Protocolos_de_Comunicacion_26-01-1515143

Ing. Moiss Gutirrez Chvez Ing. Moiss Gutirrez Chvez Ing. Moiss Gutirrez Chvez

PROTOCOLOS

INDUSTRIALES

TRANSMISION DE

DATOS Y REDES

INDUSTRIALES

Ing. Moiss Gutirrez Chvez

OBJETIVO

Mostrar como los sistemas modernos

de automatizacin usan formas de

comunicacin ms eficientes que el

simple lazo analgico 4-20 mA.

POROTOCOLOS DE COMUNICACION


POROTOCOLOS INDUSTRIALES


Son reglas que permiten el flujo

de informacin entre

computadoras que manejan

lenguajes distintos

POROTOCOLOS DE COMUNICACION


PROTOCOLOS INDUSTRIALES DE COMUNICACION

PROTOCOLOS DE COMUNICACION


Actualmente un importante nmero de empresas

presentan la existencia de islas automatizadas

(clulas de trabajo sin comunicacin entre s),

siendo en estos casos las redes y los protocolos

de comunicacin Industrial indispensables para

realizar un enlace entre las distintas etapas que

conforman el proceso.



La irrupcin de los microprocesadores en la

industria han posibilitado su integracin a

redes de comunicacin con importantes

ventajas, entre las cuales figuran:

Mayor precisin derivada de la integracin de

tecnologa digital en las mediciones

Mayor y mejor disponibilidad de informacin de

los dispositivos de campo

Diagnstico remoto de componentes



La integracin de las mencionadas islas automatizadas

suele hacerse dividiendo las tareas entre grupos de

procesadores jerrquicamente anidados.

Esto da lugar a una estructura de redes Industriales, las

cuales es posible agrupar en tres categoras:

Buses de campo

Redes LAN

Redes LAN-WAN



POROTOCOLOS INDUSTRIALES

PROFINET

PROFBUS PA

HART FF H1

DeviceNet Interbus

PROFINET

PROFIBUS DP


PROTOCOLOS INDUSTRIALES



Los buses de datos que permiten la integracin de equipos para la medicin y control de variables de proceso, reciben la denominacin genrica de buses de campo.

Un bus de campo es un sistema de transmisin de informacin (datos) que simplifica enormemente la instalacin y operacin de mquinas y equipamientos industriales utilizados en procesos de produccin.



El objetivo de un bus de campo es sustituir las conexiones punto a punto entre los elementos de campo y el equipo de control a travs del tradicional lazo de corriente de 4 -20mA o 0 a 10V DC, segn corresponda.

Generalmente son redes digitales, bidireccionales, multipunto, montadas sobre un bus serie, que conectan dispositivos de campo como PLCs, transductores, actuadores, sensores y equipos de supervisin.



Los buses de campo con mayor presencia en el rea de control y automatizacin de procesos son:

HART

MODBUS

Profibus

Fieldbus Foundation



HART



El protocolo HART (High way-Addressable-Remote-Transducer) agrupa la informacin digital sobre la seal analgica tpica de 4 a 20 mA DC. La seal digital usa dos frecuencias individuales de 1200 y 2200 Hz, que representan los dgitos 1 y 0 respectivamente y que en conjunto forman una onda sinusoidal que se superpone al lazo de corriente de 4-20 mA, ver figura.



Como la seal promedio de un onda sinusoidal es cero, no se aade ninguna componente DC a la seal analgica de 4-20 mA., lo que permite continuar utilizando la variacin analgica para el control del proceso. Ver Caractersticas en Tabla N1



PROFIBUS



(Process Field Bus) Norma internacional de bus de campo de alta velocidad para control de procesos normalizada en Europa por EN 50170.

Existen tres perfiles:

Profibus DP (Decentralized Periphery). Orientado a sensores/actuadores enlazados a procesadores (PLCs) o terminales.



Profibus PA (Process Automation). Para control de proceso, cumple normas especiales de seguridad para la industria qumica (IEC 1 1 15 8-2, seguridad intrnseca).

Profibus FMS (Fieldbus Message Specification). Para comunicacin entre clulas de proceso o equipos de automatizacin. Ver Caractersticas en Tabla N1



FOUNDATION FIELDBUS



Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo de comunicacin digital para redes industriales, especficamente utilizado en aplicaciones de control distribuido.

