Buses de Campo Completo
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INTRODUCCION A LOS BUSES INTRODUCCION A LOS BUSES DE CAMPO INDUSTRIALES DE CAMPO INDUSTRIALES
FABIANA FERREIRA
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Índice del cursoParte 1- Introducción
Parte 4- Datos de mercado, comparativas , etc
Parte 2- Descripción de perfiles de redes industriales
Parte 3 –Ethernet y Wireless
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Temario • INTRODUCCION
Necesidades de comunicación industrial. Arquitectura de Sistemas de Control industrial. Clasificación de redes industriales. Normalización. Familias de buses de campo. Buses de sensores y dispositivos. Las características de la capa física.
• BUSES DE CAMPO EXISTENTES : El bus ASi: características generales. Conexión de entradas salidas digitales y
analógicas. Topologías. Conectores. Rango de aplicación. El bus CAN. Mecanismo de acceso al medio y control de errores. Nodos CAN. Medios
físicos. Diversas implementaciones de CAN DeviceNet: descripción general. Topología. Conexión de diferentes equipos. Sistemas
de conexión. Integración con otras redes. Profibus : Perfiles DP y PA. Diferentes medios físicos. Multimaster y monomaster.
Conectores DP/PA. Integración con otros niveles de redes. Foundation Fieldbus . Surgimiento. Topología de redes. Definición de segmentos.
Integración de segmentos. Utilización en seguridad intrínseca. Características del medio físico.
• TENDENCIAS : Utilización de Ethernet a nivel industrial. Historia. Normalización. Tipos de redes
Ethernet industriales. Perfiles comerciales. Perspectivas futuras Integración entre diferentes buses de campo: interfases y conectores. Integración en
arquitecturas. Tendencias en comunicaciones industriales. Ethernet inalámbricas.
INTRODUCCIINTRODUCCIÓÓNN
3
5
Componentes de sistemas de automatización industrial
Tratamiento de
la información
Comunicación
Sensores o
Captadores
Actuadores
Progra
maciónOtros
procesosHMIReglaje
Dispositivos
de campo
Máquina , instalación o proceso
Pre-
Actuadores
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Equipos que integran un sistema de control industrial
• - Dispositivos de campo: sensores, actuadores y elementos HMI (Interfase Hombre Máquina).
- - Controladores: DCS, controladores multilazo, controles numéricos, PLC, etc.
- - Estaciones de supervisión : generalmente PC´s corriendo software SCADA HMI.
Los controladores :-reciben las señales provenientes de los transmisores, -las procesan ejecutando una lógica, programa o algoritmo de control -envían las ordenes a los actuadores.Los supervisores permiten:
- observar el estado de todo el sistema, - comandarlo,- realizar acciones correctivas, - almacenar y procesar información - comunicarse con otros sistemas de la empresa
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Un proceso se realiza en dos estaciones separadas 500 m
Necesidades de comunicación Un proceso se realiza en dos
estaciones separadas 500 m
Para completar un lazo, se requiere un dato de un sensor distante.
• Una estación de supervisión debe cambiar parámetros del proceso
• Los actuadores y sensores están distribuidos en centenas de metros.
• Comunicación entre controladores
• Comunicación entre dispositivos de campo y controladores
• Comunicación entre dispositivos de campo y controladores + control distribuido
• Comunicación entre controladores y supervisión
• Un sistema de mantenimiento requiere datos de tiempos de operación de una válvula
• Se requiere usar una terminal de dialogo o un variador de velocidad
• Comunicación entre sistema de automatización y otros sistemas de la empresa
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Gabinete Marshalling Tradicional
Gabinete remoto PROFIBUS
Reemplazo de cableado
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Evolución de arquitecturas
• Sistemas de control cableados
• Sistemas de control cableados con red de supervisión
• Sistemas de control en red (NCS)
• Sistemas de control fieldbus (FCS)
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Sistemas de control cableados • Dispositivos de campo cableados en forma individual a
las interfases de entrada – salida de los controladores
• Comunicación con estaciones de supervisión a través de interfases serie punto a punto o protocolos propietarios
r e d e s p r o p ie t a r i a s o s e r i e
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
C a b l e a d o i n d i v i d u a l
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Sistemas de control cableados con red de supervisión
• dispositivos de campo cableados en forma individual
• Red propietaria o semi abierta entre controladores y supervisores
R e d p r o p i e t a r i a
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
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Sistema de control en red (Network Control System) NCS
• dispositivos de campo cableados a través de un bus de campo
• Bus de campo , red semi abierta o abierta entre controladores y supervisores
Bus de campo
Red desupervisión
Controlador
T AA TTAT
Controlador
Supervisor
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Sistema de control fieldbus(Fieldbus Control System) FCS
• La única red es el bus de campo • Se elimina el controlador• Requiere de dispositivos de campo inteligentes (smart
devices)
Bus de campo
T AA TTAT
Supervisor
8
15
Integración de sistemas
Redes industriales
cam
poce
lda
Supe
rv.
Fábr
ica
Neg
oc.
Com
p.
Aut
omat
izac
ión.
Info
rmát
ica.
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Lazo de control y comunicaciones
CONTROL ACTUADOR PROCESO
MEDICION
SP e
m
VC
A/D
D/A
Algoritmo de control
CONTROLADOR DIGITAL
Alg. deControl
Alg. decontrol
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Clasificación de redes
Red de celda o red intermediaria:
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 fábrica:
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:
Dispositivos de campo: captadores, actuadores, Elementos HMI
Equipos que soportan procesos de aplicación: controladores (PLC, CPU de DCS, CN, Robot), Computadoras, Sistemas HMI
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Clasificación de buses de campo
FIELDBUS
DEVICEBUS
Tipo dedatos
Funciones
Bit Byte Paquetes
SENSORBUS
CtrlLógico
Ctrl. deProcesos
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, Device-Net, 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
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SAP R/3 @@
Office
LAN
Etherne
t
Office LAN Etherne
t
PlantMaintenance
Plant Information
OPC-Server
OS-LAN Ethernet
OS clients
OS server(redundant)
BATCHclients
Service
EngineeringStation ES
SIMATIC PDM
EngineeringToolset
OS Single Station
Industrial Ethernet / Fast Ethernet
PROFIBUS-PA
ET 200M
Fail safe
DP/PA-Link
AS
ET 200M
PR
OF
IBU
S-D
P
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DP/PA-Link
ET 200iS
PROFIBUS-PA
PROFIBUS-DP
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Zone 2
Zone 1
AS
PR
OF
IBU
S-D
P
DP/PA-Link
PROFIBUS-PA
Y-Link
COx,NOx, ...
