Comunicaciones Industriales
Industrial Ethernet
TEMA – Industrial Ethernet
1. – Introducción
1.1 – Localización dentro de las Redes de Comunicaciones Industriales
1.2 – Características Principales
2. – Topologías de Red, Medios de Transmisión y Componentes del Bus
3. – Acceso al Medio
4. – Protocolo de Transporte
5. – Arquitecturas de la Red
6. – Formatos de las Tramas
7. – Servicios de la SEND/RECEIVE
7.1 – Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN
7.2 – Servicio de LECTURA
7.3 – Servicio de ESCRITURA
7.4 – Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN de Datos Expéditos
7.5 – Tipos de Datos
8. – Elementos Simatic: Procesadores de Comunicación
9. – Conclusiones y Mejoras
Índice
Localización de Industrial Ethernet
NivelPlantaNivel
Planta
Tiempo deCiclo de Bus
< 1000 ms
Tiempo deCiclo de Bus
< 1000 ms
NivelProceso
NivelProceso
Tiempo deCiclo de Bus
< 100 ms
Tiempo deCiclo de Bus
< 100 ms
NivelDispositivo
NivelDispositivo
Tiempo deCiclo de Bus
< 10 ms
Tiempo deCiclo de Bus
< 10 ms
Requisitos Especiales sobre Ethernet en Automatización Industrial
Instalaciónválida en ámbito
Industrial
Ingeniería de toda la planta
Alta disponibilidad
Rápidostiempos
de reacción
Eficiente diagnóstico de
red y de dispositivo
Protecciónde acceso
configurable
Aplicaciones de seguridad
Integraciónen las plantas
existentes
AutomatizaciónIndustrial
Sistema de Automatización Integral – TIA
ControladoresSIMATIC
SIEMENS
SIMATIC
SFRUNSTOP
Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5
I0.0I0.1I0.2I0.3I0.4I0.5
I0.6I0.7
S7-200
CPU 212
SIMATIC PGSIMATIC PC
PG 740
SIEMENS
7 8 9
4 5 6
1 2 3
0
.D E F
A B C I N S
D E LS H IF T H E L P
E S C
E N T E R
A C K
S IMA T IC O P 17
S H I F T
H EL PK1 K 5 K 6 K7 K 8K 2 K 3 K 4
K9 K 10 K 11 K 1 2 K 13 K1 4 K 1 5 K16
SIMATIC HMI
ASIFM
SV
SIMATIC DP
PROFIBUS-DP
Industrial Ethernet
PROFIBUS
MPI - NetworkSIMATIC NET
Comunicaciones Ethernet en Simatic
STEP7
TD/OP
1 2
3
5
64
PCInternetExplorer
3rd parte3rd parte7
PG/STEP7
1Ingeniería/Puesta en marcha/ Servicio
Específico S7
2Visualización con TD/OP/OS
Específico S7 y PROFINET
3
4
5
6
7
Intercambio de datos entre dispositivos inteligentes
Específico S7 y PROFINETComunicación S7
IO DistribuidasPROFInet IO
Acceso remoto vía navegador WEB
Estándares IT y PROFINET
Conexión a supervisión/MESOPC, Softnet
OPC, SoftnetSocket TCP/IP
¿Dónde se emplea la Industrial Ethernet?
