Curso sobre Controladores Lógicos Programables

Curso sobre Controladores Lógicos
Programables (PLC).
Por Ing. Norberto Molinari.
Entrega Nº 25.
Capitulo 5.
Redes Digitales de Datos en Sistemas de
Control de Procesos
5.8.4 Comparación entre las LAN presentadas
Las tres LAN representadas por las normas IEEE 802.3,802.4 y 802.5 presentan, claras
diferencias que surgen de su distinto origen. Su relación desde el punto de vista del
modelo ISO / OSI es mostrada en la Fig. 5.29. En beneficio de IEEE 802.3 podemos
mencionar su amplia difusión, una rápida instalación, y un muy bajo retardo en el
acceso al medio cuando la carga de la red es baja, ya que la red no requiere la llegada
del testigo para empezar a transmitir. Como contrapartida, en condiciones de carga
elevadas (por ejemplo, cuando muchas estaciones , desean acceder al medio en un corto
período de tiempo), las colisiones pueden generar problemas significativos.
IEEE 802.4 fue definida por la General Motors para sus plantas industriales. Sus
conceptos básicos son la descentralización y la certeza de que dentro de un tiempo
prefijado todas las estaciones pueden acceder al menos una vez a la red. En este caso
prevalece el concepto de poder limitar el peor tiempo de acceso de una estación al
medio físico, a cambio de penalizar el acceso con la espera del testigo, cuando la red
está libre.
La certeza de un acceso al medio en tiempo prefijados se logra por medio del método
token bus, que es determinístico; sin embargo, las pérdidas repetitivas del testigo en
altas cargas introducen más incertidumbre de la que los fanáticos del token bus
quisieran admitir. Adicionalmente, el tiempo de acceso al medio físico de una red IEEE
802.3 es con frecuencia mejor que el de protocolos token bus o token ring.
Por ejemplo, en una red de 2,8 km de longitud, con 50 estaciones, y una condición de
carga del 12%, el acceso a la red de IEEE 802.3 es 10 veces más rápido que el de token
bus o tokell ring (Fig. 5.30). Cabe remarcar que una red de aplicación industrial de esta
magnitud merece ser calificada como de gran envergadura, existiendo escasos ejemplos
prácticos en el país.
Desde el punto de vista de centralización, tanto IEEE 802.3 como IEEE 802.4
implementaron procedimientos de mantenimiento descentralizadas en los que todas las
estaciones son iguales.
IEEE 802.5 fue diseñada por IBM para funciones administrativas. La existencia de
funciones centralizadas no fue considerada importante, ya que la existencia de un
mecanismo para la definición de un sucesor de la estación supervisora y la baja tasa de
falla de las estaciones hacia muy baja la probabilidad de colapso del sistema. Al tratarse
de un conjunto de enlaces punto a punto, la instalación de diversos medios físicos es
muy sencilla. El de más difusión, el par trenzado, es económico y fácil de instalar.
Pese a estas diferencias, las tres redes presentan rendimientos similares.
Un análisis concluyente de las tres redes es imposible, ya que siempre se encontrarán
parámetros que muestren que una de ellas es mejor que las otras dos.
Mientras que los especialistas pueden discutir por días los méritos técnicos de una y otra
red, el usuario probablemente elegirá una de ellas más por otras razones antes que por
razones técnicas. Algunas de estas razones son el soporte de un proveedor, la instalación
preexistente, el costo, etc.
Figura 5.29 Relación entre Ethernet, IEEE 802.2, 802.3, 802.4 y 802.5.
5.8.5 Protocolo X.25
Esta norma del Comité Consultivo Internacional Telegráfico y Telefónico (Comité
Consultatif lnternationale Telégraphique et Téléphonique, CCITT) define los servicios a
un usuario o DTE (Data Terminal Equipment) desde un equipo de comunicaciones o
DCE Data Communication Equipment) que es parte de un sistema público de
comunicaciones conmutables o PSN (Public Switched Network) {Fig. 5.31).
Aún cuando X.25 especifica la comunicación entre el DTE y el DCE, sin especificar
qué ocurre dentro del PSN, resulta instructivo presentar algunos detalles de PSN, ya que
constituye un ejemplo de red conmutada.
