CIM ComputerIntegratedManufacturing -...

Gijón, abril 2006 1

CIM (Computer Integrated Manufacturing)

Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales


Arquitecturas de Red



Redes LAN industriales y Buses de Campo


Redes LAN industriales

MAP (Manufacturing Automation Protocol):- Diseñado para el entorno industrial.

- Proporcionando un medio de transmisión

determinista.

- Es compatible con los 7 niveles OSI.

ETHERNET:- Diseñado para redes ofimáticas.

- No proporciona un medio de transmisión

determinista.

- Es compatible con el modelo OSI en los

niveles 1 y 2.

(capas superiores TCP/IP)

Buses de Campo- Diseñados para conectar pequeños dispositivos.

- Sensores, actuadores y controladores.

- Sustitución del cableado tradicional punto a

punto.

- Capas física, de enlace y aplicación. Interfaz

de Usuario.

CAN

SDS

AS-I

DeviceNet

LONWorks

BitBus

DIN MessBus

InterBus-s

UNI-TELWAY

Modbus

Profibus

FIP

Fiedbus Foundation

HART

…


Ejemplos

InterbusBus AS-I

Profibus

Ethernet

UNI-TELWAY



Control de acceso al medio (MAC): CSMA/CD


Ethernet Industrial

Topología en BUS. Cableado coaxial.

Topología en estrella con repetidor. Cable de par trenzado. Topología en estrella con conmutador. Cable de par trenzado.

VISTA FRONTAL VISTA SUPERIOR

Contactos metálicos Cables en pares trenzados

CONECTOR RJ-45

1

8 Par 7-8

Par 3-6

Par 4-5

Par 1-2


El formato de las tramas Ethernet e IEEE 802.3

Preambulo Dir. destino Dir. origen Tipo Datos CRC

8 6 6 2 46-1500 4

• Control acceso al medio CSMA/CD

• Señalización de colisiones mediante señal de “jamming” (atasco)

• Limitaciones de tamaño debidas a la “ventana de colisión”

• Algoritmo de “disminución exponencial binaria”

• Problemática en aplicaciones en tiempo real

CTrama de la estación j Trama de la estación k

tiempo

j k l Estaciones dispuestas a transmitir una tramam

J C J

0-1

0-1

0 1 0 1 2 3

0-1-2-3

0-1-2-3

Trama de la estación m Trama de la estación l

C

J

Colisión

Señal de atasco



Red Ethernet conmutada (I)



Red Ethernet conmutada (II)

Funcionalidades de los conmutadores:

• Redes virtuales: VLAN

• Agregación de puertos: Port trunks

• Redundancia de conexiones: Spanning tree

• Gestión de la calidad de servicio.

• Funciones de seguridad: – Monitorización de puertos, Estadísticas

RMON, Asignación fija de puertos,

protección contra tormentas broadcast, etc.


Requisitos para la aplicación industrial:

• Tasa de transferencia.

• Capacidad de diálogo FullDuplex.

• Retraso por transferencia.

• Retraso por almacenamiento.

• Redundancia de conexiones.

• Configuración de redes virtuales.

• Calidad de servicio: QoS.


Redes Virtuales: VLAN

Cable cruzado

VLAN 2

VLAN 1



Agregación de Puertos: Port Trunks

Port Trunk de 4x100 Mbps (400 Mbps) Full-duplex

Puertos 100 Mbps



Redundancia de Conexiones: Spanning Tree

Deshabilitado

Deshabilitado

Deshabilitado

Deshabilitado

Rotura del enlace

Activado

Activado



Conclusiones sobre Ethernet Industrial


La red con conmutación presentan siguientes características para la aplicación industrial

• El ancho de banda es específico (aunque se puede compartir con arquitecturas mixtas).

• La conmutación de puertos hace innecesario el arbitraje del bus.

• El funcionamiento dúplex completo elimina la colisión.

• El ancho de banda es escalable.

