Redes industriales - de Jhon Jairo Padilla Aguilar

Redes industriales
Jhon Jairo Padilla A., PhD.
Sistemas de instrumentación y control
modernos

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
Toman mediciones que son
recogidas por instrumentos
de medida y que son
entregadas a un controlador
(un computador) y luego
este las reenvía a otros
computadores a través de
una red de datos.
El uso de redes reduce
costos y mejora la eficiencia
del sistema de control
Objetivos de un sistema de
control: productividad y
eficiencia
Funciones de un sistema de control
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

Control de los procesos y alarmas (ahora soportado por
sistemas de control distribuidos)
Control de las secuencias, alarmas (ahora lo hacen los PLCs)
Interfaces de usuario centralizadas (ahora sistemas scada)
Gestión de la información
Pirámide de automatización




Es la forma de organizar
las diferentes funciones de
la automatización de una
empresa de producción
Contiene diferentes capas
con diferentes funciones
La organización por capas
depende de la entidad de
estandarización.
Modelo CIM (Computer
Integrated Manufacturing),
propuesto por NIST
(National Institute of
Standards and Technology)
Enterprise Resource Planning
Manufacturing Execution System
Supervisory Control and
Data Acquisition
Modelo Teórico
CIM
ERP: ENTERPRISE RESOURCE PLANNING
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


Gestiona la información
Automatiza e integra las tareas de negocio, operación y producción de una
empresa.
Busca realizar un manejo eficiente de la información, facilitar el intercambio
de datos entre todos los departamentos de la organización
Busca pronosticar la oferta y demanda de los productos y/o servicios
Busca brindar soluciones prácticas y rápidas a los usuarios, reducir tiempo y
costos de procesos, al igual que acceder a información precisa y confiable.
TICs para ERP

En el mercado mundial existen diferentes empresas
proveedoras de soluciones ERP:


Oracle, SAP, SSA, IBM, QAD, PeopleSoft, FouthShift
Tipo de Red que utiliza:


Redes de Área Local
Estándar típico: Ethernet.
MES: Manufacturing Execution System


Conecta el nivel de
planeación de recursos
empresariales (ERP) con
los productivos, a través
de sistemas informáticos.
Su principal objetivo es la
planeación y el control de
la producción en tiempo
real, a través de la
optimización de los
recursos de la
organización.
TICs para MES




Programación en base de datos como Oracle, SQL server
u otras.
La estructura de base de datos debe soportar el sistema,
las interfaces, los cálculos, los reportes, las
comunicaciones con otros sistemas, miles de líneas de
código y mucho más.
Usan lenguajes de programación estándar como Visual
Basic, Delphi, Java, etc.
Tipos de Redes a Utilizar:


Redes de Área Local
Estándar típico: Ethernet
SCADA: Supervisory Control and Data
Adquisition


Establece una Interfaz Humano
Máquina (HMI) que le permite al
usuario comunicarse con los
dispositivos de campo a distancia,
para la supervisión y control de
las variables de proceso de forma
automática.
Recibe los programas de
producción, calidad,
mantenimiento, etc., del nivel
sistema MES y realimenta dicho
nivel con las incidencias (estado
de órdenes de trabajo, situación
de máquinas, estado de la obra
en curso, etc.) ocurridas en
planta.
Relación ERP, MES, SCADA
 En el modelo
CIM, SCADA
relaciona el
nivel MES y de
CONTROL
 Emite órdenes
de ejecución al
nivel sistema de
control y recibe
situaciones de
estado de dicho
nivel.
Componentes Tecnológicos de SCADA

Interfaz Humano-Maquina o HMI (Human Machine
Interface): paneles compuestos por indicadores y comandos del
sinóptico de control del sistema.

Ordenador central o MTU (Master Terminal Unit): se
encargan de centralizar el control de la información realizando
tareas de recopilación, almacenamiento, envío y análisis de datos al
igual que de gestionar la comunicación con los operadores.

Ordenadores remotos o RTU’s (Remote Terminal Unit):
recolectan y envían los datos locales a la unidad central, de la cual
también pueden recibir información.

