconocimiento ACK después de recibir el ultimo byte enviado por el
dispositivo Esclavo, desbloqueando éste último la línea SDA permitiendo
que el dispositivo Maestro genere la condición de Stop.
Sincronización
En todo proceso de comunicación realizado en el bus I2C, los dispositivos
Maestros generan su propia señal de reloj sobre la línea SCL para
transferir datos, garantizando de ésta forma que tanto el dispositivo
Maestro como el dispositivo Esclavo estarán sincronizados. Los bits de
datos serán aceptados por el dispositivo esclavo durante los intervalos en
los cuales la señal de reloj presente un nivel lógico alto ("1").
La sincronización del reloj se realiza mediante una conexión AND de todos
los dispositivos del bus a la línea SCL; esto significa, que una transición
de un dispositivo Maestro de un nivel lógico alto ("1") a un nivel lógico
bajo ("0") en la línea SCL hace que la línea adopte un nivel lógico bajo
("0"), manteniendo la línea SCL en ese estado.
Sin embargo, la transición de ("0") a ("1") no cambia el estado de la línea
SCL sí otro reloj esta todavía en su periodo de ("0"). Por lo tanto la línea
SCL permanecerá en un nivel lógico bajo ("0") tanto tiempo como el
periodo más largo de cualquier dispositivo Maestro lo requiera, es decir,
mientras cualquier dispositivo Maestro mantenga la línea SCL en un nivel
lógico bajo (“0”), la línea se mantendrá en éste estado hasta que todos
los dispositivos Maestros hayan culminado sus procesos de transmisión y
liberen la línea SCL para establecer posteriores transmisiones, en tal caso,
mientras esto sucede todos los dispositivos Maestros entrarán en un
periodo de espera.
Arbitraje
Un dispositivo Maestro sólo podrá iniciar una transmisión si el bus I2C se
encuentra libre, en otras palabras, que la línea SCL presente un nivel
lógico alto (“1”). Dos o más dispositivos Maestros podrán generar una
condición de Inicio en el bus, provocando una condición de Inicio general;
en tal caso, cada dispositivo Maestro deberá comprobar si el bit de datos
que transmite junto a su pulso de reloj, coincide con el nivel lógico en la
línea de datos SDA.
El sistema de arbitraje actúa sobre la línea de datos SDA, mientras la
línea SCL esta en un nivel lógico alto ("1"), teniendo en cuenta que si un
dispositivo Maestro transmite un nivel lógico alto ("1"), pierde el arbitraje
sobre otro dispositivo Maestro que se encuentra enviando en éste mismo
instante un nivel lógico bajo ("0") en la línea de datos SDA; en tal caso, la
situación se mantendrá hasta que se detecte la condición de Stop
generada por el dispositivo Maestro que se encuentra con el dominio del
Bus.
El arbitraje puede continuar varios bits hasta que se de la circunstancia de
control del Bus por uno de los dispositivos Maestros. Tras el arbitraje, los
dispositivos Maestros perdedores se deben configurar automáticamente
en modo Esclavo, debido a que los datos que se están enviando por un
dispositivo Maestro dominante pueden estar dirigidos para alguno de
ellos. Se debe tener en cuenta que un dispositivo Maestro que pierde el
arbitraje puede generar pulsos de reloj hasta el fin de byte en el cual el
pierde totalmente el arbitraje.
En el instante en el que un dispositivo Maestro toma el control solo este
dispositivo tomará las decisiones y generará los códigos de dirección, por
lo tanto se podría decir que en tal caso: no existirán dispositivos Maestros
Centrales, ni existirán órdenes prioritarias en el Bus.
Se debe tener especial cuidad cuando durante una transferencia de datos
el procedimiento de arbitraje esté todavía en proceso justo en el
momento en el que se envía al Bus una condición de Stop, podría ocurrir
que dispositivo Maestro afectado pueda enviar códigos de Inicio o Stop.
