14.2: Redes y Buses

Esta colección de cables a la que sigo refiriéndome entre el tanque y la ubicación de monitoreo se puede llamar bus o red. La distinción entre estos dos términos es más semántica que técnica, y los dos pueden ser utilizados indistintamente para todos los fines prácticos. En mi experiencia, el término “bus” se suele utilizar en referencia a un conjunto de cables que conectan componentes digitales dentro del recinto de un dispositivo informático, y “red” es para algo que físicamente está más extendido. En los últimos años, sin embargo, la palabra “bus” ha ganado popularidad al describir redes que se especializan en interconectar sensores discretos de instrumentación a largas distancias (“Fieldbus” y “Profibus” son dos ejemplos). En cualquier caso, estamos haciendo referencia 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 temporización (especialmente para la transmisión de datos en serie), las especificaciones de pinout del conector y todas las demás características técnicas distintivas del red. Es decir, cuando hablamos de cierto tipo de autobús o red por su nombre, en realidad estamos hablando de un estándar de comunicaciones, más o menos análogo a las reglas y vocabulario de una lengua escrita. Por ejemplo, antes de que dos o más personas puedan convertirse en compañeras por correspondencia, deben poder escribirse entre sí en un formato común. Simplemente tener un sistema de correo que sea capaz de entregarse sus cartas entre sí no es suficiente. Si están de acuerdo en escribirse entre sí en francés, acuerdan aferrarse a las convenciones de juego de caracteres, vocabulario, ortografía y gramática especificadas por el estándar de la lengua francesa. De igual manera, 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 temporización, etc. Simplemente tener un conjunto de cables encadenados entre múltiples dispositivos no es suficiente para construir un sistema de trabajo (¡especialmente si los dispositivos fueron construidos por diferentes fabricantes!).

Para ilustrar en detalle, diseñemos nuestro propio estándar de autobús. 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 para el 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 consiste en los siete cables entre los pares de conectores. Finalmente, el receptor y todo su cableado constituyente 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 +V y -V) proporcionan conexiones para fuentes de alimentación de CC. También hay un estándar para los enchufes de conector de 7 pines. El diseño del pin es asimétrico para evitar la conexión “hacia atrás”.

Para que los fabricantes reciban la impresionante certificación “Cumple con BogusBus” en sus productos, tendrían que cumplir con las especificaciones establecidas por los diseñadores de BogusBus (muy probablemente otra compañía, que diseñó el autobús para una tarea específica y terminó comercializándolo para una amplia variedad de fines). Por ejemplo, todos los dispositivos deben poder usar la alimentación de 24 voltios CC de BogusBus: los contactos del interruptor en el transmisor deben estar clasificados para conmutar ese voltaje de CC, las lámparas definitivamente deben estar clasificadas para ser alimentadas por ese voltaje, y los conectores deben poder manejarlo todo. El cableado, por supuesto, debe cumplir con ese mismo estándar: las lámparas 1 a 5, por ejemplo, deben estar cableadas a los pines apropiados para que cuando se cierre LS4 del transmisor del Fabricante XYZ, la lámpara 4 del receptor del Fabricante ABC se encienda, y así sucesivamente. Dado que tanto el transmisor como el receptor contienen fuentes de alimentación de CC clasificadas en una salida de 24 voltios, todas las combinaciones de transmisor/receptor (de todos los fabricantes certificados) deben tener fuentes de alimentación que se puedan cablear de forma segura en paralelo. Considere lo que podría suceder si el Fabricante XYZ fabricara 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 ambos terrenos de tierra son relativamente “sólidos” (es decir, una baja resistencia entre ellos, como podría ser el caso si los dos terrenos se hicieran sobre la estructura metálica de un edificio industrial), ¡las dos fuentes de alimentación se cortocircuitarían entre sí!

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 los 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 con las que podrías encontrarte en tu profesión. Cada uno tiene sus propias aplicaciones, ventajas y desventajas. Vale la pena asociarte con algunos de los “sopa de alfabeto” que se utiliza para etiquetar los diversos diseños:

Buses 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 IBM-compatibles. Mucho más rápido que PC/AT. Velocidad 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 personales de tamaño portátil y portátil. Tiene una “huella” física muy pequeña, pero es considerablemente más lenta que otros buses de PC populares.

