RT ISA Ethernet Industrial

ETHERNET
INDUSTRIAL
Javier Sánchez Lobón
HIRSCHMANN AUTOMATION AND
CONTROL
Estándares
Certificaciones
Formació n
Publicaciones
Conferencias
• ÍNDICE:
–
–
–
–
–
¿Qué es Ethernet ?
Modelo Osi
Hardware
Topologías: arquitecturas tolerantes a fallos
Redes Virtuales: VLANs
– Multicast
– Gestión de red: SNMP y OPC
– Protocolos industriales: Profinet, Ethernet -IP, Modbus-TCP…
2
1
¿Qué es Ethernet?
Estándares
Certificaciones
Formació n
Publicaciones
Conferencias
¿Qué es Ethernet?
• Ethernet es un sistema para transmitir información
entre dos o más dispositivos empleando un medio
compartido.
• Especifica el medio utilizado, la señal que se utiliza
y la forma que la información debe tener.
• Desarrollada por Digital, Intel y Xerox en los 70’s.
Ethernet se convirtió en estándar del IEEE en
1985.
• La inmensa mayoría de las LAN se basan en
Ethernet.
4
2
Evolución Ethernet – Ancho de banda
1000 Mbps
IEEE 802.3c
1BASE5
StarLAN
standard
100 Mbps
10 Mbps
ALOHA
network runs
in Hawaii
1 Mbps
Bob Metcalf
invents
Ethernet at
PARC
IEEE 802.3
10BASE2
standard
DIX Ethernet
v2.0
specification
IEEE 802.3z
1000BASE-T
standard
IEEE 802.3i
10BASE-T
standard
0.1 Mbps
IEEE 802.3
10BASE5
standard
1998
1993
1988
1978
1973
1968
0.01 Mbps
IEEE 802.3
100BASE-T
standard
10-gigabit Ethernet (XGbE o 10GbE) es el más reciente (año
2006) y más rápido de los estándares Ethernet
5
Modelo OSI
Estándares
Certificaciones
Formació n
Publicaciones
Conferencias
3
¿Qué es Ethernet?. Modelo OSI.
7
Application
7
Application
6
Presentation
6
Presentation
5
Session
5
Session
4
Transport
4
Transport
3
Network
3
Network
2
Data Link
2
Data Link
1
Physical
1
Physical
Comunicaci ón
Virtual
Agrupadas en una en el
Modelo TCP/IP
Comunicaci ón
Virtual
7
¿Qué es Ethernet?. Modelo OSI. Físico
•
Resposable de las señales, la información de más bajo nivel.
•
•
Convierte los bits en señales Ópticas/Eléctricas
Es la parte que más problemas causa en la operación de red
Conversor de Medio
Transceiver
Hub
Physical
7
Application
6
Presentation
5
Session
4
Transport
3
Network
2
Data Link
1
8
4
¿Qué es Ethernet?. Modelo OSI. Enlace
• Se encarga de el validar los trenes de pulsos recibidos
(Tramas), de identificar y filtrarlos por destino , CRC y
control de acceso al medio.
• Maneja Tramas, las unidades mínimas de información
en Ethernet.
Switches
Data Link
7
Application
6
Presentation
5
Session
4
Transport
3
Network
2
1
Physical
9
¿Qué es Ethernet?. Modelo OSI. Red
• Maneja conjuntos de tramas (paquetes) y se encarga de
que sigan el camino adecuado al atravesar redes.
• Búsqueda de la mejor ruta y conversión de direcciones.
Routers
Network
7
Application
6
Presentation
5
Session
4
Transport
3
2
Data Link
1
Physical
10
5
¿Qué es Ethernet?. Capas 1 y 2
• La capa 2 (Enlace) esta dividida en dos subcapas
11
¿Qué es Ethernet?. Ejemplo OSI.
Uni-Telway
7
Uni-Te
FipIO/FipWay
Uni-Te
EthWay
Uni-Te
ModBus/TCP
ModBus
6
5
4
TCP
3
X-Way
X-Way
X-Way
IP
2
Uni-Telway
WorldFip
802.3
802.3
1
RS-485 19,2Kbps
WorldFip 1Mbps
802.3 10Mbps
802.3
12
6
Hardware
Estándares
Certificaciones
Formació n
Publicaciones
Conferencias
Hardware Industrial
Entorno Industrial
Automatización en Fábrica
Oficina
Automatización en Oficina
Voltaje
24V DC
Instalación
Carri DIN 19"
Montaje en pared
Temperatura
0°C - 60°C
-20°C - 75°C
5°C - 40°C
Vibración/Impacto
durante Funcionamiento
2 g / 15 g
-
Sistema de Refrigeración
Conveccion natural
115V AC / 230V AC
Módulo de sobremesa
Montaje en Pared, Rack 19"
Ventilador
Tipo de Protección
IP20 / IP30 / IP67
IP20 / IP30
Resistencia
Polvo, Aceite, Disolventes, etc.
