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INTRODUCCION A LOS BUSES INTRODUCCION A LOS BUSES DE CAMPO INDUSTRIALES DE CAMPO INDUSTRIALES

FABIANA FERREIRA

2

Índice del cursoParte 1- Introducción

Parte 4- Datos de mercado, comparativas , etc

Parte 2- Descripción de perfiles de redes industriales

Parte 3 –Ethernet y Wireless

2

3

Temario • INTRODUCCION

Necesidades de comunicación industrial. Arquitectura de Sistemas de Control industrial. Clasificación de redes industriales. Normalización. Familias de buses de campo. Buses de sensores y dispositivos. Las características de la capa física.

• BUSES DE CAMPO EXISTENTES : El bus ASi: características generales. Conexión de entradas salidas digitales y

analógicas. Topologías. Conectores. Rango de aplicación. El bus CAN. Mecanismo de acceso al medio y control de errores. Nodos CAN. Medios

físicos. Diversas implementaciones de CAN DeviceNet: descripción general. Topología. Conexión de diferentes equipos. Sistemas

de conexión. Integración con otras redes. Profibus : Perfiles DP y PA. Diferentes medios físicos. Multimaster y monomaster.

Conectores DP/PA. Integración con otros niveles de redes. Foundation Fieldbus . Surgimiento. Topología de redes. Definición de segmentos.

Integración de segmentos. Utilización en seguridad intrínseca. Características del medio físico.

• TENDENCIAS : Utilización de Ethernet a nivel industrial. Historia. Normalización. Tipos de redes

Ethernet industriales. Perfiles comerciales. Perspectivas futuras Integración entre diferentes buses de campo: interfases y conectores. Integración en

arquitecturas. Tendencias en comunicaciones industriales. Ethernet inalámbricas.

INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN

3

5

Componentes de sistemas de automatización industrial

Tratamiento de

la información

Comunicación

Sensores o

Captadores

Actuadores

Progra

maciónOtros

procesosHMIReglaje

Dispositivos

de campo

Máquina , instalación o proceso

Pre-

Actuadores

6

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

4

7

Un proceso se realiza en dos estaciones separadas 500 m

Necesidades de comunicación Un proceso se realiza en dos

estaciones separadas 500 m

Para completar un lazo, se requiere un dato de un sensor distante.

• Una estación de supervisión debe cambiar parámetros del proceso

• Los actuadores y sensores están distribuidos en centenas de metros.

• Comunicación entre controladores

• Comunicación entre dispositivos de campo y controladores

• Comunicación entre dispositivos de campo y controladores + control distribuido

• Comunicación entre controladores y supervisión

• Un sistema de mantenimiento requiere datos de tiempos de operación de una válvula

• Se requiere usar una terminal de dialogo o un variador de velocidad

• Comunicación entre sistema de automatización y otros sistemas de la empresa

8

Gabinete Marshalling Tradicional

Gabinete remoto PROFIBUS

Reemplazo de cableado

5

9

10

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)

6

11

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

r e d e s p r o p ie t a r i a s o s e r i e

C o n t r o l a d o r

T A A T T A T

C o n t r o l a d o r

S u p e r v i s o r

C a b l e a d o i n d i v i d u a l

12

Sistemas de control cableados con red de supervisión

• dispositivos de campo cableados en forma individual

• Red propietaria o semi abierta entre controladores y supervisores

R e d p r o p i e t a r i a

C o n t r o l a d o r

T A A T T A T

C o n t r o l a d o r

S u p e r v i s o r

7

13

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

Bus de campo

Red desupervisión

Controlador

T AA TTAT

Controlador

Supervisor

14

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)

Bus de campo

T AA TTAT

Supervisor

8

15

Integración de sistemas

Redes industriales

cam

poce

lda

Supe

rv.

Fábr

ica

Neg

oc.

Com

p.

Aut

omat

izac

ión.

Info

rmát

ica.

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Lazo de control y comunicaciones

CONTROL ACTUADOR PROCESO

MEDICION

SP e

m

VC

A/D

D/A

Algoritmo de control

CONTROLADOR DIGITAL

Alg. deControl

Alg. decontrol

9

17

Clasificación de redes

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

Bus de campo o Fieldbus:

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

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Clasificación de buses de campo

FIELDBUS

DEVICEBUS

Tipo dedatos

Funciones

Bit Byte Paquetes

SENSORBUS

CtrlLógico

Ctrl. deProcesos

Sensorbus:• Información transmitida en bits

• Variables digitales

• Conectan captadores , actuadores , botoneras, interruptores, etc. con un controlador central

• Función : distribuir E/S digitales

• ASi, FlexIO

Devicebus:• Información transmitida en bytes

• Variables digitales y algunas analógicas

• Conectan dispositivos, controladores, Pc´s.

• Función : Compartir dispositivos de campo entre varios equipos de control y comando.

• CAN, Device-Net, SDS,DWF

Fieldbus:• Información transmitida en palabras o tablas

• Variables analógicas y algunas digitales

• Conectan dispositivos, controladores, Pc´s.

• Función : Repartir la aplicación.

• FF, Profibus, WorldFIP, ControlNet

10

19

SAP R/3 @@

Office

LAN

Etherne

t

Office LAN Etherne

t

PlantMaintenance

Plant Information

OPC-Server

OS-LAN Ethernet

OS clients

OS server(redundant)

BATCHclients

Service

EngineeringStation ES

SIMATIC PDM

EngineeringToolset

OS Single Station

Industrial Ethernet / Fast Ethernet

PROFIBUS-PA

ET 200M

Fail safe

DP/PA-Link

AS

ET 200M

PR

OF

IBU

S-D

P

AS

DP/PA-Link

ET 200iS

PROFIBUS-PA

PROFIBUS-DP

OS

O

P

Zone 2

Zone 1

AS

PR

OF

IBU

S-D

P

DP/PA-Link

PROFIBUS-PA

Y-Link

COx,NOx, ...