VME Un bus de alto rendimiento (codiseñado por Motorola y basado en el estándar anterior Versa-Bus de Motorola) para construir computadoras industriales y militares versátiles, donde múltiples tarjetas de memoria, periféricos e incluso microprocesadores podrían conectarse a un “rack” pasivo o “jaula de tarjetas” para facilitar diseños de sistemas personalizados. Velocidad de transferencia de datos típica de 50 Mbytes/segundo (64 bits de ancho).

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

S-100 A veces llamado el autobús Altair, este estándar de bus fue producto de una conferencia en 1976, destinada a servir como interfaz para el chip del microprocesador Intel 8080. Similar en filosofía al VME, donde múltiples tarjetas de función podrían enchufarse a un “rack” pasivo, facilitando la construcción de sistemas personalizados.

MC6800 El equivalente Motorola del bus S-100 centrado en Intel, diseñado para interconectar dispositivos periféricos con el popular chip microprocesador Motorola 6800.

STD es sinónimo de diseño simple, 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, es de 8 bits de ancho (paralelo), acomodando 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, diseñados por Intel. 16 bits de ancho (paralelo).

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

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

IDE Un bus utilizado principalmente para conectar unidades de disco duro de computadora personal con las tarjetas periféricas apropiadas. Ampliamente utilizado en las computadoras personales actuales para la interfaz de discos duros y unidades de CD-ROM.

SCSI Un bus alternativo (técnicamente superior al IDE) utilizado para unidades de disco de computadora personal. SCSI significa Interfaz de sistema de computadora pequeña. Se utiliza en algunas PC compatibles con IBM, así como en Macintosh (Apple) y en muchas computadoras de negocios mini y mainframe. Se utiliza para interconectar discos duros, unidades de CD-ROM, unidades de disquete, impresoras, escáneres, módems y una gran cantidad de otros dispositivos periféricos. Acelera 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 estaba destinado a la interfaz de equipos de prueba electrónicos como osciloscopios y multímetros a 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 plotter. A veces se usa para interactuar con otros dispositivos periféricos, como unidades de disco ZIP externas (disquetes de 100 Mbytes) y unidades de cinta.

USB Universal Serial Bus, que está destinado a 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 serie de alta velocidad capaz de operar a 100, 200 o 400 Mbps con características versátiles como “intercambio en caliente” (agregar o quitar dispositivos con el encendido) y topología flexible. Diseñado para una interfaz de computadora personal de alto rendimiento.

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

Redes de distancia extendida

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

RS-232C La red serial más común utilizada en los sistemas informáticos, a menudo utilizada para vincular dispositivos periféricos como impresoras y ratones a una computadora personal. Limitadas en velocidad y distancia (normalmente 45 pies y 20 kbps, aunque las velocidades más altas se pueden correr con distancias más cortas). He podido 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 conoce simplemente como RS-232 (sin “C”).

RS-422A/RS-485 Dos redes seriales diseñadas para superar algunas de las limitaciones de distancia y versatilidad de RS-232C. Se usa ampliamente en la industria para unir dispositivos serie en entornos de plantas eléctricamente “ruidosas”. Limitaciones de distancia y velocidad mucho mayores que el RS-232C, normalmente de 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 entre sí. Ethernet “Normal” funciona a una velocidad de 10 millones de bits/segundo, y Ethernet “Fast” funciona a 100 millones de bits/segundo. El Ethernet más lento (10 Mbps) se ha implementado en una variedad de medios en alambre de cobre (coaxial grueso = “10BASE5”, coaxial delgado = “10BASE2”, par trenzado = “10BASE-T”), radio y en fibra óptica (“10BASE-F”). El Fast Ethernet también se ha implementado en unos pocos 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 entre sí, utilizando una filosofía de comunicación que es muy diferente de Ethernet, lo que permite tiempos de respuesta más precisos de los dispositivos de red individuales y una mayor inmunidad al daño del cableado de la red.

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

Modbus/Modbus Plus Originalmente implementado por la corporación Modicon, un gran fabricante de Controladores Lógicos Programables (PLC) para vincular racks remotos de E/S (Entrada/Salida) con un procesador PLC. Sigue siendo bastante popular.

Profibus Originalmente implementado 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 el medio estándar para interconectar la instrumentación de control de procesos en el futuro