PFC Miguel Alvaro Yunta

UNIVERSIDADCARLOSIIIDEMADRID ESCUELAPOLITCNICASUPERIOR Dpto.INGENIERADESISTEMASYAUTOMTICA

IMPLEMENTACIN DE LAS COMUNICACIONES PC-AUTMATA-ROBOT MEDIANTE INTERFAZ ETHERNET INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA INGENIERA TCNICA INDUSTRIAL: ELECTRNICA AUTOR:MIGUELLVAROYUNTA TUTOR:SANTIAGOMARTNEZDELACASA

Agradecimientos.

Enprimerlugaragradezcoamispadres,yamifamiliaengeneral,su apoyodurantetodosestosaos. Agradezco tambin la ayuda proporcionada por el tutor del proyectoSantiagoMartnezdelaCasa,quesiempremeayudasacareste proyecto adelante. Y tambin agradezco a mis compaeros Dani y Sito, que me proporcionaron material para realizar este proyecto y con los cualeslacarrerasehizomsamena. Graciasatodos.

ndice.

ndice.

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1. INTRODUCCIN 1.0. 1.1. 1.2. Motivacin del proyecto Objetivos Estructura de la memoria

1 2 2 3

2. ESTADO DEL ARTE DE LAS COMUNICACIONES INDUSTRIALES.

2.0. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.

Funciones de las redes de comunicacin Niveles de comunicacin en una red industrial Sistemas Distribuidos de Tiempo Real Ethernet Industrial Buses de campo

6 7 9 10 14 14 16 19 23 25 28 30 33 36

2.4.1. Caractersticas y mbitos de aplicacin 2.4.2. Arquitecturas de comunicacin 2.4.3. Buses de campo estandarizados 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. El bus de campo PROFIBUS El bus de campo WORLDFIP El bus de comunicaciones CAN Buses y protocolos en Domtica e Inmtica Otros tipos de comunicacin

2.10. Situacin actual y tendencias

ndice.

3. DESCRIPCIN DEL SISTEMA

39

3.0. 3.1.

Condiciones de partida Descripcin del hardware utilizado

40 42 42 43 45 47 49 49 53 54

3.1.1. PC 3.1.2. Autmata Siemens S7 314C 3.1.3. Controlador IRC5 de robot ABB IRB 2400 3.1.4. Cable de red Ethernet RJ45 3.2. Descripcin del software utilizado

3.2.1. Step7 Simatic Manager 3.2.2. Lenguaje RAPID para la programacin del robot 3.2.3. Wincc (Windows Control Center)

4. DESARROLLO DEL PROYECTO

57

4.1.

Comunicacin PC autmata

58 58

4.1.1. Objetivo, arquitectura y diagrama de flujo 4.1.2. Configuracin y programacin en Wincc Creacin de variables 4.1.3. Creacin de pantallas y uso variables en WinCC 4.1.4. Configuracin y programacin en Simatic Manager Creacin de la red Ethernet

60 70

82

ndice.

4.2.

Comunicacin autmata robot

92 92

4.2.1. Objetivo, arquitectura y diagrama de flujo 4.2.2. Conexin del robot a la red Ethernet. Creacin de enlace TCP 4.2.3. Envo y recepcin de datos 4.2.3.1. Autmata. Programacin en Step7 4.2.3.2. Robot. Programacin RAPID. Sockets

95 102 102 117

4.3.

Integracin en el sistema PC-autmata-robot

121 121 122 126

4.3.1. Esquema de conexiones del sistema 4.3.2. Diagramas de flujo 4.3.3. Ejemplo de aplicacin SCADA

5. CONCLUSIONES

133

6. TRABAJOS FUTUROS

136

7. BIBLIOGRAFA

138

ndicedefiguras.

ndicedefiguras.

ndicedefiguras.

CAPTULO1:INTRODUCCINFigura1.1.Esquemadelaaplicacindesarrollada.2

CAPTULO2:ESTADODELARTEDELASCOMUNICACIONESINDUSTRIALESFigura2.1.Jerarquadecomunicacionesindustriales..7 Figura2.2.LapilaOSI8 Figura2.3.EjemplodearquitecturadeunSCD..10 Figura2.4.EjemplodearquitecturadeunaredEthernet..13 Figura2.5.Interaccincliente/servidortpica.18 Figura2.6.PerfilesdeprotocolosPROFIBUS23 Figura2.7.EjemplodeestructurafsicadeunaredWorldFIP.26 Figura2.8.Esquemadeconexiones;interfazIndustrialEthernetyMPI..34

CAPTULO3:DESCRIPCINDELSISTEMAFigura3.1.Diagramadebloquesdelsistema..40 Figura3.2.PCSCADA..42 Figura3.3.PuertosdecomunicacindelPC.42 Figura3.4.AdaptadorUSBaMPI.43 Figura3.5.AutmataSiemensS7314C43 Figura3.6.SwitchIndustrialEthernetSCALANCEX20844 Figura3.7.ControladorIRC5;PuertoEthernetexterno(servicio).46 Figura3.8.ControladorIRC5;PuertoEthernetinterno(redLAN).46 Figura3.9.RobotABBIRB2400.47 Figura3.10.Dimensionesdelrobot47 Figura3.11.CableEthernet,conectoresRJ45.47 Figura3.12.Cabledirecto;Distribucin568A.48 Figura3.13.Cabledirecto;Distribucin568B.48 Figura3.14.FlexPendantdelControladorderobotIRC5.53 Figura3.15.EstructuratpicadeunaaplicacinRAPID.54

ndicedefiguras.

CAPTULO4:DESARROLLODELPROYECTOFigura4.1.ComunicacinPCAutmata..58 Figura4.2.ArquitecturadecomunicacinPCAutmata.59 Figura4.3.DiagramadeflujodelacomunicacinPCAutmata59 Figura4.4.CreacindeunproyectomonopuestoenWinCC60 Figura4.5.AdministradordevariablesenWinCC.61 Figura4.6.AgregardriverdecomunicacindeWinCC.61 Figura4.7.InterfacesdecomunicacindeldriverSimaticS7ProtocolSuite62 Figura4.8.CreacindeunanuevaconexinporIndustrialEthernet.62 Figura4.9.PropiedadesdelanuevaconexinEthernetcreada.63 Figura4.10.ParmetrosdelaconexinporIndustrialEthernet63 Figura4.11.CreacindevariablesenIndustrialEthernet..64 Figura4.12.EstablecimientodelaspropiedadesdelavariableEthernetcreada.65 Figura4.13.Direccionamientodelavariable..66 Figura4.14.VariablesutilizadasenlacomunicacinporIndustrialEthernet..67 Figura4.15.CreacindeunanuevaconexinMPI..68 Figura4.16.PropiedadesdelaconexinMPI..68 Figura4.17.ParametrizacindelenlaceMPI69 Figura4.18.VariablesdelaconexinMPI.69 Figura4.19.PropiedadesdelavariableMPI.70 Figura4.20.AbrireleditordepantallasGraphicsDesigner..71 Figura4.21.PantalladeiniciodelSCADA72 Figura4.22.PaletadeobjetosdelGraphicsDesigner72 Figura4.23.ConfiguracindelbotnACCEDER.73 Figura4.24.AsistenteparasalirdeRuntime73 Figura4.25.AjustedeprogramasejecutadosaliniciarlaRuntime.74 Figura4.26.Pantalladeseleccindeoperacin74 Figura4.27.Asistentedinmicoparaactivar/desactivarbit.75

ndicedefiguras.

Figura4.28.Seleccindelmomentodeactivacindelevento75 Figura4.29.Seleccindelaaccinaejecutartrasevento.76 Figura4.30.Seleccindelbit..76 Figura4.31.Pantalladediagnsticodelascomunicaciones.77 Figura4.32.SeleccindelobjetoVistadeestado.77 Figura4.33.ConfiguracindeimgenesdelobjetoVistadeestado78 Figura4.34.Visualizacindelestadodelascomunicaciones78 Figura4.35.PantallademanejodevariablesEthernet.79 Figura4.36.Bloquederecepcindedatosenelautmata..80 Figura4.37.Animacindeimgenesdelatareaejecutadaporelrobot.80 Figura4.38.Configuracindetextosdescriptivosdelatareaejecutadaporelrobot81 Figura4.39.Bloqueparaelenvodedatosdesdeelautmata..81 Figura4.40.SeleccindelatarjetaEthernetdelPCcomointerfaz..82 Figura4.41.InsertarelautmataSIMATIC300.83 Figura4.42.Configuracinhardwaredelautmata83 Figura4.43.Insertarbastidordelautmata1/283 Figura4.44.Insertarbastidordelautmata2/284 Figura4.45.Configuracinhardwaredelautmata,FuentedeAlimentacin.84 Figura4.46.Configuracinhardwaredelautmata,CPU85 Figura4.47.Configuracinhardwaredelautmata,ProcesadordeComunicaciones86 Figura4.48.EditarestacinEthernet.87 Figura4.49.BuscarestacionesEthernetonline.87 Figura4.50.EstacionesEthernet..88 Figura4.51.InsertarunPCenlared..88 Figura4.52.Conjuntodeelementosinsertadosenlared..89 Figura4.53.AsociarPCaredEthernet89 Figura4.54.ConexinEthernetPC..89 Figura4.55.EstadoconexinEthernetPC.90 Figura4.56.ProtocoloTCP/IPEthernet90 Figura4.57.PropiedadesdelprotocoloTCP/IPenelPC..91 Figura4.58.ReddecomunicacinentreelPCyelautmata..91 Figura4.59.ComunicacinAutmataRobot92 Figura4.60.ArquitecturadecomunicacinAutmataRobot.93 Figura4.61.DiagramadeflujodelacomunicacinAutmataRobot.94

ndicedefiguras.

Figura4.62.Insertarequipoajeno(IRC5)95 Figura4.63.Vistadeloselementosquecomponenlared.95 Figura4.64.CreacindeinterfazIndustrialEthernetparaelIRC596 Figura4.65.AsociacindelIRC5alaredEthernet96 Figura4.66.AbrirherramientaNetPro.98 Figura4.67.CreacindeenlaceTCPparacomunicacinconautmata.99 Figura4.68.Seleccindeltipodeenlace99 Figura4.69.PropiedadesdelenlaceTCP.100 Figura4.70.DireccionesdeenlaceTCP.100 Figura4.71.SeleccindeinterfazSEND/RECEIVEparaelenlaceTCP.101 Figura4.72.HerramientadeconfiguracinderedNetpro.102 Figura4.73.GuardarycomplilarlaconfiguracindelNetpro..102 Figura4.74.Cambiodellenguajedeprogramacin.103 Figura4.75.EstructuradelprogramaStep7..103 Figura4.76.BloquesdelprogramaimplementadoenelS7106 Figura4.77.BloquesdelalibreraSIMATICNETCP.106 Figura4.78.Abrirconfiguracinhardwaredelautmata.107 Figura4.79.Configuracindelbyte10comomarcadeciclo.108 Figura4.80.Guardar,compilarycargarlaconfiguracinhardwareenelPLC..108 Figura4.81.PropiedadesdelenlaceTCPenelNetpro109 Figura4.82.ObtencindeparmetrosIDyLADDRdelenlaceTCP..109 Figura4.83.Tabladevariablescreada..116 Figura4.84.Bufferdeenvoyrecepcin;longitud1byte116 Figura4.85.Valoresdeestadoyforzadodelosdatoscomunicados116 Figura4.86.RecepcindedatosenelFlexPendantdelIRC5.117 Figura4.87.DiagramadeflujodelprogramaRAPID118 Figura4.88.Esquemadebloqueseinterfacesdecomunicacindelsistema121 Figura4.89.Esquemadeconexiones;interfazEthernetIndustrial122 Figura4.90.Diagramadeflujo;EnvodedatosPCControladordeRobot123 Figura4.91.Diagramadeflujo;EnvodedatosControladordeRobotPC...124 Figura4.92.Pantalla1delSCADAejemplo.127 Figura4.93.Pantalla2delSCADAejemplo.128 Figura4.94.Pantalla3delSCADAejemplo.129 Figura4.95.Pantalla4delSCADAejemplo.130

ndicedetablas.

ndicedetablas.

ndicedetablas.

