Hay muchas formas de implementar la capa física. Los equipos de red ofrecen una amplia gama de opciones de conectividad. Algunas redes están bien definidas mediante el modelo OSI, que permite identificar fácilmente cables, puentes, routers industriales, servidores serie, DTU y PC. A veces sólo hay unos pocos dispositivos conectados entre sí a través de algún tipo de red propietaria, o un enfoque de caja negra en el que el servicio de red está ligado al dispositivo.
El dispositivo de intercambio de datos serie más común es un servidor serie, que es un dispositivo RS232, RS422 y RS485 utilizado para conectar dos o más dispositivos entre sí. Las tres interfaces utilizan los términos equipo terminal de datos (DTE) y equipo de comunicación de datos (DCE). Un DTE es un componente que quiere comunicarse con otro componente en otro lugar, como un PC que se comunica con otro PC. El DCE es el componente que realmente comunica o realiza las funciones de generador y receptor que se tratan en la norma. Los módems son un ejemplo común de DCE.
La interfaz entre DTE y DCE puede clasificarse según aspectos mecánicos, eléctricos, funcionales y de proceso. Las especificaciones mecánicas definen el tipo de conector y el número de pines. Las especificaciones eléctricas definen las tensiones de línea y las formas de onda, así como los modos de fallo y sus efectos. Las especificaciones funcionales incluyen la temporización, los datos, el control y las conexiones a tierra de las señales, así como los pines funcionales que se van a utilizar. La interfaz del programa especifica cómo se intercambian las señales.
RS485 es otro método de transmisión de datos en serie. Oficialmente, es la EIA 485, o "Norma para características eléctricas de generadores y receptores utilizados en sistemas multipunto digitales equilibrados" de la Asociación de la Industria Electrónica (EIA). Esta norma define un método para generar ceros como impulsos de tensión . Recuerde que, a pesar de todo el procesamiento de datos, el encuadre, la agrupación, el enrutamiento y el direccionamiento realizados por las capas superiores, todo se reduce a introducir 1s y 0s en un medio físico.
Lo importante que hay que saber sobre RS485 es que permite múltiples receptores y generadores, y las características del cable se especifican en términos de velocidad de señalización y longitud. Los cables típicos son pares trenzados apantallados de hilo de cobre, suficientes para velocidades de señalización típicas de 10 millones de bits por segundo (Mbps). Esta norma sólo define las características eléctricas de la forma de onda. Tenga en cuenta que RS485 no especifica ninguna capacidad de control del medio: depende estrictamente del dispositivo (normalmente un chip) conectado al generador. RS-485 suele funcionar con longitudes de cable de hasta 2.000 pies.
Un ejemplo de red serie sencilla podría ser una serie de registradores conectados mediante un enlace RS-485 a un PC que reciba los datos recogidos por cada registrador. El fabricante vende una tarjeta enchufable que se instala en cada videograbadora y viene con instrucciones de cableado. Cada tarjeta de red se conecta en cadena a otros cables de red a través de una serie de cables de par trenzado apantallados, que en última instancia terminan en una tarjeta de interfaz de red en el PC. Aparte de conocer las limitaciones de RS-485 (distancia, apantallamiento, velocidad de transmisión de datos, etc.), no es necesario conocer y comprender las capas de red en esta disposición.
Por su título, la norma RS422 es TIA/EIA 422 B, "Características eléctricas de los circuitos de interfaz digital de tensión equilibrada", desarrollada por la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones (en colaboración con la EIA). Es similar a RS485; la principal diferencia es el tiempo de subida y las características de tensión de la forma de onda. RS422 suele permitir longitudes de cable de hasta 1,2 kilómetros y hasta 100.000 bits por segundo (kbps). A 10 millones de bps (Mbps), la longitud del cable se limita a unos 10 metros (Figura 4-3). En caso de desequilibrio del cable o de altos niveles de ruido en modo común, la longitud del cable puede reducirse aún más para mantener la velocidad de señalización deseada.
RS232C es probablemente la forma más común de intercambio de datos serie. La TIA, de nuevo con la EIA, la denomina oficialmente EIA/TIA 232 E, "Interfaz entre equipos terminales de datos y equipos de terminación de circuitos de datos mediante intercambio de datos binarios". El sufijo "E" indica una versión superior a la "C" ordinaria. Esta norma se diferencia de las RS422 y RS485 en que define a la vez una interfaz mecánica y una interfaz eléctrica.
RS232 es adecuado para velocidades de señalización de hasta 20 kbps y distancias de hasta 15 metros. Los ceros (espacios) y unos (marcas) se miden en función de la diferencia de tensión con respecto a la señal común (3 V cc = 0, -3 V cc = 1) . Las interfaces mecánicas más comunes son los conectores D-sub 9 y D-sub 25.
Los circuitos de conmutación (pines) de los dispositivos RS232 se dividen en cuatro categorías: señal común, circuito de datos (datos enviados, datos recibidos), circuito de control (es decir, solicitud de envío, autorización de envío, DCE preparado, DTE preparado) y circuito de temporización .
