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CONCEPTOS BASICOS DE CONCEPTOS BASICOS DE COMUNICACIONES COMUNICACIONES INDUS INDUSTRIALES TRIALES
Fabiana Fer reira
Laborator io de Electrónica Industr ial Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
CURSO CURSO
2
Índice del curso
Utilización de redes de comunicaciones industr iales
Conclusiones
Protocolos y per files OSI
Componentes de sistemas de control industr ial en red
Conceptos básicos de comunicaciones inalámbr icas y TCP/IP industr iales
UTILIZACION DE REDES DE UTILIZACION DE REDES DE COMUNICACIONES COMUNICACIONES INDUS INDUSTRIALES TRIALES
Fabiana Fer reira
Laborator io de Electrónica Industr ial Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
4
Red industr ial Red de tiempo real utilizada en un sistema de producción para conectar
distintos procesos de aplicación con el propósito de asegurar la explotación de la instalación (comando, supervisión, mantenimiento y gestión)
Sistema de comunicación que provee servicios bajo restricciones temporales y está constituido por protocolos capaces de gestionar estas restr icciones § Garantiza que las restricciones de tiempo serán respetadas con cierta probabilidad
Adaptados al usuario Predeterminado Servicios
Aleatorio Determinístico Tráfico
Personas Procesos Usuar io
Red de empresa Red Industr ial
generales Según aplicación Método de comunicación
No crítico Crítico Tiempo de respuesta
Todos los usuarios Predeterminada Simultaneidad
5
Necesidades § Un proceso se realiza en dos
estaciones separadas 500 m
§ Para completar un lazo PID, se requiere un dato de un sensor distante.
• Un supervisor debe cambiar parámetros de los controladores
• Los actuadores y sensores están distribuidos en centenas de metros.
• Red de controladores
• Red de supervisión
• Red de campo
• Red de campo + control distr ibuido
CONTROL ACTUADOR PROCESO
MEDICION
SP e
m
VC
A/D
D/A Algoritmo de control
CONTROLADOR DIGITAL
Alg. de Control
Alg. de control
6
Jerarquía de redes
7
Clasificación de redes
Red de celda o red intermediar ia: § 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 fábr ica: § 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:
ü Dispositivos de campo: captadores, actuadores, Elementos HMI ü Equipos que soportan procesos de aplicación: controladores (PLC, CPU de DCS, CN, Robot), Computadoras, Sistemas HMI
8
Las redes industr iales en el control de procesos La solución tradicional
R e d
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
La solución distr ibuida
B u s d e c a m p o
R e d d e s u p e r v i s i ó n
C o n tr o l a d o r
T A A T T A T
C o n tr o l a d o r
S u p e r v i s o r
9
Clasificación de buses de campo
FIELDBUS
DEVICEBUS
Tipo de datos
Funciones
Bit Byte Paquetes
SENSORBUS
Ctrl Lógico
Ctrl. de Procesos
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, DeviceNet, 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
Plant
Smart Device C
ontrolNet
InterbusS
PROFIBUS DP
DeviceN
et
SDS
SensoP
lex
ASi
Seriplex
Impacc
Sensor Bus Device Bus Field Bus Control Bus
PROFIBUS FMS
Modbus + / D
H+
Block I/ O
FOUNDATION Fieldbu
s
World FIP
ECHELO
N
PROFIBUS PA
Process Unit
Bit I/ O
Buses de campo
11
Histor ia • fin de los 70´s – Pr imeras Redes
industr iales propietar ias § Entre controladores ü PLC( ModbusMODICON), DCS: WPDF (Westinghouse)
§ Ppara resolver problemas de heterogeinedad ü LAC, FACTOR, MAP
• 80´s : redes propietar ias PLC – ü Telway Unitelway (Telemecanique), Data Highway (Allen Bradley), Sinec (Siemens ), Tiway( Texas )
• 1982 Se crea grupo de tr abajo en Francia para obtener un bus industr ial único § especificación FIP ( Factory
Instrumentation Protocol) • 1983 Comienza PNET ( Dinamarca) • 1984Especificación 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
Normalización • Normas Internacionales
§ 1985 Formación Comités: ISA SP50, IEC TC65/SC65C
§ Objetivo : “Crear un único standard fieldbus”
• Normas Nacionales Europeas § 1990 DS21906 ( Dinamarca): P
Net § 1990 DIN 194251 a 3
(Alemania): Profibus § 1991 AFNOR ( Francia) : FIP § BS (Gran Bretaña):
FOUNDATION
CENELEC ( TC65CX) y CEN TC 310
• Aparece en 1996 la norma EN 50170 compuesta por un conjunto de per files sin compatibilidad entre sí: § Parte 1: PNet § Parte 2: Profibus § Parte 3: FIP § Parte 4: FOUNDATION (BS).
