Redes Industriales

For Internal Use Only 1

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Tipo de redes industriales

• Redes de Control– EtherNet/IP

• CIP Sobre medios que trabajan bajo TCP/IP• Conexión de equipos – ES remotas

– ControlNet• CIP Sobre medios de mediana velocidad• Conexión de equipos – ES remotas

• Buses de Campo– DeviceNet

• CIP Sobre medios de baja velocidad• Elementos finales discretos

– HART• Instrumentación Inteligante, baja velocidad

– Foundation Fieldbus• Instrumentación Inteligente, Alta/baja velocidad

– Profibus• Instrumentación Inteligente, Alta/Media velocidad

COMMUNICATION FOUNDATION

HART

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Buses de Campo

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Redes de proceso

Tradicional 4-20 mA+ Simple

- Costo E/S- Información

HART+ Simple~ Costo

~ Información

FieldbusFoundation

+ Complejo++ Costo

++ InformaciónProfibus PA

+ Complejo++ Costo

++ Información

Acoplador de enlace

FFLD

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¿Porqué Buses de Campo?

• Similar a DNet pero diseñado para Procesos– No especifico de un Vendedor– No hay pagos por Licencias ó Royalties– Productor / Consumidor (Publicar / Subscribir)

• Tecnología con Visión– Elementos de campos auto-diagnósticos reportan su estado y

salud a nivel de elemento– Configuración y pruebas de manera remota– Auto detección y asignación de direcciones y etiquetas de

nuevos elementos reemplazados• Diseñada para el control de procesos / instrumentación distribuida

– Actualizaciones cíclicas (basadas en tiempo / determinísticas)– Interoperabilidad de vendedores– Interfase de bloques funcionales

• El control de procesos puede ser distribuido a donde lo require (en el controlador, en el campo ó en ambos)

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Two-way communication

Fieldbus, tecnología habilitadora….

• Provee una red abierta, distribuida, totalmente digital paraelementos de campos “inteligentes” en procesos industriales

• Permite múltiples (diferentes vendedores) elementos a ser conectados en el mismo par de cables

• Reemplaza el cableado tradicional punto-a-punto de elementos “no-inteligentes” y controladores

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DeviceNet

ThinThickFlatMedia

• Reglas para DeviceNet:– 64 nodos máximo.– 500Kb, 250Kb or 125Kb– Todos los nodos deben estar a

menos de 6m (distancia del cable) del cable principal o “trunk-line”

– Cualquier configuración puede ser usada fuera del trunk-line

– Disponibilidad de Fibra óptica y repetidores para extender las distancias.

– Distancias: Ver recuadro

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DeviceNet

• Bajos costos de Adquisición e Instalación– Reducción del cableado de Planta (Se elimina el cableado de entradas y salidas)– Menores tiempos de Instalación, Arranque y mantenimiento.

• Atributos de la Red – El flujo de datos es gobernado por el modelo Productor/Consumidor.– Habilidad para enrutarse con redes de mas alto nivel.– Mayores capacidades de diagnóstico de los dispositivos.– Capacidades “Plug & Play” – Añadir o remover nodos en caliente.– Optimizada para manejar pequeñas cantidades de datos

• 8 bytes por mensaje• Soporta fragmentación de mensajes tamaños de datos mas largos.

• Medio de transmisión (Opciones)– Bus Pasivo: Los nodos pueden entrar y salir sin afectar la red– Sellado (IP67) y no sellado (IP65) media– Cable Plano de bajo costo

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HART

• Red digital diseñada a fin de apoyar la integración de instrumentación inteligente en la automatización de procesos

• Se introdujo en 1987 y se estandarizó en 1990

• Superimpone la señal digital sobre la señal 4-20 mA mediante modulación FSK

• Protocolo de baja velocidadbajo el modelo maestro esclavo.

• Conexión punto a punto y truncal.

