Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales

Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales Clasificación, Redes de Propósito General, ILANs, Buses de Campo DIEA: Integración de Equipos para Comunicaciones A. Vega Pág. 1

Indice. 1. - Clasificación. 2. - Redes de Área Local de Propósito General. 3. - Redes de Area Local Industriales (ILANs). 4. - Buses de Campo. 5. - Perspectivas y Estrategias de las Redes de Dispositivos Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 2

1. - Clasificación • Tarea muy ardua, debido a diferentes criterios técnicos o económicos: – – – – – medio utilizado, topología, velocidad de datos, distancia máxima, control de acceso al medio, ambiente soportado, número y tipo de estaciones, costo de una conexión, posibilidad de redundancia, etc. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 3

2. - Redes de Area Local de Propósito General • • 2. 1. - IEEE 802. 3 (CSMA/CD). 2. 2. - IEEE 802. 4 (Token Bus). 2. 3. - IEEE 802. 5 (Token Ring). 2. 4. - IEEE 802. 7 (ANSI FDDI). Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 4

2. 1. - IEEE 802. 3 (CSMA/CD). • IEEE 802. 3 [IEEECS 85] es la base del estándar Ethernet que utiliza CSMA/CD para acceder al medio físico. • El rango de transmisión es de 10 M bit/s utilizando cable coaxial de banda base en topología de bus. • La capa de enlace de datos, se define en IEEE 802. 3, y el control de enlace lógico es especificado en IEEE 802. 2. • Puede transferir datos en ráfagas de hasta 9 M bit/s pero se reduce considerablemente si la red está muy cargada y ocurren una gran cantidad de colisiones. • Colisiones repetidas pueden significar más del 60% de la carga aplicada en muchos sistemas. El retardo de la transmisión se vuelve imprevisible haciendo que este tipo de red sea inapropiada para aplicaciones donde son requeridos retardos en la transmisión garantizados. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 5

2. 2. - IEEE 802. 4 (Token Bus). • IEEE 802. 4 [IEEETP 85], basado en el paso de testigo, está destinado a aplicaciones de automatización de fábricas y proporciona la capa 1 del modelo OSI y parte de la capa 2 del mismo modelo en el Protocolo de Automatización de Fabricación MAP (Manufacturing Automation Protocol) • Soporta dos formas de medio: cable coaxial de banda ancha, con muchos canales a 5 o 10 M bit/s; o cable como canal único, utilizando modulación de banda portadora. • La posesión del testigo garantiza el derecho a transmitir. Si un nodo que recibe el testigo no tiene información que enviar, simplemente pasa el testigo a la siguiente estación. El tiempo de posesión del testigo está limitado por un período máximo de tiempo. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 6

2. 3. - IEEE 802. 5 (Token Ring). • Cuando una estación que posee el testigo tiene información que desea transmitir, se apropia del testigo, altera un bit del mismo (luego coloca, al testigo modificado, en el inicio de la secuencia de trama), adiciona la información a transmitir, y finalmente envía esta información a la siguiente estación en el anillo. • Así la trama de información es puesta en circulación dentro del anillo, no existe testigo en la red (a no ser que el anillo soporte liberación anticipada del testigo), de tal manera que otra estación que desee transmitir debe esperar. Por lo tanto no existen colisiones en una red Token Ring. Si la red soporta liberación anticipada del testigo, se puede liberar un nuevo testigo cuando la trama de transmisión es completada. • La trama de información circula hasta que alcanza la estación de destino. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 7

2. 3. - IEEE 802. 5 (Token Ring). • La trama de información continúa circulando en el anillo y se elimina cuando alcanza finalmente la estación que la originó. La estación de envío puede verificar la trama que retorna para ver si fue recibida y copiada por el destino. • Las redes con paso de testigo son deterministas (es posible calcular el máximo tiempo que puede pasar antes de que una estación pueda ser habilitada para transmitir. • Esta característica, y otras relativas al manejo de fallos, hacen que las redes de este tipo ideales para aplicaciones donde el retardo pueda ser previsible y se necesite una operación de red robusta. Las aplicaciones de automatización industriales son ejemplos de tales aplicaciones. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 8

