PDF de programación - CIM (Computer Integrated Manufacturing)

Ingeniería Electrónica y Automática

Comunicaciones Industriales

CIM (Computer Integrated Manufacturing)

Gijón, abril 2006

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Ingeniería Electrónica y Automática

Comunicaciones Industriales

Arquitecturas de Red

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Comunicaciones Industriales

Redes LAN industriales y Buses de Campo

Redes LAN industriales

MAP (Manufacturing Automation Protocol):
- Diseñado para el entorno industrial.
- Proporcionando un medio de transmisión
determinista.
- Es compatible con los 7 niveles OSI.

Buses de Campo
- Diseñados para conectar pequeños dispositivos.
- Sensores, actuadores y controladores.
- Sustitución del cableado tradicional punto a
punto.
- Capas física, de enlace y aplicación. Interfaz
de Usuario.

ETHERNET:
- Diseñado para redes ofimáticas.
- No proporciona un medio de transmisión
determinista.
- Es compatible con el modelo OSI en los
niveles 1 y 2.
(capas superiores TCP/IP)

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CAN
SDS
AS-I
DeviceNet
LONWorks
BitBus
DIN MessBus

InterBus-s
UNI-TELWAY
Modbus
Profibus
FIP
Fiedbus Foundation
HART
…

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Ejemplos

Ethernet

Profibus

Interbus

Bus AS-I

UNI-TELWAY

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Ethernet Industrial

Control de acceso al medio (MAC): CSMA/CD

Topología en BUS. Cableado coaxial.



CONECTOR RJ-45

Contactos metálicos

Cables en pares trenzados

8

1

Par 7-8

Par 3-6

Par 4-5

Par 1-2

VISTA FRONTAL

VISTA SUPERIOR



Topología en estrella con repetidor. Cable de par trenzado.

Topología en estrella con conmutador. Cable de par trenzado.

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Comunicaciones Industriales

El formato de las tramas Ethernet e IEEE 802.3

Preambulo

Dir. destino

Dir. origen

Tipo

Datos

8

6

6

2

46-1500

CRC

4

• Control acceso al medio CSMA/CD
• Señalización de colisiones mediante señal de “jamming” (atasco)
• Limitaciones de tamaño debidas a la “ventana de colisión”
• Algoritmo de “disminución exponencial binaria”
• Problemática en aplicaciones en tiempo real

j

k

l

m

Estaciones dispuestas a transmitir una trama

C

J

Colisión

Señal de atasco

Trama de la estación j

Trama de la estación k

C

Trama de la estación m

Trama de la estación l

tiempo

0 1

0 1 2 3

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6

0-1

0-1
J

0-1-2-3

0-1-2-3

C

J

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Red Ethernet conmutada (I)

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Red Ethernet conmutada (II)

Funcionalidades de los conmutadores:

Requisitos para la aplicación industrial:

• Redes virtuales: VLAN

• Tasa de transferencia.

• Agregación de puertos: Port trunks

• Capacidad de diálogo FullDuplex.

• Redundancia de conexiones: Spanning tree

• Retraso por transferencia.

• Gestión de la calidad de servicio.

• Retraso por almacenamiento.

• Funciones de seguridad:

• Redundancia de conexiones.

– Monitorización de puertos, Estadísticas
RMON, Asignación fija de puertos,
protección contra tormentas broadcast, etc.

• Configuración de redes virtuales.

• Calidad de servicio: QoS.

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Redes Virtuales: VLAN

Cable cruzado

VLAN 1

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VLAN 2

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Agregación de Puertos: Port Trunks

Puertos 100 Mbps

Port Trunk de 4x100 Mbps (400 Mbps) Full-duplex

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Redundancia de Conexiones: Spanning Tree

Deshabilitado

Activado

Rotura del enlace

Deshabilitado

Deshabilitado

Deshabilitado

Activado



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Conclusiones sobre Ethernet Industrial

La red con conmutación presentan siguientes características para la aplicación industrial
• El ancho de banda es específico (aunque se puede compartir con arquitecturas mixtas).
• La conmutación de puertos hace innecesario el arbitraje del bus.
• El funcionamiento dúplex completo elimina la colisión.
• El ancho de banda es escalable.
• Fast Ethernet proporciona 200 Mbps de ancho de banda en la red de estructura básica por
medio de la transmisión de dúplex completo.

Las arquitecturas de red con conmutación que utilicen QoS explícita (mediante lenguajes de
programación, módulos de función y tipos de datos), proporcionarán además:
• Cumplen las normas IEEE 802.1p/Q para asignar prioridad y campos de QoS a la
estructura de datos estándar de Ethernet.
• Las normas SVP, ISSLL, IEEE802.1p/Q proporcionan técnicas explícitas para solicitar
resolución de QoS.
• La prioridad de datos y las colas múltiples de datos aseguran que el tráfico en tiempo real
se desarrollará por la ruta más rápida de la red.