SW de Gestión de Recambio

FDT

Dispositivos de campo

HART

HART Comando / Mensaje

FLEX ExEn área peligrosa

ControlNet

HART Comando / Mensaje

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Profibus

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PROFIBUS-PA

PROFIBUS se introdujo en 1997 a fin de apoyar la automatizaciónde procesos.•El maestro cíclico controla el intercambio de datos. Los dispositivos usan bloques de función de entrada analógica y salida analógica paraintercambiar datos del proceso.•Conexión por truncal, estrella o multidrop

PROFIBUS-DPRS485

Acoplador deenlace PROFIBUS-PA

IEC 61158-2

PLC PC

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Profibus posee dos niveles

– PA: Solución para automatización de procesos e integración a nivelde elementos de campo. Corre a 31.25 Kbits/s. Señal y potencia se encuentran en el mismo par de cables. Opción de FO. Soportaaplicaciones intrínsicamente seguras.

– DP: Solución de alta velocidad e integración de subsistemas. Mismas funciones que PA pero corre a 12 Mbits/s.

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Foundation Fieldbus

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Fieldbus Foundation

H1

HSE o EtherNet/IP•Foundation Fieldbus H1 es unprotocolo abierto desarrollado enla década de 1990.•El control de lazo de naturalezaregulatoria puede ser ejecutadoen el dispositivo•Esquema productor consumidor•Conexión por truncal, estrella o multidrop

H1

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Foundation Fieldbus posee dos niveles

– H1: Solución para automatización de procesos e integración a nivelde elementos de campo. Corre a 31.25 Kbits/s. Señal y potencia se encuentran en el mismo par de cables. Opción de FO. Soportaaplicaciones intrínsicamente seguras.

– HSE: Solución de alto desempeño para comunicación de generadores de datos/usuarios a alta velocidad e integración de subsistemas. Mismas funciones que H1 pero corre a 100 Mbits/sen equipos comerciales Ethernet.

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Similitudes y diferenciasentre Foundation Fieldbus y

Profibus

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• Un enlace de comunicación digital bidireccional• IEC 61158-2: codificación Manchester,

31.25 kBaud, moduloación de corriente + 9 mA• Alimentación del elemento a través del bus:

9 … 32 V DC, 10.5 … 15.0 mA• Distancia máxima del segmento de 1900 m• Hasta 31 elementos por segmento• Hasta 5 max. con repetidores• Opción Intrínsicamente segura• Los siguientes aspectos deben ser considerados:

– Longitud max. del segmento = lóngitud del truncal+ Σ long. spurs

– Caida de tensión en los segmentos y elementos sensibles a la polaridad

T

P

F

Spurs

Daisy chain

Star

H1/PA Physical layer (1)

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Foundation Fieldbus / Profibus

• Comunicación Maestro - Sclavo entre el controlador y la instrumentación para la medición y elemntos finales de control

• Provee señales analogas y digitales en los niveles PA y DP de alta velocidad• El control es ejecutado dentro del controlador

P

L

F

Profibus

Planta

SlaveSlave

SlaveSlaveSlaveSlave SlaveSlave

MaestroMaestro

SclavoSclavo SclavoSclavo

SclavoSclavo

SclavoSclavo

OperadorOperador

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L

F

LinkingDevice

H1 Fieldbus

Plant

P

PID

PID

PID

H1 sirve como una red local de área (LAN) con un esquema de token passing para el control del proceso, entradas/salidas remotas y comunicación entre los elementos de medición y los elementos finales de control

Fieldbus - H1 FOUNDATION™ Fieldbus

OperadorOperador

HSE

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REDES DE CONTROL

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Capacidades de ControlNet

Trunk-Line

Star

Ring

Opciones para el Medio

• Reglas para ControlNet:– 99 nodos máximo– 5Mb– Cada nodo requiere 1m tap cable– Disponibilidad de Fibra óptica y

repetidores para extender las lasdistancias o crear una topología tipo anillo.

– Disponibilidad de repetidores modulares para crear una topología tipo estrella.

– Muchos dispositivos vienen con redundancia del medio de transmisión ya embebido.