El PSN consta de varios centros de conmutación (Data Switch Equipment, DSE).
Los DSE proveen caminos múltiples y alternativos para encaminar los mensajes entre
dos DCE dentro de la PSN (Fig. 5,32), Para ello, el PSN identifica el destino de un
mensaje, y lo compara con una tabla previamente configurada. Esta tabla determina por
qué salida se enviará el mensaje. En caso de que esta salida esté congestionada, o
inhabilitada, la tabla definirá caminos alternativos.
La capa física (nivel 1) de X.25 prevé dos opciones, una digital, y una analógica
(incluidas en las normas X.21 y X.21 bis). La opción analógica es provisoria, hasta que
tengan mayor difusión; actualmente es la más común, y es definida por X.21 1bis, que
refiere a-RS-232-C (presentada en la sección 5.1.1).
Figura 5.30 Comparación del tiempo para acceso al medio físico en redes Ethernet y
paso de testigo (Tolken Bus y Tolken Ring) [Ref. Decnet Ethernet: Today and
tomorrow on the plant floor, Wayne Adams, Geoffrey Trotter, Control Engineering, 2nd
October 1987].
La capa de enlace (nivel 2) está diseñada para asegurar una comunicación confiable aún
sobre una línea ruidosa.
La capa de red (nivel 3) define los recursos para lograr la comunicación entre dos DTE,
excluyendo los detalles por los que una red conmutada PSN logra que datos vayan de un
DCE al otro (Fig. 5.33).
La importancia de la norma X.25 radica en su amplia difusión a nivel internacional,
como por ejemplo en la red Argentina de datos ARPAC, y otras a nivel mundial.
5.8.6 Tecnología ATM
El Modo de Transferencia Asincrónica de datos (Asynchronous Transfer Mode, ATM)
es una tecnología emergente que promete aumentar el rendimiento de las redes a niveles
suficiente corno para soportar todo tipo de aplicaciones.
Mientras que las primeras implementaciones de ATM ofrecen velocidades iniciales de
155 Mbaudios, ya existen implementaciones con velocidades de 2,4 Gbaudios
(2.400.000.000 baudios, 2.400 Mbaudios). Como abarca sólo las capas 1 y 2 del modelo
ISO / OSI, permitirá la concreción de instalaciones sin modificación de las aplicaciones
existentes.
Conceptualmente, la tecnología ATM consiste en dividir el flujo de datos en paquetes
de 53 bytes, y transmitirlos en una red a través de una serie de conmutadores.
Este concepto es similar al presentado en la sección 5.8.5, para las redes públicas
conmutadas PSN, excepto que los paquetes son más pequeños y de tamaño fijo. Esto
hace que los conmutadores consisten únicamente en hardware trabajando a velocidades
enormes.
En contraste, los conmutadores de X.25 requieren manejo de hardware y software, ya
que los paquetes son de longitud variable, y por tal motivo son más lentos.
El tipo de datos transmitidos no tiene ningún tipo de limitaciones, comprendiendo
archivos de texto, números, imágenes, dinámicas, voz, etc.
Cada tipo de datos tiene características propias, ya que los archivos se suelen
enviar como ráfagas, pero una señal de vídeo requiere continuidad en la transmisión.
Si bien ATM no es la elección ideal para aplicaciones de tiempo real (como voz e
imagen dinámica) o para comunicación de datos (como transferencia de archivos), sí
parece presentarse como la mejor solución de compromiso para una red que incluya
ambas aplicaciones (Fig. 5.34). De esta forma permitirá utilizar una misma red para
aplicaciones que combinan audio, vídeo dinámico, y transferencia de datos, como es el
caso de las aplicaciones multimedia; por lo que es probable que ATM juegue un
importante papel en la integración de aplicaciones como la TV digital interactiva,
comunicaciones telefónicas, videoconferencia, correo electrónico y otras aplicaciones
digitales en una única red.
Una ventaja que brindan las redes ATM es que las estaciones adicionales no implican
necesariamente carga adicional en la red, ya que cada conmutador sólo transmitirá a los
demás segmentos la información que es requerida en éstos. Esto contrasta con las redes
de difusión como Ethernet, Token Bus o Token Ring, en que cada estación adicional
incremento la carga de la red, ya que se comparte un único medio físico.
