Guía didáctica de Redes de Comunicaciones Industriales (3 er curso Ingeniería Técnica Industrial especialidad Electrónica Industrial)

Transcripción

1 Guía didáctica de Redes de Comunicaciones Industriales (3 er curso Ingeniería Técnica Industrial especialidad Electrónica Industrial) El material que se seguirá para el estudio de la asignatura es: CASTRO, M. y otros: Comunicaciones Industriales: Principios Básicos. Ed. UNED, Libro 1. CASTRO, M. y otros: Comunicaciones Industriales: Sistemas Distribuidos y Aplicaciones. Ed. UNED, Libro 2. Al ser libros bastantes extensos (ya que incluyen en los mismos una parte muy amplia de nociones básicas para facilitar el estudio por el alumno, y estar orientados claramente a la enseñanza a distancia) y no ser el objetivo de esta asignatura cuatrimestral su estudio completo, se darán unas pautas de estudio acotando los puntos que el alumno debe estudiar, y que serán objeto de examen. NO SE INCLUYEN dentro del acotado los apartados de la parte final de conclusiones, así como de pruebas, ejercicios resueltos y de evaluación objetiva, pues esa parte incluyen, entre otras, pruebas y ejercicios de cada apartado que el alumno puede (y debe, según su interés) realizar y trabajar de forma personal, pero no dentro del acotado del material de estudio.

2 UNIDAD DIDÁCTICA I COMUNICACIONES DIGITALES Y REDES En esta unidad didáctica el alumno estudiará la introducción básica de los sistemas de comunicaciones digitales y las redes de comunicaciones. Así, se introduce al alumno en el ámbito de los Sistemas de Comunicaciones, y más específicamente en las comunicaciones digitales. En ella se revisa el concepto de modelos de comunicaciones y estándares, presentándose el modelo OSI y el modelo TCP/IP, para a continuación revisar las técnicas, medios y modos usados en al transmisión de datos y acceso al medio. Por último, se estudian los componentes y protocolos específicos de las redes de área local y área amplia, focalizando en los temas de comunicaciones inalámbricas y seguridad de los sistemas. TEMA I: Introducción a las redes de comunicaciones analógicas y digitales. Estructura básica En este tema se exponen los aspectos fundamentales de la comunicación, introduciendo conceptos que posteriormente serán ampliados y tratados con más detalle en otros temas del curso. El planteamiento comienza con el análisis, en grandes bloques, de un proceso de comunicación cotidiano, planteando la problemática y necesidades que se presentan en cada uno de estos grandes bloques. Desde este análisis previo se plantean los conceptos fundamentales, empezando por el medio físico y terminando con los primeros conceptos y necesidades de protocolos en las comunicaciones. Este tema se corresponde con el Capítulo 1 completo del Libro 1, siendo un tema básico para el conocimiento de las Comunicaciones en general. TEMA II: Modelo OSI. Estándares. Protocolos. Modelo TCP/IP En estás últimas décadas el avance en las comunicaciones ha sido más que notable. La aparición de Internet y la unión entre redes de diferentes fabricantes provoco la necesidad de que fabricantes de diferentes redes buscarán una solución para crear un software de comunicaciones que permitiera comunicar diferentes redes independientemente del hardware utilizado. El primer modelo o arquitectura de comunicaciones fue el modelo OSI. Dicho modelo es un modelo conceptual que divide la comunicación en 7 capas. Posteriormente apareció el modelo TCP/IP. Actualmente es el más utilizado en Internet y recibe su nombre de sus dos protocolos más importantes: el protocolo de Internet o IP y el protocolo de control de transporte o TCP. Este tema se corresponde con el Capítulo 2 completo del Libro 1, estableciendo las bases de los conceptos de estándares y protocolos de comunicaciones, así como introduciendo los modelos OSI y TCP/IP.