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Fortalezas de ControlNet

• Determinística y de alta Velocidad – Transferencia de datos determinísticos – Se sabe cuando el dato arrivará. (Scheduled

services)– Repetibilidad en la transferencia de datos – Los tiempos de transmisión son

consistentes inclusive cuando los equipos entran y salen de la red. • Redundancia

– Disponibilidad de medio de transmisión Redundante – Redundancia de Procesadores

• PLC-5 Hot Backup• ControlLogix Processor Redundancy

• Ideal para ambientes industriales adversos o pesados– Alta inmunidad al ruido (Cableado coaxial y fibra óptica)– Medios y productos Intrínsicamente seguros (Flex Ex, repetidores de fibra óptica)

• Bus Pasivo– Los nodos pueden entrar y salir sin afectar la red– Topología tipo “Trunkline”

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Capacidades EtherNet/IP

Tree

Star

Trunk-Line / Drop-Line

• Reglas para EtherNet/IP:– Cantidad ilimitada de nodos.– 100Mb– Cada nodo requiere una

conexión punto a punto a un switch

– Disponibilidad de Fibra Óptica y repetidores para extender las distancias y crear una topología de anillo.

– Distancias:• 100m para cobre.• 20Km para Fibra

Ring

Media Choices

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Fortalezas de EtherNet/IP

• Alta eficiencia en la Transferencia de datos– Rata de Baudio incrementada (10Mb, 100Mb), use de switches (NO hubs),

transmisión de datos full duplex para minimizar los efectos de las colisiones de mensajes.

• Uso de productos y tecnología comercial– Conjunto de herramientas comunes para instalación y soporte– Estándares de red bien establecidos y de amplia aceptación– Puede tomas ventaja de los servicios de “web browsing” en los productos

• Opciones para el Medio de Transmisión– Bus Activo: soporta una topología tipo estrella– Alta inmunidad al ruido (Cableado en fibra óptica)– Capacidad de extensión del bus con el uso de múltiple switches (cobre y fibra)– Sellado (IP67) media – tecnología emergente (liderada por RA)

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EtherNet/IP

Estándar…no “basado en estandares”

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EtherNet/IP – Protocolo Estándar

Physical Layer

CSMA / CD

IP

TCP UDP

FTP SMTP HTTP VOIP DNS SNMP

File Transfer

EmailWeb

Voice/Video

Management

Servers

Implantaciónestándar del

modelo OSI de Ethernet

CIP

EtherNet/IP

Application Layer

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Protocolos “basados en estandares”

Physical Layer

CSMA / CD

IP

TCP/UDP

Application Layer

From IONA Handbook 2005

Comienzan sobre el modelo estándar y luego son modificados

IRT H/W Support w/Switching Technology

IP

TCP / UDP

RT Stack

Application LayerNon RT PROFInet V3

Switch

Standard EthernetController

IP

TCP / UDPRT Stack

Application LayerNon RT PROFInet V2

NO -ESTANDAR

NO -ESTANDAR

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Estándar vs. “basado en estándares”

• Estándar– Utiliza switches estándares– Se integran fácilmente a las

instalaciones y redescorporativas Ethernet existentes

– No requiere entrenamiento o conocimientos especial porparte del personal de IT

• “basado en estándares”– Requiere el uso de switches

propietarios o segmentosprotegidos

– Problemas potenciales de integración con instalacionesEthernet

– Requieren entrenamiento extra por parte del personal de IT

“standards-based”: definition - Proprietary

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La entrega de Datos críticos

• Ethernet (CSMA/CD) no es inherentemente determinístico pero la introducción de – Fast Ethernet (100Mb Ethernet),

– Tecnología de los Switches Ethernet,

– Transmisión de Datos Full Duplex

– Managed Switches (IGMP Snooping)

Significativamente reduce las colisiones y mejora la repetibilidad

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Guías Generales para la selección de la Red

• EtherNet/IP – Equipos mas complejos y una gran cantidad de Bloques de I/O y racks donde se requiere un alto rendimiento de los I/O con una gran cantidad de mensajería.

No hay una Respuesta Absoluta!

• DeviceNet – Equipos simples distribuidos con pequeñas cantidades de bloques de I/O instalados a lo largo de los equipos electro/mecanicos.