CAPTULO2:ESTADODELARTEDELASCOMUNICACIONESINDUSTRIALESTabla2.1.ModelosdeSistemasDistribuidos..17 Tabla2.2.RelacinestndaresbusesdecampoCENELECeIEC...19 Tabla2.3.Comparativadelosprincipalesbusesdecampo..20 Tabla2.4.Mediosfsicosdelasredesdomticas.30

CAPTULO3:DESCRIPCINDELSISTEMATabla3.1.ParmetroscaractersticosdelcontroladorIRC5..45

CAPTULO4:DESARROLLODELPROYECTOTabla4.1.Variablesdeentradaysalida...125 Tabla4.2.DireccionesIPdelosdispositivosdered....125 Tabla4.3.Vistasdeestadodelproceso1/2..131 Tabla4.4.Vistasdeestadodelproceso2/2..132

Captulo1.Introduccin.

Captulo1: Introduccin. 1


1.0.

Motivacindelproyecto. Todamquinadebesercontroladaporunserhumano.Paraelloesnecesarioel

intercambio de informacin entre la mquina y las personas. Esta transferencia de informacin es posible a travs de las redes de comunicacin, siendo la implementacindestaselmotivoprincipalquenosllevalarealizacindelpresente proyecto. En concreto, nos comunicaremos con un robot ABB mediante la red de comunicacinEthernetIndustrialempleandounPCyunautmata.ElusodeEthernet Industrialsedebe,apartedelasventajasqueaportacomosonbajocosteyrapidez,a que es una red que no haba sido implementada previamente en el laboratorio del Departamento de Ingeniera de Sistemas y Automtica, ya que su uso en el entorno industrialtodavanoestmuyextendido,aunquecadavezesmayor. 1.1. Objetivosdelproyecto. El objetivo principal de este proyecto es la implementacin de una red de comunicacinEthernetformadaporunPC,unautmataSiemensS7yelcontrolador derobotABBIRC5. La aplicacin desarrollada deber permitirnos una comunicacin en dos sentidos, es decir, tanto desde el PC como desde el controlador del robot podrn enviarseyrecibirsedatos.Enelesquemasiguientesemuestraestafuncionalidad: PC ETHERNET AUTMATA ETHERNET IRC5

Figura1.1.Esquemadelaaplicacindesarrollada.

2


Comoobjetivossecundariospodrannombrarselossiguientes: ImplementarlacomunicacinPCAutmata.Desdeelordenador,medianteel softwareWinCC,podremosconsultarelestadodeposicionesdememoriadel autmata (lectura de datos) as como forzar valores en ste (escritura de datos). Implementar la comunicacin Autmata Controlador de Robot. Se desarrollarn programas para hacer posible el envo y la recepcin de datos desde ambos elementos. En el controlador de robot usaremos el lenguaje RAPID y emplearemos sockets como canal de comunicacin, y el autmata lo programaremosmedianteelsoftwaredeSiemensSIMATICManager. Proporcionar al proyecto Manubuild la base para la creacin de un sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Desde la pantalla del PC podremosvisualizarqutarearealizaelrobotentodomomento(recepcinde datos),ascmoenviarinformacinalIRC5,enestecasoloqueseenvaesun byte. Crear una documentacin que sirva de base para desarrollar prcticas de asignaturasenlasqueserequierecomunicacinexternaconlosrobotsABBIRB 1600yABBIRB2400. 1.2. Estructuradelamemoria. El tema fundamental en torno al cual gira el presente proyecto es el de las comunicacionesindustriales.Porello,enelCaptulo2seexponenconceptosbsicos muyligadosaunareddecomunicacin,yserealizaunanlisisdelasituacinactualde lossistemasdecomunicacinenlaindustria,explicandobrevementelascaractersticas delasredesmsutilizadas. En el Captulo 3 se detallan las especificaciones del hardware y del software conelquesehatrabajadoparalarealizacindelproyecto.3


EnelCaptulo4semuestrapasoapasoeldesarrollodelproyecto.Enprimer lugar nos centraremos en la comunicacin PC Autmata, luego pasaremos a la Comunicacin Autmata Robot, y por ltimo se tratar la integracin de los tres elementosqueconstituyenelsistemadecomunicacinimplementado. El Captulo 5 est dedicado a las conclusiones. En l se analiza si se han cumplido los objetivos inicialmente propuestos, y se expone una conclusin sobre la interfaz de comunicacin empleada (Ethernet Industrial). Tambin en este punto se hablasobrelasdificultadesyproblemassurgidosdurantelarealizacindelproyecto,y seindicalasolucindelosmismos. EnelCaptulo6sehablasobrelostrabajosfuturosquepodranllevarseacabo sobrelabasedeloexplicadoenelpresentedocumento.

4

Captulo2.EstadodelArtedelasComunicacionesIndustriales.

Captulo2: EstadodelArtedelasComunicacionesIndustriales.

5


Lascomunicacionesindustrialessonunadelasreasenaugedentrodelamplio mundodelascomunicaciones,alunirseenunmismoentornolostemasempresariales (ymsendetalle,lostemasdefabricacin)ylascomunicaciones,comosoporteparala implantacintecnolgicadentrodelaempresa. 2.0. Funcionesdelasredesdecomunicacin.

Losobjetivosdetodosistemadecomunicacinenelentornoindustrialson: Coordinaraccionesdeunidadesautomatizadasycontrolarlatransferenciade componentes,atravsdelintercambiodedatosentrelasdiferentesunidades (autmatas programables y PCs industriales) que controlan el proceso productivo. Monitorizar y modificar estrategias de control desde el puesto de operacin, quepuedeestarsituadoenlapropiaplantaoencualquierotrolugarmediante unaconexinatravsderedesdedatospblicasoprivadas. Proveerlosrecursosnecesariosparaaumentarlaconfiabilidadyseguridaden los procesos de produccin mediante: deteccin temprana de condiciones de alarma,supervisinycontrolcontnuodeprocesosdealtoriesgo,verificacin delestadodelasinstalacionesyseguimientodelascondicionesdeoperacin deestacionesremotas. Proveerserviciosdetransmisindevozeimgenes. Integracin completa del proceso productivo (desde el operario hasta los gestoresoclientes). Como se puede observar, desde el punto de vista industrial, la necesidad de comunicacinnoserestringenicamentealaproduccin.Diferentesdepartamentos delaindustriapuedenparticiparenlareddecomunicacionesparapermitiruncontrol globaldelsistema.Deestemodo,noslosecontrolaelpropiofuncionamientodela planta de fabricacin, sino que en funcin de las decisiones tomadas en las capas administrativas de la empresa, podra actuarse directamente sobre la produccin.6


Porlotanto,laredintegradadecomunicacinindustrialdebeestructurarseenbasea una arquitectura bien definida y bajo las premisas de racionalizacin, conectividad, calidadyconfianza. 2.1. Nivelesdecomunicacinenunaredindustrial. La integracin de los diferentes equipos y dispositivos existentes en una industria se hace dividiendo las tareas entre grupos de procesadores con una organizacin jerrquica. As, dependiendo de la funcin y el tipo de conexiones, se suelendistinguircinconivelesenunaredindustrial: N1:Niveldeentrada/salida. N2:Niveldecampo. N3:Niveldecontroldeproceso. N4:Niveldecontroldeproduccin. N5:Niveldegestinodireccin.

Figura2.1.Jerarquadecomunicacionesindustriales.

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Esta estructura no es universal, vara con el tamao del sistema de fabricacin y sus caractersticasparticulares.Adems,paracualquieradelosniveles,nohayunestndar universalmente aceptado que cubra todos los aspectos desde el nivel fsico al de aplicacin(sinosreferimosalmodeloOSIdeISO).

Figura2.2.LapilaOSI.

EstemodeloOSIde7capaspropuestoen1984semostrineficienteparasuutilizacin enredesindustrialesconrequerimientosdebajalatencia,debidoalasobrecargaque este modelo impone en cada capa. Para solventar este inconveniente, la mayora de redes industriales utilizaron nicamente 3 de estos niveles, el nivel fsico, el nivel de enlace y el nivel de aplicacin, por lo que a continuacin se repasan las particularidadesdeestosnivelesenelentornoindustrial. Elnivelfsicodefineelmediofsicoqueseutilizaenlatransmisinylascaractersticas fsicas del mismo, como niveles de voltaje, sistema de codificacin, etc. Estas caractersticas determinan la topologa, la velocidad de transmisin, el nmero mximodenodosenunared,etc. El nivel de enlace define los formatos de trama, mecanismos de proteccin ante errores en la transmisin (CRC o cdigo de redundancia cclica). En la mayora de8


redes,incluyendolosbusesdecampo,enestenivelseubicaelsubniveldeaccesoal medio (MAC, Medium Access Control). La capacidad de satisfacer los requerimientos de tiempo real de las aplicaciones industriales depender en gran medida de si el mecanismo de acceso al medio tiene un comportamiento determinista o no determinista. El nivel de aplicacin define los interfaces entre el usuario y el sistema, y habitualmenteincluyeelniveldeusuario,denominadoasdadoquehabitualmentees la forma en que el usuario ve el bus de campo, aislndole del manejo de los niveles inferiores. Los estndares proponen a este nivel objetos especficos para diferentes dominiosdeaplicacin(robtica,controlnumrico,controldeprocesos,etc.). 2.2. ComunicacionesIndustrialesenSistemasDistribuidosdeTiempoReal.

Lasredesdecomunicacionesindustrialesestnmuyligadasalossistemasdetiempo real (sistemas que interaccionan repetidamente con su entorno fsico y responden a los estmulos que reciben del mismo dentro de un plazo determinado). En estos sistemasparaqueelfuncionamientoseacorrectonobastaconquelasaccionessean correctas,sinoquetienequeejecutarsedentrodeunintervalodetiempoespecfico. El conjunto de todos los nodos interconectados en la red, junto con los servicios y protocolos usados para permitir el intercambio correcto y a tiempo de los datos, conformanloqueseconocecomosistemadecomunicacindetiemporeal. Enelcasodeunsistemadistribuido 1 decontroldetiemporealsilassalidascorrectas nosonproducidasatiempo,podranproducirseexcesivosretardosdeprocesamiento y de comunicacin, y el proceso bajo control podra hacerse inestable y poner en peligrotodalaintegridaddelsistema.Cuandoenelsistemadistribuidoexistennodos queejecutantareasdecontrolsetieneunsistemadistribuidodecontrol(SCD).Eneste

Lossistemasdistribuidosestnformadospordispositivosautnomosinteligentesquecooperanconobjetivosconcretosyque ejecutantareasquesecoordinanentresintercambiandoinformacinpormediodeunareddecomunicacin.1

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caso, la red de comunicacin se denomina bus de campo. Las generalidades de este tipoderedessonexplicadasmsadelanteenelpunto2.5.

Figura2.3.EjemplodearquitecturadeunSCD.

2.3.

EthernetIndustrial.

Cada vez ms crece la aceptacin que Ethernet tiene en el campo industrial. Esto es debido fundamentalmente a las ventajas que aporta cuando es instalado en la industria(rapidez,simpleampliacinyaperturaycostesdeinstalacinyconfiguracin muy bajos entre otras), a la forma de interconectarlo y a las posibilidades de diagnosticar su funcionamiento. Adems otra caracterstica importante que presenta es que permite la comunicacin por protocolo TCP/IP con equipos ajenos (como por ejemploelcontroladorderobotIRC5). En pocos aos ha podido verse un cambio interesante en las redes industriales. Adoptar Ethernet en el mundo de la automatizacin ha sido el principio de este cambio. La primera razn de su uso es sin duda que los usuarios potenciales de automatizacin ven a priori tener una base de conocimientos ms elevada en redes basadas en Ethernet que no en soluciones de bus de campo propietarias y convencionales.