Todos los estándares anteriores se utilizan en esquemas de comunicación serie diseñados para distancias más largas. Existe una interfaz paralela universal denominada General Purpose Interface Bus (GPIB) o IEEE-488. Puede interconectar hasta 15 dispositivos, normalmente ordenadores personales y equipos científicos. Proporciona altas velocidades de señalización de datos de hasta 1 Mbps, pero tiene una longitud limitada. La longitud total permitida del bus es de 20 metros y la distancia entre dispositivos no supera los 4 metros.
El bus IEEE-488 es una interfaz paralela multipunto con 24 líneas accesibles a todos los dispositivos. Estas líneas se dividen en líneas de datos, líneas de handshake, líneas de gestión del bus y líneas de tierra. La comunicación es digital y los mensajes se envían de byte en byte. El conector es de 24 patillas; los dispositivos del bus utilizan conectores hembra, mientras que los cables de interconexión tienen conectores macho a juego. Un cable típico tendrá conectores macho y hembra para permitir la conexión en cadena entre dispositivos.
Un ejemplo de implementación de IEEE-488 es un sistema de medición diseñado para evaluar el rendimiento de celdas de muestras químicas. El tanque realiza el acondicionamiento de muestras (control de presión, caudal y temperatura) y el análisis químico (pH, oxígeno disuelto y conductividad) de muestras de agua. El tanque aloja el sensor de presión, el detector de temperatura por resistencia (RTD), el termopar y la unión de referencia. Se utiliza un escáner de 30 puntos para multiplexar los datos de todos los sensores. El escáner se conecta a un ordenador de sobremesa o portátil mediante una interfaz GPIB. Bajo IEEE- 488, los datos pueden ser adquiridos, almacenados, visualizados y reducidos de manera eficiente y fiable utilizando aplicaciones en su PC.
El medio utilizado para implementar la capa física suele ser un conjunto de hilos de cobre. El cable de par trenzado no apantallado (UTP) es el más asequible. Es ligero, fácil de tirar, fácil de terminar y ocupa menos espacio en la bandeja de cables que el par trenzado apantallado (STP). Sin embargo, es más susceptible a las interferencias electromagnéticas (EMI).
El STP es más pesado y difícil de fabricar, pero puede aumentar mucho la velocidad de señalización en un esquema de transmisión determinado. La torsión anula el campo magnético y el flujo de corriente en un par de conductores. Los campos magnéticos se generan alrededor de otros conductores que transportan grandes corrientes y alrededor de grandes motores eléctricos. Existen varias clases de cables de cobre, siendo la clase 5 la mejor y más cara. Los cables de cobre de clase 5 adecuados para aplicaciones de 100 Mbps tienen más torsiones por pulgada que los cables de cobre de clase inferior. Más torsiones por pulgada significa más pies lineales de alambre de cobre utilizados para formar un tendido de cable, y más cobre significa más dinero.
El apantallamiento permite reflejar o absorber los campos eléctricos que rodean al cable. El apantallamiento se presenta en muchas formas, desde trenza o malla de cobre hasta cinta de Mylar aluminizado envuelta alrededor de cada conductor o pares trenzados.
Como las aplicaciones de los usuarios requieren anchos de banda cada vez mayores, la fibra óptica se utiliza cada vez más. El término "ancho de banda" se refiere técnicamente a la diferencia entre las frecuencias más alta y más baja de un canal de transmisión, medida en hercios (Hz). Más comúnmente, representa la capacidad o cantidad de datos que pueden enviarse por un circuito determinado.
El ancho de banda estándar con cable de fibra óptica es de 100 Mbps. Cuando se introdujo por primera vez, la fibra óptica se consideraba sólo para aplicaciones especiales porque era cara y difícil de usar. En los últimos años, la búsqueda de un mayor ancho de banda combinada con una fibra óptica más fácil de usar la ha hecho más común. Se proporcionan herramientas y formación para instalar y solucionar problemas de fibra óptica.
Existen tres tipos básicos de cable de fibra óptica: multimodo con índice escalonado, multimodo con índice graduado y monomodo. La fibra multimodo suele estar accionada por LED en ambos extremos del cable, mientras que la fibra monomodo suele estar accionada por un láser. La fibra monomodo puede alcanzar anchos de banda mayores que la multimodo, pero es más fina (10 micras) y físicamente más débil que la multimodo. El equipo para transmitir y recibir señales de fibra óptica monomodo cuesta mucho más (al menos cuatro veces más) que las señales multimodo.
Una clara ventaja de los cables de fibra óptica es la inmunidad al ruido. Aunque deben respetarse las clasificaciones de resistencia al fuego, los cables de fibra óptica pueden pasar impunemente por zonas muy ruidosas. Los cables que atraviesan varios espacios de una fábrica deben cumplir las clasificaciones de la National Fire Protection Association (NFPA ) para sistemas de ventilación contra incendios/ventilación/aire acondicionado (HVAC).
Palabras clave: Terminal de transmisión de datos Ethernet industrial