Comunicaciones en la industria

¿QUÉ ES LA COMUNICACIÓN?

Según la RAE, transmisión de señales mediante un código común al emisor y al receptor.

¿POR QUÉ ES IMPORTANTE EN LA INDUSTRIA?

Porque es de vital importancia conocer el estado de diferentes tareas del proceso para una correcta ejecución del mismo. Esto es lo que se va a desarrollar durante el curso, las formas de comunicar diferentes elementos que necesitamos a la hora de automatizar un proceso, interconectar varios PLC's, recibir información de diferentes sensores, etc.

MODELO OSI

Este protocolo nace de la necesidad de lograr un estándar para la comunicación entre diversos fabricantes.

Nosotros como futuros Técnicos en Automatismo y Robótica Industrial nos centraremos en el nivel físico.

MODOS DE TRANSMISIÓN

Se refiere al número de unidades de información (bits) que se pueden enviar simultáneamente a través de los canales de comunicación. Los procesadores nunca procesan un solo bit al mismo tiempo, generalmente son capaces de procesar varios (la mayoría de las veces 8 bits: un byte) y por este motivo, las conexiones internas básicas en un equipo son conexiones paralelas.

Modo paralelo

Las conexiones paralelas consisten en transmisiones simultáneas de N bits. Estos bits se envían simultáneamente a través de diferentes canales N, un canal puede ser, por ejemplo, un alambre, un cable o cualquier otro medio físico. Usado en equipos que están a poca distancia y/o sometidos a pocas perturbaciones electromagnéticas.

Modo serie

En una conexión en serie, los datos se transmiten de a un bit por vez a través del canal de transmisión. Sin embargo, ya que muchos procesadores procesan los datos en paralelo, el transmisor necesita transformar los datos paralelos entrantes en datos seriales y el receptor necesita hacer lo contrario. Es la formas más utilizada para transmitir datos a larga distancia, siendo las interfaces más populares las R-232C y R-485.

TIPOS DE TRANSMISIÓN

Debido a los problemas que surgen con una conexión de tipo paralelo, es muy común que se utilicen conexiones en serie. Sin embargo, ya que es un solo cable el que transporta la información, el problema es cómo sincronizar al transmisor y al receptor.

En otras palabras, el receptor no necesariamente distingue los caracteres (o más generalmente, las secuencias de bits) ya que los bits se envían uno después del otro.

Conexión asíncrona

Cada bit se envía en intervalos de tiempo irregulares (por ejemplo, un usuario enviando caracteres que se introducen en el teclado en tiempo real). Así, por ejemplo, si se transmite un solo bit durante un largo período de silencio... el receptor no será capaz de darse cuenta si esto es 00010000, 10000000 ó 00000100... 

Para remediar este problema, cada carácter es precedido por información que indica el inicio de la transmisión del bit (el inicio de la transmisión de información se denomina bit de INICIO) y finaliza enviando información acerca de la finalización de la transmisión (denominada bit de FINALIZACIÓN, en la que incluso puede haber varios bits de FINALIZACIÓN).

Conexión síncrona

El transmisor y el receptor están sincronizados con el mismo reloj. El receptor recibe continuamente (incluso hasta cuando no hay transmisión de bits) la información a la misma velocidad que el transmisor la envía. Es por este motivo que el receptor y el transmisor están sincronizados a la misma velocidad. Además, se inserta información suplementaria para garantizar que no se produzcan errores durante la transmisión.

La principal desventaja de la transmisión sincrónica es el reconocimiento de los datos en el receptor, ya que puede haber diferencias entre el reloj del transmisor y el del receptor. Es por este motivo que la transmisión de datos debe mantenerse por bastante tiempo para que el receptor pueda distinguirla. Como resultado de esto, sucede que en una conexión sincrónica, la velocidad de la transmisión no puede ser demasiado alta.

