Comunicacions Industrials

ENGINYERIA EN AUTOMÀTICA I ELECTRÒNICA INDUSTRIAL
Comunicacions
Industrials
Guia de l’assignatura
Enginyeria en Automàtica i Electrònica Industrial
29502 Comunicacions Industrials. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
1
Crèdits: 4,5 ( 3 teoria + 1,5 pràctiques)
Crèdits ECTS: 3,6
Tipus: Obligatòria
Coordinador: Ramon Sarrate Estruch ([email protected])
Altres Professors: Bernardo Morcego ([email protected])
Departament: Enginyeria de Sistemes, Automàtica i Informàtica Industrial
Presentació
Coneixements previs
Per cursar aquesta assignatura serien desitjables certs coneixements sobre processat de senyal,
electrònica bàsica i informàtica a nivell de programació.
Camps professionals
Les comunicacions industrials tenen la seva aplicació en l’automatització i el control distribuït de
processos industrials. Permeten dotar a la indústria d’una tecnologia flexible d’integració des de la
fase de disseny de producte, passant per la gestió i planificació de la producció, fins el control i la
supervisió del procés productiu.
Relació amb altres assignatures
Aquesta assignatura ha de servir per proporcionar una sèrie de coneixements necessaris per les
assignatures troncals Sistemes Informàtics en Temps Real i Sistemes de Producció Integrats, així
com l’assignatura optativa Gestió Automatitzada de la Producció.
Objectius generals
L’assignatura Comunicacions Industrials pretén:
1. Introduir les xarxes de comunicacions industrials, proporcionant una base teòrica, tecnològica
i pràctica suficient que capaciti en la seva aplicació en projectes d’automatització i control
industrial.
2. Proporcionar els conceptes teòrics necessaris per comprendre, analitzar i avaluar els
protocols i les problemàtiques associades a les comunicacions industrials.
3. Proporcionar els coneixements tecnològics necessaris per reconèixer els elements
constitutius de les xarxes industrials, i per comprendre i avaluar els estàndards i protocols de
comunicació.
4. Familiaritzar en la configuració i programació de xarxes industrials per a la integració de
sistemes de control i supervisió de processos.
Enginyeria en Automàtica i Electrònica Industrial
29502 Comunicacions Industrials. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
2
Temari
1. Introducció a l’assignatura i les comunicacions industrials
2. Conceptes de comunicacions
2.1. Arquitectures de comunicació: el model de referència OSI i l’estàndard TCP/IP
2.2. Avaluació de protocols
3. Tecnologia de comunicacions
3.1. Xarxes d’àrea local
3.2. Xarxes industrials i bussos de camp
4. Aspectes de comunicació amb la xarxa
4.1. Conceptes de nivell físic
4.2. Conceptes de nivell d’enllaç de dades
4.3. Exemples de protocols i estàndards industrials
5. Aspectes de nivells superiors
5.1. Exemples de protocols i estàndards industrials
(1’5 hores)
(4 hores)
(4’5 hores)
(12 hores)
(3 hores)
Objectius específics dels mòduls
n
Tema 1
D’una banda, s’introdueixen els objectius, el programa i la metodologia d’avaluació de l’assignatura.
D’altra banda, s’introdueixen les xarxes de comunicacions i la seva utilització en sistemes de control i
automatització industrial.
Al finalitzar aquest tema, per tal d’assolir els objectius generals, l’estudiant hauria de ser capaç de,
n
•
Recordar els objectius generals de l’assignatura i saber com seran avaluats.
•
Reconèixer i diferenciar les diverses alternatives de control i automatització industrial
(centralitzat, descentralitzat, distribuït, jerarquitzat, ...).
•
Identificar els beneficis que aporten les xarxes de comunicació en sistemes de control i
automatització industrial.
