Redes y autobuses

Los cables entre el tanque y la ubicación de monitoreo se denominan bus o red . La distinción entre estos dos términos es más semántica que técnica, y los dos pueden usarse indistintamente para todos los propósitos prácticos. En mi experiencia, el término "bus" se usa generalmente en referencia a un conjunto de cables que conectan componentes digitales dentro del gabinete de un dispositivo de computadora, y "red" es para algo que está físicamente más extendido.

En los últimos años, sin embargo, la palabra "bus" ha ganado popularidad para describir redes que se especializan en interconectar sensores de instrumentación discreta a largas distancias ("Fieldbus" y "Profibus" son dos ejemplos). En cualquier caso, nos referimos a los medios por los cuales dos o más dispositivos digitales se conectan entre sí para que los datos puedan comunicarse entre ellos.

Nombres como "Fieldbus" o "Profibus" abarcan no solo el cableado físico del bus o la red, sino también los niveles de voltaje especificados para la comunicación, sus secuencias de tiempo (especialmente para la transmisión de datos en serie), las especificaciones de los pines del conector y todas las demás características técnicas distintivas. características de la red.

En otras palabras, cuando hablamos de un determinado tipo de bus o red por su nombre, en realidad estamos hablando de un estándar de comunicaciones. , más o menos análoga a las reglas y vocabulario de una lengua escrita. Por ejemplo, antes de que dos o más personas puedan convertirse en amigos por correspondencia, deben poder escribirse entre sí en un formato común.

Tener simplemente un sistema de correo que sea capaz de entregar sus cartas entre sí no es suficiente. Si aceptan escribirse en francés, aceptan respetar las convenciones de juego de caracteres, vocabulario, ortografía y gramática que especifica el estándar del idioma francés.

Del mismo modo, si conectamos dos dispositivos Profibus juntos, podrán comunicarse entre sí solo porque el estándar Profibus ha especificado detalles tan importantes como niveles de voltaje, secuencias de tiempo, etc. suficiente para construir un sistema que funcione (¡especialmente si los dispositivos fueron construidos por diferentes fabricantes!).

Para ilustrarlo en detalle, diseñemos nuestro propio estándar de bus. Tomando el sistema de medición del tanque de agua cruda con cinco interruptores para detectar diferentes niveles de agua, y usando (al menos) cinco cables para conducir las señales a su destino, podemos sentar las bases para el poderoso BogusBus :

El cableado físico del BogusBus consta de siete cables entre el dispositivo transmisor (interruptores) y el dispositivo receptor (lámparas). El transmisor consta de todos los componentes y conexiones de cableado a la izquierda de los conectores más a la izquierda (los símbolos “->> -”). Cada símbolo de conector representa un elemento complementario macho y hembra. El cableado del bus consta de siete cables entre los pares de conectores.

Finalmente, el receptor y todo el cableado que lo constituye se encuentra a la derecha de los conectores más a la derecha. Cinco de los cables de red (etiquetados del 1 al 5) transportan los datos, mientras que dos de esos cables (etiquetados con + V y -V) proporcionan conexiones para fuentes de alimentación de CC. También hay un estándar para los enchufes del conector de 7 pines. El diseño de los pines es asimétrico para evitar una conexión "hacia atrás".

Para que los fabricantes reciban la impresionante certificación "compatible con BogusBus" en sus productos, tendrían que cumplir con las especificaciones establecidas por los diseñadores de BogusBus (probablemente otra empresa, que diseñó el autobús para una tarea específica y terminó comercializarlo para una amplia variedad de propósitos). Por ejemplo, todos los dispositivos deben poder utilizar la fuente de alimentación de 24 voltios CC de BogusBus:los contactos del interruptor en el transmisor deben estar clasificados para cambiar ese voltaje CC, las lámparas definitivamente deben estar clasificadas para ser alimentadas por ese voltaje y los conectores debe poder manejarlo todo.

El cableado, por supuesto, debe cumplir con el mismo estándar:las lámparas 1 a 5, por ejemplo, deben estar conectadas a los pines apropiados para que cuando el LS4 del transmisor del fabricante XYZ se cierre, la lámpara 4 del receptor del fabricante ABC se encienda, y así sobre. Dado que tanto el transmisor como el receptor contienen fuentes de alimentación de CC con una potencia de salida de 24 voltios, todas las combinaciones de transmisor / receptor (de todos los fabricantes certificados) deben tener fuentes de alimentación que se puedan conectar de forma segura en paralelo.