• ControlNet – Equipos mas complejos y una gran cantidad de Bloques de I/O y racks donde se requiere un rendimiento de los I/O altamente determinisco y con cierta demanda de mensajería.

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Criterios de selección de la Red

• Complejidad de la Aplicación• Topología

– Número de nodos– Distancias– Configuración

• Densidad de I/O• Disponibilidad de Productos

– De múltiples Vendedores– Tipos de Equipos

• Rendimiento• Opciones del Medio

– Cobre– Fibra– Potencia

• Costos

• Tecnología • MTTR• Habilidad de “Bridging/Routing”• Configuración• Diagnósticos

– Red– Nodo

• Entrenamiento• Capacidades de Soporte• Herramientas de Mantenimiento. • Organizaciones rectora

– Consorcio– Compañías

• Estandardización

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Diferenciando las tecnologías de Redes

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• Estrucutra de los Paquetes– Todos los paquetes estan hechos de un encabezado y un grupo de datos.

– El encabezado puede contener información tal como quien esta transmitiendo, que es la data, a donde debería ir, etc.

– El grupo de datos contiene la data que será intercambiada o transmitida• El protocolo en particular que se este utilizando determina que tan

largo es el encabezado y el grupo de datos. – Típicamente un encabezado mas grande se relaciona con una mayor flexibilidad

en la información que puede ser intercambiada.– A mayores requerimientos de información y niveles de red mayor son los

encabezados.

Encabezado DATA

Diferenciando las Redes

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Paquete DeviceNet

• Redes a nivel de dispositivos tienden a tener tamaños pequeños de paquetes con pequeños encabezados y poca cantidad de datos

• El propósito primario es el de transmitir pequeña cantidad de data simple. – Estados “on/off” de una fotocelda– Comandos “on/off” a un variador– Leer la velocidad de un motor

• Para propósitos prácticos los paquetes de DeviceNet tienen: – 5 1/2 bytes de encabezado– 0-8 bytes de data

Redes a nivel de Dispositivos

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Paquete ControlNet

• A nivel de Control las redes tienden a tener tamaños de paquetes medianos tanto en encabezado como en la sección de datos.

• El propósito primario es el de transmitir bloques de datos de una manera eficiente.– Estados “on/off” de muchas fotoceldas conectadas a los chasis de I/O– Lecturas de Termocuplas (temperaturas) de un número determinado de tanques– comunicaciones con chasis remotos de I/O– Una gran cantidad de parametros provenientes de un variador

• Para propósitos prácticos, los paquetes ControlNet tienen:– 13 bytes de encabezado (mínimo)– 0-504 bytes de data

Redes a Nivel de Control

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Paquete EtherNet/IP

• Las redes a nivel de información tienden a tener grades tamaños de paquetes con un gran encabezado y una gran cantidad de datos.

• El propósito primario es la de transmitir una gran cantidad de información de una gran variedad de tipos– Transferencia de archivos– Email– Data de proceso proveniente de un PLC

• Para propósitos prácticos un paquete EtherNet/IP tiene:– 50 bytes encabezado (mínimo)– 22-1478 bytes de datos

Redes de información

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• Ejemplo - Asumir 3 fotoceldas transmitiendo sus estados “on/off”

• Para este caso DeviceNet es la mas eficiente (un gran porcentaje del ancho de banda de la red es utilizado para transmitir data útil).

Si es hecho sobre EtherNet/IP

Nota - EtherNet/IP añadirá un extra en el encabezado del paquete para asegurarse que el paquete cumple con los requerimientos sobre el tamaño mínimo de un paquete que es de 72 bytes. Por consiguiente para transmitir un bit de datos, se necesitan 72 bytes para enviarlo sobre el cable.

Si es hecho sobre DeviceNet

Si es hecho sobre ControlNet

Comparando las diferentes Redes

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• Ejemplo de 3 Fotoceldas continuación …Si es hecho sobre EtherNet/IP



Pregunta: EtherNet/IP y ControlNet tienen una mayor rata de baudio, Acaso importa? Respuesta: La alta rata de baudio puede compensar la poca eficiencia. Sin embargo, DeviceNet es una alternativa para redes mas sencillas y de menor costo que solo necesitan intercomunicarse con un número relativamente bajo ( cerca de 50 o menos) de equipo de campo. Por consiguiente, si DeviceNet puede hacer el trabajo tan bien o mejor que otras redes, entonces DeviceNet es la mejor opción..


