CURSO COMUNICACIONES INDUSTRIALES

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1 CURSO COMUNICACIONES INDUSTRIALES Redes industriales bajo Ethernet-TCP-IP Fabiana Ferreira Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

2 Utilización de Ethernet como red industrial Objetivos : Aprovechar el menor costo del hardware Ethernet Unificar la red a nivel de la empresa Utilizar el mismo soporte técnico y hardware Integrar los sistemas de automatización con otros sistemas de la empresa Poder realizar el diagnostico, control y monitoreo de dispositivos a distancia via web o LAN corporativa Lograr un único Standard de comunicaciones para el piso d planta Tipos de utilización a nivel industrial para conectar dispositivos de campo con controladores Como bus de campo Para conectar controladores y supervisores con niveles informáticos Como bus de celda o supervisión 2

3 Requisitos para que una red pueda usarse en campo Transportar pequeños paquetes de información en un tiempo acotado Muestrear en forma simultanea y periódica cierta cantidad de entradas Proveer medios para conocer el orden en que se produjeron eventos tales como alarmas o comandos Permitir transmisiones punto a punto y multipunto Resistir interferencia, vibraciones, etc. Permitir la alimentación de los dispositivos desde la red Asegurar que los datos no pueden ser corrompidos (seguridad) El protocolo debe ser transparente para el usuario Bajo costo en todo el ciclo de vida de la aplicación 3

4 Problemas y soluciones Tamaño mínimo de trama : 64 bytes No importa a velocidades altas Puede haber colisiones y demoras en el acceso al medio Si la red tiene poco trafico no hay colisiones Se divide en dominios de colisión con switches El switch agrega demoras Se introduce un protocolo más complejo en el nivel aplicación Hay pocas prioridades Con IPv6 habrá más prioridades 4

5 Problemas y soluciones TCP no detecta inmediatamente los errores por lo que se puede procesar un dato erróneo (los buses de campo implementan retransmisión inmediata No se puede saber el orden relativo en que ocurrieron alarmas y comandos TCP no admite modo broadcast Hay que retransmitir varias veces los datos importantes Se puede transmitir un time stamp con el dato Se pueden implementar algoritmos basados en relojes locales Para intercambios en modo productor consumidor se debe usar UDP 5

6 Problemas en el medio físico Los conectores standard RJ45 no están diseñados para ambientes agresivos Se utilizan conectores especiales Los cables UTP no pueden ser utilizados Los switches standard no resisten al ambiente ni pueden ser montados en tableros No lleva alimentación en el mismo cable Se utilizan cables apantallados Se utilizan switches industriales Esta apareciendo Power Over Ethernet 6

7 Costos Ethernet usa topología árbol (más compleja para instalar y planificar que la de bus) Se requiere mayor complejidad computacional para implementar TCP que para los buses industriales por lo que aumenta el costo de las cartas e interfaces de conexión Ethernet no soporta la alimentación remota de dispositivos. Se debe cablear por separado la alimentación de dispositivos y de hubs y switches. De cualquier forma los costos pueden ser menores que en otros buses 7

8 Conclusiones Falta de mecanismos para consistencia temporal Falta de mecanismos para ordenar eventos No ofrece retransmisión rápida de errores No provee control de la carga en la red No tiene alimentación para dispositivos El cableado es más complejo y caro No se garantiza la seguridad Hoy en día todavía hay soluciones más económicas ( según la aplicación) No es una solución universal por las adaptaciones necesarias Permite bus redundante Facilita acceso a redes corporativas Gran parte del hardware es COTS 8

9 Características de los protocolos industriales Ethernet Tres tipos de soluciones Protocolos integrados a una familia de redes Comparten la capa aplicación con las otras redes y pueden utilizarse con hardware especial o COTS Ofrecen tres protocolos : Uno con TCP para intercambios explícitos (cliente servidor) Uno con UDP para intercambios productor consumidor Uno con capas adaptadas especial para aplicaciones de tiempo critico Ejemplos : Profinet, Modbus TCP, Foundation HSE, Ethernet IP Protocolos nuevos que poseen una capa aplicación distinta con o sin hardware especifico Utilización de Ethernet TCP-IP con hardware especial y ciertas funciones integradas directamente en los switches. 10 protocolos aceptados por IEC como Publicy Avalaible Standards (PAS) 9

10 Conectores industriales Siemens Phoenix Contact 10

11 Switches industriales Siemens Phoenix Contact Phoenix Contact 11

12 Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires FOUNDATION Fieldbus HSE Fabiana Ferreira Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica

13 Arquitectura 13

14 Arquitectura 14

15 Topología 15

16 Diseño tolerante a fallas 16

17 Comparación HSE y H1 Esta limitada a 100 m, muy corta para instrumentos. Requiere cable costoso para largas distancias Tiene mayor ancho de banda que H1 Permite redundancia de medio. Necesita un switch con un port por dispositivo No lleva potencia No es intrínsecamente segura HSE como backbone y red de sala de control H1 como red de campo 17

18 Productos HSE Dispositivos: 3 clases Linking Device : puente de datos entre H1 y HSE y entre dos H1 Ethernet Device: tiene capacidad de control y I/O Gateway Device: HSE y otros protocolos Single integrated unit of all Fieldbus functions 18

19 Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires Ethernet /IP Fabiana Ferreira Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica

20 Protocolos 20

21 Ethernet /IP y CIP Capa Aplicación Capa transporte FTP HTTP TCP DNS CIP SNMP UDP BOOTP DHCP No hay limitaciones en la aplicación del CIP Lo que se necesita es un mecanismo de encapsulado para codificar mensajes CIP en tramas Ethernet Usa TCP/IP para mensajes explícitos Usa UDP/IP para mensajes de I/O Capa de red Capa Enlace Capa física IP Red basada en Ethernet Requiere dos objetos adicionales del CIP Objeto TCP/IP: Objeto de enlace Ethernet: parámetros de la comunicación 21

22 Arquitectura 22

23 Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires Profinet Fabiana Ferreira Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica

24 Escalabilidad de redes 24

25 Comparativa 25

26 Protocolos Profinet IT-Applications e.g.. HTTP SNMP DHCP... TCP/UDP IP 1 Ethernet PROFINET Applications Standard- Data Process- Data Real-time 2 RT 3 IRT Real-time Standard channel TCP/IP and UDP/IP Parameterization and Configuration Diagnose Data Negotiating the user data channel Real-time channel RT High performance cyclical user data transmission Event triggered messages/alarms Real-time channel IRT Synchronous user data transmission Jitter <1µsec 26

27 Redundancia 27

28 Niveles de Seguridad 28

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