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

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

INTRODUCCION

Conclusiones

BUSES DE DISPOSITIVOS

BUSES DE CAMPO

NUEVAS TECNOLOGIAS

3

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)

• Red de controladores

• Red de supervisión

• Red de campo

• Red de campo + control distr ibuido

4

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

5

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

6

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

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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)

8

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

BUSES DE DISPOSITIVOS BUSES DE DISPOSITIVOS

Fabiana Fer reira

Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería

Universidad de Buenos Aires

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

Actuator Actuator Sensor Sensor Inter face Inter face ( (ASi ASi) )

Fabiana Fer reira

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

11

AS­i en automatización • Para conectar sensores y actuadores con controladores

Nivel de control

Sensores y actuadores

Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo

Maestro

Nivel de campo: CAN DeviceNet FIP Interbus Profibus etc.

12

Ahorro de cableado

• Cableado tradicional

C1

C4

C3

C2

M1 M3 M2

• Con AS­i

Maestro

13

Caracter isticas del bus AS­i

Slave

Slave

Slave Slave

Slave

Slave

Slave

Master

Slave

Slave

Host AS­i ­ 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

üPLC o Gateway § Esclavos

üModulos para conexión de I/O üDispositivos con chip AS­I integrado

§ Fuente de 30,5 VDC § Cable AS­i u otro

üDatos y alimentación en el mismo cable

14

Maestro­Esclavo • 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

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

15

Extensión de la red

Solution A: 1 extender and 1 repeater

Longitud máxima de todos los cables AS­i en un segmento : 100m

Supply

Slave

Slave Slave

Slave

Slave

Extender Repeater Master

Supply

Segment max. 100 m

Segment max. 100 m

Segment max. 100 m

Max. number of slaves over all is 31 !

!

Supply

!

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

16

Direccionamiento y parametr ización de esclavos

• Direccionamiento individual por terminal

Addressing unit Programming and service unit

• Direccionamiento automático por el maestro

Master

• Parametr ización a distancia AS­Interface Master

projected parameter

Slave 1 Slave 2

Slave 31

actual parameter AS­i Slave 20

Up to 31x 4 data bits Slave 1 Slave 31

actual parameter

1 1 1 0 1 1 1 1

1 0 1 0

1 1 1 0 Slave 20

1 1 1 0 1 1 1 1

1 0 1 0

1 1 0 0 1 1 0 0

1 1 0 0 1 1 1 0

17

• Cable Plano

AS­Interface electric­mechanics

piercing connectors

mechanical coded flat cable

Cableado • Cable standard

standard round cable standard round cable

shielded round cable shielded

round cable

2,9 mm

1.5 mm²

6...10 mm

18

Topología

Esclavo

Estrella Linea Rama Arbol

Esclavo

Esclavo

Maestro

Controlador

Maestro Maestro

Controlador

Maestro Maestro

Controlador

Maestro Maestro

Controlador

Maestro

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

19

D0 = Señal de sensor

D1 = Señal de sensor

D2 = Señal de actuador

D3 = Señal de actuador

P0

Hasta 4 sensores y/o 4 actuadores Alimentación eléctrica

IC esclavo AS­Interface

1 Carcasa de módulo

una toma

Watchdog

Conexión de sensores y actuadores convencionales:

Modulos IP67 o IP20

20

Conexión de esclavos integrados

• Esclavos con caracter ísticas complementar ias, como parametr ización, autotest

• Las funciones de diagnóstico de la r ed terminan en el esclavo • Los actuadores en IP67 conmutan en el campo y no en el armar io

eléctr ico

D0 = Señal conmutación

D1 = Señal aviso

D2 = Indicación de disposición

D3 = Función de prueba

P0 = Temporizador

P1 = Inversión

P2 = Factor de impulsos

P3 = Función especial

Sensor o

Actuador

Alimentación eléctrica

AS­Interface Esclavo IC

Carcasa común

una toma

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

Controller Controller Area Area Network Network

(CAN) (CAN)

Fabiana Fer reira Gerardo Stola

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

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CAN (Controller Area Network)

• Creado a mediados de 1980, con el objetivo de br indar 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

23

CAN y el modelo OSI

Presentación

Sesión

Aplicación

Transporte

Red

Enlace

Física

Especificación CAN

CAN Phy (ISO 11898) ISO 11898

CAL •CANopen •PCAL

Device Net SDS

Documentos de CiA

CAN King dom

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

de datos/ remotas/ de error/ de sobrecarga

Especificaciones

CAN 1.2 2048 (2 11 ) identificadores de objeto formato de tramas estándar

CAN 2.0 más de 500 millones (2 29 ) de identificadores formato de tramas extendido

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Arbitración

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

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

N 1 N 2 Bus

D D D D D R D D R D D D R R R

A B A.B

0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1

Nodo 2 Nodo 1

Bus

A B

A.B

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Trama de datos

recesivo

dominante

1 11/29 1 0 ... 64 6 15 1 1 1 7 3

Identifi_ cador de objeto

Campo de Arbitraje

Inicio de trama

Campo de control

Campo de datos

RTR

Segmento CRC

Campo de CRC

Delimitadores

Campo de fin

de trama

Ranura de ACK

Campo de Acknowledge

Espacio inter­trama

Tamaño mínimo de la trama de datos: 44 bits Tamaño máximo de la trama de datos: 111 bits ⇒ Throughput = 58% del bitrate

