Redes industriales. Jhon Jairo Padilla A., PhD.

Transcripción

1 Redes industriales Jhon Jairo Padilla A., PhD.

2 Sistemas de instrumentación y control modernos Toman mediciones que son recogidas por instrumentos de medida y que son entregadas a un controlador (un computador) y luego este las reenvía a otros computadores a través de una red de datos. El uso de redes reduce costos y mejora la eficiencia del sistema de control Objetivos de un sistema de control: productividad y eficiencia

3 Funciones de un sistema de control Control de los procesos y alarmas (ahora soportado por sistemas de control distribuidos) Control de las secuencias, alarmas (ahora lo hacen los PLCs) Interfaces de usuario centralizadas (ahora sistemas scada) Gestión de la información

4 Pirámide de automatización Es la forma de organizar las diferentes funciones de la automatización de una empresa de producción Contiene diferentes capas con diferentes funciones La organización por capas depende de la entidad de estandarización. Modelo CIM (Computer Integrated Manufacturing), propuesto por NIST (National Institute of Standards and Technology) Enterprise Resource Planning Manufacturing Execution System Supervisory Control and Data Acquisition Modelo Teórico CIM

5 ERP: ENTERPRISE RESOURCE PLANNING Gestiona la información Automatiza e integra las tareas de negocio, operación y producción de una empresa. Busca realizar un manejo eficiente de la información, facilitar el intercambio de datos entre todos los departamentos de la organización Busca pronosticar la oferta y demanda de los productos y/o servicios Busca brindar soluciones prácticas y rápidas a los usuarios, reducir tiempo y costos de procesos, al igual que acceder a información precisa y confiable.

6 TICs para ERP En el mercado mundial existen diferentes empresas proveedoras de soluciones ERP: Oracle, SAP, SSA, IBM, QAD, PeopleSoft, FouthShift Tipo de Red que utiliza: Redes de Área Local Estándar típico: Ethernet.

7 MES: Manufacturing Execution System Conecta el nivel de planeación de recursos empresariales (ERP) con los productivos, a través de sistemas informáticos. Su principal objetivo es la planeación y el control de la producción en tiempo real, a través de la optimización de los recursos de la organización.

8 TICs para MES Programación en base de datos como Oracle, SQL server u otras. La estructura de base de datos debe soportar el sistema, las interfaces, los cálculos, los reportes, las comunicaciones con otros sistemas, miles de líneas de código y mucho más. Usan lenguajes de programación estándar como Visual Basic, Delphi, Java, etc. Tipos de Redes a Utilizar: Redes de Área Local Estándar típico: Ethernet

9 SCADA: Supervisory Control and Data Adquisition Establece una Interfaz Humano Máquina (HMI) que le permite al usuario comunicarse con los dispositivos de campo a distancia, para la supervisión y control de las variables de proceso de forma automática. Recibe los programas de producción, calidad, mantenimiento, etc., del nivel sistema MES y realimenta dicho nivel con las incidencias (estado de órdenes de trabajo, situación de máquinas, estado de la obra en curso, etc.) ocurridas en planta.

10 Relación ERP, MES, SCADA En el modelo CIM, SCADA relaciona el nivel MES y de CONTROL Emite órdenes de ejecución al nivel sistema de control y recibe situaciones de estado de dicho nivel.

11 Componentes Tecnológicos de SCADA Interfaz Humano-Maquina o HMI (Human Machine Interface): paneles compuestos por indicadores y comandos del sinóptico de control del sistema. Ordenador central o MTU (Master Terminal Unit): se encargan de centralizar el control de la información realizando tareas de recopilación, almacenamiento, envío y análisis de datos al igual que de gestionar la comunicación con los operadores. Ordenadores remotos o RTU s (Remote Terminal Unit): recolectan y envían los datos locales a la unidad central, de la cual también pueden recibir información. Red de comunicación: permiten el intercambio de datos bidireccional entre el ordenador central y los remotos. Estándar tipico: Ethernet.

