cim computerintegratedmanufacturing -...
TRANSCRIPT
Gijón, abril 2006 1
CIM (Computer Integrated Manufacturing)
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 2
Arquitecturas de Red
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 3
Redes LAN industriales y Buses de Campo
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Redes LAN industriales
MAP (Manufacturing Automation Protocol):- Diseñado para el entorno industrial.
- Proporcionando un medio de transmisión
determinista.
- Es compatible con los 7 niveles OSI.
ETHERNET:- Diseñado para redes ofimáticas.
- No proporciona un medio de transmisión
determinista.
- Es compatible con el modelo OSI en los
niveles 1 y 2.
(capas superiores TCP/IP)
Buses de Campo- Diseñados para conectar pequeños dispositivos.
- Sensores, actuadores y controladores.
- Sustitución del cableado tradicional punto a
punto.
- Capas física, de enlace y aplicación. Interfaz
de Usuario.
CAN
SDS
AS-I
DeviceNet
LONWorks
BitBus
DIN MessBus
InterBus-s
UNI-TELWAY
Modbus
Profibus
FIP
Fiedbus Foundation
HART
…
Gijón, abril 2006 4
Ejemplos
InterbusBus AS-I
Profibus
Ethernet
UNI-TELWAY
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 5
Control de acceso al medio (MAC): CSMA/CD
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Ethernet Industrial
Topología en BUS. Cableado coaxial.
Topología en estrella con repetidor. Cable de par trenzado. Topología en estrella con conmutador. Cable de par trenzado.
VISTA FRONTAL VISTA SUPERIOR
Contactos metálicos Cables en pares trenzados
CONECTOR RJ-45
1
8 Par 7-8
Par 3-6
Par 4-5
Par 1-2
Gijón, abril 2006 6
El formato de las tramas Ethernet e IEEE 802.3
Preambulo Dir. destino Dir. origen Tipo Datos CRC
8 6 6 2 46-1500 4
• Control acceso al medio CSMA/CD
• Señalización de colisiones mediante señal de “jamming” (atasco)
• Limitaciones de tamaño debidas a la “ventana de colisión”
• Algoritmo de “disminución exponencial binaria”
• Problemática en aplicaciones en tiempo real
CTrama de la estación j Trama de la estación k
tiempo
j k l Estaciones dispuestas a transmitir una tramam
J C J
0-1
0-1
0 1 0 1 2 3
0-1-2-3
0-1-2-3
Trama de la estación m Trama de la estación l
C
J
Colisión
Señal de atasco
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 7
Red Ethernet conmutada (I)
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 8
Red Ethernet conmutada (II)
Funcionalidades de los conmutadores:
• Redes virtuales: VLAN
• Agregación de puertos: Port trunks
• Redundancia de conexiones: Spanning tree
• Gestión de la calidad de servicio.
• Funciones de seguridad: – Monitorización de puertos, Estadísticas
RMON, Asignación fija de puertos,
protección contra tormentas broadcast, etc.
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Requisitos para la aplicación industrial:
• Tasa de transferencia.
• Capacidad de diálogo FullDuplex.
• Retraso por transferencia.
• Retraso por almacenamiento.
• Redundancia de conexiones.
• Configuración de redes virtuales.
• Calidad de servicio: QoS.
Gijón, abril 2006 9
Redes Virtuales: VLAN
Cable cruzado
VLAN 2
VLAN 1
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 10
Agregación de Puertos: Port Trunks
Port Trunk de 4x100 Mbps (400 Mbps) Full-duplex
Puertos 100 Mbps
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 11
Redundancia de Conexiones: Spanning Tree
Deshabilitado
Deshabilitado
Deshabilitado
Deshabilitado
Rotura del enlace
Activado
Activado
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 12
Conclusiones sobre Ethernet Industrial
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
La red con conmutación presentan siguientes características para la aplicación industrial
• El ancho de banda es específico (aunque se puede compartir con arquitecturas mixtas).
• La conmutación de puertos hace innecesario el arbitraje del bus.
• El funcionamiento dúplex completo elimina la colisión.
• El ancho de banda es escalable.
• Fast Ethernet proporciona 200 Mbps de ancho de banda en la red de estructura básica por medio de la transmisión de dúplex completo.
