Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 1/21 Introducción (I) Necesidad de Emplear Redes de Comunicación Mejora del Proceso de Producción (Competitividad) Control de Sistemas Complejos con gran cantidad de variables Interconexión de Islas Automatizadas Control de Calidad, Calidad Total (Total Quality Management) Fábrica Flexible y Sistemas de Producción Integrados - Computer Aided Manufacturing (CAM) - Computer Aided Inspection (CAI) - Computer Integrated Manufacturing (CIM) Distribución Jerárquica de los Sistemas de Control - Interconexión en cada nivel - Interconexión de los distintos niveles
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 2/21 Introducción (II) Ventajas de las Comunicaciones Industriales Intercambio de Información entre fases del proceso productivo Facilidad de Comunicación Hombre-Máquina - Medios de representación - Disponibilidad de los datos en cualquier parte del proceso productivo Reducción del Cableado en los Sistemas de Adquisición - Facilidad de Montaje y modificación de plantas (Fábrica Flexible) - Detección de Averías Utilización de Lenguajes de Alto Nivel - Computer Aided Design (CAD) - Computer Aided Enginering (CAE) Teleoperación Seguimiento del producto a lo largo del sistema de fabricación/distribución (TQM) Facilidad de instalación y modificación del sistema de control Diagnóstico y seguimiento de errores en el sistema de producción Comunicación con el exterior, Sistemas Just in Time
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 3/21 Introducción (III) Redes Industriales Definiciones: - Redes de Computadores.- Conjunto de recursos informáticos (hardware y software) interconectados, de modo que pueden intercambiar y compartir información. - Sistema Distribuido.- Sistema informático cuyas aplicaciones se ejecutan en varios nodos de una red de computadores. - Bus.- Conjunto de conductores compartidos por dos o más sistemas digitales. - Bus de Campo.- Bus simple y próximo al proceso de producción, con un protocolo mínimo y que permite intercambiar órdenes y datos entre sus nodos. - Protocolo.- Procedimiento o conjunto de reglas que determinan el modo de realizar la comunicación.
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 4/21 Introducción (IV) Sistemas de Fabricación Automatizados (I) Objetivos: - Eliminar la actuación manual sobre operaciones que requieren grandes esfuerzos físicos, son peligrosas, repetitivas o exigen un alto grado de concentración. - Aumentar la Productividad y Reducir Costes Ventajas: - Aumento considerable de la productividad. - Reducción de los tiempos de fabricación. - Reducción de costes. - Utilización más eficiente de los equipos. - Aumento de la calidad de los productos. - Rápida adaptación de la producción a las necesidades del mercado. - Alto Grado de Flexibilidad - Del Producto (variedad y/o modificación rápida) - Del Volumen de Producción (cantidad función de la demanda) - Del Camino de Producción ( esquivar máquinas averiadas o en revisión) - Alto Grado de Integración - Con otras fases del proceso - Con Ingeniería y Gestión - Con los Clientes: Just in Time
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 5/21 Introducción (V) Sistema de Fabricación Automatizados (II) Clasificación Sistemas Autónomos.- - Sistemas que funcionan sin requerir intervención humana, pero no integrados con otros. - Ejemplos: Robots, Máquinas de Control Numérico,... Células Flexibles.- - Varias máquinas interconectadas, complementando su funcionamiento. - Ejemplos: Cooperación de robots, compartición de herramientas en máquinas,... Líneas o Sistemas Flexibles.- - Línea de producción completamente integrada y comunicada. - Optimización de la producción. - Modificación del producto rápida y a bajo coste, total o parcialmente. - Ejemplos: Varias máquinas conectadas con un sistema de transporte automático
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 6/21 Evolución Histórica Introducción de los computadores en la producción para el control de inventario. Diseño de sistemas de automatización a medida. Sistemas Cerrados de Interconexión, propios de cada fabricante (CSI). Control Numérico de herramientas. Ayuda para el diseño e ingeniería (CAD/CAE). 1977-1984.- Sistemas de Interconexión Abiertos (OSI). Pese a OSI continúan los problemas de interconexión entre distintos fabricantes. Se procede a estandarizar buses, con carácter abierto y basándose en el apoyo de algunos fabricantes y la apertura de estándares cerrrados. (Profibus, F. Fieldbus, EIB, etc.) Creación de organizaciones independientes para mantener y revisar los estándares, incorporando las nuevas tecnologías a la mayor brevedad.
