Curso: Industrial y comunicaciones en tiempo real

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1 Curso: Industrial y comunicaciones en tiempo real
Modulo 1 – Comunicación industrial Parte 1 - Características de comunicaciones industriales Nota: Este curso esta desarrollado por el Profesor Manuel Castro de la UNED, Universidad de Madrid. Algunas adaptaciones y adiciones fueron hechas por el Profesor Anton Petrov, del departamento ECIT en la PU-Plovdiv. .

2 Temas principales Breve historia de las comunicaciones industriales
Aplicación de redes de empresa industrial. Tipos y topología de componentes de red   Estructura de redes industriales de campo (FINs)  FIN caracteristicas - métodos de transmisión de datos  Tipos de dispositivos y mecanismos de comunicación en la FIN  Interfaces y especificaciones

3 Breve historia de comunicaciones industriales
A principios del siglo XX: principalmente tecnología mecánica y dispositivos analógicos. Posteriormente unidades de control de alimentación, neumáticas e hidráulicas y telegestión y control. Hoy en día se utilizan técnicas similares.En 1960., La primera computadora conectada a un contorlador digital - una solución costosa para su tiempo. Se creo el contorlador programmable (PLC), que sustituye a los controladores convencionale, los relés. Son creados las maquinas DPM (digital program management, gestion programa digital) y los robots controlados por computadora. Se inicia una transición gradual de lo análogo al intercambio de datos digitales y este es el principio de la creación de redes industriales. A mediados de los 70 se presentó la primera computadora de sistema de control descentralizado (DCCS) fabricada por Honeywell Company. En los años 80 las areas de red local (LAN) comienzan a utilizarse. Es de uso frecuente la arquitectura abierta descentralizada y la comunicación es a través de redes digitales. La comunicación con otras redes LAN se utiliza a través de una gateway (puerta de enlace) , conectada a una red de grandes superficies. Surge la necesidad de establecer estándares en automatización industrial y afloran los protocolos afines.

4 Aplicación de redes de empresa industrial(1)
Las redes industriales cubren muchas aplicaciones de producción. Los tipos de dispositivos utilizados y sus características son determinar qué tipo de red se usara, por ejemplo la necesidad de procesamiento en tiempo real, la red optical es conveniente porque no se ve afectado por interferencias electromagnéticas y puede ser construida sobre largas distancias. Las redes industrials necesitan una separación fisica de las señales I/O, sensores y la distribución funcional de aplicaciones que aseguran el buen funcionamiento del sistema de gestión. La mayoría de redes industriales transmiten bits de información en forma de paquetes. La ventaja es que transferencia de datos entre los dispositivos se realiza a través de un menor número de cables de comunicación. Desde que en redes industriales múltiples dispositivos funcionan en la misma línea, es fácil agregar un nuevo dispositivo a un sistema existente.

5 Aplicación de redes de empresa industrial(2)
Protocolos de comunicacion. Determinan el orden del flujo de información de los dispositivos de red, controladores, equipos etc.. Buenos protocolos permiten reducir el tiempo de transferencia, para ofrecer una mejor protección para garantizar la sincronización de la hora, y para muchas aplicaciones es importante tener respuesta en tiempo real. Para los niveles inferiores de comunicación el uso de soluciones de red local no es adecuado porque son demasiado costosos o no puede satisfacer los requisitos de respuesta rápida - dependiendo de la aplicación.Muchas empresas están desarrollando protocolos de bus de campo (fieldbus) que cumple con estos requisitos (ver mas redes campo industriales).

6 Tipos de componentes de red y topología
Repetidores, amplificadores - amplifican señales eléctricas y habilitar más dispositivos. A traves de ellos diferentes entornos físicos pueden ser adaptados en un sistema como coaxial y cable de fibra óptica; Router - dirige los paquetes de comunicación y determina su camino entre diferentes segmentos de la red al asegurar que el paquete de datos de fuente alcanza el destino (destinatario); Bridge - una conexión entre dos diferentes secciones de la red que pueden tener diferentes características eléctricas y protocolos. También puede unirse a dos tipos diferentes de redes. Gateway – como un bridge, proporciona interacción entre los diferentes tipos de redes con distintos protocolos.

