Sistemas automatizados Mdulo 5 Interfaces y normas S

Sistemas automatizados Módulo 5 - Interfaces y normas АS Tarea 5. 2: Interfaces de sistemas modulares (CAMAC, VME, VXI, PXI, LXI etc. . ). Sistemas industriales Por Anton Petrov, La Universidad de Plovdiv, ECIT Departrment 1 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Temas principales 1. 2. Interfaces de sistemas modulares - peculiaridades 3. Las modificaciones del sistema CAMAC. Sistema rápido CAMAC. 4. Otros sistemas de interfaces modulares (MULTIBUS I / II, FASTBUS. VME-BUS ). 5. Estándar VXI. Módulos y buses de VXI. Configuraciones del sistema. Normas PXI y MXI. Estándar LXI 6. 7. Software para interfaces estándar 8. Sistemas de control industrial (SCADA, DCS, PLC) Diagramas estructurales del sistema CAMAC (CAMAC). Herramientas de medición virtuales 2 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Interfaces de sistemas modulares características - 1 § Construido sobre la base del llamado principio de integración o modular. § Cada módulo es una unidad independiente funcional y constructiva - ADC, DAC, amplificador, generador, voltímetro digital, temporizador, la pantalla, la memoria, etc. . § Los sistemas están controlados por un módulo - controlador (Uno o más). § Los controladores aseguran relación con el nivel siguiente en la jerarquía de la AS sistemas informáticos, que pueden ser unos pocos, organizados en una red informática. § En la mayoría de los casos, los controladores cumplen funciones más complejas, es decir, que son del tipo "controladores inteligente ". 3

interfaces de sistemas modulares características - 2 § Los llamados sistemas de bus modulares (BМS) se construyen sobre la base de las interfaces modulares del sistema. § La compatibilidad constructiva es fuertemente expresada en ellos (PCB, módulos, etc. § Los buses de conexión son también cables de conexión estandarizados, así como los acoplamientos de conexión, etc. § La compatibilidad de la información se construye sobre la base de los buses (bus de direcciones para los datos, bus de control, el estado del bus, etc. . ) § Algunos de los más modernos BМS puede contener jerarquía más compleja de buses en un número de niveles (local, paralelo y en serie, especializado, para las señales analógicas, etc. ). 4

Interfaces de sistemas modulares características - 3 § El cambio en los buses es sincronizada por señales estroboscópicas, que indica el comienzo de un determinado tipo de operación. § Se utiliza para transferencias paralelo y serie. § El ancho de bus de dirección y los datos de los buses es 8 -32 bits. § La velocidad de cambio es - en САМАС - 1 MHz o 24 Mbit / s (3 MB / s) a 24 bits § En los BМS modernos del tipo Multibus II, VME-bus, VXI, PXI, LXI, Eurobus, Fast. CAMAC y otros la velocidad supera 100 -300 Mbit / s. § El control es a la vez centralizado y repartido. § Los sistemas modernos permiten modo multiprocesador, y las tareas se pueden distribuir entre varios procesadores. § Se construye un sistema especial de arbitraje entre los procesadores. 5

Interfaces de sistemas modulares características - 4 § La compatibilidad eléctrica es por niveles lógicos, corrientes y tensiones a través de los buses de conexión y sus tolerancias. § La transmisión de las señales de impulsos rápidas se lleva a cabo por las largas líneas sincronizadas del tipo cables o pares trenzados y conectores especiales de alta frecuencia. § BМS se utilizan para la EA en grandes plantas industriales, CERN, Batavia, Dubna etc. , en la investigación y reactores industriales, etc. § El sistema CAMAC, aunque obsoletas, ha recibido una amplia aplicación, y ha servido de base para la próxima avanzada BMS. § Gran parte del equipamiento acumulado en la norma del sistema CAMAC todavía se utiliza en grandes centros, donde no se requiere alta velocidad. Nota: Las interfaces modulares del sistema fueron inicialmente desarrolladas para la automatización de la prueba científica, pero después encontraron aplicación en otros campos - la industria, la robótica, la medicina, etc. 6

Interfaz del sistema modular CAMAC (Sistema CAMAC) § El sistema САМАС (Aplicación informática de medición y control o medición por ordenador y control automático) es una arquitectura de bus estándar para la adquisición de datos y los sistemas de procesamiento, así como para el control, que ha encontrado aplicación en física nuclear, física de partículas elementales y la industria. § Fue desarrollado en el centro europeo de investigación de la física de alta energía y partículas elementales CERN en Ginebra durante los años 60 y aceptado por el Comité Europeo de Normalización en electrónica nuclear ESONE en 1968. § Base mecánica –"crate" estaciones para 25 módulos estándar, conectado en su parte posterior por medio de un bus horizontal común (HB). 24 estaciones se dejan para los módulos, mientras que el último es utilizada para el módulo de control - el controlador de la "crate" (CC). La sustitución de la CC permite al sistema adaptarse a diversos sistemas informáticos (CS). 7

