Redes Industriales Básicas PDF

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales - Comunicaciones e instalaciones industriales 3. REDES INDUSTRIALES BÁSICAS Ignacio Del Villar 3. REDES INDUSTRIALES 3.1. Introducción 3.2. Parámetros de calidad de servicio en redes industriales 3.3....

Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales - Comunicaciones e instalaciones industriales 3. REDES INDUSTRIALES BÁSICAS Ignacio Del Villar 3. REDES INDUSTRIALES 3.1. Introducción 3.2. Parámetros de calidad de servicio en redes industriales 3.3. Ejemplos de redes industriales sencillas - RS-232 - RS-422 - RS-485 - USB - SPI e I2C  Introducción  Definición de comunicaciones industriales: área de la tecnología que estudia la transmisión de información entre sistemas electrónicos utilizados para tareas tales como:  Domótica  Manufactura discreta (cadena de montaje)  Manufactura continua (templado del acero, control de procesos biológicos)  Medios de transporte  Sistemas integrados o embedded systems (automóvil)  En la antigüedad se empleaban mecanismos electromecánicos  Con la llegada del microprocesador se plantean dos estrategias; centralizada y distribuida: periféricos I/O I/O I/O I/O Unidad I/O I/O I/O de control I/O I/O I/O Unidad I/O de control I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O Unidad Unidad Unidad I/O de control de control de control I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O a) Arquitectura centralizada b) Arquitectura distribuida (une diversas regiones centralizadas)  Introducción Niveles jerárquicos en la industria - Cada red interconecta los dispositivos del nivel que se encuentra encima de la red. Al mismo tiempo las redes de diferentes niveles se pueden unir entre sí. - Así, el conjunto de redes permite interconectar todos niveles de un sistema industrial  Introducción Tabla de características de cada nivel jerárquico Parámetros Tipo de sistema Tiempo de Relación de % de tareas Nivel electrónico de control respuesta de gestión y de proceso Empresa Computador de planta Segundos 95-100/0-5 Por debajo Control Controlador de área 90-95/5-10 de segundos Decimas de segundo Célula Controlador de célula 80-90/10-20 a milisegundos De milisegundos Sensores/Actuadores Controlador de proceso 5-10/90-95 a microsegundos  Clasificación de las redes industriales en la actualidad Ejemplos de redes según los niveles jerárquicos: - Redes corporativas: se les denomina también redes de datos y predomina Ethernet con el protocolo TCP/IP - Redes de control: Industrial Ethernet (PROFINET, Ethernet/IP, MODBUS/TCP) - Buses de campo : HART, PROFIBUS, Fieldbus Foundation, DeviceNet - Redes de sensores y actuadores: comunican los equipos de control con los sensores y actuadores (CAN, AS-I, IO-link) - Nota importante: en la actualidad las redes Industrial Ethernet han extendido su campo de actuación y van sustituyendo a las redes tradicionales de bus de campo y de sensores y actuadores. De manera que la clasificación por posición de la pirámide CIM va perdiendo sentido y se resume en redes de control y de sensores  Clasificación de las redes industriales en la actualidad Redes de sensores y actuadores - Solucionan el problema de cablear múltiples sensores y actuadores a un controlador mediante hilos independientes - Los sensores y actuadores se agrupan y cada grupo es controlado por un procesador de comunicaciones que se comunica con el sistema de control Cableado paralelo Cableado serie  Clasificación de las redes industriales en la actualidad Otra clasificaciones de redes industriales Según el tipo de control de acceso al medio: - Time division multiple access: TDMA - Acceso aleatorio con detección de portadora (Random Access with Collision Detection - CSMA-CD) - Acceso aleatorio evitando colisiones (Random Access with Collision Avoidance - CSMA-CA)  Clasificación de las redes industriales en la actualidad Redes industriales inalámbricas Se aplican protocolos inalámbricos como extensiones de algunos buses de campo. Los más conocidos son: - IEEE 802.11: conocido popularmente como WLAN (wireless local area network o red de área local inalámbrica). - IEEE 802.15.4: conocido como LR-WPAN, (low-rate wireless personal area network o red de área personal inalámbrica de baja velocidad). - WISA: Wireless Interface for Sensors and Actuators 3. REDES INDUSTRIALES 3.1. Introducción 3.2. Parámetros de calidad de servicio en redes industriales 3.3. Ejemplos de redes industriales sencillas - RS-232 - RS-422 - RS-485 - USB - SPI e I2C  Parámetros de calidad de servicio