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Actualmente Industrial Ethernet an no domina el mercado de la comunicacin industrial ya que tienen algunas deficiencias como es que los segmentos de cable se limitan a 100 metros, necesita concentradores, y los concentradores requieren un puertocadaunoparapoderconectarse.PorotraparteEthernetproveealossistemas de control de ms ancho de banda y puede tener redundancia de medio fsico. Podemosdecirquelasprincipalesrazonesdesuusosonlassiguientes: Interoperabilidad,queeslaposibilidaddeconectardosdispositivosatravsdel mismo medio sin conflictos. Los dispositivos deben poder abordar el mismo mediofsico.EstodaalassolucionesbasadasenEthernetlaposibilidaddeque varios protocolos puedan convivir entre ellos, utilizando si es necesario el mismomediofsicoqueseusaparaconectarlosPCsdelasoficinas,lascmaras devigilancia,einclusolasimpresorasdered. PlugnPlay:medianteestesistemasefacilitaeltrabajoalusuarioysereducen costesenelmantenimientooinstalacionestediosasylargas.Estosetraduceen un sistema que minimice o incluso no necesiteun manual de configuracin o parametrizacin.LaconectividaddeEthernet,ylafacilidaddelosequiposque utilizan esta tecnologa, se encuentra al alcance de todos los usuarios, pudiendo realizar cualquier trabajador las labores de instalacin y configuracinmediantesoftwaredemanerarpidayfcil. Robustez. Una cada de la red industrial puede ser extremadamente daina a losserviciosdecontrol,asEthernetestpreparadaparaestosfallos.Ethernet suele utilizar varios niveles de redundancia que refuerzan las comunicaciones deloscomponentes.Adicionalmenteaestaredundanciadecableado,Ethernet dispone de mecanismos que se utilizan para encontrar rutas alternativas a la comunicacincuandoseproduceunfalloenunposiblecamino. A nivel fsico, la fibra ptica utilizada en Ethernet puede utilizarse en varias reasdondesenecesitencubrirgrandesdistanciaseinclusoenzonasdondela interferencia electromagntica sea muy elevada. Los conectores creados para11


Industrial Ethernet soportan golpes, vibraciones y temperaturas extremas. El cableadoporltimotambinestmsquepreparado,yaqueelpartrenzado empleadoposeeunabuenarelacinS/N(sealruido)yrealizaunfiltradodel ruidoaaltasfrecuenciasdetransmisin. SoftwareEthernet:noserequiereinstrumentacinosoftwareespecfico,para el control y gestin de la red pueden utilizarse todas las herramientas que existen actualmente. Existen varias herramientas muy tiles basadas en IP como el Ping que ayuda a ver si una de las estaciones ha cado, que pueden utilizarseencualquiersistemabasadoenEthernetconTCP/IP. OPC(OLEforProcessControl).Setratadeunestndardecomunicacinenel campodecontrolysupervisindeprocesos.Permitequediferentesfuentesde datosenvendatosaunmismoservidorOPC,alqueasuvezpodrnconectarse diferentesprogramascompatiblescondichoestndar.Deestemodoseelimina lanecesidaddequetodoslosprogramascuentencondriversparadialogarcon mltiplesfuentesdedatos,bastaquetenganundriverOPC. Controlymantenimientoremoto.AtravsdeEthernetygraciasalatecnologa IP,loscontroladoresdeunprocesopuedenestardotadosconservidoresWebs, y stos tienen acceso a los datos del proceso. As, podramos fcilmente por ejemplo comprobar el estado de cientos de sensores, por los que se podra navegarsisusprocesosestuvieranenunservidorWeb.Lareduccindecostes por establecimiento de conexiones va MODEM, impedir que la distancia sea una limitacin al trabajo, y permitir la carga de programas va Internet, son algunasdesuscualidades. Posibilidad de atravesar la frontera del cableado fsico mediante la solucin WirelessEthernet.

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A nivel fsico, los Hubs, Bridges, Routers y Switches son el pilar bsico de una red basada en Ethernet. Casi igual de importante es elegir estos dispositivos como el cableadoquelosune.Ethernetoriginalmentefuediseadaparatrabajarconcableado coaxial, aunque ya prcticamente obsoleto suele utilizarse en su defecto el par trenzado UTP y las fibras pticas. UTP se encuentra disponible en varias categoras. Utilizandolascategorasmsaltaspuedellegarseasoportarfrecuenciasde100Mhz. La fibra ptica ofrece una muy buena inmunidad al ruido y la posibilidad de cubrir distanciasdecientosdemetrosenunnicosegmento.LasLAN(LocalAreaNetwork) tradicionalessediseanconectandounreadetrabajoconunsimplebridgeaunared centraloBackbone.Acontinuacinsemuestraunejemplodearquitecturadered:

Figura2.4.EjemplodearquitecturadeunaredEthernet.

Los equipos de automatizacin se conectan mediante switches 10/100 Mbits/s full duplex como si fueran PCs tradicionales. Los equipos de planta, y los de oficina, se conectanatravsdeunswitchconcapacidaddenivel3(capacidaddeleerpaquetesa niveldered),locualpermite,siserequiere,aislareltrficodelaoficinaconeltrfico delaplantaindustrial.Estehechoproveealareddeunciertogradodeseguridad. Actualmenteexistenunos14estndaresdiferentesenlorelativoaprotocolosbasados enIndustrialEthernet,todosellosconsuscaractersticaspropias.Losprincipalesson: EtherCAT,EthernetPowerLink,Ethernet/IPyProfinet.13


2.4.

Busesdecampo.

SegnladefinicinelaboradaporlainstitucinFieldbusFoundation,unbusdecampo es un enlace de comunicaciones digital, bidireccional y multipunto entre dispositivos inteligentes de control y medida. Acta como una red de rea local para control de proceso avanzado, entrada/salida remota, y aplicaciones de automatizacin de alta velocidad.Losbusesdecamposonutilizadoshoyendaentodotipodeprocesosde automatizacinquevandesdelaautomatizacinindustrialaladomtica,construccin de maquinaria, aplicaciones en sectores de automocin tanto automovilstico, como enferrocarrilesyaeronutica. 2.4.1. Caractersticasymbitosdeaplicacin. Una caracterstica comn de todos estos diferentes mbitos es, como se ha comentado anteriormente, la necesidad de simplificar el cableado. Antes de la aparicindeestatecnologa,lossensoresanalgicostransmitansuinformacinconel estndar analgico de corriente 420 mA, y los digitales (verdadero, falso) mediante seales 024 V. El diseo, instalacin, mantenimiento y reconfiguracin de estos sistemas era complejo y costoso, por lo que la introduccin de las comunicaciones digitales, y en particular los buses de campo basados en estas nuevas tecnologas, permitansimplificarelproblemayreducirloscostes. Esta reduccin de costes se alcanza no nicamente a travs de la reduccin de cableado, se estima que en una proporcin de 5 a 1, sino que tambin influyen indirectamente otros de los requerimientos exigidos a esta tecnologa. Uno de estos requerimientos importantes es la flexibilidad y la capacidad de aadir nuevos dispositivos a la red. As, los sistemas basados en redes son mucho ms fciles de adaptar y evolucionar ante requerimientos de cambios, por ejemplo ampliando el nmero de dispositivos, que los sistemas centralizados tradicionales. Otra caractersticaimportantequedebencumpliresfacilitarlastareasdemantenimiento. Laredpermitelamonitorizacindetodosloselementosconectados,laactualizacin de software, y el diagnstico, facilitando as tanto la puesta en marcha como el14


mantenimiento de los sistemas. Otra propiedad es la capacidad de disponer de un canal bidireccional de comunicacin con los dispositivos de campo, as como la capacidad de ofrecer un acceso remoto a la informacin de la red. A estas redes tambin se les exige una gran fiabilidad. Finalmente, esta tecnologa permite implementarestrategiasdecontrolmsavanzadas. Estas redes, adems, han de poder operar en entornos hostiles, es decir, entornos donde puede haber fuertes vibraciones, radiaciones electromagnticas, ruido elctrico,oenunaatmsferaagresiva,loquecondicionafuertementelosmediosdel nivelfsico. Vistaslascaractersticasypropiedadesdelosbusesdecampo,deformageneral,hay que recordar que esta tecnologa se aplica en mbitos con particularidades muy diferentes. Enelcampodelaautomatizacinindustrial(sistemasdiscretos),estatecnologacubre tanto la comunicacin en una mquina concreta, como la comunicacin entre mquinas.Loscriteriosdedisponibilidadyfiabilidadsonenestetipodeaplicaciones menosestrictosqueenotroscasos,comoseveracontinuacin. Enelcampodelcontroldeprocesos(procesoscontinuos),lasredesdecomunicacin deben cumplir unos requerimientos temporales estrictos de sincronizacin. En industrias como la qumica, se requiere seguridad intrnseca con la alimentacin de dispositivos a travs de la propia red. En algunas aplicaciones los elevados requerimientos de fiabilidad y seguridad requieren de redundancia para poder satisfacerlos. En la domtica, las aplicaciones se consideran generalmente ms del tipo de adquisicindedatosquedecontrol,obienconfuncionesdecontrolmuysimples,por lo que es el mbito de aplicacin donde los requerimientos temporales son menos estrictos. Las particularidades ms significativas de este tipo de aplicaciones son la granvariedaddesensoresydispositivos,ascomoelelevadonmerodestos,loque los convierte en un sistema complejo. El nmero de dispositivos y la necesidad de15


reducir costes de cableado estn disparando en este sector el uso de redes inalmbricasoderedesqueusanloscablesdetensinparalatransmisin(powerline communications). La fiabilidad, an siendo importante, es menos estricta que en los casosanteriores. Enelcampodelasredesdecontrolparaserviciospblicos,lasaplicacionessecentran en la monitorizacin y control de grandes redes de distribucin (gas, agua, electricidad).Enesteentornonosepuedehablarderedesderealocal(LAN),sinode redes metropolitanas (MAN) o de rea extensa (WAN). Aunque pueden tener unos requerimientos de sincronizacin y fiabilidad elevados, la particularidad aqu es la distancia,aloquesedebeadaptarelmediofsico. Enelcampodelossistemasdetransporte,comoporejemploelcontroldetrficoola monitorizacindeautopistasylneasdetrenlatopologadelareddependerdelrea que se cubra. La seguridad y fiabilidad son aqu aspectos cruciales, puesto que vidas humanaspuedendependerdeello. Ensistemasembebidos,peroespecialmenteenlosusadosenvehculoscomocoches, trenes,etc.Lasdistanciassonpequeasomuypequeas.Lasfuncionesenestecampo sonmuyvariadas,desdeelcontroldemotoresyfrenos,alagestindelucesyaccesos, e incluso el pilotaje completo del vehculo. Las restricciones temporales sern dependientes de la aplicacin en concreto, pero seguridad y fiabilidad son aqu otra vezaspectoscruciales. 2.4.2. Arquitecturasdecomunicacin. Existentresprocedimientosomodelosdistintosusadosdentrodelacomunicacinen elreadelascomunicacionesindustriales: Modeloclienteservidor. Modeloproductorconsumidor. Modelodepublicacinsuscripcin.16

Captulo2.EstadodelArtedelasComunicacionesIndustriales. Tipodecomunicacin Estilodecomunicacin Relacinmaestro esclavo Serviciosde comunicaciones Clasesdeaplicaciones Modelocliente servidor Entreiguales(peerto peer) Orientadaalaconexin Unoovariosmaestros Confirmados,sin confirmar,con confirmacin Transferenciade parmetros, comunicacincclica Modeloproductor consumidor Difusin(Broadcast) Sinconexinexplcita Variosmaestros Sinconfirmar,con confirmacin Notificacinde eventos,alarmas, eventos,sincronizacin Modelodepublicacin suscripcin Multidifusin (Multicast) Sinconexinexplcita Variosmaestros Sinconfirmar,con confirmacin Cambiosdeestadoy notificacindeeventos

Tabla2.1.ModelosdeSistemasDistribuidos.

Enlaaplicacindesarrolladaenelpresenteproyectosehaempleadounaarquitectura puntoapunto,dondeelautmataactacomoservidoryelrobotcomocliente.Dicho modelodecomunicacinesexplicadoenelpunto4.Losprocesosclienteyservidorse comunicanatravsdelprotocoloTCP/IPylainterfazSOCKETS. El paradigma de comunicacin ms ampliamente utilizado es el cliente/servidor. A travsdeestemodelo,losprocesosinteractanatravsdepeticionesyrespuestas.El cliente esel proceso que hace las peticiones aotro proceso de la red, el servidor. El servidor realizar el trabajo, y devolver al cliente un mensaje con los resultados. Es puesunmodelopuntoapunto.Estemodeloseconsiderahabitualmentemstilpara la transmisin de informacin de estado, que para la comunicacin de eventos. El servidorslopodrtransmitiruneventotrasunapeticindelcliente. Lasinteraccionescliente/servidorsedanhabitualmenteen4pasos,comoseveenla siguientefigura.Indicationesuneventoproducidoenelservidorqueleindicaastela recepcin de una peticin o request efectuada por el cliente. La respuesta enviada (response)secomunicarenlapartedelclienteatravsdeleventoconfirmation.Este modelosedaentecnologascomoInterbus,Profibus(FMSyDP),PNETyWorldFIP.