Trama de datos

27

Detección de er rores ⇒ 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 bit errores de bitstuff errores de CRC errores de formato (en delimitadores del CRC y del ACK, y EOF) errores de ACK errores de sobrecarga errores de formato de la trama de sobrecarga errores por condición de sobrecarga inconsistente

(detectables como errores de bittuffing, deCRC o de formato) errores consecutivos múltiples errores sucesivos múltiples

errores simples

errores múltiples

error orientado al transmisor error orientado al receptor

28

Estado de estaciones

29

Capa Física CAN

Implementada en los controladores

basadas en normas y especificaciones propietar ias

ISO11898

PMA

30

ISO 11898­2 ­Topología

A 1Mbit/s Ld<0.3 m

31

Niveles del bus

• Condición r ecesiva : CAN_H < CAN_L + 0.5V

• Condición dominante: CAN_H >CAN_L + 0.9V

32

Nodo ISO 11898­2

• La tensión diferencial en un nodo está dada por la cor r iente en la resistencia diferencial

33

Transceivers

34

Relación Velocidad­longitud bus

• ISO 11898 especifica dist máx 1 km y permite usar br idges o repeater s.

• 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

35

Velocidades recomendadas CiA DS ­102

• Todo módulo debe sopor tar 20 kbits/s

• Para más de 200m se recomienda el uso de optoacopladores

• Para longitud de más de 1 km se requiere br idge o repeater

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

DeviceNet DeviceNet

Fabiana Fer reira

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

37

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 abier tos § 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

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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

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Especificación DeviceNet Volumen 1

­Protocolo de comunicación y Aplicación ( Capa 7)

­CAN y su uso en DN ­Capa Física y medio

Volumen 2 ­Perfiles de Dispositivos

para obtener interoperabilidad e intercambiabilidad entre productos similares

Prestaciones del protocolo de comunicación ­ Peer­to­ peer ­Master­Slave ­Productor­ Consumidor ­Hasta 64 MAC ID’s (nodos) ücada 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

40

Productos DN

• Hardware § Inter faces para controladores ü Scanner ü Modulo de comunicación ü Gateway

§ I/O distr ibuidas § Inter fases con otras redes § Inter fases para PC’s § Sensores y actuadores § Inter fases operador

• Software § Monitores y gestionadores de r ed § Her ramientas de diagnóstico

• Medio Físico

41

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 der ivadores (Tap ) de potencia en cualquier punto de

la r ed: posibilidad de fuentes redundantes • Cor r iente nominal de tronco: 8A • Se pueden conectar dispositivos con alimentación externa • Terminador de 121Ω en cada fin de tronco

• Admite var ias Topologías

• Básica : Tronco (trunk)­ r ama (drop line ­ spurs)

42

Distancias punta a punta

43

CAN y DeviceNet • usa sólo la data­frame de CAN • Requisitos para que los controladores CAN sean compatibles con DN

üDeben soportar tramas de 11 bits üVelocidades de 125, 250 y 500 kBauds ümúltiples objetos de mensajes ( buffers y centros de mensajes) ü Posibilidad de mascaras en la trama üDebe soportar el protocolo de fragmentación de DN

44

Uso de CAN ID 11 bits

•Hay 4 grupos de mensajes con distinta prioridad •Grupo1 y Grupo 3 para emisión •Grupo 2 : emisión y recepción

IDENTIFIER BITS HEX RANGE IDENTITY USAGE 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Group 1 Msg ID Source MAC ID 000­3ff Message Group 1

1 0 MAC ID Group 2 Message ID 400­5ff Message Group 2

1 1 Group 3 Message ID Source MAC ID 600­7bf Message Group 3

1 1 1 1 1 Group 4 Message ID (0­2f)

7c0­7ef Message Group 4

1 1 1 1 1 1 1 X X X 7f0­7ff Invalid CAN Identifiers X

0

31 ID´s por cada nodo N

•Grupo 1: ID 0 a1023 •Grupo 2: ID 1024 a 1535 •Grupo3: ID 1536 a 1983

•Total de ID´s: 2048 •Sobran: 64 ID´s

•Para establecer quien y cuando usa los ID´s

CONEXIONES

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Master Slave predefinido • Es un conjunto de identificadores de conexión • Los objetos de conexión están preconfigurados en el momento de inicializar el

sistema § Lo único que falta es que el maestro se declare propietario de las conexiones

• Se utilizan mensajes del grupo 2 • Permite usar 8 bits • Permite usar todas la conexiones de I/O

IDENTIFIER BITS DESCRIPTION 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 Source MAC ID Group 1

Messages 0 1 1 1 0 Source MAC ID Slave's I/O Bit­Strobe Response Message 0 1 1 1 1 Source MAC ID Slave's I/O Poll Response Message