Red de comunicación: permiten el intercambio de datos
bidireccional entre el ordenador central y los remotos. Estándar
tipico: Ethernet.
Componentes de un sistema SCADA
DCS: Sistema de Control Distribuido

El sistema de control
adquiere el estado de las
variables de proceso por
medio de los sensores,
realiza los cálculos de
actuaciones y finalmente
lleva a cabo la acción de
control
Estructura DCS de Siemens del
laboratorio de automatización de la UPB
Gabinete de control central
Gabinete de control
distribuido
Componentes Tecnológicos del DCS

Para ejecutar el control de un proceso existen diferentes
dispositivos electrónicos como:






Controlador lógico programable (Programmable Logic
Controller, PLC)
Unidad terminal remota (Remote Terminal Unit, RTU)
Control numérico por computadora (Computer Numerical
Control, CNC)
Controladores industriales
Al unirlos se pueden formar redes donde hay maestros y
esclavos.
Tecnología de Redes: Buses de Campo
Proceso de Instrumentación




Es la base de la pirámide del
modelo CIM
En el nivel de instrumentación se
encuentra la maquinaria de la
planta que hace posible el
proceso de producción
Aquí se ejecutan las acciones
básicas en tiempo real de
medición y control, con sensores
y actuadores respectivamente
Es importante tener en cuenta la
adecuación de las señales para
que sean compatibles al sistema
Redes Industriales y de redes de datos



Las redes industriales son un tipo especial de redes de
datos
Los principios básicos de redes de datos se cumplen
igualmente tanto en las redes industriales como en las
redes de oficina.
Las redes industriales:


Transportan datos que pueden ser mediciones de una variable,
ordenes de control de un actuador o información
complementaria para la gestión de la red
Deben operar bajo condiciones extremas para las que las
redes de oficina no están diseñadas.
Conceptos básicos de redes de
datos
Modelo de Comunicaciones Simplificado
Modelo de Comunicaciones de datos
simplificado
Modelo de Red Simplificado
Tipos de Redes según el medio de transmisión


Alambradas (Fijas)
Inalámbricas: (Fijas y
Móviles)
Cable Coaxial
infrarrojo
Enlaces Radio
Fibra Optica
Par trenzado
Tipos de redes según su cobertura
Fijas
x.25, Frame Relay, ATM, MPLS
Metro Ethernet, FDDI
Ethernet, Fast Ethernet,
Gigabit Ethernet
Redes de Area Local (LAN/MAN)





Cobertura pequeña (empresa)/mediana(ciudad)
Pertenece a una empresa
Altas Velocidades de transmisión internas.
Usan difusión en lugar de conmutación
Tipos: Bus, estrella, anillo, árbol, inalámbricas
Redes de Area amplia (WAN)
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


Redes públicas
Cubren grandes zonas geográficas
Compuestas por dispositivos de conmutación
Tipos:


Conmutación de circuitos
Conmutación de paquetes:
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

Retransmisión de tramas (Frame Relay)
Retransmisión de celdas (ATM)
Multi-Protocol-Label-Switching (MPLS)
Internet


Compuesta por muchas redes LAN y WAN
Cubre todo el planeta
Tipos de redes según su cobertura en el
modelo CIM
Tipos de tráfico en las redes industriales
Topología de redes Fijas
Topología en
Estrella
jerárquica
Topología en
Malla
Topologías en redes inalámbricas móviles
Redes con infraestructura
Redes sin infraestructura (ad-hoc)
WLANRed de sensores
Red Celular
Interface A
MSC
Interface Abis
BSC
BTS
Air Interface
MS
HLR,VLR,MSC
Red Malladas
Protocolos y arquitectura de protocolos




Programas de comunicaciones complejos (monolítico vs.
Por capas)
Protocolo: Conjunto de reglas que gobiernan el
intercambio de datos entre dos capas.
Componentes de un protocolo: sintaxis, semántica,
temporización.
Arquitectura de protocolos
Protocolo de Comunicaciones
Hola
Hola
Solicitud cx
Establecimiento
conexión
Confirmación cx
Qué hora tiene?
Las 10 am
gracias
De nada
Adiós
Adiós
Descargar archivo
Transferencia
De Información
archivo
Recibido bien
o.k
Terminar cx
Terminar cx
Desconexión
Uso de Protocolos estándares
Normalizaciones

Características de un estándar:




Asegura un gran mercado, reduce costos
Comunicación entre productos de diferentes fabricantes
Congelan la tecnología
Muchos estándares para la misma función
Organizaciones de normalización en
comunicaciones

UIT-T (reemplazo del CCITT)
ISO (International standards Organization)
ANSI (American National Standards Institute)
IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers)
IETF (Internet Engineering Task Force) Genera los RFCs
IAB (Internet Architecture Board) Diseño, Ingeniería y gestión de Internet.