Puede comunicar grandes volmenes de informacin.

Es ideal para aplicaciones con varios lazos complejos de control de procesos y automatizacin.



Foundation Fieldbus (FF)

Est orientado principalmente a la interconexin de dispositivos en industrias de proceso continuo.

Los dispositivos de campo son alimentados a travs del bus Fieldbus cuando la potencia requerida para el funcionamiento lo permite.



Otros protocolos ampliamente usados aunque de menor alcance son:

Modbus

DeviceNet



MODBUS



Modbus es un protocolo de transmisin para sistemas de control y supervisin de procesos (SCADA) con control centralizado, puede comunicarse con una o varias Estaciones Remotas (RTU) con la finalidad de obtener datos de campo para la supervisin y control de un proceso.

La Interfaces de Capa Fsica puede estar configurada en: RS-232, RS-422, RS-485. Ver caractersticas en tabla N 1.



En Modbus los datos pueden intercambiarse en dos modos de transmisin:

Modo RTU

Modo ASCII



DEVICENET



Red de bajo nivel adecuada para conectar dispositivos simples como sensores fotoelctricos, sensores magnticos, pulsadores, etc y dispositivos de alto nivel (PLC, controladores, computadores, HMI, entre otros). Provee informacin adicional sobre el estado de la red, cuyos datos sern desplegados en la interfaz del usuario. Ver caractersticas en tabla N 1



BUSES Y PROTOCOLOS



Nombre Topologa Soporte Max. Disposit

Profibus DP lnea, estre- par trenzado 127/seg

lla, anillo fibra ptica

Profibus PA lnea, estre- par trenzado 14400/seg

lla, anillo fibra ptica

Profibus FMS lnea, estre- par trenzado 127/seg

lla, anillo lla, anillo fibra ptica

Foundation estrella o bus par trenzado 240/seg

Fieldbus HSE fibra ptica 32768 sist

Foundation estrella par trenzado 240/seg

Fieldbus H1 o bus fibra ptica 32768 sist

Lonworks bus, anillo par trenzado

lazo, estrella fibra ptica 32768/dom

coaxial, radio



Nombre Topologa Soporte Max. Disposit

Interbus-S segmentado par trenzado 256 nodos

fibra ptica

Device Net troncal/pun- par trenzado 2048 nodos

tual, c/bifurca fibra ptica

AS-I bus, anillo par trenzado 31 p/red

rbol, estrella

Modbus RTU lnea, estrella par trenzado, 250 p/seg

rbol, red con coaxial, radio

segmentos

Ethernet bus, estrella par trenzado 400 p/seg

Industrial malla-cadena coaxial, radio

Hart par trenzado 15 p/seg



Nombre Rate Transm Distancia Comunicacin

bps Max. Km

Profibus DP hasta 1.5 M 0.1 segm Master/Slave

y 12 M 24 fibra peer to peer

Profibus PA 31.5 K 0.1 segm Master/Slave

24 fibra peer to peer

Profibus FMS 500 K Master/Slave

peer to peer

Foundation 100 M 0.1 par Single/

Fieldbus HSE 2 fibra Multi master

Foundation 31.25 K 1.9 cable Single/

Fieldbus H1 Multi master

Lonworks 500 K 2 Master/Slave

peer to peer



Nombre Rate Transm Distancia Comunicacin

bps Max. Km

Interbus-S 500 K 400/seg Master/slave

12.8 total

Device Net 500 K 0.5 Master/slave, 6c repetid multimaster

peer to peer

AS-I 167 K 0.1, 0.3 c/rep Master/slave

Modbus RTU 1.2 a 115.2 K 0.35 Master/slave

Ethernet 10, 100 M 0.1 Master/slave

Industrial 100 mono peer to peer

c/switch

Hart 1.2 K Master/slave



PROTOCOLO

LONWORK



El estndar LONWork se basa en el esquema propuesto por LON(Local Operating Network).

Es un conjunto de dispositivos inteligentes, o nodos, que se conectan mediante uno o ms medios fsicos y que se comunican utilizando un protocolo comn.