3 TEMA III: Medios y modos de transmisión. Acceso al medio En este tema inicialmente se analizan en detalle las características de los medios físicos, cables y sistemas inalámbricos, que transportan la información en las redes industriales. Así, se resumen los conceptos básicos que tratan aspectos como la canalización de un medio dentro de su ancho de banda y su relación con el espectro electromagnético de las señales que lo atraviesan. Dado que las redes industriales han de desplegarse de una forma organizada dentro de la ubicación geográfica que cubren, a continuación se estudian los cables metálicos, incluyendo el cableado estructurado y la certificación de los mismos, y posteriormente las fibras ópticas, para finalmente estudiarse algunas aplicaciones de la multiplexación y la modulación en redes de operadores de cable y satélite, y se introducen los Buses de Campo. Se exponen ejemplos reales de redes de comunicación existentes en el mercado de los operadores y fabricantes, cuya comprensión permite asentar el conocimiento adquirido a lo largo del tema, y justificar su interés práctico. Como segunda parte, se estudia la capa de enlace, encargada de la comunicación fiable y eficiente entre dos equipos adyacentes. En entornos industriales, fiabilidad y eficiencia son requisitos indispensables para proporcionar protocolos de comunicaciones de tiempo real, que son aquellos que garantizan determinismo temporal en el intercambio de mensajes. Este tema se corresponde con: Capítulo 3 del Libro1(todos sus contenidos), y entrando además solo los conceptos básicos de los apartados 3.7 (la multiplexación y la modulación) y 3.8 (modulación en banda base y banda ancha), y no entrando el apartado 3.6 (los satélites espaciales de comunicaciones) ni el apartado (redes de satélites); Capítulo 4 completo del Libro1. TEMA IV: Redes de área local y de área amplia. Componentes. Redes IP En este tema se van a tratar los diferentes aspectos a tener en cuanta a la hora de diseñar y ampliar una red de área local o LAN así como se describirán las redes LAN más habituales y sus aplicaciones, incluyendo las topologías y medios de transmisión. Estos esquemas han dado lugar a redes de alta velocidad y redes inalámbricas. A continuación se realizará la descripción de las características fundamentales de las redes de área amplia, tanto de las redes tradicionales basadas en protocolos de niveles bajos de la arquitectura OSI como de las redes IP públicas como Internet. La pila de protocolos IP está tan ampliamente aceptada que puede afirmarse, sin lugar a dudas, que la mayor parte de protocolos de aplicación en el mundo de las comunicaciones se basa en ella. Asimismo se tratará de otros conceptos fundamentales de las redes IP, como los sockets, abstracción creada para poder diferenciar distintos servicios IP en los equipos de la red y cuya comprensión resulta esencial para entender el funcionamiento de cualquier aplicación cliente/servidor. Se corresponde este tema con los Capítulos 5 y 6 completos del Libro 1.

4 TEMA V: Sistemas de comunicaciones inalámbricos Este tema presenta los tipos de redes no cableadas disponibles para el acceso de la información necesaria para la prestación de los servicios de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC), desde terminales fijos, móviles y transportables. Se comienza con el estudio de la problemática que presenta la propagación inalámbrica, las contramedidas que mitigan sus efectos en las comunicaciones, y las métricas que permiten evaluar las prestaciones de las redes inalámbricas y móviles existentes. Desde un punto genérico se plantea el diseño de dichas redes a partir de una configuración general para simplificar su estudio. Finalmente se analiza el interés de las redes de radio en el contexto de las aplicaciones industriales y su impacto en los buses de campo, y se plantean algunas alternativas de configuración dada la inexistencia de normas o protocolos inalámbricos en el ámbito industrial. Se corresponde este tema con el Capítulo 7 del Libro 1 (todos sus contenidos), y entrando además solo los conceptos básicos de los apartados 7.5 (redes de área local móviles), 7.6 (redes de área personal), 7.7 (redes fijas de acceso inalámbrico y 7.8 (redes de acceso celular), y no entrando el apartado 7.9 (redes de satélites espaciales). TEMA VI: Seguridad en los sistemas de comunicaciones En este tema se expondrán los conocimientos básicos sobre dos aspectos de las redes que, de ser poco importantes durante años, han pasado a ser fundamentales para cualquier buen profesional de redes: la seguridad y la calidad de servicio. En el momento actual no se puede hacer un análisis completo y realista de ninguna organización en la que las redes sean una parte esencial sin tener en cuenta los peligros desde el punto de vista de seguridad a los que están expuestas tales redes. De igual manera un profesional cualificado debe conocer cuáles son las limitaciones de las redes con las que trabaja, debe saber cómo obtener el máximo de prestaciones para los recursos que tiene en sus redes. Se corresponde este tema con el Capítulo 8 del Libro 1 (todos sus contenidos), entrando además solo los conceptos básicos de los apartados 8.5 (defensas no criptográficas) y 8.6 (defensas criptográficas), y no entrando el apartado 8.9 (aproximaciones estándar a la calidad del servicio en redes) ni 8.10 (los encaminadores y la calidad del servicio).