Rechazada en 1997 • EN 50254 § “High Efficiency
Communications Subsystems for small Data packets”
§ Incluye: ASi, Interbus, Profibus DP, DWF ( Device World FIP)
13
Normas IEC Fieldbus IEC TC65/SC65C/WG6
• 1993 Norma IEC 11582 Capa Física • 1996 IEC 61158 1 Draft de DLL(FIP) Rechazado 12/96 • 3/1998Draft DLL aprobado ( similar a ISA TR50.02 par tes 3 y 4) • 1999 a 2000 Se terminan de aprobar las restantes par tes
• IEC 611581, Introduction • IEC 611582, Physical Layer
Specification and Service definition • IEC 611583, Data Link Service
Definition • IEC 611584, Data Link Protocol
Specification • IEC 611585, Application Layer
protocol Specification • IEC 61784, Profile Sets for
Continuos and discrete manufactur ing
• Tipos norma IEC: § 1 FOUNDATION Fieldbus § 2ControlNet ( ControlNet, Ethernet/IP) § 3 Profibus (DP y FMS) § 4 PNET (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, reduced
6/2)
14
Consorcios y organizaciones Problemas en normalización ===> especificaciones de distintos proyectos: •Fieldbus Foundation •ISP : Interoperable System Project ( desaparecido) •PTO: Profibus Trade Organisation •ODVA: Open Device Net Vendor Association •Wor ld FIP.Organisation......Etc.
ASi CANbus DeviceNet FIPIO PNet
LonWorks InterBusS BACnet
Wor ldFIP PROFIBUS
FOUNDATION Fieldbus Control – Net SwiftNet HART Modbus
15
Clasificación por dominio de aplicación
Procesos continuos
Gestión de edificios (domótica)
Industr ias manufactureras
Sistemas embarcados
Transpor te de energía y fluidos
Sistemas de comunicación
16
Requisitos para un bus de campo Transmitir datos per iódicos antes que
vuelvan a ser muestreados
Transmitir datos aper iódicos dentro de un tiempo acotado
Transpor tar pequeños paquetes de información en un tiempo acotado
Muestrear en forma simultanea y per iódica cier ta cantidad de entradas
Indicar si los valores adquir idos están dentro del er ror aceptable para el intervalo de muestreo ( consistencia temporal )
Proveer medios para conocer el orden en que se produjeron eventos esporádicos
Permitir tr ansmisiones punto a punto y multipunto
Resistir inter ferencia , vibraciones, etc.
Bajo costo en todo el ciclo de vida de la aplicación
PROTOCOLOS Y PROTOCOLOS Y PERFILES OSI PERFILES OSI
Fabiana Fer reira
Laborator io de Electrónica Industr ial Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
18
Modelo OSI (Open System Interconnection Open System Interconnection )
ISO 7498 ,1984 Es un modelo para las normas de interconexión y cooperación de sistemas
abiertos . Sistema abier to • comunicación entre
equipos de tipos y/o constructores diferentes
• Reglas de comunicación son públicas
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física Medio Físico
AP AP
• Cada capa cor responde a un tipo de problema
• Dos Tipos de capas : § Capas 1 a 4: Transporte
de la información § Capas 5 a 7 : Servicios
de acceso
19
Pasaje de datos entre capas
20
Capa Física (PhL) • Asegura la transmisión de bits y la interfase entre el soporte de transmisión y el DTE • Especifica las reglas de funcionamiento y procedimiento del circuito de datos (mecánicas , eléctricas ,
ópticas) • Ej: RS232/ RS485 /X21
Capas infer iores
Capa Enlace de Datos (DLL) • Soluciona (detecta y corrige) los errores de transmisión generados en el circuito de datos. • Establece conexiones lógicas entre entidades que desean intercambiar datos
Capa de Red (NL) • Asegura la búsqueda de un camino y el encaminamiento de los datos entre las estaciones terminales
de una red mallada. • Control de la subred y ruteo de mensajes. • Ej. : X25/IP
Capa de Transpor te (TL) • Garantiza el despacho ordenado de mensajes (sin errores ni duplicación)
§ Corta mensajes muy largos § Junta los mensajes fragmentados
• ISO define 5 clases de protocolos de transporte
21
Capas super iores
Capa Presentación • Enmascara ( para entidades AP) las particularidades debidas a código , sintaxis, o
representación de informaciones. • Permite traducir los datos de la AP a un formato y sintaxis standard.
