Ethernet Industrial

Jhon Jairo Padilla A., PhD.

Introducción Inicialmente, Ethernet fue diseñada para entornos de

oficinas Ethernet ha ganado gran aceptación en redes industriales,

hasta convertirse en un estandar de facto. Así, Ethernet ha sido incluida en los niveles 1 y 2 de: Modbus/TCP (Schneider) Ethernet/IP (Rockwell Automation & ODVA) Profinet (Profibus) Foundation Fieldbus HSE

Evolucion de ethernet industrial

Conectores y Cableado en Ethernet Industrial

Primeros sistemas Ethernet de Siemmens (Siemens Simatic Net, SINEC-H1) utilizaban el estándar 10BASE5: Conectores: tipo D tipo Screw N

Cable coaxial RG-8 bastante tosco, pero inmune a interferencias

Conectores y Cableado en Ethernet Industrial Los conectores RJ-45 y los cables UTP cat 5/5E de las

redes de oficina basadas en los estándares 10BASET y 100BASETX son vulnerables a situaciones como: Temperaturas extremas Contacto con petróleo y otros fluidos Suciedad Radiación ultravioleta Interferencia electromagnética (EMI) Golpes Vibraciones Carga mecánica (Fuerzas externas)

Conectores y Cableado en Ethernet Industrial

Hoy en día se usan conectores tipo: DB o D-submin

M12 de 8 polos (estándar IEC 61076)

ampliamente utilizado en aplicaciones Fieldbus y de automatización

Conectores y Cableado en Ethernet Industrial Los conectores M12 y cables trenzados apantallados (STP)

categoría 5/5E ofrecen inmunidad ante: Humedad Polvo Corrosión EMI RFI Vibración mecánica Golpes Radiación ultravioleta Temperaturas extremas (-40°C a 75°C)

Vendedores: Lumberg, Turck, Escha, InterlinkBT, Hirschmann

Sistema EthermateIndustrial Ethernet de Lumberg

Métodos de Acceso al medio El estándar Ethernet basado en Bus (10BASE5) trabajaba

con CSMA/CD como método de Acceso al medio Esto implica una probabilidad de Colisión. Esto conlleva a: Pérdida de tiempo porque se tiene que retransmitir la trama

(mayor retardo) En una Ethernet 10BASET moderadamente cargada de tráfico

y con 100 estaciones se tienen tiempos de entrega de las tramas de entre 10ms y 100ms

En una Ethernet Industrial el retardo debe estar entre 5 y 20 ms e incluso, algunos procesos requieren entre 2 y 5ms

Métodos de acceso al medio En una Ethernet de oficina, una carga de tráfico de la red

de 25% a 30% es aceptable para una operación adecuada (retardos aceptables)

En una Ethernet Industrial, se requiere una carga de tráfico de menos del 10%.

Muchas Ethernet Industriales operan con una carga de tráfico de 3 a 4% con un gran número de dispositivos de I/O transfiriendo información por el sistema.

Métodos de Acceso al medio El uso de tecnologías más rápidas como Fast Ethernet y

Gigabit Ethernet, permite una operación más cómoda con un buen número de dispositivos

Igualmente, el uso de Switches en lugar de Hubs, hace que se reduzca la probabilidad de colisiones a cero, lo que mejora la confiabilidad. Sin embargo, hay retardos en la comunicación debido a la congestión en las colas (buffers) de los switches.

El uso de switches capa 3 y la capacidad de establecer VLANs da mayor confiabilidad al evitar tormentas de broadcast.

Sobrecarga en el tamaño de las tramas Al usar TCP/IP para transmitir un dato de tan solo 2

bytes, la cantidad de bytes incluidos por las cabeceras MAC, IP y TCP hace que haya una sobrecarga en el tamaño de la trama.

Por tanto, habrá una reducción en la eficiencia de la comunicación, ya que sólo un porcentaje muy pequeño de toda la trama es lo que lleva información útil.

Esto se supera en la medida que se utilicen tecnologías con altas velocidades como Fast Ethernet o Gigabit Ethernet, pues el tamaño de la trama se vuelve muy pequeño con esas velocidades.

Problemas de Interferencias e inmunidad al ruido Si se usa cable UTP, debe

tenerse cuidado de no pasarlo por zonas con alta interferencia (EMI, RFI) o con ruidos eléctricos importantes (motores, etc)

Es mejor usar otros medios como cable coaxial (es apantallado), par trenzado apantallado (STP) o fibra óptica (es inmune a EMI, RFI y no hay problemas de tierras).

Conector RJ-45 de 8 polos industrial

Conector M12

Partición de las redes

Es importante que las redes de oficina estén separadas de las redes industriales para: Evitar problemas de retardos en la red industrial por causa de

la red de oficina Evitar problemas de seguridad y confiabilidad debido a

problemas en la red de oficina

Las redes industriales a su vez son subdivididas en subredes mediante switches y puentes para evitar problemas de retardos y tormentas de broadcast

Reducción de tráfico Otra estrategia para reducir el tráfico y disminuir

retardos es que los PLCs se programen para transmitir sólo en caso de eventos excepcionales en lugar de hacerlo contínuamente.