DP/EIB
DP/AS-I
Batch server
MES ITFramework
Components
Internet/Intranet
Co
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Info
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PR
OF
IBU
S-D
P
20
Clasificación por dominio de aplicación
Procesos continuos
Gestión de edificios (domótica)
Industrias manufactureras
Sistemas embarcados
Transporte de energía y fluidos
Sistemas de comunicación
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21
Plant
Smart
Device Contr
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et
Inte
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P
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Sensor BusDevice BusField Bus Control Bus
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Worl
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IP
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HE
LO
N
PR
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IBU
S P
A
Process
Unit
Bit I/O
Buses de campo
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Historia• fin de los 70´s – Primeras Redes
industriales propietarias Entre controladores
PLC( Modbus-MODICON), DCS: WPDF (Westinghouse)
Ppara resolver problemas de heterogeinedad
LAC, FACTOR, MAP
• 80´s : redes propietarias PLC – Telway- Unitelway (Telemecanique),
Data Highway (Allen Bradley), Sinec(Siemens ), Tiway( Texas )
• 1982- Se crea grupo de trabajo en Francia para obtener un bus industrial único especificación FIP ( Factory
Instrumentation Protocol)
• 1983- Comienza P-NET ( Dinamarca)• 1984-Especificación 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.
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Normas IEC FieldbusIEC TC65/SC65C/WG6
• 1993- Norma IEC 1158-2- Capa Física• 1996- IEC 61158- 1 Draft de DLL(FIP) Rechazado 12/96• 3/1998-Draft DLL aprobado ( similar a ISA TR50.02 partes 3 y 4)• 1999 a 2000- Se terminan de aprobar las restantes partes
• IEC 61158-1, Introduction
• IEC 61158-2, Physical LayerSpecification and Service definition
• IEC 61158-3, Data Link ServiceDefinition
• IEC 61158-4, Data Link ProtocolSpecification
• IEC 61158-5, Application Layerprotocol Specification
• IEC 61784, Profile Sets forContinuos and discretemanufacturing
• Tipos norma IEC:
1- FOUNDATION Fieldbus
2-ControlNet ( ControlNet, Ethernet/IP)
3- Profibus (DP y FMS)
4- P-NET (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, reduced6/2)
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Redes industriales
ASi
CANbus
DeviceNet
FIPIO
P-Net
LonWorks
InterBus-S
BAC-net
WorldFIP
PROFIBUS
FOUNDATION Fieldbus
Control – Net
Swift-Net
HART
Modbus
Ethernet
Bluethoot
Zigbee
IEEE 802.11
Power LineCommunication(PLC)
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25
Algunos datos de mercado (procesos continuos)
26
Datos de mercado
14
27
Segmentación por industria (FF)
28
Comparativa datos de mercado
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Características
• Principales requisitos Seguridad de funcionamiento Alta inmunidad a interferencias Robustez
Adaptados al usuarioPredeterminadoServicios
AleatorioDeterminísticoTráfico
PersonasProcesosUsuario
Red de datosRed Industrial
generalesSegún aplicaciónMétodo de comunicación
No críticoCríticoTiempo de respuesta
Todos los usuariosPredeterminadaSimultaneidad
• Son Redes en tiempo real
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Requisitos para un bus de campoTransmitir datos periódicos antes que
vuelvan a ser muestreados
Transmitir datos aperiódicos dentro de un tiempo acotado
Transportar pequeños paquetes de información en un tiempo acotado
Muestrear en forma simultanea y periódica cierta cantidad de entradas
Indicar si los valores adquiridos están dentro del error aceptable para el intervalo de muestreo ( consistencia temporal )
Proveer medios para conocer el orden en que se produjeron eventos esporádicos
Permitir transmisiones punto a punto y multipunto
Resistir interferencia , vibraciones, etc.
Bajo costo en todo el ciclo de vida de la aplicación
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ALGUNOS CONCEPTOS ALGUNOS CONCEPTOS BBÁÁSICOS DE SICOS DE
COMUNICACICOMUNICACIÓÓN N DE DATOS DE DATOS
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Fuentes de atenuación y distorsión
• Atenuación
• Ancho de banda limitado
• Distorsión de retardo
• Ruido
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Esquema de la comunicación
Dos o más entidades que deseen comunicarse (emisor – receptor)
Compartir un canal Compartir un código
• Compartir un canal Medio Físico
Cable, fibra optica, radio, satélite, etc
Medios de conexión
niveles de señal en ese canal
parámetros del canal (velocidad)
Forma de compartir el canal
Topología
• Compartir un código Representación de info
especificas a la utilización
Encriptación
Sintaxis
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Ejemplo de comunicación
18
35
Modelo OSI / Arquitectura IEEE 802
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
MAC - LLC
Física
Capa Superior
LLC
MAC
PHY
Cable de Conexión
ConectoresMEDIO
• 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 (PhysicalSignalling Layer)
• Asegura: Emisión /recepción de
bits Codificación de
señales binarias Reconocimiento de
préambulos y delimitadores de trama
• Utiliza un “physicalmedium attachment”para acceder al medio
Medium Access Control (MAC)
• Reglamenta el acceso al soporte 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
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Capa física en redes industriales • Cada protocolo define su :
Soporte físico: Cable blindado (doble o simple par), cable especial, fibra óptica, wireless Muchas redes permiten varios medios físicos distintos
Conexiones Especialmente diseñadas para soportar ambientes industriales Que permitan conexión y desconexión de dispositivos con la red operando Posibilidades de extensión de la distancia Terminadores para evitar reflexiones de la señal
Velocidad de transmisión: Inversamente proporcional a la distancia Se aceptan varias velocidades aunque todos los dispositivos conectados a una misma
red deben estar a igual velocidad De 10 kbps a 10 Mbps
Señalización : Como se traduce un 0 o 1 del código a niveles de tensión o corriente
Topología: distancia, cantidad de nodos, distribución
Seguridad intrínseca Alimentación
Llevar alimentación y potencia por la red Conexión de fuentes
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Topologías Típicas
Esclavo
Estrella Linea Rama o Bus Arbol
Esclavo
Esclavo
Maestro
Controlador
Maestro Maestro
Controlador
MaestroMaestro
Controlador
MaestroMaestro
Controlador
Maestro
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
EsclavoEsclavo
EsclavoEsclavo
Esclavo Esclavo
Esclavo
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Longitud de cable y velocidad para RS485
20
39
Distancias punta a punta
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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
21
41
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
42
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 variable
Cliente
Cliente
Serv.