DP/EIB

DP/AS-I

Batch server

MES ITFramework

Components

Internet/Intranet

Co

ntr

ol d

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roceso

Info

rmació

n,

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ten

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Ad

min

istr

ació

n y

g

esti

ón

PR

OF

IBU

S-D

P

20

Clasificación por dominio de aplicación

Procesos continuos

Gestión de edificios (domótica)

Industrias manufactureras

Sistemas embarcados

Transporte de energía y fluidos

Sistemas de comunicación

11

21

Plant

Smart

Device Contr

olN

et

Inte

rbus-S

PR

OF

IBU

S D

P

De

viceN

et

SD

S

Se

nsoP

lex

AS

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Seri

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x

Impacc

Sensor BusDevice BusField Bus Control Bus

PR

OF

IBU

S F

MS

Mo

dbus

+ / D

H+

Block

I/O

FO

UN

DA

TIO

NF

ield

bu

s

Worl

d F

IP

EC

HE

LO

N

PR

OF

IBU

S P

A

Process

Unit

Bit I/O

Buses de campo

22

Historia• fin de los 70´s – Primeras Redes

industriales propietarias Entre controladores

PLC( Modbus-MODICON), DCS: WPDF (Westinghouse)

Ppara resolver problemas de heterogeinedad

LAC, FACTOR, MAP

• 80´s : redes propietarias PLC – Telway- Unitelway (Telemecanique),

Data Highway (Allen Bradley), Sinec(Siemens ), Tiway( Texas )

• 1982- Se crea grupo de trabajo en Francia para obtener un bus industrial único especificación FIP ( Factory

Instrumentation Protocol)

• 1983- Comienza P-NET ( Dinamarca)• 1984-Especificación CAN ( Controller

Area Network) de Bosch• 1985- Se forma el grupo Profibus

(Alemania)

• Situación en 1990: diversos protocolos no compatibles

Basados en productos existentes o prototipos:MIL1553B, Hart (Rousemount), Bitbus ( Intel)

Propuestas completas: FIP, Profibus.

12

23

Normas IEC FieldbusIEC TC65/SC65C/WG6

• 1993- Norma IEC 1158-2- Capa Física• 1996- IEC 61158- 1 Draft de DLL(FIP) Rechazado 12/96• 3/1998-Draft DLL aprobado ( similar a ISA TR50.02 partes 3 y 4)• 1999 a 2000- Se terminan de aprobar las restantes partes

• IEC 61158-1, Introduction

• IEC 61158-2, Physical LayerSpecification and Service definition

• IEC 61158-3, Data Link ServiceDefinition

• IEC 61158-4, Data Link ProtocolSpecification

• IEC 61158-5, Application Layerprotocol Specification

• IEC 61784, Profile Sets forContinuos and discretemanufacturing

• Tipos norma IEC:

1- FOUNDATION Fieldbus

2-ControlNet ( ControlNet, Ethernet/IP)

3- Profibus (DP y FMS)

4- P-NET (multipoint, point to point)

5- FOUNDATION Fieldbus HSE

6- SwiftNet (openAL, real Time AL)

7- WorldFIP (MPSy MCS, subsetMMS, part of MPS)

8- Interbus ( generic, extended, reduced6/2)

24

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 LineCommunication(PLC)

13

25

Algunos datos de mercado (procesos continuos)

26

Datos de mercado

14

27

Segmentación por industria (FF)

28

Comparativa datos de mercado

15

29

Características

• Principales requisitos Seguridad de funcionamiento Alta inmunidad a interferencias Robustez

Adaptados al usuarioPredeterminadoServicios

AleatorioDeterminísticoTráfico

PersonasProcesosUsuario

Red de datosRed Industrial

generalesSegún aplicaciónMétodo de comunicación

No críticoCríticoTiempo de respuesta

Todos los usuariosPredeterminadaSimultaneidad

• Son Redes en tiempo real

30

Requisitos para un bus de campoTransmitir datos periódicos antes que

vuelvan a ser muestreados

Transmitir datos aperiódicos dentro de un tiempo acotado

Transportar pequeños paquetes de información en un tiempo acotado

Muestrear en forma simultanea y periódica cierta cantidad de entradas

Indicar si los valores adquiridos están dentro del error aceptable para el intervalo de muestreo ( consistencia temporal )

Proveer medios para conocer el orden en que se produjeron eventos esporádicos

Permitir transmisiones punto a punto y multipunto

Resistir interferencia , vibraciones, etc.

Bajo costo en todo el ciclo de vida de la aplicación

16

ALGUNOS CONCEPTOS ALGUNOS CONCEPTOS BBÁÁSICOS DE SICOS DE

COMUNICACICOMUNICACIÓÓN N DE DATOS DE DATOS

32

Fuentes de atenuación y distorsión

• Atenuación

• Ancho de banda limitado

• Distorsión de retardo

• Ruido

17

33

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

34

Ejemplo de comunicación

18

35

Modelo OSI / Arquitectura IEEE 802

Presentación

Sesión

Aplicación

Transporte

Red

MAC - LLC

Física

Capa Superior

LLC

MAC

PHY

Cable de Conexión

ConectoresMEDIO

• 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 (PhysicalSignalling Layer)

• Asegura: Emisión /recepción de

bits Codificación de

señales binarias Reconocimiento de

préambulos y delimitadores de trama

• Utiliza un “physicalmedium attachment”para acceder al medio

Medium Access Control (MAC)

• Reglamenta el acceso al soporte de comunicación: Acceso Aleatorio

(CSMA...)

Por Consulta (Token)

Por tiempo (TDMA)

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

36

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

19

37

Topologías Típicas

Esclavo

Estrella Linea Rama o Bus Arbol

Esclavo

Esclavo

Maestro

Controlador

Maestro Maestro

Controlador

MaestroMaestro

Controlador

MaestroMaestro

Controlador

Maestro

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

EsclavoEsclavo

EsclavoEsclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

38

Longitud de cable y velocidad para RS485

20

39

Distancias punta a punta

40

Tipos de comunicación

• Las redes en tiempo real requieren los tres modos

• Se aplican a todas las capas del modelo

Punto a punto:• sólo dos

entidades • Primario/secundari

o,

• Emisor/ receptor,

• Pozo / fuente,

• Cliente/servidor.

Multipunto• Más de dos

entidades involucradas

Difusión• Todas las

entidades conectadas están involucradas

21

41

Modelos de Cooperación

Cliente-

servidor

Productor-consumidor

• Forma en que dos o más entidades del mismo nivel deciden realizar los intercambios

• Se aplican a todas las capas del modelo

42

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

Cliente

Serv.

Serv.

Enviar dato A

A= 25

22

43

Productor- consumidor

• 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

Lectura de velocidad en un lazo cerrado con variador

PLC

MonitoreoRPM Variador

44

Mecanismos de Acesso al Medio(MAC)

Determinísticos

• Se sabe exactamentecuando le toca acceder a cada estación pasaje de token

TDMA (Time DivisionMultiple Access)

Ventaja:

se conocen lostiempos de respuesta

De Acceso aleatorio

• Cada estación accedeal medio cuandonecesita transmitir CSMA (Carrier Sense

Multiple Acces)

Ventaja:• Velocidad de respuesta

23

45

CSMACarrier 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

ST2 ST3 ST4

ST1

• 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

46

Pasaje de Token• Solo la estación con el

token envia mensajes (tmax)• no periódico• Problemas:

pérdida de token mensajes urgentes

• Ej: IEEE 802.4 (bus) e IEEE 802.5 (ring)

ST2 ST4

ST1T

TT

• TDMA (Time Division MultipleAcces)• 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

24

47

Master-Slave

Maestro

I/ORPM Motor

Maestro

I/ORPM Motor

Maestro

I/ORPM Motor

48

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 parámetrosSi una de las entidades no se puede comunicar la conexión fracasa

Transferencia de datos Fin de la conexión

25

49

Conexión TCP

(a) Normal operation, (b) Old CONNECTION REQUEST appearing out of nowhere.

