Interfaces y Protocolos de Comunicación

INTERFACES Y PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

Hace unos cuantos años parecía como si la mayor parte de los fabricantes de ordenadores y software fueran a seguir las especificaciones de la Organización internacional para el estándar (International Organization for Standarization, OSI). OSI define como los fabricantes pueden crear productos que funcionen con los productos de otros vendedores si la necesidad de controladores especiales o equipamientos opcional. Su objetivo es la apertura. El único problema para implantar el modelo ISO/ISO fue que muchas compañías ya habían desarrollado métodos para interconectar sus hardware y software con otros sistemas. Aunque pidieron un soporte futuro para los estándares OSI, sus propios métodos estaban a menudo tan atrincherados que el acercamiento hacia OSI era lento o inexistente. Novell y potras compañías de redes expandieron sus propios estándares para ofrecer soporte a otros sistemas, y relegaron los sistemas abiertos a un segundo plano. Sin embargo, los estándares OSI ofrecen un modo útil para comparar la interconexión de redes entre varios vendedores. En el modelo OSI, hay varios niveles de hardware y el software. Podemos examinar lo que hace cada nivel de la jerarquía para ver como los sistemas se comunican por LAN.

INTRODUCCIÓN.

Los protocolos que se utilizan en las comunicaciones son una serie de normas que deben aportar las siguientes funcionalidades:

• Permitir localizar un ordenador de forma inequívoca.
• Permitir realizar una conexión con otro ordenador.
• Permitir intercambiar información entre ordenadores de forma segura, independiente del tipo de maquinas que estén conectadas (PC, Mac,AS-400...).
• Abstraer a los usuarios de los enlaces utilizados (red telefónica, radioenlaces, satélite...) para el intercambio de información.
• Permitir liberar la conexión de forma ordenada.

Debido a la gran complejidad que conlleva la interconexión de ordenadores, se ha tenido que dividir todos los procesos necesarios para realizar las conexiones en diferentes niveles. Cada nivel se ha creado para dar una solución a un tipo de problema particular dentro de la conexión. Cada nivel tendrá asociado un protocolo, el cual entenderán todas las partes que formen parte de la conexión.

Diferentes empresas han dado diferentes soluciones a la conexión entre ordenadores, implementando diferentes familias de protocolos, y dándole diferentes nombres (DECnet, TCP/IP, IPX/SPX, NETBEUI, etc.).

INTERFACES

. Definición de Interfaces

Las interfaces de comunicación serial son elementos que permiten la transmisión de  información de un equipo de datos (DTE) hacia un MÓDEM o hacia el medio de transmisión por el cual va a comunicarse con otro equipo de datos (DTE).

La transmisión de datos vía este medio, están sujetos a estándares internacionales para asegurar la compatibilidad entre equipos de diferentes fabricantes.

Una consideración primaria a nivel de campo es que las líneas de transmisión de datos son económicas y sencillas.

El tipo de interface estándar en el nivel de campo industrial  es serial. Los bajos costos de instalación (cables y conectores), grandes longitudes de los cables y la seguridad de la información compensan las bajas velocidades transmisión que la caracterizan.

. Tipos de Interfaces

ü  TTY (Lazo de corriente de 20 mA)

El lazo de 20 mA es usado como alternativa a la interface RS-232C. Su principal ventaja radica en su insensibilidad a la interferencia de modo que se puede cubrir grandes distancias. TTY también es utilizado cuando existen grandes fuentes de campo electromagnético cerca de las líneas de transmisión.

Esta interface tiene sus orígenes en aplicaciones de telegrafía, donde son importantes las comunicaciones a grandes distancias. Trabaja con una corriente de 20 mA que es activada y desactivada (‘1” y “0”) en el tiempo durante la transmisión. Así, cada terminal tiene dos lazos; uno para transmisión y otro para recepción.

o   El tipo de transmisión es por corriente, permitiendo solamente  la conexión de un transmisor y un receptor.

o   Permite líneas de conexión de hasta 100 m con velocidades de transmisión de 19 200 bps.

o   El modo de comunicación utilizado es dúplex.

o   El tipo de transmisión es por corriente, permitiendo solamente  la conexión de un transmisor y un receptor.

o   Permite líneas de conexión de hasta 100 m con velocidades de transmisión de 19 200 bps.

o   El modo de comunicación utilizado es dúplex.

ü  Interface RS 232-C.

Es una interface muy común en la actualidad, sobre todo, en aplicaciones informáticas. La interface RS-232C es una  interface de tensión ± 12V definida para las transmisiones seriales.

Esta interface es usada cuando se desea conectar a dos equipos mediante cable multipar, usualmente una computadora a un servicio periférico o módem.

o   La distancia entre estaciones a transmitir deberá ser menor a 15m.

o   La velocidad de transmisión puede ser menor o igual a 19 200 bps.

o   Usando MÓDEM permite la comunicación mediante línea telefónica.

o   El conector utilizado consta de 9 ó 25 pines.

o   Sólo permite tener un tx y un rx.

o   El modo de comunicación permitida es “dúplex”.

o   Existe dos hilos para la comunicación de datos (pin 2) para la transmisión y (pin 3) para la recepción. El retorno,  tanto para las señales de datos como para el control, se da a través del hilo conectado al pin 7.

