T6_comunicaciones

8/18/2019 T6_comunicaciones

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1

Dpto. de Sistemas Electrónicos y de Control

Automática Industrial


1

Comunicaciones Industriales:Parte I

Mariano Ruiz




Automática Industrial 2


2

Introducción

• Conceptos básicos• Algunas redes industriales

– DeviceNet

– CANopen – FieldBus – PROFIBUS – Ethernet

• Conclusiones






3

Procesador

+

E/S

EL PASADO DE LAAUTOMATIZACIÓN






4

E/S

Red Dispositivos

Procesador

E/S E/S E/S

Red Dispositivos

Procesador

E/S E/S

Red de dispositivos

E/S distribuidas

E/S distribuidas






5

Red de Control

E/S

Red Disposit ivos

Procesador

Procesador

E/S E/S E/S

Red Disposit ivos

Procesador

E/S E/S






6

Red de Control

E/S

Red Disposit ivos

Procesador

Red InformaciRed Informacióónn

Gestión de

Información

E/S E/S E/S

Red Disposit ivos

Procesador

E/S E/S

Procesador

Central






7

PLC-5

Gestión de

Información

EthernetEthernet (TCP/IP, MMS)(TCP/IP, MMS)

CONTROLNET

SLC-500 PLC-5

DEVICENET DEVICENET

Dispositivos

de

campo

Dispositivos

de

campo

E/SDispositivos

de

campo

E/S






8

A-B

A-B

T

Redes de Información Ethernet TCP/IP

Redes de disposi tivos , DeviceNet , Remote I/O

Redes de Control : ControlNet , Data Highway Plus , Data Highway 485 , Remote I/O

PLC-5SLC-500

Terminales de Operador PanelView1x00e, 900 y 550Supervisión y/oProgramación

Supervisión

Programación

MS-DOS y

MS-Windows

RSViewOrdenadores

de Proceso

Fotocélulas, Sensores

Botoneras

Variadores

de Frecuencia

160/1305/1336+

Protectores de motoresSMP3 y CET4

Visualizadores

DataLiner

MessageView Lectores de

códigos

de barras

E/S Distribuidas

Flex I/O

Power Monitor

Control

de Energía

Control

de válvulas

Terminales

DTAM

Arrancadores

Estáticos

SMC Plus

Arquitectura con Allen Bradley






9

Jerarquía de buses industriales

Empresa

Control

Fieldbus

Devicebus

Sensorbus

NN NN

NN NN

Fisher

ControlPanel

Flow

PressureAlarmCondition sSTOP

Temperature

ControlPanel

Flow

PressureAlarmCondition sSTOP

Temperature






10

Clasificación

Nivel de funcionalidad – Bus de empresa (Ethernet)

– Bus de control (HSE, ControlNet)

– Fieldbus (Foundation Fieldbus, ProfibusPA)

– Device bus (DeviceNet, Profibus DP,Interbus-S,CAN,LONWorks)

– Sensor bus (CAN, ASI, Seriplex,

LonWorks)






11

Organismos de estandarización

Estandarización

ISO IEC

IEEE ANSI

CEN/CENELEC

AENOR






12

Ejemplos de estándares enautomatización industrial

• CAN: ISO11898• Profibus: EN50170/EN50254

• Fieldbus: IEC61158-61784• Software: IEC61131-3






13

Modelo OSI7 Application

6 Presentation

5 Session

Niveles de

Aplicación

4 Transport

3 Network

2 Data link

1 Physical

Niveles de

transporte de

datos






14

OSI Nivel de transporte• Nivel 1 – Físico

– Codificación y transferencia de datos• Nivel 2- Enlace

– Divide y compone mensajes

– Detección y corrección de errores a nivel de bit.

• Nivel 3- Red – Encaminamiento de paquetes

• Nivel 4- Transporte – Divide los datos en los paquetes






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Niveles de aplicación en OSI

• Nivel 5 – Nivel de sesión – Establece sesiones entre máquinas.

• Nivel 6 – Nivel de presentación – Convierte los formatos de datos entre

aplicaciones a las representaciones de laRED.

• Nivel 7 – Nivel de aplicación – Proporciona una capa uniforme que

abstrae el comportamiento de la RED.