Serv.
Enviar dato A
A= 25
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43
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
MonitoreoRPM Variador
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Mecanismos de Acesso al Medio(MAC)
Determinísticos
• Se sabe exactamentecuando le toca acceder a cada estación pasaje de token
TDMA (Time DivisionMultiple Access)
Ventaja:
se conocen lostiempos de respuesta
De Acceso aleatorio
• Cada estación accedeal medio cuandonecesita transmitir CSMA (Carrier Sense
Multiple Acces)
Ventaja:• Velocidad de respuesta
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CSMACarrier 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
• CSMA-CD (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
• CSMA-CA (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
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Pasaje de Token• Solo la estación con el
token envia mensajes (tmax)• no periódico• Problemas:
pérdida de token mensajes urgentes
• Ej: IEEE 802.4 (bus) e IEEE 802.5 (ring)
ST2 ST4
ST1T
TT
• TDMA (Time Division MultipleAcces)• 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
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Master-Slave
Maestro
I/ORPM Motor
Maestro
I/ORPM Motor
Maestro
I/ORPM Motor
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Conexión
• Conexión= canal lógico de nivel N por el que pasan los PDU (N) Puede haber conexión en cada nivel del OSI ( N-Connection) El establecimiento de la conexión se negocia entre las dos N-entidades 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 ciertos parámetros (ej. Tamaño máx de datos)
Asegura el control de flujo
• Fases de una conexión Establecimiento de la conexión: Transmisión de un PDU de
apertura/Recepción de la respuesta/Negociación de parámetrosSi una de las entidades no se puede comunicar la conexión fracasa
Transferencia de datos Fin de la conexión
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Conexión TCP
(a) Normal operation, (b) Old CONNECTION REQUEST appearing out of nowhere.
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Reconocimiento (ACK)• Sólo para protocolos de
nivel 2 y 4 Stop- and- wait : Se espera
un ACK desde que se transmite un PDU
ACK+: Se transmite otro PDU
ACK – o no llega ACK: se repite el PDU hasta un nro máximo de repeticiones
Go. Back-N: el emisor emite varias PDU ( hasta su crédito de emisión) hasta esperar ACK
Repetición selectiva
Go back-N
Repetición selectiva
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INTRODUCCION A LOS BUSES INTRODUCCION A LOS BUSES DE CAMPO INDUSTRIALES DE CAMPO INDUSTRIALES
Parte 2: Algunos buses existentes Parte 2: Algunos buses existentes
FABIANA FERREIRA
ActuatorActuator Sensor Sensor
InterfaceInterface
((ASiASi))
Fabiana Ferreira
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AS-i en automatización• Para conectar sensores y actuadores con controladores
Nivel de control
Sensores y actuadores
EsclavoEsclavoEsclavoEsclavo Esclavo EsclavoEsclavo Esclavo
Maestro
Nivel de campo:
CAN DeviceNet FIP Interbus Profibus etc.
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Ahorro de cableado
• Cableado tradicional
C1
C4
C3
C2
M1 M3M2
• Con AS-i
Maestro
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55
Caracteristicas del bus AS-i
Slave
Slave
Slave Slave
Slave
Slave
Slave
Master
Slave
Slave
HostAS-i -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
PLC o Gateway Esclavos
Modulos para conexión de I/ODispositivos con chip AS-I integrado
Fuente de 30,5 VDC Cable AS-i u otro
Datos y alimentación en el mismo cable
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Maestro-Esclavo• 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 para 31 esclavos
En la versión 2.1 se pueden direccionar dos esclavos A y B en cada nodo pero se chequea uno por ciclo
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
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Direccionamiento y parametrización de esclavos
• Direccionamiento individual por terminal
Addressing unitProgramming
and service unit
• Direccionamiento automático por el maestro
Master
• Parametrización a distanciaAS-Interface Master
projectedparameter
Slave 1Slave 2
Slave 31
actualparameter
AS-i Slave 20
Up to 31x 4 data bits
Slave 1 Slave 31
actualparameter
1 1 1 01 1 1 1
1 0 1 0
1 1 1 0Slave 20
1 1 1 01 1 1 1
1 0 1 0
1 1 0 0 1 1 0 0
1 1 0 0
1 1 1 0
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Cables • Cable Amarillo
Conectable por perforación de aislamiento.
perfil del cable para evitar los cambios de polaridad
Grado de protección IP65/67. Autocicatrizante Módulos que adaptan el cable AS-i a
otros• Puede emplearse cualquier bifilar de 2
x 1.5 mm2 sin apantallamiento ni trenzado
• Otros Cables Auxiliares Cable Negro : alimentación auxiliar de
24 V DC a los esclavos AS-i. Cable Rojo. : alimentación auxiliar de
220 V AC. Cable Amarillo Resistente: Cable Redondo: Simil cable amarillo, Cable Redondo Apantallado.
AS-Interfaceelectric-mechanics
piercing connectors
mechanical coded
flat cable
30
59
Topología
Esclavo
Estrella Linea Rama Arbol
Esclavo
Esclavo
Maestro
Controlador
Maestro Maestro
Controlador
MaestroMaestro
Controlador
MaestroMaestro
Controlador
Maestro
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
EsclavoEsclavo
EsclavoEsclavo
Esclavo Esclavo
Esclavo
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Extensión de la red
Solution A: 1 extender and 1 repeater
Longitud máxima de todos los cables AS-i en un segmento : 100m
Supply
Slave
SlaveSlave
Slave
Slave
Extender RepeaterMaster
Supply
Segmentmax. 100 m
Segmentmax. 100 m
Segmentmax. 100 m
Max. number of slaves over all is 31 !