LONWORK


LONWorks utiliza para el intercambio de informacin (ya sea de control o de estado) el protocolo LonTalk. Este tiene que ser soportado por todos los nodos de la red. Toda la informacin del protocolo est disponible para cualquier fabricante.

LONWORK


Fiabilidad: El protocolo soporta acuso de recibo (acknowledgments) extremo a extremo con reintentos automticos.

Variedad de medios de comunicacin: tanto cableado como radio. Entre los que estn soportados: Par trenzado, red elctrica, radio frecuencia, cable coaxial y fibra ptica.

LONWORK CARACTERISTICAS


Tiempo de Respuesta: Se utiliza un algoritmo propietario para prediccin de colisiones que consigue evitar la degradacin de prestaciones que se produce por tener un medio de acceso compartido.

LONWORK


Bajo costo de los productos: Muchos de los nodos LON son simples dispositivos como interruptores o sensores. El protocolo ha sido diseado para poder ser implementado en un nico chip de bajo coste.

LONWORK


Para el enrutamiento de mensajes, el protocolo define una jerarqua de direccionamiento: incluye direccin de dominio, subred y nodo.

Cada nodo est conectado fsicamente a un canal.

Un dominio es una coleccin lgica de nodos que pertenecen a uno o ms canales.

LONWORK


Una subred es una coleccin lgica de hasta 127 nodos dentro de un dominio.

Se pueden definir hasta 255 subredes dentro de un nico dominio.

Todos los nodos de una subred deben pertenecer al mismo canal, o los canales tienen que estar conectados por puentes (bridges).

LONWORK


Cada nodo tiene un identificador de 48-bits nico, asignado durante la fabricacin, que se usa como direccin de red durante la instalacin y configuracin.

La tabla resume la jerarqua de red

LONWORK


Subredes por dominio: 255

Nodos por subred: 127

Nodos por dominio: 32,385

Grupos por dominio: 255

Nodos por grupo: 63

Numero de dominios: 281,474,976,710,656

LONWORK


Para tener interoperatibilidad entre productos de distintos fabricantes, se definen variables a partir de tipos estndar (Standard Network Variable Types).

Echelon tiene una lista de unos 100 tipos accesible a cualquier fabricante.

LONWORK


Temperature: Temperature

Relative Humidity: Percent

Switch State: Boolean

Device State: Boolean

Day of Week: Enumerated List (Mon-Sun)

Real Time: MM, DD,YYYY

Elapsed Time: Seconds, Milliseconds, Days or Hours

LONWORK


Event Count: Counts

% of Full Scale: Percent

Alphanumeric: ASCII characters

Alphanumeric: Kanji characters

Alphanumeric: International characters

Energy: Kilowatt-Hours

Power: Watts

Voltage: DC or AC RMS

LONWORK


Current: Amps AC, RMS

Phone State: Enumerated List (On-hook, off-hook, busy, ringing, etc.)

Resistance: Ohms

Volume: Gallons, CCF, liters

Flow: Gallons or liters/hour

Weight: Kilograms, Lbs.

Speed: Miles or Km/hour

LONWORK


Pressure: Lbs./sq.in, Pascals, Inches-Hg

Sound level: dBrnc

Voltage: dB microvolts

LONWORK



TCP/IP


TCP/IP (Transmition Control Protocol/Internet Protocol)



El protocolo TCP/IP hace posible enlazar cualquier tipo de computadoras, sin importar el sistema operativo que usen o el fabricante.

Este protocolo fue desarrollado originalmente por el ARPA (Advanced Research Projects Agency) del Departamento de Defensa de los Estados Unidos.



Actualmente, es posible tener una red mundial llamada Internet usando este protocolo. El sistema IP permite a las redes enviar correo electrnico (e-mail), transferencia de archivos (FTP) y tener una interaccin con otras computadoras (TELNET) no importando donde estn localizadas, tan solo que sean accesibles a travs de Internet.



ARQUITECTURA DE INTERCONEXIN DE REDES

EN TCP/IP CARACTERSTICAS

1. Protocolos de no conexin en el nivel de red.

2. Conmutacin de paquetes entre nodos.

3. Protocolos de transporte con funciones de

seguridad.