16

7 Application

6 Presentation

5 Session

Niveles deaplicación

4 Transport

3 Network

2 Data link

1 Physical

Niveles de

transporte

7 Application

6 Presentation

5 Session

Niveles deaplicación

4 Transport

3 Network

2 Data link

1 Physical

Niveles de

transporte

Redes Industriales






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Elección de una red industrial

Requisitos de aplicación – Aplicabilidad del nivel físico

– Capacidades de RED

– Integración con equipos existentes – Velocidad y requisitos de temporización

– Disponibilidad de componentes Coste

– Instalación, dispositivos, formación y

mantenimiento



18


Automática Industrial


18

Ejemplos de redesindustriales






19

RS232/422/485






20

RS485






21

Software en RSxxx

• Optomux

• Modbus

• HART

• PLC

• Protocolos a medida






22

DeviceNet – Nivel físico

• DeviceNet estándar abierto (ODVA)• CAN para el nivel de comunicación – 125, 250, o 500 kbps

– Hasta 64 dispositivos por red. – Señales diferenciales. – Alimentación disponible en el bus

– Hasta 500 m a 125 kbps – Identificación de arbitraje de 11 bits.






23

DeviceNet – Nivel de aplicación• Tipos de comunicación

– Mensajes explícitos

– Conexiones de IO

• Tipos de conexiones de IO – Pooling

– Strobed

– Change-of-state

– Cíclicas






24

DeviceNet

• Modelo de objetos – Clase

– Instancia

– Atributos – Servicios

• Hojas de datos electrónicas: – Algunos dispositivos se auto-documentan.






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CANopen – Nivel físico Estándar abierto (CiA)

CAN – 10kbps a 1 Mbps

– 30 m – 5 km

– Hasta 128 dispositivos por Red

– 11 o 29 bit Arbitraje

D t d Si t El t ó i d C t lD t d Si t El t ó i d C t l






26

CANopen – Nivel de aplicación• Tipos de comunicación

– Datos en tiempo real.• “Event-driven”

• Polling.

– Parámetros de configuración

– Sincronización temporal

• Perfiles de dispositivo – Guías de diseño de los dispositivos para

tener compatibilidad.

D t d Si t El t ó i d C t lD t d Si t El t ó i d C t l






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Profibus y FOUNDATIONFieldbus: Nivel Físico

• Profibus PA y FOUNDATION Fieldbus – IEC 61158

– 31.25 Kbps

– Hasta 32 dispositivos por segmento. Mascon repetidores y “bridges”.

– Señales diferenciales

– Alimentación en el bus

– Hasta 1900 m

• Más con repetidores

Dpto de Sistemas Electrónicos y de ControlDpto de Sistemas Electrónicos y de Control






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Fieldbus – Nivel de aplicación• Cada dispositivo tiene bloques

– Bloque de recursos – características deldispositivo – Bloque de función – I/O

• La ejecución se puede planificar de manera determinista.

• La ejecución esta sincronizada con la comunicación.• El dispositivo puede soportar instanciaciones dinámicas

de FBs

– Bloque de transductores – conexiones de I/O

locales.• Hoja de datos electrónica

– No incluida en el dispositivo

• Interoperabilidad entre vendedores







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PROFIBUS – Nivel de aplicación

• Comunicación• Logical “token ring” – Master/slave

• Datos en tiempo real accedidos por polling.• Hojas de datos:

– Perfiles de dispositivo fijo, no definibles por

el vendedor • Simples y rápidos







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DeviceNet – Beneficios parael usuario

• Interoperabilidad de dispositivos – Allen-Bradley

– Cutler-Hammer

• Estándar de facto en la industria desemiconductores.

• Ampliamente utilizado• Conectividad con software de diferentes

fabricantes







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PROFIBUS – Beneficios parael usuario

• Simple y rápido• Muy usado en Europa

– Gran variedad de CI

• Los fabricantes proporcionan tarjetas deinterfaz a PROFIBUS y software para

desarrollo.

Dpto. de Sistemas Electrónicos y de ControlDpto. de Sistemas Electrónicos y de Control






32

Ethernet

• DeviceNet→ EtherNet/IP• PROFIBUS→ “PROFIBUS on

Ethernet”

• Fieldbus→ HSE – 1998







33

Integración con Ethernet




p y


p y

34

Nivel físico: Ethernet

• 10 Mbps, 100 Mbps• Numero ilimitado de dispositivos en la

red

– Hubs, switches y routers para generarredes jerárquicas.

• No hay alimentación• Disponible en toda la empresa




p y


p y

35

Protocolos en Ethernet• Ethernet describe un nivel físico y de

enlace





Conclusiones

• Gran disponibilidad tecnológica• La elección depende de: – Que dispositivos se vayan a conectar

– Infraestructura existente. – Tiempo de respuesta

– Nivel de determinismo – Conectividad dentro de la empresa

• Gran evolución al uso de Ethernet




37Automática Industrial 37

Comunicaciones industriales II:El bus CAN

Mariano Ruiz





Características

• Bus serie con dos líneas: excelenterelación precio/rendimiento.