Dentro de las sugerencias a tener en cuenta en cualquier proceso de
comunicación utilizando el Bus I2C se pueden mencionar:
� Los dispositivos compatibles con el bus I2C deben poder reajustar
su bus lógico a la recepción de una o mas condiciones de Start.
� Después de la condición Start la dirección del dispositivo esclavo es
repetida y los datos pueden comenzar a ser transferidos.
� Cada byte es seguido por un bit de reconocimiento como indican los
bloques en la secuencia.
� Se pueden combinar diversos formatos de direccionamiento
� Las decisiones para prioridad en el acceso a las posiciones de las
memorias debe ser tomada por el diseñador del dispositivo.
� Durante el primer byte de datos la posición de la memoria interna
debe ser escrita.
� Una condición de Start inmediatamente seguida por una condición
de Stop es un formato ilegal.
Una dirección puede tener una parte fija y otra programable, permitiendo
la conexión de dispositivos idénticos al sistema, activándolos por la parte
fija y controlándolos por la parte programable. Existen una serie de
direcciones reservadas en los Bus I2C que no se deben utilizar dado que
son direcciones determinadas por Philips para usos generales.
Existen actualmente una gran diversidad de fabricantes de dispositivos
compatibles con I2C, disponiendo de una amplia gama de circuitos
integrados, incluyendo memorias RAM y E2PROM, microcontroladores,
puertos de E/S, codificadores DTMF, tranceptores IR, conversores A/D y
D/A, relojes de tiempo real, calendarios, etc.
Debido a que no siempre se requiere alta velocidad de transferencia de
datos este bus es ideal para sistemas donde es necesario manejar
información entre muchos dispositivos y, al mismo tiempo, se requiere
poco espacio y líneas de circuito impreso. Por ello es común ver
dispositivos I2C en video grabadoras, sistemas de seguridad, electrónica
automotriz, televisores, equipos de sonido y muchas otras aplicaciones
mas.
Existen adicionalmente circuitos integrados que permiten realizar cambios
de niveles de tensión entre sistemas, permitiendo que dispositivos que
utilicen niveles TTL puedan acceder a sistemas basados en niveles I2C y
viceversa, facilitando con ello una gran integración de sistemas a la hora
de realizar un diseño electrónico.
GLOSARIO
AAA: Abreviatura de Autenticación (Authentication),
Autorización (Authorization) y Contabilidad (Accounting), sistema en
redes IP para qué recursos informáticos tiene acceso el usuario
y rastrear la actividad del usuario en la red.
Accounting: Es el proceso de rastrear la actividad del usuario
mientras accede a los recursos de la red, incluso la cantidad
de tiempo que permanece conectado, los servicios a los que
accede así como los datos transferidos durante la sesión.
ADSL - Asymmetric Digital Subscriber Line: sistema de transmisión
de datos digitales sobre líneas telefónicas convencionales, pero que ofrece
calidad de banda ancha, con velocidad de acceso desde 512 Kbps hasta 6
Mbps. ADSL siempre está encendido pero al mismo tiempo permite el uso
de dichas líneas para la recepción de voz.
Ancho de Banda – Bandwidth: cantidad de datos que puede ser
enviada o recibida durante un cierto tiempo a través de un determinado
circuito de comunicación. Técnicamente, es la diferencia en hertzios (Hz)
entre la frecuencia más alta y más baja de un canal de transmisión.
Atenuación: Disminución de la amplitud de la señal, pérdida o reducción
de amplitud de una señal al pasar a través de un circuito, debida a
resistencias, fugas, etc.
Amperio: Intensidad de la corriente que, al circular por una bobina de
una sola espiral, de 1 cm. de radio, en el vacío, genera un campo en el
centro. Es la unidad electromagnética absoluta, de intensidad igual a 10
amperios absolutos.
Abertura: Condición en la cual dos conductores que forman parte de un
circuito, se encuentran separados, imposibilitando así el paso de la
corriente.
Absorción: Es la pérdida de calidad en la transmisión de una onda
electromagnética o de luz ocasionada por impurezas o por imperfecciones
en la parte central o núcleo del cable o fibra óptica.