2. 4. - IEEE 802. 7 (ANSI FDDI). • El estándar ANSI (Fibre Distributed Data Interface) [ANFD 80] especifica un anillo de fibra óptica utilizando paso de testigo con un rango de señalización de 100 M bit/s. El flujo de datos a 100 M bit/s es el rango práctico máximo que normalmente se puede lograr utilizando elementos ópticos de detección y emisión de poco costo. • Una red FDDI puede funcionar con 2 Km. , de fibra entre nodos, una circunferencia total de 200 Km. , y un máximo de 1000 nodos. • Los cables de fibra óptica permiten un gran rango de transferencia de datos y, dado que la atenuación es mucho menor que en los cables eléctricos, se pueden cubrir grandes distancias. Otros beneficios adicionales son su inmunidad al ruido eléctrico, caída de rayos y al impulso electromagnético asociado a una explosión nuclear. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 9

2. 5. - Discusión y conclusiones • Si bien en el entorno industrial se pueden encontrar todas estas redes, a nivel de planta, solamente se utilizan las estándares IEEE 802. 4 y IEEE 802. 5, por cumplir los requerimientos de este tipo de entornos. • Actualmente las redes del tipo IEEE 802. 4 e IEEE 802. 5, están siendo reemplazadas por los nuevos buses industriales de campo, por las facilidades de configuración y flexibilidad que presentan. También es cierto que existen muchas aplicaciones en donde éstos han sido y continúan siendo aplicados. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 10

Continuación. • Las redes IEEE 802. 3 son utilizadas algunas veces en aplicaciones que no presentan restricciones de tiempo, sobre todo en sistemas de pequeña dimensión (industrias locales), con necesidades de integración parciales. • El futuro de las redes de área local, utilizadas en los entornos industriales, tiende hacia las redes conocidas como buses de campo. Pero, debido a que la utilización de este tipo de buses se ha empezado a masificar recientemente, éstos coexistirán, con las aplicaciones realizadas con las redes descritas anteriormente. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 11

3. - Redes de Area Local Industriales (ILANs). • Para tratar de hacer un análisis simple de las ILANs (Industrial LANs) , presentamos primeramente, en , la clasificación más usual de este tipo de redes – clasificación según su gerarquia CIM - Computer Integrated Manufacturing - (Fabricación Integrada por Computador). • Luego se presenta una clasificación más detallada, de acuerdo a algunos criterios como por ejemplo modelos de cooperación, gestión de tiempos en protocolos, etc. Esta última clasificación puede facilitar la selección de la red adecuada con respecto a las aplicaciones de usuario. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 12

3. 1. - Clasificación según jerarquía CIM: • • • Las redes son clásificadas según la posición que ocupan dentro de la pirámide definida para este tipo de arquitectura. partiendo de los niveles más bajos a los superiores, de la siguiente manera: Los buses de campo: Las redes de celda: Las redes para salas de mando: Las redes principales - backbone -: Otros criterios: dominio de aplicación: redes para automatización de vehículos, redes para automatización de edificios, o más generalmente redes instaladas en satélites, coches, trenes, etc. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 13

Clasificación de Buses de Campo Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 14

3. 2. - Consideraciones para una clasificación detallada. • Modelos de cooperación, gestión de tiempos en protocolos, etc. resultado del análisis de algunos requerimientos típicos de las aplicaciones en tiempo real. • Esta nueva clasificación no solamente facilita la selección de la red adecuada con respecto a las aplicaciones de usuario sino que también nos lleva a la definición de algunos perfiles en tiempo real. • Es usual hablar de redes celulares, redes backbone, buses de campo, etc. También es utilizada una importante lista de acrónimos como: MAP, TOP, MMS, Profibus, FIP, Modbus, Mini. MAP, CAN, P-Net, Interbus-S, etc. Otros términos como: redes para automatización de edificios o redes para automatización de vehículos también son utilizados. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 15

Características de las redes de tiempo real. • Una red es llamada en tiempo real cuando es capaz de proporcionar servicios de tiempo restringido. – Cuando un usuario (OSI) requiere un servicio, es capaz de especificar una restricción de tiempo asociada. – El perfil tiene disponible mecanismos para gestionar estas restricciones de tiempo. • Una restricción de tiempo puede ser cumplida o no, pero es imposible estar seguros que siempre será cumplida. • Es utópico imaginar que una red puede ser completamente determinista. Es entonces muy importante que un usuario pueda recibir indicaciones si una restricción de tiempo ha sido cumplida o no, o mejor aún, si esta no será cumplida. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 16

