CIM (Computer Integrated Manufacturing)

Transcripción

1 Ingeniería Electrónica y Automática CIM (Computer Integrated Manufacturing) Gijón, abril

2 Ingeniería Electrónica y Automática Arquitecturas de Red Gijón, abril

3 Ingeniería Electrónica y Automática 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. 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. 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) CAN SDS AS-I DeviceNet LONWorks BitBus DIN MessBus InterBus-s UNI-TELWAY Modbus Profibus FIP Fiedbus Foundation HART Gijón, abril

4 Ingeniería Electrónica y Automática Ejemplos Ethernet Profibus Interbus Bus AS-I UNI-TELWAY Gijón, abril

5 Ethernet Industrial Ingeniería Electrónica y Automática Control de acceso al medio (MAC): CSMA/CD CONECTOR RJ-45 Contactos metálicos Cables en pares trenzados 8 Par 7-8 Par 3-6 Topología en BUS. Cableado coaxial. VISTA FRONTAL 1 VISTA SUPERIOR Par 4-5 Par 1-2 Topología en estrella con repetidor. Cable de par trenzado. Topología en estrella con conmutador. Cable de par trenzado. Gijón, abril

6 Ingeniería Electrónica y Automática El formato de las tramas Ethernet e IEEE Preambulo Dir. destino Dir. origen Tipo Datos CRC 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 l m Estaciones dispuestas a transmitir una trama Trama de la estación j Trama de la estación k C J C J Trama de la estación m C Colisión J Señal de atasco Trama de la estación l tiempo Gijón, abril

7 Ingeniería Electrónica y Automática Red Ethernet conmutada (I) Gijón, abril

8 Ingeniería Electrónica y Automática 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. Gijón, abril

9 Ingeniería Electrónica y Automática Redes Virtuales: VLAN VLAN 1 Cable cruzado VLAN 2 Gijón, abril

10 Ingeniería Electrónica y Automática Agregación de Puertos: Port Trunks Puertos 100 Mbps Port Trunk de 4x100 Mbps (400 Mbps) Full-duplex Gijón, abril

11 Ingeniería Electrónica y Automática Redundancia de Conexiones: Spanning Tree Deshabilitado Activado Rotura del enlace Deshabilitado Deshabilitado Deshabilitado Activado Gijón, abril

12 Ingeniería Electrónica y Automática 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

13 Buses de Campo Ingeniería Electrónica y Automática Reducción de costes Antes Mantenimiento de la red Flexibilidad Simplificación Comunicación bidireccional Servicios de administración: Física, Enlace, Aplicación y Usuario Después Gijón, abril

14 Ingeniería Electrónica y Automática ANTES RS232 RS232 (±12V, 0-20mA) RS232 RS232 Datos analógicos o digitales, con contactos libres de tensión, en tensión (24V, ±10V) o en corriente (0-20mA, 4-20mA). Gijón, abril

15 Ingeniería Electrónica y Automática AHORA Gijón, abril

16 Ingeniería Electrónica y Automática 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 Gijón, abril

17 Ingeniería Electrónica y Automática 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

18 Ingeniería Electrónica y Automática Buses para Áreas de Seguridad Intrínseca Dispositivos con seguridad intrínseca para uso en ambientes explosivos HART Profibus PA FIP Gijón, abril

19 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 Codificación Manchester Ingeniería Electrónica y Automática Envío de la señal codificada Telegrama maestro 150µs esclavo St SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB St I3 I2 I1 I0 PB EB St: SB: A0 A4: I0 I4: PB: 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 Gijón, abril

20 Ingeniería Electrónica y Automática AS-i: Aktuator Sensor Interface (II) Gijón, abril

21 Ingeniería Electrónica y Automática 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) Gijón, abril

22 INTERBUS (II) Ingeniería Electrónica y Automática Gijón, abril

23 Ingeniería Electrónica y Automática CAN: Controller Area Networking Sólo capa física y de enlace 250 kbps a 1 Mbps Hasta 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 Gijón, abril

24 PROFIBUS (I) Ingeniería Electrónica y Automática Gijón, abril

25 PROFIBUS (II) Ingeniería Electrónica y Automática Gijón, abril

26 Topologías PROFINET (SIEMENS) Lineal Árbol Anillo Gijón, abril

27 Hardware y cableado PROFINET (SIEMENS) Gijón, abril

28 Bluetooth 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 (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

29 Bluetooth Aquitectura de la red Bluetooth Gijón, abril

30 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 SpanningTree Gijón, abril

31 Wireless LAN I-Features en Wireless LAN Simatic NET Reserva de tasa de transferencia Gijón, abril

32 Wireless LAN I-Features en Wireless LAN Simatic NET Posibilidad de tráfico para dispositivos de seguridad Modo RR para tráfico tiempo-real crítico ( ms), aunque esto lo hace incompatible con el estándar. Solución, doble red: Gijón, abril

33 Integración con redes TCP/IP (Internet) Tareas: Adquisición de Datos Supervisión Control Herramientas: Sistemas SCADA Servicios OPC Gijón, abril

34 Integración con redes TCP/IP (Internet) Internet Cámara TCP/IP Red Ethernet (TCP/IP) iocontrol E S PC de desarrollo y monitorización Gijón, abril

35 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 ( , 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

36 Seguridad en la red industrial Gijón, abril

37 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

38 Aplicaciones Scada y acceso remoto vía Internet INTERNET Aviación Buques Automoción Domótica Gijón, abril