CURSO COMUNICACIONES INDUSTRIALES FABIANA FERREIRA Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
Índice del curso Utilización de redes de comunicación en automatización industrial Conceptos básicos de comunicación de datos aplicables a comunicaciones industriales Buses de campo Utilización de Ethernet TCP-IP como red industrial Conclusiones 2
Ing Fabiana Ferreira Ingeniera Electricista - Universidad de Buenos Aires. Actualmente: Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires Profesora y Investigadora en el área de Automatización Industrial, Dto de Electrónica, Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires. Profesora de la carrera de Especialización en Automatización Industrial, Facultad de Ingeniería de la Universidad de Buenos Aires. Profesora Pro-Titular en Universidad Católica Argentina. Codirectora Proyecto de investigación UBACYT I003 Anteriores Responsable del área de automatización y del área de formación profesional en importante empresa del rubro Docente de la carrera de Técnico superior en Electrónica, Instituto de Tecnología ORT Ha presentado diversos trabajos científicos en congresos y publicaciones nacionales e internacionales. 3
UTILIZACION DE REDES DE COMUNICACIÓN EN AUTOMATIZACION INDUSTRIAL Fabiana Ferreira Laboratorio de Electrónica Industrial Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
Componentes de sistemas de automatización industrial Máquina, instalación o proceso Actuadores Sensores o Captadores Tratamiento de la información Pre- Actuadores Comunicación Progra mación Reglaje HMI Otros procesos Dispositivos de campo 5
Equipos que integran un sistema de control industrial - Dispositivos de campo: sensores, actuadores y elementos HMI (Interfase Hombre Máquina). - - Controladores: DCS, controladores multilazo, controles numéricos, PLC, etc. - - Estaciones de supervisión : generalmente PC s corriendo software SCADA HMI. Los controladores : -reciben las señales provenientes de los transmisores, -las procesan ejecutando una lógica, programa o algoritmo de control -envían las ordenes a los actuadores. Los supervisores permiten: - observar el estado de todo el sistema, - comandarlo, - realizar acciones correctivas, - almacenar y procesar información - comunicarse con otros sistemas de la empresa 6
Necesidades de comunicación Un proceso Un proceso se realiza se realiza en dos en dos estaciones separadas 500 m Los actuadores y sensores están distribuidos en centenas de metros. Se requiere usar una terminal de dialogo o un variador de velocidad Para completar un lazo, se requiere un dato de un sensor distante. Una estación de supervisión debe cambiar parámetros del proceso Un sistema de mantenimiento requiere datos de tiempos de operación de una válvula Comunicación entre controladores Comunicación entre dispositivos de campo y controladores Comunicación entre dispositivos de campo y controladores + control distribuido Comunicación entre controladores y supervisión Comunicación entre sistema de automatización y otros sistemas de la empresa 7
Lazo de control y comunicaciones e SP Algoritmo de control CONTROLADOR DIGITAL Alg. de Control CONTROL ACTUADOR PROCESO VC A/D m D/A Alg. de control MEDICION 8
Evolución de arquitecturas Sistemas de control cableados Sistemas de control cableados con red de supervisión Sistemas de control en red (NCS) Sistemas de control fieldbus (FCS) 9
Sistemas de control cableados Dispositivos de campo cableados en forma individual a las interfases de entrada salida de los controladores Comunicación con estaciones de supervisión a través de interfases serie punto a punto o protocolos propietarios Supervisor redes pro pietarias o serie Controlador Controlador Cableado individual A T A T A T T 10
Sistemas de control cableados con red de supervisión dispositivos de campo cableados en forma individual Red propietaria o semi abierta entre controladores y supervisores Red propietaria Supervisor Controlador Controlador A T A T A T T 11
Sistema de control en red (Network Control System) NCS dispositivos de campo cableados a través de un bus de campo Bus de campo, red semi abierta o abierta entre controladores y supervisores Red de supervisión Supervisor Bus de campo Controlador Controlador A T A T A T T 12
Sistema de control fieldbus (Fieldbus Control System) FCS La única red es el bus de campo Se elimina el controlador Requiere de dispositivos de campo inteligentes (smart devices) Supervisor Bus de campo A T A T A T T 13