• La propuesta para definir, de manera detallada, los estándares en el campo de las comunicaciones industriales se enmarca dentro de los tres puntos siguientes: a) Definición de los modelos de cooperación y los modelos para los servicios de tiempo restringido. b) Definición de la gestión de tiempo en los protocolos. c) Definición de perfiles. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 17

A) Definición de los modelos de cooperación. • Las relaciones son concernientes al número de APs en juego, y los tipos de cooperación a la forma en que los APs pueden cooperar. Las relaciones son: – Uno a uno (1 -1), – uno a muchos (1 -N), – muchos a muchos (M-N). • Los tipos de cooperación son respectivamente: – Modelo cliente servidor (CS). Permite a un proceso (cliente) pedir un servicio a otro (servidor) y eventualmente esperar por la respuesta. , – Modelo productor consumidor (PC). Permite a un proceso (productor) enviar información a otro (consumidor). Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 18

• En el modelo CS, una gran cantidad de servicios puede ser proporcionado, en el modelo PC, solamente se permiten los intercambios de información sin considerar su semántica. • En MMS se encuentran disponibles ambos modelos. La mayor parte de los servicios son realizados de acuerdo al modelo cliente-servidor, pero servicios como "reportes de información", o "notificaciones" deben considerarse como servicios de acuerdo al modelo productor-consumidor. • Combinando las relaciones y tipos de cooperación es posible definir ocho modelos de cooperación: – Relación 1 -1: modelos cliente-servidor y productor-consumidor – – – Relación 1 -N: modelos multicliente-servidor y productor consumidor Relación N-1: modelos cliente-multiservidor y productor consumidor Relación N-M: modelos multicliente-multiservidor y productor-consumidor. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 19

B) Expresión de restricciones • Las restricciones de tiempo que son dadas explícitamente por el usuario; lo que significa que tiene requerimientos, indicaciones, confirmaciones las cuales son cualificadas por atributos de tiempo. • Las restricciones de tiempo no están dadas de manera previa, pero se puede dar por sintonización de parámetros particulares en algunos perfiles de protocolo, por ejemplo el Tiempo de Mantenimiento de Testigo en el Token bus de MAC. En este caso, el usuario tiene menos posibilidades, menos información acerca del cumplimiento de las restricciones. Además, los parámetros sintonizados pueden ser aplicados a todas las clases de entidades (mensajes en la capa de transporte, tramas en la capa MAC, etc. ), y no a un servicio [SIM 93, SON 94]. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 20

C) Gestión de tiempo explícita en los protocolos. • Se puede distinguir dos clases de protocolos en tiempo real, soportando explícitamente expresiones de restricción de tiempo: Ö Aquellos en los cuales las restricciones de tiempo son especificadas antes del tiempo de ejecución, por ejemplo en la etapa de configuración. Así llevamos una gestión estática de las restricciones de tiempo. Ö Aquellos en que las restricciones de tiempo están dadas en la petición del servicio. En este caso la gestión de las restricciones es dinámica. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 21

Buses de campo • Redes digitales que utilizan normalmente como medio físico un par de cables trenzados, de bajo coste que posibilitan la transferencia de información entre: – dispositivos de campo (sensores, actuadores, terminales de captura de datos, visualizadores, etc. ) y – equipos de control (PLCs, estaciones de E/S, controladores de proceso, sistemas de supervisión, etc. ) Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 22

Necesidades. • Estos buses vienen a sustituir a los sistemas de comunicación de campo tradicionales conexiones punto a punto, basados en tecnología de señal analógica de lazo de corriente, etc. • Gracias al desarrollo de la tecnología VLSI se puede implementar funciones de tratamiento y diagnóstico a los equipos periféricos industriales dotándolos de inteligencia y pudiendo soportar protocolos de comunicación para una red digital. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 23

Ventajas. • Mejor calidad y cantidad en el flujo de datos. • Ahorrar coste y peso de cableado e instalación. • Facilitar la ampliación o reducción del número de elementos de campo. • Reducir errores de instalación. • Incremento de la eficiencia. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 24

6. - Perspectivas y Estrategias de las Redes de Dispositivos. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 25

¿Quién los utiliza ? • Automovil. • Bebida y Comida. • Maquinaria y equipamiento sanitario. • Electronico. • Eléctrico. • Primario y Metal. • Otros. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 26