Acoplador: Dispositivo que recibe señales de un elemento sensible y
transmite señales de distinto tipo a un dispositivo de acoplamiento.
Dispositivo utilizado para transferir energía electromagnética de un
circuito a otro, sin alterar el sentido de propagación.
Acoplamiento: Cualquier interacción entre dos o más sistemas. En
electrónica se aplica a la asociación de dos o más circuitos, entre los que
existe una transferencia de energía sin necesidad de contacto.
Adaptación: En telecomunicaciones, es el ajuste de una impedancia de
carga para adaptarla de la fuente al transformador o red, con el fin de
recibir la máxima potencia; esto es para que no haya pérdidas por
reflexión debidas a desadaptación.
Admitancia: Recíproco de impedancia.
Aislamiento: Efecto producido por un material no conductor, que impide
el escape de la electricidad de un conductor; utilizado para reparar, para
sostener mecánicamente el conductor o para impedir el contacto eléctrico
con él.
Aislante: Sustancia que tiene su banda de energía completa y separada
de la primera banda de excitación por una serie de valores prohibidos, de
modo que la energía necesaria para excitar electrones del estado normal
a los de banda de conducción, debe ser lo suficientemente grande para
romper ese estado en la sustancia.
Ampere, amperio: Unidad de corriente eléctrica.
Amplitud: Desviación o altura máxima que sufre una señal respecto al
eje de tiempo, la cual nos indica la medida o valor de la intensidad que
toma dicha señal.
Antena: Conjunto o sistema de conductores (hilos o varillas) o dispositivo
de cualquier clase destinado a la radiación o la captación de ondas
radioeléctricas.
Audiofrecuencia: Frecuencia comprendida en el dominio o espectro de
los sonidos audibles, o sea, entre los límites aproximados de 20 a 20,000
Hz; en casos particulares estos límites varía mucho según las condiciones
del ensayo y la agudeza auditiva del oyente.
Auditoría: Análisis de las condiciones de una instalación informática
por un auditor externo e independiente que realiza un dictamen
sobre diferentes aspectos.
Autenticación: Es el proceso de identificación de un
individuo, normalmente mediante un nombre de usuario y contraseña.
Autorización: Es el proceso de aceptar o denegar el acceso
de un usuario a los recursos de la red una vez que el usuario
ha sido autenticado con éxito.
Backbone: mecanismo de conectividad primario en un sistema
distribuido. Todos los sistemas que tengan conexión al backbone
(columna vertebral) pueden interconectarse entre sí, aunque también
puedan hacerlo directamente o mediante redes alternativas.
Banda: Conjunto de las frecuencias comprendidas entre límites
determinados y pertenecientes a un espectro o gama de mayor extensión.
La clasificación adoptada internacionalmente está basada en bandas
numeradas que van de la que se ubica de los 0.3 x 10n Hz a 3 x 10n Hz,
en la cual n es el número de banda.
Bridge: Elemento que posibilita la conexión entre redes físicas,
cableadas o inalámbricas, de igual o distinto estándar
Control de accesos: Se utiliza para restringir el acceso
a determinadas áreas del computador, de la red, etc.
dBm : Nivel absoluto de potencia expresado en decibelios.
Decibel, decibelio, dB: Unidad para medir la intensidad relativa de una
señal, tal como potencia, voltaje, etc. El número de decibeles es diez
veces el logaritmo (base 10) de la relación de la cantidad medida al nivel
de referencia.
Diafonía: Efecto de un acoplamiento perjudicial entre dos circuitos o
canales, consistente en que las señales causadas en uno son perceptibles
en el otro; el acoplamiento puede ser inductivo, capacitivo o conductivo.
Dieléctrico: Material utilizable como aislante eléctrico; particularmente,
entre las placas de un capacitor o condensador o entre los conductores de
un cable.