campo celda Superv. Fábrica Negoc. Comp. Redes industriales Automatización. Informática. Integración de sistemas 14
Red industrial Red de tiempo real utilizada en un sistema de producción para conectar distintos procesos de aplicación con el propósito de asegurar la explotación de la instalación (comando, supervisión, mantenimiento y gestión) Sistema de comunicación que provee servicios bajo restricciones temporales y está constituido por protocolos capaces de gestionar estas restricciones Garantiza que las restricciones de tiempo serán respetadas con cierta probabilidad Usuario Tráfico Servicios Simultaneidad Tiempo de respuesta Red Industrial Procesos Determinístico Predeterminado Predeterminada Crítico Red de empresa Personas Aleatorio Adaptados al usuario Todos los usuarios No crítico Método de comunicación Según aplicación generales 15
Bus de campo o Fieldbus: Clasificación de redes Red local industrial que conecta dispositivos de campo con equipos que soportan procesos de aplicación con necesidad de acceder a estos dispositivos Equipos conectados: Dispositivos de campo: captadores, actuadores, Elementos HMI Equipos que soportan procesos de aplicación: controladores (PLC, CPU de DCS, CN, Robot), Computadoras, Sistemas HMI Red de celda o red intermediaria: Conecta entre sí los equipos de comando y control pertenecientes a un islote de producción Equipos conectados: controladores Red de sala de comando Transmite al operador los datos necesarios para conducir el proceso y al proceso los cambios de consigna, parámetros, etc. emitidos por el operador Equipos conectados: PLC, DCS, Robots, CN con sistemas de supervisión Red de fábrica: Interconecta todos los sectores y servicios de una fabrica: líneas de producción, almacén, control de calidad,servicio generales, ingeniería Equipos conectados: computadoras Red de larga distancia Conecta puntos de producción con sistemas de supervisión y control Núcleo de sistemas SCADA Equipos conectados: RTU s, PC s, Computadoras 16
Clasificación por dominio de aplicación Industrias manufactureras Procesos continuos Gestión de edificios (domótica) Sistemas embarcados Transporte de energía y fluidos Sistemas de comunicación 17
Redes industriales ASi CANbus DeviceNet FIPIO P-Net LonWorks InterBus-S BAC-net WorldFIP PROFIBUS FOUNDATION Fieldbus Control Net Swift-Net HART Modbus Ethernet Bluethoot Zigbee IEEE 802.11 Power Line Communication(PLC) 18
CONCEPTOS BASICOS DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES Fabiana Ferreira Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
Transmisión Analógica. Transmisión analógica vs. transmisión digital Evita costos de conversión AD - DA Sistemas operando con standards conocidos y fácilmente implementados Ancho de banda Transmisión Digital. Se pueden transmitir por el mismo medio físico mayor cantidad de informaciones Detección y corrección de errores Menor propensión a distorsiones e interferencias Datos digitales pueden ser regenerados Multipunto/direccionamiento Seguridad (encriptación) 20
Regeneración de señales 21
Fuentes de atenuación y distorsión Atenuación Ancho de banda limitado Distorsión de retardo Ruido 22
Ancho de banda Mide la capacidad del canal de comunicación Analógico: diferencia entre las frecuencias más altas y mas bajas que puede llevar un canal Ej: lineas de voz transmiten entre 300 y 3300Hz. Ancho de banda es 3000Hz Digital : bits por segundo: bps Redes industriales desde 9600 a 10 M Velocidad de transmisión de bits tasa de señalización Tasa de señalización Numero de veces que cambia de estado una señal en un segundo Se mide en baudios Diferencia depende del tipo de señalización 23
Codificación Manchester 24
Sincrónico vs. asincrónico Como se identifica el fin de un carácter y el inicio de otro? Sincronizar emisor y receptor (comunicación sincrónica) Debe haber un reloj común para emisor y receptor Se debe sincronizar exactamente en que momento se emiten y reciben los datos Insertar dentro de la corriente de bits, bits que indiquen inicio y fin de un carácter (comunicación asincrónica) Se puede emitir en cualquier momento El receptor está siempre listo 25
Clasificacion de redes 26
LAN con subredes 27
Esquema de la comunicación Dos o más entidades que deseen comunicarse (emisor receptor) Compartir un canal Compartir un código Compartir un canal Medio Físico Cable, fibra optica, radio, satélite, etc Medios de conexión niveles de señal en ese canal parámetros del canal (velocidad) Forma de compartir el canal Topología Compartir un código Representación de info especificas a la utilización Encriptación Sintaxis 28
