Introducción
El USB es un método convencional para conectar muchos dispositivos comerciales, pero al igual que Ethernet antes, se está adoptando lentamente para su uso general en la fábrica.
Ethernet hoy en día está presente en la fábrica, pero no siempre fue así, De hecho, fue difícil encontrar un hogar allí, Durante muchos años, los ingenieros se quejaron de su capacidad en tiempo real, la confiabilidad del conector, la capacidad del hardware de Ethernet para sobrevivir en condiciones difíciles y otros problemas, Ethernet superó esas preocupaciones y ahora es la red de automatización más importante en la fábrica, los defensores de USB en la industria apuntan al ejemplo de Ethernet para afirmar que el USB también puede superar ese tipo de escepticismo, con el crecimiento explosivo de USB en el entorno de oficina, reportado en varios miles de millones de dispositivos, los defensores esperan que la historia se repita.
Es difícil de creer que eso suceda, USB no es Ethernet, En muchos niveles diferentes, Está claro que es una de las tecnologías de PC de más rápido crecimiento y que es el bus estándar para periféricos de PC porque ofrece facilidad de uso, alto rendimiento y aceptación universal en la plataforma de PC, Pero eso no significa que se adoptará como tecnología principal para la automatización en fábrica, En su lugar, lo más probable es que encuentre un hogar como tecnología de nicho en algunas aplicaciones especializadas.
Este artículo examina el puerto USB y su aplicabilidad para aplicaciones de la industria, Aborda la historia de USB, la tecnología, las ventajas y limitaciones de USB en el entorno de fábrica y la forma más probable de que se implemente USB en los próximos años.
Historia
El USB es una tecnología de los años noventa, 1996 para ser exactos, las PC realmente estaban llegando al mercado masivo en la década de 1990 y había un nuevo periférico cada día, parecía que cada minuto aparecía una nueva impresora, cámara, dispositivo de señalización, reproductor multimedia, adaptador de red, disco duro externo y más.
La entrega y administración de los controladores para todos estos dispositivos se convirtió en un problema muy rápido, pero el problema inmediato fue que los usuarios se quedaron rápidamente sin puertos serie y paralelos, no era tan importante para las PC de torre que guardabas debajo de tu escritorio, los fabricantes de esos tipos los entregaron con montones de puertos seriales y puertos paralelos.
El verdadero problema era la guerra de los portátiles, la batalla en ese mercado fue sobre costo y tamaño, puertos serie y paralelos perdidos en ambos conteos, eran componentes metálicos caros que ocupaban mucho espacio, estaba claro que había que encontrar un reemplazo.
Ingrese a USB (Universal Serial Bus) y avance ocho años más tarde hasta 2004, 1 billón de dispositivos USB en el mundo, y las estimaciones para 2015 son de hasta 10 mil millones, USB trae mucho a la mesa a través de puertos seriales y paralelos, es de bajo costo, se puede conectar en caliente, usa una interfaz Plug and Play y es compatible con muchos dispositivos (127) con una lista de características que explica la estimación de 10 mil millones de dispositivos:
- Conexiones sencillas sin terminales de tornillo.
- Conectores estandarizados.
Conectores que no se pueden conectar erróneamente en los receptáculos incorrectos. - Una interfaz de dispositivo host que puede admitir dispositivos con distintos niveles de rendimiento.
- Conexiones de dispositivo intercambiables en caliente.
- Expansibilidad cuando necesitas agregar otro dispositivo.
- Encienda el bus para admitir dispositivos que pueden existir sin una conexión de alimentación separada.
- Implementación de bajo costo para proveedores de dispositivos, Muchos procesadores incorporados contienen el host USB y / o la implementación del dispositivo.
Por el lado de la PC, el USB es extremadamente elegante, no utiliza IRQ (solicitudes de interrupción), canales DMA o espacio de direcciones de E/S: recursos del sistema que a veces son escasos.
El USB ahora es tan omnipresente, los nodos ahora son imposibles de contar e incluyen cosas extravagantes como la unidad “Thumb”, el USB Kitty (ronronea mientras trabaja) y el roedor USB (funciona a la velocidad de su escritura).