17


Figura2.5.Interaccincliente/servidortpica.

Este modelo presenta problemas de consistencia en sistemas distribuidos. Si se necesitaenviarunvaloradosdispositivosdesdeuncontrolador,esnecesariodefinir dosrelacionescliente/servidor.Deestaforma,losmensajesdepeticintendrnque transmitirsenecesariamenteunodetrsdeotro,porloqueelvalorcomunicadoalos dispositivosnoserelmismonisecorresponderconelmismoinstantedetiempo. Los sistemas distribuidos basados en buses de campo utilizan para solventar esta problemticaelmodelodelproductor/consumidor(producer/consumerperotambin llamado a veces publisher/subscriber), el cual es un modelo multipunto. Aqu las interaccionesafectanaunaentidaddenominadaproductor,yaungrupodeunooms consumidores.Losconsumidoressesubscribenalproductorpararecibirlainformacin quenecesitan.Elproductordeldatoovariableproduciropublicarelvalorenlared cada cierto tiempo segn tenga programado, siendo accesible a todos los consumidores el mismo valor correspondiente al mismo instante de tiempo en el mismomensajedered. Buses de campo como WorldFIP, CAN, LonWorks, EIBus, ControlNet, Swiftnet o FF utilizan este modelo, aunque hay que destacar que muchos de ellos pueden utilizar diferentesmodelossimultneamenteparadistintostiposdeservicio(trficoperidico, eventos,etc.). Losbusesdecampodisponenademsdemecanismosdeaccesoalmedioenelnivel deenlacequepermitenordenareltrficodentrodelbus.Unaspectoimportantees la planificacin de mensajes, que tiene un impacto directo en la capacidad de

18


satisfacer los requerimientos temporales en un sistema de control, as como en la capacidaddelmismodeadaptarsedeformaflexiblealoscambios. 2.4.3. Busesdecampoestandarizados. Hoy en da existen una gran cantidad de buses de campo en el mercado, tanto estandarizadoscomopropietarios.Enlasiguientetablasemuestralarelacinentrelos diferentes estndares CENELEC (Comit Europeo de Normalizacin Electrotcnica) e IEC (InternationalElectrotechnical Commission), as comoel nombrecomercial porel quesonmshabitualmenteconocidos. CENELEC EN501701(07/1996) EN501702(07/1996) EN501703(07/1996) EN50170A1(042000) EN50170A2(042000) EN50170A3(082000) EN502542(101998) EN502543(101998) EN502544(101998) EN503252(012000) EN503253(042000) EN503254(72002) EN502952 Tabla2.2.RelacinestndaresbusesdecampoCENELECeIEC.

IEC IS61158type3 IS61158type1/3/10 IS61158type1/7 IS61158type1/9 IS61158type1/3 IS61158type2 IS61158type8 IS61158type3 IS61158type7 IS620263(2000) IS620265(2000) IS62262(2000)

NombreComercial PNET Profibus WorldFIP FoundationFieldbus ProfibusPA ControlNet Interbus ProfibusDP WorldFIP(FIPIO) DeviceNet SDS CANOpen ASInterface

Para tener una visin global de las caractersticas de todos los buses de campo existentesenlaactualidad,semuestralasiguientetabla: 19

Captulo2.EstadodelArtedelasComunicacionesIndustriales. Busde campo ARCNET Topologa Medio Fsico Par trenzado Fibraptica Coaxial ASI Bus rbol Estrella Bitbus Bus Par trenzado Fibraptica CAN Bus Par trenzado 62.5/375 kbps 1.5Mbps 50kbpsa1 Mbps 1000ma 40m 127hasta 64 1200m /300m 29 Sondeo principal subordinadas IEEE1118 CSMA/CD conarbitraje debitISO 11898/11519 Sondeo principal subordinadas CTDMA Basadoen CAN Cablede doshilos 167kbps 100m 32 Sondeo principal subordinadas Velocidad Distancia segmento 122m Nodos segmento 255 Accesoal bus Estndar Pasotestigo ANSI878

Bus Estrella

2.5Mbps

CCLink

Bus

Par trenzado Coaxial Fibraptica

156bpsa 10Mbps 5Mbps 5Mbps

1200ma 100m 1000m 3000m

64

ControlNet

Bus rbol Estrella

48

DeviceNet

Bus

Par trenzado

125250 500kbps

500250 100m

64

CSMA/CD ISO11898y 11519 (basadoen CAN) CSMA/CA CENELEC TC105

EIB

Libre

Par trenzado Infrarrojos Red elctrica Radio

Filbus

Par trenzado

375kbps

1200m

32

20

Captulo2.EstadodelArtedelasComunicacionesIndustriales. Firewire Bus rbol Foundation Fieldbus HART Cablede6 hilos Fibraptica Par trenzado Par trenzado apantallado Par trenzado Par trenzado apantallado 100Mbps 200400 Mbps 1900m 32 700m 63 Ranurasde tiempos IEEE1394 Pasotestigo ISASP50/ IECTC65 Sondeo principal subordinadas IECTC65 Pasotestigo DIN E19258 CSMA/CD conarbitraje debitSAE J1939 (Basadoen CAN) CSMA/CA EIA709

Bus

1200bps

3000m

30

InterbusS

Anillo

500kbps

400m

256

J1939

Bus

250kbps

LonWorks

Bus Anillo Libre

Par trenzado Fibraptica Red elctrica Coaxial Radio Infrarrojos

78kbpsa 1.25Mbps

2700a 130m

64

M3S

Bus

Cablede6 hilos

CSMA/CD conarbitraje debit Basadoen CAN Centralizado IEC870;EN 14343 Sondeo principal subordinadas DIN66348 Sondeo princsubord

MBus

Bus

Cablede2 hilos Cablede4 hilos

300a9600 bps 110bpsa1 Mbps

1000m

250

Measurement Bus

Bus

500m

31

Modbus

Bus

Par trenzado

300bpsa 19.2kbps

1000m

248

21

Captulo2.EstadodelArtedelasComunicacionesIndustriales. NBIP Bus Cablede2 hilos Par trenzado apantallado Sondeo principal subordinadas Pasotestigo Sondeo principal subordinadas CENELEC EN50170 Vol.1; DSF21906; DK502058; DK502066 PROFIBUS Bus Par trenzado apantallado 9.6kbps/ 19.2kbps/ 93.75kbps /187.5 kbps/500 kbps 1200m/ 1200m/ 1200m/ 600m/ 200m 32 Pasotestigo Sondeo principal subordinadas CENELEC EN50170 Vol.2; DINSTD 19245 SDS Bus Cablede4 hilos 125kbps/ 250kbps/ 500kbps/ 1Mbps 500m 64 CSMAISO 11989 (basadoen CAN) Sondeo principal subordinadas Anillo ranurado IEC61491 Sondeo principal subordinadas Centralizado (rbitrode bus) CENELECEN 50170Vol.3; NFC46601a 607

PNET

Anillo

76.8kbps

1200m

125

SENSOPLEX

Bus

Coaxial

120

SERCOS

Anillo

Fibraptica

2Mbps

255

SERIPLEX

Bus

Cablede4 hilos apantallado Par trenzado apantallado Fibraptica

98kbps

1500m

300

WorldFIP

Bus

31.25kbps 1Mbps 2.5Mbps 5Mbps

1000m 750m 500m

32

Tabla2.3.Comparativadelosprincipalesbusesdecampo.

22


A continuacin se describirn las redes de comunicacin ms importantes en la actualidad:PROFIBUS,WORLDFIP,CANybusesempleadosenDomticaeInmtica. 2.5. ElbusdecampoPROFIBUS.

PROFIBUS (PROcess FIeld BUS) tiene una predominante aplicacin industrial, sobre todoenfuncionesdecontrolyautomatizacin.TienesuorigenenAlemaniaen1987y surgiapartirdeunainiciativadeungrupodefabricantesyusuariosconelapoyodel gobierno alemn. La norma alemana que describe el protocolo PROFIBUS es la DIN 19245,en1996seincluyenlanormaeuropeaCENELECEN50170. El protocolo PROFIBUS tiene tres perfiles, cada uno orientado a diferentes clases de aplicaciones: PROFIBUSFMS, PROFIBUSDP y PROFIBUSPA. El perfil PROFIBUSFMS (Fieldbus Message Specification) es la solucin adoptada para tareas de comunicaciones industriales en el nivel superior (nivel de clula) y en el nivel de dispositivos de campo. PROFIBUSDP (Distributed Peripheral) es una versin optimizadaenprestacionesydedicadaespecialmenteacomunicacionescrticasenel tiempo entre sistemas de automatizacin y la periferia distribuida. Por ltimo, PROFIBUSPA(ProcessAutomation)eslaversinutilizadaenautomatizacin.Utilizala tcnica de transmisin especificada en la norma IEC 11582 y permite seguridad intrnseca yalimentacin de las estaciones por el bus. A continuacin se muestra un esquemadelasvariantesdePROFIBUS.

Figura2.6.PerfilesdeprotocolosPROFIBUS.

23


PROFIBUS define las caractersticas tcnicas y funcionales de un bus serie para interconectar dispositivos de campo. El sistema tiene dos tipos de estaciones denominadas principal (maestra o activa) y subordinada (esclava o pasiva). Las estaciones principales son capaces de controlar el bus y pueden transferir mensajes cuando tienen acceso a l. Las estaciones subordinadas son dispositivos perifricos mssencillos(sensores,actuadores,etc.).stasnotienenderechosdeaccesoalbusy solamente pueden confirmar o responder a mensajes enviados por la estacin principal.Estasestacionessubordinadasnecesitanunapequeapartedelprotocoloy surealizacinesmssencilla. El protocolo PROFIBUS solamente emplea tres niveles de los siete posibles en el modeloOSI:capafsica,capadeenlacededatosycapadeaplicacin.Adems,existen otrascapasparalagestindereddenominadasFMA(FieldbusMAnagement). Elhilodecobreeselmediofsicodetransmisinbsicoqueseutilizaparaaplicaciones de fabricacin. Se trata de un cable con un par de hilos trenzados y apantallados, aunque se puede usar sin apantallar si no hay excesivas interferencias electromagnticas.Cadaestacinseconectaalmediofsicomedianteunconectorde 9 patillas tipo sudD. PROFIBUS tambin puede utilizar transmisin por fibra ptica paraaumentarlalongituddelbusytrabajarenentornosconruidoelctricoelevado. Serecomiendaunmximode32estacionesprincipalesenlaredglobalporrazonesde velocidadderespuesta,aunqueparaaplicacionesnocrticaseneltiemposepermite unmximode127(condireccionesdesde0a126). PROFIBUS es un bus de campo que puede trabajar a velocidades bastante elevadas, alcanzando los 12 Mbps, por lo que es muy apropiado en aplicaciones donde las comunicacionesentiemporealsonimportantes. 24


2.6.

ElbusdecampoWORLDFIP.

WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol) es uno de los sistemas ms utilizadosenlaindustriaactual,sobretodoenFranciaqueesdondesurgi.Existeun gran nmero de empresas que fabrican dispositivos y equipamiento dotados con interfaces de comunicacin WorldFIP. Este protocolo ha sido impulsado por los fabricantesfranceses(Cegelec,Telemecanique,Efisysteme,Gespac,etc.).En1996fue recogidoporelCENELECensunormaEN50170. Es un bus de campo diseado para establecer comunicaciones entre el nivel de sensores/actuadores y el nivel de unidades de proceso (PLCs, controladores, etc.) en lossistemasdeautomatizacin.Paradefinirestaredindustrialsehantenidoencuenta consideraciones econmicas, como la de reducir el coste del cableado y ahorrar en tiempodediseoeinstalacin.Tambinseconsideraronaspectostcnicoscomo:un fcil mantenimiento y ampliacin, simplificacin del tradicional cableado punto a punto,garantizaruntiempoderespuesta,conseguirunaseguridadaceptableyquelas variablestuvieranungradodeaccesibilidadelevado. WorldFIPpuedeserusadoentodotipodearquitecturas(centralizada,descentralizada, principalsubordinado)pudounalgoritmoejecutarseenunanicaunidaddeprocesoo estar distribuido entre varias unidades de proceso en diferentes nodos de la red. El mecanismo de difusin (broadcast) empleado en este tipo de red garantiza la consistenciaespacialytemporaldelosdatosparatodaslasestacionesqueconsumen unconjuntodevariables. ElprotocoloWorldFIPtienetresniveles,delossieteposiblesenelmodeloOSI.Losdos primerossonelnivelfsicoyelniveldeenlace,yelltimoeselniveldeaplicacin.Sin embargotambintienedefinidaunafuncindegestinderedquesecomunicacon losanteriorestresniveles. El medio de transmisin puede ser un cable de pares trenzados apantallados o fibra pticaypresentatopologadebuslineal.Ademsdelcablequeconformaelbus,en unaredWorldFIPsepuedendistinguirlossiguientesdispositivos:25


JB(JunctionBox):permitehastadosaccesosparaderivaciones. TAP:puntodeconexinalcabledelbusdondepuedeconectarseundispositivo decampo. REP (Repeater): amplifica la seal entre dos tramos del bus para conseguir longitudesmayores. DB (Diffusion Box): sirve para unir varios segmentos terminales al cable principaldelbus. DS (Disconnectable Subscriber): abonados o nodos que son desconectables localmente. NDS (Nonlocally Disconnectable Subscriber): abonados o nodos que no se puedendesconectarlocalmente. El bus se puede dividir en segmentos que se interconexionan mediante repetidores, pudiendo haber un mximo de 32 dispositivos conectados en cada segmento, y un mximo de 256 dispositivos en toda la red. La topologa fsica limita a 3 el mximo nmero posible de repetidores entre 2 estaciones cualesquiera. Una caja de distribucin (DB) puede servir para conectar hasta 8 estaciones a un nico punto de conexin.