50

Reconocimiento (ACK)• Sólo para protocolos de

nivel 2 y 4 Stop- and- wait : Se espera

un ACK desde que se transmite un PDU

ACK+: Se transmite otro PDU

ACK – o no llega ACK: se repite el PDU hasta un nro máximo de repeticiones

Go. Back-N: el emisor emite varias PDU ( hasta su crédito de emisión) hasta esperar ACK

Repetición selectiva

Go back-N

Repetición selectiva

26

INTRODUCCION A LOS BUSES INTRODUCCION A LOS BUSES DE CAMPO INDUSTRIALES DE CAMPO INDUSTRIALES

Parte 2: Algunos buses existentes Parte 2: Algunos buses existentes

FABIANA FERREIRA

ActuatorActuator Sensor Sensor

InterfaceInterface

((ASiASi))

Fabiana Ferreira

27

53

AS-i en automatización• Para conectar sensores y actuadores con controladores

Nivel de control

Sensores y actuadores

EsclavoEsclavoEsclavoEsclavo Esclavo EsclavoEsclavo Esclavo

Maestro

Nivel de campo:

CAN DeviceNet FIP Interbus Profibus etc.

54

Ahorro de cableado

• Cableado tradicional

C1

C4

C3

C2

M1 M3M2

• Con AS-i

Maestro

28

55

Caracteristicas del bus AS-i

Slave

Slave

Slave Slave

Slave

Slave

Slave

Master

Slave

Slave

HostAS-i -Power Supply

Slave

• Maestro Esclavo

Hasta 31 esclavos por maestro

4 entradas y 4 salidas digitales por esclavo

4 bits de parametros adicionales por esclavo

• Max. 248 I/O digitales

• Posibilidad de I/O analógicas

• Direccionamiento electrónico de los esclavos

• Equipamiento : Master

PLC o Gateway Esclavos

Modulos para conexión de I/ODispositivos con chip AS-I integrado

Fuente de 30,5 VDC Cable AS-i u otro

Datos y alimentación en el mismo cable

56

Maestro-Esclavo• El Maestro realiza un ciclo de polling• Envía los valores de las salidas y recibe los valores de las entradas en el mismo ciclo• Ciclo del orden de 5ms para 31 esclavos

En la versión 2.1 se pueden direccionar dos esclavos A y B en cada nodo pero se chequea uno por ciclo

M a s t e r

Host

SL 1

1

SL 2

2

SL31

31

M a s t e r Calls

S l a v e Answers

SL 1

1

29

57

Direccionamiento y parametrización de esclavos

• Direccionamiento individual por terminal

Addressing unitProgramming

and service unit

• Direccionamiento automático por el maestro

Master

• Parametrización a distanciaAS-Interface Master

projectedparameter

Slave 1Slave 2

Slave 31

actualparameter

AS-i Slave 20

Up to 31x 4 data bits

Slave 1 Slave 31

actualparameter

1 1 1 01 1 1 1

1 0 1 0

1 1 1 0Slave 20

1 1 1 01 1 1 1

1 0 1 0

1 1 0 0 1 1 0 0

1 1 0 0

1 1 1 0

58

Cables • Cable Amarillo

Conectable por perforación de aislamiento.

perfil del cable para evitar los cambios de polaridad

Grado de protección IP65/67. Autocicatrizante Módulos que adaptan el cable AS-i a

otros• Puede emplearse cualquier bifilar de 2

x 1.5 mm2 sin apantallamiento ni trenzado

• Otros Cables Auxiliares Cable Negro : alimentación auxiliar de

24 V DC a los esclavos AS-i. Cable Rojo. : alimentación auxiliar de

220 V AC. Cable Amarillo Resistente: Cable Redondo: Simil cable amarillo, Cable Redondo Apantallado.

AS-Interfaceelectric-mechanics

piercing connectors

mechanical coded

flat cable

30

59

Topología

Esclavo

Estrella Linea Rama Arbol

Esclavo

Esclavo

Maestro

Controlador

Maestro Maestro

Controlador

MaestroMaestro

Controlador

MaestroMaestro

Controlador

Maestro

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

EsclavoEsclavo

EsclavoEsclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

60

Extensión de la red

Solution A: 1 extender and 1 repeater

Longitud máxima de todos los cables AS-i en un segmento : 100m

Supply

Slave

SlaveSlave

Slave

Slave

Extender RepeaterMaster

Supply

Segmentmax. 100 m

Segmentmax. 100 m

Segmentmax. 100 m

Max. number of slaves over all is 31 !

!

Supply

!

Se puede extender la red hasta 300m usando extender o repeater

31

61

Ejemplo de red

62

Maestro ASi

• Dos tipos: estándar : 31 esclavos

Extendidos: hasta 62 esclavos extendidos,

• Algunos maestros AS-i pueden ser simultáneamente esclavos de otra red de nivel superior, hace las veces de pasarela

32

63

Modulos ASi• Módulos Activos.

integran un chip AS-i poseen una dirección en la red ( 4 bits de entradas y 4 bits de salidas Para conectar sensores y actuadores convencionales.

• Módulos Pasivos. Sólo proporcionan medios para

cambiar el tipo de cable, ASi a M12 bifurcaciones en la red en topologías de tipo árbol conexión de sensores y actuadores AS-i con chip integrado. no poseen dirección de red,

65

Fuentes

• Son fuentes especiales: potencia a los esclavos

conectados

29.5 y 31.5 V DC.

Resistentes a cortocircuitos y sobrecargas.

Cada segmento de la red requiere su propia fuente

• Las salidas requieren fuentes auxiliares 24 V DC (cable negro)

33

66

Señales analógicas

67

Algunas fotos y aplicaciones

34

68

Safety• Los dispositivos de seguridad no participan del polling normal.

• Un Safety Monitor reside en el bus para escuchar sólo a los dispositivos de seguridad

• Cuando ocurre un evento de seguridad actua sobre los dispositivos de seguridad para ir a estado seguro (fail-safe).

• Se alcanza SIL3.

69

Ejemplo comercial

• Phoenix Contact FIELDLINE

Extension AS-Interface

Instalación en campo rápida y económica

Extension AS-i-M12 de conexión sin herramientas al cable plano AS-i.