ü  Interface RS-485

Esta interface a diferencia de la RS232C se define como interfaces del tipo balanceada y con transmisión diferencial.  Una interface balanceada consiste en que la transmisión de cada señal se realiza a través de un circuito exclusivo de dos hilos.

Una transmisión diferencial se da cuando la información está representada por la diferencia de potencial existente entre los dos hilos del circuito comprendido desde la salida del transmisor hasta la entrada al receptor.

o   Con cable de par trenzado se puede transmitir a velocidades de hasta 100 Kbps a una distancia de 1 000 m.

o   Son interfaces de tensión con corriente elevada:

o   Tensión de señal <6V

o   Estado lógico 1 = diferencia de potencial <200 mV

o   Estado lógico 0 = diferencia de potencial >200 mV

o   Alta calidad en la transmisión.

o   Permiten enlaces multipunto.

o   Hasta un máximo de 32  servicios actuando como transmisores o receptores pueden ser conectados a un cable de dos hilos (en operación tipo bus).

o   La longitud máxima de la línea de transmisión varía desde 1,2 Km. (a 93,75 Kbit/s) hasta 200 m (a 500 Kbit/s).

o   Utiliza el modo de comunicación half-dúplex.

o   Esta interface goza de gran popularidad en aplicaciones industriales. Principalmente emplea cables de par trenzado y apantallados de bajo costo.

ü  Interface RS-422

La interface RS-422 cubre solamente los requerimientos físicos y eléctricos para la transmisión. Emplea señales diferenciales que permiten elevadas velocidades de transmisión de hasta 10 Mbit/s.

o   La velocidad de transmisión puede ser menor o igual a 10 Mbps.

o   En el terminal de recepción la diferencia entre los niveles de voltaje es utilizada para descodificación de señales, lo que permite que la transmisión de información sea inmune a las señales de ruido o campos externos a las líneas de transmisión

o   De esta manera es posible emplear línea de mayor longitud que para la interface RS-232C, es decir hasta 1 220 metros.

o   Es posible que un transmisor pueda operar sobre un máximo de 16 receptores.

o   El modo de comunicación permitida es dúplex.

PROTOCOLOS

. Definición de Protocolos

El protocolo es el lenguaje con que se comunican los dispositivos en la red. Es la forma en la  que los dispositivos de una red intercambian información. Por ejemplo, dos computadores conectados en la misma red pero con protocolos diferentes no podrían comunicarse jamás, para ello, es necesario que ambas

"hablen" el mismo idioma, por tal sentido, el protocolo TCP/IP fue creado para las comunicaciones en Internet, para que cualquier computador se conecte a Internet, es necesario que tenga instalado este protocolo de comunicación. Pueden estar implementados bien en hardware (tarjetas de red), software (drivers), o una combinación de ambos.

Es un conjunto de convenciones relacionadas al formato de datos, métodos de transmisión, topología de red, accesos de bus y procedimientos de control en general necesarios para la comunicación entre dos o más equipos o servicios.

.Funciones de los protocolos

o   Detección de la conexión física sobre la que se realiza la conexión (cableada o sin cables) 

o   Pasos necesarios para  comenzar a comunicarse (Handshaking) 

o   Negociación de las características de la conexión. 

o   Cómo se inicia y cómo termina un mensaje. 

o   Formato de los mensajes. 

o   Qué hacer con los mensajes erróneos o corruptos (corrección de errores) 

o   Cómo detectar la pérdida inesperada de la conexión, y qué hacer en ese caso. 

o   Terminación de la sesión de conexión. 

o   Estrategias para asegurar la seguridad (autenticación, cifrado). 

Los protocolos que son implementados en sistemas de comunicación que tienen un amplio impacto, suelen convertirse en estándares, debido a que la comunicación e intercambio de información (datos) es un factor fundamental en numerosos sistemas, y para asegurar tal comunicación se vuelve necesario copiar el diseño y funcionamiento a partir del ejemplo pre-existente. Esto ocurre tanto de manera informal como deliberada.

Existen consorcios empresariales, que tienen como propósito precisamente el de proponer recomendaciones de estándares que se deben respetar para asegurar la interoperabilidad de los productos.

ü  El Protocolo HART

Creado a fines de la década de los 80, el protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) es uno de los estándares líderes en la comunicación con instrumentación inteligente de campo, y continúa aumentando su popularidad y reconocimiento en la industria como un modelo global para este tipo de tareas, existiendo en la actualidad innumerables instalaciones de HART en el mundo.