Todos usamos dispositivos USB, pero ¿cómo funcionan? Uno de los objetivos de la tecnología era facilitar a los usuarios sin experiencia “conectar y jugar”. Lo lograron, casi puedes agarrar la mayoría de las cosas, enchufarlas, esperar a que pase un poco de magia y, bang, tu dispositivo está conectado, puede acceder a sus imágenes, datos del disco duro externo o incluso ver cómo corre el roedor mientras escribe. ¿Pero qué es esa “magia” y qué implicaciones tiene para la fábrica? Descripción de la tecnología (la magia) probablemente ya estés familiarizado con la arquitectura de USB, Hay un concentrador raíz, generalmente en su computadora portátil que es el centro de la arquitectura de niveles en estrella, La red está escalonada a través de hubs que pueden extender la estructura en forma de árbol en cinco niveles, Se pueden conectar hasta 127 dispositivos al árbol.Comprender la tecnología USB se vuelve difícil debido a las complejidades introducidas por cada revisión sucesiva, USB 1,0 tenía las capacidades más básicas con la revisión más reciente, 3,0, agregando una velocidad súper de 5 Gbit/s y una operación de dúplex completo.Revisiones USBAquí hay un resumen rápido de cada revisión:USB 1,0 (publicado en enero de 1996)Dos velocidades, 1,5 Mbit/s (ancho de banda bajo) y 12 Mbit/s (ancho de banda completo)• Implementaciones básicas de clase de dispositivoUSB 2,0 (publicado en abril de 2000)Se agregó la velocidad de señalización máxima de “alta velocidad” de 480 Mbit/s• Se introdujeron los mini conectores• Se mejoró la interfaz eléctrica
• Se agregó una especificación de carga de la batería para las personas que querían usar su puerto USB como una estación de carga
• Se agregó en la Ir, lo que significa que un dispositivo USB podría comunicarse directamente con otro dispositivo USB sin utilizar ese concentrador raíz
USB 3,0 (lanzado en noviembre de 2008)
Velocidad de transferencia de datos agregada de 5 Gbit/s (Súper velocidad)
• Disminución del consumo de energía
• Comunicaciones iniciadas por el dispositivo (En 1,0 y 2,0, un dispositivo solo puede comunicarse cuando el host se lo comunica)
Entonces, ¿por qué no has escuchado más sobre 3,0? Se implementó hace casi 11 años y hoy en día, hay pocos dispositivos 3,0, Esto se debe en gran parte a la falta de soporte de Microsoft y, en cierta medida, a Linux, Microsoft anunció la compatibilidad con USB 3,0 para Windows 7, pero lo envió sin, y solo recientemente se han distribuido distribuciones de Linux con soporte 3,0, hasta que el sistema operativo lo admita, hay pocas razones para que los proveedores de dispositivos avancen con productos compatibles con 3,0.
Interfaz eléctrica USB
A menos que sea un verdadero geek, es probable que no le importe mucho la interfaz eléctrica, pero es posible que desee saber que el USB funciona con una alimentación de 5 VCC y que 100 m es la carga básica de la unidad para el USB, Los dispositivos que se designan a sí mismos dispositivos de bajo consumo no pueden generar más de una unidad de carga, Los dispositivos de alta potencia no pueden generar más de 5 unidades de carga (500 m), Los dispositivos autoalimentados, dispositivos que se alimentan desde una conexión de alimentación externa, pueden extraer hasta 1 unidad de carga del bus.
En USB 1,0 había cuatro cables; 5VDC, común y dos líneas de datos, Las líneas de datos utilizan señalización diferencial para suprimir el ruido eléctrico, Si esto te recuerda a RS485 estás en el camino correcto; La implementación eléctrica de USB 1,0 es casi idéntica a la implementación RS485.
Otra complejidad que causa cierta incomodidad es la proliferación de enchufes para USB, En la especificación USB original hay simplemente un enchufe y receptáculo estándar de cuatro clavijas, El enchufe A está enchufado en el hub, El enchufe B está enchufado a un dispositivo, posteriormente se agregaron Mini A y Mini B a la mezcla, estos enchufes, además de disminuir el perfil USB, agregaron un quinto cable para identificación, Esta línea de identificación le permite al controlador del host determinar si hay un dispositivo conectado a un puerto USB, Si eso no es suficiente, los conectores Micro A y Micro B ofrecen otra versión que se usa ampliamente en cámaras y teléfonos celulares.
Operación USB
La especificación del software USB se ejecuta para volúmenes y describe cómo se reconocen los dispositivos, se empaquetan los datos y se detectan errores, Hay algunos elementos del funcionamiento del USB que son interesantes para alguien que está interesado casualmente en esta tecnología:
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Enumeración
La enumeración en el mundo USB describe el proceso de un nuevo dispositivo que se conecta a un host, después de un ciclo de alimentación, un host USB consulta todos los dispositivos en la red USB, A cada dispositivo se le asigna una dirección y el host identifica el tipo de transferencia de datos requerida, A medida que avanza el proceso de enumeración, el host USB rastrea el ancho de banda total que solicitan los dispositivos y una vez que se asigna el 90% del ancho de banda, el host niega el acceso a otros dispositivos que solicitan un ancho de banda definido.