Las arquitecturas de red con conmutación que utilicen QoS explícita (mediante lenguajes de programación, módulos de función y tipos de datos), proporcionarán además:
• Cumplen las normas IEEE 802.1p/Q para asignar prioridad y campos de QoS a la estructura de datos estándar de Ethernet.
• Las normas SVP, ISSLL, IEEE802.1p/Q proporcionan técnicas explícitas para solicitar resolución de QoS.
• La prioridad de datos y las colas múltiples de datos aseguran que el tráfico en tiempo real se desarrollará por la ruta más rápida de la red.
Gijón, abril 2006 13
Buses de Campo
• Reducción de costes
•Mantenimiento de la red
• Flexibilidad
• Simplificación
• Comunicación bidireccional
• Servicios de administración:
Física, Enlace, Aplicación y Usuario
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Antes
Después
Gijón, abril 2006 14
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
ANTES
Datos analógicos o digitales, con contactos libres de tensión,
en tensión (24V, ±10V) o en corriente (0-20mA, 4-20mA).
RS232RS232
RS232 (±12V, 0-20mA)
RS232
Gijón, abril 2006 15
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
AHORA
Gijón, abril 2006 16
Buses de Alta Velocidad y Baja Funcionalidad• CAN: Diseñado originalmente para su aplicación en vehículos• SDS: Bus para la integración de sensores y actuadores, basado en CAN• ASI: Bus serie para la integración de sensores y actuadores
Buses de Alta Velocidad y Funcionalidad Media• DeviceNet: Desarrollado por Allen-Bradley, utiliza como base el bus CAN, e incorpora una capa de aplicación orientada a objetos
• LONWorks: Red desarrollada por Echelon• BitBus: Red desarrollada por INTEL• DIN MessBus: Estándar alemán de bus de instrumentación, basado en comunicación RS-232
• InterBus-S: Bus de campo alemán de uso común en aplicaciones medias
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 17
Buses de Altas PrestacionesCARACTERÍSTICAS: • Redes multi-maestro con redundancia
• Comunicación maestro-esclavo según el esquema pregunta-respuesta
• Recuperación de datos desde el esclavo con un límite máximo de tiempo
• Capacidad de direccionamiento unicast, multicast y broadcast
• Petición de servicios a los esclavos basada en eventos
• Comunicación de variables y bloques de datos orientada a objetos
• Descarga y ejecución remota de programas
• Altos niveles de seguridad de la red, procedimientos de autentificación
• Conjunto completo de funciones de administración de la red
EJEMPLOS:•Profibus
•FIP
•Fieldbus Foundation
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 18
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Buses para Áreas de Seguridad Intrínseca
Dispositivos con seguridad intrínseca para uso en ambientes explosivos
• HART
• Profibus PA
• FIP
Gijón, abril 2006 19
AS-i: Aktuator Sensor Interface (I)• Hasta 3 segmentos de 100 m cada uno• Hasta 31 o 64 esclavos con 4 entradas/salidas• Transmisión por pulsos a través de un par de hilos de alimentación• Ciclo completo de consulta 5 ms• Telegrama maestro 14 bits• Telegrama esclavo 7 bits
Telegrama maestro esclavo
150µs
St SB A4 A3 A2 A1 A0 I4 I3 I2 I1 I0 PB EB
Codificación Manchester Envío de la señal codificada
St: bit de start: 0 indica comienzo de la trama
SB: Tipo de telegrama: 0 indica trama de datos
1 indica trama de comandos
A0…A4: Dirección del esclavo
I0…I4: Información
PB: Bit de paridad
EB: Bit de fin
St I3 I2 I1 I0 PB EB
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 20
AS-i: Aktuator Sensor Interface (II)
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 21
INTERBUS (I)• Direccionamiento maestro-esclavo• Hasta 512 dispositivos con funciónes de repetidor• 500 kbps hasta 400 m máx. entre dos dispositivos• Hasta 13 km de extensión máxima• Transmisión sobre 5 hilos basada en RS-485• Topología en anillo (anillo principal y subanillos)• Aspecto de cableado en bus o árbol• Autodiagnóstico y prevención de errores• PMS (Peripherals Message Specification)
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 22
INTERBUS (II)
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 23
CAN: Controller Area Networking• Sólo capa física y de enlace• 250 kbps a 1 Mbps• Hasta 32 0 64 dispositivos• Transmisión sobre 2 hilos diferencial 2,5 V• Topología en bus• Direccionamiento por identificadores de 11 ó 29 bits• Priorización de mensajes en función del identificador
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 24
PROFIBUS (I)
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 25
PROFIBUS (II)
Ingeniería Electrónica y AutomáticaComunicaciones Industriales
Gijón, abril 2006 26
Topologías PROFINET (SIEMENS)
• Lineal• Árbol • Anillo
Gijón, abril 2006 27
Hardware y cableado PROFINET (SIEMENS)
Gijón, abril 2006 28
Bluetooth (802.15.1)• Diseñado para la conexión de un número pequeño (hasta 8) dispositivos inalámbricos de muy bajo coste.