Figura2.7.EjemplodeestructurafsicadeunaredWorldFIP.

26


EnelprotocoloWorldFIPsehandefinidotresvelocidadesposiblesparalatransmisin demensajessobreunmediofsicodecabledecobre: 31,25kbps(bajavelocidad).Paraaplicacionesespeciales. 1Mbps(altavelocidad).Eslavelocidadestndar. 2,5Mbps(altavelocidad).Paraaplicacionesespeciales. Parafibrapticasedefiniunavelocidadde5Mbps. Segn sea la velocidad de funcionamiento del bus, las distancias mximas posibles entre dos estaciones cualesquiera de la red varan. Si no se usan repetidores y considerandounmediofsicodecabledecobredeparestrenzadosapantallados,las distanciasmximasdeunaredWorldFIPson: 1.900metrosa31,25kbps. 750metrosa1Mbps. 500metrosa2,5Mbps. Usandorepetidoressepuedenmultiplicaralasanterioresdistanciasporcuatroyaque elnmeromximoderepetidorespermitidoentredosestacionesesdetres. Los bits que forman las tramas transmitidas por la capa de enlace de datos son codificadosporelnivelfsicousandoelcdigoManchester.Conestecdigoesposible transmitir simultneamente los datos y el reloj para la sincronizacin de seales necesariaenWorldFIP,yaqueesunbusdecamposeriesncrono.Todaslastramasde este protocolo (tramas de pregunta, respuesta, mensajes, etc.) se componen de tres partes:unasecuenciadeiniciodetrama,uncampodedatosycontrol,yunasecuencia defindetrama. El protocolo WorldFIP basa su funcionamiento en dos elementos claves: variables y mensajes. Da preferencia a la transmisin de variables sobre la de mensajes, asegurandolatransmisindestasconunaperiodicidaddeterminada.Estoesmuytil27


en aplicaciones en tiempo real en procesos industriales donde la consulta de cierta informacinescrticaparalaseguridaddelsistema. Enconclusin,sepuededecirqueWorldFIPtieneunaltogradodeeficienciaypuede transmitirentiemporealunagrancantidaddeinformacin,siendomuytilentreel niveldesensores/actuadoresyelniveldelasunidadesdeprocesoenaplicacionesde controlindustrialyautomatizacin. Adems,WorldFIPestconsideradocomounodelospocosbusesdecampocapaces de ofrecer una conexin transparente a Internet. Por este motivo, la asociacin WorldFIP anunci en el ao 2000 su intencin de desarrollar una evolucin del protocoloWorldFIPparaconvertirseenunprotocolodebusdecampoparaInternet. 2.7. ElbusdecomunicacionesCAN.

ElbusdecomunicacionesCAN(ControllerAreaNetwork)surgienlaempresaRobert BoschGmbH,afinalesdelos80,delanecesidaddecomunicarlasdistintasunidades electrnicas existentes en el automvil, tales como frenado, ABS, inyeccin de combustible,etc.Posteriormentesuutilizacinsehaidoexpandiendoaotroscampos deaplicacindistintadelaautomocinyhanaparecidobusesdecampobasadosen CANtalescomoDeviceNet(confuerteimplantacinenlaautomatizacinindustrial)y CANopen. El bus CAN es utilizado en el automvil como bus de comunicaciones de lo que se denomina sistemas distribuidos embebidos, es decir para unir unidades de control electrnicasqueestsembebidasoempotradasenlossistemasquecontrolan.En unautomvilpuedenexistirvariasredesCAN,aunquelonormalesqueseandos,una dealtavelocidaddetransmisinyotradebajavelocidad.LaredCANdealtavelocidad enlaza unidades de control en tiempo real como las de inyeccin de combustible, frenadoABSounidaddeencendidoenmotoresdeencendidoprovocado.LaredCAN debajavelocidadenlazadispositivoselectrnicostalescomoloselevalunas,conjuntos de luces, sistema de climatizacin, etc. Cifras de 97 millones de controladores CAN vendidosen1998hablanporssolasdelvolumendenodosCANquesefabricancada28


ao, muchsimo superiores a las de cualquier otro bus de comunicaciones en la actualidad. Este xito es debido a que dichos elementos presentan importantes ventajas como son un bajo coste, fiabilidad y capacidad de funcionar en entornos agresivos.Estascaractersticas,unidasalasderobustez,facilidaddeusoyaltogrado de capacidad de tiempo real, hicieron que el bus CAN pronto se utilizara en aplicacionesindustriales,tantoensistemasdistribuidosembebidos(robots,mquinas textiles,mquinasempaquetadoras),comoensistemasabiertosparaautomatizacin, siendo soporte de varios buses de campo como CANOpen, DeviceNet, SDS, CANKingdom,etc. OtroscamposdeaplicacindelbusCANsonlaautomatizacinnaval(porejemplopara el control distribuido de salas de mquinas desatendidas), como subred en edificios inteligentes, controlando sistemas tales como los ascensores, sistemas de aire acondicionado,etc.,enelmundodelferrocarril(controldepuertasenvagones)yenel mundodelaaviacinparaunirsensoresdeestadodevueloysistemasdenavegacin. En el campo de la medicina CAN se ha utilizado como red embebida en equipos mdicoscomoequiposderayosX,scanners,etc. Tambinhayqueconsiderarlaexistenciademuchosinterfaceshardwareypaquetes software para facilitar el anlisis del bus CAN de empresas como VECTOR y National Instruments,laexistenciadeplacasdebajocostoqueproveensoporteparaconstruir prototiposrpidamenteeinclusolosfabricantesdeosciloscopioscomienzanaincluir modosdedisparoapropiadosalbusCAN. ElbusCANestmuybienadaptadoparainterconectardispositivosdeentradasalida, sensoresyactuadoresinteligentes.Ademsestacomunicacinlarealizaconunbuen comportamiento en tiempo real y de un modo muy seguro dada la sofisticada deteccinyconfinamientodeerroresqueutiliza. Se pude afirmar por tanto que entre los buses de tiempo real aplicables a sistemas distribuidosenlosquelarelacinprestaciones/costeesdeterminante,puededecirse quehastalafechaningunohaalcanzadolacombinacindeaceptacin,disponibilidad29


dedispositivosdediversosfabricantesyrobustezqueofreceelbusCAN.Todasestas consideraciones han hecho que el abanico de campos de aplicacin donde se ha introducidoelbusCANseacadavezmsamplio,incrementndoseelusodebusesde campobasadosenCANcomoDeviceNetyCANopen.Porltimoenelao2001Bosch haespecificadoelprotocoloTTCAN(TimeTrigeredCAN)dondeseintentaacercaresta nueva versin a las caractersticas necesarias que ha de tener un bus de comunicacionesensistemasdetiemporealestricto(todaslasaccionesdebenterminar dentrodelplazoespecificado). 2.8. BusesyprotocolosenDomticaeInmtica.

El grado de desarrollo actual de la Domtica e Inmtica en Espaa y el mundo, es considerablesobretodosisetieneencuentasurecientehistoria(paraencontrarsus orgeneshabraqueremontarseafinalesdelosaos80yprincipiosdelos90).Anivel fsico,lasredesdomticaspuedenclasificarsesegnlasiguientetabla:Tipo Usabilidad TransmisinconcableCableadodedicado Partrenzado Cablecoaxial Redelctricainstalada Permitencreargrandesredesde equipos Granseguridaddetransmisin Inmuneainterferenciasperomuy rgidoparainstalacin Pocaseguridadyvelocidad.Ventaja deaprovecharlainstalacin elctricainstalada. Grancapacidad Seutilizaparatransmitirgran cantidaddeinformacin Transmisinsincableporradiofrecuencia Bastanteextendido Esunestndar.Velocidadde transmisinmediaycortoalcance Bastanteextendido Esunestndar,admiten velocidadesaltasdetransmisin Pocoextendido Altsimasvelocidadesde transmisinenfrecuenciaestndar Pocoextendido Esunestndar,velocidadesde transmisinbajas,pensadopara dispositivosdegestindeedificios Pocaimplantacin Esunestndar,pararedes inalmbricasmetropolitanasyredes entreedificios Muyfcil,muyextendido, econmico Provienedeusosindustriales Utilizadoenelenvodesealesde video.Bastanteimplantado Nonecesitainstalacinadicionalde cableado

Caractersticasy requerimientos

Fibraptica

BluetoothV1y2 IEEE802.11b IEEE802.11g IEEE802.15.4

IEEE802.16a,b,c

Tabla2.4.Mediosfsicosdelasredesdomticas.

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Anivelmundial,existendosestndaresparadomticaeinmtica:KNXEIB(enEuropa) ySCP(enEEUU). LaasociacinKNXEIBnacecomoiniciativadetresorganizaciones,queson: EIBA(EuropeanInstallationBusAssociation),representantedelsistemaEIB. BCI(BatiBUSClubInternational),representantedelsistemaBatibus. EHSA(EuropeanHomeSystemAssociation),representantedelatecnologaEHS. Se trata deque, partiendo de los sistemas EIB(European InstallationBus)y BatiBUS, crearunnicoestndareuropeoqueseacapazdecompetirencalidad,prestacionesy precios con otros sistemas norteamericanos como LonWorks o CEBus, y finalmente conelestndaramericanodeconvergenciaSCP(SimpleControlProtocol).Actualmente laasociacinKonnexestterminandolasespecificacionesdelnuevoestndar(versin 1.0) el cual ser compatible con los productos EIB instalados. Este nuevo estndar tendrlomejordelEIB,delEHSydelBatibus. Respectoalnivelfsico,elsistemapuedefuncionarsobrelossiguientesmedios: Partrenzadoa9600bps.Ademsporestosdoshilossesuministra24Vdcpara latelealimentacindelosdispositivos. Corrientes portadoras sobre 230 Vac/50 Hz (powerline) a 1200/2400 bps. La distanciamximaquesepuedelograrsinrepetidoresde600metros. UsandoelestndarEtherneta10Mbps(IEC8022).Permitelatransferenciade telegramasatravsdelprotocoloIPainstalacionesremotas. Radiofrecuencia: usando varias portadoras, se consiguen distancias de hasta 300metrosencampoabierto.Paramayoresdistanciasoedificiosconmltiples estanciassepuedenusarrepetidores. Infrarrojo: para el uso con mandos a distancia en salas o salones donde se pretendacontrolarlosdispositivosEIBinstalados.

