Ingeniería Electrónica y Automática Comunicaciones Industriales
CIM (Computer Integrated Manufacturing)
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Arquitecturas de Red
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Redes LAN industriales y Buses de Campo Redes LAN industriales
Buses de Campo
MAP (Manufacturing Automation Protocol): - Diseñado para el entorno industrial. - Proporcionando un medio de transmisión determinista. - Es compatible con los 7 niveles OSI.
- 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.
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) Gijón, abril 2006
CAN SDS AS-I DeviceNet LONWorks BitBus DIN MessBus
InterBus-s UNI-TELWAY Modbus Profibus FIP Fiedbus Foundation HART … 3
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Ejemplos Ethernet Profibus
Interbus Bus AS-I
UNI-TELWAY Gijón, abril 2006
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Ethernet Industrial Control de acceso al medio (MAC): CSMA/CD CONECTOR RJ-45 Contactos metálicos
Cables en pares trenzados
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Par 7-8 Par 3-6 Par 4-5
Topología en BUS. Cableado coaxial.
Par 1-2
1 VISTA FRONTAL
Topología en estrella con repetidor. Cable de par trenzado.
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VISTA SUPERIOR
Topología en estrella con conmutador. Cable de par trenzado.
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El formato de las tramas Ethernet e IEEE 802.3 Preambulo
Dir. destino
Dir. origen
Tipo
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6
6
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Datos 46-1500
CRC 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 j
k
Trama de la estación j tiempo
Estaciones dispuestas a transmitir una trama
l m
Trama de la estación k
C
0-1
0-1-2-3
0-1
0-1-2-3
C
J 0 1
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J
C J
Trama de la estación m
Colisión Señal de atasco
Trama de la estación l
0 1 2 3
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Red Ethernet conmutada (I)
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Red Ethernet conmutada (II) Funcionalidades de los conmutadores:
Requisitos para la aplicación industrial:
• Redes virtuales: VLAN
• Tasa de transferencia.
• Agregación de puertos: Port trunks
• Capacidad de diálogo FullDuplex.
• Redundancia de conexiones: Spanning tree
• Retraso por transferencia.
• Gestión de la calidad de servicio.
• Retraso por almacenamiento.
• Funciones de seguridad: – Monitorización de puertos, Estadísticas RMON, Asignación fija de puertos, protección contra tormentas broadcast, etc.
• Redundancia de conexiones.
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• Configuración de redes virtuales. • Calidad de servicio: QoS.
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Redes Virtuales: VLAN Cable cruzado VLAN 1
VLAN 2
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Agregación de Puertos: Port Trunks
Puertos 100 Mbps
Port Trunk de 4x100 Mbps (400 Mbps) Full-duplex
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Redundancia de Conexiones: Spanning Tree Deshabilitado
Deshabilitado
Deshabilitado
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Activado
Rotura del enlace
Deshabilitado
Activado
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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. Gijón, abril 2006
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Buses de Campo • Reducción de costes
Antes
• Mantenimiento de la red • Flexibilidad • Simplificación • Comunicación bidireccional • Servicios de administración:
Después
Física, Enlace, Aplicación y Usuario
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Ingeniería Electrónica y Automática Comunicaciones Industriales ANTES
RS232
RS232 RS232 (±12V, 0-20mA)
RS232
Datos analógicos o digitales, con contactos libres de tensión, en tensión (24V, ±10V) o en corriente (0-20mA, 4-20mA). Gijón, abril 2006
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Ingeniería Electrónica y Automática Comunicaciones Industriales AHORA
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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
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Buses de Altas Prestaciones CARACTERÍSTICAS: • 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 Gijón, abril 2006
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Buses para Áreas de Seguridad Intrínseca Dispositivos con seguridad intrínseca para uso en ambientes explosivos
• HART • Profibus PA • FIP
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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 Telegrama maestro esclavo • Ciclo completo de consulta 5 ms 150µs • Telegrama maestro 14 bits St SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB • Telegrama esclavo 7 bits St
Codificación Manchester
I3
I2
I1
PB
EB
Envío de la señal codificada
St: SB: A0…A4: I0…I4: PB: EB:
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I0
EB
bit de start: 0 indica comienzo de la trama Tipo de telegrama: 0 indica trama de datos 1 indica trama de comandos Dirección del esclavo Información Bit de paridad Bit de fin
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AS-i: Aktuator Sensor Interface (II)
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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)
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INTERBUS (II)
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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
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PROFIBUS (I)
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PROFIBUS (II)
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Topologías PROFINET (SIEMENS)
• Lineal • Árbol • Anillo
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Hardware y cableado PROFINET (SIEMENS)
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Bluetooth (802.15.1)
Bluetooth
• 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. Gijón, abril 2006
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Bluetooth Aquitectura de la red Bluetooth
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Wireless LAN 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 Gijón, abril 2006
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Wireless LAN I-Features en Wireless LAN Simatic NET • Reserva de tasa de transferencia
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Wireless LAN I-Features en Wireless LAN Simatic NET • 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:
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Integración con redes TCP/IP (Internet) Tareas: • Adquisición de Datos • Supervisión • Control Herramientas: • Sistemas SCADA • Servicios OPC Gijón, abril 2006
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Integración con redes TCP/IP (Internet) Cámara TCP/IP
Internet
E ioControl
Red Ethernet (TCP/IP)
S
PC de desarrollo y monitorización
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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) Gijón, abril 2006
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Seguridad en la red industrial
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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, …) Gijón, abril 2006
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Aplicaciones Scada y acceso remoto vía Internet
INTERNET
Aviación Buques Domótica Automoción
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