5 UNIDAD DIDÁCTICA II COMUNICACIONES DISTRIBUIDAS E INDUSTRIALES. BUSES DE CAMPO En esta segunda parte, se analizan los temas clave de las comunicaciones y el control en los procesos industriales y de fabricación, y sus características distintivas al ser en tiempo real. Se estudia el modelo OSI en este entorno y se introducen los buses de campo como sistemas distribuidos y jerárquicos de control, acabando con la introducción a la programación y a la calidad del servicio en estos sistemas. TEMA VII: Procesos Industriales. Fabricación Los procesos industriales son la parte fundamental de los sistemas de fabricación. En ellos se realiza una coordinación de materiales, energía e información para generar y producir productos que tengan un valor añadido. La correcta gestión de los flujos puede permitir que el resultado sea competitivo. En los procesos industriales se deben contemplar características temporales estrictas, principalmente en los puntos más cercanos a las máquinas, aunque la definición de tiempo real afecta todos los mecanismos de transacción que dependan de unos plazos de validez, tanto de los datos como de las operaciones. En este tema introductorio, se incluyen igualmente los conceptos de tiempo real, prioridades, modelos jerárquicos y sincronización de procesos. Este tema se corresponde con el Capítulo 1 completo del Libro 2, estableciendo las bases de los procesos industriales y los mecanismos necesarios para su control mediante las comunicaciones industriales. TEMA VIII: Sistemas en tiempo real. Modelos. Jerarquía. Sincronización Los sistemas distribuidos son un tipo de sistema de tiempo real. En ellos, los principales problemas a dar solución son los derivados a la planificación de las diferentes acciones a realizar sobre los diferentes nodos o equipos que se comunican a través de una red, de tal forma que las restricciones temporales sean cumplidas en todo momento. Por lo tanto este tema se centra en el estudio detallado y el análisis de los conceptos y la teoría básica de los sistemas de tiempo real y su aplicación a los sistemas de comunicación industrial. Este tema se corresponde con el Capítulo 9 completo del Libro 1, ampliando los conceptos ya expuestos en el Tema VI (y por lo tanto, en el Capítulo 1 del Libro 2), y profundizando en los mecanismos necesarios para el control de los sistemas en tiempo real, su jerarquía y sincronización.

6 TEMA IX: Modelo OSI de redes industriales Se analiza en este tema como encajan las redes industriales dentro del tradicional modelo jerarquizado OSI de las redes de comunicaciones (ya analizado en el Tema II) y la compleja historia de estas redes, incluyendo su evolución y tendencias. Este tema se corresponde con el Capítulo 2 del Libro 1, entrando en este tema solamente el apartado 2.4, y el Capítulo 3 del Libro 2, entrando en este tema el apartado 3.3. TEMA X: estandarización Introducción a los buses de campo. Organizaciones y En este tema se muestran las principales características de los sistemas distribuidos industriales, mostrando las funcionalidades de dichos sistemas desde el punto de vista estructural e indicando las características de los buses de campo en su aplicación al control distribuido. Los buses de campo han provocado una revolución en cómo se controlan los sistemas industriales, pues a su sencillez estructural se añade la facilidad de utilización y el coste reducido. Los sistemas industriales están formados por máquinas de producción, células, equipos, actuadores y sensores de gran variedad de características. Su control avanzado exige que exista una conectividad entre todos estos elementos siguiendo alguna de las arquitecturas habituales, como las arquitecturas centralizadas o distribuidas. Su coste reducido es una consecuencia directa de la simplificación de la instalación, pero también de la facilidad de su supervisión y mantenimiento. Este tema se corresponde con el Capítulo 10 completo del Libro 1, ampliándose estos conceptos con el apartado 3.5 (buses de campo) del Capítulo 3 del Libro 2, revisándose las organizaciones y estándares actuales en el apartado 3.4 (organizaciones y estandarización) del Capítulo 3 del Libro 2 e incluyéndose en el apartado 10.4 (buses de campo: buses estandarizados IEC y de facto) del Libro 2 un resumen y tablas sobre los buses de campo existentes. TEMA XI: Programación de redes distribuidas En este tema se revisan los conceptos de comunicaciones industriales y sistemas distribuidos, ya estudiados anteriormente, pero que resultan fundamentales para entender los temas siguientes, dedicados a los sistemas existentes dentro de las aplicaciones industriales de las comunicaciones. Igualmente el lector deberá revisar el concepto de sistema en tiempo real, que igualmente aquí se repite para su consolidación. Por último, este tema introduce conceptos nuevos de programación, interrupciones y sistemas de control en tiempo real. Este tema se corresponde con el Capítulo 2 completo del Libro 2, estableciendo las bases de los conceptos de trabajo en tiempo real, sistemas distribuidos y su programación.