Capa Sesión (SL) • Sincroniza y organiza el diálogo entre abonados. • Realiza la delimitación, reagrupamiento, y sincronización de datos intercambiados
entre entidades “presentación”. • Permite a la capa presentación suspender y retomar intercambios a partir de “puntos de
retoma”
Capa Aplicación (AL) • Ofrece al usuario los medios que le permiten acceder al entorno OSI • Ofrece servicios de interés general a todo tipo de AP. • Arquitectura definida en ISO 9545 • Diferentes entidades según campo de aplicación (gestión, industrial, documentos, etc.)
22
Arquitectura IEEE 802
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
MAC LLC
Física
Capa Superior
LLC
MAC
PHY
Cable de Conexión
Conectores MEDIO
• Adaptación del modelo OSI para LAN´s.
• Divide capas 1,2 y 3 en: § Dos subcapas § Una capa
• Da el conjunto de normas para las 3 capas
PHY (Physical Signalling Layer)
• Asegura: § Emisión /recepción de
bits § Codificación de
señales binarias § Reconocimiento de
préambulos y delimitadores de trama
• Utiliza un “physical medium attachment” para acceder al medio
Medium Access Control (MAC)
• Reglamenta el acceso al sopor te 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
23
Normas IEEE 802.
24
Arquitectura OSI para redes industr iales
MAC LLC
Física
Aplicación • Arquitecturas reducidas del modelo OSI : se
“cor tocircuitan” capas § Capa física:imprescindible § Capa DLL: imprescindible ( MAC) § Capa red: sólo si hay sub redes § Capa transporte: si hay capa red § Capa sesión: sólo para gran cant. de Info § Capa presentación: se reemplaza por la
configuración § Capa aplicación: siempre es necesaria
• Redes industr iales : Sólo capas 1,2 y 7
25
Protocolo
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física Medio Físico
AP AP
Protocolo ( de nivel N) • Conjunto de reglas de codificación, cooperación e intercambio entre dos o más entidades del nivel N
para suministrar los servicios N
Protocolo n 7
Protocolo n 6
Protocolo n 5
Protocolo n 4
Protocolo n 3
Protocolo n 2
Protocolo n 1
Unidad de datos de protocolo PDU(N)
• Bloque de informaciones intercambiadas entre entre dos o más unidades de nivel N
• PDU niveles 1 y 2 tr amas • PDU nivel 3 paquetes • PDU nivel >4 Mensajes
PERFIL Es un conjunto preseleccionado de
servicios y protocolos organizados en capas según
modelo OSI Dos equipos son comunicables si
tienen igual per fil: § todas sus capas ofrecen los mismos servicios y protocolos
26
Caracter ización de RLI
§ Tamaño de los mensajes
§ Nivel de segur idad requer ido
§ Per iodicidad de la info
§ Reglas de emisión
§ Tipo de transmisión (pto a pto?)
§ Restr icciones temporales
Criter ios de caracter ización
§ Servicios aplicativos § Tipo de intercambio de datos § Aspectos físicos § Definiciones para cada una
de las capas OSI: üAcceso al medio ü Capa Enlace
– Con o sin conexión – Tipo ACK
Ejemplos de aplicación RLI
§ Un proceso se r ealiza en dos estaciones separadas 500 m
§ Para completar un lazo PID, se requiere un dato de un sensor distante.
• Un supervisor debe cambiar parámetros de los controladores
• Los actuadores y sensores están distr ibuidos en centenas de metros.
27
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
28
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
29
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 var iable
Cliente
Cliente
Serv.
Serv.
Enviar dato A
A= 25
30
Cliente servidor
Pros • Es un modelo general • Implementa gran cantidad
de servicios • Permite mecanismos de
control del intercambio (ACK)
Contras • El tiempo de respuesta no está
predefinido • No simultaneidad: § Si un servidor recibe dos pedidos
de dos clientes distintos los trata en secuencia
§ Si un cliente debe demandar a dos servidores lo hace en secuencia.
