Resumen

Elementos de importancia fundamental en la expansión de las Redes Profibus DP, los repetidores proporcionan diversas ventajas en ambientes industriales, tales como el aumento de la cantidad de estaciones, la atenuación de ruidos acoplados, la disminución de errores de comunicación y el auxilio en la solución de problemas. El repetidor puede volverse una herramienta poderosa en diversas situaciones, pué el mayor factor de fallos de comunicación son los problemas en la camada física.

Palabras llave: repetidores, Profibus DP, redes de camo, RS-485.

1- INTRODUCCIÓN

Con el crecimiento de las aplicaciones utilizando redes industriales, principalmente RS-485 en el Profibus DP, algunos límites físicos del canal de comunicación en serie empezaran a volver más evidentes.

Así, las necesidades de expansión de la topología de red y el aumento de la distancia entre los nudos contribuyen para degradar la transmisión de la señal y limitar el canal de comunicación.

Algunos problemas más graves, tales como acoplamientos de ruidos indeseables, fallos de blindaje de cables y tomas a tierra con lazos de corriente, contribuyen para perjudicar el modelo propuesto de interfaz en serie diferenciada, la RS-485.

Todavía, existen soluciones viables a la llamada industria de repetidores con el objetivo de atenuar los efectos de la interferencia entre símbolos (ISI),desacoplar ruidos conducidos y promover la mejoría de la transmisión de señal con la posibilidad misma de aumentar la escala de una red Profibus DP por completo, utilizándose la capacidad máxima de dispositivos en los barramientos. Es posible conectar hasta 126 dispositivos, sean maestros o esclavos, en Profibus DP [1]. Entretanto, para operar la red con este número de estaciones en el barramiento, se debe dividir el barramiento en segmentos individuales. Los segmentos entonces deben conectarse a través de repetidores, dispositivos estos capaces de procesar la señal de la red y manipular las perturbaciones o ruidos de manera a rechazarlos, creando nuevamente una situación favorable a la camada física.

La sección 2 describe el tipo de cable utilizado en la comunicación y sus problemas. La sección 3 describe el modelo del estándar propuesto y su funcionamiento. La sección 5 describe el recurso de algunos repetidores que son los filtros digitales incorporados.

Este recurso es sumamente importante sobre la presencia de distorsiones de alta intensidad que afectan los transceptores del repetidor, pero pueden procesarse y rechazarse en determinadas situaciones. La sección 6 ilustra el análisis comparativo entre segmentos con y sin la presencia de repetidores. La sección 7 concluye el trabajo indicando las ventajas del uso de repetidores modernos.

2- EL CABLE TIPO A

El estándar Profibus define dos variaciones para cables: Tipo A y Tipo B [2]. Sin embargo, es altamente recomendado el cable Tipo A para todas las nuevas instalaciones, principalmente las que deben trabajar con Baudrates por encima de 500 Kbps.

Abajo sigue la especificación para cables TipoA.

• Impedancia: De 35 hasta 165 Ohm para frecuencias de 3 hasta 20 Mhz
• Capacitancia: < 30 pF/m
• Diámetro del conductor: > 0,34 mm² (AWG 22)
• Tipo: Par trenzado. 1x2 o 2x2 ou 1x4
• Resistencia nominal: < 110 Ohm/km
• Atenuación: Max. 9 dB para toda distancia del segmento.
• Blindaje: Blindaje trenzada o  con película de blindaje.
• Max. Distancia del Barramiento: 200m a 1500 Kbps hasta 1,2 km para 93,75 Kbps.

La capacitancia típica de un barramiento Profibus DP,   considerando conectores, cables, distancia entre nudos y drivers RS485 queda alrededor de 15 a 25 pF [3]. El cable Profibus Tipo A, como también cualquier par de líneas de transmisión, tiene capacitancias e inductancias parásitas, capaces de atenuar señales tales como los de un filtro pasabaja, debido a la resistencia y capacitancia ser dominantes en relación a la inductancia. Por lo tanto, cuanto mayor la frecuencia en el canal de comunicación, mayor su atenuación.

Abajo se demuestra una figura con el modelo de un cable de transmisión no ideal.

Figura Modelo eléctrico para cables del  tipo A.

Trazando un diagrama de la magnitud de la señal Profibus por la distancia y frecuencia, resultará una correspondiente aproximada  de la figura abajo.

Figura magnitud  por la frecuencia

Con base en la figura arriba y las características del cable, la largura máxima de un segmento para redes Profibus DP se obtiene según la tabla abajo: 

B. Rate (Kbps) 9.6 31.25 45.45 93.75 187.5 500 1500 3000 6000 12000

Distancia (metros) 1200 1200 1200 1000 1000 400 200 100 100 100

Para el perfecto funcionamiento  es imprescindible la utilización de terminadores [4] y que ellos estén siempre posicionados en los extremos de cada segmento de rede. El circuito de terminación está ilustrado abajo.

