Localización de Industrial Ethernet

Industrial Ethernet
Comunicaciones Industriales
Índice
TEMA – Industrial Ethernet
1. – Introducción
1.1 – Localización dentro de las Redes de Comunicaciones Industriales
1.2 – Características Principales
2. – Topologías de Red, Medios de Transmisión y Componentes del Bus
3. – Acceso al Medio
4. – Protocolo de Transporte
5. – Arquitecturas de la Red
6. – Formatos de las Tramas
7. – Servicios de la SEND/RECEIVE
7.1 – Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN
7.2 – Servicio de LECTURA
7.3 – Servicio de ESCRITURA
7.4 – Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN de Datos Expéditos
7.5 – Tipos de Datos
8. – Elementos Simatic: Procesadores de Comunicación
9. – Conclusiones y Mejoras
Localización de Industrial Ethernet
Nivel superior
Workstation, PC
Nivel de célula
DCS, PLC, PC
Nivel de
campo
Nivel
actuador
sensor
Localización de Industrial Ethernet
DCS, PLC, PC
Accionamientos
Válvulas
Actuadores
Sensores
Sistema de Automatización Integral
SIMATIC PG
SIMATIC PC
SIMATIC HMI
SIEMENS
S IM A T IC O P 17
PG 740
K1
K2
K3
K4
K 5
K6
K7
K 8
K1
K12
K 13
K1 4
K 1 5
K16
H EL P
S HI FT
K 10
K9
ES C
7
8
D
4
E
5
A
1
9
A C K
F
6
B
2
0
.
C
3
S
H IF T
I NS
H EL P
E N T ER
D E L
MPI - Network
SIMATIC NET
Industrial Ethernet
PROFIBUS
Controladores
SIMATIC
SIEMENS
SF
RUN
STOP
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
CPU 212
Q0.5
I0.6
I0.7
SIMATIC
S7-200
PROFIBUS-DP
SIMATIC DP
FM
SV
ASI
¿Dónde se emplea la Industrial Ethernet?
Ö Grandes cantidades de datos: Intercambio de grandes
cantidades de datos (en el entorno de Megabytes)
Ö Grandes distancias: Hasta 4,3 Km.
Ö Múltiples tipos de dispositivos: Comunicación entre
aparatos de ingeniería, ordenadores y dispositivos de control
Ö Múltiples tipos de comunicaciones: Permite una
interconexión entre la oficina técnica y el mundo de la
automatización
Panorámica
Ö Red que cumple con los estándares internacionales (IEEE
802.3) válida para todos los campos en la automatización de la
producción
Ö Procedimiento de acceso CSMA/CD según IEEE 802.3
(Ethernet)
Ö Velocidad de transmisión 10/100 Mbit/s
Ö Número máximo de participantes 1.024
Ö Desde hace mas de 10 años es el estándar para redes de célula
en el mundo
Ö Diferentes medios de transmisión (eléctrico y óptico)
Ö Componentes para estructurar y segmentar la red
(repetidores/concentradores de estrella activos, puentes/switch,
router)
Ventajas que Ofrece Industrial Ethernet
Ö Red de fábrica de gran potencia para el nivel de célula
Altas prestaciones aún en el caso de existir muchos participantes y grandes
distancias
Ö Amplia superficie de cobertura y alcanza grandes distancias
Mediante la combinación de las técnicas eléctrica y óptica
Ö Transferencia de datos segura
Aún en el caso de la existencia de perturbaciones electromagnéticas mediante
componentes idóneos para la industria
Ö Ahorro de costes
Mediante una disminución de los costes de montaje y cableado
Ö Líder universal dentro de las redes industriales
Ethernet Industrial ha mostrado su eficacia en miles de instalaciones
Ö Coexiste con otras aplicaciones Ethernet
Por ejemplo: Novell, LAN-Manager, TCP/IP...
Funciones Adicionales que Ofrece Industrial Ethernet
Alta disponibilidad
(Concepto de redundancia)
Testeo y
diagnosis
Acceso al mundo del
PC y de las WS
Gran inmunidad
a EMV
Programación a
distancia
Robusta
mecánicamente
Administración de la red
(SNMP)
Problemas de Ethernet para la industria
Ö Sistema no determinístico
Ö Ambiente industrial
9 Golpes y vibraciones
9 Temperatura
9 Ambientes Corrosivos
9 Etc.
• Solución al indeterminismo:
– Switching
– Priority Switching
(IEEE 802.1d)
Datos Técnicos
Estándar
Ethernet según IEEE 802.3/ISO 8802.3
Modo de acceso
CSMA/CD (carrier sense multiple
access/collision detection)
Velocidad de trans.
10/100 MBit/seg.
