CONCEPTOS BASICOS DE CONCEPTOS BASICOS DE COMUNICACIONES COMUNICACIONES INDUS INDUSTRIALES TRIALES 

Fabiana Fer reira 

Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería 

Universidad de Buenos Aires 

CURSO CURSO

2 

Índice del curso 

Utilización de redes de comunicaciones  industr iales 

Conclusiones 

Protocolos y per files OSI 

Componentes de sistemas de control industr ial en red 

Conceptos básicos de comunicaciones inalámbr icas y TCP/IP industr iales

UTILIZACION DE REDES DE UTILIZACION DE REDES DE COMUNICACIONES COMUNICACIONES INDUS INDUSTRIALES TRIALES 

Fabiana Fer reira 

Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería 

Universidad de Buenos Aires

4 

Red industr ial Red de tiempo real utilizada en un sistema de producción para conectar  

distintos procesos de aplicación con el propósito de asegurar  la explotación de la instalación (comando, supervisión, mantenimiento y gestión) 

Sistema de comunicación que provee servicios bajo restricciones temporales y está constituido por  protocolos capaces de gestionar  estas restr icciones §  Garantiza que las restricciones de tiempo serán respetadas con cierta probabilidad 

Adaptados al usuario Predeterminado Servicios 

Aleatorio Determinístico Tráfico 

Personas Procesos Usuar io 

Red de empresa Red Industr ial 

generales Según aplicación Método de comunicación 

No crítico Crítico Tiempo de respuesta 

Todos los usuarios Predeterminada Simultaneidad

5 

Necesidades §  Un proceso se realiza en dos 

estaciones separadas 500 m 

§  Para completar un lazo PID, se requiere un dato de un sensor distante. 

•  Un supervisor debe cambiar parámetros de los controladores 

•  Los actuadores y sensores están distribuidos en centenas de metros. 

•  Red de controladores 

•  Red de supervisión 

•  Red de campo 

•  Red de campo + control distr ibuido 

CONTROL  ACTUADOR  PROCESO 

MEDICION 

SP  e 

m 

VC 

A/D 

D/A Algoritmo de control 

CONTROLADOR DIGITAL 

Alg. de Control 

Alg. de control

6 

Jerarquía de redes

7 

Clasificación de redes 

Red de celda o red intermediar ia: §  Conecta entre sí los equipos de comando 

y control pertenecientes a un islote de producción 

§  Equipos conectados: controladores 

Red de sala de comando §  Transmite  al operador los datos 

necesarios para conducir el proceso y al proceso los cambios de consigna, parámetros, etc. emitidos por el operador 

§  Equipos conectados: PLC, DCS , Robots, CN con sistemas de supervisión 

Red de fábr ica: §  Interconecta todos los sectores  y 

servicios de una fabrica: líneas de producción, almacén , control de calidad,servicio generales, ingeniería 

§  Equipos conectados: computadoras 

Red de larga distancia §  Conecta puntos de producción con 

sistemas de supervisión y control §  Núcleo de sistemas  SCADA §  Equipos conectados: RTU´s, PC´s, 

Computadoras 

Bus de campo o Fieldbus: §  Red local industrial  que conecta dispositivos de campo con equipos que 

soportan procesos de aplicación con necesidad de acceder  a estos dispositivos §  Equipos conectados: 

ü Dispositivos de campo: captadores,  actuadores, Elementos HMI ü Equipos que soportan procesos de aplicación: controladores (PLC,  CPU de DCS, CN, Robot), Computadoras, Sistemas HMI

8 

Las redes industr iales en el control de procesos La solución tradicional 

R e d 

C o n t r o l a d o r 

T  A A  T T A T 

C o n t r o l a d o r 

S u p e r v i s o r 

La solución distr ibuida 

B u s   d e   c a m p o 

R e d     d e s u p e r v i s i ó n 

C o n tr o l a d o r 

T  A A  T T A T 

C o n tr o l a d o r 

S u p e r v i s o r

9 

Clasificación de buses de campo 

FIELDBUS 

DEVICEBUS 

Tipo de datos 

Funciones 

Bit  Byte  Paquetes 

SENSORBUS 

Ctrl Lógico 

Ctrl. de Procesos 

Sensorbus: •  Información transmitida en bits •  Variables digitales •  Conectan captadores , actuadores , botoneras, interruptores, etc. con un controlador central 

•  Función : distribuir E/S digitales •  ASi, FlexIO 

Devicebus: •  Información transmitida en bytes •  Variables digitales y algunas analógicas •  Conectan dispositivos, controladores, Pc´s. 

•  Función : Compartir dispositivos de campo entre varios equipos de control y comando. 

•  CAN, Device­Net, SDS,DWF 

Fieldbus: •  Información transmitida en palabras o tablas 

•  Variables analógicas y algunas digitales •  Conectan dispositivos, controladores, Pc´s. 