!
Supply
!
Se puede extender la red hasta 300m usando extender o repeater
31
61
Ejemplo de red
62
Maestro ASi
• Dos tipos: estándar : 31 esclavos
Extendidos: hasta 62 esclavos extendidos,
• Algunos maestros AS-i pueden ser simultáneamente esclavos de otra red de nivel superior, hace las veces de pasarela
32
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Modulos ASi• Módulos Activos.
integran un chip AS-i poseen una dirección en la red ( 4 bits de entradas y 4 bits de salidas Para conectar sensores y actuadores convencionales.
• Módulos Pasivos. Sólo proporcionan medios para
cambiar el tipo de cable, ASi a M12 bifurcaciones en la red en topologías de tipo árbol conexión de sensores y actuadores AS-i con chip integrado. no poseen dirección de red,
65
Fuentes
• Son fuentes especiales: potencia a los esclavos
conectados
29.5 y 31.5 V DC.
Resistentes a cortocircuitos y sobrecargas.
Cada segmento de la red requiere su propia fuente
• Las salidas requieren fuentes auxiliares 24 V DC (cable negro)
33
66
Señales analógicas
67
Algunas fotos y aplicaciones
34
68
Safety• Los dispositivos de seguridad no participan del polling normal.
• Un Safety Monitor reside en el bus para escuchar sólo a los dispositivos de seguridad
• Cuando ocurre un evento de seguridad actua sobre los dispositivos de seguridad para ir a estado seguro (fail-safe).
• Se alcanza SIL3.
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Ejemplo comercial
• Phoenix Contact FIELDLINE
Extension AS-Interface
Instalación en campo rápida y económica
Extension AS-i-M12 de conexión sin herramientas al cable plano AS-i.
35
70
Referencias web
http://as-interface.net/
http://www.uhu.es/antonio.barragan/content/ (figuras )
http://www.automation.siemens.com/cd/as-interface/index_78.htm
http://www.phoenixcontact.es/productos/21718_21737.htm
PROFIBUSPROFIBUS
PROCESS FIELD BUS
36
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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
• 16 grupos regionales unidos bajo PROFIBUS
International -PI
• 28 millones de dispositivos instalados (fin 2008)
73
Evolución en el mercado
37
74
Simplificación de cableado
75
Tecnología de Comunicación • Máximo 127 dispositivos
• 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 símismos a acceder al bus
Adquieren mensajes emitidos por otros o transmiten a requerimiento del maestro
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Tecnologías de transmisión
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Capa Física con RS485 Hasta 32 nodos sin repetidores
en un único segmento
Extendible a 127 nodos con repetidores
Distancias hasta 12 km
9.6 kbit/sec (1200 m), 1.5 Mbit/sec (200 m), 12 Mbit/sec (100 m)
Usa conectores Standard de 9-pin D
Dispos. Trunkline/Dropline
Dispositivos aislados
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Fibra óptica
• Tipos de conductores disponibles
• Permite mayores distancias con mayores velocidades• Evita problemas de EMI• Segmentos en estrella o anillo• Hay fabricantes que permiten la redundancia• Existen acopladores RS485- FO
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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)• Varias topologías• Seguridad intrínseca definida por modelo FISCO • Para seguridad intrínseca una derivación puede tener como máximo 30 m
Longitud de línea
40
80
Capa Física PA- IEC 1158-2
• Acopladores de segmento: son convertidores de RS485 a IEC
1158-2 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 estálimitada
81
Estructura con PA
41
82
Estructura real de una red PF con PA
83
Comparación capas físicas
42
84
Productos comerciales
85
Características 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
43
86
Perfiles PROFIBUS
• Permiten la interacción transparente de dispositivos de distintos fabricantes Se pueden
intercambiar siempre y cuando la aplicación utilice las funciones básicas
87
Perfiles de aplicación generales
44
88
Perfil seguridad (PROFISafe)• Define la conexión de equipos de seguridad (paradas de emergencia , barreras
, enclavamientos ) a los automatismos programables Para alcanzar niveles SIL 3 o AK6 ( categoría 4 )
• Acepta cualquier capa física
• Tiene en cuenta todos los errores que se pueden filtrar en una transmisión serie Repetición, pérdida, error de secuencia, retardo, corrupción de datos
• Define mecanismos complementarios de seguridad Numeración de tramas, seguimiento temporal con ACK, identificación fuente destino,
control de redundancia cíclica, monitor SIL
89
Perfiles específicos de aplicación
45
90
Perfil PA• Para automatización de procesos: utiliza el soporte
físico IEC 61158-2 • Define
Parametrización y comportamiento de instrumentos independientemente del fabricante
Descripción de funciones y comportamiento del instrumento Bloques función
Comunicación con funciones de base DP
• Definiciones aplicativas Unidades de valor de medida
Significado de los valores de estado
• Especificaciones independientes del instrumento:
• Posibilidad de simular los valores en el transmisor de medida.
91
Integración de perfiles
Integración en el maestro
Dispositivos conectados
Funcionalidades de los dispositivos
Integración a través de herramienta de ingeniería
Información de Proceso
Gestión de activos
46
92
Aplicaciones para cada perfil
93
Implementación en dispositivos
47
94
Productos comerciales (Phoenix Contact)
Módulo Fieldline Stand-Alone,
PROFIBUS M12,
8 entradas digitales, 24 V DC,
Acoplador de bus PROFINET para Inline, 24 V DC,
Acoplador de bus PROFIBUS InlineModular DP/V1, 8 entradas: 24 V DC,4 salidas: 24 V DC, 500 mA,
Acoplador de bus FieldlineModular, PROFIBUS M12, 8 entradas digitales M12
Conector enchufable para PROFIBUSIP67
95
I/O link • Interface sensor/actuador
independiente para usarse con PROFIBUS y PROFINET. Punto a punto
Conexión de dispositivos inteligentes de nivel 0
48
96
Ejemplo comercial
• Phoenix Contact FIELDLINE IO-
Link -Comunicación universal hasta el sensor
Primeros maestros IO-Link IP67 para Profibus hasta 12 Mbits/s.