7 TEMA XII: Calidad del servicio Un profesional cualificado debe conocer cuáles son las limitaciones de las redes con las que trabaja, debe saber cómo obtener el máximo de prestaciones para los recursos que tiene en sus redes. Es necesario que la red se adapte a las necesidades cambiantes de cada una de las aplicaciones que la usan como medio de transmisión. Esto quiere decir que habrá aplicaciones que necesitarán más ancho de banda en momentos determinados u otras para las que el retardo en la señal deba ser menor de una cierta cantidad para poder darán servicio como el ofrecido a los clientes de tales aplicaciones. El problema de la calidad del servicio ya ha encontrado soluciones técnicas reales y se dispone de estándares suficientemente probados y aceptados que se deben conocer desde un punto de vista general, en sus objetivos. Se corresponde este tema con el Capítulo 8 del Libro 1, entrando en este tema los apartados 8.8, 8.9 y 8.10.

8 UNIDAD DIDÁCTICA III BUSES DE CAMPO Y APLICACIONES DE LAS COMUNICACIONES INDUSTRIALES Por último, en esta tercera parte de la asignatura se estudian las aplicaciones de los buses de campo más utilizados (PROFIBUS, WorldFIP, CAN, Ethernet Industrial, etc.) en su contexto, sus aplicaciones en entornos específicos, como es la domótica y la inmótica, así como otros sistemas de instrumentación avanzados. TEMA XIII: Bus de campo PROFIBUS. Aplicaciones industriales En este tema se realiza una descripción del protocolo PROFIBUS. Este bus de campo tiene una predominante aplicación industrial, sobre todo en funciones de control y automatización. Hoy en día, existen grupos de usuarios de la norma PROFIBUS en la mayoría de los países europeos, y también en Australia, Sudáfrica, USA, Japón y China. PROFIBUS define las características técnicas y funcionales de un bus serie para interconectar dispositivos de campo. El protocolo PROFIBUS tiene tres perfiles, cada uno orientado a diferentes clases de aplicaciones: PROFIBUS-FMS, PROFIBUS-DP y PROFIBUS-PA. El perfil PROFIBUS-FMS es la solución adoptada para tareas de comunicaciones industriales en el nivel superior (nivel de célula) y en el nivel de dispositivos de campo. PROFIBUSDP es una versión optimizada en prestaciones y dedicada especialmente a comunicaciones críticas en el tiempo entre sistemas de automatización y la periferia distribuida. Por último, PROFIBUS-PA es la versión utilizada en automatización. Por último, se explican las principales aplicaciones y se nombran las empresas más importantes que suministran productos comerciales PROFIBUS. Este tema se corresponde con parte del Capítulo 4 del Libro 2, según el siguiente acotado: apartados 4.1, 4.2, 4.3, 4.4, 4.8, 4.9 y Los apartados 4.5, 4.6 y 4.7 se reservan para la ampliación por los alumnos más interesados en las aplicaciones profesionales de este bus. TEMA XIV: Bus de campo WorldFIP. Aplicaciones industriales y fabricación En este tema se realizará una descripción del protocolo WorldFIP, bus de campo normalizado a escala internacional, comentando los aspectos más importantes de su funcionalidad. Este protocolo de comunicaciones industriales es uno de los sistemas más utilizados en la industria actual, sobre todo en Francia que es donde surgió. Por lo tanto existe un gran número de empresas que fabrican dispositivos y equipamiento dotados con interfaces de comunicación WorldFIP.