• Utiliza la misma banda de frecuencias que IEEE 802.11 (problemas de interferencias) con técnicas de espectro disperso por Salto de Frecuencias (FHSS).
• Dos modos de transmisión:– Modo asíncrono (ACL): protocolo ARQ
– Modo síncrono (SCO) para transferencias de voz digitalizada full dúplex a 64 kbps, aunque soportan otras tasas. Sin retransmisiones.
• Sistema de corrección de errores simple. Por ejemplo en el caso más sencillo de una trama SCO, múltiples copias del mensaje son transmitidas. Se corrige por votación.
Bluetooth
Gijón, abril 2006 29
Aquitectura de la red BluetoothBluetooth
Gijón, abril 2006 30
I-Features en Wireless LAN Simatic NET
• Roaming forzado, en caso de fallo del enlace alámbrico entre el PA y la
red cableada. Debe haber más de un punto de acceso en rango.
• Control de tormentas de tráfico broadcast.
• Enlaces dobles (dos adaptadores de red en el PA):
– Redundancia.
– Enlaces dedicados entre PAs si no hay posibilidad de cableado.
• Enlaces redundantes entre PAs (mediante diferentes canales,
combinando dos de la misma banda –ej 2.4 GHz- o dos bandas distintas
–ej 2.4 y 5 GHz--).
– Capacidad de cálculo del Spanning Tree
Wireless LAN
Gijón, abril 2006 31
I-Features en Wireless LAN Simatic NET
• Reserva de tasa de transferencia
Wireless LAN
Gijón, abril 2006 32
I-Features en Wireless LAN Simatic NET
• Posibilidad de tráfico para dispositivos de seguridad
• Modo RR para tráfico tiempo-real crítico (10-100 ms), aunque esto lo
hace incompatible con el estándar. Solución, doble red:
Wireless LAN
Gijón, abril 2006 33
Integración con redes TCP/IP (Internet)
Tareas:
• Adquisición de Datos
• Supervisión
• Control
Herramientas:
• Sistemas SCADA
• Servicios OPC
Gijón, abril 2006 34
Integración con redes TCP/IP (Internet)
ioControl
S
E
PC de desarrollo y monitorización
Red Ethernet (TCP/IP)
Cámara TCP/IP
Internet
Gijón, abril 2006 35
Seguridad en la red industrial
• La seguridad del sistema de comunicaciones puede comprometer la seguridad de la planta: daños a personas y al entorno.
• La capacidad de proceso de los dispositivos de campo es limitada para la aplicación de criptografía y la administración de usuarios.
• El número de usuarios suele ser bastante restringido (operarios).
• Los dispositivos suelen intercambiar información, de características concretas y con la misma frecuencia, con un número limitado y conocido de elementos.
• Incluso los PCs en la zona de control tienen tareas muy definidas y no suelen utilizarse para otras tareas (e-mail, navegación web, etc.)
• Los dispositivos de planta suelen estar supervisados continuamente por operarios de planta que pueden detectar fallos de seguridad tanto de la planta como del sistema de comunicaciones (formación)
Gijón, abril 2006 36
Seguridad en la red industrial
Gijón, abril 2006 37
Aplicaciones
• Automatización y Control de Procesos (células y líneas
de producción)
• Robótica
• Domótica e Inmótica: control inteligente en viviendas
o edificios
• Integración de sistemas en vehículos (aviones,
automóviles, trenes, buques, …)
• Telemetría (vehículos, redes de distribución eléctricas,
de agua, oleoductos, …)
Gijón, abril 2006 38
INTERNET
Automoción
Aviación
Domótica
Scada y acceso remoto vía Internet
Aplicaciones
Buques