Difracción: Encurvamiento de la dirección de propagación de una onda
(acústica o electromagnética) al rozar los bordes de un cuerpo o de una
abertura, con el resultado de que la onda se extienda en la zona de
sombra del cuerpo. La difracción hace que las ondas tomen los obstáculos
como si no se propagaran en línea recta y es más pronunciada cuando el
obstáculo es pequeño en relación con la longitud de onda. Se debe a
interferencias entre componentes de la onda, dispersadas por diferentes
partes del campo u obstáculo.
Dirección IP: dirección de protocolo de Internet, la forma estándar de
identificar un equipo que está conectado a Internet, de forma similar a
como un número de teléfono identifica un aparato de teléfono en una red
telefónica. La dirección IP consta de cuatro números separados por
puntos, en que cada número es menor de 256; por ejemplo
64.58.76.178. Dicho Número IP es asignado de manera permanente o
temporal a cada equipo conectado a la red.
Directividad: Se define como la relación potencia por unidad de ángulo
sólido (estereorradián), en esa dirección y la intensidad media radiada por
la antena en todas las direcciones. Al convertir la pérdida de transmisión
o, en casos concretos, la pérdida de transmisión en el trayecto de un rayo
en una pérdida básica de transmisión, deben tomarse en cuenta las
directividades de la onda plana para las antenas transmisoras y
receptoras, en la dirección y para la polarización en cuestión, en aquellos
casos en que la calidad de funcionamiento de la antena está influida por el
terreno local u otros obstáculos (que no afectan al trayecto). En el caso
particular de propagación por onda de superficie con antenas situadas en
el suelo o en sus proximidades, la superficie de captación de la señal y, en
consecuencia, la potencia disponible, disminuyen con relación a su valor
de espacio libre, por lo que debe deducirse el valor de gr que ha da
utilizarse.
Dispersión: Separación, disgregación, cambio en la dirección de una
partícula por efecto de un choque con otra partícula o con un sistema de
partículas.
Electricidad: Forma de la energía que se manifiesta a causa del
movimiento o separación de partículas constituyentes de la materia.
Encriptación: operación que transforma datos legibles en ilegibles con el
objeto de resguardar cierta información que viaja por la red. Por ejemplo,
los números de las tarjetas de crédito son encriptados para luego ser
desencriptados sólo por el destinatario mediante una clave especial.
Ethernet: tecnología de redes de área local, descrita en el estándar IEEE
802.3, que provee velocidades de hasta 10Mbps. Utiliza cables coaxiales y
de par de cobre, aunque también existe en formato inalámbrico.
Extranet: red de colaboración que utiliza la tecnología Internet y conecta
a una empresa con sus proveedores, clientes u otros socios. Una extranet
puede ser parte de una Intranet, pero que ofrece acceso a terceros,
permitiendo la colaboración entre empresas.
Electrodo: Dispositivo que emite o recibe portadores de cargas
eléctricas. En semiconductores, colector, fuente, cátodo o ánodo.
Electromagnetismo: Magnetismo originado por el flujo de una corriente
eléctrica. Rama de la ciencia que estudia las relaciones entre la
electricidad y el magnetismo.
Enlace: Medio de telecomunicación de características específicas entre
dos puntos, representada por una trayectoria de comunicación de
características determinadas.
Estándar: Norma que se utiliza como punto de partida para el
desarrollo de servicios, aplicaciones, protocolos.
Faradio: Unidad electromagnética de capacidad eléctrica, que equivale a
la capacidad de un condensador eléctrico, entre cuyas armaduras aparece
una diferencia de potencial de un voltio, cuando está cargado de una
cantidad de electricidad igual a un culombio. Un condensador tiene
capacidad de un faradio cuando una variación de un voltio por segundo a
través de dicho condensador produce una corriente de un amperio.
Fase: fenómeno generalmente periódico, descrito por una función de
tiempo (o espacio). La fase es cualquier estado posible y distinguible de
ese fenómeno. Relación de los tiempos de cruce del eje en cero de dos
magnitudes periódicas de la misma frecuencia; posición de un punto de la
onda correspondiente a una magnitud periódica, respecto al comienzo del
ciclo periódico. Diferencia entre los mismos puntos de diferentes ondas.