Ejemplo: Sólo transmitir cuando un punto digital cambia de On a Off o

viceversa. Sólo transmitir cuando una señal análoga se sale de un rango

especificado.

Uso de switches

Los switches reemplazaron a los hubs y puentes. Por tanto, no hay colisiones.

Tipos de Switches: capa 2 y capa 3 Uso de VLANs permite organizar el

tráfico Cuando hay congestión, podrían

perderse paquetes debido a la saturación de los buffers de los switches. Esto podría afectar la confiabilidad de la comunicación de ciertos procesos críticos.

Los switches capa 3 reducen a regiones limitadas los mensajes de broadcast. Sin embargo, estos mensajes de broadcastpodrían generar retrasos en algunos mensajes críticos de los procesos.

Switch Scalance X208 de Siemens

Uso de switches Es necesario el uso del protocolo Spanning Tree para

eliminar posibles bucles y evitar que un mensaje pase varias veces por un mismo punto de la red, evitando posibles congestiones.

El protocolo Spanning Tree puede tomar entre 2 y 5 segundos el detectar un posible bucle y eliminarlo. Esto podría causar un mal funcionamiento en ciertos procesos debido a que queden aislados ciertos elementos de la red durante unos segundos.

Solución al problema del uso de Spanning Tree: Utilizar switches de respaldo en una topología en anillo redundante dual. Un mensaje podría viajar indefinidamente por tal anillo Hirschmann (fabricante) adicionó una función de gestión de la redundancia a sus switches. El anillo opera a 200Mbps El switch gestor rompe el anillo en operación normal y pone a funcionar el segundo enlace

en caso de haber algún problema con el primero (toma entre 20 y 500ms) El anillo de redundancia también opera con Hubs para casos de pérdida de la alimentación

en alguno de ellos.

TCP/IP y las redes industriales La arquitectura TCP/IP es abierta En combinación con Ethernet, es un estándar utilizable

por todos los usuarios y vendedores La estandarización no se da a nivel de aplicación Los equipos con diferentes aplicaciones pueden coexistir

e interconectarse en la red, pero no pueden cooperar Se han planteado Protocolos como MMS (Manufacturing

Messaging Service) para dar una solución abierta a la comunicación entre aplicaciones, pero no ha tenido buena aceptación

Arquitectura Cliente-Servidor Es una forma de organizar la interacción de las aplicaciones y los usuarios

en las redes

Es una organización que está jerárquicamente por encima de las redes de telecomunicaciones (las redes transportan la información que se les indique)

Hay dos componentes: Cliente: El usuario que solicita/envía información Servidor: Envía/recoge la información centralizada disponible para la

consulta/envío de los usuarios.

Necesidad de estándares Cliente/Servidor Para la interconexión de

clientes y servidores se requiere una interfaz de comunicación

Los controladores de los dispositivos suelen estar amarrados a aplicaciones del fabricante

Esto hace que se suban los costos enormemente

Por esto fue necesario crear un estándar de interconexión cliente/servidor abierto

Estandar OPC para cliente/servidor Es la solución para

interconectar Aplicaciones y controladores de manera que no se dependa del fabricante

Uso de OLE/COM (Object Linking and Embedding/ Component Object Model)

Aumento de la disponibilidad en Ethernet

Para casos de fallos en una NIC, es posible tener dos NICs, c/u conectada a un enlace diferente

Uso de redundancia en los switches y uso de anillos (caso HiperRing de Hirschmann )

También tenerse redundancia en los sistemas de alimentación

Debe evaluarse el costo de la inversión versus el costo del tiempo de caída de la producción

Ejemplo: Red LAN con anillo de Allen Bradley

Servo Drive Ultra 3000 con módulo SERCOS

Estructura de conexiones del sistema ULTRA 3000 SE

Montaje del sistema ULTRA 3000 SE

Configuracion ethernet en siemens

EJEMPLO

Estructura DCS de Siemens del laboratorio de automatización de la UPB

Gabinete de control central Gabinete de control distribuido

Creación de una red PROFINET IO

Anexar Switch a la red

Configurar propiedades IP del switch

Añadir terminal remota (RTU)

Configurar propiedades IP RTU

Añadir modulos de I/O y de potencia

Añadir unidad HMI

Establecer tipo de módulo HMI

Configuración de la interfaz HMI

Configurar propiedades IP de la interfaz HMI

Configurar conexiones: Interfaz HMI

Configurar conexiones: Interfaz HMI

Configuración conexiones IO

Configuración conexiones IO

Configuración en la HMI Programar las características de red en el lado de la HMI:

Configurar interfaz PG/PC del PC con el SCADA

Esta ventana aparece debido a que se ha instalado el software de Siemens

Configurar tarjeta de red del PC

Lo demás… Programar controladores Interfaz HMI con los botones y ventanas del caso Etc…