7 Modelo jerárquico de un sistema de control automatizado
Modelo jerárquico de un sistema de control automatizado. Los sistemas de control de automatización (ACS) industrial moderna son complejos y se estructuran en varios niveles jerárquicos, cada uno de las cuales tiene su propio nivel de comunicación, según su propósito. Esto coloca diferentes demandas en la red de comunicación. Redes industriales pueden clasificarse en varias categorías según su uso y lugar en la jerarquía: redes de nivel de campo (sensores o actuadores) redes de nivel control (control bus), redes de nivel informacion (Ver la siguiente diapositiva). También hay algunos subniveles: subnivel de área, subnivel cell y subnivel de elemento.

8 Modelo jerárquico – diagrama de bloques
Database Fig.1

9 Tipos de componentes de red y topología(2)
Para reducir el coste de un punto de comunicación, se desarrollan tipos de interfaces especiales como ASI ("Sensor-actuador" - "Actuador-Sensor Interface") CAN (Control Area Network), para que el flujo de información se reduzca a un número de bits (Ver la transmisión de datos de paquetes en la figura2 ). Fig.2

10 Niveles jerárquicos(1)
Nivel objeto (nivel campo). Este es el nivel más bajo de la jerarquía de ACS, incluye dispositivos finales como sensores y actuadores. Los dispositivos de nivel de objeto transfieren datos entre el producto manufacturado y el proceso de producción. Esta información puede ser analógica o digital. Aquí, los valores medidos están disponibles durante un período relativamente corto de tiempo en comparación con otros niveles. Aqui se usan conexiones paralelas multiconductores, interfaz series, etc. Interfaces de comunicación serie tales como RS232C, RS422 y RS485 son los más comúnmente utilizados los protocolos, junto con la interfaz de comunicación paralela IEEE-488 (GPIB). Estos metodos de comunicacion peer-to-peer (entre iguales) se desarrollan para reducir los costos de cableado y lograr una alta calidad de comunicación.

11 Niveles jerárquicos(2)
Nivel control. Aquí el flujo de información consiste principalmente en la carga de programas, datos y parámetros. En los procesos de corto tiempo de inactividad de las máquinas, se hace durante el proceso de fabricación, sin que estos se interrumpan. Para pequeños controladores (memoria operativa y de trabajo limitada) puede ser necesarias subrutinas a cargarse durante un ciclo de producción, que determina la necesidad de sincronización de procesos. Las redes de control de nivel se utilizan generalmente como peer-to-peer conexiones entre controladores programables (PLC - Programmable Logic Controllers), sistemas de control descentralizados (DCS - Decentralized Control Systems) y sistemas informáticos utilizados por interfaz hombre-máquina (HMI - Human Machine Interface), archivos de eventos pasados y monitorizacion (Supervisory Control). Ejemplode interfaces y protocolos son ControlNet y PROFIBUS. Aunque cada vez más a menudo Ethernet con TCP / IP se utiliza como un protocolo para el control de los dispositivos de un equipo de alto nivel.

12 Niveles jerárquicos(3)
Subnivel «cell» - para las operaciones en este nivel, la sincronización de las máquinas y gestión de eventos pueden requerir una respuesta rápida del bus (real-time response, respuesta en tiempo real). Para satisfacer las necesidades de comunicación en este nivel se usan las redes locales (LAN, local area network). Desde la introducción de la fabricación de computadoras integradas(CIM, computer integrated manufactured) y los conceptos de DCCS, muchas compañías desarrollan sus propias redes de nivel de "cell" para sus sistemas automatizados. Ethernet con TCP / IP (Transmission control protocol / Internet protocol) ha sido adoptado como el estándar en este nivel, aunque no puede proporcionar una verdadera comunicación en tiempo real. Subnivel "area / region" - consiste en células juntas en grupos. Las células están diseñadas para adaptarse a una aplicación específica. Las funciones de control son implementadas en el controlador de bajo nivel local. Nivel informacion. Este es el nivel más alto en la fábrica y en los sistemas de gestión automatizada. Se recogen todos los parámetros relevantes de los procesos y se guardan en una base de datos necesario para la toma de decisiones. En el nivel de información, existen redes de gran escala como: WAN (Wide Area Network, red de area amplia) planificando la produccion y controlando el cambio de informacion.