Pueden transmitir los datos , parámetros, diagnóstico y mantenimiento.
97
Profinet• Es un concepto de
integración de los distintos niveles de los sistemas de automatización que incluye Modelos uniformes de
ingeniería
Transparencia
Apertura hacia otros standards
Integración con IT
Aplicación del modelo de objetos
49
98
Referencias web
http://www.profibus.com//
http://www.profinet.com/
http://www.io-link.com/en/index.php /
ControllerController AreaArea NetworkNetwork
(CAN)(CAN)
50
100
CAN (Controller Area Network)
• Creado a mediados de 1980, con el objetivo de brindar 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
101
CAN y el modelo OSI
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física
Especificación CAN
CAN Phy (ISO 11898)
ISO 11898
CAL
•CANopen
•PCAL
Device
NetSDS
Documentos
de CiA
CAN
King
dom
51
102
Especificación CAN- El protocolo abarca las capas física (parcialmente) y de enlace de datos.- Velocidad hasta 1 Mbps.- Protocolo de comunicaciones orientado a los mensajes - Arbitraje por prioridad de mensajes (CSMA/AMP) - Resolución de colisiones.- Alta probabilidad de detección de errores.- Capacidad de implementar control en tiempo real.- Escalabilidad.- PDU (protocol data unit): tramas (frames)
de datos/ remotas/ de error/ de sobrecarga
Especificaciones
CAN 1.22048 (211) identificadores de objetoformato de tramas estándar
CAN 2.0más de 500 millones (229) de identificadoresformato de tramas extendido
103
Arbitración
Dos estados lógicos definidos dentro del bus: recesivo y dominante.
Equivale a una compuerta lógica AND: “1” lógico y “0” lógico
N1 N2 Bus
D D DDD R DDR D DDR R R
A B A.B
0 0 000 1 001 0 001 1 1
Nodo 2Nodo 1
Bus
AB
A.B
52
104
Detección de errores ⇒⇒⇒⇒ 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 biterrores de bitstuff
errores de CRCerrores de formato (en delimitadores del CRC y del ACK, y EOF)errores de ACKerrores de sobrecargaerrores de formato de la trama de sobrecargaerrores por condición de sobrecarga inconsistente
(detectables como errores de bittuffing, deCRC o de formato)
errores consecutivos múltiples
errores sucesivos múltiples
erroressimples
erroresmúltiples
error orientado al transmisorerror orientado al receptor
105
Capa Física CAN
Implementada en los
controladores
basadas en normas y
especificaciones
propietarias
ISO11898
PMA
53
106
ISO 11898-2 -Topología
A 1Mbit/s Ld<0.3 m
107
Niveles del bus
• Condición recesiva :CAN_H < CAN_L + 0.5V
• Condición dominante:CAN_H >CAN_L + 0.9V
54
108
Nodo ISO 11898-2
• La tensión diferencial en un nodo está dada por la corriente en la resistencia diferencial
109
Transceivers
55
110
Relación Velocidad-longitud bus
• ISO 11898 especifica distmáx 1 km y permite usar bridges o repeaters.
• 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
111
Referencias web
http://www.cans2u.com/
/
56
DeviceNetDeviceNet
Fabiana Ferreira
113
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 abiertos 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
57
114
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
115
Especificación DeviceNet
Perfiles de Dispositivos para obtener interoperabilidad e intercambiabilidad entre productos similares
Prestaciones del protocolo de comunicación- Peer-to- peer
-Master-Slave
-Productor- Consumidor
-Hasta 64 MAC ID’s (nodos)
cada 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
58
116
Productos DN
• Hardware Interfaces para controladores
Scanner
Modulo de comunicación
Gateway
I/O distribuidas
Interfases con otras redes
Interfases para PC’s
Sensores y actuadores
Interfases operador
• Software Monitores y gestionadores de red
Herramientas de diagnóstico
• Medio Físico
117
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 derivadores (Tap ) de potencia en cualquier punto de la red: posibilidad de fuentes redundantes
• Se pueden conectar dispositivos con alimentación externa
• Terminador de 121ΩΩΩΩ en cada fin de tronco
• Admite varias Topologías
• Básica : Tronco (trunk)- rama (drop line -spurs)
59
118
Tipos de cable
1485R/G Thin Media1/4” (6.9mm)Trunk y Drop line
1485C Thick Media1/2” (12.2mm) trunkline
1485C KwikLink Cable4 hilos
119
Conexión con kwiklinkKwikLink Network Architecture
1- KwikLink Lite IP20 Flat Media
2-Trunk Line Connector
3- Drop Line Connector
4- Terminating Resistor
5- 5-pin Open Style Connector
6- Terminal Block
7- Flat to Thin Cable Converter
8- KwikLink Drop Cable
9- ArmorBlock
10- Auxiliary Power Cordset
60
120
Otros componentes
Power Tap
Derivador de trunk
Conectores metalicos
Caja para conectar al trunk
Hasta 8 dispositivos
Caja para conectar
dispositivos
en una derivación
Derivación en T
121
Conectores
61
122
Distancias punta a punta
123
Control and Information Protocol(CIP)
Figura 11 de CIP White paper
• Modelo Objetos
• protocolo de mensajería
• perfiles de dispositivos
• Servicios
• Gestión de datos
• CIP es un protocolo orientado 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 bidireccional
62
124
Tipos de conexiones
Conexiones de I/O o de mensajería implícita proveen caminos dedicados
entre una aplicación productora y una o más aplicaciones consumidoras
Para datos orientados a control, de tiempo crítico.