Diagramas estructurales de los sistemas CAMAC 1. Sistema autónomo CAMAC. Este sistema se puede realizar de dos formas diferentes: § a) con un CC con un programa fijo. El sistema tiene capacidades limitadas y no permite que el programa pueda ser modificado. § b) CC con microprocesador integrado, que puede ser programado. Este tipo es más flexible y permite la transmisión de datos a un CS, pero no hay posibilidad de un control directo de la CS. 2. Subsistema CAMAC - En esta configuración, una o más "crates" están conectados a un CS del tipo miniordenador o de computadora personal (PC). Cada "crate" tiene su propio CC, adaptado a la CS. Un sistema radial-bus de conexión puede ser construido. Es estandarizado en el documento de EUR 4100. 8

Configuraciones de sistemas CAMAC 3. Sistema paralelo con bus vertical *. Puede contener hasta 7"crates", controlado por un controlador especial del tipo A 1 o А 2. La conexión entre las "crates" se lleva a cabo por medio del llamado bus vertical (VB). La conexión con el CS se realiza por medio de un controlador de la máquina virtual o por una rama-driver (controlador de la rama). El sistema es adecuado para tamaño medio, limitando sus tamaños en el espacio. Es estandarizado en el documento EUR 4600. *También se llama Sistema rama paralela 4. Sistema espacialmente distribuida con un bus del anillo *. El intercambio se realiza consecutivamente byte a byte o bit a bit. Hasta 62 "crates" se puede cambiar, cada uno de ellos tiene un controlador Tipo L 1 o L 2. La conexión con el CS se lleva a cabo por un controlador común del bus paralelo (PB). El sistema es adecuado para la construcción de grandes plantas físicas , distribuidas en el espacio a una distancia de pocos kilómetros. Debido a la probabilidad de diferencias de potencial considerables en diferentes partes del sistema se requiere proceso galvánico, realizado por optoacopladores y sistemas de fibra óptica. Es estandarizado en el documento EUR 6500 *También se llama Sistema serie 9

Estructura de un módulo CAMAC § Tres partes se puede separar en cada módulo CAMAC: - Parte controlada por programa con lógica de decodificación para decodificar la dirección y la función de las memorias intermedias, de entrada y de salida a las líneas de datos, la lógica de control para las señales estroboscópicas S 1, S 2, Las señales Z y C etc. ; - Parte funcional , Que comprende los principales nodos del módulo - contadores, registros, ADC, DAC, etc. - Parte de comandos, El panel frontal, que incluye entradas externas, diferentes medios de control (interruptores, potenciómetros, etc. ), tableros indicadores, etc. § Los módulos se especializan en tareas particulares: contadores de impulsos, Módulos multicanal ADC con un multiplexor analógico, analizadores multicanal, circuitos de coincidencia, circuitos de retardo controlados, amplificadores controlados etcétera § La sincronización de la operación se lleva a cabo por medio de dos tipos de ciclos - ciclo de la dirección y el ciclo sin dirección (ciclo-dirección cero). Durante las operaciones del ciclo de dirección, se ejecuta un módulo en particular y una subdirección, mientras que durante el ciclo de dirección-cero las operaciones no tienen una dirección en particular, como la inicialización general y borrado general. 10 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Apariencia de un solo "crate" de CAMAC con módulos 11