31
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
Monitoreo RPM Variador
32
Productor consumidor
Pros • No requiere indicación de fuente o
destino • Permite la gestión del tiempo • Mecanismo de eliminación de valores
viejos al llegar los nuevos • Coherencia temporal
Contras • Solo incluye servicio de
difusión • El dato se emite aunque no se
necesite • No incluye mecanismos de
control
ProductorDistr ibuidor Consumidor (PDC) • Tres tipos de procesos ( independientes o coordinados): § Productor : produce localmente el valor del objeto § Consumidor : recopia el valor or iginal en un valor local § Distr ibuidor : desencadena la tr ansferencia y la recepción
33
Comparación CS y PDC
Cliente servidor § Implementa diversos servicios
§ Bipunto
§ No simultaneidad
§ Variación de los datos
§ Se intercambia sólo lo que es necesario
PDC § Sólo está definido para datos
§ Multipunto
§ Simultaneidad § Uniformidad de los datos § Se pueden intercambiar datos
no necesarios
34
Master Slave
Maestro
I/O RPM Motor
Maestro
I/O RPM Motor
Maestro
I/O RPM Motor
35
Intercambio de datos
• Cíclico • Datos se difunden en el bus
según un tiempo configurado (periódico)
• puede ser usado en productor/consumidor
• Mecanismos de scheduling
Por requisitor ia • Acíclico • Tipo cliente servidor
Dir igido a eventos • Los datos se emiten cuando
hay cambio de estado. • Necesita chequeo de la de
presencia de los dispositivos
cada 1000 ms cada 250 ms
I/O 1 I/O 2 I/O 3 cada 25 ms
Arbitrador
CPU
I/O 1 I/O 2 I/O 3
36
Mecanismos de Acesso al Medio (MAC)
Determinísticos • Se sabe exactamente
cuando le toca acceder a cada estación § pasaje de token § TDMA (Time Division
Multiple Access)
Ventaja: § se conocen los
tiempos de respuesta
De Acceso aleatorio • Cada estación accede
al medio cuando necesita transmitir § CSMA (Carrier Sense
Multiple Acces)
Ventaja: • Velocidad de respuesta
37
CSMA Car r ier 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
• CSMACD (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
• CSMACA (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
38
Pasaje de Token • Solo la estación con el token envia mensajes (t max )
• no per iódico • Problemas: § pérdida de token § mensajes urgentes
• Ej: IEEE 802.4 (bus) e IEEE 802.5 (r ing)
ST2 ST4
ST1 T
T T
• TDMA (Time Division Multiple Acces) • token Passing implícito • Basado en un ciclo repetitivo y
fijo§ NUT ( Network Update Time)
• Cada nodo accede al medio en orden secuencial definido por su MAC ID
39
Subcapa LLC
• Formación de bloques § Subdividir una corriente de bits § Inserción de campos ü Inicio y fin de trama
• Control de Flujo § Proceso que controla la tasa a que
los datos son intercambiados § En el caso de nodos emisor y
destino con diferente carga o de diferente velocidad • Control de er rores
§ Corrección de error por retransmisión
§ Corrección de error autónoma
40
Control de flujo
Funciones • Organiza y selecciona los
caminos para no saturar el sistema
• Limita la cantidad de información en la red (velocidad de informaciones transmitidas)
• Prevé los recursos necesarios en el receptor ( tamaño buffer de recepción)
Aplicación a RLI • No tiene sentido pues hay un solo
camino
• Si el tráfico está identificado no tiene sentido porque el dato i+1 reemplaza al i
41
Reconocimiento (ACK) • Sólo para protocolos de
nivel 2 y 4 § Stop and wait : Se espera
un ACK desde que se transmite un PDU üACK+: Se transmite otro PDU üACK – o no llega ACK: se repite el PDU hasta un nro máximo de repeticiones
§ Go. BackN: el emisor emite varias PDU ( hasta su crédito de emisión) hasta esperar ACK
§ Repetición selectiva
Go backN
Repetición selectiva
42
Conexión
• Conexión= canal lógico de nivel N por el que pasan los PDU (N) § Puede haber conexión en cada nivel del OSI ( NConnection) § El establecimiento de la conexión se negocia entr e las dos Nentidades § 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 cier tos parámetros (ej. Tamaño máx de datos) § Asegura el control de flujo
• Fases de una conexión § Establecimiento de la conexión: Transmisión de un PDU de
aper tura/Recepción de la r espuesta/Negociación de parámetros Si una de las entidades no se puede comunicar la conexión fracasa
§ Transferencia de datos § Fin de la conexión
43
Conexión TCP
(a) Normal operation, (b) Old CONNECTION REQUEST appearing out of nowhere.