12 Componentes de un sistema SCADA

13 DCS: Sistema de Control Distribuido El sistema de control adquiere el estado de las variables de proceso por medio de los sensores, realiza los cálculos de actuaciones y finalmente lleva a cabo la acción de control

14 Estructura DCS de Siemens del laboratorio de automatización de la UPB Gabinete de control central Gabinete de control distribuido

15 Componentes Tecnológicos del DCS Para ejecutar el control de un proceso existen diferentes dispositivos electrónicos como: Controlador lógico programable (Programmable Logic Controller, PLC) Unidad terminal remota (Remote Terminal Unit, RTU) Control numérico por computadora (Computer Numerical Control, CNC) Controladores industriales Al unirlos se pueden formar redes donde hay maestros y esclavos. Tecnología de Redes: Buses de Campo

16 Proceso de Instrumentación Es la base de la pirámide del modelo CIM En el nivel de instrumentación se encuentra la maquinaria de la planta que hace posible el proceso de producción Aquí se ejecutan las acciones básicas en tiempo real de medición y control, con sensores y actuadores respectivamente Es importante tener en cuenta la adecuación de las señales para que sean compatibles al sistema

17 Redes Industriales y de redes de datos Las redes industriales son un tipo especial de redes de datos Los principios básicos de redes de datos se cumplen igualmente tanto en las redes industriales como en las redes de oficina. Las redes industriales: Transportan datos que pueden ser mediciones de una variable, ordenes de control de un actuador o información complementaria para la gestión de la red Deben operar bajo condiciones extremas para las que las redes de oficina no están diseñadas.

18 Conceptos básicos de redes de datos

19 Modelo de Comunicaciones Simplificado

20 Modelo de Comunicaciones de datos simplificado

21 Modelo de Red Simplificado

22 Tipos de Redes según el medio de transmisión Alambradas (Fijas) Inalámbricas: (Fijas y Móviles) Cable Coaxial infrarrojo Enlaces Radio Fibra Optica Par trenzado

23 Tipos de redes según su cobertura Fijas x.25, Frame Relay, ATM, MPLS Metro Ethernet, FDDI Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet

24 Redes de Area Local (LAN/MAN) Cobertura pequeña (empresa)/mediana(ciudad) Pertenece a una empresa Altas Velocidades de transmisión internas. Usan difusión en lugar de conmutación Tipos: Bus, estrella, anillo, árbol, inalámbricas

25 Redes de Area amplia (WAN) Redes públicas Cubren grandes zonas geográficas Compuestas por dispositivos de conmutación Tipos: Conmutación de circuitos Conmutación de paquetes: Retransmisión de tramas (Frame Relay) Retransmisión de celdas (ATM) Multi-Protocol-Label-Switching (MPLS)

26 Internet Compuesta por muchas redes LAN y WAN Cubre todo el planeta

27 Tipos de redes según su cobertura en el modelo CIM

28 Tipos de tráfico en las redes industriales

29 Topología de redes Fijas Topología en Estrella jerárquica Topología en Malla

30 Topologías en redes inalámbricas móviles Redes con infraestructura Redes sin infraestructura (ad-hoc) WLANRed de sensores Red Celular MSC Interface A HLR,VLR,MSC Red Malladas BTS BSC Interface Abis Air Interface MS

31 Protocolos y arquitectura de protocolos Programas de comunicaciones complejos (monolítico vs. Por capas) Protocolo: Conjunto de reglas que gobiernan el intercambio de datos entre dos capas. Componentes de un protocolo: sintaxis, semántica, temporización. Arquitectura de protocolos

32 Protocolo de Comunicaciones Hola Hola Qué hora tiene? Establecimiento conexión Solicitud cx Confirmación cx Descargar archivo Las 10 am gracias De nada Adiós Adiós Transferencia archivo Recibido bien De Información o.k Desconexión Terminar cx Terminar cx

33 Uso de Protocolos estándares

34 Normalizaciones Características de un estándar: Asegura un gran mercado, reduce costos Comunicación entre productos de diferentes fabricantes Congelan la tecnología Muchos estándares para la misma función

35 Organizaciones de normalización en comunicaciones UIT-T (reemplazo del CCITT) ISO (International standards Organization) ANSI (American National Standards Institute) IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) IETF (Internet Engineering Task Force) Genera los RFCs IAB (Internet Architecture Board) Diseño, Ingeniería y gestión de Internet. ORGANIZACIONES DE ESTANDARIZACION REDES INDUSTRIALES: ISA (International Society of Automation) NIST (National Institute of Standards and Technology) (U.S.A). Depende del Departamento de Comercio de USA.