Desventajas del sistema de CAMAC § Baja velocidad de transferencia - La frecuencia de contacto es 1 MHz. Los datos se transmiten en un 8, 16 o 24 bits. Incluso con el cambio de 24 bits la eficiencia es 24 Mbit / s o 3 MB / s. § El sistema está destinado a operación de un solo procesador y no hay medios previstos para el arbitraje entre mas procesadores. § Es un bus del sistema. § Espacio de direcciones Limitadas en los módulos - la 4 líneas de dirección sólo permiten 16 subdirecciones. § Los procesadores modernos son de 16, 32 o 64 bit, que es difícil de sincronizar con el bus de 24 bits del sistema CAMAC (para la 16 bits – se requieren 2 procesadores CAMAC). § Mecánica costosa y pesada - La falta de flexibilidad en relación con el tamaño de las placas de circuito impreso y de los módulos. En sistemas con un pequeño número de módulos la mayor parte de la "crate" se queda sin usar. § Redundancia en relación con las líneas en el bus (líneas separadas para leer y para las operaciones de escritura). 12 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Es el sistema de CAMAC todavía aplicable? § La respuesta es: sí, aunque en casos limitados. Todavía se aplica por dos motivos: - а) Hay un número de aplicaciones en experimentos científicos donde no se requiere una alta velocidad de intercambio; - b) Al igual que en el transporte por ferrocarril, hay un gran número de "crates" y módulos acumulados en un estándar CAMAC (cuenta con más de 25 años de vida!). - Por esta razón nuevos módulos todavía se están desarrollando en CAMAC, especialmente módulos de interfaz para la transición a BМS más modernas, por lo que el sistema anterior se integra con los nuevos. § Los intentos de mejorar la interfaz de CAMAC se han hecho: la interfaz COMPEX (EUR 6500 ) y la norma FASTCAMAC se han desarrollado, desde que el primero no se ha encontrado una amplia aplicación. § Más detalles sobre el CAMAC estándar y FASTCAMAC se puede encontrar en el material adicional "Interfaces de sistema modular (en búlgaro)" 13 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Otros interfaces estándar y BMS Estándar CAMAC FASTBUS VME Multibus II El bus de datos 24 Bits 32 Bits 16/32/ 64 bits 32 bits Bus de direcciones 24 Bits 32 Bits 24/32 Bits 32 bits Independiente Multicine Independiente 3 MB / s 70 MB / s 40 MB / s, 80 MB 40 MB / s (por VME 64) Sincrónico Asincrónico Dirección / bus de datos Velocidad de transferencia Protocolo de transferencia Asincrónico Otros tipos de interfaces estándar: § Eurobus, Futurebus § VXI (VMebus e. Xtensión para Yonstrumentation) § PXI (PCI e. Xtendido Yonterface) § LXI (LAN e. Xtensiones para Yonstrumentation) etc. Consideraremos en detalle las interfaces VME, VXI y PXI, así como el LAN-Based LXI, Que han encontrado una aplicación más amplia después de la interfaz CAMAC. Información más detallada sobre las otras interfaces se puede encontrar utilizando google u otros motores de búsqueda con una palabra clave. 14 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Interfaz estándar EMV § VME bus (Versa Módulo de bus Eurocard) - una interfaz estándar, desarrollada inicialmente para la familia de microprocesadores 68000 de Motorola, que ha encontrado después aplicaciones con microprocesadores, producido por la empresa Intel etc. . § La interfaz VME está estandarizada por el IEC como ANSI / IEEE 1014 - 1987. Físicamente Еuromechanics se utiliza en VME. § Desarrollado en 1981 y estandarizada en 1987, La interfaz VME encuentra amplia aplicación en la actualidad. Ha servido como base para la interfaz VXI, ampliamente utilizado hoy en día en los sistemas automáticos de medición, . § Características principales: - Ancho de bus - 32/64 бита; - Dirección / Datos - apartado (para VME 32), multiplexado (para VME 64); - Tipo de cambio -asincrónico; - Constructivo - Euromechanics 3 U, 6 U, 9 U; - Número máximo de módulos en el "crate" - 21; - Velocidad de transferencia en la variante de 32 bits - 40 MB/s (VME 32)y 80 MB/s para VME 64; - En el modo de transferencia de paquete (cuando después de una transmisión de una dirección de una serie de transmisiones de datos de seguimiento)la velocidad puede alcanzar 320 MB/s (para VME 64). 15 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Diagrama estructural del bus VME Está permitido un Alto nivel de paralelismo. Hay tres tipos de buses : paralelo, serial y local. Todos los buses VME, VMS y VSB están estandarizados. El bus VME puede direccionar hasta 4 GB memoria, y la potencia de transmisión es desde 24 a 57 MB / s. El bus local VSB es multi-procesador y puede incorporar hasta 6 procesadores y atender a 12 GB memoria. Ambos procesadores son producidos por la empresa Motorola - la serie 6800 y 68000, y procesadores de Intel, son compatible con ellos. 16 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Estándar VXI (VMebus e. Xtensión para Instrumentation - IEEE-STD-1155). § Una desventaja de las normas descritas es que trabajan sobre todo con las señales digitales y no son muy adecuadas para la construcción de sistemas de medición precisos para las señales analógicas. § En 1987 una serie de empresas líderes (Hewlett-Packard, Tektronix, Data Systems Colorado, Racal, Wavetek, y más tarde National Instruments) estableció un consorcio y sentó las bases de la norma VXI. Los requisitos en esta norma son: - Para satisfacer las exigencias de todo tipo de equipos de medición; - Tener módulos con pequeño tamaño y masa; - Para permitir la posibilidad de intercambio de información entre las herramientas; - Para ser objeto de refresco y la adición de nuevos módulos independientemente del productor. CPU DMM SO 17 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Cuatro tamaños de la VXIbus módulos B AÞ 3, 9 x 6, 3 in. VME simple altura BÞ 9, 2 x 6, 3 in. C VME doble altura CÞ 9. 2 x 13. 4 in. D DÞ 14, 4 x 13, 4 in. 18 Interfaces and standards in AS – task 5_2

VXI - módulos y buses § Los módulos con tamaño A comprenden: un bus tipo P 1; los módulos con tamaño B y C incluyen además un bus tipo P 2; y el módulo con el tamaño D incluye también un bus tipo P 3. El papel de estos buses es el siguiente: § P 1 - VME bus de la computadora de: un bus de datos de 16 bits, un bus de direcciones de 24 bits (16 MB espacio de dirección), un Multi-master bus de control. Un bus para la interrupción de prioridad y un bus de utilidades; § P 2 - se extiende a los buses VME de: 32 -bits para datos y direcciones (4 GB espacio de dirección); P 2 añade también: un bus 10 MHz , un bus TTL y un bus ECL de disparo, un bus local de 12 pin , un bus de suma analógica, un bus para la identificación de los módulos (Id de módulo) y un bus de fuente de suministro; § P 3 - añade: un bus 100 MHz tact, un bus ECL de disparo, un bus ECL de un tipo de estrella, un bus local de 24 pin y un bus de fuente de suministro. 19 Interfaces and standards in AS – task 5_2

VXI bus -arquitectura de bus Reloj y buses de sincronización (Relojes, SYNC 100, id de módulo, buses estrella) Slot 0 Controlador VXI Instr. Local bus VXI Instr. VME -bus Bus de disparo Bus analógico Interfaces and standards in AS – task 5_2 20