31


Enlaprctica,sloelpartrenzadohaconseguidounaimplantacinmasivamientras quelosdemsapenashanconseguidounapresenciatestimonial. El SCP es un intento de Microsoft y de General Electric de crear un protocolo para redesdecontrolqueconsigaafianzarsecomolasolucinentodaslasaplicacionesde automatizacindeedificios.Setratadeponerunpocodeordenenlaofertaexistente enEEUUenestembito(X10,CEBus,LonWorksyotros)yauspiciarlaconvergencia de todos estos hacia un protocolo abierto, adems de desarrollar un conjunto de productosquecubrantodoslosrequisitosdeautomatizacindelasinstalaciones. AnivelfsicoelSCPhaescogidounasolucinbasadaenlatransmisindedatosporlas lneas de baja tensin (ondas portadoras) que ya estaba desarrollada, el CEBus. En EEUU,dondellevanvariosaosdeadelantoenlaimplantacindesistemasdomticos einmticosrespectoaEuropa,elX10,enelmercadoresidencialyelLonworks,enel mercadoprofesional,tienencopadoelmercado. ActualmentelasempresasDomosys,ITRANCommunicationsLtdyMitsubishiElectric Corporation, estn desarrollando circuitos integrados que implementen la especificacinSCPenpocoespacioyabajocoste,haciendoposiblesuusoenmultitud de dispositivos elctricos. Est previsto el desarrollo de varios medios fsicos adicionalescomoelpartrenzadoylaradiofrecuencia. ElSCPestoptimizadoparasuusoendispositivoselctricosyelectrnicosquetienen una memoria y una capacidad de proceso muy limitadas. Al igual que otros buses o protocolosdecontroldistribuido,elSCPestdiseadoparafuncionarsobreredesde control con un ancho de banda muy pequeo (Programa>

ProgramaS7. 4. Hacemos doble clic en el programa de usuario (objeto "Bloques") que se

encuentreenlacarpeta"ProgramaS7". 5. Hacemos doble clic enel OB1 que aparece enla parte derecha de la ventana

delproyecto. Enlaaplicacininiciadapodremoseditarelbloqueocrearotros.

50

Captulo3.DescripcindelSistema.

6.

DeterminamosenlaspropiedadesdelprogramaS7ladireccinMPIdelmdulo

enelquedeseacomprobarlosbloquescreados.Seleccionamosatalefectoenelmodo devisualizacinonlineelprogramaS7yelegimoselcomandoEdicinPropiedades delobjeto. 7. Seleccionamos,enelmododevisualizacinonlinedelaventanadeproyecto,el

programadeusuario(carpeta"Bloques")olosbloquesquedeseamoscargar. 8. ElegimoselcomandoSistemadedestinoCargarparacargarenelsistemade

destinolosobjetosseleccionados. PodemoscomprobarelprogramadeusuariocargadomediantelafuncinObservary forzar. Ahora nos centraremos en la aplicacin que permite creary probar bloques para las CPUsSIMATICS7enloslenguajesdeprogramacinKOP,FUPyAWL. Ademsdepodercrearprogramas,esdecir,decrearyeditarbloqueslgicos,bloques dedatosytiposdedatosdeusuario,seofrecenfuncionesadicionalesparaprogramar, comprobaryponerenmarchaelprograma: Programarconsmbolos. Declararvariables. Leer informaciones de estado y datos de operacin de la CPU mediante el comandodemenInformacindelmdulo(MenSistemadedestino). Visualizar y cambiar el estado operativo de la CPU mediante el comando de menEstadooperativo(MenSistemadedestino). BorradototaldeCPUs. VisualizaryajustarlafechaylahoradelaCPUmedianteelcomandodemen Ajustarlahora(MenSistemadedestino). Crearovisualizarlosdatosdereferencia.51


Compararbloques. Comprobarlaconsistenciadelosbloques. Declararmultiinstancias. GenerarfuentesAWL. Definirdefinicionesdeerroresparaeldiagnsticodelproceso. Observarunbloquelgicoindividual. ParapodercrearyeditarbloquesdebeexistirunProgramaS7.Dichoprogramasecrea con el Administrador SIMATIC. Si vamos a programar bloques por primera vez, p.ej. con un programa KOP sencillo, es recomendable proceder de la siguiente manera dentrodelaaplicacin"KOP/FUP/AWL:programarbloquesS7": 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 52

Crearbloqueslgicos. Declararvariables. ProgramarbloquesenelreadeinstruccionesenKOP. IntroducirelementosKOP. EditardireccionesyparmetrosenKOP Crearramificacionesparalelas. Crearnuevasramificaciones. Buscaryeliminarerrores. Guardarbloque. ComprobarelprogramaS7.


3.2.2.LenguajeRAPIDparalaprogramacindelrobot. El robot dispone de un mando denominado FlexPendant a travs del cual podemos programar el robot en lenguaje RAPID, empleando las instrucciones y creando las variables que sean precisas. FlexPendant es una unidad de programacin flexible basada en el nico uso de una pantalla grfica tctil. La presentacin general de FlexPendantseapoyaenlatecnologadeMicrosoft,enelsistemaoperativoWindows CE(sistemaoperativodetiemporealparadispositivosmviles).

Figura3.14.FlexPendantdelControladorderobotIRC5.

RAPID(RoboticsApplicationProgrammingInteractiveDialogue)esunleguajede programacintextualdealtoniveldesarrolladoporlaempresaABB.Unaaplicacin RAPIDconstadeunprogramayunaseriedemdulosdelsistema.

53


Figura3.15.EstructuratpicadeunaaplicacinRAPID.

Elprogramaesunasecuenciadeinstruccionesquecontrolanelrobotyengeneral constadetrespartes: Unarutinaprincipal(main):rutinadondeseinicialaejecucin. Unconjuntodesubrutinas:sirvenparadividirelprogramaenpartesms pequeasafindeobtenerunprogramamodular. Losdatosdeprograma:definenposiciones,valoresnumricos,sistemasde coordenadas,etc. ElprogramadeRAPIDimplementadosemuestrayseexplicaenelpunto4.2.3.2. 3.2.3.Wincc(WindowsControlCenter)V6.0.1.0. Se trata de un software mediante el cual hemos creado un ejemplo de aplicacin SCADA con el objetivo de probar las comunicaciones. El paquete de software WinCC constituye el entorno de desarrollo de Siemens en el marco de los SCADA para visualizacinycontroldeprocesosindustriales.Suscaractersticasmsimportantesse puedenresumiren: Arquitecturadedesarrolloabierta(programacinenC). SoportedetecnologasActiveX. ComunicacinconotrasaplicacionesvaOPC.54


Comunicacin sencilla mediante drivers (cdigo que implementa el protocolo decomunicacionesconundeterminadoequipointeligente)implementados. Programacin online: no es necesaria detener la runtime del desarrollo para poderactualizarlasmodificacionesenlamisma(laruntimeeslaventanaque nospermite,entiempodeejecucindelproceso,interactuarconelmismo). WinCCesunsoftwareIHMI(IntegratedHumanMachineInterface)queincluyetodos los elementos necesarios para controlar y supervisar procesos industriales. Las operacionesprincipalesquepodemosdesarrollarenWinCCson: Edicingrficadelaspantallas. Gestindearchivosybasesdedatos. Generacindeinformesenbaseadatosobtenidos. Administracindelainformacin. Tpicamente,lospasosparatrabajarconunproyectoenWinCCson: 1. Creacindelproyecto. 2. ConfiguracindelaconexinconunPLC. 3. Definirvariablesdecomunicacin. 4. Creacin de las imgenespantallas. Para la edicin grfica se ofrecen las opciones tpicas (gamas de colores, gama de objetos, asistente dinmico, funciones de alineamiento, funciones de zoom, barra de mens, barra de herramientas,barradecapas,etc.). 5. Definirlascaractersticasentiempodeejecucin(RunTime). 6. Programacindevariablesyobjetos.

55


Porltimo,comentarqueunaparticularidaddetrabajarconWinCCesqueelproyecto creado en un determinado PC, slo puede ser cargado en otro PC distinto si ste ltimoposeeelmismonombrequeaquelenelquefuecreado.

56

Captulo4.DesarrollodelProyecto.ComunicacinPCAutmata.

Captulo4: DesarrollodelProyecto. 57


Laimplementacindelascomunicacionesdesarrolladaenelproyectopodradividirse endosfases: 1. ComunicacinPCAutmata(vasepunto4.1). 2. ComunicacinAutmataControladorderobot(vasepunto4.2). Enelpunto4.3seintegrarnlostreselementoshardwareanteriores,explicandoqu funcindesempeacadaunodeellosenlosprocesosdeenvoyrecepcindedatosde laaplicacindesarrollada. 4.1. ComunicacinPCAutmata.

4.1.1. Objetivo,arquitecturaydiagramadeflujo. El objetivo de este punto es establecer una comunicacin bsica entre el autmata SiemensS7yelPC. ETHERNET INDUSTRIAL

PC

AUTMATA

Figura4.1.ComunicacinPCAutmata.

En el PC, a travs de la herramienta software WinCC, activaremos bits o bytes del autmata y tambin podremos consultar el valor de las posiciones de memoria de ste.Asimismo,desdeelautmatapodremos,manualmente,efectuarlaactivacinde unbit,queserledoporelPC. Laarquitecturaaimplementarparaestaaplicacinseralasiguiente:

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Figura4.2.ArquitecturadecomunicacinPCAutmata.

Para entender mejor el funcionamiento de este subapartado se muestra el siguiente diagramadeflujo. INICIO

CREACINYPROGRAMACINDEPROYECTO SIMATICENELAUTMATA

ORDENDEESCRIBIR DATOSENEL AUTMATA? CREACINYPROGRAMACINDEPROYECTO WINCCENELPC

NO NOSEHANRECIBIDODATOS ENELAUTMATA?

SIELPCESCRIBEENLASPOSICIONESDEMEMORIA DELAUTMATAPROGRAMADASPREVIAMENTE EN WINCC

SIAUTOMTICAMENTEENELPC,WINCCDISPARA UNEVENTOQUEHACEVISIBLEELVALORQUESE HAESCRITOENELAUTMATA

Figura4.3.DiagramadeflujodelacomunicacinPCAutmata.

59


En primer lugar crearemos un proyecto SIMATIC Manager mediante el cual se configuraelhardwaredelautmataysecrealaredEthernetIndustrialentreelPCyel autmata. EnelPC,conWinCCsehadesarrolladounasimulacindeSCADA(SupervisoryControl andDataAcquisition)paraprobarlascomunicacionesdelaaplicacinimplementada. Las pantallas creadas se muestran en el punto 4.3.3. del presente proyecto. Para el envo de datos desde el SCADA, bastar con hacer click sobre un botn creado; la recepcindelosdatosenviadosporelcontroladorderobot(quepreviamentepasarn porelautmata)servisiblealcambiardeestadounaimagendelrobotquedescribe latareaejecutadaporsteencadainstante. Aspues,laordendeactivarbitsenelautmataseefectuarhaciendoclicsobreun botncreadoenWinCC.Porotrolado,enelautmatasepodrnrecibirdatos,aparte delosprocedentesdelPC,desdeelcontroladorderobotomanualmentemediantelos interruptoresdelmismo. 4.1.2. ConfiguracinyprogramacinenWincc.Creacindevariables. Lo primero que tenemos que hacer es crear un proyecto nuevo. Para ello vamos a ArchivoNuevoymarcamoslaopcinProyectoparaestacinmonopuesto,yaque ennuestraaplicacinslotenemosunautmata.

Figura4.4.CreacindeunproyectomonopuestoenWinCC.

60


A continuacin creamos los canales de comunicacin entre el pc y el autmata. Nos situamosenAdministracindeVariablesenelexploradordeWinCC:

Figura4.5.AdministradordevariablesenWinCC.

Pulsamos el botn derecho y le damos a Agregar nuevo driver, y nos aparecer la siguienteventanadondeabriremoseldriverSIMATICS7ProtocolSuite:

Figura4.6.AgregardriverdecomunicacindeWinCC.

Una vez hecho esto, en WinCC podremos observar todas sus posibles interfaces de comunicacinconelexterior:MPI,PROFIBUS,IndustrialEthernet,SlotPLCyTCP/IP.

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Figura4.7.InterfacesdecomunicacindeldriverSimaticS7ProtocolSuite.

Como hemos explicado en anteriores puntos, la comunicacin entre el PC y el autmataserealizarporIndustrialEthernetyaqueeslaredmseficazenloquese refiere a rapidez y costes (aunque tambin se ha utilizado como segunda opcin la comunicacin por MPI, siendo la configuracin en WinCC muy similar al proceso seguidoparaIndustrialEthernetquesedescribeacontinuacin). EnelcampoIndustrialEthernetcreamosunanuevaconexin,queenestecasoseha llamadoComEthernet.

Figura4.8.CreacindeunanuevaconexinporIndustrialEthernet.

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Figura4.9.PropiedadesdelanuevaconexinEthernetcreada.