Considere lo que podría suceder si el fabricante XYZ hiciera un transmisor con el lado negativo (-) de su fuente de alimentación de 24 VCC conectado a tierra y el fabricante ABC hiciera un receptor con el lado positivo (+) de su fuente de alimentación de 24 VCC conectado a tierra. Si ambas conexiones a tierra son relativamente "sólidas" (es decir, una baja resistencia entre ellas, como podría ser el caso si las dos conexiones a tierra se hicieran en la estructura metálica de un edificio industrial), las dos fuentes de alimentación provocarían un cortocircuito. otro!

BogusBus, por supuesto, es un ejemplo completamente hipotético y muy poco práctico de una red digital. Tiene una resolución de datos increíblemente pobre, requiere un cableado sustancial para conectar dispositivos y se comunica en una sola dirección (del transmisor al receptor). Sin embargo, es suficiente como ejemplo tutorial de lo que es una red y algunas de las consideraciones asociadas con la selección y operación de la red.

Hay muchos tipos de autobuses y redes que puede encontrar en su profesión. Cada uno tiene sus propias aplicaciones, ventajas y desventajas. Vale la pena asociarse con algunas de las "sopa de letras" que se utilizan para etiquetar los distintos diseños:

Autobuses de corta distancia

PC / AT
Bus utilizado en las primeras computadoras compatibles con IBM para conectar dispositivos periféricos como unidades de disco y tarjetas de sonido a la placa base de la computadora.

PCI
Otro bus utilizado en computadoras personales, pero no limitado a compatibles con IBM. Mucho más rápido que PC / AT. Tasa de transferencia de datos típica de 100 Mbytes / segundo (32 bits) y 200 Mbytes / segundo (64 bits).

PCMCIA
Un bus diseñado para conectar periféricos a computadoras portátiles y computadoras personales del tamaño de una computadora portátil. Tiene una "huella" física muy pequeña, pero es considerablemente más lento que otros buses de PC populares.

VME
Un bus de alto rendimiento (co-diseñado por Motorola y basado en el estándar Versa-Bus anterior de Motorola) para construir computadoras industriales y militares versátiles, donde múltiples tarjetas de memoria, periféricos e incluso de microprocesador se pueden conectar a un "rack" pasivo o "caja de tarjetas" para facilitar los diseños de sistemas personalizados. Tasa de transferencia de datos típica de 50 Mbytes / segundo (64 bits de ancho).

VXI
En realidad, una expansión del bus VME, VXI (VME eXtension for Instrumentation) incluye el bus VME estándar junto con conectores para señales analógicas entre tarjetas en el rack.

S-100
A veces llamado bus Altair, este bus estándar fue el producto de una conferencia en 1976, destinado a servir como interfaz para el chip microprocesador Intel 8080. Similar en filosofía a la VME, donde múltiples tarjetas de función se pueden conectar a un "rack" pasivo, facilitando la construcción de sistemas personalizados.

MC6800
El equivalente de Motorola del bus S-100 centrado en Intel, diseñado para conectar dispositivos periféricos al popular chip microprocesador Motorola 6800.

STD
Significa Simple-To-Design y es otro "rack" pasivo similar al bus PC / AT, y se presta bien a diseños basados ​​en hardware compatible con IBM. Diseñado por Pro-Log, tiene 8 bits de ancho (paralelo) y admite tarjetas de circuito relativamente pequeñas (4.5 pulgadas por 6.5 pulgadas).

Multibus I y II
Otro bus destinado al diseño flexible de sistemas informáticos personalizados, diseñado por Intel. 16 bits de ancho (paralelo).

CompactPCI

Una adaptación industrial del estándar PCI de computadora personal, diseñada como una alternativa de mayor rendimiento al bus VME más antiguo. A una velocidad de reloj de bus de 66 MHz, las velocidades de transferencia de datos son 200 Mbytes / segundo (32 bits) o 400 Mbytes / seg (64 bits).

Microcanal
Otro bus más, este diseñado por IBM para su desafortunada serie de computadoras PS / 2, destinado a la interfaz de placas base de PC con dispositivos periféricos.

IDE
Un bus que se utiliza principalmente para conectar unidades de disco duro de computadoras personales con las tarjetas periféricas adecuadas. Ampliamente utilizado en las computadoras personales de hoy para la interfaz de disco duro y unidad de CD-ROM.

SCSI
Un bus alternativo (técnicamente superior al IDE) utilizado para unidades de disco de computadoras personales. SCSI son las siglas de Small Computer System Interface. Se utiliza en algunas PC compatibles con IBM, así como en Macintosh (Apple) y en muchas computadoras empresariales mini y mainframe. Se utiliza para conectar discos duros, unidades de CD-ROM, unidades de disquete, impresoras, escáneres, módems y una gran cantidad de otros dispositivos periféricos. Velocidades de hasta 1,5 Mbytes por segundo para el estándar original.