•  Función : Repartir la aplicación. •  FF, Profibus, WorldFIP, ControlNet

10 

Plant 

Smart Device  C

ontrolNet 

Interbus­S 

PROFIBUS DP 

DeviceN

et 

SDS 

SensoP

lex 

AS­i 

Seriplex 

Impacc 

Sensor Bus Device Bus Field Bus  Control Bus 

PROFIBUS FMS 

Modbus + / D

H+ 

Block I/ O 

FOUNDATION Fieldbu

s 

World FIP 

ECHELO

N 

PROFIBUS PA 

Process Unit 

Bit I/ O 

Buses de campo

11 

Histor ia •  fin de los 70´s – Pr imeras Redes 

industr iales propietar ias §  Entre  controladores ü PLC( Modbus­MODICON), DCS: WPDF (Westinghouse) 

§  Ppara resolver problemas de heterogeinedad ü LAC, FACTOR, MAP 

•  80´s : redes propietar ias PLC – ü Telway­ Unitelway (Telemecanique), Data Highway (Allen Bradley), Sinec (Siemens ), Tiway( Texas ) 

•  1982­ Se crea grupo de tr abajo en Francia para  obtener  un bus industr ial único §  especificación FIP ( Factory 

Instrumentation Protocol) •  1983­ Comienza P­NET ( Dinamarca) •  1984­Especificación CAN ( Controller  

Area Network) de Bosch •  1985­ Se forma el grupo Profibus 

(Alemania) 

•  Situación en 1990: diversos protocolos no compatibles §  Basados en productos existentes o prototipos:MIL1553B, Hart (Rousemount), 

Bitbus ( Intel) §  Propuestas completas: FIP, Profibus.

12 

Normalización •  Normas Internacionales 

§  1985­ Formación Comités: ISA SP50, IEC TC65/SC65C 

§  Objetivo : “Crear un único standard fieldbus” 

•  Normas Nacionales Europeas §  1990­ DS21906 ( Dinamarca): P­ 

Net §  1990­ DIN 19425­1 a 3 

(Alemania): Profibus §  1991­ AFNOR      ( Francia) : FIP §  BS  (Gran Bretaña): 

FOUNDATION 

CENELEC ( TC65CX)  y CEN TC 310 

•  Aparece en 1996 la norma EN 50170 compuesta por  un conjunto de per files sin compatibilidad entre sí: §  Parte 1: P­Net §  Parte 2: Profibus §  Parte 3: FIP §  Parte 4: FOUNDATION (BS). 

Rechazada en 1997 •  EN 50254 §  “High Efficiency 

Communications Subsystems for small Data packets” 

§  Incluye: ASi, Interbus, Profibus DP, DWF ( Device World FIP)

13 

Normas IEC Fieldbus IEC TC65/SC65C/WG6 

•  1993­ Norma IEC 1158­2­ Capa Física •  1996­ IEC 61158­ 1 Draft de DLL(FIP) Rechazado 12/96 •  3/1998­Draft DLL aprobado ( similar  a ISA TR50.02 par tes 3 y 4) •  1999 a 2000­ Se terminan de aprobar  las restantes par tes 

•  IEC 61158­1, Introduction •  IEC 61158­2, Physical Layer  

Specification and Service definition •  IEC 61158­3, Data Link Service 

Definition •  IEC 61158­4, Data Link Protocol 

Specification •  IEC 61158­5, Application Layer  

protocol Specification •  IEC 61784, Profile Sets for  

Continuos and discrete manufactur ing 

•  Tipos  norma IEC: §  1­ FOUNDATION Fieldbus §  2­ControlNet ( ControlNet, Ethernet/IP) §  3­ Profibus (DP y FMS) §  4­ P­NET (multipoint, point to point) §  5­  FOUNDATION Fieldbus HSE §  6­ SwiftNet (openAL, real Time AL) §  7­ WorldFIP (MPSy MCS, subsetMMS, 

part of MPS) §  8­ Interbus ( generic, extended, reduced 

6/2)

14 

Consorcios y organizaciones Problemas en normalización ===> especificaciones de distintos proyectos: •Fieldbus Foundation •ISP : Interoperable System Project ( desaparecido) •PTO: Profibus Trade Organisation •ODVA: Open Device Net Vendor  Association •Wor ld FIP.Organisation......Etc. 

ASi CANbus DeviceNet FIPIO P­Net 

LonWorks InterBus­S BAC­net 

Wor ldFIP PROFIBUS 

FOUNDATION Fieldbus Control – Net Swift­Net HART Modbus

15 

Clasificación por  dominio de aplicación 

Procesos continuos 

Gestión de edificios (domótica) 

Industr ias manufactureras 

Sistemas embarcados 

Transpor te de energía y fluidos 

Sistemas de comunicación

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Requisitos para un bus de campo Transmitir  datos per iódicos antes que 

vuelvan a ser  muestreados 

Transmitir  datos aper iódicos dentro de un tiempo acotado 

Transpor tar  pequeños paquetes de información en un tiempo acotado 

Muestrear  en forma simultanea y per iódica  cier ta cantidad de entradas 

Indicar  si los valores adquir idos están dentro del er ror  aceptable para el intervalo de muestreo ( consistencia temporal ) 

Proveer  medios para conocer  el orden en que se produjeron eventos esporádicos 

Permitir  tr ansmisiones punto a punto y multipunto 

Resistir  inter ferencia , vibraciones, etc. 

Bajo costo en todo el ciclo de vida de la aplicación

PROTOCOLOS Y PROTOCOLOS Y PERFILES OSI PERFILES OSI 

Fabiana Fer reira 

Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería 

Universidad de Buenos Aires

18 

Modelo OSI (Open System Interconnection Open System Interconnection ) 

ISO 7498 ,1984 Es un modelo para las normas de interconexión y cooperación de sistemas 

abiertos . Sistema abier to •  comunicación entre 

equipos de tipos y/o constructores diferentes 

•  Reglas de comunicación son públicas 

Presentación 

Sesión 

Aplicación 

Transporte 

Red 

Enlace 

Física 

Presentación 

Sesión 

Aplicación 

Transporte 

Red 

Enlace 

Física Medio Físico 

AP  AP 

•  Cada capa cor responde a un tipo de problema 

•  Dos Tipos de capas : §  Capas 1 a 4: Transporte 

de la información §  Capas 5 a 7 : Servicios 

de acceso

19 

Pasaje de datos entre capas

20 

Capa Física (PhL) •  Asegura la transmisión de bits y la interfase entre el soporte de transmisión y el DTE •  Especifica las reglas de funcionamiento y procedimiento del circuito de datos (mecánicas , eléctricas , 

