Redes Industriales Básicas PDF

Grado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica - Comunicaciones 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...

Grado en Ingeniería Eléctrica y Electrónica - Comunicaciones 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 I/O I/O Unidad de control I/O I/O I/O I/O I/O Unidad de control I/O I/O I/O I/O I/O a) Arquitectura centralizada I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O Unidad de control Unidad de control Unidad de control I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O I/O 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 Nivel Tipo de sistema electrónico de control Tiempo de respuesta Relación de % de tareas de gestión y de proceso Empresa Computador de planta Segundos 95-100/0-5 Control Controlador de área Por debajo de segundos 90-95/5-10 Célula Controlador de célula Decimas de segundo a milisegundos 80-90/10-20 De milisegundos a microsegundos 5-10/90-95 Sensores/Actuadores Controlador de proceso Clasificación de las redes industriales en la actualidad Ejemplos de redes según posición en la pirámide CIM: - Redes corporativas: se les denomina también redes de datos u ofimáticas 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 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 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 Capa de enlace de datos Capa física Tpre Tespera Tpre Tpost Tespera Ttx Tpost Capa de aplicación Capa de enlace de datos 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 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 Asentimiento en establecimiento de una conexión TCP 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 Rendimiento Peor 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 Control con red industrial Control digital Rendimiento no aceptable A Mejor Rendimiento aceptable B C Control continuo PA Más largo PB Periodo de muestreo PC Mejor caso Más corto 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 a -15 V (1 lógico) +3 a 15 V (0 lógico) +3<V<+15 t -3<V<-15 La transmisión es asíncrona y obedece al siguiente formato Datos Inicio D0 ‘0’ X D1 D2 D3 D4 D5 D6 X X X X X X bit menos significativo D7 Paridad Paro X bit más significativo ‘1’ Transmisión de datos en redes industriales sencillas Normas físicas – RS422 RS-232 no está preparado para soportar ambientes con ruido electromagnético RS-422 es el primer estándar que aborda esta problemática, utilizando la transmisión en modo diferencial, la cual reduce el ruido al transmitir dos señales invertidas y restarlas restador Utiliza dos hilos referenciados a masa para la transmisión y otros dos para recepción (full duplex) Transmisión de datos en redes industriales Normas físicas – RS422 La topología puede ser estrella, anillo o bus. Esta última es la más empleada: Una instalación primaria se comunica con las secundarias y viceversa En los extremos se instalan resistencias de fin de línea para evitar reflexiones Se puede conectar hasta 10 estaciones secundarias con el maestro La máxima distancia recomendable para el bus es 1200 metros Velocidad máxima de transmisión 10 Mbps Transmisión de datos en redes industriales Normas físicas – RS-485 Se diferencia en que la transmisión y recepción la hace en un solo bus (half duplex): Se puede conectar hasta 32 dispositivos El empleo de repetidores (hasta 9) amplia en número de dispositivos, aunque en la Práctica sólo se utilizan hasta 4, con lo que se puede interconectar hasta 128 nodos Con repetidores la máxima distancia recomendable para el bus es 1200 metros Velocidad máxima de transmisión 10 Mbps Transmisión de datos en redes industriales Normas físicas – RS-485 Incluye un sistema de habilitación para seleccionar modo transmisión o recepción (hay un bit de transmisión/recepción que normalmente está preparado para recepción) En este sentido, debe haber un control de la capa 2 OSI para determinar quién transmite (1 sólo en cada momento) En los extremos se instalan resistencias de fin de línea para evitar reflexiones También hay resistencias de pull up y pull down que velan porque entre las líneas haya una diferencia de tensión mayor que 200 mV (estado lógico 1) o menor que -200 mV (estado lógico 0) Transmisión de datos en redes industriales Conexión de periféricos mediante USB Definido a fines del siglo XX para sustituir los puertos RS-232 y paralelo de periféricos a un único bus serie Características: Velocidades de transmisión: 1.5, 12, 480 Mbps (versión 2.0), 5 Gbps (versión 3.0) y 40 Gbps (versión 4.0) Se puede conectar hasta 127 dispositivos Cable apantallado de 4 hilos: par trenzado transmisión diferencial, otro de alimentación (5V) y otro de masa Distancia máxima 5 metros sin repetidores y hasta 25 con repetidores Transmisión de datos en redes industriales Conexión de periféricos mediante USB Características: Topología física en arbol: Los dispositivos son nodos hoja dentro del bus Algunos tienen integrado repetidor Sólo se puede tener hasta 5 niveles Al conectarse al bus, este le asigna una dirección