• Fast Ethernet proporciona 200 Mbps de ancho de banda en la red de estructura básica por medio de la transmisión de dúplex completo.

Las arquitecturas de red con conmutación que utilicen QoS explícita (mediante lenguajes de programación, módulos de función y tipos de datos), proporcionarán además:

• Cumplen las normas IEEE 802.1p/Q para asignar prioridad y campos de QoS a la estructura de datos estándar de Ethernet.

• Las normas SVP, ISSLL, IEEE802.1p/Q proporcionan técnicas explícitas para solicitar resolución de QoS.

• La prioridad de datos y las colas múltiples de datos aseguran que el tráfico en tiempo real se desarrollará por la ruta más rápida de la red.


Buses de Campo

• Reducción de costes

•Mantenimiento de la red

• Flexibilidad

• Simplificación

• Comunicación bidireccional

• Servicios de administración:

Física, Enlace, Aplicación y Usuario


Antes

Después



ANTES

Datos analógicos o digitales, con contactos libres de tensión,

en tensión (24V, ±10V) o en corriente (0-20mA, 4-20mA).

RS232RS232

RS232 (±12V, 0-20mA)

RS232



AHORA


Buses de Alta Velocidad y Baja Funcionalidad• CAN: Diseñado originalmente para su aplicación en vehículos• SDS: Bus para la integración de sensores y actuadores, basado en CAN• ASI: Bus serie para la integración de sensores y actuadores

Buses de Alta Velocidad y Funcionalidad Media• DeviceNet: Desarrollado por Allen-Bradley, utiliza como base el bus CAN, e incorpora una capa de aplicación orientada a objetos

• LONWorks: Red desarrollada por Echelon• BitBus: Red desarrollada por INTEL• DIN MessBus: Estándar alemán de bus de instrumentación, basado en comunicación RS-232

• InterBus-S: Bus de campo alemán de uso común en aplicaciones medias



Buses de Altas PrestacionesCARACTERÍSTICAS: • Redes multi-maestro con redundancia

• Comunicación maestro-esclavo según el esquema pregunta-respuesta

• Recuperación de datos desde el esclavo con un límite máximo de tiempo

• Capacidad de direccionamiento unicast, multicast y broadcast

• Petición de servicios a los esclavos basada en eventos

• Comunicación de variables y bloques de datos orientada a objetos

• Descarga y ejecución remota de programas

• Altos niveles de seguridad de la red, procedimientos de autentificación

• Conjunto completo de funciones de administración de la red

EJEMPLOS:•Profibus

•FIP

•Fieldbus Foundation




Buses para Áreas de Seguridad Intrínseca

Dispositivos con seguridad intrínseca para uso en ambientes explosivos

• HART

• Profibus PA

• FIP


AS-i: Aktuator Sensor Interface (I)• Hasta 3 segmentos de 100 m cada uno• Hasta 31 o 64 esclavos con 4 entradas/salidas• Transmisión por pulsos a través de un par de hilos de alimentación• Ciclo completo de consulta 5 ms• Telegrama maestro 14 bits• Telegrama esclavo 7 bits

Telegrama maestro esclavo

150µs

St SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB

Codificación Manchester Envío de la señal codificada

St: bit de start: 0 indica comienzo de la trama

SB: Tipo de telegrama: 0 indica trama de datos

1 indica trama de comandos

A0…A4: Dirección del esclavo

I0…I4: Información

PB: Bit de paridad

EB: Bit de fin

St I3 I2 I1 I0 PB EB



AS-i: Aktuator Sensor Interface (II)



INTERBUS (I)• Direccionamiento maestro-esclavo• Hasta 512 dispositivos con funciónes de repetidor• 500 kbps hasta 400 m máx. entre dos dispositivos• Hasta 13 km de extensión máxima• Transmisión sobre 5 hilos basada en RS-485• Topología en anillo (anillo principal y subanillos)• Aspecto de cableado en bus o árbol• Autodiagnóstico y prevención de errores• PMS (Peripherals Message Specification)