MODOS DE COMUNICACIÓN

Conexión simple (simplex)

Es una conexión en la que los datos fluyen en una sola dirección, desde el transmisor hacia el receptor. Este tipo de conexión es útil si los datos no necesitan fluir en ambas direcciones, por ejemplo un sensor de temperatura.

Conexión semiduplex (half duplex)

Es una conexión en la que los datos fluyen en una u otra dirección, pero no las dos al mismo tiempo. Con este tipo de conexión, cada extremo de la conexión transmite uno después del otro. Este tipo de conexión hace posible tener una comunicación bidireccional utilizando toda la capacidad de la línea.

Conexión duplex total (full duplex)

Es una conexión en la que los datos fluyen simultáneamente en ambas direcciones. Cada extremo de la conexión puede transmitir y recibir al mismo tiempo; esto significa que el ancho de banda se divide en dos para cada dirección de la transmisión de datos si es que se está utilizando el mismo medio de transmisión para ambas direcciones de la transmisión.

TIPOS DE TRANSMISIÓN

Sea cual sea la forma en la que se transmiten los datos es fundamental que tanto el emisor y el receptor estén sincronizados, es decir, que posean una base de tiempos común  para con el fin de poder otorgar el mismo valor al 0 y al 1 en cada instante. Se debe hacer en cada transmisión al menos de 3 modos:

• Sincronismo de bit
• Sincronismo de carácter
• Sincronismo de mensaje o bloque

Además hay dos tipos de sincronismo, la transmisión asíncrona y la síncrona.

Transmisión asíncrona (start/stop)

Se trata de iniciar la transmisión mediante un bit de arranque, normalmente de nivel 0 y al finalizar la transmisión se añade un bit de fin. De este modo el receptor sabe cuando esta a punto de recibir una transmisión.

Transmisión síncrona

En este tipo de transmisión el emisor y el receptor los datos fluyen con una cadencia constante, marcada por una base de tiempos común a los elementos que intervienen en la transmisión. La señal de sincronismo la genera el emisor y el receptor la reconstruye. Es un tipo de transmisión que requiere mayor precisión que la anterior ya que un fallo en la temporización altera completamente la cadena de datos. En cambio ofrece una mejor aprovechamiento de la linea y mayores velocidades al no tener que añadir los bits de inicio y finalización al mensaje.

DETECCIÓN DE ERRORES

En toda comunicación real hay una posibilidad del que el mensaje se vea alterado por diferentes factores:

• Interferencias electromagnéticas que producen ruido en el medio físico
• Funcionamiento incorrecto del equipo

La calidad de una transmisión viene dado por el BER (Bit Error Rate) que se calcula dividiendo el número de bits erroneos entre el número de bits transmitidos.

La detección y corrección de estos errores se realiza gracias a un protocolo que estable las reglas para organizar y sincronizar las distintas tramas (bloques de información).

Las técnicas de detección y corrección de errores se engloban en dos categorias:

• Petición automática de repetición (ARQ) --> consiste en pedir al emisor que reenvie la información si se detecta algún error.

• Correcion avanzada del error (FEC) --> el propio receptor se encarga de corregir el error sin la intervención del emisor.

Hay que resaltar que no hay ningún metodo FEC 100% infalible, lo que se suele hacer para asegurar la integridad de los datos recibidos es usar una combinación de los métodos FEC y ARQ.

Métodos exclusivos de detección de errores

• Paridad --> Se trata de adjuntar un bit (1 o 0) junto con los bits de datos con la finalidad de hacer par o impar el número de 1's totales. Si no se cumple la paridad se sabe que ha habido un error en la transmisión, pero no se puede saber donde.

• Checksum --> Se suman todas las palabras de 16 bits que conforman el mensaje (checksum) y se transmite junto con el mensaje. Al llegar el mensaje a su destino, el receptor realiza el mismo cálculo sobre los datos recibidos y compara el resultado con el checksum recibido. Si cualquiera de los datos transmitidos, incluyendo el mismo checksum, esta corrupto, el resultado no concordará y el receptor sabrá que ha ocurrido un error. El checksum se realiza de la siguiente manera: los datos que serán procesados (el mensaje) son acomodados como una secuencias de enteros de 16 bits, estos enteros se suman utilizando aritmética complemento a uno para 16 bits y se toma el complemento a uno para 16 bits del resultado, este será el valor del checksum.