35

70

Referencias web

http://as-interface.net/

http://www.uhu.es/antonio.barragan/content/ (figuras )

http://www.automation.siemens.com/cd/as-interface/index_78.htm

http://www.phoenixcontact.es/productos/21718_21737.htm

PROFIBUSPROFIBUS

PROCESS FIELD BUS

36

72

Rango de aplicación• Red abierta para procesos ( Process Fieldbus)

• 3 protocolos:

• Decentralized Peripheral (DP)

• Field Messaging Specification (FMS)

• Process Automation (PA)

• 1987 : proyecto para fieldbus único -Alem.

Siemens, Robert-Bosch y Klockner-Moeller, ...

• FMS se emitió en 1990, DP en 1993 y PA en 1995

• 16 grupos regionales unidos bajo PROFIBUS

International -PI

• 28 millones de dispositivos instalados (fin 2008)

73

Evolución en el mercado

37

74

Simplificación de cableado

75

Tecnología de Comunicación • Máximo 127 dispositivos

• Maestros o estaciones activas Pilotean la transmisión de

datos

Un maestro puede emitir libremente cuando posee el token

• Esclavos o estaciones pasivas Equipos periféricos ( bloc de

E/S, válvulas, actuadores)

No tiene derecho por símismos a acceder al bus

Adquieren mensajes emitidos por otros o transmiten a requerimiento del maestro

38

76

Tecnologías de transmisión

77

Capa Física con RS485 Hasta 32 nodos sin repetidores

en un único segmento

Extendible a 127 nodos con repetidores

Distancias hasta 12 km

9.6 kbit/sec (1200 m), 1.5 Mbit/sec (200 m), 12 Mbit/sec (100 m)

Usa conectores Standard de 9-pin D

Dispos. Trunkline/Dropline

Dispositivos aislados

39

78

Fibra óptica

• Tipos de conductores disponibles

• Permite mayores distancias con mayores velocidades• Evita problemas de EMI• Segmentos en estrella o anillo• Hay fabricantes que permiten la redundancia• Existen acopladores RS485- FO

79

PA• Hasta 32 nodos por segmento

Se extiende hasta 126 nodos con 4 repetidores

• Velocidades 31.25 Kbits/sec, 1.0Mbits/sec and 2.5Mbits/sec 31.25 Kbits/sec permite seguridad intrínseca

• Doble par trenzado (blindado y no blindado)• Varias topologías• Seguridad intrínseca definida por modelo FISCO • Para seguridad intrínseca una derivación puede tener como máximo 30 m

Longitud de línea

40

80

Capa Física PA- IEC 1158-2

• Acopladores de segmento: son convertidores de RS485 a IEC

1158-2 transparentes al protocolo

Su utilización limita la velocidad máxima del segmento a 93.75 kBits/s

Instrum. p/ acoplador

• 9 (Eex)

• 32 (no ex)

• Acopladores de Enlace: Agrupan el conjunto de aparatos del

segmento en un único esclavo RS485

La velocidad del segmento no estálimitada

81

Estructura con PA

41

82

Estructura real de una red PF con PA

83

Comparación capas físicas

42

84

Productos comerciales

85

Características DP• Velocidad:

1 ms (a 12 Mbits) para transmitir 512 bits de entrada y 512 bits de salida a 32 estaciones

Transmisión de todas las entradas salidas en un sólo ciclo

Se transmiten los datos con el el servicio SRD

• Diagnóstico: a través de mensajes dedicados Diagnóstico de estación

Diagnóstico de módulo

Diagnóstico de una vía

• Destinado a comunicaciones cíclicas e intercambios rápidos, entre controladores de celda (PLC o PC) o sistemas de supervisión y periferia descentralizada.

• Funciones de base y Funciones extendidas

43

86

Perfiles PROFIBUS

• Permiten la interacción transparente de dispositivos de distintos fabricantes Se pueden

intercambiar siempre y cuando la aplicación utilice las funciones básicas

87

Perfiles de aplicación generales

44

88

Perfil seguridad (PROFISafe)• Define la conexión de equipos de seguridad (paradas de emergencia , barreras

, enclavamientos ) a los automatismos programables Para alcanzar niveles SIL 3 o AK6 ( categoría 4 )

• Acepta cualquier capa física

• Tiene en cuenta todos los errores que se pueden filtrar en una transmisión serie Repetición, pérdida, error de secuencia, retardo, corrupción de datos

• Define mecanismos complementarios de seguridad Numeración de tramas, seguimiento temporal con ACK, identificación fuente destino,

control de redundancia cíclica, monitor SIL

89

Perfiles específicos de aplicación

45

90

Perfil PA• Para automatización de procesos: utiliza el soporte

físico IEC 61158-2 • Define

Parametrización y comportamiento de instrumentos independientemente del fabricante

Descripción de funciones y comportamiento del instrumento Bloques función

Comunicación con funciones de base DP

• Definiciones aplicativas Unidades de valor de medida

Significado de los valores de estado

• Especificaciones independientes del instrumento:

• Posibilidad de simular los valores en el transmisor de medida.

91

Integración de perfiles

Integración en el maestro

Dispositivos conectados

Funcionalidades de los dispositivos

Integración a través de herramienta de ingeniería

Información de Proceso

Gestión de activos

46

92

Aplicaciones para cada perfil

93

Implementación en dispositivos

47

94

Productos comerciales (Phoenix Contact)

Módulo Fieldline Stand-Alone,

PROFIBUS M12,

8 entradas digitales, 24 V DC,

Acoplador de bus PROFINET para Inline, 24 V DC,

Acoplador de bus PROFIBUS InlineModular DP/V1, 8 entradas: 24 V DC,4 salidas: 24 V DC, 500 mA,

Acoplador de bus FieldlineModular, PROFIBUS M12, 8 entradas digitales M12

Conector enchufable para PROFIBUSIP67

95

I/O link • Interface sensor/actuador

independiente para usarse con PROFIBUS y PROFINET. Punto a punto

Conexión de dispositivos inteligentes de nivel 0

48

96

Ejemplo comercial

• Phoenix Contact FIELDLINE IO-

Link -Comunicación universal hasta el sensor

Primeros maestros IO-Link IP67 para Profibus hasta 12 Mbits/s.

Pueden transmitir los datos , parámetros, diagnóstico y mantenimiento.

97

Profinet• Es un concepto de

integración de los distintos niveles de los sistemas de automatización que incluye Modelos uniformes de

ingeniería

Transparencia

Apertura hacia otros standards

Integración con IT

Aplicación del modelo de objetos

49

98

Referencias web

http://www.profibus.com//

http://www.profinet.com/

http://www.io-link.com/en/index.php /

ControllerController AreaArea NetworkNetwork

(CAN)(CAN)

50

100

CAN (Controller Area Network)

• Creado a mediados de 1980, con el objetivo de brindar conexión y disminuir los costos de cableado entre dispositivos dentro de automóviles.

Se difundió posteriormente a otras áreas, por ejemplo control de plantas industriales, aplicaciones domésticas, control de ascensores, control de sistemas de navegación, etcétera.