En propiedades deberemos indicar la direccin Ethernet (MAC) del autmata, as comoelnmerodeslotybastidordelaCPU.

Figura4.10.ParmetrosdelaconexinporIndustrialEthernet.

Con estos pasos ya tendramos la conexin Industrial Ethernet disponible para su programacin.

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El elemento clave en la programacin con WinCC son las variables. Mediante ellas podremos, desde el pc, leer y escribir datos en la CPU del autmata. Para crear una variable nos iremos a la conexin Industrial Ethernet creada anteriormente, pulsaremoselbotnderechoyseleccionaremosVariablenueva.

Figura4.11.CreacindevariablesenIndustrialEthernet.

Nosaparecerunaventanadepropiedades,dondedaremosunnombrealavariabley realizaremosdospasosimportantes: Seleccionamos el tipo de datos de la variable, que puede ser variable binaria (bit),unbyte,unapalabrade16bitsode32bits,conosinsigno. EnelcampoDireccin,seleccionamoselreadedatosdondeselocalizarla variabledentrodelamemoriadelPLC(entrada,salida,DBomarcas)ascomo sudireccininicial.

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Figura4.12.EstablecimientodelaspropiedadesdelavariableEthernetcreada.

SiqueremosescribirenelPLClavariableserdesalida(A)ysiqueremosleerdelPLC lavariableserdeentrada(E).Losbloquesdedatos(DB)ymarcaspuedensertantode entradacomodesalida.

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Figura4.13.Direccionamientodelavariable.

ParalacomunicacinentreelPCyelautmataporIndustrialEthernetsehandefinido dosvariables: ActivarComEthernet Variabledesalidadetipobyteenladireccin124. MedianteestavariableactivaremosunbitdelPLCalpulsarunbotn(verfigura 4.94delapartado4.3.3.EjemplodeaplicacinSCADA),loqueasuvezhar que se inicie el envo de datos va ethernet desde el autmata al controlador delrobot. MovImagenRobot Setratadeunbloquededatos(DB201)detipobyte.

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Enelbyte100(DBB100)elautmatarecibirlosdatosenviadosporelrobot. WinCCirleyendoestosdatos,yenfuncindeellos,mostrarunaimagendel robotdescriptivadelatareaejecutadaporste,detalformaqueelusuariodel PC sabr en todo momento cul es la funcin que est realizando el robot (Vanselastablas4.1y4.2delpunto4.3.3).

Figura4.14.VariablesutilizadasenlacomunicacinporIndustrialEthernet.

HastaaqusehaexplicadoloreferentealacomunicacinporEthernetIndustrialcon WinCC.Acontinuacin,seexplicarlorelacionadoconlainterfazMPI,quetambinha sidoutilizadaenesteproyecto. LainterfazMPIesutilizadanicamenteparacargarlosprogramasalautmata.Esla interfaz Ethernet Industrial la que se emplea para el proceso de comunicacin en s mismo,esdecir,eltrficodeinformacinentreelPC,elautmatayelcontroladorde robot se realiza a travs de Ethernet Industrial y no a travs de la interfaz MPI. No obstante, la comunicacin PC Autmata puede efectuarse tambin por MPI. As pues,encuantoalaprogramacinenWinCC,todoelprocesoexplicadohastaahora para Ethernet Industrial podra realizarse de igual forma para la interfaz MPI. A continuacinseexponedichoproceso. NossituaremossobreelcampoMPIyharemosclicenNuevaConexin,quehemos llamadoComMPI.

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Figura4.15.CreacindeunanuevaconexinMPI.

Figura4.16.PropiedadesdelaconexinMPI.

En Propiedades configuraremos los parmetros del enlace (la direccin de la estacindelPLCyelnmerodebastidoryslotdelaCPUdelautmata).

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Figura4.17.ParametrizacindelenlaceMPI.

ConestospasosyatendramoslaconexinMPIdisponibleparasuprogramacin.Las variablescreadasparaestaconexinhansidodos:

Figura4.18.VariablesdelaconexinMPI.

Estructura/Baldosas Setratadeunavariabledesalidatipobytededireccin125,queusaremosen lapantalla2(verfigura4.93delapartado4.3.3.EjemplodeaplicacinSCADA) paraindicarlealrobotqudemostracinqueremosefectuar:elensamblajede unaestructuraocortarbaldosas.69


DatosRecibidosMPI Esunbitdeentradacuyadireccines124.0.Serutilizadoenlapantalla4para indicarqueunapersonahapulsadoelinterruptordelautmatarelativoadicha direccin.

ElprocesoparacrearestasvariablesesanlogoalexplicadoparalainterfazEthernet Industrial. Haciendo clic derecho sobre el nombre de la conexin MPI, pulsamos en Variablenuevaynosaparecerlasiguienteventana.

Figura4.19.PropiedadesdelavariableMPI.

Aqudaremosunnombrealavariable,seleccionaremossiqueremosqueseadetipo bit, byte, 16 o 32 bits, y tambin su posicin (direccin) en la memoria del PLC, pudiendoseleccionarentreelreadeentradas,elreadesalidas,elreademarcasy elreadebloquesdedatos. 4.1.3. CreacindepantallasyusodevariablesenWinCC Nos queda saber cmo crear las pantallas del SCADA y cmo programar en ellas las variablesanteriores. NossituaremosenelcampoGraphicsDesignerdelexploradordeWincc,pulsaremos elbotnderecho,seleccionaremosNuevaImagenyledaremosunnombre.Atravs70


deestaherramientacrearemoslaspantallasutilizandolasopcionestpicasdeedicin grfica que se nos ofrecen: insertar objetos, formas, botones, textos, ajustar propiedades,colores,etc.

Figura4.20.AbrireleditordepantallasGraphicsDesigner.

Como puede observarse, en la simulacin de SCADA desarrollada para el presente proyecto se han creado cuatro pantallas. A continuacin se muestran y se explica el usodelasvariablesenstas.

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1. Inicio.Pdl

Figura4.21.PantalladeiniciodelSCADA.

LapantalladeiniciomuestraellogotipodeManubuild,unproyectosobrelaaplicacin delaRobticaylaAutomatizacinenelcampodelaConstruccin. Para crear el botn Acceder nos vamos a Objetos Windows de la Paleta de Objetos.

Figura4.22.PaletadeobjetosdelGraphicsDesigner.

Mediante el botn derecho accederemos a su configuracin y le indicaremos que al hacerclicsobrel,saltealapantallasiguienteEstructuraBaldosas.Pdl.72


Figura4.23.ConfiguracindelbotnACCEDER.

Para crear el botn Salir se ha utilizado el Asistente Dinmico que nos ofrece la funcin de sistema Salir de WinCC RunTime. Llamamos Runtime a la ventana (formadapordiversaspantallas)desdelacualsecontrolaunprocesoentiemporeal, recibiendoyenviandoinformacinalmismo.Esdecir,eslainterfazproporcionadaal usuariodelpcparacomunicarseconelprocesoquequeremoscontrolar.

Figura4.24.AsistenteparasalirdeRuntime.

Para fijar esta imagen como la inicial, lo haremos en el explorador de WinCC en Equipo>Propiedades>Propiedades>Runtime de Graphics, donde tambin podremos elegir los atributos de ventana. Es importante que en la pestaa Arranque estn73


marcadaslasopcionesGlobalScriptRuntimeyGraphicsRuntime,parapermitirsin problemas la ejecucin de las acciones programadas. Hay que tener en cuenta que detrsdelaprogramacinmediantemensqueseestexplicando,WinCCintroduce por s mismo cdigo C que es lo que verdaderamente se ejecuta al tener lugar un evento.

Figura4.25.AjustedeprogramasejecutadosaliniciarlaRuntime.

2. EstructuraBaldosas.Pdl

Figura4.26.Pantalladeseleccindeoperacin.

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En esta pantalla, el usuario elegir qu operacin desea llevar a cabo con el robot, ensamblarunaestructuraocortarbaldosas.Paraelloutilizaremoslavariabledesalida tipobyteEstructura/Baldosasyadeclaradaanteriormente.ActivaremosenelPLCelbit 125.1 si queremos ensamblar estructura, y el bit 125.2 si queremos cortar baldosas. Estoloharemosdelasiguienteforma: 1)DesdeelGraphicsDesigner,seleccionamoselbotnyabrimoselasistentedinmico Activar/Desactivarbit.

Figura4.27.Asistentedinmicoparaactivar/desactivarbit.

2)Seleccionamoscuandoqueremosqueseproduzcaelevento(laactivacindelbit).

Figura4.28.Seleccindelmomentodeactivacindelevento.

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3)Seleccionamoslavariableylaaccinaejecutar.

Figura4.29.Seleccindelaaccinaejecutartrasevento.

4)Seleccionamoselbit,enestecasoel1.

Figura4.30.Seleccindelbit.

El ejemplo anterior corresponde a la activacin del bit del PLC al pulsar el botn Ensamblar Estructura. Para el bit de Cortar Baldosas, nicamente cambiara el paso4paraseleccionarelbit2. HastaahoraloquesehahechoesescribirenelPLC.Ahora,conlasiguientepantalla, vamosaverunejemplodecmoleerdelPLC.76


Figura4.31.Pantalladediagnsticodelascomunicaciones.

Loquequeremoshaceresquecuandounapersonaactivemanualmente,medianteun interruptor,unbitenelautmata,lacasillaDatosrecibidosporMPIpasedelestado quevemosenpantallaalestadoOK.Estoloharemosempleandolavariabledeentrada binariacreadaanteriormenteDatosRecibidosMPIcuyadireccines124.0 En la paleta de objetos, insertaremos el objeto smart Vista de estado, el cual chequea el valor de una variable dada, y en funcin del valor de sta, muestra una imagen.

Figura4.32.SeleccindelobjetoVistadeestado.

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SiE124.0=0NoheactivadoelbitLaimagendeestadoesunacruz. SiE124.0=1HeactivadoelbitLaimagendeestadoesuntick.

Figura4.33.ConfiguracindeimgenesdelobjetoVistadeestado.

Otra forma alternativa de diagnosticar el estado de las comunicaciones en WinCC puede hacerse desde HerramientasEstado de las conexiones, una vez que se ha activadoelRuntime.

Figura4.34.Visualizacindelestadodelascomunicaciones.

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Porltimo,enlasiguientepantallasehanusadolasdosvariablespertenecientesala conexinEthernet.

Figura4.35.PantallademanejodevariablesEthernet.

Pararepresentarunaimagenyuntextodescriptivodelatareaejecutadaporelrobot encadainstante,sehanempleadodosobjetosVistadeEstado,queirncambiando enfuncindelbytequeenvaelIRC5.Dichobytetransmitidodesdeelcontroladorde robot, se almacena en la variable MovImagenRobot, que como puede verse en el apartado 4.1.2 de creacin de variables en Industrial Ethernet, es el byte 100 del DB201. Este buffer de recepcin es tratado ms adelante en el punto 4.2.3.1. Programacin del autmata en Step7. No obstante como adelanto se muestra el bloqueutilizadopararecibirdatosenelautmata,dondeenelcampoRECVpodemos verladireccinderecepcinmencionadaDB201.DBB100. 79


Figura4.36.Bloquederecepcindedatosenelautmata.

Figura4.37.Animacindeimgenesdelatareaejecutadaporelrobot.

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Figura4.38.Configuracindetextosdescriptivosdelatareaejecutadaporelrobot.

Los diferentes estados por los que pasa el proceso, un total de 49 en la aplicacin desarrollada,puedenverseenelpunto4.3.3.EjemplodeaplicacinSCADA. Por otro lado en el botn Enviar byte Via Ethernet hemos usado la variable ActivarComEthernet.AlpulsarestebotnactivaremoselbitA124.1,locualprovocar que se inicie el envo de datos. En la figura siguiente vemos que el bit A124.1 es el valordelcampoACT(BitdeActivacindeenvo).

Figura4.39.Bloqueparaelenvodedatosdesdeelautmata.

81


4.1.4. Configuracin y programacin en Simatic Manager. Creacin de la red Ethernet. Para empezar a crear la red Ethernet, primero nos centraremos en la conexin PC autmatayunavezhechoesto,seincluirelcontroladorderobotalared. DesdeelSIMATICManager,loprimeroquetenemosquehaceresajustarlainterfaza travsdelacualnuestropcsecomunicarconelexterior,esdecir,latarjetadered. Para ello nos iremos a HerramientasAjustar interfaz PG/PC y seleccionaremos la tarjetaderedEthernetdequedisponganuestropc,enestecasounaNICFastEthernet PCIFamiliaRTL8139deRealtek.ElprotocoloutilizadoserelISOIndustrialEthernet.