Propósito de los buses § Bus Reloj -distribuye las frecuencias tact desde el manager de recursos (controlador) en la ranura 0. Contiene 3 líneas: 10 MHz (Clc 10), 100 MHz (CLC 100) Y una señal de sincronización (SYNC 100). § Bus de disparo -sincroniza la operación de los módulos de medición. Contiene 8 Líneas y disparo TTL 6 Líneas ECL. § bus local -contiene 12 líneas para conexión local directa entre dos módulos vecinos sin control redundante del manager. § Bus analógico -un bus de suma a lo largo de toda la longitud del chasis, cargado con 50 Ohms. Resume las señales de módulos separados para obtener señales complejas con la forma deseada por el usuario. § Línea para la identificación de los módulos (Id de módulo). Es utilizado por el controlador para la recuperación de la información de los módulos (ubicación - ranura, dirección, capacidades funcionales, productor, número de serie, etc. ) § Abastecimiento de la energía bus - garantiza tensiones de suministro para las 7 líneas § Sincronización bus de tipo estrella (Bus STAR) - para la sincronización simultánea de los módulos seleccionados a partir el controlador de la ranura 0, colocado en el centro de la estrella. 21 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Tipos de módulos en VXI estándar § Dispositivos de registro programables -estos son dispositivos con una construcción más simple, que no requiere procedimientos de programación complejos, tales como ADC, DAC, los módulos de conmutación, etc. § Dispositivos de instrucciones programables -estos son más complejas dispositivos “inteligentes” de medición en el sistema. Ellos cambian la información con los CSs, así como entre ellos mismos por medio de instrucciones de código ASCII, siendo así mas fácil programarlos y reprogramarlos. § Los otros dos tipos son controlado por dispositivos de memoria y los llamados dispositivos expandidos. Se utilizan con mayor frecuencia los dos primeros tipos. § El despliegue de los módulos no tiene ninguna importancia. Sólo el administrador de los recursos - el controlador - se coloca en la ranura 0. 22 Interfaces and standards in AS – task 5_2

3 configuraciones generales del sistema VXI IEEE-488 controlador Embedded 488 a VXI DMM SO CPU DMM SO MXI DMM SO VXIbus controlador MXI controlador 23 Interfaces and standards in AS – task 5_2

VXIbus configuración con IEEE-488 Controlador 488 към VXI IEEE-488 cable 488 към VXI Para otra VXIbus "crates" y IEEE-488 dispositivos Uno de los métodos más populares y más conveniente para los usuarios de ordenadores personales. Se requiere que cada soporte (chasis) tenga un controlador separado en la ranura 0. Puede controlar hasta 168 módulos. El costo es bajo. Una desventaja es la relativamente baja velocidad de operación (hasta 1 MB / s). Interfaces and standards in AS – task 5_2 24