ópticas) •  Ej: RS232/ RS485 /X21 

Capas infer iores 

Capa Enlace de Datos (DLL) •  Soluciona (detecta y corrige) los  errores de transmisión  generados en el circuito de datos. •  Establece conexiones lógicas entre entidades que desean intercambiar datos 

Capa de Red (NL) •  Asegura la búsqueda de un camino y el encaminamiento de los datos entre las estaciones terminales 

de una red mallada. •  Control de la subred y ruteo de mensajes. •  Ej. : X25/IP 

Capa de Transpor te (TL) •  Garantiza el despacho ordenado de mensajes (sin errores ni duplicación) 

§  Corta mensajes muy largos §  Junta los mensajes fragmentados 

•  ISO define 5 clases de protocolos de transporte

21 

Capas super iores 

Capa Presentación •  Enmascara ( para entidades AP) las particularidades debidas a código , sintaxis, o 

representación de informaciones. •  Permite traducir los datos de la AP a un formato y sintaxis standard. 

Capa Sesión (SL) •  Sincroniza y organiza el diálogo entre abonados. •  Realiza la delimitación, reagrupamiento, y sincronización  de datos intercambiados 

entre entidades “presentación”. •  Permite a la capa presentación suspender y retomar intercambios a partir de “puntos de 

retoma” 

Capa Aplicación (AL) •  Ofrece al  usuario los medios que le permiten acceder al entorno OSI •  Ofrece servicios de interés general a todo tipo de AP. •  Arquitectura definida en ISO 9545 •  Diferentes entidades según campo de aplicación (gestión,  industrial, documentos, etc.)

22 

Arquitectura IEEE 802 

Presentación 

Sesión 

Aplicación 

Transporte 

Red 

MAC ­ LLC 

Física 

Capa Superior 

LLC 

MAC 

PHY 

Cable de Conexión 

Conectores MEDIO 

•  Adaptación del modelo OSI para LAN´s. 

•  Divide capas 1,2 y 3 en: §  Dos subcapas §  Una capa 

•  Da el conjunto de normas para las 3 capas 

PHY (Physical Signalling Layer) 

•  Asegura: §  Emisión /recepción de 

bits §  Codificación de 

señales binarias §  Reconocimiento de 

préambulos y delimitadores de trama 

•  Utiliza un “physical medium attachment” para acceder al medio 

Medium Access Control (MAC) 

•  Reglamenta el acceso al sopor te de comunicación: §  Acceso Aleatorio 

(CSMA...) §  Por Consulta (Token) §  Por tiempo (TDMA) 

Logical Link Control (LLC) •  Ofrece servicios al usuario: 

§  Emisión y recepción de tramas §  Establecimiento y cierre de 

conexiones lógicas §  Detección de errores de secuencia de 

tramas §  Control de flujo

23 

Normas IEEE 802.

24 

Arquitectura OSI para redes industr iales 

MAC ­ LLC 

Física 

Aplicación •  Arquitecturas reducidas del modelo OSI : se 

“cor tocircuitan” capas §  Capa física:imprescindible §  Capa DLL: imprescindible ( MAC) §  Capa red: sólo si hay sub­ redes §  Capa transporte: si hay capa red §  Capa sesión: sólo para gran cant.  de Info §  Capa presentación: se reemplaza por la 

configuración §  Capa aplicación: siempre es necesaria 

•  Redes industr iales : Sólo capas 1,2 y 7

25 

Protocolo 

Presentación 

Sesión 

Aplicación 

Transporte 

Red 

Enlace 

Física 

Presentación 

Sesión 

Aplicación 

Transporte 

Red 

Enlace 

Física Medio Físico 

AP  AP 

Protocolo ( de nivel N) •  Conjunto de reglas de codificación, cooperación e intercambio entre dos o más entidades del nivel N 

para suministrar los servicios N 

Protocolo n 7 

Protocolo n 6 

Protocolo n 5 

Protocolo n 4 

Protocolo n 3 

Protocolo n 2 

Protocolo n 1 

Unidad de datos de protocolo­ PDU(N) 

•  Bloque de informaciones intercambiadas entre entre dos o más unidades de nivel N 

•  PDU niveles 1 y 2  tr amas •  PDU nivel 3  paquetes •  PDU nivel >4  Mensajes 

PERFIL Es un conjunto preseleccionado de 

servicios y protocolos organizados en capas según 

modelo OSI Dos equipos son comunicables si 

tienen igual per fil: §  todas sus capas ofrecen los mismos servicios y protocolos

26 

Caracter ización de RLI 

§  Tamaño de los mensajes 

§  Nivel de segur idad requer ido 

§  Per iodicidad de la info 

§  Reglas de emisión 

§  Tipo de transmisión (pto a pto?) 

§  Restr icciones temporales 

Criter ios de caracter ización 

§  Servicios aplicativos §  Tipo de intercambio de datos §  Aspectos físicos §  Definiciones para cada una 

de las capas OSI: üAcceso al medio ü Capa Enlace 

–  Con o sin conexión –  Tipo ACK 

Ejemplos de aplicación RLI 

§  Un proceso se r ealiza en dos estaciones separadas 500 m 

§  Para completar  un lazo PID, se requiere un dato de un sensor  distante. 