44
Cier re de conexión TCP
(a) Normal case of a threeway handshake. (b) final ACK lost.
45
Tipos de LLC
Si No LLC3
Si Si Si LLC2
No No No LLC1
CONTROL DE FLUJO
ACK CONEXIÓN
COMPONENTES DE SISTEMAS COMPONENTES DE SISTEMAS DE CONTROL INDUSTRIAL EN DE CONTROL INDUSTRIAL EN
RED RED
Fabiana Fer reira
Laborator io de Electrónica Industr ial Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
47
Componentes de NCS
PRO CESO
HMI
Sensor nodos
emisores RED
AP CP
AP CP
AP CP
1
2
3
3 2 1
1 2
1 3
CP AP
CP AP
P R O C
nodos receptores Actuador
48
Tiempo de respuesta de NCS • Tiempo desde que se produce un cambio en una señal
física (sensor) hasta que se produce la acción de respuesta a ese cambio (actuador )
tin tapi tcpi tacc ttrans tout tcpi tapi
tin: demora física en la adquisición del dato tapi: demora en el proceso aplicación del nodo emisor tcpi: demora en el proceso de comunicación del nodo emisor tacc: demora producida en el acceso al medio ttrans: demora en la transmisión tcpo: demora en el proceso de comunicación del nodo receptor tapo: demora en el proceso aplicación del nodo receptor tout: demora física en la actuación
49
Componentes de sistemas automatizados con PLC
Memory
Processor (CPU)
Inputs
Outputs
Communication Inter faces
Sensors Actuators
Power source
Program Other Processes HMI Adjust Field
devices
50
Ciclo de Scan del PLC
Input acquisition
Program
execution
Exchange with intelligent modules
Output actualisation
Diagnostic and system tasks
51
Aplicación con entradas y salidas cableadas a un PLC
PRO
CESO
Sensor
AP
PLC
AP I O
AP
Actuador
52
Aplicación con entradas y salidas en red
PRO
CESS
Sensor
AP
AP
Actuator
CP
CP
PLC
network AP CP
53
Mecanismos de Schedulling (escalonamiento/agendabilidad)
• Escalonar en el tiempo las diferentes tareas para que no se superpongan .
• A cada tarea per iódica se le asigna un tiempo de inicio contado a par tir de un instante inicial
• Puede ser a nivel de los distintos procesadores aplicación o a nivel de los procesadores de comunicación
• Requieren de una sincronización y se deben cargar desde un útil de gestión de red
• Para que no se superpongan las demandas de medio • Para que se realicen las tareas en el orden que las requiere
la aplicación de control. • Su eficacia depende del MAC y la velocidad
54
Ejemplo Scheduling • 2 mensajes per iódicos de duración 2,5 ms Acceso CSMA AMP § Mensaje 1: periodo =5 ms § Mensaje 2: Periodo=10 ms
• Caso 1: Sin Schedulling § Los dos mensajes se lanzan al arrancar el sistema
t[ms]
M1
M2
red 0 5 10 15 20 25
• El mensaje 2 no se envía nunca sin embargo la r ed está ocupada sólo el 50 % del tiempo!!!!