Fibra óptica: sistema de transmisión que utiliza fibra de vidrio como
conductor de frecuencias de luz visible o infrarroja. Este tipo de
transmisión tiene la ventaja de que no se pierde casi energía pese a la
distancia (la señal no se debilita) y que no le afectan las posibles
interferencias electromagnéticas que sí afectan a las señales conducidas
mediante la tecnología de cable de cobre clásica.
Firewall - Cortafuego o Escudo de protección: mecanismo de
seguridad que aísla redes locales respecto de la Internet. Impide que los
usuarios no autorizados de Internet accedan a ciertos archivos del
sistema. Suelen incorporar elementos de privacidad y autentificación,
entre otros.
Firewire: tipo de conexión entre computadores y dispositivos
electrónicos (como cámaras de video o digitales) que permite traspasar
datos a gran velocidad entre ellos. También es conocido como IEEE 1394
y se trata de un estándar que fue desarrollado por Apple y que hoy se
utiliza en otras plataformas.
Filtro: Circuito o dispositivo que deja pasar una frecuencia o banda de
frecuencias determinadas.
Frecuencia: Ritmo de recurrencia o rapidez de repetición de un
fenómeno periódico. Representa el número de ciclos completos por unidad
de tiempo para una magnitud periódica tal como corriente alterna, las
ondas acústicas u ondas de radio.
Gateway – Pasarela o puerta de acceso: computador que realiza la
conversión de protocolos entre diferentes tipos de redes o aplicaciones.
Por ejemplo, una puerta de acceso podría conectar una red de área local a
un mainframe. Una puerta de acceso de correo electrónico, o de
mensajes, convierte mensajes entre dos diferentes protocolos de
mensajes.
Henrio: Unidad de inductancia o de inductancia mutua. La inductancia de
un circuito es un henrio cuando una variación de corriente de 1 A/s induce
un voltio.
Hertz: Unidad de medida de la frecuencia oscilante, igual a un ciclo o
periodo por segundo.
Hub – Concentrador: dispositivo que integra distintas clases de cables y
arquitecturas o tipos de redes de área local.
IEEE (Institute of Electric and Electronic Engineers): Instituto de
Ingenieros Eléctricos y Electrónicos. Organismo norteamericano, parte del
ANSI, que mediante estudios propios promueve normas de
estandarización. El IEEE es una organización profesional y una de sus
principales actividades es el desarrollo de normas no obligatorias pero
generalmente aceptadas, en el área de comunicaciones y electrónica, con
énfasis en técnicas de medición y definición de términos.
Impedancia: Oposición que ofrece un circuito a la corriente (alterna o
variable) a determinada frecuencia. Su símbolo es z y se mide en ohmios.
Interfaz: circuito electrónico que gobierna la conexión entre dos
dispositivos de hardware y los ayuda a intercambiar información de
manera confiable. Es sinónimo de Puerto.
Intranet: red interna de una organización o empresa que utiliza
tecnología Web. Debido a que no es una red abierta, no está disponible
para quienes no pertenecen a la organización.
IP - Internet Protocol: protocolo de Internet, bajo este se agrupan los
protocolos de Internet. También se refiere a las direcciones de red
Internet.
ISDN - Integrated Services Digital Network: en español RDSI, Red
Digital de Servicios Integrados. Estándar internacional de
telecomunicaciones para la transmisión de voz, video y datos a través de
líneas digitales que corren a 64 Kbits/seg.
Infraestructura: Topología de una red inalámbrica que consta de
dos elementos básicos: estaciones clientes inalámbricos y puntos de
acceso.
ISP - Internet Service Provider: compañía que, además de
proporcionar acceso a la red, ofrece una serie de servicios, como
consultoría de diseño e implementación de páginas web e Intranet. Por lo
general, su accionar se circunscribe a un área geográfica, que puede ser
un país o una zona más amplia.
Inductancia: Propiedad de un circuito por la cual se genera una fuerza
electromotriz, cada vez que varía el flujo magnético que la atraviesa.