De esta forma, ATM se presenta como una solución a redes con alto tráfico.
Si una red Ethernet cuenta con 50 usuarios, los 50 comparten un medio físico a 10
Mbps. Si se instala en la mitad de la red un conmutador ATM, se tendrán dos segmentos
de 25 usuarios. La capacidad de un segmento será utilizada por los usuarios del mismo,
y por aquellos mensajes que involucren a estaciones de ambos segmentos, pero no por
mensajes entre estaciones del otro segmento, Así, cada usuario dispondrá prácticamente
de una red de 10 Mbps compartida con sólo otros 24 usuarios. Se incremento así el
ancho de banda disponible para cada usuario de la red.
Fig.5.32 Ruteos alternativos de una red conmutada. Las líneas de punto representan,
los vínculos existentes entre los DTE, DCE y DSE. Las líneas gruesas muestran los
caminos que recorrió el mensaje mientras trata de llegar a B. Y las líneas mas finas
muestran las alternativas que podría haber utilizado.
Fig. 5.33 Utilización del protocolo X.25 en una red publica. (PSN)Solo las líneas llenas
están utilizadas por el X 25.
Fig. 5.24 El compromiso ATM maneja los datos en tiempo real, y la transmisión de
grandes volúmenes de información.
5.8.7 TCP/IP
Es un conjunto de protocolos abiertos desarrollados por el Departamento de Defensa
(Department of Defense, DoD) de los Estados Unidos. Se lo conoce como ARPANET
(RED de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada, Advanced Research
Project Ageney NETwork). La primer red ARPANET fue presentada en diciembre de
1969.
Desde entonces, ha crecido hasta incluir niveles de computadoras en todo el mundo, con
una gran cantidad de implementaciones comerciales.
ARPANET no se ajusta exactamente al modelo ISO/OSI, ya que fue creada una década
antes que este. A grandes rasgos corresponde a los niveles de red y transporte de
ISO/OSI.
El protocolo de red se denomina IP (Protocolo entre Redes, Internet Protocol), y fue
diseñado para la interconexión de una cantidad grande de redes WAN y LAN. El
protocolo TCP (Protocolo de Control de Transmisión, Transmission Control Protocol)
cubre la capa de transporte, y está incluido en algunos sistemas operativos UNIX.
Actualmente TCP/IP ha alcanzado un alto grado de difusión, siendo utilizada no sólo en
redes integradas a nivel mundial, sino también en numerosas redes locales. La pila de
protocolos TCP/IP se muestra en la Fig. 5.35.
5.8.8 Novell NetWare, SPXIIPX
Es un conjunto de protocolos propietarios que cubren los niveles 3 a 7 del modelo ISOI
/ OSI. El conjunto se conoce como Novel NetWare (Fig. 5.35), mientras que los
protocolos de capas 2,3 y 4 se conocen como SPXIIPX.
Considerando que NetWare es una red administrativa, una característica de excepción es
que ofrece la posibilidad de redundancia completa del computador conectado a la red:
discos rígidos, procesador y software. Este software se conoce como NetWareSFT
(System FauIt Tolerance) III. El hecho de que esta característica distinga a NetWareSFT
II de otras redes administrativas muestra una de las diferencias entre un sistema
operativo de red para aplicaciones administrativas, y una aplicación industrial: la
redundancia.
La disponibilidad de buses de comunicaciones, procesadores y medios magnéticos
redundantes es una característica típica de una aplicación industrial, que no es satisfecha
por las redes para aplicaciones administrativas, excepto NetWare SFT III.
Novell NetWare es una red de gran difusión, abarcando entre el 55 y el 75% del
mercado.
5.8.9 Net BIOS
Net BIOS comprende las capas de red, transporte y sesión de una red LAN.
Pertenece al Sistema Operativo de Red (NOS) LAN Manager de IBM, que
incluye especificaciones, para las demás capas de] modelo ISOI / OSI. Aún
cuando LAN Manager no ha logrado un grado importante de preferencia por
parte del usuario, Net BIOS sí ha logrado un alto grado de difusión.