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• Ejemplo – Asumir un computador data estadística desde un PLC

• Para este caso EtherNet/IP es la opción mas eficiente. De hecho, si estuviésemos leyendo 850 bytes de información, tomaría mas de 100 paquetes DeviceNet para transmitir toda la información. Y solamente tomaría un paquete EtherNet/IP ó dos paquetes ControlNet.

Si es hecho sobre EtherNet/IP




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• Continuación…Si es hecho sobre EtherNet/IP



Pregunta: Porque es EtherNet/IP mas eficiente? Si pareciera que ControlNet tiene menos cantidad de encabezado. Respuesta: Existen un par de Razones: Primero, La mas alta rata de baudio de Ethernet compensaría la pequeña diferencia entre la cantidad de información transmitida. Sin embargo, la razon principal es que para EtherNet/IP solamente se necesita un paquete par transmitir la información versus los 2 paquetes sobre ControlNet. Desde el punto de vista de transmisión pura pudiese parecer que ControlNet es mas eficiente. Sin embargo, los recursos (poder de procesamiento, búfer de memoria, etc.) que se toma para crear 2 paquetes y enviarlos, es menos eficiente que enviar uno solo.


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Pregunta: Cuando es ControlNet mas eficiente?Respuesta: Cuando un simple paquete de ControlNetpuede transmitir la información que tomaría muchos paquetes DeviceNet.Si es hecho sobre EtherNet/IP




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Algunas redes son muy similares en el tamaño de los paquetes que serán transmitidos. En este caso:

Deberíamos simplemente seleccionar la red que posea una mayor rata de baudio?


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• Existe un mal entendido que una rata de baudio mas rápida hace mas rápida la transmisión sobre la red. Una rata de baudio mas rápida definitivamente ayuda al rendimiento de la red, pero esta rata de baudio por si sola no determina que tan rápido puede ser el intercambio de datos a través de la red. Algunas de las cosas que pueden afectar este intercambio en la red son:– Método de acceso a la red– Habilidad para prioritizar la data– La habilidad de los nodos destinos para manejar los paquetes

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• Método de Acceso a la Red – Existen muchos métodos usados para determinar cuando un nodo puede transmitir sobre la red, tales como, paso de testigo (token passing), escaneo (polling), cambio de estado (COS) y basado en tiempo. Cada método afecta el rendimiento de acuerdo al tamaño de la red y la frecuencia con que cada nodo accesa la red.

• Habilidad para prioritizar la data – En la mayoría de las redes existen datos que son mas importantes que otros al momento de ser transmitidos. La habilidad para identificar este tipo de datos y permitir su transmisión a una alta prioridad sobre los otros mejora el rendimiento de la red.

• Habilidad de los nodos destino para manejar la data – Este punto es subestimado con mucha frecuencia, pero es muy importante. Existen muchos casos donde los datos son transmitidos de A a B, pero los datos permanecens en el bufer de memoria del equipo B por un largo período porque el equipo B esta muy ocupado para manejar la data.


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• La Tecnología frecuentemente determina cual tipo de red es necesaria. Entre los factores que se deben tomar en cuenta tenemos:– Costos– Facilidad y frecuencia de Mantenimiento– Capacidad de los dispositivos para conectarse a la red -

Apertura– Software requerido– Habilidad para de una manera fácil agregar o quitar nodos

de la red


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• Los costos para la compra de una red siempre es un factor mayor a tomar en cuenta. EtherNet/IP y ControlNet tienden a estar muy cerca. Sin embargo existen algunos factores a tomar en cuenta:

– ControlNet requiere la compra de una licencia de RSNetWorx para configurar la red.

– EtherNet/IP requiere equipos activos, tales como switches.