Grandes cantidades de datos: Intercambio de grandes cantidades de datos (en el entorno de Megabytes)
Grandes distancias: Posibilidad de grandes distancias entre dispositivos
Múltiples tipos de dispositivos: Comunicación entre aparatos de ingeniería, ordenadores y dispositivos de control
Múltiples tipos de comunicaciones: Permite una interconexión entre la oficina técnica y el mundo de la automatización
Panorámica
Red que cumple con los estándares internacionales (IEEE 802.3) válida para todos los campos en la automatización de la producciónProcedimiento de acceso CSMA/CD según IEEE 802.3 (Ethernet)Velocidad de transmisión 10/100/1000 Mbit/sGran número de participantesDesde hace mas de 10 años es el estándar para redes de célulaen el mundoDiferentes medios de transmisión (eléctrico, óptico, inalámbrico)Componentes para estructurar y segmentar la red (repetidores/concentradores de estrella activos, puentes/switch, router)
Ventajas que Ofrece Industrial Ethernet
Red de fábrica de gran potencia para el nivel de célulaAltas prestaciones aún en el caso de existir muchos participantes y grandes distancias
Amplia superficie de cobertura y alcanza grandes distanciasMediante la combinación de las técnicas eléctrica y óptica
Transferencia de datos seguraAún en el caso de la existencia de perturbaciones electromagnéticas mediante componentes idóneos para la industria
Ahorro de costesMediante una disminución de los costes de montaje y cableado
Líder universal dentro de las redes industrialesEthernet Industrial ha mostrado su eficacia en miles de instalaciones
Coexistencia entre protocolos/aplicaciones sobre EthernetTCP/IP...
Funciones Adicionales que Ofrece Industrial Ethernet
Alta disponibilidad(Concepto de redundancia)
Testeo y diagnosis
Programación a distancia
Administración de la red(SNMP)
Acceso al mundo del PC y de las WS
Gran inmunidada EMV Robusta
mecánicamente
Datos Técnicos
Estándar Ethernet según IEEE 802.3/ISO 8802.3
Modo de acceso CSMA/CD (carrier sense multipleaccess/collision detection)
Velocidad de trans. 10/100/1000 MBit/seg.
Medio de transmisión Eléctrico: Par trenzadoÓptico: Fibra ópticaInalámbrico
Máx. nº participantes (1.024)
Distancia de red Eléctrica: máx. aprox. 1,5 KmÓptica: máx. aprox. 4,3 Km
Topología Lineal, árbol, estrella, anillo redundante
Aplicaciones Redes de célula y de gestión
Problemas de Ethernet para la Industria
Sistema no determinísticoAmbiente industrial
Golpes y vibraciones
Temperatura
Ambientes Corrosivos
Etc.
• Solución al indeterminismo:– Switching– Priority Switching
(IEEE 802.1P, IEEE 802.1Q)
Switching: Conmutadores
LAN D
LAN C
LAN B
LAN A
Equipo Equipo Equipo EquipoEquipo Equipo Equipo
Control Control
SwitchingPreviene colisiones
Transmisión de datos full duplex / paralelo
Quality of Service QoS (prioridad de telegramas de tiempo real)
Amplía la comunicación directa entre los segmentos Ethernetque se decidan
Amplía el nivel de datos que circula por la red
Switching: Conmutadores
Cut-ThroughEnvío entre puertos antes de recoger toda la trama
Store and ForwardRecogida, almacenamiento, tratamiento y envío de tramas
Comunicación RT (Cut-Through optimizado)
Comunicación TCP/IP (Store and Forward)
Se puede usar cualquier topología: anillo, estrella, árbol, linealTípicamente el nivel de campo requiere una estructura lineal con ramas
La red se puede ajustar a la máquina de manera óptima
También se soporta estructuras de anillo redundante
Topologías de Red
Lineal
Estrella
Anillo
Componentes del Bus: Medios de Transmisión
Redes eléctricas: cable de par trenzado (TP)
Cable de 4 hilos trenzados por pares
Especialmente seguro ante interferencias (doble apantallamiento)
Costes favorables en el cableado
Estructuras en estrella y lineales
Redes ópticas: Cable de fibra óptica (OF)
Estructuras en linea, en estrella o en anillo con elevados alcances
No existe la posibilidad de interferencias debidas a perturbaciones EMV
Alta disponibilidad mediante arquitecturas redundantes (anillos)
Cableado Par TrenzadoPar trenzado conforme a IEC 11801/61156Versión híbrida (datos+energía)Máxima long. del cable 100 mConector IP20 – RJ45 diseñado para entorno de oficinaConector IP65 – M12 –Compatible con IP20