• Estándar ISO.

• Amplia disponibilidad de dispositivos comerciales.

• Alta difusión en la CEE (Alemania), Japón y EEUU

• -http://www.can.bosch.com

101

CAN y el modelo OSI

Presentación

Sesión

Aplicación

Transporte

Red

Enlace

Física

Especificación CAN

CAN Phy (ISO 11898)

ISO 11898

CAL

•CANopen

•PCAL

Device

NetSDS

Documentos

de CiA

CAN

King

dom

51

102

Especificación CAN- El protocolo abarca las capas física (parcialmente) y de enlace de datos.- Velocidad hasta 1 Mbps.- Protocolo de comunicaciones orientado a los mensajes - Arbitraje por prioridad de mensajes (CSMA/AMP) - Resolución de colisiones.- Alta probabilidad de detección de errores.- Capacidad de implementar control en tiempo real.- Escalabilidad.- PDU (protocol data unit): tramas (frames)

de datos/ remotas/ de error/ de sobrecarga

Especificaciones

CAN 1.22048 (211) identificadores de objetoformato de tramas estándar

CAN 2.0más de 500 millones (229) de identificadoresformato de tramas extendido

103

Arbitración

Dos estados lógicos definidos dentro del bus: recesivo y dominante.

Equivale a una compuerta lógica AND: “1” lógico y “0” lógico

N1 N2 Bus

D D DDD R DDR D DDR R R

A B A.B

0 0 000 1 001 0 001 1 1

Nodo 2Nodo 1

Bus

AB

A.B

52

104

Detección de errores ⇒⇒⇒⇒ Cuando una estación transmite una trama de error, el resto de las estaciones activas en la red replican con sendas tramas de error. ⇒⇒⇒⇒ La señalización del error queda formada por la concatenación de tramas de error de todas las estaciones activas.⇒⇒⇒⇒ “Globalización del error”

• Distintas condiciones desencadenan la transmisión de una trama de error (errores detectables por protocolo):

errores de biterrores de bitstuff

errores de CRCerrores de formato (en delimitadores del CRC y del ACK, y EOF)errores de ACKerrores de sobrecargaerrores de formato de la trama de sobrecargaerrores por condición de sobrecarga inconsistente

(detectables como errores de bittuffing, deCRC o de formato)

errores consecutivos múltiples

errores sucesivos múltiples

erroressimples

erroresmúltiples

error orientado al transmisorerror orientado al receptor

105

Capa Física CAN

Implementada en los

controladores

basadas en normas y

especificaciones

propietarias

ISO11898

PMA

53

106

ISO 11898-2 -Topología

A 1Mbit/s Ld<0.3 m

107

Niveles del bus

• Condición recesiva :CAN_H < CAN_L + 0.5V

• Condición dominante:CAN_H >CAN_L + 0.9V

54

108

Nodo ISO 11898-2

• La tensión diferencial en un nodo está dada por la corriente en la resistencia diferencial

109

Transceivers

55

110

Relación Velocidad-longitud bus

• ISO 11898 especifica distmáx 1 km y permite usar bridges o repeaters.

• Distancia máxima definida por: demora de los nodos y

del bus

diferencias entre el bit time quantum debidas a la diferencia entre los osciladores de los nodos

Caída de señal por resistencia de cable y nodos

111

Referencias web

http://www.cans2u.com/

/

56

DeviceNetDeviceNet

Fabiana Ferreira

113

Qué es DeviceNet?Es un enlace de comunicación de bajo costo para conectar dispositivos

industriales a una red y eliminar cableado costoso

•Fines de carrera

•sensores fotoeléctricos

•sensores inductivos

•válvulas

• arrancadores de motores

•lectores de código de barras

•variadores de frecuencia

•paneles e interfases operador

DeviceNet es una solución simple de comunicación en red que reduce el costo y tiempo para cablear e instalar dispositivos de automatización industrial, al mismo tiempo que provee intercambiabilidad de componentes similares de distintos fabricantes

• La especificación y el protocolo son abiertos No hay que comprar licencias , HW o SW para conectar dispositivos

La especificación se compra por u$s 250. Da licencia ilimitada para desarrollar productos.

Cualquiera puede participar de ODVA

• Basado en CAN Usa los chips CAN Standard

57

114

Application Layer

Physical Signaling

Transceiver

Transmission Media

Capas OSI

ISO Layer 0

-Media

ISO Layer 1

-Physical

ISO Layer 2

-Data Link

ISO Layer 7

-Application

Data Link Layer

DeviceNet

Application Layer

Specification

CAN Protocol

Specification

DeviceNet

Physical Layer

Specification

115

Especificación DeviceNet

Perfiles de Dispositivos para obtener interoperabilidad e intercambiabilidad entre productos similares

Prestaciones del protocolo de comunicación- Peer-to- peer

-Master-Slave

-Productor- Consumidor

-Hasta 64 MAC ID’s (nodos)

cada nodo infinitas I/O

Modelo de Objetos -Cada nodo se modela con una colección de objetos

- Un objeto provee una representación abstracta de un componente particular de un producto

• Para Capa Física y medio la especificación define: topologías/ puesta a tierra/ Medios físicos/ Terminadores/ Distribución

de potencia

58

116

Productos DN

• Hardware Interfaces para controladores

Scanner

Modulo de comunicación

Gateway

I/O distribuidas

Interfases con otras redes

Interfases para PC’s

Sensores y actuadores

Interfases operador

• Software Monitores y gestionadores de red

Herramientas de diagnóstico

• Medio Físico

117

Medio Físico • Señal y potencia (24VDC) en el mismo cable:

Pares trenzados separados para para señal y potencia

• Cable fino o grueso en cualquier tipo de tramo

• Los nodos se pueden conectar y desconectar sin desconectar la potencia.

• Se pueden adicionar derivadores (Tap ) de potencia en cualquier punto de la red: posibilidad de fuentes redundantes

• Se pueden conectar dispositivos con alimentación externa

• Terminador de 121ΩΩΩΩ en cada fin de tronco

• Admite varias Topologías

• Básica : Tronco (trunk)- rama (drop line -spurs)

59

118

Tipos de cable

1485R/G Thin Media1/4” (6.9mm)Trunk y Drop line

1485C Thick Media1/2” (12.2mm) trunkline

1485C KwikLink Cable4 hilos

119

Conexión con kwiklinkKwikLink Network Architecture

1- KwikLink Lite IP20 Flat Media

2-Trunk Line Connector

3- Drop Line Connector

4- Terminating Resistor

5- 5-pin Open Style Connector

6- Terminal Block

7- Flat to Thin Cable Converter

8- KwikLink Drop Cable

9- ArmorBlock

10- Auxiliary Power Cordset

60

120

Otros componentes

Power Tap

Derivador de trunk

Conectores metalicos

Caja para conectar al trunk

Hasta 8 dispositivos

Caja para conectar

dispositivos

en una derivación

Derivación en T

121

Conectores

61

122

Distancias punta a punta

123

Control and Information Protocol(CIP)

Figura 11 de CIP White paper

• Modelo Objetos

• protocolo de mensajería

• perfiles de dispositivos

• Servicios

• Gestión de datos

• CIP es un protocolo orientado a conexión• Una conexión CIP provee un camino entre múltiples aplicaciones• Cuando una conexión se establece , se le asigna a la transmisiones

asociadas un conexión Id (CID) si es unidireccional o dos CID si es bidireccional

62

124

Tipos de conexiones

Conexiones de I/O o de mensajería implícita proveen caminos dedicados

entre una aplicación productora y una o más aplicaciones consumidoras

Para datos orientados a control, de tiempo crítico.