Tema 2
Tota comunicació industrial s’ha de basar en un sistema de comunicacions ben dissenyat, fiable i
eficient. Aquest tema serveix d’introducció als aspectes teòrics de l’assignatura, i permet conèixer
diverses propostes d’estructuració del sistema de comunicacions, així com diverses metodologies per
a la seva avaluació.
Primer, es presenta el model abstracte de comunicacions OSI. S’introdueix l’arquitectura basada en 7
nivells, el concepte de protocol i el de servei. També dona peu a parlar de les relacions o rols que
s’estableixen en la comunicació (client/servidor, mestre/esclau, productor/consumidor, ...). Després,
es presenta l’estàndard de comunicacions TCP/IP, que, tot i no ser un model abstracte, ha suposat un
model pràctic de comunicacions.
A continuació, es presenten diversos paràmetres i metodologies que permeten analitzar i avaluar un
sistema de comunicacions. Es parla de l’eficiència o rendiment, del throughput i del retard.
Al finalitzar aquest tema, per tal d’assolir els objectius generals, l’estudiant hauria de ser capaç de,
•
Descriure els trets fonamentals del model de referència OSI, i de l’estàndard TCP/IP.
Enginyeria en Automàtica i Electrònica Industrial
29502 Comunicacions Industrials. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
•
n
3
Identificar els paràmetres i les metodologies d’avaluació de sistemes de comunicacions.
Tema 3
En les aplicacions de control i automatització industrial les comunicacions apareixen en dues
arquitectures: les xarxes d’àrea local, i, d’una forma més específica, les xarxes industrials i els bussos
de camp. En aquest tema s’introdueixen els aspectes tecnològics de l’assignatura.
Primer, es presenten les xarxes d’àrea local: es defineixen, es descriuen les seves aplicacions i els
seus elements constitutius (segments, repetidors, ponts, passarel·les, ...). També es presenten
exemples d’estàndards: Ethernet, TCP/IP, ....
A continuació, es presenten les xarxes industrials: es caracteritzen, es classifiquen i es descriuen les
seves aplicacions. Finalment es presenten diversos estàndards de bussos industrials: Profibus, AS-I,
DeviceNet, CAN, ...
Al finalitzar aquest tema, per tal d’assolir els objectius generals, l’estudiant hauria de ser capaç de,
n
•
Identificar les característiques de les xarxes d’àrea local i dels seus elements constitutius.
•
Descriure les característiques de les xarxes industrials i les seves aplicacions.
•
Reconèixer les característiques d’alguns estàndards industrials.
Tema 4
Segons el model de referència OSI, un sistema de comunicacions s’estructura amb un primer nivell
físic, que proporciona la interfície amb el medi de comunicacions, i un segon nivell d’enllaç de dades
que proporciona un servei de transmissió fiable de dades entre els nodes d’una xarxa.
En aquest apartat, primer es descriu des d’un punt de vista teòric els serveis que proporciona el nivell
físic. Es parla de la codificació, de l’efecte de les pertorbacions i del medi sobre la propagació de l’ona
electromagnètica, de la capacitat del medi, de la transmissió síncrona i asíncrona, de les
característiques dels medis de transmissió, dels esquemes de codificació i de la topologia de les
xarxes.
A continuació, es descriu des d’un punt de vista teòric els serveis que proporciona el nivell d’enllaç de
dades. Es parla de les tècniques d’accés al medi, del control de flux, de les tècniques de detecció i
recuperació d’errors, del format de la trama, del sincronisme i de l’adreçament. Es mostren diverses
tècniques que permeten avaluar l’eficiència i verificar els protocols que implementen els serveis
d’aquest nivell (la simulació mitjançant models estadístics i la verificació mitjançant màquines d’estat
finit).
Des d’un punt de vista tecnològic, es descriuen les característiques d’alguns estàndards industrials:
RS-232, RS-485, CAN, Ethernet, AS-I.
