Protocolos de Comunicación Industrial Basados en Ethernet Conecte LabVIEW a PLCs

Transcripción

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2 Protocolos de Comunicación Industrial Basados en Ethernet Conecte LabVIEW a PLCs

3 Agenda Por qué Protocolos Ethernet? Vista General de los Protocolos Industriales Basados en Ethernet Añadir E/S Determinística a NI PACs Conectar Dispositivos NI a Protocolos Industriales Modbus TCP/IP Plug-In PXI/PCI Devices, PROFIBUS Ethernet/IP

5 Por qué Protocolos Ethernet? Modbus DeviceNet CANopen PROFIBUS Modbus TCP/IP Ethernet/IP EtherCAT PROFINET Protocolos Industriales Tradicionales Capa Física Ethernet

6 Adopción Ethernet Industrial Mercado total $630 M Ethernet realmente significa: Ethernet/IP PROFINET Modbus TCP/IP Expected Trends in Type of Wireline Infrastructure Networks being used in Industrial Facilities Fuente: VDC 2006

8 Ethernet Industrial y Modelo OSI 7. Application 6. Presentation 5. Session 4. Transport 3. Network 2. Data Link 1. Physical Modbus TCP/IP, Ethernet/IP, PROFINET, and EtherCAT, TCP and UDP IP Ethernet

9 Los protocolos Ethernet Industriales no son sólo Ethernet. Añaden características de fiabilidad y determinismo siendo la compatibilidad con Ethernet estándar la condición a cumplir

10 Protocolos Industriales Basados en Ethernet Modbus TCP/IP EtherCAT Ethernet/IP PROFINET

11 Similitudes Reutilizan las capas 1 y 2 del modelo OSI Qué pasa con las otras cinco? Definen dispositivos maestro (escáner) y esclavo (adaptador) Orientadas a una o más aplicaciones No Real Time Real Time Hard Real Time

12 Plataformas de Aplicación No Real Time Usa TCP/IP o UDP/IP estándar Aplicación: PLC a HMI o PLC a SCADA Real Time Añade determinismo con hardware COTS Aplicación: Datos de control Hard Real Time Añade hardware específico para ofrecer determinismo Aplicación: Movimiento distribuido

13 Dónde Encajan los Protocolos? EtherCAT PROFINET (IRT)** PROFINET (RT)** Ethernet/IP CIP Sync Ethernet/IP Modbus TCP/IP PROFINET (NRT)* Ethernet/IP **También PROFINET I/O *También PROFINET CBA

15 Modbus TCP/IP Primer protocolo industrial sobre Ethernet (introducido en 1999) Basado en Modbus, desarrollado por Modicon en 1979 Estándar Ethernet abierto y ampliamente adoptado Ventajas Usa Ethernet estándar (hardware y capa de transporte TCP/IP) Abierto y relativamente simple Desventajas No es un protocolo hard real-time No ofrece determinismo

16 Elementos de Datos Modbus Modbus Modbus Slave Data Item Data Type Description Example Read Write Read Write Boolean value Yes Yes Yes Yes Accesses single-bit coils = {000001} Boolean value Yes No Yes Yes Accesses single-bit discrete inputs = {100002} Boolean value Yes No Yes Yes bit unsigned integer Yes No Yes Yes Boolean value Yes Yes Yes Yes Accesses individual input register bits and interprets them as logical TRUE or FALSE values. The least significant bit is 1. The most significant bit is 16. Accesses 16-bit input registers as unsigned integers ranging from 0 to 65,535. Accesses individual bits of holding registers and interprets them as logical TRUE or FALSE values. The least significant bit is 1. The most significant bit is = {the first bit of } = {300001} = {the 16th bit of } bit unsigned integer Yes Yes Yes Yes Accesses 16-bit holding registers as unsigned integers ranging from 0 to 65, = {400002}

17 Ethernet-Based Industrial Protocols Modbus TCP/IP EtherCAT Ethernet/IP PROFINET

18 EtherCAT EtherCAT Ethernet Control Automation Technology Gestionado por EtherCAT Technology Group (ETG) Abierto y basado en estándares como IEC Ventajas Protocolo industrial hard real-time Comunicación extremadamente eficiente y directa Desventajas Únicamente hard real time No diseñado para paquetes TCP/IP estándar y EtherCAT

19 Principio Funcional: Ethernet Al vuelo Analogía Tren Rápido El tren (trama Ethernet) no se para Incluso observando el tren a través de una pequeña ventana es posible verlo El vagón (subtelegrama) tiene una longitud variable Es posible extraer or insertar personas (bits) individuales o grupos enteros por tren Master Slave Slave Slave Slave

20 Tramas Ethernet Los comandos EtherCAT son transportados en el area de datos de las tramas Ethernet y codificados a través de un EtherType especial EtherType esta limitado a una subred Ethernet (no transmitidas por routers)

22 EtherNet/IP Bus principal para Rockwell Automation Gestionado por Open Device Vendors Association (ODVA) Extiende los conceptos DeviceNET concepts a Ethernet Ventajas Usa la capa de transporte Ethernet (TCP y UDP) Desventajas Puede saturar redes con mensajes UDP si no se configura correctamente, recomendado el uso de switches gestionados con rastreadores IGMP

23 Clases de Dispositivo Clase Escáner Maestro Inicia comunicaciones implícitas y explícitas Clase Adaptador Esclavo Sólo envia datos si son requeridos por un escáner Soporta mensajes explícitos e implícitos Clase Mensajes Usado para configuración o transferencia de datos bajo demanda Inicia la transferencia de datos por cualquier dispositivo