– Para el caso de ControlNet se debe adquirir una tarjeta de comunicación para el computador, mientras que la mayoría de los computadores ya vienen con una tarjeta de red embebida.

EtherNet/IP vs. ControlNet - Costos

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• Para el caso de nuevas instalaciones, en muchos casos el costo total de instalación de EtherNet/IP es menos que Controlnet debido al hecho que la Empresa ya tiene redes ethernet. Una base Instalada reduce los costos y complejidad debido a:

– Se puede usar el hardware y cableado existente– Menos partes de repuestos– Menos entrenamiento para operadores e ingenieros– Se toma ventaja de la experiencia existente en la instalación.– Se pueden utilizar las mismas herramientas de manteniemiento

EtherNet/IP vs. ControlNet – Costo Total

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Para la mayoría de las redes de control tanto EtherNet/IP como ControlNet pueden hacer el trabajo. Sin embargo, dado que el uso de EtherNet/IP puede reducir los costos y la complejidad en muchas instalaciones nuevas, es con frecuencia buena idea empezar con la premisa de usar EtherNet/IP a menos que esta no pueda hacer el trabajo.

Simplemente comenzar con la idea de usar EtherNet/IP, y luego responder las siguientes preguntas para asegurarse que ControlNet no sería la mejor opción.

EtherNet/IP vs. ControlNet

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Soporta EtherNet/IP todos los tipos de dispositivos necesarios para nuestra instalación?

Existen una gran cantidad de equipos que solo son soportados en una u otra red, por lo cual debemos estar seguros que equipos son necesarios en el sistema y su compatibilidad con la red a utilizar.


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Q. Puede EtherNet/IP soportar el rendimiento requerido?

EtherNet/IP tiene una mayor rata de baudio que ControlNet, pero esto no la hace la mas rápida en todos los casos. Para los casos donde se necesita una mezcla de datos de muy rápida y alta prioridad con datos de baja prioridad, los algoritmos de manejos de datos críticos de Controlnet pueden ser mas adecuados para lograr el rendimiento requerido. Por ejemplo si se necesita garantizar data deterministica a una rata muy rápida, tal como 5 ms, ControlNet puede ser la mejor opción.


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Cual es el nivel de experticia del personal de mantenimiento?

En muchos casos EtherNet/IP requiere el uso de sottware o BootP servers (Para configurar la dirección del nodo) para el reemplazo de algún dispositivo en falla. En el caso que algún dispositivo falle a la mitad de la noche, tendrá el personal la capacidad de colocarlo en línea nuevamente? Para el caso de ControlNet, lo que debe hacer el usario es utilizar los switchesrotatorios que se encuentran en el dispositivo para configurar la dirección y luego reemplazar el dispositivo en falla.


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Esta el usuario cómodo con el uso de equipos activos como parte del sistema de cableado de red?

EtherNet/IP utiliza switches como parte de su sistema de cableado. Estos componentes activos pueden fallar e desconectar la red. ControlNet usa dispositivos pasivos (No energizados) para el sistema de cablea. ControlNet también ofrece opciones de redundancia a nivel de cableado.


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Posee el usuario requerimientos especiales tales como redundancia de controladores o equipos intrínsecamente seguros?

Actualmente EtherNet/IP no soporta I/O en racks remotos en configuración redundante. Por otro lado COntrolNet es la red a ser utilizada en sistemas redundantes y posee una variedad de productos que pueden ser utilizados en áreas peligrosas donde se requieran dispositivos intrínsecamente seguros.


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En Muchos casos la respuesta no es obvia sobre cual red utilizar. A veces se toma la decisión de una red porque el operador ya está familiarizado con esa tecnología o por que el cableado ya es existente.

Cuando comparamos ControlNet vs. EtherNet/IP, es bueno pensar que en el caso de que Controlnet ya es existente dentro de la instalación no es bueno comenzar con la premisa de seleccionar ethernet como primera opción.

En los casos en que no sea fácil escoger una red se debe ver a hacia adelante y determinar cual red provee el mejor chance de cumplir con los requerimientos futuros del usuario.

En Resumen

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