•  Un supervisor  debe cambiar  parámetros de los controladores 

•  Los actuadores y sensores están distr ibuidos en centenas de metros.

27 

Tipos de comunicación 

•  Las redes en tiempo real requieren los tres modos 

•  Se aplican a todas las capas del modelo 

Punto a punto: •  sólo dos 

entidades •  Primario/secundari 

o, •  Emisor/ receptor, •  Pozo / fuente, •  Cliente/servidor. 

Multipunto •  Más de dos 

entidades involucradas 

Difusión •  Todas las 

entidades conectadas están involucradas

28 

Modelos de Cooperación 

Cliente­ servidor  

Productor ­ consumidor  

•  Forma en que dos o más  entidades del mismo nivel deciden realizar  los intercambios 

•  Se aplican a todas las capas del modelo

29 

Cliente ­ servidor  •  El cliente emite una demanda de servicio al servidor (requisitoria­ REQ) •  El servidor trata la demanda y envía una respuesta al cliente (respuesta) 

•  Ej: el cliente le pide al servidor  que envíe el valor  de una var iable 

Cliente 

Cliente 

Serv. 

Serv. 

Enviar dato A 

A= 25

30 

Cliente ­ servidor  

Pros •  Es un modelo general •  Implementa gran cantidad 

de servicios •  Permite mecanismos de 

control del intercambio (ACK) 

Contras •  El tiempo de respuesta no está 

predefinido •  No simultaneidad: §  Si un servidor recibe dos pedidos 

de dos clientes distintos los trata en secuencia 

§  Si un cliente debe demandar a dos servidores lo hace en secuencia.

31 

Productor ­ consumidor  

•  Modelo multipunto •  El productor de un dato lo envía a todos los 

consumidores •  Iniciativa de emisión: productor •  Iniciativa de producción : puede ser debida a un cliente 

entre los consumidores •  El dato contiene un identificador 

Lectura de velocidad en un lazo cerrado con variador 

PLC 

Monitoreo RPM  Variador

32 

Productor ­ consumidor  

Pros •  No requiere indicación  de fuente o 

destino •  Permite la gestión del tiempo •  Mecanismo de eliminación de valores 

viejos al llegar los nuevos •  Coherencia temporal 

Contras •  Solo incluye servicio de 

difusión •  El dato se emite aunque no se 

necesite •  No incluye mecanismos de 

control 

Productor­Distr ibuidor­ Consumidor  (PDC) •  Tres tipos de procesos ( independientes o coordinados): §  Productor : produce localmente el valor  del objeto §  Consumidor : recopia el valor  or iginal en un valor  local §  Distr ibuidor : desencadena la tr ansferencia y la recepción

33 

Comparación CS y PDC 

Cliente­ servidor  §  Implementa diversos servicios 

§  Bipunto 

§  No simultaneidad 

§  Variación de los datos 

§  Se intercambia sólo lo que es necesario 

PDC §  Sólo está definido para datos 

§  Multipunto 

§  Simultaneidad §  Uniformidad de los datos §  Se pueden intercambiar datos 

no necesarios

34 

Master ­Slave 

Maestro 

I/O RPM  Motor 

Maestro 

I/O RPM  Motor 

Maestro 

I/O RPM  Motor

35 

Intercambio de datos 

•  Cíclico •  Datos se difunden en el bus 

según un tiempo configurado (periódico) 

•  puede ser usado en productor/consumidor 

•  Mecanismos de scheduling 

Por  requisitor ia •  Acíclico •  Tipo cliente­ servidor 

Dir igido a eventos •  Los datos se emiten cuando 

hay cambio de estado. •  Necesita chequeo de la de 

presencia de los dispositivos 

cada 1000 ms cada 250 ms 

I/O 1  I/O 2  I/O 3 cada 25 ms 

Arbitrador 

CPU 

I/O 1  I/O 2  I/O 3

36 

Mecanismos de Acesso al Medio (MAC) 

Determinísticos •  Se sabe exactamente 

cuando le toca acceder  a cada estación §  pasaje de token §  TDMA (Time Division 

Multiple Access) 

Ventaja: §  se conocen los 

tiempos de respuesta 

De Acceso aleatorio •  Cada estación accede 

al medio cuando necesita transmitir  §  CSMA (Carrier Sense 

Multiple Acces) 

Ventaja: •  Velocidad de respuesta

37 

CSMA Car r ier  Sense Multiple Access 

•  Cada estación intenta acceder  al medio cuando lo requiere §  Si hay otra estación que intenta transmitir : Colision. §  La reacción ante colisiones (contención) define distintos tipos de CSMA 

•  CSMA­CD (Collision Detection) §  Cuando hay colisión: §  Los dos nodos dejan de transmitir §  Envian señal perturbadora §  Esperan un periodo aleatorio §  Intentan retransmitir 

§  Ej: Ethernet­ IEEE 802.3 

ST2  ST3  ST4 

ST1 

•  CSMA­CA (Collision Avoidance) §  El nodo revisa si el canal está ocupado antes de transmitir §  Problema : cuando no se pueden escuchar entre sí todos los nodos §  Se agregan bloques especiales 

§  Ej: IEEE 802.11

38 

Pasaje de Token •  Solo la estación con el token envia mensajes (t max ) 

•  no per iódico •  Problemas: §  pérdida de token §  mensajes urgentes 

•  Ej: IEEE 802.4 (bus) e IEEE 802.5 (r ing) 