En los años 90 se creó la HART Communication Foundation, una fundación sin fines de lucro entre las empresas que adoptaron este protocolo, con el objeto de proveer un soporte para la aplicación de esta tecnología, asegurándose que fuera abierta y estuviese disponible en beneficio de la industria.  Actualmente, esta fundación maneja los estándares de protocolos y la propiedad intelectual de los mismos, realiza cursos de entrenamiento y se encarga de la masificación de HART en el mundo. Por otra parte, los mayores proveedores de instrumentación apoyan este protocolo, contando con una variada gama de instrumentación para aplicaciones de medición y control.

o   Fácil de usar: HART tiene una eficacia probada en terreno, es muy sencillo de usar y provee una muy efectiva comunicación digital de dos vías.

o   Asimismo, este protocolo es usado simultáneamente con la  señal análoga de 4-20 mA, utilizada por los instrumentos tradicionales.

o   Solución de comunicación única: Como ninguna otra tecnología de comunicación digital, el protocolo HART provee una excepcional solución de comunicación compatible con gran parte de la base de instrumentos instalados y en uso actualmente. Esta característica de compatibilidad asegura que el cableado existente y la estrategia de control actual continuarán en el futuro.

o   Diseñado para ocupar la señal análoga tradicional de 4-20 mA, el protocolo HART maneja comunicaciones digitales utilizando dicha señal como portadora, para medición de procesos y aparatos de control. Las aplicaciones incluyen interrogación de variables de proceso remotas, acceso cíclico a datos de proceso, ajuste de parámetros y diagnóstico.

o   Comunicación tipo Maestro-Esclavo: Durante operación normal, en cada esclavo (equipo de terreno) la comunicación es iniciada por un equipo de comunicación tipo maestro. Dos maestros pueden conectarse a cada lazo de comunicación HART. El maestro primario es generalmente un aparato de Control tipo DCS (sistema de control distribuido), controlador de lógica programable (PLC) o un Computador Personal (PC). El maestro secundario puede ser un  terminal portátil de comunicación u otro PC. Los aparatos esclavos incluyen transmisores, actuadores de válvula y controladores que responden al comando del maestro primario o secundario. 

o   La señal de frecuencia: El protocolo de comunicación HART está basado en el sistema de comunicación telefónica estándar BELL 202 y opera usando el principio del Cambio Codificado de Frecuencia (FSK). La señal digital está construida de dos frecuencias principales, 1200 Hz y 2200 Hz, representando los Bits 1 y 0 (cero), respectivamente. Las ondas seno de estas dos frecuencias están superimpuestas en la señal de corriente continua análoga de 4-20 mA DC. Con esto, cables de comunicación con señales análogas transportan a la vez comunicación análoga y digital.

ü  Redes de comunicación HART

Los aparatos HART pueden operar en una o dos configuraciones diferentes de RED: Punto a punto o Multidrop (multipunto).

Comunicación tipo Punto a Punto: En el modo Punto a Punto, la señal tradicional de 4-20 mA es usada para comunicar una variable de proceso mientras otras variables adicionales -parámetros de configuración y otras informaciones de aparato- son transmitidas digitalmente usando el protocolo HART (Fig. 15). La señal análoga de 4-20 mA no es afectada por la señal HART y puede ser usada para el monitoreo o control en la forma normal. La señal de comunicación digital HART le da acceso a variables secundarias y a otras informaciones, que pueden ser usadas para propósitos de operación, mantención y diagnóstico. 

Comunicación tipo Multipunto (Multidrop): El modo Multipunto requiere solamente un par de alambres y si es aplicable, el lazo también puede tener barreras de seguridad y fuentes de poder auxiliares para hasta 15 aparatos de terreno (Fig. 16). Todos los valores de proceso son transmitidos digitalmente; en el modo Multipunto, las direcciones de "Polling" de los aparatos de terreno son mayores que 0 y la corriente a través de cada equipo está fijada a un mínimo valor (típicamente 4 mA).

Se recomienda el uso del modo Multipunto para aplicaciones con instalaciones de control de supervisión, que tengan equipamientos bastante alejados entre sí, tales como tendidos de cañería en gasoductos y oleoductos, como también en instalaciones en plantas de almacenamiento de combustibles u otros fluidos, o en estaciones de transferencia controlada de fluidos. 

Algunos beneficios son:

o   Mejora las operaciones en planta.

o   Otorga mayor flexibilidad operacional.

o   Protege la inversión hecha en la instrumentación de la planta.

o   Entrega una alternativa económica de comunicación digital.

o   Implica un ahorro considerable en materiales eléctricos en las instalaciones Multipunto.

Referencias Bibliograficas

http://www.angelfire.com/mi2/Redes/protocolo.html
http://proton.ucting.udg.mx/temas/comunicaciones/redes/protocolos/redes03.htm
http://www-lt.ls.fi.upm.es/~lmengual/contenidos_IP.html
http://www.forosdeelectronica.com/f26/interfaz-protocolos-44424/