Polvo
Approvaciones
EN60950 (Seguridad)
EN50081-2 (EMC, Industria)
EN50082-2 (EMC, Industria)
EN60950 (Seguridad)
EN50081-1 (EMC, Oficina)
EN50082-1 (EMC, Oficina)
> 30 seg aceptable
Tiempo de reconfiguración
< 0.5 seg
Operatividad
> 7 Años
> 3 Años
Disponibilidad
15 Años (Repuestos)
4 Años (Repuestos)
14
7
Hardware Ethernet. Conversores de medio
•
•
•
•
Conversión del nivel físico. Transparentes
Half / Full Duplex
Se utilizan para aumentar distancias de alcance
Capa 1
15
Hardware Ethernet. Hubs o repetidores
•
Conecta varios equipos a un punto común. Entorno de colisión
•
•
•
Half Duplex only
Repite eléctrica u ópticamente todo lo que recibe
Capa 1
B
A
C
D
16
8
Hardware Ethernet. Switches
•
Cada enlace es un entorno de colisión. Definen dominios de difusión
•
•
Half / Full Duplex
Capa 2
B
A
C
D
17
Hardware Ethernet. Routers o
encaminadores
• Cada puerto puede ser una red diferente
• Enlazan dominios de difusión
• Capa 3
18
9
TOPOLOGÍAS
Estándares
Certificaciones
Formació n
Publicaciones
Conferencias
ARQUITECTURA EN BUS
ER-14
ER-18
ER-15
ER-16
ER-13
ER-17
cc
ER-04
ER-03
ER-07
ER-05
ER-06
ER-11
ER-09
ER-08
ER-10
ER-12
2 unid. RS2 4TX/FX
100 BASE FX. Fibra Multimodo
15 unid. RS2 3TX/2FX
20
10
ARQUITECTURA EN ESTRELLA/ÁRBOL
ER-14
ER-18
ER-15
ER-16
ER-13
ER-17
cc
ER-03
ER-04
ER-07
ER-05
ER-06
ER-11
ER-09
ER-08
ER-10
ER-12
4unid. RS2 4TX/FX (ER14,15,16,18)
100 BASE FX. Fibra Multimodo
12 unid. RS2 3TX/2FX
21
ARQUITECTURA EN ANILLO HIPER-RING ó MRP
ER-14
ER-18
ER-16
ER-13
ER-15
ER-07
ER-03
ER-08
ER-05
ER-17
cc
ER-09
ER-04
ER-06
ER-11
ER-12
ER-10
1000 BASE LH+. Fibra Monomodo
22
11
SOLUCIÓN OFIMÁTICA ESTÁNDAR SPANNING TREE
•
•
•
•
•
Se eliminan los Bucles de forma autom ática
Los enlaces redundantes se quedan “dormidos“ a la espera de rotura de otros
Mensajería de control de redundancia
Lento, apropiado para redes ofimáticas
Tamaño de red peque ño
23
DOBLE ACOPLAMIENTO
ER-18
ER-17
ER-10
ER-09
ER-11
ER-12
C.C.
24
12
ACOPLAMIENTO ENTRE ANILLOS
ER-13
ER-14
ER-12
ER-09
ER-11
25
ENLACE AÑADIDO
Dos modos de funcionamiento:
Estático: Manualmente se definen los puertos que
pertenecen al enlace.
•Dinámico: Mediante LACP (link Aggregation Control
Protocol) se configuran automáticamente los puertos
asociados al enlace dinámico.
26
13
VRRP. ENRUTAMIENTO REDUNDANTE
27
Redes Virtuales: VLAN
Estándares
Certificaciones
Formació n
Publicaciones
Conferencias
14
Redes Compartidas. Dominios de Colisión
• Tan solo un equipo final puede
transmitir a la vez
- Mal rendimiento
- Pérdida de ancho de banda
• Las tramas defectuosas son
retransmitidas
Shared Media
LAN
• Dimensiones limitadas
29
Solución: Redes Conmutadas
• Todos hablan a la vez
– Mejor rendimiento
– Menor tiempo de respuesta
• Los errores no son difundidos
• Enlaces redundantes
Switched
LAN
• Puede crecer con facilidad
30
15
Redes Conmutadas. Problema è Broadcast
Ethernet D:
Datos_D=25%
Broadcast _D=3%
Switch
Ethernet B:
Datos_B=35%
Broadcast_B=4%
B
A
D
C
Ethernet C:
Datos_C=45%
Broadcast _C=5%
Ancho de banda de la red :
è 4 x 10 Mbit/s = 40 Mbit/s
Carga media por enlace:
è 120 / 4= 30%
Ancho de banda ocupado por broadcast:
Ethernet A:
Datos_A=15%
Broadcast _A=2%
è 14 %
31
Redes Conmutadas. Broadcast. Efecto en CPU
CPU %
80
SPARC 2
SPARC 5
Pentium 120MHz
70
60
50
40
30
20
10
0
100
1000
3000
Broadcast/sec
32
16
Redes Conmutadas. VLANs
•
•
•
•
•
•
Definido en estándar: 802.1Q. Compatibilidad
Aislamiento del tráfico entre redes virtuales
Manejado por switches, no por routers
Aislamiento de problemas en VLANs
Fácil de configurar
Menores costes que los routers
33
Redes Conmutadas. VLANs (Basadas en Puerto)
VLAN 2
VL
AN
1
Port3
Port2
VLAN
1
Port4
AN
VL
3
Switch
Port1
Port5
Port8
AN
VL
3
VLAN 3
Port6
Port7
VL
AN
3
VLAN 2
34
17
Multicast
Estándares
Certificaciones
Formació n
Publicaciones
Conferencias
Multicast. Comunicaciones 1 a varios
• Sistemas de control:
– Arquitecturas productor-consumidor, marter-slave…
– Módulos I/O
• Video sobre IP
– Automatización de Procesos y Fábricas: Videovigilancia de
fábricas, centrales eléctricas, centrales nucleares, plantas
solares, parques eólicos…
– Automatización del transporte: Autopistas, túneles, peajes,
puntos de acceso…
36
18
Multicast. Tipos de direcciones IP
•
Unicast – Destinatario único
•
Broadcast – Destinado a todos
•
Multicast – Destinado a unos pocos
37
Multicast. ¿Por qué preocuparse por el Multicast?