ST2  ST4 

ST1 T 

T T 

•  TDMA (Time Division Multiple Acces) •  token Passing implícito •  Basado en un ciclo repetitivo y 

fijo§  NUT ( Network Update Time) 

•  Cada nodo accede al medio en orden secuencial definido por  su MAC ID

39 

Subcapa LLC 

•  Formación de bloques §  Subdividir una corriente de bits §  Inserción de campos ü Inicio y fin de trama 

•  Control de Flujo §  Proceso que controla la tasa a que 

los  datos son intercambiados §  En el caso de nodos emisor y 

destino con diferente carga o de diferente velocidad •  Control de er rores 

§  Corrección de error por retransmisión 

§  Corrección de error autónoma

40 

Control de flujo 

Funciones •  Organiza y selecciona los 

caminos para no saturar el sistema 

•  Limita la cantidad de información en la red (velocidad de informaciones transmitidas) 

•  Prevé los recursos necesarios en el receptor ( tamaño buffer de recepción) 

Aplicación a RLI •  No tiene sentido pues hay un solo 

camino 

•  Si el tráfico está identificado no tiene sentido porque el dato i+1 reemplaza al i

41 

Reconocimiento (ACK) •  Sólo para protocolos de 

nivel 2 y 4 §  Stop­ and­ wait : Se espera 

un ACK desde que se transmite un PDU üACK+: Se transmite otro PDU üACK – o no llega ACK: se repite el PDU hasta un nro máximo de repeticiones 

§  Go. Back­N: el emisor emite varias PDU ( hasta su crédito de emisión) hasta esperar ACK 

§  Repetición selectiva 

Go back­N 

Repetición selectiva

42 

Conexión 

•  Conexión= canal lógico de nivel N por  el que pasan los PDU (N) §  Puede haber  conexión en cada nivel del OSI ( N­Connection) §  El establecimiento de la conexión se negocia entr e las dos N­entidades §  Los servicios pueden ser  con o sin conexión. 

§  Permite a dos entidades comunicantes saber  que están presentes y en relación antes de comenzar  a intercambiar  datos. 

§  Permite negociar  cier tos parámetros (ej. Tamaño máx de datos) §  Asegura el control de flujo 

•  Fases de una conexión §  Establecimiento de la conexión: Transmisión de un PDU de 

aper tura/Recepción de la r espuesta/Negociación de parámetros Si una de las entidades no se puede comunicar la conexión fracasa 

§  Transferencia de datos §  Fin de la conexión

43 

Conexión TCP 

(a) Normal operation, (b) Old CONNECTION REQUEST appearing out of nowhere.

44 

Cier re de conexión TCP 

(a) Normal case of a three­way handshake.  (b) final ACK lost.

45 

Tipos de LLC 

Si No LLC3 

Si Si Si LLC2 

No No No LLC1 

CONTROL DE FLUJO 

ACK CONEXIÓN

COMPONENTES DE SISTEMAS COMPONENTES DE SISTEMAS DE CONTROL INDUSTRIAL EN DE CONTROL INDUSTRIAL EN 

RED RED 

Fabiana Fer reira 

Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería 

Universidad de Buenos Aires

47 

Componentes  de NCS 

PRO­ CESO 

HMI 

Sensor  nodos 

emisores  RED 

AP  CP 

AP  CP 

AP  CP 

1 

2 

3 

3  2  1 

1 2 

1 3 

CP  AP 

CP  AP 

P R O C 

nodos receptores Actuador

48 

Tiempo de respuesta de NCS •  Tiempo desde que se produce un cambio en una señal 

física (sensor) hasta que se produce la acción de respuesta a ese cambio (actuador ) 

tin  tapi  tcpi  tacc ttrans  tout tcpi  tapi 

tin: demora física en la adquisición del dato tapi: demora en el proceso aplicación del nodo emisor  tcpi: demora en el proceso de comunicación del nodo emisor  tacc: demora producida  en el acceso al medio ttrans: demora en la transmisión tcpo: demora en el proceso de comunicación del nodo receptor  tapo: demora en el proceso aplicación del nodo receptor  tout: demora física en la actuación

49 

Componentes de sistemas automatizados con PLC 

Memory 

Processor  (CPU) 

Inputs 

Outputs 

Communication Inter faces 

Sensors  Actuators 

Power  source 

Program  Other  Processes HMI Adjust  Field 

devices

50 

Ciclo de Scan del PLC 

Input acquisition 

Program 

execution 

Exchange with intelligent modules 

Output actualisation 

Diagnostic and system tasks

51 

Aplicación con entradas y salidas cableadas a un PLC 

PRO­ 

CESO 

Sensor  

AP 

PLC 

AP I  O 

AP 

Actuador

52 

Aplicación con entradas y salidas en red 

PRO­ 

CESS 

Sensor  

AP 

AP 

Actuator  

CP 

CP 

PLC 

network  AP CP

53 

Mecanismos de Schedulling (escalonamiento/agendabilidad) 

•  Escalonar   en el tiempo las diferentes tareas para que no se superpongan . 

•  A cada tarea  per iódica se le asigna un tiempo de inicio contado a par tir  de un instante inicial 

•  Puede ser  a nivel de los distintos procesadores aplicación o a nivel de  los procesadores de comunicación 

•  Requieren de una sincronización y se deben cargar  desde un útil de gestión de red 

•  Para que  no se superpongan las demandas de medio •  Para que se realicen las tareas en el orden que las requiere 

la aplicación de control. •  Su eficacia depende del MAC y la velocidad

54 

Ejemplo Scheduling •  2  mensajes per iódicos de duración  2,5 ms­ Acceso CSMA AMP §  Mensaje 1: periodo =5 ms §  Mensaje 2: Periodo=10 ms 

•  Caso 1: Sin Schedulling §  Los dos mensajes se lanzan al arrancar el sistema 

t[ms] 

M1 

M2 

red 0  5  10  15  20  25 

•  El mensaje 2 no se envía nunca  sin embargo la r ed está ocupada sólo el 50 %  del tiempo!!!!