55
Ejemplo Scheduling
• Conclusiones § Se optimiza el uso de la red § Hay garantía del envío de los mensajes
• Se pueden enviar ambos mensajes
t[ms]
M1
M2
red 0 5 10 15 20 25
• Caso 2: Con Schedulling § Mensaje 2 con un offset de 2,5 ms
56
Bloque Offset desde el tpo de arranque
AI (Transmisor) 0
Comunicación AI (LAS) 20
PID (valvula) 30
Ao (válvula) 50
Scheduling de aplicaciones
REDES ETHERNET Y TCP/IP REDES ETHERNET Y TCP/IP
Fabiana Fer reira
Laborator io de Electrónica Industr ial Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
58
TCP/IP y modelo OSI
59
Protocolos TCP/IP
60
Subcapas en IEEE 802.3
61
Normas 802.3
62
Encapsulamiento de datos en TCP IP
63
Preámbulo
Delimitador de comienzo de trama Dirección de destino
Dirección de origen
Datos
Relleno
Longitud/tipo
Secuencia de control de trama
7 octetos
2 octetos
1 octeto
6 octetos
6 octetos
4 octetos
461500 octetos
Formato de una trama 802.3
64
Direcciones IP A
8 16 24 0 netid hostid
B 1 0 netid hostid
C 1 1 netid hostid 0
0 1 2
Clase Dirección de red más baja
Dirección de red más alta
Redes/ hosts
A 1.0.0.0 126.0.0.0 126 16.777.214
B 128.1.0.0 191.254.0.0 16.382 65.534
C 192.0.1.0 223.255.254.0 2.097.150 254
Clase Máscara A 255.0.0.0
B 255.255.0.0
C 255.255.255.0
65
Formato de un datagrama IPv4
LONGITUD TOTAL VERS HLEN TIPO DE SERVICIO
IDENTIFICACION BANDERAS DESPLAZAMIENTO DE FRAGMENTO
SUMA DE VERIFICACION DEL ENCABEZADO
TIEMPO DE VIDA PROTOCOLO
DIRECCIÓN IP DE LA FUENTE
DIRECCIÓN IP DEL DESTINO
OPCIONES IP (SI LAS HAY) RELLENO
DATOS
66
Datagrama IPV4 • V: versión del protocolo § 0100 IPV4 y 0110 IPV6
• HL: (4 bits) longitud del encabezado en palabras de 32 bits • ST: campo de servicio (8 bits) § Indica la forma en que un paquete es ruteado § Contiene tres subcampos üPrecedencia (3 bits) : prioridad (000 normal 111 ctrl de red) üTipo de servicio (4 bits): demora, rendimiento, confiabilidad, costo
– Ej: 1000: demora minima, 0000: normal, 0100: rendimiento máx üMBZ (1 bit) 0 –sin uso
• TL: (16 bits) longitud total del paquete en bytes § Max : 65535 bytes
• ID (16 bits) numero de identificación del paquete § Para paquetes fragmentados
• F: (3 bits) bandera para control de fragmentación
67
Datagrama IPV4 • FO (13 bits) fragmento margen § Info de reensamble para fragmentación
• TTL: (8 bits) tiempo de vida § Especifica el numero de segundos que el paquete permanece vivo § Se disminuye cada vez que es procesado por un ruteador § Si TTL =0 el paquete se descarta y se envia un mensaje de error
• P: (8 bits) : protocolo de capa 4 utilizado por el usuar io • HC:(16 bits) suma de ver ificación del encabezado • SA: (32 bits) dirección de fuente • DA: Dirección destino • OPT: (long var iable) para opciones de control § Hay 8 opciones
– Ej: Prueba de red
• PAD: campo de relleno del campo opción § Rellena OPT con bits 0 para que la long del header sea mult de 32 bits
68
Encabezad o
base
.. .