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 7/21 Modelo de Referencia ISO / OSI (I) Necesidad de Crear un Estándar para las Comunicaciones - Transmisión de grandes cantidades de datos (bases de datos, CAD, etc). - Asegurar la conectividad a todos los niveles (físicos, datos, aplicaciones, ). - Eliminar incompatibilidades entre fabricantes y la tendencia de soluciones únicas. Sistema de Referencia ISO / OSI - Inicio en 1977, modelo final en 1984 (ISO-7498). - Necesidad de un modelo abierto que integre productos muy distintos, actuales y futuros. - Jerarquización del sistema de comunicación en capas (OSI define 7 capas). - Cada capa realiza un conjunto de funciones (definidos por OSI) relacionadas entre sí. - Las capas inferiores sirven a las inmediatamente superiores, ocultando la implementación del servicio. Principios de Definición del Modelo de Referencia OSI - No crear un nº excesivo de capas. - Complicaría la descripción y separación de los servicios y no facilitaría la creación de normas. - El rediseño de una capa no debe afectar a sus adyacentes (innovaciones futuras) - Crear subcapas sólo donde sea estrictamente necesario. - No permitir enlace entre capas distanciadas más de un nivel en vertical. - No permitir la comunicación horizontal de capas distintas. - El modelo permite que se omitan capas cuando no sean necesarias.
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 8/21 Modelo de Referencia ISO / OSI (II) Niveles del Software de Aplicación Niveles de Red o Comunicación Aplicación Procesamiento de la información. Entorno de usuario. Directorio, transferencia de ficheros, email, Presentación Representación de los datos. Codificación/decodificación de imágenes, textos, Sesión Control de la comunicación. Inicio, fin y arbitraje de la comunicación, Transporte Garantizar la comunicación. Control de errores de comunicación, fraccionado de paquetes, Red Control del flujo de datos de la red. Enrutamiento de mensajes entre nodos, gestión de conexiones, Enlace Mantener la comunicación entre cada par de nodos. Transmisión de paquetes de bits, corrección de errores (ruido), Físico Acceso al medio. Medio de transmisión, niveles de señales, frecuencias,
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 9/21 Modelo de Referencia ISO / OSI (III) 7 - Aplicación - Proporciona un entorno que facilite el entendimiento entre usuarios de distintas máquinas, sin importar medios ni protocolos de comunicación (interfaz de usuario). 6 - Presentación - Facilita la comunicación a nivel de lenguaje y formato de presentación entre el usuario y la máquina que da acceso a la red (traductor). 5 - Sesión - Control de la comunicación. Control del inicio y fin de la misma, arbitrando quién transmite y quién recibe información en cada instante (moderador). 4 - Transporte - Establece y garantiza un medio de comunicación sin errores en ambos sentidos. Si es necesario fracciona el mensaje (mensajero). 3 - Red - Responsable del encaminamiento del mensaje (servicio de mensajería). 2 - Enlace - Mantiene la comunicación entre cada par de nodos de la red, apoyándose en el medio físico (centralita). 1 - Físico - Medios materiales que garantizan el enlace entre nodos (cables, fibra óptica, drivers,...)
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 10/21 Modelo de Referencia ISO / OSI (IV) Concesión de Servicio Petición de Servicio
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 11/21 Construcción del Paquete de Datos PDU = Protocol Data Unit
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 12/21 Modelo de Capas TCP / IP (I) Desarollado para la Agencia de Programas de Investigación Avanzados (ARPA en inglés) del Ministerio de Defensa estadounidense en 1973 (anterior a OSI). Se creó la red ARPANet para conectar Universidades y Laboratorios de Investigación. El Ministerio de Defensa de E.E.U.U. exige su utilización en todas las aplicaciones posibilitando su desarrollo e implantación. Compatible con cualquier Hardware y Sistema Operativo. TCP/IP es la arquitectura más adoptada para interconectar sistemas. Está formado por un conjunto de protocolos, siendo el TCP e IP los 2 más importantes. Propone 5 Capas: Aplicación, Transporte, Internet, Acceso a la Red y Física. Las capas inferiores dan servicio a las superiores. OSI se basó en la estructura TCP/IP para su definición. OSI se emplea para clasificar las funciones de comunicación.