Group 2 Message ID 1 0 MAC ID Group 2 Messages

1 0 Source MAC ID 0 0 0 Master's I/O Bit­Strobe Command Message 1 0 Source MAC ID 0 0 1 Reserved for Master's Use ­­ Use is TBD 1 0 Source MAC ID 0 1 0 Master'sChg of state/cyclic acknowledge msgs 1 0 Source MAC ID 0 1 1 Slave's Explicit Response Messages 1 0 Destination MAC ID 1 0 0 Master's Connected Explicit Request Messages 1 0 Destination MAC ID 1 0 1 Master's I/O Poll Cmd/Chg of State/Cyclic Msgs 1 0 Destination MAC ID 1 1 0 Group 2 Only Unconnected Explicit Req.. Msgs 1 0 Destination MAC ID 1 1 1 Duplicate MAC ID Check Messages

Group 1 Message ID

0 1 1 0 1 Source MAC ID Slave's I/O Change of State or CyclicMessage

46

Distr ibución de ID´s

ID´s por cada nodo N • Grupo 1: 16 ID por nodo § M. 64+N con Mε [0,15

• Grupo 2: 8 ID por nodo § M+1024 +N.8 con Mε [0,7

• Grupo 3: 16 ID por nodo § M. 64+N+1536 con Mε [0,6

• TOTAL: 31 ID § 3 reservados para conexiones § 1 reservado para detección

ID duplicado

•Grupo 1: ID 0 a1023 •Grupo 2: ID 1024 a 1535 •Grupo3: ID 1536 a 1983

•Total de ID´s: •2048 (0­2047)

•Sobran: • 64 ID´s

•Para establecer quien y cuando usa los ID´s

CONEXIONES

47

Fragmentación

• Para mensajes más largos de 8 bytes • Se incluye 1 byte de protocolo de fragmentación tanto

en mensajes de I/O como explícitos

48

Conexión de I/O

•Transmisión de los datos •Maestro Esclavo (predefinido):

Dispositivos sencillos (sin APL)/ Sin CNF/El MAC ID incluye ID de destino

•Por Cambio de Estado: Emite cuando cambia a llega el Heartbeat

•Cíclica: Tiempos configurables

• Modelo de cooperación § Productor­ consumidor

49

Control and Information Protocol (CIP)

Figura 11 de CIP White paper • Modelo Objetos • protocolo de

mensajer ía • per files de

dispositivos • Servicios • Gestión de

datos

50

Modelo de Objetos • Cada nodo se modela como

una colección de objetos § representación abstracta de

un componente particular dentro de un producto

§ lo que no está descripto como objeto no es visible a través del CIP

• Los objetos se estructuran en § Clases: el mismo tipo de

componente sistema § Instancia: representación real

de un objeto dentro de una clase

§ Atributos: variables que describen el objeto

• Una instancia o una clase tiene atr ibutos, provee servicios e implementa compor tamientos

51

Tipos de conexiones

Conexiones de I/O o de mensajer ía implícita § proveen caminos dedicados

entre una aplicación productora y una o más aplicaciones consumidoras

§ Para datos orientados a control, de tiempo crítico.

• De mensajer ía explícita § Provee un camino punto a punto

multipropósito entre dos dispositivos

§ Tipo REQ­ANS

52

Protocolo de mensajer ía • CIP es un protocolo or ientado 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 bi direccional § El formato del CID depende de la red

53

Librer ía de objetos

• 46 clases de objetos divididos en tres tipos: § Objetos de uso general § Objetos específicos de aplicación § Objetos específicos de red

Objetos en un dispositivo § Por lo menos un objeto de conexión § un objeto identidad § uno o más objetos red § Un objeto enrutador de mensajes

54

Objetos aplicación

Register Object Discrete Input Point Register Object Discrete Input Point Object Discrete Output Point Object Analog Input Point Object Analog Output Point Object Presence Sensing Object Group Object Discrete Input Group Object Discrete Output Group Object Discrete Group Object Analog Input Group Object Analog Output Group Object Analog Group Object Position Sensor Object

Position Controller Supervisor Object Position Controller Object Block Sequencer Object Command Block Object Motor Data Object Control Supervisor Object AC/DC Drive Object Overload Object Softstart Object Selection Object S­Device Supervisor Object S­Analog Sensor Object S­Analog Actor Object S­Single Stage Controller Object S­Gas Calibration Object Trip Point Object

55

Per files de dispositivos • Todos lo dispositivos del mismo tipo deben tener una identidad común e igual

modo de comunicación . § Interoperabilidad e Intercambiabilidad

Definición del modelo de objetos •Esquema con tipo y cantidad de objetos •Como cada objeto modifica el compor­ tamiento •Interfases de cada objeto

Definición del formato de datos de I/O •Definición del objeto de ensamblado –Dirección de los componentes de datos deseados

Definición del los parámetros configurables y de las interfaces públicas a esos parámetros •Esta información se incluye en la EDS