•
•
•
Las direcciones Multicast son siempre de destino, nunca de origen
Los switches/routers jamás aprenderán dichas direcciones
Dentro de cada VLAN llegarán a todos los equipos finales
T
R
R
VLAN 1
VLAN 2
T
38
19
Multicast. IGMP Snooping
•
Permite a un switch (capa 2) “cotillear” un protocolo de capa 3
•
“Cotillea” todos los paquetes IGMP Report/Query/Leave que pasan
por él
•
Así aprende (L2) qué dispositivo se apunta a qué grupo
•
¡REQUIERE DE UN EQUIPO QUE ACTÚE COMO QUERIER!
Snooping ON
Querier
X
Snooping ON
Query
Grupo 1
Query
Port
Snooping ON
Query
Port
Repuesta
Query
39
Gestión de redes:
SNMP y OPC
Estándares
Certificaciones
Formació n
Publicaciones
Conferencias
20
Funcionalidades de la Gestión de Redes
Gestión de la Seguridad
Gestión de Prestaciones
Gestión de Fallos
Gestión de la Configuración
41
¿Se puede medir el rendimiento de mi red?
SI, si la red incorpora switches gestionables que soporten
Monitorización Remota (RMON)
42
21
Herramientas de Gestión. Software de
Gestión de Redes - SNMP
Gestor
MIB
NMS
SAI
MIB
AGENTE
AGENTE
Equipo Terminal
Router
AGENTE
MIB
MIB
MP
SN
AGENTE
Switch
NMS – Estación de Gestión de Red, MIB – Base de Información de Gestión, SNMP – Protocolo Simple de Gestión de Redes,
SAI – Sistema de Alimentación Interrumpida
¿Qué es un software de Gestión de Redes?
• El sofware de
Gestión puede:
•
Reclamar a los Agentes de Red
información en tiempo-real del estado de
la red.
•
Ajustar valores en los Agentes de Red.
•
Proporcionar un interface gráfico al
usuario de la red, mostrando alarmas de
red, arquitectura de la red, etc.
44
22
Tecnología actual – Distintos „Cuadros de Instrumentos“
Gestión de Red
Historian
GUI
Supervisión de Planta
Alarm Log
Historian
Base de datos de Gestión
GUI
Alarmas
Base de datos HMI
SNMP / RMON Communications Drivers
PLC Communication Driver
NIC
NIC
Componentes Ethernet
Componentes de Control de Planta
45
OPC. Solución para Redes Ethernet industrial
Supervisión de Planta
OPC incorpora indicadores del
estado de la red Ethernet en
tiempo real y de administración
en el entorno de un HMI
Histórico
Esto permite el control de los
datos del sistema desde un
único “tablero de instrumentos”.
GUI
ALarmas
HMI Base de datos
OPC
PLC Driver
NIC
Ethernet Components
Plant Control Components
46
23
Protocolos Industriales
Estándares
Certificaciones
Formació n
Publicaciones
Conferencias
Perfiles Industriales
Perfiles Industriales = Protocolos Industriales
• PROFINET , EtherNet/IP, Modbus/TCP…
Propósito:
- Herramienta de SW familiar para los dispositivos de automatización
(RSLOGIX, STEP 7..)
- Mismo metodo para asignar direcciones IP
- Recoger datos directamente desde el switch
- Reducir esfuerzos para formación
- El switch pasa a formar parte de la aplicación como un PLC o un
sensor
48
24
Protocolos Industriales
•
•
•
•
Status de dispositivo
Status de enlace por puertos
Accesos no autorizados por puerto
…..
• Startup
• configuración
• ….
49
En resumen
Declaración de independencia Hirschmann
PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP,…
mismos switches, solo diferente software
Otros Perfiles
Industriales
Sin coste adicional
Posibilidad de carga a posteriori
Standard ßà profiles
Posibilidad de cambio
PROFINET ßà EtherNet/IP
Posible con equipos OpenRail
Compactos y modulares
50
25