13 Estructura de redes industriales de campo(FINs)(1)
Ocupan el nivel más bajo en la jerarquía de los sistemas de control industrial (Fig. 3). Su propósito principal es la comunicación entre los dispositivos de campo final (sensores, actuadores, etc..) y los dispositivos de nivel jerárquico superior (PLC, y estaciones de trabajo de operador). Redes industriales de campo (FINs) son caracterizadas por su simplicidad de construcion, las transmisiones de datos a alta velocidad, flexibilidad y bajo costo de sus componentes. Facilitan enormemente el diagnóstico y ajuste de sistemas automatizados de control (ACS). La construcción de redes de campo permite la integración de dispositivos de diferentes fabricantes. Pero el problema sobre un estandar uniforme aún no esta resuelto y a pesar de declaracion de redes de campo abiertas, en la practica dispositivos de diferentes fabricantes no son compatibles.

14 Estructura de redes industriales de campo(FINs)(2)
Fig. 3. Localización de las redes de campo en la jerarquía de sistemas industriales

15 Determinar la compatibilidad de los dispositivos en la FIN
La compatibilidad en el campo de los dispositivos de red está determinado por las especificaciones mediante el uso de: Diversas funciones de diagnóstico; Técnicas para la conmutación de dispositivos a la red sin interrumpir la comunicación entre otros nodos y sin apagado; Configuración automática de dispositivos; Uso de perfiles de dispositivos estándar; Mecanismos estandarizados para la conexión de dispositivos a la red física; Función de autodiagnóstico; Funciones para predecir el estado crítico.

16 Especificaciones y estándares utilizados en el FIN
Fig. 4. Especificaciones de la red industrial de aplicación en los diferentes procesos

17 El uso de redes de campo El uso de redes de campo es más eficiente si existen las siguientes condiciones: Reemplazabilidad mutua de dispositivos de diferentes fabricantes; Respuesta rápida de los dispositivos de campo final; Rápida instalación y configuración de los dispositivos; Uso de los terminales inteligentes capaces de autodiagnóstico; Sistemas constructivos con la extensión física a 1 km; Número limitado de las conexiones de cables. Funcionalidad de las redes de campo. La red de campo realizar las siguientes funciones en la ACS: Transferencia de datos con dispositivos finales como controladores lógicos, actuadores, sensores, etc.; Transferencia de información adicional sobre la configuración del dispositivo (parámetros de configuración, ajuste los reguladores, etc..). Una característica importante de las redes de campo es la viabilidad de los sistemas distribuidos, ya que no es obligatorio la centralización de la gestión de la estructura de la red.

18 FIN funcionalidad - métodos de transmisión de datos(1)
Métodos de transmisión en FIN permitir que la información se envie a uno o más nodos de la red. Como unidades básicas de los datos transmiten a través de la red son trama utilizado (frame), paquete (packet) datagrama (datagram). El frame contiene campos con bits y bytes y se asocia con la capa física del modelo OSI, paquete está asociado con las capas superiores del modelo OSI. Los métodos de transmisión de datos en el campo de las redes son: Unicast (unidifusion, uno a uno). El paquete es enviado desde el transmisor al receptor en la red (Fig. 5a). El transmisor dirige el paquete mediante la dirección de destino, entonces el paquete es enviado por la red a su destino; Multicast (multidifusion, uno a muchos). El paquete es enviado desde el transmisor a varios destinatarios en la red. El transmisor dirige el paquete mediante la dirección de multidifusión de los destinatarios, entonces el paquete es enviado a cada uno de ellos formando una dirección de multidifusión; Broadcast (difusion ancha, uno a todos). El paquete es enviado desde el transmisor a todos los dispositivos en la red. El transmisor el paquete de direcciones mediante una dirección de difusión, entonces el paquete es enviado por la red a cada dispositivo individual.

19 FIN funcionalidad - métodos de transmisión de datos(2)
Fig. 5. Métodos para la transmisión (izquierda) de unidifusión y multidifusión (derecha)

20 Tipos de dispositivos utilizados en redes de campo
En redes de campo podemos distinguir los siguientes tipos de dispositivos de red: Dispositivo maestro. Los dispositivos maestros determinan cómo se intercambian datos sobre la red y realizan funciones de control de gestión o información. Son dispositivos activos – envían mensajes en la red sin previo aviso si tienen los derechos de marcado para el acceso a la red. Dispositivo esclavo. Los dispositivos esclavos son los terminales de la ACS - campo de los dispositivos, sensores, actuadores, módulos de salida, dispositivos de medición de entrada de los reguladores. Son dispositivos pasivos y tienen un acceso limitado a la red - confirmar los mensajes recibidos o enviados al dispositivo maestro.