9 Es un bus de campo diseñado para establecer comunicaciones entre el nivel de sensores/actuadores y el nivel de unidades de proceso (PLCs, controladores, etc.) en los sistemas de automatización. Para definir esta red industrial se han tenido en cuenta consideraciones económicas, como la de reducir el coste del cableado y ahorrar en tiempo de diseño e instalación. También se consideraron aspectos técnicos como: un fácil mantenimiento y ampliación, simplificación del tradicional cableado punto a punto, garantizar un tiempo de respuesta, conseguir una seguridad aceptable y que las variables tuvieran un grado de accesibilidad elevado. WorldFIP puede ser usado en todo tipo de arquitecturas (centralizada, descentralizada, principal-subordinado). Para terminar este tema se presentarán algunas nociones básicas que la norma impone para la gestión de red y sobre algunas funcionalidades presentes en el protocolo WorldFIP que permiten la realización de mecanismos de seguridad útiles para solucionar los problemas y fallos de comunicación. Este tema se corresponde con parte del Capítulo 5 del Libro 2, según el siguiente acotado: apartados 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 (solamente los apartados 5.4.1, y 5.4.3), 5.5 (solamente los apartados 5.5.1, 5.5.2, y 5.5.4), 5.6 (solamente los apartados y 5.6.2), 5.7 y 5.8. Los apartados que se han excluido se reservan para la ampliación por los alumnos más interesados en las aplicaciones profesionales de este bus. TEMA XV: Bus de campo CAN. Aplicaciones en automoción En este tema se va a tratar el bus de comunicaciones CAN que surgió de la necesidad de comunicar las distintas unidades electrónicas existentes en el automóvil, tales como frenado ABS, inyección de combustible, etc. Posteriormente su utilización se ha ido expandiendo a otros campos de aplicación distinta de la automoción y han aparecido buses de campo basados en CAN, tales como DeviceNet y CANopen. El tema se divide en 2 partes: la primera aborda el bus CAN y la capa física del bus CAN especificada en la norma ISO La segunda parte es una introducción al bus de campo DeviceNet que tiene una fuerte implantación en la automatización industrial. Este tema se corresponde con el Capítulo 6 completo del Libro 2. TEMA XVI: Buses aplicados en la demótica e inmótica Se puede definir como edificio Domótico o Inmótico, aquel que permite una mayor calidad de uso a través de la tecnología, un aumento del bienestar, del confort, de la seguridad de sus usuarios y una racionalización del consumo energético. En este punto es necesario hacer una breve separación en la historia de los términos Domótica e Inmótica. Este último se está empezando a utilizar recientemente en la gestión de instalaciones en edificios de uso no residencial y con un cierto tamaño, con lo que se utiliza el término domótica exclusivamente para los edificios de uso residencial.

10 A lo largo del tema se va a exponer el estado del arte de los sistemas, buses, protocolos y tecnologías que rodean a la domótica y la inmótica. Su desarrollo abordará los estándares y protocolos más representativos a nivel mundial, abordando con mayor profundidad los más utilizados. Este tema se corresponde con el Capítulo 7 del Libro 2, excepto los siguientes epígrafes: , , y (y sus correspondientes sub-epígrafes). Estos apartados se reservan para la ampliación por los alumnos más interesados en las aplicaciones profesionales de este bus. TEMA XVII: Ethernet industrial. Aplicaciones La aplicación y aceptación de los sistemas basados en Ethernet crece día a día en el campo industrial. Esto es debido fundamentalmente a las ventajas que aporta cuando es instalado en una industria, a la forma de interconectarlo y a las posibilidades de diagnosticar su funcionamiento, así como a las posibilidades de aplicar en este entorno las ventajas de las redes Internet e Intranet, de uso masivo. En pocos años ha podido verse un cambio interesante en las redes industriales. Adoptar Ethernet en el mundo de la automatización ha sido el principio de este cambio. La primera razón de su uso es sin duda que los usuarios potenciales de automatización ven a priori tener una base de conocimientos más elevada en redes basadas en Ethernet que no en soluciones de bus de campo propietarias y convencionales. Este tema se corresponde con el Capítulo 8 completo del Libro 2. TEMA XVIII: Sistemas de instrumentación avanzada. Sensores y actuadores. Sistemas SCADA Este tema comienza con una comparativa entre los Sistemas Distribuidos de Control frente a los Sistemas Centralizados de Control. Posteriormente se describen los sensores inteligentes y los programas SCADA que permiten convertir a un computador personal que forme parte de un sistema distribuido en un puesto de monitorización y supervisión de la instalación controlada. Se tratan a continuación los enlaces físicos más utilizados en las comunicaciones industriales. El tema igualmente presenta el bus USB, bus de comunicaciones utilizado para conectar periféricos a los computadores personales, que también se usa en aplicaciones en la industria. Se termina el tema y la asignatura con una serie de aplicaciones avanzadas, como son en los entornos de automoción, navegación marítima, aviación, etc. Este tema se corresponde con el Capítulo 9 completo del Libro 2 y el apartado 10.7 (otras aplicaciones) del Capítulo 10 del Tomo 2.