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Clases de dispositivos
Cada dispositivo USB se define mediante un código de clase, un número del 0 al 255, En el mundo de Windows, el código de clase es el que se utiliza para identificar y cargar un controlador adecuado para el dispositivo USB, Estos códigos de clase de dispositivo incluyen:
01 – Altavoces y micrófonos
03 – Teclado, ratón y joystick
06 – Escáner
07 – Impresora
08 – Dispositivos de almacenamiento masivo
Los dispositivos con un código de clase particular deben cumplir con la especificación de Clase de dispositivo en el sitio web de USB-IF, Esa es la razón por la que cualquier impresora USB (código de clase de dispositivo 7) puede usar el mismo controlador que cualquier otra impresora USB, Los dispositivos que tienen una funcionalidad especial utilizan el código de clase de dispositivo 255, Los proveedores que suministran dispositivos con esa clase de dispositivo deben proporcionar el controlador para el dispositivo.
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Tubos de dispositivos
Un conducto es un canal lógico entre el controlador host USB y una entidad funcional en un dispositivo USB llamado punto extremo, Los hosts USB pueden tener hasta 32 tuberías; 16 en el host y 16 fuera del host, hay varios tipos diferentes de tuberías:
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Transferencias isócronas: Transferencias a una velocidad de datos garantizada, este tipo de tubería se utiliza para video y audio; Muy rápido pero no necesariamente sin pérdida de datos.
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Transferencias de interrupción: Dispositivos que necesitan una respuesta instantánea (su mouse utiliza una transferencia de interrupción).
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Control de transferencias: Mensajes cortos que contienen comandos y respuestas.
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Transferencias masivas: Grandes transferencias de datos entre el host y un dispositivo, esto incluiría transferencias de tipo de archivo donde el ancho de banda y la latencia no están garantizados (piense en las impresoras).
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Iniciación de la conexión
hay una secuencia bien definida que se sigue cuando se conecta un nuevo dispositivo a un puerto USB, esta secuencia le permite al host identificar la velocidad del dispositivo (bajo/Alto/Super) y asignar una dirección al dispositivo, cada vez que se reinicia el host, se reinicia el proceso de conexión, al final del proceso de conexión, el host USB puede indicar al sistema operativo o al programa de aplicación que un nuevo dispositivo ahora está conectado a la red con esta clase de dispositivo para que se pueda crear una instancia del controlador adecuado.
Este es un extracto del tratado sobre la especificación USB, son algunos de los puntos culminantes, ya que es imposible comprimir las 650 páginas de especificaciones USB en un artículo corto como este, para todos los detalles relevantes, visite usb.org.
Operación en la industria, limitaciones y preocupaciones
El USB está creciendo en la industria por muchas razones, una de los principales es que es difícil comprar PC con puertos serie, y es difícil comprar PC con múltiples ranuras para tarjetas para que pueda agregar puertos seriales, además, el hecho de que el USB esté presente en toda la oficina lo convierte en una opción conveniente para las aplicaciones de automatización.
Es conveniente, pero ¿es la elección correcta?
VENTAJAS DEL USB EN LA INDUSTRIA
Rendimiento: con las transferencias de 480Mbit/s en USB 2,0 y 5Gbit/s en USB 3,0, USB es más rápido que casi todas las redes industriales, excepto Ethernet.
Convenencia: la tendencia en los últimos años es incrustar servidores web en un dispositivo y usarlas para la configuración del dispositivo, Esto funciona bien, excepto por las dificultades para configurar una computadora portátil para acceder a un dispositivo en una subred de automatización específica, Los usuarios novatos a menudo tienen dificultades para configurar la dirección IP de una computadora portátil para acceder a un dispositivo en una subred de automatización.
A los usuarios ahora les resulta difícil aceptar las herramientas de configuración de software y toda la sobrecarga administrativa de administrar muchas herramientas para todos los dispositivos en la fábrica, esto puede cambiar con la llegada de las nuevas computadoras PAD con soporte USB como el Google Pad, administrar una serie de aplicaciones de automatización probablemente será más fácil que administrar el software de una computadora portátil, Y dada la facilidad y velocidad de conexión a un dispositivo a través de USB, es posible que los Pads con USB puedan encontrar un lugar como herramientas de configuración básica.
Soporte de dispositivos: Con varios miles de millones de dispositivos equipados con USB, hay muchas opciones para que los ingenieros de automatización evalúen y consideren, y con la facilidad de agregar USB a sus productos (muchos procesadores integrados ahora tienen compatibilidad con USB de manera predeterminada) es probable que muchos dispositivos de automatización tengan USB en el futuro.
USB inalámbrico: disponible desde hace varios años, el USB inalámbrico podría ser exactamente lo que desean los fabricantes de máquinas, más rápido que Ethernet, menos costoso que las soluciones cableadas y otras soluciones no cableadas y con un rendimiento superior al 802,11, el USB inalámbrico podría convertirse en una excelente solución de E/S para los fabricantes de máquinas.