21 Mecanismos de comunicación en la FIN(1)
Cliente / servidor. Cliente-servidor es un modelo básico de comunicación en redes de computadoras modernas. En el servidor proporciona los recursos y responder a las solicitudes del cliente. Los clientes utilizan los recursos del servidor. A veces, en comunicaciones industriales de cliente y servidor se intercambian los papeles de dispositivos, siendo los maestroslos clientes y los dispositivos esclavos los servidores de la red. La función del servicio maestro pueden ser realizadas por el sistema de control distribuido (DCS), por controlador programmable o por PC (Fig. 6). Esclavos son fuentes de datos primarios (dispositivos de campo, sensores, sistemas de medición) u otros dispositivos tales como actuadores, módulos, control remoto I / O etc. La comunicación dentro de un nodo es iniciada por el maestro que intenta establecer una conexión con uno o más dispositivos esclavos. Después de verificarlo, el dispositivo maestro configura los dispositivos esclavos de acuerdo con la información aceptada por ellos y en vista de su uso. Durante la operación se asume que el dispositivo maestro controla los dispositivos esclavos y tiene plenos derechos sobre ellos hasta que los desconecta.

22 Mecanismos de comunicación en la FIN(2)
Fig. 6. Un mecanismo cliente / servidor Con este mecanismo, la ventaja es una administración simplificada de datos de red. Se concentra la mayoría de los datos en el dispositivo maestro. El sistema de protección de datos y toda la red también es más simple. Una desventaja importante es en caso de fallo del dispositivo maestro que está comprometida la eficiencia de toda la red .

23 Mecanismos de comunicación en la FIN(3)
Intercambio igual (Peer-to-Peer). Típico de este mecanismo, es que todos los dispositivos conectados son 'iguales' y pueden funcionar como un dispositivo esclavo y el dispositivo maestro(Figure 7). Peer-to-peer se usa para intercambiar información de familiarización entre los dispositivos maestro y esclavo y es utilizado en redes industriales tales como Profibus-FMS, LonWorks, WorldFIP. Multi-maestro. Este mecanismo utiliza, si es necesario, cualquier número de dispositivos maestros de acceso a datos en un dispositivo esclavo(Fig. 8). En cualquier momento, sólo un dispositivo maestro es capaz de administrar y configurar los dispositivos esclavos. Se utiliza en redes industriales tales como Profibus-DP, DeviceNet, etc.. Fig. 7 Fig. 8

24 Mecanismos de comunicación en laFIN(4)
Solicitud (votacion). El dispositivo maestro envía la petición por separado a cada uno de los dispositivos esclavos para intercambiar datos con él. Los dispositivos esclavos cumplen incondicionalmente la solicitud, aunque no está diseñado para ellos. Este mecanismo no es suficientemente racional, ya que los dispositivos restantes no tienen acceso al tráfico de datos, incluso si los necesitan. Group inquiry (strobe, broadcast). El dispositivo maestro envía un mensaje a todos los dispositivos esclavos para intercambiar datos con ellos. Como resultado se sondean sólo aquellos dispositivos que se identifican en el mensaje de difusión. Mensajes explícitos. Se usan en conjunción con el mecanismo de intercambio peer-to-peer. Este tipo de mensaje puede ser generado por cualquier dispositivo de la red, pero es necesario que la parte receptora envie una confirmación. El mecanismo de comunicación explícita se utiliza para la identificación inicial, configuración y diagnóstico de los dispositivos en la red.