• Dispositivos disponibles a bajo coste.

• Gran aplicación en automoción yautomatización





Características• Fiabilidad del bus CAN

– Detección de errores sofisticada y manejo deerrores que garantizan una transmisión segura delos datos.

– Ejemplo: 500 kbit/s, 25% carga de bus, 2000horas de funcionamiento al año.Un error detectado cada 1000 años

– Los mensajes erróneos se detectan y se reenvían.

– Cada nodo del bus es informado de los errores. – Alta inmunidad a las interferencias

electromagnéticas.





Ventajas

• Tiempo real – Mensajes de longitud corta. (0 a 8 bytes dedato / mensaje)

– Baja latencia entre la petición de unatransmisión y el comienzo de la misma.

– Arbitraje inherente en la prioridad del

mensaje (AMP) – Multi-maestro usando el método CSMA/CD

+ AMP





Ventajas

• Flexibilidad – Los nodos CAN se puedenconectar/desconectar fácilmente ( plug &

play). – Número de nodos no limitado al protocolo.

• Velocidad – Máxima velocidad de 1 MBit/s @ 40 m

(40 kBit/s @ 1000 m)





Ventajas

• Operación multi-master – Cada nodo CAN puede acceder al bus.

– La comunicación no es interrumpida por

nodos con problemas. – Los nodos con fallo se auto-desconectan

del bus





Ventajas

• Difusión de mensajes. – Los mensajes se pueden enviar a uno omúltiples nodos.

– Todos los nodos reciben los mismos datos.• Estandarización: – ISO-DIS 11898 (Aplicaciones de alta

velocidad) – ISO-DIS 11519-1 (Aplicaciones de bajavelocidad)





Protocolos• CAN Application Layer (CAL)

– Nivel-7-estándar definido por CiA (CAN inAutomation)

– Los servicios de gestión de red proporcionaninicialización, vigilancia y configuración de los

nodos de una manera estandarizada. – Cuida de todos los aspectos de la realización de

una comunicación abierta mediante CAN (seasegura la interoperación entre fabricantes)

– Implementaciones disponibles de CAL hacen muysencillo para el usuario definir sofisticadas redesde CAN.





Protocolos

• CANopen (CiA DS-301) – Perfil de aplicación basado en CAL

– Mientras CAL determina el medio de

comunicación, un perfil de aplicacióndetermina el significado del mensajeespecifico para la aplicación concreta.

– Objetivo: intercambiabilidad de dispositivospara ciertas aplicaciones.

18





Protocolos

• Otros protocolos de alto nivelestándares: – Automoción: VOLCANO, OSEK (en

desarrollo) – Automatización industrial: DeviceNet (Allen

Bradley),SDS (Honeywell)





Ejemplos de aplicación• CAN en vehículos a motor (coches,

camiones, autobuses) – Habilita la comunicación entre ECUS como el

sistema de gestión del motor, ASB, suspensiónactiva, etc

– Usada para controlar unidades como, el panel demandos, el aire acondicionado, las ventanillas, elcierre centralizado, el airbag, los cinturones deseguridad.

• CAN vehículos de utilidad – Construcción, tractores etc. – Trenes y sistemas hidráulicos.





Ejemplos de aplicación

• CAN en trenes – Alta necesidad de intercambio de datosentre las diferentes unidades de control de

los subsistemas electrónicos. – Principalmente datos de aceleración,

frenada, control de puertas, mensajes de

error y diagnóstico.






• CAN en automatización industrial – Excelente mecanismo de conexión paratoda clase de equipos de control, sensores

y actuadores. – Máquinas de control numérico.

– Sistemas de transporte.






• Equipos médicos – Imágenes de tomografía, Rayos-X, sillasde ruedas y sillas de dentista.

• Edificios inteligentes – Equipos de calor y aire acondicionado,

luminarias, equipos de vigilancia.

– Ascensores.






• Domótica – Lavavajillas, lavadoras, máquinas de café.

• Oficinas

– Fotocopiadoras, scanners, clasificadorasde documentos.





Características

• Desarrollado en los 80 por BOSCH• Bus serie asíncrono con estructuralineal y nodos con las misma jerarquía.

(Multi Master bus)• CAN no direcciona nodos (la

información de la dirección va dentrodel mensaje combinada con la prioridaddel mensaje)





Características• Dos estados en el bus: dominante y recesivo.