36 Modelo OSI OSI: Open Systems Interconnection Desarrollado por la ISO (International Standards Organization) Tiene 7 Capas: Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace de datos Física

37 Capas del modelo OSI Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace de datos Física Acceso al entorno OSI y proporciona servicios distribuidos Proporciona independencia en la representación de los datos Establece, gestiona y cierra las conexiones entre las aplicaciones Seguridad, transferencia entre los extremos, recuperación de errores y control de flujo Transmisión de los datos a través de las redes, crea, mantiene y cierra conexiones Comunicación punto a punto entre el Host y el dispositivo de acceso a la red. Sincronización, control de errores y de flujo Transmisión sobre el medio físico. Características físicas de las señales.

38 Arquitectura TCP/IP Desarrollada por DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) para su red de conmutación de paquetes Usada en Internet Tiene 5 capas independientes: Aplicación Transporte Internet Acceso a la red Capa física

39 Capas de TCP/IP Física: Define la interfaz física entre el Host y la red (tipo de medio de tx, modulaciones, velocidades, etc) Acceso a la red: Intercambio de datos entre la red y el Host. Depende del tipo de red de acceso (LAN y WAN en sus diferentes tipos) Internet: Encaminamiento a través de las diferentes redes. Se implementa tanto en los Host como en los routers (interconecta dos redes)

40 Capas de TCP/IP Transporte: Se encarga de la entrega de los paquetes entre origen y destino y asegura su entrega confiable y en orden Aplicación: Se encarga de implementar las diferentes aplicaciones del usuario. Cada aplicación necesita un software diferente.

41 Modelo de la arquitectura de protocolos TCP/IP

42 Arquitectura de protocolos TCP/IP Capa Nombre Problema solucionado 1 Física Modulación, Transmisión por el medio, Corrección de errores en bits 2. Enlace Control de errores en los paquetes. Secuencia de paquetes. Enlace entre dos computadores Acceso al medio Compartición del medio de transmisión (Ethernet, WLAN, celulares) 3 Red Interconexión entre redes de acceso de diferentes tecnologías (WLAN, GPRS, Ethernet, Wimax) 4 Transporte Control de la secuencia de mensajes, Control de errores en la Internet, control de congestión (Protocolos TCP, UDP, RTCP) 5 Aplicación Aplicaciones de usuario (correo electrónico, transferencia de archivos, web, voz/ip, etc)

43 Comparación OSI y TCP/IP

44 Conceptos de direccionamiento

45 Transición IPv4 a IPv6 La versión actual del protocolo IP es la IPv4 Características de IPv4: Direcciones de 32 bits Los usuarios son fijos Un solo tipo de servicio (Best Effort) Problema principal de IPv4: Agotamiento de las direcciones Estamos en una transición hacia una nueva versión de IP: IPv6 IPv6 tiene 128 bits de direcciones, soporta varios tipos de servicios, mejora la seguridad y la movilidad

46 Uso de IPv6: Internet de las cosas

47 Estándares en redes industriales Modbus es un estándar de facto posicionado en los últimos 15 años. Ha habido controversia por la necesidad de buses de campo que interconecten instrumentos de medición, plc, computadores de escritorio. Han aparecido estándares como profibus, ASi, Device net y Foundation Field bus. También se utilizan rs-232c y rs-485 Ahora se esta utilizando ethernet. Antes no se hacia por su aleatoriedad en el acceso y la posible perdida de datos (por csma/cd) Ahora,con el uso de switches,es mas confiable este sistema El uso de ethernet implica el uso de la arquitectura tcp/ip

48 Estándares en redes Industriales

49 Necesidad de Buses de campo

50 Evolución de los buses de campo