• De mensajería explícita Provee un camino punto a punto
multipropósito entre dos dispositivos
Tipo REQ-ANS
125
Objetos aplicación
Register ObjectDiscrete Input PointRegister ObjectDiscrete Input Point ObjectDiscrete Output Point Object
Analog Input Point ObjectAnalog Output Point ObjectPresence Sensing ObjectGroup ObjectDiscrete Input Group ObjectDiscrete Output Group ObjectDiscrete Group ObjectAnalog Input Group ObjectAnalog Output Group ObjectAnalog Group ObjectPosition Sensor Object
Position Controller Supervisor Object
Position Controller ObjectBlock
Sequencer ObjectCommand Block ObjectMotor Data ObjectControl Supervisor ObjectAC/DC Drive ObjectOverload ObjectSoftstart ObjectSelection ObjectS-Device Supervisor ObjectS-Analog Sensor ObjectS-Analog Actor ObjectS-Single Stage Controller
ObjectS-Gas Calibration ObjectTrip Point Object
63
126
Perfiles de dispositivos definidos
Generic DeviceAC DrivesMotor OverloadLimit SwitchInductive Proximity SwitchPhotoelectric SensorGeneral Purpose Discrete I/OResolver Communication AdapterControlNet Programmable LogicController -- Position Controller
DC DrivesContactorMotor StarterSoft StartHuman Machine InterfaceMass Flow ControllerPneumatic ValvesVacuum Pressure GaugeControlNet Physical Layer
• Los desarrolladores de dispositivos deben usar un perfil 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 perfil 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
127
PERFIL DE VARIADOR CA
Electronic Data Sheet (EDS)
A-B Mitsubishi Magnetek
start/stop start/stop start/stop
fwd/rev fwd/rev fwd/rev
accel/decel accel/decel accel/decel
A-B Mitsubishi Magnetek
eng. units foreign lang. (none)
power calc. temp. calc.
Según perfil deDispositivo
Adicional Fabricante
Archivo ASCII
Provee una descripción de los atributos del dispositivo
Atributos públicos correspondientes al perfil de dispositivo
Atributos específicos del fabricante
64
128
Productos (Phoenix Contact )
Cable de sistema de bus, DeviceNet/CANOpen, 5 polos, apantallado, conector macho acodado M12 a extremo de cable libre, longitud: Variable, 0,2 m hasta 40,0 m
Acoplador de bus DeviceNet™, 24 V DC, sinaccesorios
Módulo Fieldline Stand-Alone, DeviceNet™ M12, 4 entradas digitales, 24 V DC, 4 conductores, 4 salidasdigitales, 24 V DC, 3 conductores
Acoplador de bus DeviceNet™, 8 entradas 24 V DC, 4 salidas 24 V DC, 500 mA, completo conconectores para periferia
129
Referencias web
http://www.cans2u.com/
http://www.odva.org//
http://www.ab.com/networks/devicenet/
65
FOUNDATION FOUNDATION FieldbusFieldbus
Fabiana Ferreira
131
Fieldbus Control System (FCS)
66
132
Distribución 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
4-20 mA+ HART
HFHF
I.S.I.S.I.S.I.S. I.S.I.S.AMS
System
HFHF HFHF
Controller
I/O
Subsystem
133
Redes FF• H1 - Baja velocidad para control
de procesos• (Reemplaza la tecnología 4-20
mA)
• 31.25 Kbit/s
• Alimentación por el bus• Opción Seguridad Intrínseca
• Hasta 1900 metros
• HSE - Alta velocidad parasupervisión y otros niveles
100 Mbit/sHIGH SPEED ETHERNET
67
134
Niveles de señal
135
Conexiones físicas• TOPOLOGÍAS
Bus con derivaciones
Punto a punto
Daisy-Chain
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 9-32 VDC
Filtro adaptador de impedanciapermite la utilización de fuentesconvencionales
• 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
68
136
Limitaciones
137
Arquitectura
69
138
Estructura de una red H1
139
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-Suscriptor (publisher-Suscriber)
• LAS
• Gestión Comunicación cíclica : con lista de los datos cíclicos
• Pasaje del Token
• Mantenimiento Live List
• Sincronización de tiempoLa 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 INT-8 170
B 10 INT-16 178
C 15 OSTR-32 418
D 20 UNS-32 194
E 30 SFPOINT 290
70
140
Fieldbus Access Sublayer
• CLIENTE-SERVIDOR pto a pto
por colas
1- El cliente recibe el PT y envia la REQ
2-El servidor envia la ANS cuando recibe el PT
• Uso: para ajustes de variables 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”
2-Los 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 descriptos por VIRTUAL COMMUNICATION RELATIONSHIPS (VCRs)
141
Bloques función• Las funciones de un
dispositivo se determinan por los FBs
71
142
Ejemplo estrategia de control
143
Descripción de Dispositivos (DD)• Se utiliza para agregar a los bloques
función Standard parámetros y definiciones de comportamiento. 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 escritos en un lenguaje denominado Device DescriptionLangage (DDL) Se convierten con una herramienta de
soft llamada “tokenizer”
72
144
Productos (Pepper&Fuchs)
INTRODUCCION A LOS BUSES INTRODUCCION A LOS BUSES DE CAMPO INDUSTRIALES DE CAMPO INDUSTRIALES
Parte 3: Ethernet Industrial Parte 3: Ethernet Industrial
FABIANA FERREIRA
73
146
Utilización de Ethernet como red industrial
Objetivos :•Aprovechar el menor costo del hardware Ethernet
•Unificar la red a nivel de la empresa
•Utilizar el mismo soporte técnico y hardware
•Integrar los sistemas de automatización con otros sistemas de la empresa
•Poder realizar el diagnostico, control y monitoreo de dispositivos a distancia
•via web o LAN corporativa
•Lograr un único Standard de comunicaciones para el piso d planta
Tipos de utilización a nivel industrial
•para conectar dispositivos de campo con controladores
•Como bus de campo
•Para conectar controladores y supervisores con niveles informáticos
•Como bus de celda o supervisión
147
Problemas y soluciones
Tamaño mínimo de trama : 64 bytes
No importa a velocidades altas
Puede haber colisiones y demoras en el acceso al medio
Si la red tiene poco trafico no hay colisiones
Se divide en dominios de colisión con switches
El switch agrega demoras