Extensión 1 de
encabezado
Extensión n de
encabezado DATOS
opcional
VERS ETIQUETA DE FLUJO
PAYLOAD LENGTH PROX. ENCAB LIMITE DE SALTOS
DIRECCIÓN DE LA FUENTE
DIRECCIÓN DE DESTINO
Formato del encabezado base 0 4 16 24 31
Formato general de un datagrama IPv6
69
Datagrama IPV6
• V: versión • P: pr ior idad § 16 niveles divididos en 2 grupos ü 0 a 7 : paquetes que responden al control de congestión ü 8 a 15 : no responden al control de congestión (ej : video y voz)
• FL: para paquetes que requieren manejo especial § Para proporcional calidad de servicio con RSVP ü Protocolo de reservación de recursos: prioriza datos y asigna ancho de banda
• PL:longitud de carga util de los datos • NH: Tipo de encabezado que sigue al encabezado IPV6 § Permite encabezados de extensión entre encabezado IP y encabezado TCP ü Ej: encabezados de autentificación y codificación
• HL: numero de segundos que un paquete permanece activo
V P FL PL NH HL SA DA 4 4 24 16 8 8 128 128
70
• Direcciones más largas (128 vs. 32 bits) § 3.402823665 X 10 38 vs 4.294.967.295 § Cada metro cuadrado de la superficie terrestre puede disponer de 1564 direcciones (peor caso)
§ tres tipos de direcciones: § Unidifusión, cualquier difusión (enrutada a la dirección más cercana), multidifusión
§ Autorredireccionamiento § Autoconfiguración de las direcciones de red § Adquisición de dirección en forma dinámica
§ Autenticación, privacía y confidencialidad § Prioridad de enrutamiento § Entrega de paquetes a velocidad constante § Soporta direcciones IPV4
Ventajas IPV6
71
PUERTO DESTINO PUERTO ORIGEN
NÚMERO DE SECUENCIA
NÚMERO DE ACUSE DE RECIBO
HLEN
SUMA DE VERIFICACIÓN OPCIONES (SI LAS HAY) RELLENO
DATOS
RESERVADO CODE BITS VENTANA
PUNTERO DE URGENCIA
Formato del segmento TCP
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4K SEQ=0 2K
ACK=2048 WIN=2048
SEQ=204 8
2K
ACK=4096 WIN=0 Aplicación lee 2K
ACK=4096 WIN=2048
Aplicació n
escribe 2K
Aplicación escribe 3K
Aplicación bloqueada
SEQ=409 6
1K
Vacío
El emisor puede
enviar hasta 2K
2K
Lleno
2K
2K 1 K
TCP: manejo de la ventana
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Host 1 Host 2
SYN (SEQ=x)
SYN (SEQ=y, AC
K=x+1)
(SEQ=x+1 , ACK= y+1)
Iniciación Terminación
Host 1 Host 2
FIN (SEQ=x)
(ACK=x+1)
(ACK= y+1)
FIN (SEQ=y, AC
K=x+1)
TCP: Inicio y fin de la conexión
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PUERTO UDP DE DESTINO PUERTO UDP DE ORIGEN
LONGITUD DEL MENSAJE UDP SUMA DE VERIFICACIÓN UDP
DATOS
Formato de mensajes UDP
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Utilización industr ial de protocolos TCP/IP
Tipos de utilización a nivel industr ial
•para conectar dispositivos de campo con controladores •Para conectar controladores y supervisores con niveles informáticos
Tres objetivos : •Conexión física en Ethernet •Utilización capa aplicación única •Control de dispositivos via web o LAN corporativa
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Por qué Ethernet a nivel industr ial?
• Hace mas de 20 años aparecieron algunas redes basadas en Ethernet § FACTOR, SINEC H1, LAC, MAP
• Estas soluciones se abandonan por el aspecto aleator io de Ethernet
• Por qué volvió a pensarse en utilizar lo? • Bajos costos de conexión (100.
baseT y cable UTP) • Aumento de velocidad (10 a
100Mbps) • Existencia de switches que limitan
colisiones • Introducción de mecanismos de
priorización • código fuente TCP/IP disponible en
forma pública
• Por qué usar lo como bus de campo? • Disponibilidad de la
electrónica • Integración con Internet • Lenguajes de descripción y
simulación accesibles • Se prevee crecimiento en el
ancho de banda • Problemas de compatibilidad
resueltos • Los buses están alcanzando su
límite
77
¿Puede transpor tar pequeños paquetes de información en un tiempo acotado?