24 Añadidos EtherNet/IP CIP Sync Basado en IEEE 1588 Añade relojes compartidos a los dispositivos CIP Motion Se basa en CIP Sync para realizar control distribuido por movimiento Usa compartición de relojes no QoS CIP Safety Basado en la seguridad de DeviceNet Dispositivos inteligentes con parámetros de time-out

25 Terminología Ethernet/IP Mensajes Explícitos TCP/IP Usado para configurar parámetros e iniciar comunicaciones implícitas Mensajes Implícitos UPD/IP multidifusión Usado para comunicar datos de E/S Normalmente configurado para actualizaciones cíclicas

26 Comunicación con PLCs ControlLogix desde LabVIEW EtherNet/IP Disponible en NI Labs para su descarga ni.com/labs

27 VIs EtherNet/IP VIs para LabVIEW Suministra Vis para la comunicación con etiquetas de PLCs Logix Lectura y escritura de etiquetas directas en Allen-Bradley ControlLogix y PLCs CompactLogix Se ejecuta en LabVIEW para Windows y LabVIEW Real-Time (Phar Lap and VxWorks) Mensajería explícita Adecuado para números pequeños de etiquetas

28 Uso en Controladores Real-Time Necesario instalar los drivers de comunicación en el target Real- Time desde NI Measurement & Automation Explorer

29 VIs EtherNet/IP para LabVIEW Ventajas Método sencillo para comunicar con PLCs Rockwell Comunicación iniciada por LabVIEW (no es necesario cambiar el código del PLC) Bueno para la comunicación de pequeños números de etiquetas Usa TCP/IP y no requiere rastreo IGMP para prevenir la saturación de la red Desventajas No recomendado para un grandes números de etiquetas Empaquetado ineficiente de los datos en Ethernet (comunicación más lenta) Incremento de la carga del procesador en el PLC Sólo se puede comunicar con PLCs Rockwell Logix Sin soporte para SLC, sin soporte para dispositivos EtherNet/IP de terceros

31 PROFINET Bus principal para Siemens Protocolo de aplicación que extiende PROFIBUS a Ethernet Gestionado por PROFIBUS & PROFINET International (PI) Ventajas Soporta tráfico Ethernet determinístico y estándar Utiliza IEEE 1588 y QoS para añadir determinismo Desventajas Para RT/IRT se recomienda un switch gestionado con QoS Switch con ASIC ERTEC para aplicaciones más complejas

32 Tres Niveles No Real Time (NRT) PROFINET CBA Puesta en marcha de planta Rango de 100 m/s RT (Real Time) PROFINET CBA y PROFINET I/O Aplicaciones de E/S Tiempos de ciclo de hasta 10 m/s IRT (Isochronous Real Time) PROFINET I/O Aplicaciones en sistemas drive Tiempos de ciclo de menos de 1 m/s Fuente: Wikipedia

33 Ciclo de red PROFINET Sin mensaje start period Sincronización a través de IEEE 1588 y asíncrona Sección roja del ciclo (isocrono) Sección verde del ciclo (asíncrona) mínimo125 s

34 Tecnología IEEE 1588 Tecnología para sincronizar relojes distribuidos Precisión basada en la deriva del reloj

35 Tecnología IEEE 1588

36 HRT: Determinismo y Rendimiento Organización Tiempo de Respuesta (ms) Deriva (us) Tasa de Datos (Mb/s) EtherCAT ~ 0.1 < Sercos III < 0.5 < PROFINET IRT < 1 < Ethernet Powerlink < 1 < Ethernet/IP ~ 1 < Table 1. Real-Time Comparison of the Various Real-Time Methods Standards-Based Real-Time Ethernet Now Off-the-Shelf by Klaus Zwerina

38 Sistema NI con E/S Distribuida Determinística Host Computer (TCP/IP) Sistema NI PXI con System Interfaz Ethernet with Ethernet Interface NI crio-9074 NI (EtherCAT) NI 9144 NI 9144

39 Controladores Maestro NI Requisitos NI CompactRIO o sistema real-time PXI con dos puertos Ethernet NI-Industrial Communications para EtherCAT

40 Chasis de Expansión NI 9144 Dos puertos para conexión en cadena Chasis rubusto -40 a 70 C Alimentación de 9 a 30 V HazLoc Impacto/vibración Ocho slots para módulos de la serie C de NI

41 Experiencia LabVIEW Chasis CompactRIO Chasis de Expansión NI 9144 { {

42 Demo E/S Distribuida Determinística

43 E/S Serie C Soporta más de 30 módulos analógicos y digitales Medidas punto a punto Sin soporte para formas de onda (NI 9233 y NI 9234) Sincronización entre módulos y entre chasis Compatibilidad con diferentes chasis EASY POWERFUL OPEN

45 Opciones Modbus en LabVIEW VIs Modbus Servidor E/S Modbus

46 Modbus: Conexión con Puertas de Enlace de Terceros Amplia variedad de protocolos de comunicación Soportadas por todos los PACs LabVIEW Real-Time No indicado para aplicaciones no determinísticas Modbus TCP PROFIBUS DeviceNet EthernetIP ControlNet

47 PXI/PCI con Soporte Real-Time PROFIBUS CAN CANopen DeviceNet FOUNDATION fieldbus

48 PROFIBUS Compatible con Windows XP/2000, LabVIEW Real-Time Software gráfico de configuración de red API LabVIEW Express para una programación simplificada Entre los dispositivos soportados se incluyen DPV0 Maestro clase 1/2, DPV0 Esclavo y DPV1 Maestro clase 2

49 Vis Ethernet/IP para LabVIEW VIs para modos mensaje y escáner de Ethernet/IP Disponibles en NI Labs Instalador suministra Vis para comunicación con adaptadores Ethernet/IP

50 Ethernet/IP VIs

51 Preguntas?