Se introduce un protocolo más complejo en el nivel aplicación
Hay pocas prioridades Con IPv6 habrá más prioridades
74
148
Problemas y soluciones TCP no detecta inmediatamente los
errores por lo que se puede procesar un dato erróneo (los buses de campo implementan
retransmisión inmediata
Hay que retransmitir varias veces los datos importantes
No se puede saber el orden relativo en que ocurrieron alarmas y comandos
Se puede transmitir un time stampcon el dato
Se pueden implementar algoritmos basados en relojes locales
Para intercambios en modo productor consumidor se debe
usar UDP
TCP no admite modo broadcast
149
Problemas en el medio físico
Los conectores standard RJ45 no están diseñados para ambientes
agresivos
Se utilizan conectores especiales
Los cables UTP no pueden ser utilizados
Se utilizan cables apantallados
Los switches standard no resisten al ambiente ni pueden ser montados en tableros
Se utilizan switches industriales
No lleva alimentación en el mismo cable
Esta apareciendo Power OverEthernet
75
150
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 costode 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
151
Conclusiones• Falta de mecanismos para consistencia temporal
• Falta de mecanismos para ordenar eventos
• No ofrece retransmisión rápida de errores
• No provee control de la carga en la red
• No tiene alimentación para dispositivos
• El cableado es más complejo y caro• No se garantiza la seguridad
• Hoy en día todavía hay soluciones más económicas ( según la aplicación)
• No es una solución universal por las adaptaciones necesarias
• Permite bus redundante
• Facilita acceso a redes corporativas
• Gran parte del hardware es COTS
76
152
Características de los protocolos industriales Ethernet
• Tres tipos de soluciones Protocolos integrados a una familia de redes
Comparten la capa aplicación con las otras redes y pueden utilizarse con hardware especial o COTS
Ofrecen tres protocolos :– Uno con TCP para intercambios explícitos (cliente servidor)– Uno con UDP para intercambios productor consumidor– Uno con capas adaptadas especial para aplicaciones de tiempo critico
Ejemplos : Profinet, Modbus TCP, Foundation HSE, Ethernet IP Protocolos nuevos que poseen una capa aplicación distinta con o sin
hardware especifico Utilización de Ethernet TCP-IP con hardware especial y ciertas funciones
integradas directamente en los switches.
• 10 protocolos aceptados por IEC como Publicy AvalaibleStandards (PAS)
153
Conectores industriales
Siemens
Phoenix Contact
77
154
Switches industriales
Siemens
Phoenix Contact
Phoenix Contact
FOUNDATION FieldbusFOUNDATION Fieldbus
HSE HSE
Fabiana Ferreira
78
156
Arquitectura
157
Topología
79
158
Diseño tolerante a fallas
159
Comparación HSE y H1• Esta limitada a 100 m, muy
corta para instrumentos.
• Requiere cable costoso para largas distancias
• Necesita un switch con un portpor 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
80
160
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 unitof all Fieldbus functions
Ethernet /IPEthernet /IP
Fabiana Ferreira
81
162
Protocolos
163
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
Usa TCP/IP para mensajes explícitos
Usa UDP/IP para mensajes de I/O
Red Red basadabasada en Etherneten EthernetCapa EnlaceCapa EnlaceCapaCapa ffíísica sica
IPIP
TCPTCP UDPUDP
FTPFTP HTTPHTTPBOOTPBOOTPDHCPDHCPDNSDNS CIPCIP SNMPSNMP
CapaCapade redde red
CapaCapatransportetransporte
CapaCapaAplicaciAplicacióónn
• Requiere dos objetos adicionales del CIP Objeto TCP/IP:
Objeto de enlace Ethernet: parámetros de la comunicación
82
164
Arquitectura
ProfinetProfinet
Fabiana Ferreira
83
166
Escalabilidad de redes
167
Comparativa
84
168
Protocolos ProfinetStandard channel
TCP/IP and UDP/IP Parameterization
and Configuration
Diagnose Data
Negotiating the user data
channel
Real-time channel RT High performance cyclical
user data transmission
Event triggered
messages/alarms
Real-time channel IRT Synchronous user data
transmission
Jitter <1µsecR
eal-
tim
e
RT IRT
Real-time
1
Ethernet
TCP/UDP
PROFINET ApplicationsIT-Applica-tionse.g..
HTTP
SNMP
DHCP...
Standard-Data
Process-Data
IP
2
3
1
2 3
169
Redundancia
85
170
Niveles de Seguridad
LLíínea Ethernet industriales nea Ethernet industriales
Phoenix Phoenix ContactContact
Fabiana Ferreira
86
172
Líneas de productos• Routers / Switches
Industriales Firewall /enroutador Switchs gestionados compactos y
modulares Switch con soporte Gigabit Hubs Switch modulares
• Modulo Power over Ethernet• Proxys Profinet I/O• Gateways• Convertidores de medio• Modem ethernet • Accesorios
Enlaces Enlaces inalambricosinalambricos
Fabiana Ferreira
87
174
Enlaces inalámbricos• Para aplicaciones móviles
• Para cubrir grandes distancias
• Para entornos que no admiten cableado
• Se utilizan enlaces inalámbricos para conectar nodos o segmentos a una red cableada a través de un punto de acceso
Limitaciones de enlaces inalámbricos• 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 propietarios
175
Alternativas de diseño para interconectar nodos cableados e
inalámbricos en LAN industriales. 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 propietarios
88
176
Caracteristicas IEEE 802.11• Opera en banda ISM (Industrial
Scientific Maritime) 2.4-2.4835 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 variantes de capa física DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
FHSS (Frequency Hopped SpreadSpectrum)
IR (Infrared)
• Toplogías Ad Hoc y con sistema de distribución
• Acceso al medio CSMA/CA Tiene nodos ocultos
177
CAN sobre BluethootCAN 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 TransmitionMethod
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 quetransmitirán las tramas CAN.