4. Conjunto comn de programas de aplicacin.



Para entender el funcionamiento de los protocolos TCP/IP

debe tenerse en cuenta la arquitectura que ellos proponen

para comunicar redes. Tal arquitectura ve como iguales a

todas las redes a conectarse, sin tomar en cuenta el

tamao de ellas, ya sean locales o de cobertura amplia.

Define que todas las redes que intercambiarn

informacin deben estar conectadas a una misma

computadora o equipo de procesamiento (dotados con

dispositivos de comunicacin); a tales computadoras se

les denominan compuertas, pudiendo recibir otros

nombres como enrutadores o puentes.



DIRECCIONES IP

1. Longitud de 32 bits.

2. Identifica a las redes y a los nodos conectados a ellas.

3. Especifica la conexin entre redes.

4. Se representan mediante cuatro octetos, escritos en formato decimal, separados por puntos.



Para que en una red dos computadoras puedan

comunicarse entre s ellas deben estar identificadas con

precisin Este identificador puede estar definido en

niveles bajos (identificador fsico) o en niveles altos

(identificador lgico) de pendiendo del protocolo utilizado.

TCP/IP utiliza un identificador denominado direccin

Internet o direccin IP, cuya longitud es de 32 bytes. La

direccin IP identifica tanto a la red a la que pertenece una

computadora como a ella misma dentro de dicha red.



CLASES DE DIRECCIONES IP

Clases Nmero Nmero Rango de

de redes de nodos Direcciones IP

A 127 16,777,215 1.0.0.0 - 127.0.0.0

B 4095 65,535 128.0.0.0 - 191.255.0.0

C 2,097,151 255 192.0.0.0 - 223.255.255.0



Tomando tal cual est definida una direccin IP podra surgir la duda de cmo identificar qu parte de la direccin identifica a la red y qu parte al nodo en dicha red. Lo anterior se resuelve mediante la definicin de las "Clases de Direcciones IP". Para clarificar lo anterior veamos que una red con direccin clase A queda precisamente definida con el primer octeto de la direccin, la clase B con los dos primeros y la C con los tres primeros octetos. Los octetos restantes definen los nodos en la red especfica.



SERVICIOS DEL TCP/IP



Transferencia de Archivos FTP

(File Transfer Protocol).

Este protocolo permite a los usuarios obtener o enviar archivos a otras computadoras en una red amplia (Internet). En esto, hay que implementar cierta seguridad, para restringir el acceso a ciertos usuarios y adems a ciertas partes del servidor (computadora).



Acceso Remoto:

El acceso remoto (Telnet) en un protocolo que permite el acceso directo de un usuario a otra computadora en la red. Para establecer un Telnet, se debe establecer la direccin o nombre de la computadora a la cual se desea conectar. Mientras se tenga el enlace, todo lo que se escriba en la pantalla, ser ejecutado en la computadora remota, haciendo un tanto invisible a la computadora local.



Acceso Remoto

Cuando se accede por este tipo de protocolos, generalmente la computadora remota pregunta por un nombre de usuario (user name, login, etc.) y por una clave (password). Cuando ya se desea terminar con la sesin, basta con terminar este protocolo, para salir generalmente con los comandos: logout, logoff, exit, etc.



Correo en las Computadoras

(e-mail)

Este protocolo permite enviar o recibir mensajes a diferentes usuarios en otras computadoras. Generalmente se tiene una computadora como servidor de correo electrnico, la cual debe estar todo tiempo corriendo este programa, ya que cuando se enva algn mensaje, la computadora trata de enviarlo a la que le corresponde y si esta estuviera apagada o no corriendo este programa, el mensaje se perdera.



Correo en las Computadoras

(e-mail)

Esta es la inconveniencia de tener un servidor de correo en una computadora del tipo PC, ya que estas no estn permanentemente encendidas ni corriendo el protocolo de correo electrnico.



Sistemas de archivo en red (NFS)

Esto permite a un sistema acceder archivos en otra computadora de una manera mas apropiada que mediante un FTP. El NFS da la impresin de que los discos duros de la computadora remota estn directamente conectados a la computadora local. De esta manera, se crea un disco virtual en el sistema local.