Medio de Transmisión: Par Trenzado
Red ópticaSeparación de potencialInmune a interferencias electromagnéticasSeguro ante escuchasGrandes distancias (Multimodo: 4,5 km; Monomodo: 42 km)
Diseño de redes redundantes
Cable Fibra OpticaCables de fibra óptica de vidrio conforme a IEC 60793 / 60794Cables de fibra óptica de plásticoConector de bayoneta y de inserción-extracción
Medio de Transmisión: Fibra Óptica
Cable de fibra óptica
Componentes del Bus: Conmutadores
Scalance X-200Utilización en un anillo redundante
Gestión de redes y diagnóstico
Integración en la ingeniería existente
Scalance X005switch no gestionado
Diagnóstico en el dispositivo
Scalance X-400Sistema modular
Acoplamiento redundante de anillos Gigabit
Integración en redes corporativas
Protocolo de Transporte, TCP ó ISO
ISO
Norma ISO 8073 (Clase 4)optimizado para la
transferencia de variablesp.e. servicio y observación
TCP/IP
Estándar de-factooptimizado para la transferenciade grandes cantidades de datos
p.e. ficheros o recetas
Protocolos de Usuario para Industrial Ethernet
PC/PGPC/PG
SEND/RECEIVE Comunicaciones S7TCP/IP Nativo
EthernetIndustrial
SIMATIC S5 SIMATIC S7SIMATIC S5 SIMATIC S7
PC/PG
Pila de Protocolos para Industrial Ethernet
Servicios de comunicación simple basados en TCP/IP (C) para intercambio de datos con dispositivos con TCP/IP.
TCP/IP nativoC
Servicios de comunicación basados en el interfaz de transporte ISO para intercambio de datos con dispositivos S5 y S7. Con TCP/IP, es necesario un adaptador (RFC 1006). Esto hace un interfaz uniforme send/receive para TCP/IP (B) e ISO (D).
Comunicación compatible S5 (Send/Receive)
B,D
Interfaz de usuario uniforme para TCP/IP (A) e ISO (E) empleando funciones S7
Comunicaciones S7A,E
DescripciónProtocoloSímbolo
Protocolos y Dispositivos para SIMATIC NET Industrial Ethernet
Adaptador PC Ethernet
CP 1613
CP 343-1
CP 443-1
Servicios de comunicación sencillos basados en TCP/IP para el intercambio de datos con cualquier dispositivo que soporta el protocolo TCP/IP.
TCP/IP nativo
CP 1613
CP 343-1
CP 443-1
Servicios de comunicación basados en el protocolo de transporte (ISO 8073 o TCP/IP con RFC 1006) para el intercambio de datos con dispositivos S7 o S5.
Comunicación compatible S5 (Send/Receive)
CP 1613
CP 343-1
CP 443-1
Comunicaciones integradas y optimizadas de los sistemas S7/C7 para amplio rango de aplicaciones (ISO 8073 o TCP/IP con RFC 1006).
Comunicaciones S7
DispositivoDescripciónProtocolo
Formatos de las Tramas
Trama Ethernet (máximo 1526 bytes)
SFDPreámbulo MACDirección Destino
MACDirección Origen Long. Datos FCS
18 6 6 246-1500
4Bytes
DSA
PSSA
P Ctrl
1 1 2
≈≈
Campos InicialesLSAP Destino (1byte): valor 0xFE
LSAP Fuente (1byte): valor 0xFE
Control (2bytes): valor 0x0300
TPDU´s de Transporte – ISO 8073
Petición de conexión (CR)
Confirmación de la conexión (CC)
Reconocimiento (AK)
Datos (DT)
Petición de desconexión (DR)
Confirmación de la desconexión (DC)
Datos expeditos (ED)
Reconocimiento de datos expeditos (EA)
Servicios SEND/RECEIVE
Servicios Confirmados
Envío/ Recepción
Lectura
Escritura
Servicios no Confirmados
Datagrama
Multicast
Broadcast
API 1 API 2
( lazo de repetición )
DT con sólo datos y última
1. Envío de datos desde el API 1al API 2
DT con sólo datos
2. Envío de “1”, si se transmitendatos con diferente secuencia
3. Envío de datos finales
Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN
API 1 API 2
DT con cabecera REQ S5 (DB, MB, T, Z, etc)
DT con cabecera ACK S5, con código de error
DT con cabecera ACK S5 sin error + datos
DT con sólo datos
( lazo de repetición )
DT con sólo datos y última
1. Solicitud de datos desde el API 1al API 2
2. Reconocimiento negativo con número de error
Reconocimiento positivo
3. Recepción de los datos solicitados
4. Recepción del 3, si se transmitendatos con diferente secuencia
5. Recepción de datos finales
Servicio de LECTURA (I)
OPEN OPEN
RETURN RETURN
CON. REQU CON. AWAITCONNEC. REQUEST
CONNEC. CONFIRMRETURN RETURN
ACK, con crédito 2
ACK, sin crédito 1
ACK, sin crédito 1
ACK, con crédito 2
ACK, sin crédito 2ACK, sin crédito 1
EnableFETCH-HDB
Ritmo aproximadode 1seg.