Figura Circuito de terminación

Sin embargo, para que exista una forma segura de ejecución del barramiento, la topología característica no debe tener aspectos complejos como “stubs“ superiores a 1.5Mbps, que irán perjudicar la integridad de la señal.

Considerando los problemas de atenuación descritos arriba, una de las mejores formas de compensación para se prolongar largos segmentos de red es el repetidor.

3-EL ESTÁNDAR RS-485

El RS-485 es un estándar de medio físico bidireccional y half-duplex cuyos dispositivos se conectan bajo la topología del barramiento. Representa el medio físico del Profibus DP y comprende gran parte de las especificaciones del RS-322 mientras más robusto, con impedancia de entrada mayor y amplia banda diferencial.

La sensibilidad de entrada es de ±200 mV, lo que significa que para reconocer una señal, el receptor necesita niveles superiores a +200 mV o inferior a -200 mV [5]. La impedancia mínima de entrada del receptor está alrededor de 12 kΩ, y la tensión mínima de salida es de ±1.5 V y máxima de ±5 V. Estas tolerancias son fundamentales para la utilización de los repetidores, puesto que ambos segmentos se componen de drivers RS-485.

La impedancia de salida del driver es de aproximadamente54Ω, comprendiendo típicamente un cable de par trenzado 22 AWG, casada con 32 estaciones en paralelo con terminación en 390 – 220 -390 Ω.

La capacidad máxima del RS-485 es de 32 estaciones, o sea, 32 cargas de 12 kΩ en paralelo. Cualquiera combinación de receptores puede ser utilizada mientras respecte el límite máximo de 32 cargas en paralelo, o sea, 375 Ω. Por este motivo el empleo de repetidores es fundamental para atingir la cantidad máxima de dispositivos Profibus en campo, que es de 126 estaciones.

4- LOS REPETIDORES

Repetidores son elementos activos de la red Profibus e interactúan directamente en los circuitos a que se conectan, produciendo favorablemente la reconstrucción en el dominio del tiempo o amplitud de señales degradados o destorcidos a lo largo del segmento de red por los cables o cualquier elemento conectado a el. El no debe interpretar el protocolo, o sea, debe tener el menor desvío de tiempo posible con relación a los telegramas originales.

Abajo, una figura ilustrando el uso de repetidores:

Figura Topología con repetidores Profibus

Típicamente se encuentra un desvío en el orden de 1 a 2 Tbits.  A pesar de los circuitos digitales modernos tener atrasos en el orden de nanosegundos, esos desvíos suceden básicamente debido a las distorsiones presentes en los aislamientos galvánicos y ópticos y durante el tiempo de procesamiento que es repetidor necesita para la manipulación de la señal. Al tomar 1 Tbit el repetidor hará el análisis consecutivo de la señal para rechazar ruidos o informaciones inconsistentes. Algunos repetidores modernos utilizan técnicas de detección de colisión de datos.

Los telegramas Profibus DP utilizan el código NRZ (Non Return to Zero), cuya característica es la ausencia de transición de señal durante el Tbit. El Tbit es el tiempo de transmisión de 1Bit:

TBit=1BaudRate

Es durante ese período que los repetidores modernos ejecutan  el procesamiento de cada bit, filtrando Bits inválidos y aumentando el rechazo  a ruidos y distorsiones,   proporcionando la regeneración de la señal.

Figura Stream serial para 1 Byte

De manera general, los repetidores controlan el flujo de datos presente en los segmentos. El debe ser confiable y robusto, pues fallos en su alimentación o conexiones pueden perjudicar el correcto flujo del protocolo. Algunos repetidores tienen características de detección de colisión de datos entre segmentos. Abajo sigue la ilustración de 2 repetidores en paralelo:

Figura Topología típica con repetidores

La  cantidad máxima de repetidores  empleados en cascada no está definida por especificación, motivo porque su factor limitante se debe exclusivamente a la tecnología empleada por el fabricante.

Actualmente existen repetidores que se definen para utilización con 5, 6 y hasta 9 repetidores, pero otra familia de repetidores es capaz de tener configuración en cascada prácticamente de forma ilimitada, como es el caso de aquellos que regeneran los Tbits [6]. Esos repetidores producen los mejores resultados, pues los Tbits sufren la menor distorsión posible con tiempos inferiores a 5%. Para un Baudrate en 12 Mbps esto significa un desvío menor que 4ns.