Redes en Tiempo Real

Transcripción

1 Redes en Tiempo Real Control de Acceso al Medio (4) Ing. José Roberto Vignoni Año

2 IEEE 802.X Redes Locales Control Lógico Control de Acceso al Medio IEEE Capa Física 2

3 IEEE Token Ring IBM + Texas Instruments 1985 Conjunto de enlaces punto a punto que forman un círculo Longitud física del bit Retardos Mantenimiento 3

4 IEEE Token Bus Manufacturing Automation Protocol MAP: Principio de los 80 General Motors Allen Bradley Boeing IBM Compatibilidad de dispositivos Reducción del costo de las interfaces Compatibilidad de software Supervisión centralizada 4

5 OSI MAP Aplicación Aplicación Presentación Sesión Transporte Red HDLC Sesión Transporte Red HDLC Física Física 5

6 Control de Acceso al medio Token Passing Determinístico 6

7 MINIMAP Aplicación Manufacturing Message Specification LLC Mapping HDLC IEEE IEEE Física Carrierband, Coax 5 y 10 Mb, Fibra 7

8 BUSES de CAMPO Historia cronológica Fines de los 70 Modbus de Modicom Se inicia Grupo de trabajo FIP 1983-P-Net (Dinamarca) 1984-CAN Grupo Profibus Inicio trabajos de Normalización Internacional:ISA SP50,IEC TC65/SC65C 1994-Fielbus Foundation 8

9 Consorcios y organizaciones Problemas en normalización ===> especificaciones de distintos proyectos: Fielbus Foundation ISP : Interoperable System Project PTO: Profibus Trade Organisation ODVA: Open Device Net Vendor Association World FIP...Etc. 9

10 Servicio y protocolo Servicio ( de nivel N) Función ofrecida por la capa N a la N+1 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 10

11 Perfil Es un conjunto preseleccionado de servicios y protocolos organizados en capas según modelo OSI Dos equipos son comunicables si tienen igual perfil. (todas sus capas ofrecen los mismos servicios y protocolos) 11

12 La solución tradicional I N P U T S O U T P U T S C P U Enlaces 4-20 ma SENSOR 1 SENSOR 2 SENSOR 3 SENSOR 4 SENSOR 5 SENSOR N ACTUADOR 1 ACTUADOR 2 ACTUADOR 3 ACTUADOR N 12

13 La solución fieldbus ACTUADOR 1 SENSOR 1 ACTUADOR 2 SENSOR 3 SENSOR 2 ACTUADOR N SENSOR N 13

14 Niveles de redes industriales Funciones Ctrl. de Procesos Ctrl Lógico FIELDBUS DEVICEBUS SENSORBUS Bit Byte Paquetes Tipo de datos 14

15 Clasificación Sensorbus Devicebus Fieldbus Aplicaciones Discretas-Máquina Discretas-Máquina Proceso Control Típico PLC/PC PLC/PC Distribuido Basado en µp NO SI SI Inteligencia Int. NO Algunos SI Diagnóstico NO Simples Sofisticados Tiempo de resp. 5 ms o menos 5 ms o menos 100 ms Ejemplo Sensor de Sensor Fotoelec. Válvula Inteligente Proximidad con Diagnóstico c/pid y Diagnost. 15

16 Sensorbuses ASI CANbus LonWorks Seriplex Sensoplex 16

17 Devicebuses CANbus DeviceNet SDS InterBus-S LonWorks PROFIBUS DP FIP I/O 17

18 Fieldbuses IEC Fieldbus Foundation PROFIBUS LonWorks WorldFIP 18

19 Modelo de red - Capa MAC No deterministico Deterministico 19

20 Técnicas de acesso al medio y modelos de comunicación CSMA: CD y CA (BA) pasaje de token maestro/esclavo token híbrido datos cíclicos productor/consumidor dirigido a estado 20

21 CSMA Carrier sense multiple access CD: Collision detection se transmite cuando el bus está desocupado si hay colisión, se repite la tentativa después de un tiempo aleatorio ejemplo: Ethernet I/O 4 I/O 1 I/O 2 I/O 3 21

22 CSMA Carrier sense multiple access BA: Bitwise Arbitration se transmite cuando el bus esta desocupado si existe colición : bit 0 es dominante bit 1 es recesivo el dominante continua a transmitiendo es más eficiente que CSMA/CD 22