25 Mecanismos de comunicación en la FIN(5)
Mensajes fragmentados. Si es necesario transmitir un mensaje que es mayor de lo permitido para una sola transmisión se usa el mecanismo de mensajes fragmentados. En él los datos son divididos y enviados como fragmentos que se combinan en el receptor y luego forman el tamaño del mensaje inicial. Mensajes cíclicos. Se utilizan para transferir periódicamente datos desde dispositivos esclavos a maestros en términos de flujo de trabajo. Este mecanismo reduce el tráfico de red y las operaciones de control. Cambio de estado, COS. Este mecanismo configura los esclavos para que pueden enviar datos al dispositivo maestro, solo cuando cambia su estado(e.j. cambios de temperatura en el objeto de medición). En el período restante los dispositivos maestros utilizan este último estado para gestionar el proceso. Reduce el tráfico de red significativamente .

26 Mecanismos de comunicación en la FIN(6)
Productor-consumidor. En el mecanismo de productores y consumidores la información se difunde periódicamente por el método de broadcast, y cada dispositivo tiene la parte que se necesita de inmediato. Cada dispositivo (emisor de la información) graba en el encabezado de identificador de enlace de datos por paquetes (ID de conexión). Una vez que se envía el paquete, entonces cada dispositivo que lee el identificador determina si se dirige y si esnecesario para ellos. Es el más utilizado en specification Device Net, Control Net, Field bus Foundation. En este mecanismo el contenido de la información es suficiente para identificar a los destinatarios. Productor-consumidor permite el uso competo de la red y reducir el tráfico de red.

27 Mecanismos de comunicación en la FIN(7)
Origen-destino. es una alternativa a productores y consumidores. En él, los dispositivos esclavos aceptan sólo los paquetes que contienen la dirección. Si dispone de varios dispositivos que necesitan los mismos datos, hay que presentarse en varias ocasiones.Esto es ineficaz y puede causar problemas en la sincronización y el rendimiento en tiempo real, porque lo reciban dispositivos que requieren datos similares en diferentes momentos. Este mecanismo se utiliza para las especificaciones de la vieja generación, tales como Profibus- DP, Modbus Plus Interbus S. Comunicación vía el origen-destino es “mas torpe" que productores y consumidores, como los paquetes incluyen información adicional para enviar el mensaje.. Una combinación de los mecanismos anteriores.

28 Interfaces y especificaciones(1)
Interfaz AS Se utiliza en la conexión de los dispositivos terminales con funciones de entrada / salida simples; Utilizar cable de dos hilos con voltaje 24V y para el intercambio de señales digitales; Interfaz CAN Proporciona alta fiabilidad en la transmisión de información. Proporciona alta fiabilidad en la transmisión de información; Soporta múltiples aplicaciones y una amplia gama de herramientas de hardware con diferentes caracterisyticas y productores; La velocidad de transmisión de datos es entre 10 Kbit / s y 1 Mbit / s. El volumen total de mensajes transmitidos es 94; Teóricamente permite incrustar cualquier cantidad de dispositivos en la red, pero en la práctica esto no es así, ya que cada módulo es una carga eléctrica al bús.

29 Interfaces y especificaciones(2)
DeviceNet Solución rentable de la red por el cual controladores industriales y dispositivos de campo están conectados directamente, y entonces no hay necesidad de cableado adicional de las entradas y salidas;Allows high-speed data transmission and efficiency in the handling of data; Permite que los dispositivos se conecten directamente a un cable de red común para la energía y las comunicaciones; Construcción de redes DeviceNet con dispositivos plug-and-play significativamente simplifica el proceso de configuración del sistema; Red basada en CAN y define la capa de aplicación para las redes CAN.

30 Interfaces y especificaciones(3)
Profibus. Red de campo abierto estándar para usos amplios en automatización industrial; Posibles tecnologías de transferencia de datos son RS485, IEC o cables de fibra óptica; Permite al controlador programable con inteligencia distribuida ser conectado en una única red; Incluye tres tipos básicos de redes- DP (Decentralized Periphery), FMS (Field bus Message Specification) PA (Process Automation); Las áreas de aplicación de Profibus DP son los procesos de gestión y automatización industrial. Permite velocidades de transferencia de hasta 12 Mbit / s. El método de comunicación es maestro / esclavo o cambio. Medio de transmisión es par trenzado. El número máximo de dispositivos compatibles es más de 100; Profibus PA se utiliza para la gestión de procesos y contadores inteligentes. Permite velocidades de transferencia de hasta 30 Kbit / s. El método de comunicación es maestro / esclavo o cambio. El número máximo de dispositivos es 250; Profibus FMS está diseñado para comunicarse en un nivel jerárquico superior en el ACS y no es adecuado en la función del entorno de comunicación a nivel de campo. Modicon Modbus Plus. Red de campo deterministas que permite el mecanismo de comunicación cliente-servidor e intercambio de alta velocidad entre el PLC y dispositivos terminales, permite hasta 1 Mbit / s sincróna intercambio HDLC en 485 RS-capa física.