• Lógica de bus:"Wired-AND":los bits dominantes (0) sobre-escriben los

recesivos.• Acceso al bus mediante CSMA/CD con NDA(Carrier Sense Multiple Access/ Collision

Detection with Non-Destructive Arbitration)





Acceso al bus

NODE A

NODE B

recesivo

dominante

recesivo

dominante

Reposo bus

CAN BUS

recesivo

dominante

El nodo B envía valores recesivos

pero lee los dominantes

El nodo B pierde el arbitraje

y conmuta a recepción





Estructura de nodos en CAN

CAN_H

CAN_L

CAN-

Transceiver

CAN-Bus

CAN-Controller

Host-Controller

AplicaciónI/O

C8051F04x/06x

Tª

Nodo A Nodo B

UDiff

CAN 2.0B

PIC18C658 / 858

CAN 2.0B





Acceso físico





Trama

• Dos mecanismos de comunicación: – Un nodo habla 'talking', el resto de losnodos escuchan 'listen'

– El nodo A interroga al nodo B para obteneruna respuesta

• Para enviar datos, los nodos CAN usan

una trama: – Una trama consiste en un identificador, el

dato a transmitir y el CRC-Checksum.

Identifier CRC-FieldData Field (0..8 Bytes)





Trama

• El identificador especifica el contenidodel mensaje:('engine speed', 'oil temperature', etc.) y

la prioridad del mensaje.• El campo de dato contiene el

correspondiente valor:('6000 rpm', '110°C', etc.)





Trama

• El (Cyclic Redundancy Check) se usapara detectar errores de transmisión.

• Todos los nodos reciben la trama.

Aquellos que no necesitan lainformación no la almacenan.





Petición de datos a un nodo CAN

• Para solicitar información los nodosCAN usan los “frames remotos”. – Un “Remote Frame” consiste de un

identificador y el CRC No contiene datos.Identifier CRC-Field





Petición de datos a un nodo CAN

• El identificador contiene la informaciónque se pide y la prioridad del mensaje.

• El nodo que tiene que responde lo hace

enviando la correspondiente trama conel mismo identificador y el campo dedatos con los datos solicitados.





Petición de datos

Data Frame; Identifier ‘temp';

~~~~~

~~~~~

Remote Frame; Identifier ‘temp’Nodo A

Nodo B

‘temp’

Temperatura?

115°C115 °C !





CAN Estandard• El CAN Estándar utiliza las tramas “Standard

Data” o “Remote Frames”. – Un “Standard Frame” contiene un identificador

con 11 bits long.

– Con 11 bits, se pueden enviar 2048 mensajesdiferentes

– Los nodos CAN que usan el Standard-CAN-

Frames lo hacen de acuerdo a la especificaciónCAN Version 2.0A.







CAN Extendido...• Algunos nodos CAN Standard no reconocen

esta extensión pero la toleran sin molestar elfuncionamiento del bus: – Si se envía un Extended Frame esos nodos CAN

no pueden almacenar el dato, pero no debenproducir errores.

– Estos nodos CAN usan la versión 2.0A, pero son

conocidos como version passiva 2.0B.





CAN Extendido• Algunos nodos CAN no toleran este tipo

de mensajes. – Si se ha enviado un Extended Frame,

estos nodos producen errores. – Estos nodos solo se pueden usar con la

version 2.0A.

– No se pueden usar en redes con frameextendido.





CAN Básico/CAN Completo• En algunos controladores CAN, solo las

funciones básicas del CAN seimplementan. Son los controladores

básicos. – En la mayor parte de estos solo hay unbuffer de transmisión y dos buffers de

recepción para las tramas de datos yremotas.





CAN Básico/CAN Completo – Cada mensaje de entrada es almacenado.

La CPU del nodo tiene que decidir quemensajes almacenar.

– Estos controladores solo se deben usar enarquitecturas CAN con bajas velocidadesde transmisión o pocos mensajes debido ala gran carga que generan a la CPU.





Controlador Básico

Received

MessagesReceive Buffer

CAN Bus

Host CPU

Transmit Buffer

CPU load

low high

Basic-CAN Controller

Messages

to be sent





Controladores CAN completos• En estos otros controladores, la gestión

de los mensajes y el filtrado deaceptación esta implementada..

• Hay varios “Message Objects”, cadauno con su identificador. – Solo si un mensaje de los preprogramados

se recibe, se almacenará y se generarauna interrupción (la carga de la CPU loades baja).



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