• De mensajería explícita Provee un camino punto a punto

multipropósito entre dos dispositivos

Tipo REQ-ANS

125

Objetos aplicación

Register ObjectDiscrete Input PointRegister ObjectDiscrete Input Point ObjectDiscrete Output Point Object

Analog Input Point ObjectAnalog Output Point ObjectPresence Sensing ObjectGroup ObjectDiscrete Input Group ObjectDiscrete Output Group ObjectDiscrete Group ObjectAnalog Input Group ObjectAnalog Output Group ObjectAnalog Group ObjectPosition Sensor Object

Position Controller Supervisor Object

Position Controller ObjectBlock

Sequencer ObjectCommand Block ObjectMotor Data ObjectControl Supervisor ObjectAC/DC Drive ObjectOverload ObjectSoftstart ObjectSelection ObjectS-Device Supervisor ObjectS-Analog Sensor ObjectS-Analog Actor ObjectS-Single Stage Controller

ObjectS-Gas Calibration ObjectTrip Point Object

63

126

Perfiles de dispositivos definidos

Generic DeviceAC DrivesMotor OverloadLimit SwitchInductive Proximity SwitchPhotoelectric SensorGeneral Purpose Discrete I/OResolver Communication AdapterControlNet Programmable LogicController -- Position Controller

DC DrivesContactorMotor StarterSoft StartHuman Machine InterfaceMass Flow ControllerPneumatic ValvesVacuum Pressure GaugeControlNet Physical Layer

• Los desarrolladores de dispositivos deben usar un perfil Si un dispositivo no cae en un perfil especializado debe usar el perfil de

dispositivo genérico o el especifico de fabricante

El perfil usado y que partes de él están implementados debe ser descripto en la documentación usuario del dispositivo

• Cada perfil consiste en un conjunto de objetos Define uno o más formatos de I/O incluyendo el significado de cada bit o

byte en la trama

127

PERFIL DE VARIADOR CA

Electronic Data Sheet (EDS)

A-B Mitsubishi Magnetek

start/stop start/stop start/stop

fwd/rev fwd/rev fwd/rev

accel/decel accel/decel accel/decel

A-B Mitsubishi Magnetek

eng. units foreign lang. (none)

power calc. temp. calc.

Según perfil deDispositivo

Adicional Fabricante

Archivo ASCII

Provee una descripción de los atributos del dispositivo

Atributos públicos correspondientes al perfil de dispositivo

Atributos específicos del fabricante

64

128

Productos (Phoenix Contact )

Cable de sistema de bus, DeviceNet/CANOpen, 5 polos, apantallado, conector macho acodado M12 a extremo de cable libre, longitud: Variable, 0,2 m hasta 40,0 m

Acoplador de bus DeviceNet™, 24 V DC, sinaccesorios

Módulo Fieldline Stand-Alone, DeviceNet™ M12, 4 entradas digitales, 24 V DC, 4 conductores, 4 salidasdigitales, 24 V DC, 3 conductores

Acoplador de bus DeviceNet™, 8 entradas 24 V DC, 4 salidas 24 V DC, 500 mA, completo conconectores para periferia

129

Referencias web

http://www.cans2u.com/

http://www.odva.org//

http://www.ab.com/networks/devicenet/

65

FOUNDATION FOUNDATION FieldbusFieldbus

Fabiana Ferreira

131

Fieldbus Control System (FCS)

66

132

Distribución del Control

Fieldbus Host

I.S.I.S.

Fieldbus

I.S. = Intrinsically Safe

AI = Analog Input AO = Analog Output

PID = Proportional Integral Derivative Controller

DCS with AMS

4-20 mA+ HART

HFHF

I.S.I.S.I.S.I.S. I.S.I.S.AMS

System

HFHF HFHF

Controller

I/O

Subsystem

133

Redes FF• H1 - Baja velocidad para control

de procesos• (Reemplaza la tecnología 4-20

mA)

• 31.25 Kbit/s

• Alimentación por el bus• Opción Seguridad Intrínseca

• Hasta 1900 metros

• HSE - Alta velocidad parasupervisión y otros niveles

100 Mbit/sHIGH SPEED ETHERNET

67

134

Niveles de señal

135

Conexiones físicas• TOPOLOGÍAS

Bus con derivaciones

Punto a punto

Daisy-Chain

Árbol

• Dispositivos 32 dispositivos con alimentación

separada.

12 dispositivos alimentados por el bus, más una interface.

4 dispositivos por barrera Intrínseca.

• pueden conectarse o desconectarse en funcionamiento.

• Alimentación 9-32 VDC

Filtro adaptador de impedanciapermite la utilización de fuentesconvencionales

• Regula la tensión en el fieldbus, para mantenerla estable ante la conexión y desconexión de dispositivos

• 18 +/-2 V., salida 300 mA.

• Terminador incluído.

• Montaje en riel o panel.

• Indicación de falla

68

136

Limitaciones

137

Arquitectura

69

138

Estructura de una red H1

139

MAC• Por Arbitraje controlado :

Link Active Scheduler (LAS) o Arbitrador de Bus

• Determinístico y centralizado

• Dos tipos de dispositivos: Básicos: no pueden ser LAS Link Master ( pueden ser

LAS)

• Dos tipos de comunicaciones: cíclica o sincrónica

(scheduled) aciclica o asincrónica(

unscheduled)

• Modelo Editor-Suscriptor (publisher-Suscriber)

• LAS

• Gestión Comunicación cíclica : con lista de los datos cíclicos

• Pasaje del Token

• Mantenimiento Live List

• Sincronización de tiempoLa comunicación cíclica es la tarea prioritaria

Las demás tareas se hacen en el tiempo que queda libre entre intercambios cíclicos

Variable Periodicidad(ms)

Tipo Tiempo(microseg)

A 5 INT-8 170

B 10 INT-16 178

C 15 OSTR-32 418

D 20 UNS-32 194

E 30 SFPOINT 290

70

140

Fieldbus Access Sublayer

• CLIENTE-SERVIDOR pto a pto

por colas

1- El cliente recibe el PT y envia la REQ

2-El servidor envia la ANS cuando recibe el PT

• Uso: para ajustes de variables y gestión de alarmas

• DISTRIBUCION DE REPORTES uno a muchos

1- Cuando el emisor recibe el PT, envía el reporte a una “dirección de grupo”

2-Los nodos de ese grupo reciben el reporte.