31 Interfaces y especificaciones(4)
HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol) La especificación más establecida en el campo de la automatización. Cubre todos los sectores, incluida la energía, petroquímica, etc; Permite la transmisión simultánea de señales digitales y analógicas (4-20mA) en la red con seguridad avanzada en entornos explosivos y peligrosos; Proporciona una oportunidad para su uso donde ya están instalados y funcionando los dispositivos de campo analógicos; Comunica sin interrumpir la señal analógica y permite la comunicación digital desde el dispositivo de campo que se actualiza varias veces por segundo en su transmisión al dispositivo de control.El método de comunicación es el amo / esclavo, cada lazo HART puede contener hasta dos dispositivos maestros; La velocidad a la que el protocolo HART se comunica es de 1200 bit / s, pero permite que los dispositivos operar en el modo de comunicación de paquetes (ráfaga) que permite una comunicación más rápida; También se ha desarrollado para conexión inalámbrica (ver figura abajo). ( )

32 Arquitectura del Protocolo de comunicación HART

33 Típica topología de la red mixta de HART inalámbrica

34 Interfaces y especificaciones(5)
Ethernet/IP El más utilizado para la comunicación en tiempo real en la industria. Ethernet / IP es una extension industrial de Ethernet TCP / IP; Mantiene el protocolo de nivel de aplicación general con los estándares de control de red y dispositivo de red. Por lo tanto se pueden conectar dispositivos como los controladores, lectores de código de barras y otros sin necesidad de software adicional; Con alta velocidad; Ethernet / IP usa TCP / IP, que no garantiza que dos dispositivos se comunican eficazmente en todo momento. Para lograr una comunicación efectiva a nivel de campo, Ethernet / IP proporciona el nivel de campo universal, que se construye con el encapsulamiento TCP / IP (Nodo de red del dispositivo que encapsula la parte de datos del mensaje como la comunicación Ethernet). Usando TCP / IP en Ethernet tu puede enviar mensajes explícitos en los que el campo de datos contiene la información de protocolo e instrucciones de uso; Ethernet / IP usa UDP / IP para mandar mensajes en tiempo real y permite procesar y enviar mensajes a grupos de usuarios en la red (multicast), mensajes implicitos.

35 Otras interfaces y especificaciones
LonWorks. Norma para las redes de intercambio entre pares y se utiliza en sistemas con gran número de terminales. Interbus. Especificación diseñada para redes con topología de anillo. BACnet. Utilizado principalmente para la automatización de edificios. SERCOS. Especificación para alta velocidad fibra-medio ambiente; Allen-Bradley Data Highway Plus (DH +). Se utiliza en comunicaciones de alta velocidad con los controladores fabricados por Allen-Bradley. FOUNDATION Fieldbus Diseñado específicamente para aplicaciones altamente responsables que requieren alta velocidad y alta seguridad; Adecuado en instalaciones industriales peligrosas como una sincronización precisa entre la gestión y la comunicación; El protocolo de FOUNDATION Field bus inclulle siete niveles. La topologia de red es lineal entre la transmision y las fuentes . El medio de transmisión puede ser par trenzado o fibra óptica. Utiliza solo dispositivo maestro o multimaestro. Permite tasas de transferencia desde 30 Kbit /s hasta 2.5 Mbit /s.

36 Preguntas de comprobacion
Describir brevemente las principales características de comunicaciones industriales y redes; Describir en sus propias palabras, las características del modelo jerárquico y sus diferentes niveles; ¿Cuáles son las características de las redes industriales de campo(FINs) y los principales métodos que utilizan para la comunicación? ¿Cuáles son los mecanismos de comunicación principal en lasFIN? Elegir 2 o 3 especificaciones utilizadas en las redes industriales para describir, cual crees que son las más prometedoras y convenientes para los usos industriales.

37 Referencias