de 7 bit En la industria Se emplea el bus USB en todo tipo de equipos (e.g. PCs industriales y HMIs) Por ejemplo National instruments tiene dispositivos que toman la alimentación del bus USB y encuentran aplicación para adquisición de datos donde la distancia no excede de 5 metros sin repetidores Transmisión de datos en redes industriales Conexión de periféricos mediante USB Transmisión: Utiliza NRZI: 0 1 1 0 0 Además, incluye bit-stuffing para evitar 1s o 0s consecutivos que no permitan sincronizar los receptores En concreto se aplica bit-stuffing cuando vienen cinco 1s o cinco 0s consecutivos Ejemplo de señales sin y con bit stuffing: Transmisión de datos en redes industriales Conexión de periféricos mediante USB Conexión de un ordenador (host computer) con dispositivo de baja o alta velocidad: La resistencias de pull-up y pull-down tienen importancia en la conexión y desconexión de dispositivos Si el dispositivo de baja velocidad está desconectado: en D+ y D- hay tensión baja, mientras que si está conectado, en D- habrá una tensión alta En dispositivos de alta velocidad se hace lo mismo sobre la línea D+ Comunicaciones Serie Transmisión de datos en redes industriales Normas para redes de corta distancia SPI: Serial Peripheral Interface Sistema síncrono de comunicación Requiere de una línea de Clock SCLK Presente en multitud de circuitos integrados Dos líneas de datos (Full Duplex): - MOSI: Master Output-Slave Input - MISO: Master Input- Slave Output Para seleccionar el periférico que está comunicando con el maestro se requieren salidas enable adicionales que se activan en bajo. El Maestro deberá activar un solo periférico a la vez.  Muy rápido (más que el I2C). Más sencillo en cuanto a hardware y consumos muy bajos de potencia.  Requiere más pines que el I2C. No hay señal de ACK; menos seguro. Distancias muy cortas (pocos centímetros) Comunicaciones Serie Transmisión de datos en redes industriales Normas para redes de corta distancia SPI: Serial Peripheral Interface Sistema síncrono de comunicación Requiere de una línea de Clock SCLK Una vez activado en bajo el Chip Select (CS) (o Slave Select (SS)) se pueden enviar simultáneamente datos por las lineas MOSI y MISO. Abajo la notación cambia MOSI = SDI (Slave Data Input) y MISO = SDO (Slave Data Output) Comunicaciones Serie Transmisión de datos en redes industriales Normas para redes de corta distancia I2C: Inter-Integrated Circuit Sistema síncrono de comunicación Requiere de una línea de Clock SCLK - La velocidad es de 100 kbit/s en el modo estándar, aunque también permite velocidades de 3.4 Mbit/s.  Menos pines. Tiene bit ACK. Distancias de varios metros.  Menos rápido que el SPI. Hardware más complejo (pull-ups). El bus I2C se basa en dispositivos con salidas en colector abierto, donde un dispositivo puede forzar un bus (SDA o SCL) a nivel bajo a través de un transistor conectado a tierra. Esto permite un arbitraje fácil sobre el control del bus, lo que permite la implementación de comunicaciones bidireccionales en una sola línea de datos. Como se muestra en la figura, cada bus (SDA y SCL) tiene una resistencia externa a Vdd, la cual pone la línea a nivel alto cuando se libera o está inactiva (idle). El valor de la resistencia también define el tiempo de respuesta y por tanto la velocidad del bus Comunicaciones Serie Transmisión de datos en redes industriales Normas para redes de corta distancia I2C: Inter-Integrated Circuit Sistema síncrono de comunicación Requiere de una línea de Clock SCLK Envío de un Byte: Indica operación de lectura/ escritura Control del flujo de datos por parte del maestro: Dirección Slave (7bits) Comunicaciones Serie Transmisión de datos en redes industriales Normas para redes de corta distancia I2C: Inter-Integrated Circuit Sistema síncrono de comunicación Requiere de una línea de Clock SCLK Ejemplo: 0x0D 1. Start (condición de inicio) 2. El maestro llama al esclavo con su dirección (en el ejemplo es la dirección 101000), y le pide una lectura R/W=0 3. El maestro envía la dirección del registro del esclavo que desea leer, (en el ejemplo es el registro 00111000 = 0x38) 4. El esclavo envía como respuesta el byte que contiene su registro número 0x38: que en esta ocasión es 0x0D 5. Stop (Condición de parada) http://www.pyroelectro.com/ Comunicaciones Serie Transmisión de datos en redes industriales Tabla resumen Nombre de la red Número máximo de nodos (incluyendo raíz) Longitud máxima Velocidad RS-232 2 15 m 1.2 - 19.2 kbps RS-422 11 RS-485 32 (128) USB 128 5 (25) m SPI - I 2C 128 Síncrono Asentimiento No Opcional 12 - 1200 m 100 kbps - 10 Mbps No Opcional 12 - 1200 m 100 kbps - 10 Mbps No Opcional 1.5 Mbps – 5 Gbps No Sí cms 1 – 20 Mbps Sí No 1m 100 kbps – 3.4 Mbps Sí Sí Cuando hay valores entre paréntesis (el valor entre paréntesis es con repetidores) En la columna velocidad se indica entre paréntesis la distancia a la que se puede transmitir para una velocidad determinada RS-422, RS-485 y USB usan transmisión diferencial, por lo que se comportan mejor en ambientes ruidosos