¿Para qué son utilizados? • OEM de maquinaria – Procesado de comida – Máquinas herramientas – Manejo de materiales – Textiles – Empaquetado – Plasticos – Prensa – Semiconductores – Líneas de transporte – Otros muchos • • • Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales Sistemas de ensamblaje Control de procesos Control de movimiento Robótica Otros muchos 27

Competidores por zonas geográficas ASI CAN Open CC Link Control. Net Device. Net Fieldbus Foundation Interbus S Lon. Works P-NET Profibus SDS Seriplex World. FIP NA X XX XX Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales EUROPA XX XX X XX ASIA XX XX X X 28

Papel de los Jugadores Claves. Network User/Trade Org # of Members Main Developer % of Nodes* Nodes Device. Net ODVA ~150 Allen-Bradley ~5050 60% Interbus S 500 Phoenix Contact Majority PTO >450 Siemens 60 -75% Partner’s Program >100 Micro Switch >75% Smart. Society New Profibus DP SDS *ARC Estimates Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 29

Oportunidades Device. Net • Regional Strengths: North America, Asia • PC Control • Distributed Control Capability Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 30

Suministradores de interfaces PC en función del protocolo. Seriplex Engenuity, Niobrara R&D, Spectrum Controls, Square D Interbus-S Niobrara R&D, Phoenix Contact, Synergetic SDS Honeywell, I+ME, K. A. T. , Dearborn Device. Net Allen Bradley, Axnet, Cutler-Hammer, Datalogic, DIP, OMRON, Pepperl & Fuchs, S-S Technologies, STZP, Softing LONWORKS Astrel, Cetralp, Connect, Echelon, Engenuity, IEC, J. Gordon, Lighthouse, Oy Helvar, Steinhoff, Sys. Mik Vista, Ziatech Profibus DP Applicom, Bosch, COMSOFT, DELTA t Entwicklungs, Hilscher, IAM, Ima Italia, DMS Dorsch, Siemens, Sisco, Softing, Steinhoff, Synergetic TMG i-tec, Trebing & Himstedt Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 31

Device. Net Challenges • European Market • Competitive Device Networks • Complementary Control Network Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 32

Device. Net Versus Control. Net CONTROLNET DEVICENET Bus, Tree, Star Trunk line/drop line Producer/Consumer M/S w/ polling 99 64 u Data Transfer Rate 5 MB 125, 250, 500 KB u Typical cycle time 2 to 100 ms >20 ms on PLC-5 u Wiring Topology u Bus Topology u Maximum Nodes Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 33

Device. Net Versus Profibus DP PROFIBUS DP DEVICENET u # of PLC Suppliers Offering Scanner ~ 13 4 u # of Companies Offering PC Masters ~17 9 u Total # Products Available 820 166 u Total # of Companies w/ Products 160 74 Product availability by supplier remains highly regional Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 34

Posicionamiento. Nivel Automatización Business Control Device Bit-level Sensor Ethernet Control. Net Profibus FMS Foundation Fieldbus Profibus DP & PA AS-I Siemens Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales Device. Net Rockwell 35

Estrategias de Device. Net • Leverage association with AB, but. . . • The time is NOW for other suppliers to take the initiative • Relationship with Fieldbus Foundation Second tier PLC suppliers, third party device suppliers, and solution providers have the most to gain. Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 36

Los sistemas abiertos de control vendrán de la mano de una nueva “raza” de proveedores. SISTEMAS ABIERTOS DE CONTROL Proveedores de Soluciones Integrales ¨ Proveedores PLC ¨ Proveedores DCS ¨ Proveedores CNC ¨ Proveedores Control ¨ Integradores ¨ OEMs Proveedores de Sistemas de Control Tradicionales SISTEMAS DE CONTROL PROPIETARIOS AHORA Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales FUTURO 37

El mercado está evolucionando con las previsiones. % of total instrument sales 60 50 40 Fieldbus compatible sensors 30 20 10 Source: Laboratory of the Government Chemist UK, October 1993 0 1993 1995 1997 Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales 1999 2001 2003 38

La tecnología fieldbus está avanzando. • Life cycles of interconnection technologies market size serial links 4 -20 m. A analog fieldbus 3 -15 psi 1930 1960 1990 Redes de Area Local Utilizadas en Entornos Industriales time 39