56

Per files de dispositivos definidos

Generic Device AC Drives Motor Overload Limit Switch Inductive Proximity Switch Photoelectric Sensor General Purpose Discrete I/O Resolver Communication Adapter ControlNet Programmable Logic Controller ­­ Position Controller

DC Drives Contactor Motor Starter Soft Start Human Machine Interface Mass Flow Controller Pneumatic Valves Vacuum Pressure Gauge ControlNet Physical Layer

• Los desar rolladores de dispositivos deben usar un per fil § 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 per fil 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

57

PERFIL DE VARIADOR CA

Electronic Data Sheet (EDS)

A­B Mitsubishi Magnetek star t/stop star t/stop star t/stop fwd/rev fwd/rev fwd/rev accel/decel accel/decel accel/decel

A­B Mitsubishi Magnetek eng. units foreign lang. (none) power calc. temp. calc.

Según perfil de Dispositivo

Adicional Fabricante

§ Archivo ASCII § Provee una descr ipción de los atr ibutos del dispositivo ü Atributos públicos correspondientes al perfil de dispositivo ü Atributos específicos del fabricante

BUSES DE CAMPO BUSES DE CAMPO

Fabiana Fer reira

Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería

Universidad de Buenos Aires

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

FOUNDATION FOUNDATION Fieldbus Fieldbus

Fabiana Fer reira

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

60

Fieldbus Control System (FCS)

61

Distr ibución 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

4­20 mA + HART

HF HF

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

HF HF HF HF

Controller

I/O Subsystem

62

FF y el modelo OSI

63

Redes FF • H1 ­ Baja velocidad para control

de procesos • (Reemplaza la tecnología 4­20

mA)

• 31.25 Kbit/s • Alimentación por el bus • Opción Seguridad Intrínseca • Hasta 1900 metros

• HSE ­ Alta velocidad para supervisión y otros niveles

100 Mbit/s HIGH SPEED ETHERNET

64

Niveles de señal y codificación

65

Par tes de la trama

66

Conexiones físicas • TOPOLOGÍAS § Bus con

derivaciones § Punto a punto § Daisy­Chain § 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 § 9­32 VDC § Filtro adaptador de impedancia

permite la utilización de fuentes convencionales • 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

67

Limitaciones

68

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 ­Suscr iptor

(publisher­Suscr iber)

• LAS • Gestión Comunicación cíclica :

con lista de los datos cíclicos

• Pasaje del Token • Mantenimiento Live List • Sincronización de tiempo La 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 INT­8 170

B 10 INT­16 178

C 15 OSTR­32 418

D 20 UNS­32 194

E 30 SFPOINT 290

69

Comunicación

Comunicación cíclica

Comunicación acíclica

70

Scan del LAS • Si el LAS cae, alguno de los otros nodos Link Master se convierte en LAS: BLAS

(Backup LAS)

• Lista de vivos (Live List) • Incluye todos los dispositivos que responden al PT ( si luego de tres intentos no

responden se los saca de la lista) • Periódicamente se manda un mensaje de prueba de nodo (PN) • Si la estación emite una respuesta (Probe Response­ PR), se agrega a la lista.

• Sincroniza­ ción temporal

• Periódicamente el LAS distribuye un mensaje Time Distribution (TD ) para que todas las estaciones se sincronicen

71

Fieldbus Access Sublayer

• CLIENTE­ SERVIDOR § pto a pto § por colas

1­ El cliente recibe el PT y envia la REQ

2­El servidor envia la ANS cuando recibe el PT

• Uso: para ajustes de var iables 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”

2­Los 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 descr iptos por VIRTUAL COMMUNICATION RELATIONSHIPS (VCRs)

72

Capa Usuar io • La aplicación del usuario accede a la red mediante bloques que

representan diferentes funciones de aplicación • Bloque de recursos: § Describe características del

dispositivo:Nombre, fabricante, numero de serie

§ Uno por dispositivo

• Bloques Función (FB) § Definen la estrategia de control § Sus I/O se vinculadan en el bus § Su ejecución está “scheduled” § Varios FB en una UA

• Bloques Transductores § Uno por cada bloque de I/O :.(Fecha de

calibración/ Unidades de conversión/ Precisión

73

Bloques función • Las funciones de un

dispositivo se determinan por los FBs

74

Bloques función

75

Ejemplo estrategia de control

76

Objetos

• Los datos que se transmiten el bus son descr iptos por un “descr iptor de objeto” • Las descr ipciones de objetos se agrupan en un diccionar io de objetos (OD) • El objeto se identifica por su nro de orden en el OD • Del 1 al 255 se encuentran los tipos standard: § booleano, entero, flotante, cadena de bits, estructura de datos

77

Dispositivo de campo vir tual VFD

• VFD de aplicación usuar io • Para ver en forma remota los datos locales del dispositivo descriptos en el OD.