Sistemas de archivo en red (NFS)

Esto es bastante usado para diferentes propsitos, tales como poner gran cantidad de informacin en una cuantas computadoras, pero permitiendo el acceso a esos discos. Esto aparte de los beneficios econmicos, adems permite trabajar a los usuarios en varias computadoras y compartir archivos comunes.



Impresin Remota

Esto permite acceder impresoras conectadas en la red, para lo cual se crean colas de impresin y el uso de dichas impresoras se puede restringir, ya sea mediante alguna contrasea o a ciertos usuarios. Los beneficios son el poder compartir estos recursos.



Ejecucin Remota

Esto permite correr algn programa en particular en alguna computadora. Es til cuando se tiene un trabajo grande que no es posible correr en un sistema pequeo, siendo necesario ejecutarlo en uno grande. Se tiene diferentes tipos de ejecucin remota, por ejemplo, se puede dar algn comando o algunos para que sean ejecutados en alguna computadora en especifico.



Ejecucin remota

Con un sistema mas sofisticado, es posible que ese proceso sea cargado a alguna computadora que se encuentre disponible para hacerlo.



Servidores de Nombres

En instalaciones grandes, hay un una buena cantidad de coleccin de nombres que tienen que ser manejados, esto incluye a usuarios y sus passwords, nombre y direcciones de computadoras en la red y cuentas.



Servidores de Nombres

Resulta muy tedioso estar manejando esta gran cantidad de informacin, por lo que se puede destinar a una computadora que maneje este sistema, en ocasiones es necesario acceder estos servidores de nombres desde otra computadora a travs de la red.



Servidores de Terminales

En algunas ocasiones, no se requiere tener conectadas las terminales directamente a las computadoras, entonces, ellos se conectan a un servidor de terminales. Un servidor de terminales es simplemente una pequea computadora que solo necesita correr el Telnet (o algunos otros protocolos para hacer el acceso remoto).



Servidores de Terminales

Si se tiene una computadora conectada a uno de estos servidores, simplemente se tiene que teclear el nombre de la computadora a la cual se desea conectar. Generalmente se puede tener varios en laces simultneamente, y el servidor de terminales permitir hacer la conmutacin de una a otra en un tiempo muy reducido.



APLICACIONES

DE REDES

INDUSTRIALES



VENTAJAS

Posibilidad de intercambio de informacin entre equipos que controlan fases sucesivas de un mismo proceso.

Facilidad de comunicacin hombre mquina. Uso de una base de datos comn




Redes usando TCP/IP

TCP/IP define una interfaz abstracta a travs de la cual se puede accesar al hardware, esto a su vez es un mecanismo que culta la diversidad de equipo que puede

usarse en un ambiente de red [1]. Esta interfaz ofrece un conjunto de operaciones que es el mismo para todos los tipo de hardware y que trata bsicamente con el envo y recepcin de paquetes.



Por ejemplo, en el sistema GNU/Linux, las interfaces ethernet (las que ofrece una tarjeta de red) tienen nombres como eth0 y eth1. Las interfaces PPP (que se usan para conectarse con un modem) tienen nombres como ppp0 y ppp1.

Antes de usar una interfaz en una red, se debe de asignarle una direccin IP que sirve como su identificacin cuando se comunican en el resto del mundo.



Esta direccin es diferente del nombre de la interfaz; si se compara la interfaz con una puerta, la direccin es como la placa de identificacin pegada a ella.

Otros parmetros pueden ponerse para el dispositivo, tal como el tamao mximo de los datagramas que pueden ser procesados por una pieza particular de hardware, el cual es conocido como la Unidad de Transferencia Mxima (Maximum Transfer Unit, MTU).



Otros atributos se conocern posteriormente.

Sin embargo, la mayora de los atributos tienen valores por defecto funcionales.



BENEFICIOS DE USAR UNA RED TCP/IP

TCP/IP permite plataformas-entrelazadas o administracin de redes heterogneas.

Por ejemplo una red de Windows NT podra contener una computadora de Unix o Macintosh o hasta redes mixtas. TCP/IP tambin tiene las siguientes caractersticas:



Buena recuperacin de las fallas

Habilidad de anadir redes sin interrumpir los servicios ya existentes.

Manejo de alto porcentaje de errores

Independencia de la plataforma

Bajos gastos indirectos de informacion.

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