LIMITACIONES AL USB EN LA INDUSTRIA
Ahora veamos algunos de los factores que podrían limitar el despliegue de USB en la fábrica.
Restricciones de topología: USB 2,0 (480Mbit/s) está limitado a 5 metros, Eso es bastante corto para los estándares industriales.
Falta de controladores de clase de dispositivos: como se señaló anteriormente, cada dispositivo USB tiene un indicador de clase de dispositivo, ese indicador, entre otras cosas, es un controlador principal de cómo el sistema operativo (Windows o Linux) identifica un controlador para el dispositivo, en el mundo de las PC, hay pocas limitaciones de almacenamiento en disco duro y RAM, los controladores para muchos, si no todos, las clases de dispositivos USB pueden estar disponibles incluso si muchos de esos controladores nunca se usan.
En el mundo de la automatización, fuera de los servidores de PC, esto es mucho más difícil, un PLC que admite USB tiene un almacenamiento limitado y no puede admitir todos los controladores definidos, en su lugar, solo debe admitir un número mucho menor de dispositivos USB que puedan integrarse en su funcionamiento, Integrar los datos de un dispositivo USB en la operación de un dispositivo de la industria como el PLC es muy difícil, los dispositivos simples son mucho más factibles que los dispositivos complejos, limitar las clases de dispositivos admitidas tiene mucho sentido en este entorno, un lector de código de barras (Clase de dispositivo 3) podría ser el único dispositivo que el PLC admitiría, los datos son simples y podrían vincular los datos del código de barras a una etiqueta específica que obtendría el código de barras cuando esté disponible, los dispositivos complejos como el almacenamiento masivo, las cámaras y otros, por supuesto, no serían compatibles.
Un número de fabricantes de PLC están actualmente reemplazando sus puertos serie con USB, parece que esto no es para permitir la transferencia de datos a través del puerto USB, sino para permitir que las herramientas de programación controladas por computadoras portátiles que carecen de puertos seriales puedan programar los PLC sobre esos puertos.
Seguridad: ya no se puede escribir nada sobre la automatización de la industria sin mencionar la seguridad, el USB es una de las maneras más fáciles en que un hacker puede ingresar a un sistema de automatización, las unidades de memoria USB que recoja en esa conferencia son excelentes maneras de incorporar virus y malware a su sistema de automatización.
¿Es cierto también para un sistema de automatización integrado (PLC y otros dispositivos)? posiblemente, si tiene un PLC que permite que los programas se carguen desde un dispositivo USB, eso es un obvio agujero de seguridad, pero ¿qué hay de proteger sus datos? ¿Se le puede ordenar fácilmente a su sistema que descargue datos críticos a una memoria USB? ¿Qué pasa si alguien no autorizado obtiene esa información?
Problemas de seguridad: una de las consideraciones más importantes para la implementación de dispositivos en la planta de producción es asegurarse de que los dispositivos estén protegidos eléctricamente, La fábrica es un entorno de pesadilla en comparación con un entorno de oficina.
Muchas fallas eléctricas ocurren en la industria, hay enormes motores arrancando y parando, a veces hay fluctuaciones de energía que pueden ondularse a través de las líneas de comunicación, o con la cantidad de mantenimiento en curso, alguien puede simplemente confundir algo, a diferencia del entorno de la oficina, muchas de las señales en la industria se terminan conectando los cables pelados a los terminales de tornillo, no a los conectores precableados.
La mayoría de los dispositivos de la industria utilizan una forma de aislamiento para evitar que una señal eléctrica se propague a través de un sistema, Ethernet tiene un tipo de aislamiento magnético entre nodos, Muchos otros dispositivos utilizan aislamiento óptico.
USB no tiene aislamiento, cualquier señal desviada recibida por un dispositivo USB puede propagarse al host y, si la señal es lo suficientemente fuerte, destruye la electrónica en el host y posiblemente en otros dispositivos.
Pensamientos finales
Es fácil suponer que el USB es USB, todo se conecta, el USB en la fábrica será mucho más limitado, los problemas operativos de la compatibilidad con los controladores de dispositivos USB, las limitaciones de longitud del cable, los problemas de seguridad y la falta de aislamiento eléctrico parecen condenar el uso generalizado de USB en la fábrica, Incluso los servidores de PC pueden estar limitados, no es infrecuente que los departamentos de TI deshabiliten los puertos USB en los servidores de la fábrica para evitar el acceso de dispositivos de memoria USB no autorizados, el USB puede encontrar un hogar en la automatización para admitir las herramientas de desarrollo lógico de PLC y la configuración del dispositivo, pero las limitaciones son demasiado severas para convertirlo en una tecnología ampliamente utilizada.
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