23 CSMA/BA Vcc Vcc BUS Vcc Vcc

27 CSMA/BA Vcc Vcc BUS 0 0 Vcc Vcc

32 CSMA/BA Vcc Vcc BUS 0 0 Vcc Vcc

33 Identificador único que determina la prioridad del mensaje. Mensaje con alta prioridad gana el acceso al bus. Mensajes de baja prioridad son retransmitidos en el siguiente ciclo de bus Cálculo del número de nodos conectados Instrumentación al bus y 33

34 Token Solo el Maestro con el token envia mensajes (t max ) no periódico Maestro 1 Maestro 4 Maestro 2 Maestro 3 34

35 Maestro/Esclavo PLC o PC o Scanner: maestro dispositivos I/O: esclavos esclavos solo hablan con el maestro determinístico, pero no periódico 35

36 Maestro/Esclavo Maestro Maestro RPM Motor I/O RPM Motor I/O Maestro RPM Motor I/O 36

37 Producción de Datos Cíclicos datos enviados según la configuración del usuário más eficiente para aplicaciones con cambios lentos de I/O (analógicos): periódico puede ser usado: maestro/esclavo, productor/consumidor, etc. Maestro cada 25 ms I/O 1 I/O 2 I/O 3 cada 250 ms cada 1000 ms 37

38 Productor/Consumidor el dato es identificado por su contenido: sin especificación de fuente o destino sin el concepto de maestro de control desempeño superior, eficiencia del bus Arbitro Arbitro RPM Motor I/O 3 RPM Motor I/O 3 38

39 AS-I (Actuator Sensor interface) Fundado en 1992 Bus de campo de bajo nivel (sensor bus) Maestro/esclavo secuencial Comunicación y alimentación por un mismo cable (especial) Los elementos de campo pueden ser inteligentes o convencionales binarios o analógicos 39

40 Capa Física Cable plano especial con polarización mecánica. Alimentación 24 Vcc, hasta 100 ma por esclavo, 2 A máximo. Topología: Arbol Velocidad de transmisión : 150 kbaudios Codificación: Mánchester Cantidad de nodos: 1 maestro y hasta 31 esclavos con 4 I/O binarias c/u Tiempo de ciclo: 5 ms Longitud: 100 m sin repetidores (2 rep. Máx.) 40

41 sin resistor de terminación alta imunidad al ruido Fieldbus Cont M A S T E R Sensor Sensor ASI Actuador ASI Actuador ASI Sensores Convencionales Actuadores Convencionales 41

42 Formato del Mensaje (Maestro) ST- SB- A0...A4- I0...I4- PB- EB- START BIT CONTROL BIT ADDRESS INFORMATION CHECK BIT END BIT 42

43 Formato del Mensaje (Esclavo) ST I0...I3 PB EB - START BIT - INFORMATION - CHECK BIT - END BIT 43

44 Red AS-i 44

45 HART Highway Addressable Remote Trasducer Presentado a principios de los 90 Fisher Rosemount No es un bus de campo Protocolo de comunicaciones digitales que puede operar encima de la señal analógica de 4-20 ma 45

46 Características Físicas Utiliza el estándar Bell 802 (FSK) con tonos senoidales 46

47 Al ser utilizada con la instalación para 4-20 ma Linea típicamente desbalanceada (conectada a tierra en un extremo). Sin adaptación de impedancias. La capacitancias del cable atenúa las altas frecuencias. HART utiliza bajas frecuencias No modifica la magnitud de la señal analógica por su valor medio nulo En multidrop se inhabilita el lazo de corriente 47

48 Ejemplo 48

49 CANBus Bosch mensaje de datos de 0 a 8 bytes CAN Data Link Layer - ISO (1993) CSMA/BA para los identificadores combinado con productor/consumidor 49

50 CANBus sin restricción de velocidad, función de: microprocessador transceiver medio de transmisión distancia de transmisión 125 Kbps a 1 Mbps / 40m a 500m 140 millones de chips vendidos hasta

51 Codificación NRZ Par trenzado (mallado en lo posible) El estándar ISO11898 recomienda que el diseño de ASICS de interface permita comunicación (de menor calidad) aún en caso de: Alguno de los conductores del bus esté abierto Alguno de los conductores este cortocircuitado a masa Alguno de los conductores este cortocircuitado a Vcc 51

52 LonWorks (Local Operating Network) especificada por Echelon inicialmente, control de predios y sistemas de seguridad velocidad de transmisión: de 600 bps a 1,25 Mbps hasta dispositivos diversos medios físicos 52

53 LonWorks basado en los chips Neuron: 3 microprocessadores: aplicación red control de acesso: CSMA/CD maestro/esclavo (barridos determinísticos para control de procesos) productor/consumidor 53