Tamaño mínimo de trama : 64 bytes
No impor ta a velocidades altas
Puede haber colisiones
Si la r ed tiene poco trafico no hay colisiones Se divide en dominios de colisión o se usan switches
El switch sirve con cargas controladas
Se introduce un protocolo más complejo en el nivel aplicación
Hay pocas pr ior idades
El uso de pr ior idades permite diferenciar tipos de tráfico
TCP no detecta inmediatamente los er rores por lo que se puede procesar un dato er roneo (los buses de campo implementan retransmisión inmediata
78
Otros requisitos
No se puede garantizar
Se puede hacer implementando algoritmos de sincronización a nivel de los procesos de los
dispositivos
Complejidad de los dispositivos y demoras por procesamiento
Transmitir datos per iódicos antes que vuelvan a ser muestreados
Muestrear en forma simultanea y per iódica cier ta cantidad de entradas
Se puede muestrear simultáneamente usando UDP y modo Broadcast
Indicar si los valores adquir idos están dentro del er ror aceptable para el intervalo de muestreo
Se puede transmitir un time stamp con el dato
Complejidad de los dispositivos y demoras por procesamiento
Se pueden implementar algoritmos basados en relojes locales
79
Otros requisitos
No se puede conseguir
IP permite direcciones múltiples
Los conectores standard RJ45 no están diseñados para ambientes agresivos
Dar el orden relativo de eventos
Transferencia de datos de uno a muchos
Se puede usar UDP
Soluciones resistentes al ambiente
Están apareciendo en el mercado conectores especiales
TCP no admite modo broadcast
Los cables standard no pueden ser utilizados
80
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 costo de 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
81
Conclusiones • Falta de mecanismos para consistencia temporal • Falta de mecanismos para ordenar eventos • No ofrece retransmisión rápida de er rores • No provee control de la carga en la r ed • No tiene alimentación para dispositivos • El cableado es más complejo y caro • No se garantiza la segur idad • Hoy en día todavía hay soluciones más económicas ( según la
aplicación) • No es una solución universal por las adaptaciones necesar ias
• Permite bus redundante • Facilita acceso a redes corporativas • Gran par te del hardware es COTS
ENLACES INALAMBRICOS ENLACES INALAMBRICOS
Fabiana Fer reira
Laborator io de Electrónica Industr ial Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
83
Enlaces inalámbr icos • Para aplicaciones móviles • Para cubr ir grandes distancias • Para entornos que no admiten cableado
• Se utilizan enlaces inalámbr icos para conectar nodos o segmentos a una red cableada a través de un punto de acceso
Limitaciones de enlaces inalámbr icos • 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
propietar ios
84
Bandas ISM
• banda ISM (Industr ial Scientific Mar itime) § 2.42.4835 GHz, 5.15 5.25
GHz, 5.25 5.35 GHz , 5.75 5.85 GHz
85
Alternativas de diseño para interconectar nodos cableados e inalámbr icos en LAN industr iales.
§ 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 propietar ios
86
Repetidores, Br idges, Routers, Gateways
Repetidores: § Operan por encima de PhL § Reciben bit por bit la señal de entrada, la regeneran y
la emiten § Al pasar de inal. a cab. Realizan cambio de
codificación § Juntan varios bits y calculan errores
Puentes: § Capa DLL § Encapsulan las tramas MAC ó LLC de una red en
paquetes de NL § Es un nodo en cada LAN
Gateway: § Capa aplicación § Una demanda de servicio se transforma en la
otra LAN § Alta demora
Router s: § Capa red (NL) § Modifican el paquete que reciben en especial el
campo de direccionamiento § Intercambian información entre sí para encontrar
una ruta
87
Nodos aislados Un repetidor por nodo
Alternativas de diseño implementadas Interconexión de dos redes con br idge
nodo nodo nodo
nodo bridge
nodo nodo nodo
nodo
bridge
Var ios nodos conectados a un Gateway
nodo nodo nodo
nodo Gateway
nodo
nodo
nodo
rep. nodo rep
nodo
nodo nodo
Brid. nodo Brid.
nodo
nodo nodo
88
Caracter isticas IEEE 802.11 • Opera en banda ISM (Industr ial
Scientific Mar itime) § 2.42.4835 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 var iantes de capa física § DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) § FHSS (Frequency Hopped Spread
Spectrum) § IR (Infrared)
• Toplogías Ad Hoc y con sistema de distr ibución
• Acceso al medio CSMA/CA § Tiene nodos ocultos
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Tramas 802.11
90
DSSS
91
FHSS
92
Ventana de contención
93
Nodos ocultos
• Vir tual Carr ier Sense § Reservación del medio por un periodo fijo de tiempo § A envia un RTS (Request to Send) al AP que no le llega a B § Se reserva el tiempo para emisión en un NAV (Network Allocation
Vector) de todas la estaciones § AP envia un CTS (Clear To Send ) a todas las estaciones
informando § B detecta el CTS
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Caracter isticas Bluethoot • Diseñada para distancias cor tas en ambientes de oficinas • banda ISM • modulación GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying). • Potencia de transmisión 1 mW a 100 mW • rango promedio de cobertura es de 10 metros con la posibilidad de
extenderse a 100 metros • maestro esclavo :siete esclavos en una piconet .
95
Evolución de comunicaciones
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