Un sistema con una PC VXIbus integrado controlado con un PC CPU DMM SO El controlador integrado es la forma más fácil de construir un sistema de automatización VXI. Tiene las mismas capacidades y la periferia como un ordenador personal. La velocidad es la más alta -hasta 40 MB / s, pero el número de módulos se limita a 12. 25 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Compatibilidad con el estándar MXIbus controlador MXI Para otra 5 MXIbus "crates" Compatible con la norma MXI (Interfaz de extensión multisistema). Acelera considerablemente el funcionamiento del sistema. Existen versiones para DOS y Windows pero funciona con más frecuencia con la plataforma UNIX. Hasta 8 conexiones son posibles con 20 m cable. Controla hasta 84 VXI módulos. La velocidad es buena -hasta 20 MB / s. 26 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Módulo de medición VXI y el chasis 27 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Estándar PXI (PCI e. Xtensión Interface). § Un sistema modular de herramientas basado en el bus PCI (Peripheral Component Interconnect). Desarrollado en 1997 por la alianza PXISA (Alianza de Sistemas PXI) que consiste en 68 empresas y con la participación activa de la empresa National Instruments. § Sobre 1000 diferente módulos PXI se producen hoy en día. PXI combina las ventajas de los tiempos modernos y tecnologías de conmutación. § El usuario tiene la posibilidad de diseñar un sistema PXI a su propia voluntad mediante la selección de todo, es necesario para la realización de una tarea determinada: un controlador, una caja, un ADC, un DAC, entradas-salidas digitales, etc. § PXI ofrece productos para la acumulación de datos con velocidad y precisión en el rango 60 S / s [muestras por segundo]en precisión de 24 –bit hasta 1 GS / s en exactitud de 8 - bits. § Los dispositivos PXI para diferentes propósitos pueden tener hasta 64 canales para entrada analógica, 2 canales de salida analógica y 32 líneas para las entradas / salidas digitales. § La arquitectura de los PXI está diseñada para las pruebas y medidas en condiciones industriales severas mejor que un PC estándar. PXI está cerca de las capacidades y de la arquitectura al estándar VXI y por lo tanto no se considerará esta norma en detalle aquí. § (información más detallada sobre PXI y PXISA se puede encontrar en el sitio www. pxisa. org) 28 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Sistema de medición PXI y un módulo 29 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Estándar LXI (LAN e. Xtensiones de Instrumentation) razones para el desarrollo § Desventajas de las interfaces estándar existentes. Nos limitaremos a hablar de las interfaces estándar ampliamente extendidas IEEE-488 (GPIB), VXI y PXI: § GPIB: - Baja velocidad de transferencia Requiere PCB adicional en el PC Caro E / S tarjetas y cables Máximo 14 dispositivos § VXI: - Arquitectura Cara y módulos básicos Caras no estándar entrada / salida (estándar MXI) Número limitado de módulos Requiere un controlador en la ranura 0 § PXI: - Además de los inconvenientes mencionados anteriormente, VXI también tiene : - Los problemas, relacionados con el tamaño, la potencia y las perturbaciones electromagnéticas § VXI y PXI tiene: limitaciones constructivas y problemas en el uso de varios dispositivos de medición (que a veces imponen utilizar más de un estándar en un sistema de medición), gastos adicionales para la conexión de LAN. 30 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Estándar LXI - características principales - 1 § Entrada / salida de alta velocidad, sobre la base de LAN Estándar Ethernet IEEE 802. 3 para definir conexiones, protocolos, velocidad, direcciones, etc. . Fue presentado en 2004 por Agilent y un consorcio de 40 empresas. Versión 1. 0 - en 2005. - Conexiones - conectores estándar RJ-45; lo apoya la función Auto MDIX para el reconocimiento automático de la polaridad de la conmutación de la red por cable. - Protocolos - los dispositivos tienen que soportar los protocolos TCP, UDP (y IPv 4 protocolo de Internet de trabajo, versión 4, y ahora ya IPv 6). - Velocidad - interfaz Ethernet es recomendada con una velocidad de 1 Gbit/s (También se permite 100 Mbit/s)y función para el ajuste automático de la velocidad óptima. Las tendencias son 10 Gbit / s y mucho más. - Direcciones - los dispositivos LXI tienen soporte dirección-IP (definido por el servidor), dirección-MAC (definido por el fabricante)y nombres de los sistemas de acogida (dada por el usuario). - Configuración - los dispositivos tienen que soportar el protocolo ICMP (protocolo de Internet de trabajo para los mensajes de control), asignación direcciones-IP de acuerdo con el protocolo DHCP, manual y DNS dinámico. 31 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Estándar LXI - Características clave - 2 § Elimina módulos básicos caros (Controladores de slot 0, GPIB y MXI tarjetas etc. . ) § Utiliza conexiones a los equipos estándar (y simple). § Factor de forma más pequeño que con GPIB (Con la misma precisión, resolución y, ancho de banda) § Permite el control remoto de herramientas y sistemas de medición. § Identificación automática de los dispositivos de medición, cambiando al usuario del PC y a la configuración de las interfaces. § Compatibilidad con dispositivos de medición, que tiene otros tipos de interfaces: GPIB, USB, Ethernet / LAN, RS-232 y VXI, producido por diferentes empresas. § Posibilidad de funcionamiento con preferencia por el software de programación del usuario: Agilent VEE Pro, NI Lab. VIEW, Microsoft Visual Studio ® etc. . § Control confiable de los dispositivos de medición, combinado con una alta eficiencia. 32 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Estándar LXI - Características clave - 3 § Al instalar las librerías IO Suite 140. 