RECEIVEbuffer 16 by
fase deconexión
fase de mantenimiento
indicateconnectionestablished
PLC1 CP 1 INA 1 CABLE INA 2 CP 2 PLC 2
Servicio de LECTURA (II)
ACK, sin crédito 1
PLC1 CP 1 INA 1 CABLE INA 2 CP 2 PLC 2
ACK, con crédito 2FETCH DIRParámetros
fuente+destinoSEND
PDU solici. READcon paráme. fuente RETURN flag del
SEND ALLSEND ALL
fase deintercambio
de datosACK, sin crédito 2RETURN
RECEIVE SEND ACK, con crédito 1
PDU reconocimientoREAD mas datos
RETURN
RETURN
flag delRECEIVE ALL
RECEIVE ALL
palabra de estado
RESETCLOSE
DISCONNECTREQUEST
DISCONNECTCONFIRM
fase dedesconexión
RETURNglag de estado
Datos
DatosDatos
Servicio de LECTURA (III)
Solicitud Reconocimiento Byte Significado Valor Significado Valor 0 Identificador del sistema "S" Identificador del sistema "S" 1 Identificador del sistema "5" Identificador del sistema "5" 2 Longitud de la cabecera 16 Longitud de la cabecera 16 3 Identificador código
operación 01 Identificador código
operación 01
4 Longitud código operación
03 Longitud código operación
03
5 Código de operación 05 Código de operación 06 6 Bloque origen 03 Bloque reconocimiento 0F 7 Longitud del bloque de
origen 08 Longitud del bloque de
reconocimiento 03
8 Identificador del origen variable Número de error Nr 9 Número del bloque de
datos variable Campo vacío FF
A Dirección de comienzo. Parte alta
variable Longitud del campo vacío
07
B Dirección de comienzo. Parte baja
variable Libre
C Longitud de datos. Parte alta
variable Libre
D Longitud de datos. Parte baja
variable Libre
E Campo vacío FF Libre F Longitud del campo
vacío 02 Libre
10 A partir de esta dirección datos de usuario hasta 64 bytes
Cabeceras de solicitud y reconocimiento de LECTURA
Área S5 DB MB EB AB PB Z Identificador
origen 01H 02H 03H 04H 05H 06H
Descripción Zona de datos (DB)
Zona de marcas
Zona de imagen de entradas
Zona de imagen de
salidas
Zona de periferia
Zona de contadores
DBNR
Rango
Número del DB 1.... 255
Irrelevante Irrelevante Irrelevante Irrelevante Irrelevante
Dirección de
comienzo Rango
Número de DW
1... 2047
Byte de marcas
0.... 255
Byte de entradas
0....127
Byte de salidas
0.... 127
Byte de periferia
0....127
Número de contador
0.... 255
Longitud
Rango
Cantidad de datos en DW
1.... 2048
Cantidad de datos en bytes
1.... 256
Cantidad de datos en bytes
1...128
Cantidad de datos en bytes
1...128
Cantidad de datos en bytes
1... 256
Cantidad de datos en DW
1....256
Tipos de Datos (I)
Área S5 T RS AS DX DE OB Identificador
origen 07H 08H 09H 0AH 10H 11H
Descripción Zona de temporiza-
dores
Zona de datos del sistema
Direccio-nes
absolutas de
memoria
En DB extendido
En un DB en
memoria externa
Zona de módulos de E/S externa
DBNR
Rango
Irrelevante Irrelevante Irrelevante Número del DX 1.... 255
Número del DB 1.... 255
Irrelevante
Dirección de
comienzo
Rango
Número de temporiza-