• VFD de gestión de red: • provee acceso a la base de

información de gestión de red (NMIB) y a la base de información de gestión de sistema (SMIB)

• Datos de NMIB § VCR, Variables dinámicas

y estáticas, Tablas de LAS (si es link master)

• Datos de SMIB § tag de dispositivos,

direccionamiento, schedules para la ejecución de FB

78

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

función Standard parámetros y definiciones de compor tamiento. § 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 escr itos en un lenguaje denominado Device Descr iption Langage (DDL) § Se convierten con una herramienta de

soft llamada “tokenizer”

79

Bloque Offset desde el tpo de arranque

AI (Transmisor) 0

Comunicación AI (LAS) 20

PID (valvula) 30

Ao (válvula) 50

Scheduling de bloques función • Para generar los schedules de los FB y el LAS se utiliza una her ramienta

de implementación. • Macrociclo: es una ocur rencia del schedule completo para cada

dispositivo

80

Macrociclo

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

PROFIBUS PROFIBUS

Fabiana Fer reira

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

PROCESS FIELD BUS

82

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

Asociaciones de usuarios • 16 grupos regionales

unidos bajo PROFIBUS International ­PI

• PROFIBUS Nutzer Organization (PNO)

• PROFIBUS Trade Organization (PTO) U.S.

83

Comunicación • 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 sí

mismos a acceder al bus § Adquieren mensajes emitidos

por otros o transmiten a requerimiento del maestro

§ Tres opciones para Medio Físico: üRS­485 üFibra óptica ü IEC 1158­2

84

Capa Física con RS485 § Hasta 32 nodos sin repetidores en un único segmento üExtendible a 127 nodos con repetidores üDistancias hasta 12 km

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

§ Usa conectores Standard de 9­pin D

§ Dispos. Trunkline/Dropline § Dispositivos aislados

Baud Rate Max segment length in meters

Max segment length in feet

9.6K 1200 3900 19.2K 1200 3900 93.75K 1200 3900 187.5K 1000 3250 500K 400 1300 1.5M 200 650 3M 100 325 6M 100 325 12M 100 325

• A maximum of 9 RS­485 repeaters can be connected in series, but the use of more than 3 repeaters in series is not recommended

• Tiene terminadores en cada extremo del bus. • cable type­A :• Impedance: 135 to 165 ,• Conductor area > 0,34 mm² • El blindaje debe ser conectado a masa mecánica en cada extremo • Los conectores pueden retirarse y conectarse sin interrumpir el intercambio de datos

85

Fibra óptica • Tipos de conductores disponibles

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

86

Capa Física PA­ IEC 1158­2

• Acopladores de segmento: § son convertidores de RS485 a IEC

1158­2 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 está

limitada

87

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) • Var ias topologías • Segur idad intr ínseca definida por modelo FISCO • Para segur idad intr ínseca una der ivación puede tener como máximo 30 m

Longitud de línea

88

Profibus DLL (FDL) • DP, FMS y PA usan FDL ( Field Data Link layer) • Requer imientos: § Comunicación entre dispositivos complejos con suficiente tiempo para ejecutar

sus tareas § Comunicación rápida para dispositivos de I/O sencillos

• Funciones de la FDL § MAC, Seguridad de datos, Gestión de protocolos y telegramas de transmisión

Servicios ofrecidos por la FDL

89

PROFIBUS Master PROFIBUS Master PROFIBUS Master

Passive Stations (Slave Devices)

Logical Token Ring

MAC • Token r ing:Reservado para estaciones complejas • Acceso de cada master al bus por lo menos una vez cada cierto tiempo (config) • Maestro­ esclavo: § Permite al maestro con el token acceder a sus esclavos para enviarles mensajes o leer sus

mensajes.

§ Maestro esclavo puro § maestro­maestro puro (token)

§ híbrida

90

Caracter ísticas 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

91

Configuración del sistema DP • Máximo de estaciones servidas: 126 • Tres tipos de equipos: § Maestro DP clase 1 (DPM1) üControlador de celda que intercambia información periódicamente con esclavos

§ Maestro DP clase 2 (DPM2) üHerramienta de desarrollo o configuración

§ Esclavo üAparatos con E/S üMáximo de E/S: 244 entradas y 244 salidas

• DP puede funcionar en modos: § monomaestro § multimaestro

• Mono maestro § Un único controlador

controla el intercambio con los esclavos

§ Tiempo de ciclo ultra corto • Multi maestro § Varios maestros comparten

el bus § Puede haber varias sub

redes independientes cada una dependiendo de un master DPM1

§ Las E/S de los esclavos pueden ser leídas por todos los maestros

§ Un sólo master (DPM1) puede escribir las salidas

92

Configuración monomaestro

• Estado del sistema = estado DPM1 § Stop: no hay transmisión entre el DPM1 y los esclavos § Clear: DPM1 lee las entradas de los esclavos y mantiene sus salidas en

seguridad positiva § Operate: DPM1 en fase de transferencia en transmisión cíclica

• DPM1 transmite per iódicamente su estado a todos los esclavos • Cuando un esclavo no está en condiciones de transmitir DPM1 pasa a

Clear (si el parámetro auto­clear es verdadero)