2 y la Conexión Expert integrada el problema con el dispositivo de conmutación y la integración del sistema se resuelve rápidamente. - A los efectos el usuario instala librerías IO Suite en su PC y cambia los cables a USB, Ethernet / LAN, RS-32 o GPIB dispositivos de. En menos de 15 minutos, el usuario tiene la correcta conexión del sistema, que está listo para trabajar. § Cada dispositivo en la norma LXI debe ser capaz de servir su propia pagina WEB los datos fundamentales sobre el dispositivo, el número de modelo, el número de serie, la descripción, el nombre del host del sistema, MAC la dirección y el IP dirección. § Las principales áreas de aplicación de los sistemas, basados en la norma LXI son los complejos de medición automáticos, los sistemas de adquisición y control de los procesos industriales de datos a distancia, la robótica etcétera 33 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Estándar LXI - sincronización y clases de dispositivos - 1 § LXI asegura posibilidades únicas para el inicio y la sincronización, sobre la base de las capacidades de los LAN y el protocolo de sincronización de tiempo IEEE 1588 - dos modos, que no están presentes en GPIB, PXI y VXI. § Tres clases de dispositivos en LXI - C, B y A- hay estas posibilidades: - Clase C - una clase básica, sobre la base de la interfaz LAN y los protocolos sobre la función LAN, la interfaz del controlador IVI y las páginas WEB, junto con las recomendaciones relacionadas con el suministro de energía, enfriamiento, tamaños, etc. . Esta clase es obligatoria para todos los dispositivos de medición de LXI. - Clase B - que incluye todos los requisitos de la clase C , y, además, el protocolo para la sincronización de tiempo de la norma IEEE 1588. Esto permite la sincronización de microsegundos de las unidades LXI, situados en puntos arbitrarios de la red local o en lugares remotos. También se añaden protocolos para mensajes en un rango de red y multidirección (obligatoria en las clases A y B y permitida en la clase C). 34 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Estándar LXI - sincronización y clases de dispositivos - 2 - Clase A - que incluyen los requisitos de las clases C y B y un bus de disparo para iniciar el hardware (similar a la que, en VXI). Contiene 8 líneas con señales diferenciales y retardos, bajo 5 ns / m para los dispositivos vecinos. Los llamados dispositivos sintéticos desarrollados serán de clase A. § Para las clases B y A es posible por medio de señales en los paquetes para LAN a partir de cualquiera de los dispositivos en la red (PC o dispositivo). Mensajes Multi-dirección para el inicio de todos los dispositivos en la red también son posibles. Los mensajes de un rango pueden iniciar un escenario para la medición o puede transferir datos entre los dispositivos LXI sin la intervención de la computadora principal en la red. 35 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Módulos de medición LXI Las clases en LXI En conclusión podemos decir: Habiendo heredado la variedad física de los dispositivos desde el GPIB estándar y utilizando pequeños logros modernos de las tecnologías de red, LXI es un estándar universal y barato de alta velocidad, útil para los fines de la AS. La pequeña cantidad de dispositivos, producidos siguiendo esta norma, es algo que cambia con el tiempo y, además, la LXI es muy conveniente para la construcción de sistemas híbridos sobre la base de listas de nodos desde las ampliamente usadas normas GPIB, VXI y PXI. 36 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Clases LXI y sistemas disparador (iniciar) Podemos ver que en el estándar LXI las posibilidades de iniciar los dispositivos y el proceso de medición son muy variada en las tres clases Inicio Hardware (5 ns / m) se utiliza si es necesario: -La repetición frecuente de pequeñas desviaciones de tiempo (jitter); - baja latencia y pequeñas distancias. Tiempo de Inicio base en (<100 ns) se utiliza si es necesario: -muy baja latencia (las distancias no importa); - tablao preliminar de los eventos. LAN start (<1 ms) se utiliza si: - Los dispositivos están muy lejanos; - nuestro objetivo es time-stamp para revisara los datos guardados; - para la eliminación del cableado del sistema de prueba 37 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Sistema de medición híbrido 38 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Software para los estándares GPIB (IEEE 488), VXI, PXI и. LXI § VISA (Virtual Instrument Software Architecture). Un estándar para interfaces de programación con el propósito de medición y control automático. El entorno es de alto nivel y llama a los controladores de bajo nivel con la correspondiente herramienta de interface (IEEE-488, VXI, PXI etc. . ). Está contenido en la librería LXI IO Suite 14. 2. § Software, basado en lenguajes de alto nivel: - А) Software para servir a un dispositivo en particular o clase de dispositivos: - Bench Virtual (National Instruments) - para el control de 6 tipos de herramientas integradas de computación -osciloscopio, multímetro, generador de señales, analizador lógico, etc. . - Bench. Link (Hewlett-Packard) - Controla casi las mismas herramientas, que son autónomas aquí. - Wave. Writer (Tektronix) - Para la realización del control de los generadores de señales y osciloscopios digitales VXI autónomos o modular. 39 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Software para el GPIB normas (IEEE-488), VXI, PXI y LXI - B)Software para el desarrollo de aplicaciones de usuario: - Lab. Windows / CVI (National Instruments) - Un paquete de programación, sobre la base de los lenguajes С y С + +. Equipado con más de 500 herramientas de controladores, un conjunto de funciones específicas para el procesamiento de señales, etc. - Component. Work (National Instruments) - basado en el lenguaje Visual Basic. - HP BASIC (Hewlett-Packard) - Una versión de BASIC, optimizado para los propósitos de prueba y medición. - Lab. View (National Instruments) - Entorno de desarrollo para la programación gráfica, basado en el lenguaje G para la construcción y el control de las herramientas de medición virtuales. Contiene controladores integrados para las interfaces estándar (IEEE-488, VXI, PXI, LXI) (ver el material adicional acerca de Lab. View). - HP VEE (Hewlett-Packard) -También gráfica, cerca de la funcionalidad de Lab. VIEW. 40 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Una herramienta virtual y un diagrama de bloques en Lab. View Herramienta virtual, de acuerdo con una definición dada por la empresa National Instruments es: "una combinación de elementos de hardware y software, que bajo el control de un ordenador personal obtiene la funcionalidad de una herramienta clásica de medición de laboratorio". Las figuras muestran un panel frontal y un diagrama de bloques de una herramienta tal. Panel frontal • • Los controles son entradas Los indicadores son salidas Diagrama de bloques • • Programa gráfico, que representa el panel frontal Los elementos están conectados entre sí por medio de conductores Nota. Los símbolos en Lab. View se acercan a los de Electrónic Work. Bench/Multisim y hay una evolución de su integración en un entorno unificado. 41