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Buses de Campo

• Reducción de costes

• Mantenimiento de la red

• Flexibilidad

• Simplificación

• Comunicación bidireccional

• Servicios de administración:

Física, Enlace, Aplicación y Usuario

Antes

Después

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ANTES

RS232

RS232 (±12V, 0-20mA)

RS232

RS232

Datos analógicos o digitales, con contactos libres de tensión,
en tensión (24V, ±10V) o en corriente (0-20mA, 4-20mA).

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Comunicaciones Industriales

AHORA

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Buses de Alta Velocidad y Baja Funcionalidad

• CAN: Diseñado originalmente para su aplicación en vehículos
• SDS: Bus para la integración de sensores y actuadores, basado en CAN
• ASI: Bus serie para la integración de sensores y actuadores

Buses de Alta Velocidad y Funcionalidad Media
• DeviceNet: Desarrollado por Allen-Bradley, utiliza como base el bus CAN,
e incorpora una capa de aplicación orientada a objetos
• LONWorks: Red desarrollada por Echelon
• BitBus: Red desarrollada por INTEL
• DIN MessBus: Estándar alemán de bus de instrumentación, basado en
comunicación RS-232
• InterBus-S: Bus de campo alemán de uso común en aplicaciones medias

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Buses de Altas Prestaciones

CARACTERÍSTICAS:
• Redes multi-maestro con redundancia
• Comunicación maestro-esclavo según el esquema pregunta-respuesta
• Recuperación de datos desde el esclavo con un límite máximo de tiempo
• Capacidad de direccionamiento unicast, multicast y broadcast
• Petición de servicios a los esclavos basada en eventos
• Comunicación de variables y bloques de datos orientada a objetos
• Descarga y ejecución remota de programas
• Altos niveles de seguridad de la red, procedimientos de autentificación
• Conjunto completo de funciones de administración de la red

EJEMPLOS:
•Profibus
•FIP
•Fieldbus Foundation

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Buses para Áreas de Seguridad Intrínseca

Dispositivos con seguridad intrínseca para uso en ambientes explosivos

• HART

• Profibus PA

• FIP

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AS-i: Aktuator Sensor Interface (I)

• Hasta 3 segmentos de 100 m cada uno
• Hasta 31 o 64 esclavos con 4 entradas/salidas
• Transmisión por pulsos a través de un par de hilos de alimentación
• Ciclo completo de consulta 5 ms
• Telegrama maestro 14 bits
• Telegrama esclavo 7 bits

Telegrama maestro

esclavo

SB A4

150µs

A3 A2

A1 A0

I4

I3

I2

St

I1

I0

PB

EB

Codificación Manchester

Envío de la señal codificada

St

I3

I2

I1

I0

PB

EB

St:
SB:

bit de start: 0 indica comienzo de la trama
Tipo de telegrama: 0 indica trama de datos

1 indica trama de comandos

A0…A4: Dirección del esclavo
I0…I4:
PB:
EB:

Información
Bit de paridad
Bit de fin

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Ingeniería Electrónica y Automática

Comunicaciones Industriales

AS-i: Aktuator Sensor Interface (II)

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Comunicaciones Industriales

INTERBUS (I)

• Direccionamiento maestro-esclavo
• Hasta 512 dispositivos con funciónes de repetidor
• 500 kbps hasta 400 m máx. entre dos dispositivos
• Hasta 13 km de extensión máxima
• Transmisión sobre 5 hilos basada en RS-485
• Topología en anillo (anillo principal y subanillos)
• Aspecto de cableado en bus o árbol
• Autodiagnóstico y prevención de errores
• PMS (Peripherals Message Specification)

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Ingeniería Electrónica y Automática

Comunicaciones Industriales

INTERBUS (II)

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Ingeniería Electrónica y Automática

Comunicaciones Industriales
CAN: Controller Area Networking

• Sólo capa física y de enlace
• 250 kbps a 1 Mbps
• Hasta 32 0 64 dispositivos
• Transmisión sobre 2 hilos diferencial 2,5 V
• Topología en bus
• Direccionamiento por identificadores de 11 ó 29 bits
• Priorización de mensajes en función del identificador

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Ingeniería Electrónica y Automática

Comunicaciones Industriales

PROFIBUS (I)

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Ingeniería Electrónica y Automática

Comunicaciones Industriales

PROFIBUS (II)

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Topologías PROFINET (SIEMENS)

• Lineal
• Árbol
• Anillo

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Hardware y cableado PROFINET (SIEMENS)

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Bluetooth (802.15.1)
• Diseñado para la conexión de un número pequeño (hasta 8) dispositivos

Bluetooth

inalámbricos de muy bajo coste.

• Utiliza la misma banda de frecuencias que IEEE 802.11 (problemas de

interferencias) con técnicas de espectro disperso por Salto de
Frecuencias (FHSS).

• Dos modos de transmisión:

– Modo asíncrono (ACL): protocolo ARQ
– Modo síncrono (SCO)