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 13/21 Modelo de Capas TCP / IP (II) 5 - Aplicación - Lógica que posibilita las aplicaciones de usuario. - Ejemplos: WWW (World Wide Web) o FTP (File Transfer Protocol) 4 - Transporte - Garantiza y controla la transmisión de los datos. - Ejempos: TCP (Transmission Control Protocol) o UDP (User Datagram Protocol) 3 - Internet - Permite que los datos atraviesen distintas redes interconectadas. - Ejemplo: IP (Internet Protocol) 2 - Acceso a la Red - Responsable del acceso e intercambio de datos entre el sistema final y la red. - Ejemplo: Ethernet 1 - Física - Interfaz entre el dispositivo de red y el medio de transmisión (características del medio, naturaleza de las señales, velocidad de datos,...) - Ejemplo: RS-232
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 14/21 Familia de Protocolos TCP /IP Protocolo Descripción Protocolo Descripción HTTP Protocolo de transferenica de hipertexto TCP Protocolo de control de transmisión IP Protocolo de Internet UDP Protocolo de datagrama de usuario SMTP Protocolo sencillo de transferencia de correo electrónico (saliente) FTP Protocolo de transferenica de ficheros POP3 P. de correo electrónico (entrante) TELNET Servicio de terminal remota ICMP P. de mensajes de control en Internet DHCP Protocolo de configuracón dinámica
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 15/21 Relación entre OSI y TCP/IP OSI Aplicación TCP / IP Las separaciones no son claras. Presentación Aplicación PING Telnet FTP SM TP HTTP SNM P DNS Los protocolos OSI son más abiertos y robustos que los TCP/IP. Los protocolos para OSI se crearon después del modelo, por lo que se tuvo que reajustar el modelo en muchos casos (subcapas). En TCP/IP no se especifican los niveles de Enlace y Físico, ya que se pensó para funcionar en cualquier tipo de red. Sesión Transporte Red Enlace Física Transporte Red Enlace Física ICM P ARP TCP IP Enlace Medio UDP IG M P RARP
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 16/21 Según el Alcance de la Red: Clasificación de las Redes (I) - WAN.- Redes de Área Amplia (Wide Area Network) Enlaces mayores de 1 ó 10 Km. Suelen utilizar enlaces Punto a Punto. Interconectan LAN a través de un Router Máquinas destinadas a ejecutar programas de usuarios, servidores de bases de datos,... - MAN.- Redes de Área Metropolitana (Metropolitan Area Network) Enlaces entre 500 m y 10 Km. Similares a las LAN pero de mayor tamaño. Esta clasificación a caido en desuso por el desarrollo de las LAN. - LAN.- Redes de Área Local (Local Area Network) Enlaces entre 2 m y 1 Km Redes de Propiedad Privada Conectan ordenadores personales y/o estaciones de trabajo para compartir recursos. Alta velocidad (10 Mbps - 100 Mbps - 1 Gbps) Bajo retardo Baja tasa de errores
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 17/21 Clasificación de las Redes (II) Según la Topología (I) - Bus.- Un único cable interconecta todos los equipos. Ventajas: Barato, flexible, fácil de cablear, el fallo de una estación no provocan fallos en la red. Inconvenientes: La rotura del cable afecta a todos los usuarios, límites de la longitud del cable y del nº de usuarios, difícil localizar averías, al añadir usuarios baja considerablemente el rendimiento de la red. Terminador Terminador - Anillo.- Cada equipo se conecta con otros dos. Ventajas: Igual acceso para todos los equipos, añadir usuarios no afecta excesivamente. Inconvenientes: Un fallo del cable afecta a muchos usuarios, conexionado y cableado costoso, difícil añadir equipos.
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 18/21 Clasificación (III) Según la Topología (II) - Estrella.- Todos los nodos estan interconectados a un nodo central. Ventajas: Fácil añadir nuevas estaciones, el manejo y monitorización de la red está centralizado, la rotura de un cable sólo afecta a un usuario. Inconvenientes: Si falla en ordenador central se inutiliza la red, mucho cableado. Central o Activo - Árbol.- Sucesiones de estrellas, disminuyendo la longitud del cable necesario. - Interconexión Parcial o Total (Malla).- Se interconectan todos o parte de los nodos entre sí. No suelen ser cableadas. - La red puede tener una estructura lógica distinta de la física, por ejemplo, físicamente los equipos pueden estar en un bus, lógicamente en anillo mediante la utilización de un token o testigo.
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 19/21 Según el Modo de Conexión: - Conmutación de Circuitos.- Clasificación (IV) Las estaciones intermedias que intervienen en la comunicación conectan sus circuitos de entrada y salida hasta establecer un canal físico entre ambos extremos. Durante la transmisión, el circuito físico sólo puede ser utilizado por las dos estaciones que establecen la comunicación. - Conmutación de Paquetes.- Orientado a la transmisión de datos no continua. Los mensajes se dividen en paquetes que son multiplexados por los canales de comunicación de un nodo. Cada nodo encamina el paquete por el enlace adecuado Cada paquete puede seguir un camino distinto. Los enlaces pueden ser utilizados por paquetes de otras transmisiones.
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 20/21 Medios de Transmisión Cable Coaxial - Ventajas: Escaso mantenimiento, fácil de instalar, muy buena resistencia al ruido. - Inconvenientes: Topologías y distancias limitadas, más caro que el par trenzado. Par Trenzado - Ventajas: Cable muy barato, fácil de añadir nuevos nodos. - Inconvenientes: Susceptible al ruido (se mejora con blindaje), limitado en ancho de banda y distancia. Fibra Óptica - Tipos: Monomodo o Multimodo, de Cristal o Plástico, con Núcleo Fino o Grueso. - Ventajas: Inmune al ruido, mínimas pérdidas en largas distancias, gran ancho de banda. - Inconvenientes: Alto coste de material e instalación, cableado no flexible.
Introducción a las Redes de Comunicación Industriales 21/21 Hub o Concentrador - Switch - Une estaciones de la misma red. - Ejemplos: Hub Ethernet, Hub USB Interconexión de Redes Bridge o Puente - Une redes con diferente nivel de enlace. - Ejemplo: Unión de Ethernet con Token-Bus. Repeater o Repetidor - Une dos redes iguales, amplificando la señal. - Ejemplo: Prolongación de una LAN. Router o Encaminador - Une dos redes con diferente nivel de red. - Ejemplo: Unión de LAN y WAN. Gateway o Pasarela - Une dos redes diferentes. - Ejemplo: Unión de una LAN con Internet.