Al finalitzar aquest tema, per tal d’assolir els objectius generals, l’estudiant hauria de ser capaç de,
•
Identificar les limitacions que imposa el medi i les pertorbacions sobre la transmissió en
xarxes de comunicacions.
•
Comparar les diverses tècniques de codificació que s’utilitzen en xarxes industrials.
•
Diferenciar entre la transmissió síncrona i asíncrona.
•
Descriure els diversos serveis que proporciona el nivell d’enllaç de dades.
Enginyeria en Automàtica i Electrònica Industrial
29502 Comunicacions Industrials. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
n
•
Avaluar i verificar alguns d’aquests serveis.
•
Reconèixer les característiques d’alguns estàndards industrials.
4
Tema 5
Segons el model de referència OSI, un sistema de comunicacions s’estructura amb cinc nivells per
sobre del d’enllaç de dades. En aquest apartat, es pretén destacar de forma selectiva certs serveis
importants que han de proporcionar aquests nivells. Es parla de serveis d’encaminament de paquets,
d’encriptació i del nivell d’aplicació. Des d’un punt de vista tecnològic, es descriuen les
característiques d’alguns estàndards industrials: TCP/IP, DeviceNet, Profibus, AS-I, ...
Al finalitzar aquest tema, per tal d’assolir els objectius generals, l’estudiant hauria de ser capaç de,
• Descriure les tècniques d’encaminament i de commutació.
• Identificar les tècniques d’encriptació de dades,
• Reconèixer les característiques d’alguns estàndards industrials.
Metodologia de treball
L’assignatura s’organitza en classes a l’aula i al laboratori. Els continguts teòrics es proporcionaran
mitjançant classes magistrals a l’aula, fent ús de pissarra i transparències. Els continguts pràctics es
proporcionaran mitjançant classes de problemes a l’aula i sessions de laboratori. Es proposaran,
també, diversos problemes i treballs que l’estudiant haurà de desenvolupar fora de l’horari de classes.
Pràctiques, laboratoris
Les pràctiques de l’assignatura serveixen per aprofundir i il·lustrar part dels coneixements que es
mostren a teoria. En concret, estan centrades entorn la manipulació, configuració i ús de bussos de
camp comercials. Les pràctiques tenen lloc al laboratori d’Informàtica Industrial de l’edifici TR11 on hi
ha 10 bancs de treball. La meitat disposa d’una xarxa DeviceNet amb dispositius intel·ligents i l’altra
meitat disposa d’una xarxa Profibus amb un segment AS-I.
Els objectius genèrics de les pràctiques són:
•
Saber configurar una xarxa de comunicacions industrial
•
Entendre el moviment de dades que circula per una xarxa de comunicacions industrial i
analitzar l’estat del bus a partir d’aquest
•
Conèixer dispositius de xarxa intel·ligents habituals
•
Programar part d’una aplicació de supervisió remota
Enginyeria en Automàtica i Electrònica Industrial
29502 Comunicacions Industrials. Guia de l’assignatura
Aprovada en C.A.A de data 8/06/05
5
Materials
Bibliografia bàsica
Juan R. Pimentel, Communication Networks for Manufacturing, Prentice Hall (1990).
William Stallings, Comunicaciones y Redes de Computadores, Prentice Hall (1998).
Andrew S. Tanenbaum, Redes de Computadoras, Prentice Hall (2003).
Fred Halsall, Comunicación de datos, redes de computadores y sistemas abiertos, Addison-Wesley
Iberoamericana (1998).
Ramon Sarrate, Transparències de Comunicacions Industrials.
Bibliografia complementària
Richard W. Markley, Data Communicactions and Interoperability, Prentice Hall (1990).
Avaluació
Els objectius específics s’avaluaran en base a dos examens, les pràctiques i uns exercicis amb els
següents pesos:
• Examen parcial de l’assignatura: 30 %
• Examen final de l’assignatura: 40 %
• Sessions de laboratori: 20 %
• Exercicis, problemes i treballs: 10%