Dicha fuerza electromotriz tiende a hacer circular una corriente tal, que el
flujo magnético que ella crea se opone a las variaciones del flujo
magnético que la originaron.
Interferencia: Perturbación en las señales útiles o deseadas por la
presencia de señales indeseadas y/o de corrientes o tensiones parásitas,
originadas por aparatos eléctricos. Efecto de la superposición a una onda
fundamental, de otra oscilación de frecuencia más o menos próxima, o de
una perturbación parásita.
Láser: Iniciales de “Light Amplification by Estimulated Emissions of
Radiation”, amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación.
Dispositivo que produce un haz de luz estrecho, intenso y coherente (esto
es, una onda de fase y frecuencia únicas), en la gama de radiaciones
visibles o infrarrojas. Entre las materias emisoras se encuentran los gases
como el argón, los diodos y los rubíes. Se emplea en algunos dispositivos
de telecomunicaciones y equipos informáticos.
LAN - Local Area Network o Red de Área Local: red de computadores
de reducidas dimensiones. Por ejemplo una red distribuida en una planta
de un edificio. Línea dedicada: Se dice de aquella línea telefónica privada
permanente que interconecta dos partes de una red. Las líneas en renta,
por lo general, se utilizan para conectar redes de área local de tamaño
moderado a un proveedor de servicios de Internet.
MAC - Dirección de Control de Acceso al Medio (Media Access
Control Address): Dirección hardware de 6 bytes (48 bits) única
que identifica cada tarjeta de una red y se representa en notación
hexadecimal.
Magnetismo: Propiedades de los campos magnéticos y de los cuerpos
sometidos a su acción.
Microondas: Término con el que se conocen las longitudes de onda del
espectro que abarca aproximadamente de 30 a 0.3 cm, y corresponde a
frecuencias comprendidas entre 1 y 100 GHz.
Hasta el momento, las microondas son el principal medio de transmisión a
larga distancia. Un solo canal de radio en microondas puede tener 6000
canales de voz en un ancho de 30MHz. En las transmisiones de
microondas una señal de RF es generada, modulada, amplificada y
enviada a través de una antena transmisora. Irradia por el espacio libre
hasta una antena receptora que la amplifica y demodula.
Módem: acrónimo que significa modulador/demodulador. Designa al
aparato que convierte las señales digitales en analógicas y viceversa, y
que permite la comunicación de dos computadores a través de la línea
telefónica.
Multiplexión: Empleo de una vía común para obtener dos o más vías de
transmisión, por división de la banda de frecuencias transmitida por la vía
común, en bandas más estrechas que sirven cada una, para constituir una
vía de transmisión (múltiplex por división de frecuencias), o bien por el
empleo de la vía común para constituir, por distribución temporal,
diferentes vías de transmisión intermitentes (múltiplex por distribución
del tiempo).
Nodo: cualquier computador conectado a la red. Otra forma de
denominar a un dispositivo que tiene acceso a Internet
Ohmio: Unidad práctica de resistencia eléctrica, equivalente a la
resistencia en la cual un potencial de un vatio mantiene una corriente de
un amperio. Su símbolo es:
Protocolo: Conjunto de normas comunes para establecer un proceso de
comunicación
Peer: en una conexión punto a punto, se refiere a cada uno de los
extremos.
PLC - PowerLine Comunications: tecnología de comunicaciones por
medio del cable eléctrico, con muchas ventajas, te puedes conectar por
medio de cualquier enchufe de tu casa al Internet a una velocidad desde
2Mbps hasta 20Mbps, también con otros recursos de comunicación como
el teléfono, todos por medio de un módem plc.
Pérdida: Caída en el nivel de la señal entre puntos de un circuito.
Polaridad: Propiedad que presentan los elementos activos de un circuito
al entrar en operación y pasar por ellos una corriente eléctrica con un
voltaje positivo (polaridad positiva) o bien negativo (polaridad negativa).