93

Transmisión cíclica

• En la configuración el utilizador afecta o no cada esclavo a DPM1 • Etapas de transmisión: § parametrización § configuración § transferencia de datos

• El utilizador puede reparametr izar los esclavos a través de DPM1

94

Funciones DP Extendidas • Permiten la transmisión acíclica

de datos § Permite utilizar una

herramienta de desarrollo (DPM2) sin perturbar la red

§ Se utilizan para la explotación en línea de instrumentos PA

• Se debe aumentar el tiempo de token para que el maestro pueda ejecutar los dos tipos de intercambio

• Funciones: § Direccionamiento de datos

por numero de ubicación e índice

§ Transmisión acíclica de datos • Longitud máxima del bloc de

datos : 244 bytes

PROFIBUS PROFIBUS FMS FMS

Se utiliza para la comunicación a nivel de célula entre API y PC

Pr ivilegia la r iqueza funcional y no el tiempo de respuesta Unifica procesos de aplicación repar tidos en un único proceso

común utilizando relaciones de comunicación. Dispositivo de campo virtual (VFD):

Parte de una aplicación (en un dispositivo de campo) accesible a la comunicación

96

VFD

97

Objetos de Comunicación

• Los Objetos de Comunicación de un equipo FMS figuran en el diccionar io de objetos (OD) que contiene: § la descripción , la estructura y el tipo de cada dato § la relación entre las direcciones internas de los objetos § Designación de los objetos en el bus (índice­ nombre)

• Objetos dinámicos y estáticos § según sean o no son modificables en modo explotación

• Tipos de Objetos üVariable simple/Tabla/Estructura/Dominio/Evento

• Direccionamiento lógico: § numero sin signo de 16 bits

98

Inter face LLI • Provee las relaciones de comunicación para la ejecución de los servicios FMS

y de gestión.

• modo conectado • representan una conexión lógica de

igual a igual entre dos procesos aplicativos § Etapas de una conexión: ü Initiate inicia la transmisión ü Si esta etapa resulta , el enlace queda protegido ante accesos no autorizados y listo a transmitir ü Cuando la conexión no se utiliza más se libera con un Abort

§ Conexión definida: El compañero de comunicación se define en la configuración

§ Conexión abierta: Se define en el momento de la conexión.

• modo no conectado: § Le permite a un equipo dialogar con

varias estaciones a la vez, por medio de servicios no confirmados. üDifusión Broadcast üDifusión multicast

• Todas las relaciones de comunicación de un equipo están en la lista CRL ( Communication Reference List) § Cada relación de comunicación se

identifica .por una referencia de comunicación local (CR)

PROFIBUS PROFIBUS ASPECTOS APLICATIVOS ASPECTOS APLICATIVOS

Perfiles Aplicativos Describen la interacción de los perfiles de comunicación y perfiles

físicos en ciertas aplicaciones o equipos: Automatización de procesos

Gestión de edificios Control de velocidad

Encoders Definen el comportamiento de los equipos de campo en el bus Profibus PA: describe los parámetros y los bloques función de

instrumentos de procesos ( transmisores, válvulas, posicionadores)

Variación electrónica HMI

100

Per fil PA • Para automatización de procesos: utiliza el soporte físico IEC 61158­2 • Define § Parametrización y comportamiento de instrumentos independientemente del

fabricante § Descripción de funciones y comportamiento del instrumento ü Bloques función

§ Comunicación con funciones de base DP § Instrumentos se comunican üen forma cíclica con un master DPM1 üEn forma acíclica con DPM2

• Definiciones aplicativas § Unidades de valor de medida § Significado de los valores de estado

• Especificaciones independientes del instrumento: § Unidad de medida § Alcance mínimo y máximo

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

101

Parámetros de transmisor

102

Per fil PA • Se compone de § Una especificación general ü Contiene las definiciones aplicables al conjunto de instrumentos

§ Fichas técnicas de equipos ü Informaciones propias de cada tipo de instrumento ü Equipos: Captadores de presión, nivel, temperatura y caudal, Entradas y salidas analógicas y TON, Válvulas , posicionadores, analizadores

Bloques función PA • Representan funciones usuar io • Se complementan con dos bloques sobre el equipamiento: § Bloque transmisor üDatos propios de la aplicación , como por ej. Parámetros de reglaje

§ Bloque físico ü Identidad del equipo: nombre, fabricante, versión , número de serie

• Los parámetros de entrada y salida de los bloques pueden ser enlazados por el bus

• Una aplicación contiene var ios bloques función integrados en el instrumento

103

Perfil segur idad (PROFISafe) • Define la conexión de equipos de

segur idad (paradas de emergencia , bar reras , enclavamientos ) a los automatismos programables § Para alcanzar niveles SIL 3 o AK6 (

categoría 4 ) • Acepta cualquier capa física • Tiene en cuenta todos los er rores que

se pueden filtrar en una transmisión ser ie § Repetición, pérdida, error de secuencia,

retardo, corrupción de datos • Define mecanismos complementar ios

de segur idad § Numeración de tramas, seguimiento

temporal con ACK, identificación fuente destino, control de redundancia cíclica, monitor SIL