Codificación y señalización 29
Ejemplo de comunicación 30
Esquema de comunicación entre computadoras o procesos 31
Modelo OSI (OpenOpen System Interconnection ) ISO 7498,1984 Es un modelo para las normas de interconexión y cooperación de sistemas abiertos. Sistema abierto AP Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Física Medio Físico AP Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Física comunicación entre equipos de tipos y/o constructores diferentes Reglas de comunicación son públicas Cada capa corresponde a un tipo de problema Dos Tipos de capas : Capas 1 a 4: Transporte de la información Capas 5 a 7 : Servicios de acceso 32
Capas inferiores Capa Física (PhL) Asegura la transmisión de bits y la interfase entre el soporte de transmisión y el DTE Especifica las reglas de funcionamiento y procedimiento del circuito de datos (mecánicas, eléctricas, ópticas) Ej: RS232/ RS485 /X21 Capa Enlace de Datos (DLL) Soluciona (detecta y corrige) los errores de transmisión generados en el circuito de datos. Establece conexiones lógicas entre entidades que desean intercambiar datos Capa de Red (NL) Asegura la búsqueda de un camino y el encaminamiento de los datos entre las estaciones terminales de una red mallada. Control de la subred y ruteo de mensajes. Ej. : X25/IP Capa de Transporte (TL) Garantiza el despacho ordenado de mensajes (sin errores ni duplicación) Corta mensajes muy largos Junta los mensajes fragmentados ISO define 5 clases de protocolos de transporte 33
Subredes 34
Capas superiores Capa Aplicación (AL) Ofrece al usuario los medios que le permiten acceder al entorno OSI Ofrece servicios de interés general a todo tipo de AP. Arquitectura definida en ISO 9545 Diferentes entidades según campo de aplicación (gestión, industrial, documentos, etc.) Capa Presentación Enmascara ( para entidades AP) las particularidades debidas a código, sintaxis, o representación de informaciones. Permite traducir los datos de la AP a un formato y sintaxis standard. Capa Sesión (SL) Sincroniza y organiza el diálogo entre abonados. Realiza la delimitación, reagrupamiento, y sincronización de datos intercambiados entre entidades presentación. Permite a la capa presentación suspender y retomar intercambios a partir de puntos de retoma 35
Aplicación Presentación Sesión Transporte Red MAC - LLC Física Medium Access Control (MAC) Reglamenta el acceso al soporte de comunicación: Acceso Aleatorio (CSMA...) Por Consulta (Token) Por tiempo (TDMA) Arquitectura IEEE 802 Capa Superior LLC MAC PHY Cable de Conexión Conectores MEDIO Logical Link Control (LLC) Ofrece servicios al usuario: Emisión y recepción de tramas Establecimiento y cierre de conexiones lógicas Detección de errores de secuencia de tramas Control de flujo Adaptación del modelo OSI para LAN s. Divide capas 1,2 y 3 en: Dos subcapas Una capa Da el conjunto de normas para las 3 capas PHY (Physical Signalling Layer) Asegura: Emisión /recepción de bits Codificación de señales binarias Reconocimiento de préambulos y delimitadores de trama Utiliza un physical medium attachment para acceder al medio 36
Arquitectura OSI para redes industriales Arquitecturas reducidas del modelo OSI : se cortocircuitan capas Capa física:imprescindible Capa DLL: imprescindible ( MAC) Capa red: sólo si hay sub- redes Capa transporte: si hay capa red Capa sesión: sólo para gran cant. de Info Capa presentación: se reemplaza por la configuración Capa aplicación: siempre es necesaria Redes industriales : Sólo capas 1,2 y 7 Aplicación MAC - LLC Física 37
Protocolo ( de nivel N) Protocolo Conjunto de reglas de codificación, cooperación e intercambio entre dos o más entidades del nivel N para suministrar los servicios N AP Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace Protocolo n 7 Protocolo n 6 Protocolo n 5 Protocolo n 4 Protocolo n 3 Protocolo n 2 AP Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace PERFIL Es un conjunto preseleccionado de servicios y protocolos organizados en capas según modelo OSI Dos equipos son comunicables si tienen igual perfil: todas sus capas ofrecen los mismos servicios y protocolos Física Protocolo n 1 Medio Físico Física 38
TCP/IP y modelo OSI 39
Protocolos TCP/IP 40
Pasaje de datos entre capas 41
Encapsulamiento de datos en TCP- IP 42