Polarización: Desarrollo lineal o circular que se imprime a una onda
electromagnética, la cual se modifica en su trayecto por rotación del plano
de polarización o despolarización de las ondas. Es la propiedad de una
onda electromagnética que describe la dirección del vector campo
eléctrico.
Punto de acceso (AP): Dispositivo inalámbrico central de una
WLAN que mediante sistema de radio frecuencia (RF) se
encarga de recibir información de diferentes estaciones móviles
tanto para centralización como para enrutamiento.
RADIUS (Remote Authentication Dial-In User Service):
Sistema de autenticación y contabilidad empleado por la mayoría
de proveedores de servicios de Internet (ISPs).
RAS - Servidor de Acceso Remoto: Servidor dedicado a la
gestión de usuarios que no están en una red pero necesitan
acceder remotamente a ésta.
Router: originalmente, se identificaba con el término gateway, sobretodo
en referencia a la red Internet. En general, debe considerarse como el
elemento responsable de discernir cuál es el camino más adecuado para
la transmisión de mensajes en una red compleja que está soportando un
tráfico intenso de datos
Ruido: perturbaciones eléctricas que interfieren sobre las señales
transmitidas o procesadas.
Tierra: Punto de contacto en el chasis de un aparato eléctrico que sirve
para descargar la corriente excesiva del circuito. Fundamentalmente,
conexión a la tierra por medio de un conductor eléctrico.
VLAN - Red de Área Local Virtual: Tipo de red que
aparentemente parece ser una pequeña red de área local
(LAN) cuando en realidad es una construcción lógica que
permite la conectividad con diferentes paquetes de software. Sus
usuarios pueden ser locales o estar distribuidos en diversos
lugares.
WAN – Red de Área Amplia: Tipo de red compuesta por dos o
más redes de área local (LANs).
Wi-Fi (Wireless Fidelity): Es el nombre comercial con el cual se
conoce a todos los dispositivos que funcionan sobre la base del
estándar 802.11 de transmisión inalámbrica.
Watt: Unidad de medida utilizada para describir la cantidad de potencia o
energía con la cual se transmite o recibe una señal de radio en la
transmisión. Las transmisiones normalmente son medidas en watts o
múltiplos de esta unidad (kilowatts), en tanto que las recepciones son
medidas en submúltiplos (miliwatts o microwatts).
802.11: Familia de estándares desarrollados por la IEEE para
tecnologías de red inalámbricas.
BIBLIOGRAFIA
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ARTICULOS DE REVISTAS
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http://www.homeplug.org Alianza estratégica de compañías que han desarrollado su propio estándar propietario de PLC. http://www.plcforum.com Asociación internacional que representa los intereses de los fabricantes, electrificadoras, universidades, consultores y otras asociaciones de PLC, fue creado en 2000 y la actualidad cuenta con más de 2000 socios. http://www.comsoc.com/int-5200.html Características técnicas del chip INT5200 de la compañía Intellon. http://www.iese.edu/es/files/5_10512.pdf. Carles Cabré, El acceso online a través de la red eléctrica a paso lento http://www.ambientcorp.com Compañía Americana encargada investigar la tecnología PLC y dar soluciones. http://www.telkonet.com/html/about_us.html Compañía telkonet que brinda acceso a Internet de banda ancha y es propietaria de la tecnología PlugPlus. http://www.sei.co.jp/tr_e/t_technical_e_pdf/58-06.pdf Desarrollo de módems de alta velocidad de la compañía Sumitomo así como sus características técnicas. http://www.rediris.es/rediris/boletin/68-69/enfoque4.pdf González Puyol J. R. y García Vieira F. J. “La tecnología PLC en los Programas de Fomento de la Sociedad de la Información de Redes”. http://www.enersisplc.cl/ Grupo ENERSIS de Chile encargado de implementar PLC en algunos lugares de santiago, la página muestra prueba piloto en santiago. http://www.cibersuite.com/index.asp?ire.html Grupo español que se encarga de aplicar soluciones de PLC, utiliza una tecnología llamada IRE (Internet Red Eléctrica) a hoteles alrededor del mundo.
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