• Difieren en el método de transmisión y el de direccionamiento; con lo cual surgen dos posibilidades de implementación :
Interfaz CAN-Bluetooth: acceso inalámbrico a una red CAN vía una computadora
Gateway CAN-Bluetooth: comunicación de dos o más redes CAN a través de un gateway Can-Bluetooth
CAN Bus InterfazCB
PC
CAN Bus GatewayCB
CAN Bus GatewayCB
89
178
Arquitectura Gateway CAN-Bluethoot
ServerApplications
CANLink Layer
L2CAPEncapsulation
CANLink Layer
L2CAP
HCI HCI
L2CAP
ReverseEncapsulation
DiagnosticApplications
CAN Device CAN-BT Gateway Client
179
RFieldbus
• Es una red hibrida 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 radio(LBS)
que operan en distintos canales e radio• Permite manejar tráfico TCP(UDP)/IP
90
180
Dispositivo RFieldbus
181
Modulo infrarrojo Profibus
• IP65• Seteable a varios protocolos• 15 m con velocidad desde 9,6 kbps hasta 15Mbps• Conecta estaciones esclavas o segmentos de esclavos (2
ports por modulo)
91
182
Ejemplo comunicaciones wireless
183
Línea Phoenix contact
• Wireless MUX IO
• Wireless I/o
• Factory Line Bluethoot
• Factory line wirelessLAN
• Accesorios
92
184
DATOS DE MERCADO Y
COMPARATIVAS
185
Comparativa – Capa Física
93
186
Comparativa – Capa enlace
187
Comparativa capa aplicación
94
188
FUrios (2002)
• Comparison of Investment Costs
Field devices : additional cost of 4,489 €.
cost savings: solenoid valves of 7,400 €
additional costs of 11,889 € for the field devices with fieldbusinterfaces.
Add up to 0.6 percent for 770,000 € for the overall project
I/O System: cost savings of 76,212 €.
cost savings of 138,562 € unnecessary Remote I/O system
additional costs of 46,350 € for all fieldbus components as well as 16,000 € for an additional process-near component.
The cost savings amount to 18.1 percent, based on the costs for the I/O system of 420,000 €
189
FUrios (2002)
• Engineering of the Field Technology cost savings of 9,076 €.
obsolete I/O allocation planning, simplified confirmation of intrinsic safety simplified creation of typicals in the CAE system. 3.2 % of the total costs of engineering in the project, amounting to
280,000 ۥ Engineering of the DCS
savings of 10,732 €. only individual connections between field device and Remote I/O wiring, in the cable tracks and in terms of space in the control room. installation of the extremely small and light fieldbus barriers
1.5 percent, based on the costs of Process I&C of 700,000 €. • Calibration and Qualification
savings of 5,967 €. savings of 4.3%,based on the total costs of calibration and qualification of
140,000 € for the whole project.
95
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FUrios (2002)
• Commissioning Commissioning is much faster.
reduction of error sources,
the use of standards
Easier fault diagnosis due to the greater transparency
Testing of the entire, readily installed Process I&C point,
savings 2,400 €, based on half an hour savings per analogue device.
This amounts to 2.3 %, based on a total cost of commissioning of105,000 €.
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FUrios 2002
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Furios 2002• project running time
four days could be saved during installation, Five days during qualification , two days in commissioning.
the use of fieldbus can speed up the over-all project (one year) by about 10 days
• training of technical staff three technicians within the plant : savings on training about 4,000 €.
• Influence on quality Simplified error handling
Savings about 500 € a year. This is due to the low failure rate of the nowaday’stechnology : 0.5 % per year.
if fieldbus technology helps to avoid faulty batches or the loss of just one day of production, this benefit may amount to several 100,000 €.
• maintenance and inspection calibration of the production line during the annual testing is not necessary any more
Savings of 7,500 €
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Furios 2002 , Conclusions
• Outlook for users The fieldbus technology is the technological platform for further
development of the field devices.
multi-variable devices : can be connected just as easily as single value devices.
fieldbus allows a sensible and efficient integration of all into processautomation
help asset management systems to achieve the breakthrough
• Outlook for manufacturers called on for further developments,
Feeder devices (power modules) with a higher supply current
valve interface box
“mini Remote I/O”
The address scope is a limiting factor
Software tools for calculating the manufacturer specific connections
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Crecimiento del mercado
• “Fieldbus Solutions in the Process Industries Worldwide Outlook.”ARC Advisory Group study, January 2007 The global market for fieldbus solutions in the process industries is
expected to increase at a compounded annual growth rate (CAGR) of 22.3 percent over the next five years and is projected to be more than $2,279 million by 2011. In 2006, the market was more than $831 million.
Because the benefits of fieldbus technology are especially adaptable to large, new installations, the BRIC countries (Brazil, Russia, India and China) will experience the largest growth.
Latin America is projected to have the highest growth rate, at almost 34 percent, this region is still only a small percentage of the total fieldbusmarket. The Asia Pacific region will also experience strong growth, at nearly 32 percent.
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Ventajas según proveedores y usuarios
• “Fieldbus Solutions in the Process Industries Worldwide Outlook.”ARC Advisory Group study, January 2007 Initially, the primary advantage of fieldbus was portrayed as reduced
wiring, installation, and commissioning costs. However, end users are now indicating greater Operational Expenditure (OpEx) benefits are being realized due to the bi-directional communication and improved process efficiency of linked intelligent devices
The real value of fieldbus, manufacturers are realizing, is Operating Expenditure (OpEx) related rather than Capital Expenditure (CapEx) related.
End users report that predictive maintenance is the single largest savings resulting from the use of fieldbus. Because of this, supplier revenues from unbundled services such as Plant Asset Management (PAM) solutions will see the biggest growth in fieldbus revenues
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196
Algunas Opiniones de usuarios• Fieldbus Networks , June 2007 , Market Intelligence Report , Encuesta de
www.controlglobal.com,
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Algunas Opiniones de usuarios
99
198
Algunas Opiniones de usuarios
199
Algunas Opiniones de usuarios
100
200
Opiniones wireless
201
Evolución de comunicaciones