dor
1... 255
Número de DW del sistema
0.... 511
Dirección absoluta
de comienzo 0....FFFF
Número de DW
1... 2047
Número de DW
0.....255
Número de byte de
periferia
0.... 511 Longitud
Rango
Cantidad de datos en DW
1.... 256
Cantidad de datos en bytes
1....128
Cantidad de datos en DW
1...32767
Cantidad de datos en DW
1...2048
Cantidad de datos en DW
1... 2048
Cantidad de datos en bytes
1....256
Tipos de Datos (II)
API 1 API 2
DT con cabecera REQ S5 (DB, MB, etc)+datos
DT con cabecera ACK S5, con código de error
DT con cabecera ACK S5 sin error
DT con sólo datos
( lazo de repetición )
DT con sólo datos y última
1. Envío de datos desde el API 1al API 2
2. Reconocimiento negativo con número de error
6. Reconocimiento positivo
3. Envío de datos
4. Envío del 3, si se transmitendatos con diferente secuencia
5. Envío de datos finales
Servicio de ESCRITURA
Solicitud Reconocimiento Byte Significado Valor Significado Valor 0 Identificador del sistema "S" Identificador del sistema "S" 1 Identificador del sistema "5" Identificador del sistema "5" 2 Longitud de la cabecera 16 Longitud de la cabecera 16 3 Identificador código
operación 01 Identificador código
operación 01
4 Longitud códigooperación
03 Longitud códigooperación
03
5 Código de operación 03 Código de operación 04 6 Bloque origen 03 Bloque reconocimiento 0F 7 Longitud del bloque de
origen 08 Longitud del bloque de
reconocimiento 03
8 Identificador del origen variable Número de error Nr 9 Número del bloque de
datos variable Campo vacío FF
A Dirección de comienzo.Parte alta
variable Longitud del campovacío
07
B Dirección de comienzo.Parte baja
variable Libre
C Longitud de datos. Partealta
variable Libre
D Longitud de datos. Partebaja
variable Libre
E Campo vacío FF Libre F Longitud del campo
vacío 02 Libre
10 A partir de estadirección datos deusuario de hasta 64 bytes
Cabeceras de Solicitud y Reconocimiento de ESCRITURA
API 1 API 21. Envío de datos desde el API 1
al API 2ED con sólo datos
Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN de Datos Expéditos
SIMATIC S7: CP 343-1 Advanced
Formato: Formato S7-300, doble anchoProtocolo: SEND-RECEIVE, funciones S7, PROFInet, ITInterfase: TP (par trenzado)Parametriz.: S7 para Ethernet IndustrialConectable a: S7-300
SIMATIC S7: CP 443-1 Advanced
Formato: Formato S7-400Protocolo: SEND-RECEIVE, funciones S7, PROFInet, ITInterfase: TP (par trenzado)
Switch de 4 puertosParametriz.: S7 para Ethernet IndustrialConectable a: S7-400
PC/PG: SIMATIC NET CP 1613 A2
Formato: Formato corto, PCI
Protocolo: Protocolos de transporte ISO y TCP/IP integrados. Servicios de comunicación a través de comunicación PG/OP, S7 o comunicación compatible S5
(SEND/RECEIVE).
Conexiones: Hasta 80
Sist. Operat: Windows XP, Linux
Particularid.: Microprocesador integrado
OPC como interfaz estándar