54 Familia Profibus Está compuesta de 3 versiones compatibles: Profibus-DP: alta velocidad, bajo costo, diseñado para la comunicación entre sistemas de control y E/S distribuidas a nivel de dispositivos. Profibus-PA: conecta sensores y actuadores con un bus común, aun con seguridad intrínseca. Permite datos y energía utilizando 2 cables según norma IEC Profibus-FMS: comunicaciones de alto nivel para propósitos generales. 54

55 55

56 Arquitectura Cumplen con el modelo ISO DP: Utiliza las capas 1 y 2 y una interface con el usuario. (DDLM) Direct Data Link Mapper posibilita un fácil acceso al nivel 2. Contiene funciones de aplicación y especificación de comportamiento de dispositivos. En la capa física utiliza la norma RS-485 o transmisión por fibra óptica. La capa 2, Fieldbus Data Link permite utilizar como técnicas de control de acceso al medio: pasaje de token y maestro esclavo. 56

57 FMS: Utiliza las capas 1,2,y 7. El nivel 7 esta compuesto por la Fieldbus message Especification (FMS), que contiene el protocolo de aplicación y potentes servicios de comunicación y la Lower Layer Interface (LLI), implementa las formas de comunicación con el nivel 2 independientemente de los dispositivos. El nivel 2. Fieldbus Data Link (FDL) maneja el control de acceso al medio y la seguridad de los datos. El nivel 1, permite comunicaciones en RS-485 y fibra óptica. FMS y DP, utilizan las mismas capas 1 y 2, por lo que pueden operar simultáneamente en el mismo cable. 57

58 PA utiliza un protocolo extendido de Profibus DP. Utiliza además el perfil PA que define el comportamiento de los dispositivos de campo. La tecnología de transmisión, responden a la norma IEC que permite Seguridad Intrínseca y que los dispositivos de campo sean alimentados por el bus. Dispositivos PA pueden ser pueden ser fácilmente integrados con redes DP utilizando acopladores de segmento. 58

59 Conexión PA 59

60 Técnicas de Transmisión RS-485 Topología: Bus lineal con terminación activa en ambos extremos. Stubs permitidos para baud rate < 1.5 Mbit/seg Medio: Par trenzado mallado Nº de Estaciones: 32 por segmento, 127 con repetidores Conectores: 9 pin D Velocidad de transmisión: desde 9,6 Kbit/seg hasta 12 Mbit/seg. Solo una velocidad se selecciona para todo el bus. Distancia: 1200 m hasta 100 Kbit/seg 60

61 IEC Satisface los requerimientos de industrias químicas y petroquímicas. Permitiendo seguridad intrínseca. Transmisión: Digital, bit sincrónica, codificación Manchester. Velocidad: 31,25 Kbit/seg Seguridad en datos: Preámbulo y delimitadores de comienzo y final a prueba de errores. Cable: Par trenzado, mallado opcional Alimentación remota: Opcional vía las líneas de datos. Topología: Bus lineal, árbol o combinación de ambas Nº de Estaciones: Hasta 32 x segmento, hasta 126 con 4 repetidores. 61

62 Fibra Optica Utilizada en ambientes con alta interferencia electromagnética. Fibra óptica plástica (bajo costo) hasta 50 m. Fibra óptica de vidrio hasta distancias de 1Km. Conectorizado especial 62

63 Protocolos de acceso al medio Es uniforme para las tres versiones de Profibus. Es implementado en el nivel 2 por (FDL) Fieldbus Data Link. Maestro - Maestro (Estaciones Activas) Maestro - Esclavo (Estación/es Activa - Pasiva) Híbrida Provee Broadcast y Multicast 63

64 Token Híbrido 64

65 Ejemplo de Implementación 65

66 Factory Instrumentation Protocol A mediados de los 80 Cegelec y Telemecanique Consideraciones: Económicas: Reducción costos cableado Ahorro en el diseño, instalación y ajuste Consideraciones técnicas: Facil mantenimiento y modificaciones. Simplificacion del cableado tradicional Tiempo de respuesta garantizado Seguridad y acceso a todas las variables 66

67 Capa de Enlace Modelo productor/ consumidor Intercambio de variables identificadas Transferencia de mensajes En forma cíclica o acíclica Direccionamiento de variables: identificadores unívocos de 16 bits Direccionamiento de mensajes: Punto a punto o multipunto. Direcciones de transmisor y receptor. 24 bits (dirección segmento + estación) 67