• Uso: notificaciones para HMI

• EDITOR-SUSCRIPTOR uno a muchos

por buffer

1- El CD puede ser gestionado por el LAS o por una estación suscriptora con el Token

• Uso: Datos de control

• Los servicios de la FAS son descriptos por VIRTUAL COMMUNICATION RELATIONSHIPS (VCRs)

141

Bloques función• Las funciones de un

dispositivo se determinan por los FBs

71

142

Ejemplo estrategia de control

143

Descripción de Dispositivos (DD)• Se utiliza para agregar a los bloques

función Standard parámetros y definiciones de comportamiento. Provee una descripción extendida de

cada objeto en un VFD

Provee información al sistema de control o al host para interpretar los datos del VFD

Es como un “driver” para conectar el dispositivo

• Estan escritos en un lenguaje denominado Device DescriptionLangage (DDL) Se convierten con una herramienta de

soft llamada “tokenizer”

72

144

Productos (Pepper&Fuchs)

INTRODUCCION A LOS BUSES INTRODUCCION A LOS BUSES DE CAMPO INDUSTRIALES DE CAMPO INDUSTRIALES

Parte 3: Ethernet Industrial Parte 3: Ethernet Industrial

FABIANA FERREIRA

73

146

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

147

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

74

148

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

Hay que retransmitir varias veces los datos importantes

No se puede saber el orden relativo en que ocurrieron alarmas y comandos

Se puede transmitir un time stampcon el dato

Se pueden implementar algoritmos basados en relojes locales

Para intercambios en modo productor consumidor se debe

usar UDP

TCP no admite modo broadcast

149

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

Se utilizan cables apantallados

Los switches standard no resisten al ambiente ni pueden ser montados en tableros

Se utilizan switches industriales

No lleva alimentación en el mismo cable

Esta apareciendo Power OverEthernet

75

150

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 costode 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

151

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

76

152

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 AvalaibleStandards (PAS)

153

Conectores industriales

Siemens

Phoenix Contact

77

154

Switches industriales

Siemens

Phoenix Contact

Phoenix Contact

FOUNDATION FieldbusFOUNDATION Fieldbus

HSE HSE

Fabiana Ferreira

78

156

Arquitectura

157

Topología

79

158

Diseño tolerante a fallas

159

Comparación HSE y H1• Esta limitada a 100 m, muy

corta para instrumentos.

• Requiere cable costoso para largas distancias

• Necesita un switch con un portpor dispositivo

• No lleva potencia

• No es intrínsecamente segura

•

• Tiene mayor ancho de banda que H1

• Permite redundancia de medio.

• HSE como backbone y red de sala de control

• H1 como red de campo

80

160

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 unitof all Fieldbus functions

Ethernet /IPEthernet /IP

Fabiana Ferreira

81

162

Protocolos

163

Ethernet /IP y CIP• 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

Red Red basadabasada en Etherneten EthernetCapa EnlaceCapa EnlaceCapaCapa ffíísica sica

IPIP

TCPTCP UDPUDP

FTPFTP HTTPHTTPBOOTPBOOTPDHCPDHCPDNSDNS CIPCIP SNMPSNMP

CapaCapade redde red

CapaCapatransportetransporte

CapaCapaAplicaciAplicacióónn

• Requiere dos objetos adicionales del CIP Objeto TCP/IP:

Objeto de enlace Ethernet: parámetros de la comunicación

82

164

Arquitectura

ProfinetProfinet

Fabiana Ferreira

83

166

Escalabilidad de redes

167

Comparativa

84

168

Protocolos ProfinetStandard 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 <1µsecR

eal-

tim

e

RT IRT

Real-time

1

Ethernet

TCP/UDP

PROFINET ApplicationsIT-Applica-tionse.g..

HTTP

SNMP

DHCP...

Standard-Data

Process-Data

IP

2

3

1

2 3

169

Redundancia

85

170

Niveles de Seguridad

LLíínea Ethernet industriales nea Ethernet industriales

Phoenix Phoenix ContactContact

Fabiana Ferreira

86

172

Líneas de productos• Routers / Switches

Industriales Firewall /enroutador Switchs gestionados compactos y

modulares Switch con soporte Gigabit Hubs Switch modulares

• Modulo Power over Ethernet• Proxys Profinet I/O• Gateways• Convertidores de medio• Modem ethernet • Accesorios

Enlaces Enlaces inalambricosinalambricos

Fabiana Ferreira

87

174

Enlaces inalámbricos• Para aplicaciones móviles

• Para cubrir grandes distancias

• Para entornos que no admiten cableado

• Se utilizan enlaces inalámbricos para conectar nodos o segmentos a una red cableada a través de un punto de acceso

Limitaciones de enlaces inalámbricos• Alta tasa de errores (interferencias, multipath,etc.)

• Incapacidad de detectar colisiones por parte del emisor

• Demoras en dispositivo en cambio emisión / recepción

• 802.11

• Bluethoot

• Microondas

• Protocolos propietarios

175

Alternativas de diseño para interconectar nodos cableados e

inalámbricos en LAN industriales. Utilizar un único o varios segmentos cableados Integrar los segmentos cableados e inalámbricos en una única red o separarlos

en distintas subredes Realizar la interconexión cableado- inal. en un único AP o utilizar múltiples

AP Medios de interconexión pueden ser repetidores, bridges , routers o gateways

(todos tienen diferentes prestaciones) Única o múltiples estaciones de base

• IEEE 802.11• Bluethoot

• Microondas

• Protocolos propietarios

88

176

Caracteristicas IEEE 802.11• Opera en banda ISM (Industrial

Scientific Maritime) 2.4-2.4835 GHz, 5.15- 5.25 GHz, 5.25-

5.35 GHz , 5.75- 5.85 GHz

• Velocidades Original: 1 Mbps, 2 Mbps

Rápidas (802.11b): 5 y 11 Mbps

Ultra rápidas (802.11a): 5 GHz

• Tres variantes de capa física DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)

FHSS (Frequency Hopped SpreadSpectrum)

IR (Infrared)

• Toplogías Ad Hoc y con sistema de distribución

• Acceso al medio CSMA/CA Tiene nodos ocultos

177

CAN sobre BluethootCAN Bluetooth

Bit Rate (bit/ seg.) 10k - 1 M 1 M

Useful Bit Rate (bit/ seg.) Protected

2k – 581k (a 1 Mbit/ seg.)