INTERBUS (II)



CAN: Controller Area Networking• Sólo capa física y de enlace• 250 kbps a 1 Mbps• Hasta 32 0 64 dispositivos• Transmisión sobre 2 hilos diferencial 2,5 V• Topología en bus• Direccionamiento por identificadores de 11 ó 29 bits• Priorización de mensajes en función del identificador



PROFIBUS (I)



PROFIBUS (II)



Topologías PROFINET (SIEMENS)

• Lineal• Árbol • Anillo


Hardware y cableado PROFINET (SIEMENS)


Bluetooth (802.15.1)• Diseñado para la conexión de un número pequeño (hasta 8) dispositivos inalámbricos de muy bajo coste.

• Utiliza la misma banda de frecuencias que IEEE 802.11 (problemas de interferencias) con técnicas de espectro disperso por Salto de Frecuencias (FHSS).

• Dos modos de transmisión:– Modo asíncrono (ACL): protocolo ARQ

– Modo síncrono (SCO) para transferencias de voz digitalizada full dúplex a 64 kbps, aunque soportan otras tasas. Sin retransmisiones.

• Sistema de corrección de errores simple. Por ejemplo en el caso más sencillo de una trama SCO, múltiples copias del mensaje son transmitidas. Se corrige por votación.

Bluetooth


Aquitectura de la red BluetoothBluetooth


I-Features en Wireless LAN Simatic NET

• Roaming forzado, en caso de fallo del enlace alámbrico entre el PA y la

red cableada. Debe haber más de un punto de acceso en rango.

• Control de tormentas de tráfico broadcast.

• Enlaces dobles (dos adaptadores de red en el PA):

– Redundancia.

– Enlaces dedicados entre PAs si no hay posibilidad de cableado.

• Enlaces redundantes entre PAs (mediante diferentes canales,

combinando dos de la misma banda –ej 2.4 GHz- o dos bandas distintas

–ej 2.4 y 5 GHz--).

– Capacidad de cálculo del Spanning Tree

Wireless LAN



• Reserva de tasa de transferencia

Wireless LAN



• Posibilidad de tráfico para dispositivos de seguridad

• Modo RR para tráfico tiempo-real crítico (10-100 ms), aunque esto lo

hace incompatible con el estándar. Solución, doble red:

Wireless LAN


Integración con redes TCP/IP (Internet)

Tareas:

• Adquisición de Datos

• Supervisión

• Control

Herramientas:

• Sistemas SCADA

• Servicios OPC


Integración con redes TCP/IP (Internet)

ioControl

S

E

PC de desarrollo y monitorización

Red Ethernet (TCP/IP)

Cámara TCP/IP

Internet


Seguridad en la red industrial

• La seguridad del sistema de comunicaciones puede comprometer la seguridad de la planta: daños a personas y al entorno.

• La capacidad de proceso de los dispositivos de campo es limitada para la aplicación de criptografía y la administración de usuarios.

• El número de usuarios suele ser bastante restringido (operarios).

• Los dispositivos suelen intercambiar información, de características concretas y con la misma frecuencia, con un número limitado y conocido de elementos.

• Incluso los PCs en la zona de control tienen tareas muy definidas y no suelen utilizarse para otras tareas (e-mail, navegación web, etc.)

• Los dispositivos de planta suelen estar supervisados continuamente por operarios de planta que pueden detectar fallos de seguridad tanto de la planta como del sistema de comunicaciones (formación)


Seguridad en la red industrial


Aplicaciones

• Automatización y Control de Procesos (células y líneas

de producción)

• Robótica

• Domótica e Inmótica: control inteligente en viviendas

o edificios

• Integración de sistemas en vehículos (aviones,

automóviles, trenes, buques, …)

• Telemetría (vehículos, redes de distribución eléctricas,

de agua, oleoductos, …)


INTERNET

Automoción

Aviación

Domótica

Scada y acceso remoto vía Internet

Aplicaciones

Buques

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