104

Per files de equipamiento

• Comandos numér icos y robots § Comando de robots de manipulación y ensamblado en DP § Los logigramas describen los movimientos del robot

• Encoders § Comando en DP § Hay dos clase de equipos que definen las funciones de base y

complementarias § EJ: escalado, tratamiento de alarmas, diagnóstico

• Velocidad Var iable • Parametrización y transmisión de consignas y valores reales

• HMI • Especifica la conexión en DP( extendido) de equipos de campo

con los niveles más altos

105

Configuración e identificación de equipos

• Los equipos vistos desde la red se diferencian por § Sus funcionalidades: numero de señales de E/S, mensajes de

diagnóstico, status. § Parametraje del bus : velocidad, seguimiento temporal

• Para simplificar la configuración del bus y permitir Plug and Play las caracter ísticas de los equipos se condensan en archivos: § Base de datos del equipo o archivo GSD

• Hay útiles que permiten la configuración de la red utilizando los archivos GSD

106

Archivos GSD

• Especificaciones generales § Fabricante, versión, velocidades posibles, afectación de señales

• Especificaciones para estaciones maestras § Numero máximo de esclavos, posibilidades de carga remota

• Especificaciones en los esclavos § Numero y tipo de vías de E/S § Definición de mensajes de diagnóstico

107

Identificación del equipo • Cada esclavo o maestro DPM1 debe poseer un número de

identificación del tipo de equipo • El maestro compara ese numero con lo que tiene

configurado, si no coinciden no se comunica • Los números los establece la asociación Profibus § Ej: 9700H a 977FH son para instrumentos PA

Archivos EDD (Electronic Device Descr iption) • Resumen todas las propiedades del aparato desde el punto

de vista de la red • Dos par tes: § Descripción de variables y funciones del aparato § Precisiones sobre el modo de explotación y visualización

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

ControlNet ControlNet

Fabiana Fer reira

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

109

Caracter ísticas • Red simple y de instalación económica • Ofrece instalación flexible § Soporta cualquier topología ( bus, estrella, árbol) § Los taps se pueden conectar en cualquier punto de la red

• Redundancia de medio físico de bajo costo • Combina intercambio de I/O cíclico con mensajer ía peer ­to peer § Ej: 32 nodos con 8 bits I/O en 2 ms

• permite configuración y carga y descarga de programas on line • Modelo Productor­ Consumidor • Sincronización con precisión de 10 ms • Máximo 99 nodos

• Desar rollada por Rockwell Automation/Allen­Bradley y introducida en Noviembre 1995

• Disponible para terceros en Diciembre 1996 • Formación de Asociación independiente en Mayo 1997 • Especificación ControlNet International • Norma IEC 61158 tipo 2

110

Posicionamiento

111

Protocolos

112

Capa Física • Medio Físico • Tres var iantes: § RG6 ( cable TV) coaxial con

conectores BNC en bus § Fibra óptica en punto a punto § NAP (Network Acces Port ):

conexión local RS422 que permite acceso temporal par instalación, programación y mantenimiento.

• RG6 y coaxil permiten segur idad intr ínseca

• Hasta 99 nodos • Distancias: § 1000 m con dos nodos § 250 m con 48 nodos § 25 km con repetidores

• 5 Mbits/s • Codificación Manchester • Paquetes incluyen CRC de 16 bits

113

Arquitectura • hardware § Controladores (PLC,

PC) § Terminales de

programación § Terminales

operador § Racks de I/O

• Software § de programación § herramientas de

configuración § de interfase operador

114

Acceso al medio • CTDMA ( Concur rent Time Domain Multiple Acces) § División de tiempo en ciclos repetitivos denominados NUT (Network Update

Time) . 2 a 100 ms • Cada nodo accede al medio dentro del NUT mediante un token § Los nodos acceden al medio y difunden sus datos ü Si no tiene nada que transmitir mandan un trama null

§ No hay arbitrador central: todas las estaciones están sincronizadas § Rotación de token por Round Robin ü Si se pierde el token el nodo con el siguiente MACID retoma

115

MAC • Comunicación asincrónica: § Se realiza en el intervalo que queda libre en el NUT después que todas

las estaciones se pasaron el token una vez § Al final del NUT hay un periodo para sincronización “Guardband”

• NUT Tiene tres par tes: § intercambio cíclico : NUI ( Network Update Interval) ücada nodo tiene oportunidad de transmitir una vez en esta parte

§ intercambio acíclico ümecanismo round robin ü la rotación se repite hasta que alcanza el tiempo

– determinado por la carga de tráfico cíclico y el tiempo de NUT – Se garantiza que al menos 1 nodo pueda transmitir

§ mantenimiento: üel nodo de menor dirección transmite trama de sincronización

116

Tramas MAC • Para incrementar la eficiencia, los diversos paquetes de datos (Lpacket)

provenientes de la aplicación se ensamblan dentro del nodo en una trama MAC

• Los paquetes de datos no contienen dirección de emisor y receptor sino sólo un CID ( Connection ID): Modelo Productor Consumidor