Métodos de detección y corrección

• Hamming --> Agrega tres bits adicionales de comprobación por cada cuatro bits de datos del mensaje. El algoritmo de Hamming puede corregir cualquier error de un solo bit, y detecta todos los errores de dos bits. Para un ambiente en el que el ruido pueda cambiar como máximo 2 bits de 7, el código Hamming es generalmente el de pérdida mínima. El medio tendría que ser muy ruidoso para que se perdieran más de 2 bits de cada 7 (casi el 45% de los bits transmitidos), y habría que considerar seriamente cambiar a un medio de transmision más fiable.

• Cyclic Redundancy Code (CRC)

MÉTODOS DE ACCESO AL MEDIO

Es el conjunto de mecanismos y protocolos por los que varios "interlocutores" (dispositivos en una red, como ordenadores, teléfonos móviles, etc.) se ponen de acuerdo para compartir un medio de transmisión común (por lo general, un cable eléctrico u óptico, o en comunicaciones inalámbricas el rango de frecuencias asignado a su sistema).

Uno de los problemas a resolver en un sistema de comunicaciones es cómo repartir entre varios usuarios el uso de un único canal de comunicación o medio de transmisión, para que puedan gestionarse varias comunicaciones al mismo tiempo. Sin un método de organización, aparecerían interferencias que podrían bien resultar molestas, o bien directamente impedir la comunicación.

CSMA/CD

Determina cómo y cuándo un paquete de datos es ubicado en el cable. Antes de que un dispositivo Ethernet esté habilitado a transmitir datos, primero tiene que escuchar para asegurarse de que el medio está libre (no hay otros dispósitivos transmitiendo). Así cuando la red está libre, los dispositivos pueden iniciar la transmisión. Durante el proceso de transmisión, el dispositivo tendría que continuar escuchando la red para ver si algún otro dispositivo está también trasmitiendo. Si no hay ninguno, entonces los datos se consideran envíados al receptor sin interrupciones. Sin embargo, si durante la transmisión se detecta que otro dispositivo también está transmitiendo (se produce una colisión), ambos detendrán sus transmisiones para transmitir a continuación una secuencia especial de bits, llamada señal de atasco, cuya misión es garantizar que la colisión dura lo suficiente para que la detecten el resto de las terminales de la red. Acto seguido realizaran un proceso conocido como back-off en el que esperaran un tiempo aleatorio antes de intentar volver a transmitir nuevamente.

Este método de acceso al canal es adecuado para redes que soporten aplicaciones que generan un bajo tráfico en la red debido a que si el tráfico generado por cada estación es elevado, la probabilidad de que existan colisiones es elevada.

Paso de testigo

El método de acceso utilizado en una red Token Ring es de paso de testigop Un testigo es una serie especial de bits que viaja sobre una red Token Ring. Un equipo no puede transmitir salvo que tenga posesión del testigo; mientras que el testigo está en uso por un equipo, ningún otro puede transmitir datos.

Cuando el primer equipo de la red Token Ring se activa, la red genera un testigo. Éste viaja sobre el anillo por cada equipo hasta que uno toma el control del testigo. Cuando un equipo toma el control del testigo, envía una trama de datos a la red. La trama viaja por el anillo hasta que alcanza al equipo con la dirección que coincide con la dirección de destino de la trama. El equipo de destino copia la trama en su memoria y marca la trama en el campo de estado de la misma para indicar que la información ha sido recibida.

La trama continúa por el anillo hasta que llega al equipo emisor, en la que se reconoce como correcta. El equipo emisor elimina la trama del anillo y transmite un nuevo testigo de nuevo en el anillo.