68 Fieldbus Foundation Sistema de Comunicación: Digital - Serie - Multidrop - 2 Vías Que permite: Control distribuido Configuración - Calibración Monitoreo - Diagnóstico de performance Documentación para mantenimiento 68

69 Modelo Fieldbus Modelo OSI Aplicaciones del Usuario Aplicaciones del Usuario Aplicación Presentación FMS FAS Sesión Transporte Red Stack de Comunicaciones Enlace de datos Física Enlace de datos Física Física FMS: Fieldbus Message Specification FAS: Fieldbus Access Sublayer 69

70 Aplicaciones del Usuario User Data Fieldbus Message Specification Fieldbus Access Sublayer Enlace de datos Física FMS PCI (4) User Encoded Data (>251) FAS PCI (1) FMS PDU (>255) DLL PCI (>15) FAS PDU ( 5 a 256 ) Frame C.S (2) Preámbulo Start Delim. DLL PDU (>273) End Delim.(1) PDU: Protocol Data Unit PCI: Protocol Control Information 70

71 Capa Física Tipo H1 Señal codificada Manchester Caracteres especiales como delimitadores de comienzo y final. Se puede obtener energía directamente del bus. Operar sobre cables usados para 4-20 ma Soporta seguridad intrínseca 71

72 Un transmisor entrega: +/- 10 ma a 31,25 Kbit/seg sobre una carga de 50 ohms, creando un voltage de 1 Vpp modulado sobre la continua. La tensión de continua puede ir de 9 a 32 V Para casos de seguridad intrínseca, la tensión de alimentación depende de la barrera 72

73 Cableado La longitud depende de: velocidad de transmisión tipo de cable alimentación desde el bus o no seguridad intrínseca Par trenzado mallado 1900 m max. sumando spurs La longitud de los spurs depende del Nº de spurs y del Nº de dispositivos por spur. Se pueden usar bridges como repetidores. 73

74 Modelo H2 Propuesto para: Control avanzado de procesos Entradas/Salidas remotas Alta velocidad Alimentación propia o 2º par de cables Entrega: +/- 60 ma a 1.0 o 2.5 Mbits/seg sobre 75 ohms ( 9Vpp). Con SI portadora de 16 KHz en lugar de continua Sin spurs para evitar reflexiones conexión al cable por acoplamiento inductivo 74

75 Stack de comunicaciones Data Link Layer Maneja el acceso al bus mediante un administrador de bus centralizado y determinístico. LAS Link Active Scheduler Hay 3 tipos de dispositivos: Dispositivos básicos, no pueden ser LAS Dispositivos maestros (link master) pueden ser LAS Bridges se usan para interconectar fieldbuses 75

76 Comunicación Programada El LAS tiene una lista de tiempos de transmisión de todos los buffers de todos los dispositivos que necesitan transmitir cíclicamente. Cuando un dispositivo debe transmitir sus datos, el LAS genera un comando CD (compel data) para ese dispositivo. Cuando el disp. Recibe el CD realiza un broadcast o produce (publica) los datos para todos los disp del bus. Lo hacen aquellos configurados para recibirlos consumidores (suscriptores) 76

77 LAS a b c CD (a) Fieldbus Message data a data b data c Productor Consumidor Consumidor 77

78 Algunas normas IEC para comunicaciones digitales (1) IEC presenta una solución de compromiso especificando múltiples protocolos no interoperables. Después de una segunda versión solo de correcciones, en el año 2003 se aprueba y publica la tercera edición de la familia de estándares IEC que consta de 6 partes y páginas. Esta familia cubre no menos de 8 protocolos distintos, algunos con variante Ethernet y otros no. 78

79 Algunas normas IEC para comunicaciones digitales (2) IEC define familias de perfiles de comunicación entre las ofertas del estándar IEC La norma IEC 61784, consta de dos partes, la primera incorpora 18 perfiles que incluyen Foundation Fieldbus, Pofibus, WordlFIP, entre otros. La segunda parte basada en Ethernet en tiempo real, presenta 9 propuestas como PROFInet, VNET/IP, EtherCAT, etc. 79

80 Algunas normas IEC para comunicaciones digitales (3) IEC 61804: Esta especificación está orientada a los sistemas distribuidos del control de procesos basados en bloques de funciones según la IEC

81 Posición de la IEC respecto de otros estándares y productos IEC Concepto de Bloques Funcionales FF PROFI- Control BUS Net PA ---- Wordl FIP IEC EDDL IEC Guidelines Productos EDDL: Electronic Device Description Language 81