55 

Ejemplo Scheduling 

•  Conclusiones §  Se optimiza el uso de la red §  Hay garantía del envío de los mensajes 

•  Se pueden enviar  ambos mensajes 

t[ms] 

M1 

M2 

red 0  5  10  15  20  25 

•  Caso 2: Con Schedulling §  Mensaje 2 con un  offset de 2,5 ms

56 

Bloque  Offset desde el tpo de arranque 

AI (Transmisor)  0 

Comunicación AI (LAS)  20 

PID (valvula)  30 

Ao (válvula)  50 

Scheduling de aplicaciones

REDES ETHERNET Y  TCP/IP REDES ETHERNET Y  TCP/IP 

Fabiana Fer reira 

Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería 

Universidad de Buenos Aires

58 

TCP/IP y  modelo OSI

59 

Protocolos  TCP/IP

60 

Subcapas en IEEE 802.3

61 

Normas 802.3

62 

Encapsulamiento de datos en TCP­ IP

63 

Preámbulo 

Delimitador de comienzo de trama Dirección de destino 

Dirección de origen 

Datos 

Relleno 

Longitud/tipo 

Secuencia de control de trama 

7 octetos 

2 octetos 

1   octeto 

6 octetos 

6 octetos 

4 octetos 

46­1500 octetos 

Formato de una trama 802.3

64 

Direcciones IP A 

8  16  24 0  netid  hostid 

B  1 0  netid  hostid 

C  1  1  netid  hostid 0 

0 1 2 

Clase  Dirección de red más baja 

Dirección de red más alta 

Redes/ hosts 

A  1.0.0.0  126.0.0.0  126 16.777.214 

B  128.1.0.0  191.254.0.0  16.382 65.534 

C  192.0.1.0  223.255.254.0  2.097.150 254 

Clase  Máscara A  255.0.0.0 

B  255.255.0.0 

C  255.255.255.0

65 

Formato de un datagrama IPv4 

LONGITUD TOTAL VERS  HLEN  TIPO DE SERVICIO 

IDENTIFICACION  BANDERAS  DESPLAZAMIENTO DE FRAGMENTO 

SUMA DE VERIFICACION DEL ENCABEZADO 

TIEMPO DE VIDA  PROTOCOLO 

DIRECCIÓN IP DE LA FUENTE 

DIRECCIÓN IP DEL DESTINO 

OPCIONES IP (SI LAS HAY)  RELLENO 

DATOS

66 

Datagrama IPV4 •  V: versión del protocolo §  0100 IPV4 y 0110 IPV6 

•  HL: (4 bits) longitud del encabezado en palabras de 32 bits •  ST: campo de servicio (8 bits) §  Indica la forma en que un paquete es ruteado §  Contiene tres subcampos üPrecedencia (3 bits) : prioridad (000 normal­ 111 ctrl de red) üTipo de servicio (4 bits): demora, rendimiento, confiabilidad, costo 

–  Ej: 1000: demora minima, 0000: normal, 0100: rendimiento máx üMBZ (1 bit) 0 –sin uso 

•  TL: (16 bits) longitud total del paquete en bytes §  Max : 65535 bytes 

•  ID (16 bits) numero de identificación del paquete §  Para paquetes fragmentados 

•  F: (3 bits) bandera­ para control de fragmentación

67 

Datagrama IPV4 •  FO (13 bits) fragmento margen §  Info de reensamble para fragmentación 

•  TTL: (8 bits) tiempo de vida §  Especifica el numero de segundos que el paquete permanece vivo §  Se disminuye cada vez que es procesado por un ruteador §  Si TTL =0 el paquete se descarta y se envia un mensaje de error 

•  P: (8 bits) : protocolo de capa 4 utilizado por  el usuar io •  HC:(16 bits) suma de ver ificación del encabezado •  SA: (32 bits) dirección de fuente •  DA: Dirección destino •  OPT: (long var iable) para opciones de control §  Hay 8 opciones 

–  Ej: Prueba de red 

•  PAD: campo de relleno del campo opción §  Rellena OPT con bits 0 para que la long del header sea mult de 32 bits

68 

Encabezad o 

base 

.. . 

Extensión 1 de 

encabezado 

Extensión n de 

encabezado DATOS 

opcional 

VERS  ETIQUETA DE FLUJO 

PAYLOAD LENGTH  PROX. ENCAB  LIMITE DE SALTOS 

DIRECCIÓN DE LA FUENTE 

DIRECCIÓN DE DESTINO 

Formato del encabezado base 0  4  16  24  31 

Formato general de un datagrama IPv6

69 

Datagrama IPV6 

•  V: versión •  P: pr ior idad §  16 niveles divididos en 2 grupos ü 0 a 7 : paquetes que responden al control de congestión ü 8 a 15 : no responden al control de congestión (ej : video y voz) 

•  FL: para paquetes que requieren manejo especial §  Para proporcional calidad de servicio con RSVP ü Protocolo de reservación de recursos: prioriza datos y asigna ancho de banda 

•  PL:longitud de carga util de los datos •  NH: Tipo de encabezado que sigue al encabezado IPV6 §  Permite encabezados de extensión entre encabezado IP y encabezado TCP ü Ej: encabezados de autentificación y codificación 