GPIB (IEEE 488)
Bus de interfaz de propósito general, también conocido como HPIB o IEEE 488, que fue diseñado para la interfaz de equipos de prueba electrónicos como osciloscopios y multímetros con computadoras personales. "Ruta" de dirección / datos de 8 bits de ancho con 8 líneas adicionales para control de comunicaciones.

Centronics paralelo
Ampliamente utilizado en computadoras personales para interconectar dispositivos de impresora y trazador. A veces se utiliza para interactuar con otros dispositivos periféricos, como unidades de disco ZIP (disquete de 100 Mbytes) y unidades de cinta.

USB
Bus serie universal, que está diseñado para interconectar muchos dispositivos periféricos externos (como teclados, módems, ratones, etc.) a computadoras personales. Utilizado durante mucho tiempo en PC Macintosh, ahora se está instalando como nuevo equipo en máquinas compatibles con IBM.

FireWire (IEEE 1394)
Una red serial de alta velocidad capaz de operar a 100, 200 o 400 Mbps con características versátiles como "intercambio en caliente" (agregar o quitar dispositivos con la energía encendida) y topología flexible. Diseñado para una interfaz de computadora personal de alto rendimiento.

Bluetooth
Una red de comunicaciones por radio diseñada para la conexión de dispositivos informáticos en la oficina. Disposiciones para la seguridad de los datos diseñadas en este estándar de red.

Redes de distancia extendida

Bucle de corriente de 20 mA
No debe confundirse con el estándar analógico 4-20 mA de instrumentación común, esta es una red de comunicaciones digitales basada en la interrupción de un bucle de corriente de 20 mA (o en ocasiones 60 mA) para representar datos binarios. Aunque la baja impedancia proporciona una buena inmunidad al ruido, es susceptible a fallas en el cableado (como roturas) que harían fallar toda la red.

RS-232C
La red en serie más común utilizada en los sistemas informáticos, a menudo utilizada para conectar dispositivos periféricos como impresoras y ratones a una computadora personal. Limitado en velocidad y distancia (típicamente 45 pies y 20 kbps, aunque se pueden ejecutar velocidades más altas con distancias más cortas). Pude ejecutar RS-232 de manera confiable a velocidades superiores a 100 kbps, ¡pero esto estaba usando un cable de solo 6 pies de largo! RS-232C a menudo se denomina simplemente RS-232 (no "C").

RS-422A / RS-485
Dos redes seriales diseñadas para superar algunas de las limitaciones de distancia y versatilidad de RS-232C. Se utiliza ampliamente en la industria para conectar dispositivos en serie en entornos de plantas eléctricamente "ruidosos". Limitaciones de distancia y velocidad mucho mayores que RS-232C, generalmente más de media milla y a velocidades cercanas a los 10 Mbps.

Ethernet (IEEE 802.3)
Una red de alta velocidad que conecta computadoras y algunos tipos de dispositivos periféricos. Ethernet “normal” funciona a una velocidad de 10 millones de bits / segundo y Ethernet “rápida” funciona a 100 millones de bits / segundo. El Ethernet más lento (10 Mbps) se ha implementado en una variedad de medios en cables de cobre (coaxial grueso ="10BASE5", coaxial delgado ="10BASE2", par trenzado ="10BASE-T"), radio y fibra óptica (“10BASE-F”). Fast Ethernet también se ha implementado en algunos medios diferentes (par trenzado, 2 pares =100BASE-TX; par trenzado, 4 pares =100BASE-T4; fibra óptica =100BASE-FX).

Token ring
Otra red de alta velocidad que une dispositivos informáticos, que utiliza una filosofía de comunicación muy diferente a la de Ethernet, lo que permite tiempos de respuesta más precisos de los dispositivos de red individuales y una mayor inmunidad a daños en el cableado de la red.

FDDI
Una red de muy alta velocidad implementada exclusivamente en cableado de fibra óptica.

Modbus / Modbus Plus
Implementado originalmente por Modicon Corporation, un gran fabricante de controladores lógicos programables (PLC) para vincular racks de E / S (entrada / salida) remotas con un procesador PLC. Sigue siendo bastante popular.

Profibus
Implementado originalmente por la corporación Siemens, otro gran fabricante de equipos PLC.

Foundation Fieldbus
Un bus de alto rendimiento diseñado expresamente para permitir que múltiples instrumentos de proceso (transmisores, controladores, posicionadores de válvulas) se comuniquen con computadoras host y entre sí. En última instancia, puede desplazar la señal analógica de 4-20 mA como medio estándar para interconectar la instrumentación de control de procesos en el futuro.