117

Capas super iores • Usa el modelo objetos de DeviceNet (CIP) • Requiere una conexión formal entre entidades • Conexiones: peer ­to­peer / multicast • data tr igger : cíclico/ cambio de estado/ strobe/ Pool

• Modelo objetos : igual que DeviceNet + tres objetos específicos § Control Net Object ( por DN Object) § ControlNet Keeper Object: contiene información sobre estructura de toda la red § ControlNet Scheduling Object

Otros Objetos

Control Net Object

118

ControlNet • 4 tipos de dispositivos desde el

punto de vista de transmisión: § Servidores de mensajería explícita ü Sólo pueden responder a mensajes explícitos

§ Servidores de mensajes de I/O ( o adaptadores) üNo pueden iniciar conexiones de I/O üUna vez iniciadas las conexiones de I/O pueden enviar mensajes múltiples de I/O con diferentes triggers

§ Adaptadores con clientes de mensajería explícita

§ dispositivos full (scanners):

• Gestión de red • Provee re­scheduling dinámico § cada nodo tiene una copia de los

parámetros de enlace e información de scheduling propia

§ Nodos específicos (Keeper nodes) tienen una copia del scheduling y parámetros globales üKeeper primario : asegura la consistencia general de la configuración en arranques y reconfiguraciones on line üKeepers secundarios: son backup del primario

NUEVAS TECNOLOGIAS NUEVAS TECNOLOGIAS

Fabiana Fer reira

Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería

Universidad de Buenos Aires

120

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

121

Pros y contras del uso industr ial de TCP­IP

• 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

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

FOUNDATION FOUNDATION Fieldbus Fieldbus HSE HSE

Fabiana Fer reira

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

123

Arquitectura

124

Arquitectura

125

Topología

126

Diseño tolerante a fallas

127

Configuraciones Futuras

100 MB/s Switch

Redundant Linking Device

PLC

100 MB/s Ethernet

Operator Station

HSE Hybrid Controller

Corporate LAN

Firewall

ControlNet to H1 Converter

128

Conexión a otros sistemas

Host / SCADA Layer

Data Historian Layer

Corporate LAN

CEO’s PC

Web / WAP Server

129

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

corta para instrumentos. • Requiere cable costoso para

largas distancias • Necesita un switch con un port

por 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

130

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 unit of all Fieldbus functions

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

Ethernet Ethernet /IP /IP

Fabiana Fer reira

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

132

Posicionamiento

133

Protocolos

134

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

üUsa TCP/IP para mensajes explícitos üUsa UDP/IP para mensajes de I/O

Any IP based network (i.e., Ethernet) Any IP based network (i.e., Ethernet) Network Access Network Access

Layer Layer

ARP ARP IP IP RARP RARP

ICMP ICMP OSPF OSPF

TCP TCP UDP UDP

FTP FTP HTTP HTTP BOOTP BOOTP DHCP DHCP DNS DNS CIP CIP SNMP SNMP

Internet Internet Layer Layer

Host Host ­ ­ to to ­ ­ Host Host Layer Layer

Process Process Layer Layer

IGMP IGMP

IGRP IGRP

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

Ethernet: parámetros de la comunicación

135

Ruteo

Ethernet

(PC) Programming

SW

ENET

(PC) Data

Collection

DeviceNet

I/O D N E T

P L C

I/O I/O

Router

I/O

ENet to DNet DNet to ENet

I/O DNet to DNet

ENet to ENet

DNET

DNET

DNET

ENET

DNET I/O

DeviceNet

DeviceNet

DNet to ENet to DNet

Router

Router

136

Arquitectura

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

Profinet Profinet

Fabiana Fer reira

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

138

Escalabilidad de redes

139

Comparativa

140

Redundancia

141

Switches Industr iales (SCALANCE)

142

Niveles de Segur idad

143

Profinet

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

Enlaces Enlaces inalambr icos inalambr icos

Fabiana Fer reira

•Laborator io de Electrónica Industr ial­ Dto. de Electrónica

145

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

146

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

147

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

148

CAN sobre Bluethoot CAN 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 Transmition Method

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 que transmitirán las tramas CAN.

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

acceso inalámbrico a una red CAN vía una computadora

§ Gateway CAN­Bluetooth: comunicación de dos o más redes CAN a través de un gateway Can­Bluetooth

CAN Bus Interfaz CB

PC

CAN Bus Gateway CB

CAN Bus Gateway CB

149

Arquitectura Gateway CAN­ Bluethoot

Server Applications

CAN Link Layer

L2CAP Encapsulation

CAN Link Layer

L2CAP

HCI HCI

L2CAP

Reverse Encapsulation

Diagnostic Applications

CAN Device CAN­BT Gateway Client

150

RFieldbus

• Es una red hibr ida 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 r adio(LBS)

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

151

Dispositivo RFieldbus

152

Modulo infrar rojo Profibus

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

por ts por modulo)

153

Ejemplo comunicaciones wireless

154

Evolución de comunicaciones