Figura4.40.SeleccindelatarjetaEthernetdelPCcomointerfaz.

A continuacin nos crearemos un nuevo proyecto, e insertaremos dos de los tres equiposquecomponenlared:PCyautmata. ParainsertarelautmatanosiremosalnombredelproyectoInsertarnuevoobjeto SIMATIC300.

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Figura4.41.InsertarelautmataSIMATIC300.

Ahora haremos doble clic en AUTMATAHardware y se nos abrir la herramienta HWConfig,dondeseleccionaremoslosmdulosquelocomponen.

Figura4.42.Configuracinhardwaredelautmata.

Primero insertaremos el bastidor del autmata: Insertar objetoSIMATIC 300BASTIDOR300PerfilSoporte

Figura4.43.Insertarbastidordelautmata1/2.

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Figura4.44.Insertarbastidordelautmata2/2. Ahoratenemosqueirinsertandolosdistintosmdulosqueformanelautmata.Para ellolosseleccionaremosenlacolumnadeladerechaylosarrastraremosalslotenel queseencuentran. Slot1.FuentedealimentacinPS3072A

Figura4.45.Configuracinhardwaredelautmata,FuentedeAlimentacin.

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Slot2.CPU314C2DP6ES73146CG030AB0/v2.0.12

Figura4.46.Configuracinhardwaredelautmata,CPU.

AlinsertarlaCPUsenosofrecelaposibilidaddecrearunaredPROFIBUSyasociarla CPU a dicha red. Cancelaremos esta opcin ya que en esta prctica la interfaz de comunicacinelegidaesIndustrialEthernet.

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Slot4.CP3431ADVIT6GK73431GX210XE0V1.1

Figura4.47.Configuracinhardwaredelautmata,ProcesadordeComunicaciones.

Al insertar el CP (Procesador de Comunicaciones) crearemos la red Ethernet. En la pantalladepropiedadesqueapareceenlaimagensuperior,pulsaremosenNuevay aceptaremos, de forma que habremos creado la red Ethernet(1). En esta ventana tambin tendremos que fijar una direccin IP para el CP, que en nuestro caso es 192.168.133.1. Es importante tener en cuenta a partir de ahora que todos los elementos que se inserten en la red debern tener la misma direccin IP variando nicamenteelltimodgito. Para terminar con la configuracin hardware del autmata, nos queda configurar el Switch Ethernet (mdulo SCALANCE X208). Para ello, nos vamos a Sistema de destinoEditarestacionesEthernet.

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Figura4.48.EditarestacinEthernet.

Desdeaqupodremosdetectarlasestacionesonlinequetenemosaccesiblesenlared.

Figura4.49.BuscarestacionesEthernetonline.

AparecernelprocesadordecomunicacionesyelswitchEthernetSCALANCE,alquele tendremosqueasignarunadireccinIPcoherente,enestecaso192.168.133.5.

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Figura4.50.EstacionesEthernet.

Porltimo,guardamosloscambiosefectuadosenlaconfiguracindelautmata. AhorapasamosainsertarelPC,queenestecasohemosllamadoSCADA.Haremosclic sobreInsertarNuevoObjetoPG/PC.

Figura4.51.InsertarunPCenlared.

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A continuacin asignaremos la red Ethernet(1) creada anteriormente al PC. Haremos dobleclicsobreelobjetoPCyenlapestaainterfacespulsaremosNuevoIndustrial Ethernet.

Figura4.52.Conjuntodeelementosinsertadosenlared.

SeleccionaremoslaredEthernet(1)eintroduciremoslaIPdelPC,192.168.133.3.

Figura4.53.AsociarPCaredEthernet.

EstamismaIPasuveztendremosqueasignarlaenelPCdelasiguienteforma:

Figura4.54.ConexinEthernetPC.

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Figura4.55.EstadoconexinEthernetPC.

Figura4.56.ProtocoloTCP/IPEthernet.

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Figura4.57.PropiedadesdelprotocoloTCP/IPenelPC.

Unavezhechoesto,yatenemosconfiguradalaredEthernetentreelPCyelautmata. Esto puede comprobarse en el Netpro, que seabre desdeHerramientasConfigurar Red.

Figura4.58.ReddecomunicacinentreelPCyelautmata.

91

Captulo4.DesarrollodelProyecto.ComunicacinAutmataRobot.

4.2.

ComunicacinAutmataRobot.

4.2.1. Objetivo,arquitecturaydiagramadeflujo. Enestepuntoelobjetivoesconseguirunintercambiodeinformacinbsicoentreel autmata Siemens S7 y el controlador de robot de ABB IRC5. Desde el autmata se enviarunbytealmacenadoensumemoria,ydesdeelIRC5enviaremosunavariable tambindetipobytepreviamentecreadaconeleditordevariablesdelFlexPendant. ETHERNET INDUSTRIAL

AUTMATA

CONTROLADOR DEROBOT

Figura4.59.ComunicacinAutmataRobot.

Lacomunicacinenelautmataserealizamedianteunprogramaimplementadocon el software de Siemens SIMATIC Manager. Dicho programa bsicamente consiste en parametrizar adecuadamente los bloques de funcin que realizan las funciones de envo y recepcin de datos. La comunicacin en el controlador de robot se realiza a travs de la interfaz sockets. Se trata de un canal de comunicacin definido por direcciones IP, un protocolo (en nuestro caso TCP) y un nmero de puerto. Este proceso de comunicacin brevemente descrito ahora, es explicado ms detalladamentealolargodeesteapartado. La arquitectura a implementar para lograr la comunicacin Autmata Controlador seralasiguiente: 92


CableEthernet

Figura4.60.ArquitecturadecomunicacinAutmataRobot.

Enlasiguientepginasemuestraundiagramadeflujoparaexplicarelprocedimiento decomunicacinentreelautmatayelcontroladorderobot.Ambosprogramas,tanto eldelautmatacomoeldelcontroladorderobot,seejecutarndemaneracclica. 93


INICIO

CREACINDEPROYECTOSIMATICY PROGRAMACIN DEL AUTMATA

CREACINDELAINTERFAZSOCKETSENEL CONTROLADOR DE ROBOT.

MEDIANTELAINSTRUCCINSOCKETCONNECT AMBOS EQUIPOS SE LOCALIZAN

NOENVIARDATOS AUTMATA CONTROLADOR?

NO

ENVIARDATOS CONTROLADOR AUTMATA?

SISEACTIVAELBLOQUEAG_SENDPARAEL ENVIO DE DATOS

SIMEDIANTELAINSTRUCCINSOCKETSENDSEENVAN LOSDATOSALAUTMATA

MEDIANTELAINSTRUCCINSOCKETRECEIVELOS DATOSSONRECIBIDOSENELCONTROLADOR MEDIANTEELBLOQUEAG_RCVLOSDATOSSON ALMACENADOSENLAMEMORIADELAUTMATA

Figura4.61.DiagramadeflujodelacomunicacinAutmataRobot.

Para establecer una comunicacin entre el autmata y el robot, lo primero que se debe hacer es crear un proyecto en SIMATIC Manager para el autmata, y un programa en RAPID que use el canal de comunicacin sockets en el controlador de robot. Una vez programadas las funciones de envo y recepcin de datos como se explica en los apartados 4.2.3.1 y 4.2.3.2, el primer contacto entre ambos equipos tienelugaralejecutarseenelrobotlainstruccinSocketConnect,conlacuallosdos equipossonconectadosempleandodireccionamientoporIPsdelmismosegmento.94


Llegados a este punto, puede comenzar el envo y recepcin de datos en ambos sentidos. Si se quieren enviar datos desde el autmata al controlador de robot, se utilizarelbloqueAG_SENDenelPLCylainstruccinSocketReceiveenelrobot.En sentido contrario, el envo de datos en el robot se efecta con SocketSend y su recepcinenelautmatamedianteelbloquedeprogramaAG_RCV. 4.2.2. ConexindelrobotalaredEthernet.CreacindeenlaceTCP. AlareddecomunicacincreadaanteriormenteentreelautmatayelPCtenemosque aadirunnuevoobjeto:elcontroladordelrobotIRC5.Paraellonossituamossobreel nombre del proyecto y hacemos clic sobre Insertar nuevo objetoOtro equipo, que renombraremosconelnombreIRC5.

Figura4.62.Insertarequipoajeno(IRC5).

Figura4.63.Vistadeloselementosquecomponenlared.

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A continuacin lo que haremos es introducir el IRC5 en la red Ethernet(1). Para ello haremos doble clic sobre el objeto para acceder a sus propiedades, y en la pestaa Interfaces,pulsaremosenNuevoIndustrialEthernet.

Figura4.64.CreacindeinterfazIndustrialEthernetparaelIRC5.

Nos aparecer una ventana en la que seleccionaremos la red Ethernet(1) y estableceremosladireccinIPdelIRC5,queenestecasoes192.168.133.2,obtenidaa travsdelFlexPendant.

Figura4.65.AsociacindelIRC5alaredEthernet.

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Deestaforma,yatendramosintegradosenlaredEthernet(1)lostreselementosque componennuestraaplicacin:PC,autmataycontroladorderobot. Elltimopasoantesdedarporconcluidalaconfiguracindelared,eslacreacinde unenlacedecomunicacinenelautmata. ConcretamentesetratadeunenlaceTCPnoespecificado,locualsignificaqueelPLC podr comunicarse, siguiendo el protocolo TCP, con cualquier equipo en el que se trabaje tambin con el protocolo TCP, como es el caso del programa de sockets en lenguajeRAPIDqueseejecutarenelrobotyqueesexplicadoenelpunto4.2.3.2. ElprotocoloTCPgarantizaquelosdatossernentregadosensudestinosinerroresy enelmismoordenenquesetransmitieron.Tambinproporcionaunmecanismopara distinguirdistintasaplicacionesdentrodeunamismamquina,atravsdelconcepto de puerto. TCP aade las funciones necesarias para prestar un servicio que permita quelacomunicacinentredossistemasseefecte:libredeerrores,sinprdidasycon seguridad.Susprincipalescaractersticasson: Orientado a conexin: dos computadoras establecen una conexin para intercambiar datos. Los sistemas de los extremos se sincronizan con el otro paramanejarelflujodepaquetesyadaptarsealacongestindelared. OperacinFullDuplex:unaconexinTCPesunpardecircuitosvirtuales,cada unoenunadireccin.Slolosdossistemasfinalessincronizadospuedenusarla conexin. Error Checking: una tcnica de checksum es usada para verificar que los paquetesnoestncorrompidos. Acknowledgements: al recibir uno o ms paquetes, el receptor devuelve un acknoledgement (reconocimiento) al transmisor indicando que recibi los paquetes. Si los paquetes no son notificados, el transmisor (emisor) puede reenviarlospaquetesoterminarlaconexinsiseconsideraqueelreceptorno estconectado.

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Flow Control: si el transmisor est desbordando el buffer del receptor por transmitir demasiado rpido, el receptor descarta paquetes. Los acknowledgement fallidos alertan al receptor para bajar la tasa de transferenciaodejardetransmitir. ServicioderecuperacindePaquetes:elreceptorpuedepedirlaretransmisin de un paquete. Si el paquete no es notificado como recibido (ACK), el transmisorenvadenuevoelpaquete. ParacrearesteenlaceTCP,actuaremosdelasiguienteforma: AbriremoselNetproenHerramientasConfiguracindered.

Figura4.66.AbrirherramientaNetPro.

Luego nos situaremos sobre la CPU del autmata, pulsaremos el botn derecho del ratnyseleccionaremosInsertarnuevoenlace.

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Figura4.67.CreacindeenlaceTCPparacomunicacinconautmata.

Seleccionamoseltipodeenlace,TCPnoespecificado,yaceptamos.

Figura4.68.Seleccindeltipodeenlace.

Ahoranosaparecerlaventanadepropiedadesdelenlace.

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EnlapestaageneraldaremosunnombrealenlaceyverificaremosqueenVaCP apareceelmduloCPEthernetdelautmatacomointerfazdecomunicacindelPLC conelexterior.

Figura4.69.PropiedadesdelenlaceTCP.

En la pestaa Direcciones, en la columna Local, deber aparecer la IP del CP Ethernet. Aqu fijaremos con qu puerto el

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PFC Miguel Alvaro Yunta