en redes industriales Velocidad y ancho de banda Son conceptos interrelacionados Las velocidades típicas en redes van de 1Mbps en CAN a 1 Gbps en Industrial Ethernet Aunque ya se dispone de routers de 100 Gbps en Industrial Ethernet: ¿Si CAN solo ofrece 1Mbps por qué se usa en la industria? El tiempo en transmitir los datos se expresa como: Ttx  Tdatos  T prop  Tdatos _ extra Tomando un ejemplo de transmisión de 1 bit de datos: CAN: Ethernet Distancia 30 metros Distancia máxima 2500 m velocidad de transmisión 2x108 m/s velocidad de transmisión 2x108m/s tprop=0.15 μs tprop= 12.5 μs 48 bit a 1 Mbps tdatos=48 μs 64 bytes a 1 Gbps tdatos=51.2 ns  Parámetros de calidad de servicio en redes industriales Retardo Lapso de tiempo entre que los datos están disponibles en un nodo origen y lo están en el destino Al tiempo de transmisión se añaden 3 parámetros más: Tretardo  T pre  Tespera  Ttx  T post Tpre: los datos se encapsulan en un paquete para ser enviados a su destino Tespera: tiempo que espera el nodo hasta que la línea esté libre para enviar los datos Tpost: los datos se desempaquetan y se corrigen los errores Capa de aplicación Tpre Tpre Capa de aplicación Tpost Tpost Tespera Tespera Capa de enlace de datos Capa de enlace de datos Capa física Ttx Capa física Ttx Jitter Parámetro estrechamente relacionado con el retardo, pues indica su variabilidad. Habitualmente en la literatura se habla de error jitter pues en el fondo es un parámetro cuyo valor se prefiere que sea lo más bajo posible  Parámetros de calidad de servicio en redes industriales Fiabilidad de transmisión de los datos - Transmisión de datos con o sin asentimiento: Si la transmisión es cíclica no hay necesidad pero si es acíclica y se transmite por ejemplo una alarma, el asentimiento es crítico - Detección de errores: bit de paridad, CRC… - Control de flujo Asentimiento en establecimiento de una conexión TCP Seguridad en la red El acceso a Internet en las redes industriales provoca que cada vez se haga más necesario sistemas de seguridad (cortafuegos) que controlen el acceso  Parámetros de calidad de servicio en redes industriales Difusión de datos En redes industriales existe la posibilidad de transmisión de datos punto a punto o también de realizar broadcasting, que se emplea para enviar datos sin respuesta por parte de las estaciones, o de lo contrario se genera una contienda en el bus, al querer responder todas las estaciones a la vez. Bufferes o colas En comunicaciones es habitual emplear colas para almacenar datos que no se pueden gestionar por retardos que se están produciendo temporalmente en la red, o porque de repente se envía mucha información. Esto está relacionado con la gestión de flujo. El envío periódico de mensajes evita el requisito de almacenar más de un dato antiguo. Ejemplos: - PROFIBUS: empleaba comandos SYNC y FREEZE para adquirir o enviar datos de forma simultánea a los nodos (sensores o actuadores) por parte del PLC maestro. - PROFINET: protocolo isócrono  Parámetros de calidad de servicio en redes industriales Rendimiento de la red Control continuo: no depende del tiempo de muestreo y es óptimo (es un caso ideal) Control digital: si se muestrea a intervalos cortos el rendimiento mejora Control con red industrial: con intervalos cortos también empeora porque no da tiempo a procesar los datos, de manera que se busca un equilibrio entre un muestreo muy rápido, donde se congestiona la red por los muchos accesos y un muestreo muy lento, que no permite controlar bien el o los parámetros a monitorizar Fuera de control Peor caso Peor Control Control con digital red industrial Rendimiento Rendimiento no aceptable Rendimiento A B C aceptable Mejor Control continuo PA PB PC Mejor caso Más largo Más corto Periodo de muestreo 3. REDES INDUSTRIALES 3.1. Introducción 3.2. Parámetros de calidad de servicio en redes industriales 3.3. Ejemplos de redes industriales sencillas - RS-232 - RS-422 - RS-485 - USB - SPI e I2C  Transmisión de datos en redes industriales sencillas Normas físicas La transmisión de datos en redes industriales (capa física de la pila OSI) se encuentra normalizada La forma habitual de transmisión es por serie y existen varias normas: RS-232 Esquema clásico de comunicación de un ordenador con un modem: a) RS-232 RS-232 Modem Modem Estación de trabajo Red pública de teléfonos Servidor Longitud máxima 15 metros Velocidad máxima 20 Kbps Valores estándar: 1200, 2400, 4800, 9600, 19.2K…)  Transmisión de datos en redes industriales sencillas Normas físicas – RS232 b) Valores de tensión: +3