Formato de una trama 802.3 7 octetos 1 octeto 6 octetos 6 octetos 2 octetos 46-1500 octetos 4 octetos Preámbulo Delimitador de comienzo de trama Dirección de destino Dirección de origen Longitud/tipo Datos Relleno Secuencia de control de trama 43
Tramas, paquetes y mensajes Unidad de datos de protocolo- PDU(N) Bloque de informaciones intercambiadas entre entre dos o más unidades de nivel N PDU niveles 1 y 2 tramas PDU nivel 3 paquetes PDU nivel >4 Mensajes Las tramas en redes industriales son mucho menores que en redes LAN de datos Ejemplo: CAN: 44 a 111 bits Foundation Fieldbus: 11 a 278 bytes Ethernet: 66 a 1520 bytes 44
Rendimiento La cantidad máxima real de bits que se puede transmitir por segundo es menor que la velocidad Depende por ejemplo de : Capacidad de procesamiento del nodo Sobrecarga del sistema trafico en la red Velocidad de datos (utiles) es distinta a la velocidad de transmisión de bits A los datos se le agrega información formando una trama 45
Punto a punto: sólo dos entidades Primario/secundari o, Emisor/ receptor, Pozo / fuente, Cliente/servidor. Tipos de comunicación Multipunto Más de dos entidades involucradas Difusión Todas las entidades conectadas están involucradas Las redes en tiempo real requieren los tres modos Se aplican a todas las capas del modelo 46
Modelos de Cooperación Forma en que dos o más entidades del mismo nivel deciden realizar los intercambios Se aplican a todas las capas del modelo Clienteservidor Productorconsumidor 47
Cliente - servidor El cliente emite una demanda de servicio al servidor (requisitoria- REQ) El servidor trata la demanda y envía una respuesta al cliente (respuesta) Ej: el cliente le pide al servidor que envíe el valor de una variable Cliente Enviar dato A Serv. Cliente A= 25 Serv. 48
Cliente - servidor Pros Es un modelo general Implementa gran cantidad de servicios Permite mecanismos de control del intercambio (ACK) Contras El tiempo de respuesta no está predefinido No simultaneidad: Si un servidor recibe dos pedidos de dos clientes distintos los trata en secuencia Si un cliente debe demandar a dos servidores lo hace en secuencia. 49
Productor- consumidor PLC RPM Variador Monitoreo Lectura de velocidad en un lazo cerrado con variador Modelo multipunto El productor de un dato lo envía a todos los consumidores Iniciativa de emisión: productor Iniciativa de producción : puede ser debida a un cliente entre los consumidores El dato contiene un identificador 50
Productor- consumidor Pros No requiere indicación de fuente o destino Permite la gestión del tiempo Mecanismo de eliminación de valores viejos al llegar los nuevos Coherencia temporal Contras Solo incluye servicio de difusión El dato se emite aunque no se necesite No incluye mecanismos de control Productor-Distribuidor- Consumidor (PDC) Tres tipos de procesos ( independientes o coordinados): Productor: produce localmente el valor del objeto Consumidor: recopia el valor original en un valor local Distribuidor: desencadena la transferencia y la recepción 51
Comparación CS y PDC Cliente- servidor Implementa diversos servicios PDC Sólo está definido para datos Bipunto Multipunto No simultaneidad Variación de los datos Se intercambia sólo lo que es necesario Simultaneidad Uniformidad de los datos Se pueden intercambiar datos no necesarios 52
Intercambio de datos Cíclico Datos se difunden en el bus según un tiempo configurado (periódico) puede ser usado en productor/consumidor Mecanismos de scheduling Dirigido a eventos Los datos se emiten cuando hay cambio de estado. Necesita chequeo de la de presencia de los dispositivos Arbitrador cada 25 ms CPU I/O 1 I/O 2 I/O 3 cada 250 ms cada 1000 ms I/O 1 I/O 2 I/O 3 Por requisitoria Acíclico Tipo cliente- servidor 53
Control de errores Dos mecanismos de control de errores en el receptor Para decidir (con cierta probabilidad) si la info recibida tiene errores Para pedir repetición de la info si hay errores Estrategias de control de errores Hacia delante Cada carácter o trama contiene información adicional que permite detectar errores y en que punto ocurrieron Retrospectivo Solo se sabe si hay errores pero no dónde Hay que pedir retransmisión para corregir o desechar toda la trama 54
Caracterización de los errores Tasa de errores =BER Probabilidad de que un solo bit esté alterado Ej : BER = 0,001: 1 bit cada mil está alterado Tipos de errores Bits aislados ráfagas Mecanismos de detección Paridad (detecta 1 bit erróneo en un carácter pero no dice donde está ) Suma de Bloque (BCC): para una trama Puede detectar donde está el error Redundancia ciclica (CRC): para una cadena de bits detecta ráfagas de errores 55