Así, por ejemplo, existen numerosos productos que trabajan sobre un nivel de sesión
implementado con Net BIOS. También se pueden encontrar productos que ofrecen un
nivel de sesión implementado con Net BIOS, sobre niveles de transporte y red
implementados con TCP/IP, IPXISPX (Novell NetWare), etc...
5.8.10 Technical Office Protocol, TOP
Es un conjunto de protocolos para aplicaciones administrativas, desarrollado por Boing
para la automatización de oficinas. Este conjunto de protocolos comprende todos los
niveles del modelo ISO / OSI, para asegurar que dos estaciones que cumplen con TOP
se integren en la misma red sin ninguna duda. Esto no es asegurado por los Sistemas
Operativos de Red presentados, ya que éstos no comprenden todas las capas del modelo
ISO I OSI, y presentan varias opciones para algunos niveles.
5.9 Análisis de los servicios existentes en el nivel de la capa de
aplicación de los protocolos presentados, y de aquellos servicios
requeridos en un protocolo industrial.
Varios de los protocolos que hemos presentado comprenden servicios al usuario a nivel
de la capa de aplicación: TCP/IP, Novell NetWare, TOP. Los servicios que usualmente
proveen estos y otros protocolos son: administración, acceso y transferencia de
archivos, correo electrónico, terminal virtual, y otros similares.
La transferencia de archivos y su acceso remoto son dos de las aplicaciones más
comunes en redes informáticas. Permiten, por ejemplo, que las personas que trabajan
juntas compartan su información (bases de datos, planos, cartas) a través de la red. A su
vez, una persona puede acceder a sus archivos a través de una red, no importa desde qué
estación opera. Esto permite que cualquier usuario utilice cualquier estación para
realizar su trabajo.
El correo electrónico permite el rápido intercambio de cartas entre los usuarios, a través
de la red. Presenta como ventaja frente al correo convencional, su inmediatez; y frente
al teléfono, el que el mensaje siempre es recibido por el usuario (en forma similar a un
contestador automático, que recibe el mensaje aún cuando el receptor esté realizando
otra tarea). Es fácil de usar, y permite el envío simultáneo de cartas a diversos usuarios,
y la documentación electrónica (por software) de las cartas enviadas. Aún cuando
el correo electrónico puede pensarse como un caso particular de transferencia
de archivos, tiene características particulares en la implementación de la interfase con el
usuario, para facilitar su uso. Recuérdese que en general tanto emisor como receptor son
personas, y no computadoras.
Los protocolos de terminal virtual apuntan a resolver el problema de la falta de
normalización en los editores de pantalla. Estos permiten la visualización de
aplicaciones que corren en otras computadoras, desde una terminal, y otra computadora.
El objetivo es que el manejo de las terminales sea homogéneo, de manera tal que al
presionar la flecha hacia arriba un cursor suba no importando el hardware y software
utilizados; se facilita así la operación por parte del usuario. Aún cuando pueda parecer
simple, este objetivo no es fácil de lograr; como puede ser comprobado por quien haya
integrado sistemas de distintos proveedores. Es muy frecuente disponer de una tecla
(por ejemplo la de inserción), pero que ésta no pueda ser utilizada cuando se interactúa
con una aplicación que corre en otra computadora, a través de la red.
Las aplicaciones descriptas tienen en común una característica: son de tipo
transaccional, dependiendo su operación de un operador humano. Se plantean algunas
excepciones en los servicios orientados a archivos, pero igualmente estos suelen ser el
resultado de transacciones, en el sentido en que no son de ejecución permanente, sino
que son invocados por programas de aplicación en distintas estaciones de la red, de vez
en cuando.
Las aplicaciones descriptas tienen en común una característica: son de tipo
transaccional, dependiendo su operación de un operador humano. Se plantean algunas
excepciones en los servicios orientados a archivos, pero igualmente estos suelen ser el
resultado de transacciones, en el sentido en que no son de ejecución permanente, sino
que son invocados por programas de aplicación en distintas estaciones de la red, de vez
en cuando.
Es evidente que ninguno de los servicios de aplicación detallados sirven para cubrir las
necesidades de una red de control de procesos trabajando en tiempo real.
Continuará.....
Nota de Redacción: El lector puede descargar el curso capítulo a capítulo desde la
sección “Artículos Técnicos” dentro del sitio de EduDevices
(www.edudevices.com.ar )