ORGANIZACIONES DE ESTANDARIZACION REDES INDUSTRIALES:

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

ISA (International Society of Automation)
NIST (National Institute of Standards and Technology) (U.S.A). Depende del
Departamento de Comercio de USA.
Modelo OSI

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
OSI: Open Systems Interconnection
Desarrollado por la ISO (International Standards
Organization)
Tiene 7 Capas:

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
Aplicación
Presentación
Sesión
Transporte
Red
Enlace de datos
Física
Capas del modelo OSI
Aplicación
Acceso al entorno OSI y proporciona
servicios distribuidos
Presentación
Proporciona independencia en la
representación de los datos
Sesión
Establece, gestiona y cierra las
conexiones entre las aplicaciones
Transporte
Seguridad, transferencia entre los
extremos, recuperación de errores y
control de flujo
Red
Transmisión de los datos a través de las
redes, crea, mantiene y cierra
conexiones
Enlace de datos
Comunicación punto a punto entre el
Host y el dispositivo de acceso a la red.
Sincronización, control de errores y de
flujo
Física
Transmisión sobre el medio físico.
Características físicas de las señales.
Arquitectura TCP/IP



Desarrollada por DARPA (Defense Advanced
Research Projects Agency) para su red de
conmutación de paquetes
Usada en Internet
Tiene 5 capas independientes:

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


Aplicación
Transporte
Internet
Acceso a la red
Capa física
Capas de TCP/IP



Física: Define la interfaz física entre el Host y
la red (tipo de medio de tx, modulaciones,
velocidades, etc)
Acceso a la red: Intercambio de datos entre
la red y el Host. Depende del tipo de red de
acceso (LAN y WAN en sus diferentes tipos)
Internet: Encaminamiento a través de las
diferentes redes. Se implementa tanto en los
Host como en los routers (interconecta dos
redes)
Capas de TCP/IP


Transporte: Se encarga de la entrega de los paquetes
entre origen y destino y asegura su entrega confiable y en
orden
Aplicación: Se encarga de implementar las diferentes
aplicaciones del usuario. Cada aplicación necesita un
software diferente.
Modelo de la arquitectura de
protocolos TCP/IP
Arquitectura de protocolos TCP/IP
Capa
Nombre
Problema solucionado
1
Física
Modulación, Transmisión por el medio,
Corrección de errores en bits
2.
Enlace
Control de errores en los paquetes.
Secuencia de paquetes. Enlace entre
dos computadores
Acceso al medio
Compartición del medio de transmisión
(Ethernet, WLAN, celulares)
3
Red
Interconexión entre redes de acceso de
diferentes tecnologías (WLAN, GPRS,
Ethernet, Wimax)
4
Transporte
Control de la secuencia de mensajes,
Control de errores en la Internet, control
de congestión (Protocolos TCP, UDP,
RTCP)
5
Aplicación
Aplicaciones de usuario (correo
electrónico, transferencia de archivos,
web, voz/IP, etc)
Comparación OSI y TCP/IP
Conceptos de direccionamiento
Transición IPv4 a IPv6
La
versión actual del protocolo IP es la IPv4
Características
de IPv4:
Direcciones de 32 bits
Los usuarios son fijos
Un solo tipo de servicio (Best Effort)
Problema principal de IPv4: Agotamiento de las direcciones
Estamos en una transición hacia una nueva versión de IP: IPv6
IPv6 tiene 128 bits de direcciones, soporta varios tipos de servicios,
mejora la seguridad y la movilidad
Uso de IPv6: Internet de las cosas
Estándares en redes industriales






Modbus es un estándar de facto posicionado en los últimos 15
años.
Ha habido controversia por la necesidad de buses de campo
que interconecten instrumentos de medición, plc,
computadores de escritorio. Han aparecido estándares como
profibus, ASi, Device net y Foundation Field bus.
También se utilizan rs-232c y rs-485
Ahora se esta utilizando ethernet. Antes no se hacia por su
aleatoriedad en el acceso y la posible perdida de datos (por
csma/cd)
Ahora,con el uso de switches,es mas confiable este sistema
El uso de ethernet implica el uso de la arquitectura tcp/ip
Estándares en redes Industriales
Necesidad de Buses de campo
Evolución de los buses de campo