64 k, 723k

Packet lenght(overhead not included)

0 – 8 byte + 11 o 29 bits

10,20,30 bytes (SCO)17, 27, 29, 121, 183, 224, 339 bytes (ACL)

Basic TransmitionMethod

Broadcast Point to Point via Master

Addressing Method Message Identifier Source - Destination

• Existe una compatibilidad tanto en la velocidad como en algunas de las longitudes de los paquetes Bluetooth quetransmitirán las tramas CAN.

• Difieren en el método de transmisión y el de direccionamiento; con lo cual surgen dos posibilidades de implementación :

Interfaz CAN-Bluetooth: acceso inalámbrico a una red CAN vía una computadora

Gateway CAN-Bluetooth: comunicación de dos o más redes CAN a través de un gateway Can-Bluetooth

CAN Bus InterfazCB

PC

CAN Bus GatewayCB

CAN Bus GatewayCB

89

178

Arquitectura Gateway CAN-Bluethoot

ServerApplications

CANLink Layer

L2CAPEncapsulation

CANLink Layer

L2CAP

HCI HCI

L2CAP

ReverseEncapsulation

DiagnosticApplications

CAN Device CAN-BT Gateway Client

179

RFieldbus

• Es una red hibrida cableada (Profibus) inalambrica (IEEE 802.11 DSSS)• Los nodos wireless pueden operar como master o slave• Admite movilidad de nodos con el mecanismo e handoff• Tiene estaciones maestros moviles, esclavos moviles y bases de radio(LBS)

que operan en distintos canales e radio• Permite manejar tráfico TCP(UDP)/IP

90

180

Dispositivo RFieldbus

181

Modulo infrarrojo Profibus

• IP65• Seteable a varios protocolos• 15 m con velocidad desde 9,6 kbps hasta 15Mbps• Conecta estaciones esclavas o segmentos de esclavos (2

ports por modulo)

91

182

Ejemplo comunicaciones wireless

183

Línea Phoenix contact

• Wireless MUX IO

• Wireless I/o

• Factory Line Bluethoot

• Factory line wirelessLAN

• Accesorios

92

184

DATOS DE MERCADO Y

COMPARATIVAS

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Comparativa – Capa Física

93

186

Comparativa – Capa enlace

187

Comparativa capa aplicación

94

188

FUrios (2002)

• Comparison of Investment Costs

Field devices : additional cost of 4,489 €.

cost savings: solenoid valves of 7,400 €

additional costs of 11,889 € for the field devices with fieldbusinterfaces.

Add up to 0.6 percent for 770,000 € for the overall project

I/O System: cost savings of 76,212 €.

cost savings of 138,562 € unnecessary Remote I/O system

additional costs of 46,350 € for all fieldbus components as well as 16,000 € for an additional process-near component.

The cost savings amount to 18.1 percent, based on the costs for the I/O system of 420,000 €

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FUrios (2002)

• Engineering of the Field Technology cost savings of 9,076 €.

obsolete I/O allocation planning, simplified confirmation of intrinsic safety simplified creation of typicals in the CAE system. 3.2 % of the total costs of engineering in the project, amounting to

280,000 ۥ Engineering of the DCS

savings of 10,732 €. only individual connections between field device and Remote I/O wiring, in the cable tracks and in terms of space in the control room. installation of the extremely small and light fieldbus barriers

1.5 percent, based on the costs of Process I&C of 700,000 €. • Calibration and Qualification

savings of 5,967 €. savings of 4.3%,based on the total costs of calibration and qualification of

140,000 € for the whole project.

95

190

FUrios (2002)

• Commissioning Commissioning is much faster.

reduction of error sources,

the use of standards

Easier fault diagnosis due to the greater transparency

Testing of the entire, readily installed Process I&C point,

savings 2,400 €, based on half an hour savings per analogue device.

This amounts to 2.3 %, based on a total cost of commissioning of105,000 €.

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FUrios 2002

96

192

Furios 2002• project running time

four days could be saved during installation, Five days during qualification , two days in commissioning.

the use of fieldbus can speed up the over-all project (one year) by about 10 days

• training of technical staff three technicians within the plant : savings on training about 4,000 €.

• Influence on quality Simplified error handling

Savings about 500 € a year. This is due to the low failure rate of the nowaday’stechnology : 0.5 % per year.

if fieldbus technology helps to avoid faulty batches or the loss of just one day of production, this benefit may amount to several 100,000 €.

• maintenance and inspection calibration of the production line during the annual testing is not necessary any more

Savings of 7,500 €

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Furios 2002 , Conclusions

• Outlook for users The fieldbus technology is the technological platform for further

development of the field devices.

multi-variable devices : can be connected just as easily as single value devices.

fieldbus allows a sensible and efficient integration of all into processautomation

help asset management systems to achieve the breakthrough

• Outlook for manufacturers called on for further developments,

Feeder devices (power modules) with a higher supply current

valve interface box

“mini Remote I/O”

The address scope is a limiting factor

Software tools for calculating the manufacturer specific connections

97

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Crecimiento del mercado

• “Fieldbus Solutions in the Process Industries Worldwide Outlook.”ARC Advisory Group study, January 2007 The global market for fieldbus solutions in the process industries is

expected to increase at a compounded annual growth rate (CAGR) of 22.3 percent over the next five years and is projected to be more than $2,279 million by 2011. In 2006, the market was more than $831 million.

Because the benefits of fieldbus technology are especially adaptable to large, new installations, the BRIC countries (Brazil, Russia, India and China) will experience the largest growth.

Latin America is projected to have the highest growth rate, at almost 34 percent, this region is still only a small percentage of the total fieldbusmarket. The Asia Pacific region will also experience strong growth, at nearly 32 percent.

195

Ventajas según proveedores y usuarios

• “Fieldbus Solutions in the Process Industries Worldwide Outlook.”ARC Advisory Group study, January 2007 Initially, the primary advantage of fieldbus was portrayed as reduced

wiring, installation, and commissioning costs. However, end users are now indicating greater Operational Expenditure (OpEx) benefits are being realized due to the bi-directional communication and improved process efficiency of linked intelligent devices

The real value of fieldbus, manufacturers are realizing, is Operating Expenditure (OpEx) related rather than Capital Expenditure (CapEx) related.

End users report that predictive maintenance is the single largest savings resulting from the use of fieldbus. Because of this, supplier revenues from unbundled services such as Plant Asset Management (PAM) solutions will see the biggest growth in fieldbus revenues

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Algunas Opiniones de usuarios• Fieldbus Networks , June 2007 , Market Intelligence Report , Encuesta de

www.controlglobal.com,

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Algunas Opiniones de usuarios

99

198

Algunas Opiniones de usuarios

199

Algunas Opiniones de usuarios

100

200

Opiniones wireless

201

Evolución de comunicaciones