Capa física en redes industriales Cada protocolo define su : Soporte físico: Cable blindado (doble o simple par), cable especial, fibra óptica, wireless Muchas redes permiten varios medios físicos distintos Conexiones Especialmente diseñadas para soportar ambientes industriales Que permitan conexión y desconexión de dispositivos con la red operando Posibilidades de extensión de la distancia Terminadores para evitar reflexiones de la señal Velocidad de transmisión: Inversamente proporcional a la distancia Se aceptan varias velocidades aunque todos los dispositivos conectados a una misma red deben estar a igual velocidad De 10 kbps a 10 Mbps Señalización : Como se traduce un 0 o 1 del código a niveles de tensión o corriente Topología: distancia, cantidad de nodos, distribución Seguridad intrínseca Alimentación Llevar alimentación y potencia por la red Conexión de fuentes 56
Topologías Típicas Estrella Linea Rama o Bus Arbol Controlador Controlador Controlador Controlador Maestro Maestro Maestro Maestro Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo 57
Longitud de cable y velocidad para RS485 58
Distancias punta a punta 59
Medio Físico para 802.3 60
Cables Ethernet 61
Mecanismos de Acesso al Medio (MAC) Determinísticos Se sabe exactamente cuando le toca acceder a cada estación pasaje de token TDMA (Time Division Multiple Access) Ventaja: De Acceso aleatorio Cada estación accede al medio cuando necesita transmitir Ventaja: CSMA (Carrier Sense Multiple Acces) Velocidad de respuesta se conocen los tiempos de respuesta 62
CSMA Carrier Sense Multiple Access Cada estación intenta acceder al medio cuando lo requiere Si hay otra estación que intenta transmitir : Colision. La reacción ante colisiones (contención) define distintos tipos de CSMA CSMA-CD (Collision Detection) Cuando hay colisión: Los dos nodos dejan de transmitir Envian señal perturbadora Esperan un periodo aleatorio Intentan retransmitir Ej: Ethernet- IEEE 802.3 ST1 ST2 ST3 ST4 CSMA-CA (Collision Avoidance) El nodo revisa si el canal está ocupado antes de transmitir Problema : cuando no se pueden escuchar entre sí todos los nodos Se agregan bloques especiales Ej: IEEE 802.11 63
Solo la estación con el token envia mensajes (t max ) no periódico Problemas: pérdida de token mensajes urgentes Ej: IEEE 802.4 (bus) e IEEE 802.5 (ring) Pasaje de Token ST1 T T ST2 ST4T TDMA (Time Division Multiple Acces) token Passing implícito Basado en un ciclo repetitivo y fijo NUT ( Network Update Time) Cada nodo accede al medio en orden secuencial definido por su MAC ID 64
Subcapa LLC Formación de bloques Subdividir una corriente de bits Inserción de campos Inicio y fin de trama Control de errores Corrección de error por retransmisión Corrección de error autónoma Control de Flujo Proceso que controla la tasa a que los datos son intercambiados En el caso de nodos emisor y destino con diferente carga o de diferente velocidad 65
Control de flujo Funciones Organiza y selecciona los caminos para no saturar el sistema Limita la cantidad de información en la red (velocidad de informaciones transmitidas) Prevé los recursos necesarios en el receptor ( tamaño buffer de recepción) Aplicación a RLI No tiene sentido pues hay un solo camino Si el tráfico está identificado no tiene sentido porque el dato i+1 reemplaza al i 66
Conexión Conexión= canal lógico de nivel N por el que pasan los PDU (N) Puede haber conexión en cada nivel del OSI ( N-Connection) El establecimiento de la conexión se negocia entre las dos N-entidades Los servicios pueden ser con o sin conexión. Permite a dos entidades comunicantes saber que están presentes y en relación antes de comenzar a intercambiar datos. Permite negociar ciertos parámetros (ej. Tamaño máx de datos) Asegura el control de flujo Fases de una conexión Establecimiento de la conexión: Transmisión de un PDU de apertura/recepción de la respuesta/negociación de parámetros Si una de las entidades no se puede comunicar la conexión fracasa Transferencia de datos Fin de la conexión 67
Conexión TCP (a) Normal operation, (b) Old CONNECTION REQUEST appearing out of nowhere. 68
Cierre de conexión TCP (a) Normal case of a three-way handshake. (b) final ACK lost. 69
Tipos de LLC CONEXIÓN ACK CONTROL DE FLUJO LLC1 No No No LLC2 Si Si Si LLC3 No Si 70