•  HL: numero de segundos que  un paquete permanece activo 

V  P  FL  PL  NH  HL  SA  DA 4  4  24  16  8  8  128  128

70

• Direcciones más largas (128 vs. 32 bits) §  3.402823665 X 10 38  vs 4.294.967.295 §  Cada metro cuadrado de la superficie terrestre puede disponer de 1564 direcciones (peor caso) 

§  tres tipos de direcciones: §  Unidifusión, cualquier difusión (enrutada a la dirección más cercana), multidifusión 

§  Autorredireccionamiento §  Autoconfiguración de las direcciones de red §  Adquisición de dirección en forma dinámica 

§  Autenticación, privacía y confidencialidad §  Prioridad de enrutamiento §  Entrega de paquetes a velocidad constante §  Soporta direcciones IPV4 

Ventajas  IPV6

71 

PUERTO DESTINO PUERTO ORIGEN 

NÚMERO DE SECUENCIA 

NÚMERO DE ACUSE DE RECIBO 

HLEN 

SUMA DE VERIFICACIÓN OPCIONES  (SI LAS HAY)  RELLENO 

DATOS 

RESERVADO  CODE BITS  VENTANA 

PUNTERO DE URGENCIA 

Formato del segmento TCP

72 

4K SEQ=0 2K 

ACK=2048 WIN=2048 

SEQ=204 8 

2K 

ACK=4096  WIN=0  Aplicación lee 2K 

ACK=4096 WIN=2048 

Aplicació n 

escribe 2K 

Aplicación escribe 3K 

Aplicación bloqueada 

SEQ=409 6 

1K 

Vacío 

El emisor puede 

enviar hasta 2K 

2K 

Lleno 

2K 

2K 1 K 

TCP: manejo de la ventana

73 

Host 1  Host 2 

SYN (SEQ=x) 

SYN (SEQ=y, AC

K=x+1) 

(SEQ=x+1 , ACK= y+1) 

Iniciación  Terminación 

Host 1  Host 2 

FIN (SEQ=x) 

(ACK=x+1) 

(ACK= y+1) 

FIN (SEQ=y, AC

K=x+1) 

TCP: Inicio y fin de la conexión

74 

PUERTO UDP DE DESTINO PUERTO UDP DE ORIGEN 

LONGITUD DEL MENSAJE UDP  SUMA DE VERIFICACIÓN UDP 

DATOS 

Formato de mensajes UDP

75 

Utilización industr ial de protocolos TCP/IP 

Tipos de utilización a nivel industr ial 

•para conectar dispositivos de campo con controladores •Para conectar controladores y supervisores con niveles informáticos 

Tres objetivos : •Conexión física en Ethernet •Utilización capa aplicación única •Control  de dispositivos via web o LAN corporativa

76 

Por  qué Ethernet a nivel industr ial? 

•  Hace mas de 20 años aparecieron algunas redes basadas en Ethernet §  FACTOR, SINEC H1, LAC, MAP 

•  Estas soluciones se abandonan por  el aspecto aleator io de Ethernet 

•  Por  qué volvió a pensarse en utilizar lo? •  Bajos costos de conexión (100. 

baseT y cable UTP) •  Aumento de velocidad (10 a 

100Mbps) •  Existencia de switches que limitan 

colisiones •  Introducción de mecanismos de 

priorización •  código fuente TCP/IP disponible en 

forma pública 

•  Por  qué usar lo como bus de campo? •  Disponibilidad de la 

electrónica •  Integración con Internet •  Lenguajes de descripción y 

simulación accesibles •  Se prevee crecimiento en el 

ancho de banda •  Problemas de compatibilidad 

resueltos •  Los buses están alcanzando su 

límite

77 

¿Puede transpor tar  pequeños paquetes de información en un tiempo acotado? 

Tamaño mínimo de trama : 64 bytes 

No impor ta a velocidades altas 

Puede haber  colisiones 

Si la r ed tiene poco trafico no hay colisiones Se divide en dominios de colisión o se usan switches 

El switch sirve con cargas controladas 

Se introduce un protocolo más complejo en el nivel aplicación 

Hay pocas pr ior idades 

El uso de pr ior idades permite diferenciar  tipos de tráfico 

TCP no detecta inmediatamente los er rores por  lo que se puede procesar  un dato er roneo (los buses de campo implementan retransmisión inmediata

78 

Otros requisitos 

No se puede garantizar 

Se puede hacer implementando algoritmos de sincronización a nivel de los procesos de los 

dispositivos 

Complejidad de los dispositivos y demoras por procesamiento 

Transmitir  datos per iódicos antes que vuelvan a ser  muestreados 

Muestrear  en forma simultanea y per iódica  cier ta cantidad de entradas 

Se puede muestrear simultáneamente usando UDP y modo Broadcast 

Indicar  si los valores adquir idos están dentro del er ror  aceptable para el intervalo de muestreo 

Se puede transmitir un time stamp con el dato 

Complejidad de los dispositivos y demoras por procesamiento 

Se pueden implementar algoritmos basados en relojes locales

79 

Otros requisitos 

No se puede conseguir 

IP permite direcciones múltiples 

Los conectores standard RJ45 no están diseñados para ambientes agresivos 

Dar  el orden relativo de eventos 

Transferencia de datos de uno a muchos 

Se puede usar  UDP 

Soluciones resistentes al ambiente 

Están apareciendo en el mercado conectores especiales 

TCP no admite modo broadcast 

Los cables standard no pueden ser utilizados

80 

Costos §  Ethernet usa topología árbol (más compleja para instalar y 

planificar que la de bus) §  Se requiere mayor complejidad computacional para implementar 

TCP que para los buses industriales  por lo que aumenta el costo de las cartas e interfaces de conexión 

§  Ethernet no soporta la alimentación remota de dispositivos . Se debe cablear por separado la alimentación de dispositivos y de hubs y switches. 

