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
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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
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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
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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
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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
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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.
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Ahorro de cableado
• Cableado tradicional
C1
C4
C3
C2
M1 M3 M2
• Con ASi
Maestro
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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
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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
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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
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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
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• 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
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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
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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
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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
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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
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Estado de estaciones
29
Capa Física CAN
Implementada en los controladores
basadas en normas y especificaciones propietar ias
ISO11898
PMA
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Fragmentación
• Para mensajes más largos de 8 bytes • Se incluye 1 byte de protocolo de fragmentación tanto
en mensajes de I/O como explícitos
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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Bloques función • Las funciones de un
dispositivo se determinan por los FBs
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Bloques función
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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
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