Sistemas para el control de procesos tecnológicos - 1 § Los estándares y sistemas, descritos hasta ahora, encuentran aplicación principalmente en el área de los sistemas automáticos de medición y equipos de prueba en la industria. § Industrial Control Systems - ICS se utilizan para el control y automatización de procesos tecnológicos. Usualmente se utilizan en la producción de energía eléctrica, sistemas de agua, la industria química, el transporte, así como en instalaciones experimentales y la investigación de los laboratorios nucleares. § Una amplia gama de acciones y adquisición de datos remota a grandes distancias es típico para muchos de estos sistemas. Este es el caso de la automatización de transporte ferroviario, la automatización de los sistemas energéticos, los recursos de agua, la industria agraria, etc. § Independientemente del hecho de que los sistemas ICS tienen características comunes, se diferencian considerablemente uno de otro. Podemos dividirlos condicionalmente en tres grupos principales: Ø Control de Supervisión y Adquisición de Datos - SCADA Ø Sistemas de Control Distribuido - DCS Ø Otros sistemas de configuraciones de control, construidas controladores lógicos programables (Controladores Lógicos Programables - PLC). 42 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Sistemas para el control de procesos tecnológicos - 2 § Vamos a echar un vistazo a los sistemas SCADA, DCS y PLC y sus arquitecturas y componentes típicos. Las aplicaciones reales de la ICS pueden ser híbridas. Lo que es característico de cada uno de estos sistemas es la siguiente: - SCADA - sistemas fuertemente distribuidos, utilizado para el control de objetos distantes geográficamente (hasta miles de kilómetros cuadrados); adquisición de datos centralizada y procesamiento y generación de efectos de control. - Las áreas típicas: transporte ferroviario, transporte, red eléctrica, gasoductos, oleoductos, el sistema para la distribución de los recursos hídricos etc. ; vigilancia y control centralizados de los objetos y el procesamiento de las alarmas; la información es transmitida a grandes distancias por medio de una red informática. - Se producen sobre la base de los comandos de control de información recibidos y procesados y son enviados de vuelta a los dispositivos remotos (campo). Los dispositivos de campo realizan acciones locales, tales como la apertura y cierre de las válvulas y los interruptores, la adquisición de datos de los sensores, la vigilancia de las condiciones de alarma en el medio ambiente. - Se utilizan conexiones globales, sobre la base de las redes de largo alcance de tipo WAN. 43 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Sistemas para el control de procesos tecnológicos - 3 - DCS - distribución media o baja; áreas típicas: refinerías de petróleo, estaciones, electroquímicas, plantas farmacéuticas y de alimentación, automoción y otros tipos de producción, Hay por lo general dos niveles. - En el nivel inferior los sub-sistemas separados, llevan a cabo el control local de los objetos por los reguladores, apoyan al proceso en los límites, predeterminados por el nivel superior de los valores. Los reguladores son generalmente PID (con, la acción integral y la acción derivativa). Frecuentemente realizado con dispositivos PLC. - El ajuste se lleva a cabo por el nivel superior, el cual es responsable de la coordinación de las conexiones entre los sub-sistemas separados, así como para la optimización global de la producción. - Debido a la relativa proximidad de los subsistemas por separado redes locales especialmente (LAN) se utilizan por lo general como un sistema de comunicación. 44 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Sistemas para el control de procesos tecnológicos -4 - PLC – Dispositivos МP, control directo de las instalaciones y procesos industriales. La conexión a los objetos en todos los sistemas SCADA y DSC se realiza por medio de ellos. - A menudo son los componentes básicos de los sistemas más pequeños para el control operacional de los sistemas discretos, como las líneas de montaje en la industria. - Las áreas típicas: automatización de procesos industriales en la producción continua y discreta. Ambos tipos de producción utilizan los mismos sistemas de control, sensores y redes. También hay sistemas híbridos con propiedades características, para ambos tipos. - A pesar de que se utilizan casi los mismos elementos estructurales, hay ciertas diferencias entre los sistemas de control separados. Con DSC y PLC los objetos se encuentran en el espacio limitado de una planta y utilizan las tecnologías LAN. Con sistemas DSC y PLC contornos cerrados con retroalimentación se utilizan en mayor medida y el proceso de control de producción es mucho más complejo que con sistemas SCADA. 45 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Acción ICS - El esquema es un clásico. Un controlador (regulador) por lo general sirve para la conexión del ICS con el objeto controlado, como se muestra en la figura. - El diagrama contiene: - Control de contorno: circuito cerrado proceso controlado, sensor para medir el estado del proceso, dispositivo de control (por ejemplo PLC) y un actuador (válvula, interruptor, cambiar). La cantidad controlada se mide por el sensor, que se transfiere al controlador, que interpreta y lo compara con un valor predeterminado y produce una señal de control para el actuador. Como el proceso está bajo la influencia de las perturbaciones externas, el contorno de control funciona de forma continua. 46 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Acción ICS (cont. ) - Interfaz Hombre-Máquina - IHM. Los operadores y los ingenieros utilizan HMI con el fin de controlar el proceso, para corregir los ajustes y los parámetros del controlador y, finalmente, cambiar los algoritmos de control. Esta es la forma en que obtienen información sobre el estado actual del proceso. - Diagnóstico y mantenimiento remoto. Los procedimientos para el diagnóstico y mantenimiento a distancia se utilizan para la identificación, prevención y eliminación de daños en el equipo de control. - Un sistema ICS posee, en consecuencia, una arquitectura de red de múltiples capas y un conjunto de protocolos de red con el fin de apoyar el funcionamiento del contorno de control, HMI y los diagnósticos remotos. Es característico para todos los contornos en el sistema que funcionan de manera continua y el ciclo de cambio de las cantidades en ellos varía de milisegundos a minutos. 