§  De cualquier forma los costos pueden ser menores que en otros buses

81 

Conclusiones •  Falta de mecanismos para consistencia temporal •  Falta de mecanismos para ordenar  eventos •  No ofrece retransmisión rápida de er rores •  No provee control de la carga en la r ed •  No tiene alimentación para dispositivos •  El cableado es más complejo y caro •  No se garantiza la segur idad •  Hoy en día todavía hay soluciones más económicas ( según la 

aplicación) •  No es una solución universal por  las adaptaciones necesar ias 

•  Permite bus redundante •  Facilita acceso a redes corporativas •  Gran par te del hardware es COTS

ENLACES INALAMBRICOS ENLACES INALAMBRICOS 

Fabiana Fer reira 

Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería 

Universidad de Buenos Aires

83 

Enlaces inalámbr icos •  Para aplicaciones móviles •  Para cubr ir  grandes distancias •  Para entornos que no admiten cableado 

•  Se utilizan enlaces inalámbr icos para conectar  nodos o segmentos  a una red cableada a través de un punto de acceso 

Limitaciones de enlaces inalámbr icos •  Alta tasa de errores (interferencias, multipath,etc.) •  Incapacidad de detectar colisiones por parte del emisor •  Demoras en  dispositivo en  cambio  emisión / 

recepción 

•  802.11 •  Bluethoot •  Microondas •  Protocolos 

propietar ios

84 

Bandas ISM 

•  banda ISM (Industr ial Scientific Mar itime) §  2.4­2.4835 GHz, 5.15­ 5.25 

GHz, 5.25­ 5.35 GHz , 5.75­ 5.85 GHz

85 

Alternativas de diseño para interconectar  nodos cableados e inalámbr icos en LAN industr iales. 

§  Utilizar un único o varios segmentos cableados §  Integrar los segmentos cableados e inalámbricos en una única red o separarlos 

en distintas subredes §  Realizar la interconexión cableado­ inal. en un único  AP o utilizar múltiples 

AP §  Medios de interconexión pueden ser repetidores, bridges , routers o gateways 

(todos tienen diferentes prestaciones) §  Única o múltiples estaciones de base 

•  IEEE 802.11 •  Bluethoot •  Microondas •  Protocolos propietar ios

86 

Repetidores, Br idges, Routers, Gateways 

Repetidores: §  Operan por encima de PhL §  Reciben bit por bit la señal de entrada, la regeneran y 

la emiten §  Al pasar de inal. a cab. Realizan cambio de 

codificación §  Juntan varios bits y calculan errores 

Puentes: §  Capa DLL §  Encapsulan las tramas MAC ó LLC de una red en 

paquetes de  NL §  Es un nodo en cada LAN 

Gateway: §  Capa aplicación §  Una demanda de servicio se transforma  en la 

otra LAN §  Alta demora 

Router s: §  Capa red (NL) §  Modifican el paquete que reciben en especial el 

campo de direccionamiento §  Intercambian información entre sí para encontrar 

una ruta

87 

Nodos aislados Un repetidor  por  nodo 

Alternativas de diseño implementadas Interconexión de dos redes con br idge 

nodo  nodo  nodo 

nodo bridge 

nodo  nodo  nodo 

nodo 

bridge 

Var ios nodos conectados a un Gateway 

nodo  nodo  nodo 

nodo Gateway 

nodo 

nodo 

nodo 

rep.  nodo  rep 

nodo 

nodo nodo 

Brid.  nodo  Brid. 

nodo 

nodo nodo

88 

Caracter isticas IEEE 802.11 •  Opera en banda ISM (Industr ial 

Scientific Mar itime) §  2.4­2.4835 GHz, 5.15­ 5.25 GHz, 5.25­ 

5.35 GHz , 5.75­ 5.85 GHz •  Velocidades 

§  Original: 1 Mbps, 2 Mbps §  Rápidas (802.11b): 5 y 11 Mbps §  Ultra rápidas (802.11a): 5 GHz 

•  Tres var iantes de capa física §  DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) §  FHSS (Frequency Hopped Spread 

Spectrum) §  IR (Infrared) 

•  Toplogías Ad Hoc y con sistema de distr ibución 

•  Acceso al medio CSMA/CA §  Tiene nodos ocultos

89 

Tramas 802.11

90 

DSSS

91 

FHSS

92 

Ventana de contención

93 

Nodos ocultos 

•  Vir tual Carr ier  Sense §  Reservación del medio por un periodo fijo de tiempo §  A envia un RTS (Request to Send) al AP que no le llega a B §  Se reserva el tiempo para emisión en un NAV (Network Allocation 

Vector) de todas la estaciones §  AP envia un CTS (Clear To Send ) a todas las estaciones 

informando §  B detecta el CTS

94 

Caracter isticas Bluethoot •  Diseñada para distancias cor tas en ambientes de oficinas •  banda ISM •  modulación GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). •  Potencia de transmisión 1 mW a 100 mW •  rango promedio de cobertura es de 10 metros con la posibilidad de 

extenderse a 100 metros •  maestro esclavo :siete esclavos en una piconet .

95 

Evolución de comunicaciones