47 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Componentes básicos del ICS § Control de servidor. Contiene el software DSC o PLC diseñado para comunicarse con los dispositivos de control en el bajo nivel del sistema. Este software tiene acceso a los módulos subordinados a través de la red ICS. · Servidor SCADA, Unidad Terminal Maestro - MTU. Controla el intercambio de información en el sistema SCADA. Los nodos terminales remotos, así como los dispositivos PLC juegan un papel subordinado (Esclavos). · Unidad Terminal Remota - RTU. Diseñado para adquirir información y para controlar las estaciones remotas SCADA. Se trata de un dispositivo de campo, generalmente equipado con interfaz de radio inalámbrica. A veces, las PLCs han incorporado funciones de RTU y se utilizan como dispositivos de campo; · Programación del controlador lógico (PLC). El PLC es un dispositivo МD (equipo industrial), diseñado inicialmente para funciones lógicas simples y de control de los circuitos eléctricos (relés, interruptores, contadores). Hoy en día las PLCs ya tienen la capacidad de controlar procesos mucho más complejos y son elementos básicos en los sistemas SCADA y DSC. Hay otros dispositivos, tales como reguladores y RTU. Tienen funciones de control similares, pero están diseñadas para aplicaciones especiales. 48 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Componentes básicos del ICS (cont. ) · Intelligent Electronic Device - IED es un nodo "inteligente", que consiste en un sensor y un actuador. Adquiere datos, comunica con otros dispositivos, lleva nuestro procesamiento y control local. Puede contener un sensor analógico, la salida analógica para el accionador, el módulo de comunicación y la memoria de programación. Se utiliza para la regulación automática a nivel local. · Interfaz hombre-máquina (HMI). HMI contiene software y hardware, que permite a los operadores controlar el proceso de control, para cambiar los ajustes en ella con el objetivo de optimización, y en caso de emergencia para apagar el sistema automático y tomar el control manual sobre el proceso. · Histograma de Datos. Una base de datos centralizada (DB), en el que toda la información acerca de los procesos en la ICS es almacenada. Se utiliza para diversos análisis, desde informes estadísticos hasta la planificación a nivel corporativo. · Servidor E / S. Un componente de control, responsable de la adquisición, almacenamiento en búfer y el acceso a la información sobre el proceso, procedente de sub-sistemas, tales como PLC, RTU y IED. Físicamente puede estar ubicado en el servidor de control o en un PC independiente. Se comunica con los otros componentes del sistema de control - la HMI y el servidor de control. 49 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Componentes de red de ICS § En cada nivel de la construcción jerárquica ICS hay diferentes requisitos hacia la red de ordenadores. Las topologías de red utilizadas en los sistemas ICS pueden diferir de las topologías en los sistemas modernos en gran medida, ya que los sistemas modernos utilizan tecnologías y estrategias de Internet para la integración corporativa. Los componentes básicos de la red de un ICS se describen a continuación : - Bus de campo. Conecta los sensores y los otros dispositivos de campo a la PLC, así como a otros tipos de controladores. Los sensores se comunican con los controladores a través del bus de campo, utilizando un desarrollado especial para este propósito. - Red de control. La red de control conecta el nivel de supervisión del sistema de control con los m módulos de control en el nivel inferior. - Routers de Comunicación. Transfieren la información entre dos redes, como en las redes globales para la conexión entre LAN y WAN. Se utilizan también en sistemas SCADA pero con mayor frecuencia se utilizan para la conexión entre MTU y RTU. 50 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Componentes de red de ICS (cont. ) - Firewalls. Protegen los dispositivos en una red mediante la supervisión y controlando si los paquetes recibidos son compatibles con la estrategia preliminar elegida de filtrado. - Módems. Ellos convierten las señales digitales de la serie, en señales adecuadas para la transmisión en el teléfono y viceversa. A menudo se utilizan en SCADA para la conexión en serie entre la MTU y los dispositivos de campo remotos. Sistemas de acceso remoto a SCADA, DSC y PLC también pueden ser asegurados por ellos. Este acceso a distancia puede utilizarse para la interceptación del control de tales sistemas, es decir, para el cambio de parámetros de control, así como para fines de diagnóstico. - Puntos de acceso remoto. Dispositivos especiales utilizados en áreas separadas de la red de control para la conexión remota a él. § Las próximos diapositivas dan ejemplos de la arquitectura de SCADA, DCS y Sistemas PLC 51 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Sistema SCADA -arquitectura 52 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Sistema DCS -arquitectura 53 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Arquitectura de un pequeño sistema de PLC § PLCs se utilizan tanto en sistemas SCADA, y en DCS como elementos de bajo nivel del sistema jerárquico, lo que garantiza las funciones de control a este nivel y la retroalimentación del proceso. § También se pueden utilizar como elementos en pequeñas configuraciones independientes, donde desempeñan el papel principal (figura de la derecha). 54 Interfaces and standards in AS – task 5_2

Las diferencias entre los ICS e Informática de sistemas § En el pasado: - ICS: especialmente se desarrollo hardware, software y protocolos de red patentadas. Funciones separadas de seguimiento y control de la influencia de la conectados externamente a la ICS redes informáticas. Poca atención a las cuestiones de seguridad, que solía ser sobre la base de la seguridad física (guardias, puertas cerradas, ) § Hoy: - Modelo, basado en Internet, ofreciendo un montón de comodidades. Los sistemas SCADA, que son altamente eficientes y ampliamente extendidos, están al mismo tiempo, sin protección. El uso de l TCP / IP en SCADA junto con la nueva Informática asegurar una mejor conexión, pero hace que sus redes sean potencialmente vulnerables a la interrupción del servicio, la redirección de los procesos y la manipulación de los datos operativos, que puede conducir a la violación de la paz y de problemas con el suministro de infraestructuras de importancia crítica social. Nota: Las preguntas acerca de la seguridad del ICS y, en particular, de SCADA son complejas y se discutirán en otros cursos; más información sobre el tema se puede encontrar en el material adicional SCADA_y_seguridad. Pdf 55 Interfaces and standards in AS – task 5_2