Medio de transmisión
Eléctrico:
Optico:
Cable triaxial
Par trenzado Industrial
Fibra óptica
Máx. nº participantes
1.024
Distancia de red
Eléctrica:
Óptica:
Topología
Lineal, árbol, estrella, anillo redundante
Aplicaciones
Redes de célula y de gestión
máx. aprox. 1,5 Km
máx. aprox. 4,3 Km
Topologías de Red
ÖRedes eléctricas: cable de par
trenzado (TP)
9 Cable de 4 hilos trenzados por pares
9 Especialmente seguro ante interferencias (doble apantallamiento)
9 Costes favorables en el cableado
9 Estructuras en estrella y lineales
ÖRedes ópticas: Cable de fibra
óptica
9 Estructuras en lineales, en estrella o en anillo con elevados alcances
9 No existe la posibilidad de interferencias debidas a perturbaciones
EMV
9 Alta disponibilidad mediante arquitecturas redundantes (anillos)
Medio de Transmisión: Par Trenzado
‰ Cableado Par Trenzado
‰
Par trenzado conforme a IEC
11801/61156
‰
Versión híbrida (datos+energía)
‰
Máxima long. del cable 100 m
‰
Conector IP20 – RJ45 diseñado
para entorno de oficina
‰
Conector IP65 – M12 –
Compatible con IP20
Medio de Transmisión: Fibra Óptica
Cable de fibra óptica
‰ Red óptica
Cable Fibra Optica
‰
Cables de fibra óptica de
vidrio conforme a IEC
60793 / 60794
‰
Cables de fibra óptica de
plástico
‰
Conector de bayoneta y de
inserción-extracción
‰
Separación de potencial
‰
Inmune a interferencias
electromagnéticas
‰
Seguro ante escuchas
‰
Grandes distancias
(Multimodo: 4,5 km;
Monomodo: 42 km)
‰
Diseño de redes redundantes
Componentes del Bus: Conmutadores
Ö Scalance X005
9 switch no gestionado
9 Diagnóstico en el dispositivo
Ö Scalance X-200
9 Utilización en un anillo redundante
9 Gestión de redes y diagnóstico
9 Integración en la ingeniería existente
Ö Scalance X-400
9 Sistema modular
9 Acoplamiento redundante de anillos Gigabit
9 Integración en redes corporativas
Protocolo de Transporte, TCP ó ISO
TCP/IP
ISO
Estándar de-facto
optimizado para la transferencia
de grandes cantidades de datos
p.e. ficheros o recetas
Norma ISO 8073 (Clase 4)
optimizado para la
transferencia de variables
p.e. servicio y observación
Protocolos de Usuario para Industrial Ethernet
PC/PG
PC/PG
PC/PG
Ethernet
Industrial
SIMATIC S5
SIMATIC S5
TCP/IP Nativo
SIMATIC S7
SEND/RECEIVE
SIMATIC S7
Comunicaciones S7
Pila de Protocolos para Industrial Ethernet
Símbolo
Protocolo
Descripción
A, E
Comunicaciones S7
Interfaz de usuario uniforme para TCP/IP (A) e ISO (E)
empleando funciones S7
B, D
Comunicación compatible S5
(Send/Receive)
C
TCP/IP nativo
Servicios de comunicación basados en el interfaz de
transporte ISO para intercambio de datos con dispositivos
S5 y S7. Con TCP/IP, es necesario un adaptador (RFC
1006). Esto hace un interfaz uniforme send/receive para
TCP/IP (B) e ISO (D).
Servicios de comunicación simple basados en TCP/IP (C)
para intercambio de datos con dispositivos con TCP/IP.
Protocolos y Dispositivos para SIMATIC NET Industrial Ethernet
Protocol
Description
Typical Siemens Partner
Device
CP 1613
CP 343-1
CP 443-1
S7 Communication
Integrated and optimized
communications functionality
of the SIMATIC S7/C7
systems for a wide range of
applications (TCP/IP with RFC
1006 or ISO).
S5-compatible communication
(Send/Receive)
Communication services based
on the transport protocol
(TCP/IP with RFC 1006 or
ISO) for data exchange with
S5 and S7 devices.
CP 1613
CP 343-1
CP 443-1
TCP/IP native
Simple communication
services based on TCP/IP for
data exchange with any device
that supports the TCP/IP
protocol.
Any PC Ethernet adapter
CP 1613
CP 443-1
Formatos de las Tramas
CAMPOS INICIALES
6 bytes
6 bytes
2 bytes
1 byte
1 byte
DIRECCIÓN
ETHERNET
DESTINO
DIRECCIÓN
ETHERNET
FUENTE
LONGITUD
LSAP
DESTINO
LSAP
FUENTE
variable
variable
variable
FE
FE
2 byte
CONTROL
03
00
TPDU´s de Transporte
Ö Petición de conexión (CR)
Ö Confirmación de la conexión (CC)
Ö Reconocimiento (AK)
Ö Datos (DT)
Ö Petición de desconexión (DR)
Ö Confirmación de la desconexión (DC)
Ö Datos expeditos (ED)
Ö Reconocimiento de datos expeditos (EA)
Servicios SEND/RECEIVE
ÖServicios
Confirmados
ÖServicios no
Confirmados
9 Envío/ Recepción
9 Datagrama
9 Lectura
9 Multicast
9 Escritura
9 Broadcast
Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN
API 2
API 1
1.
Envío de datos desde el API 1
al API 2
DT con sólo datos
2.
Envío de “1”, si se transmiten
datos con diferente secuencia
( lazo de repetición )
3.
Envío de datos finales
DT con sólo datos y última
Servicio de LECTURA (I)
API 2
API 1
1.
Solicitud de datos desde el API 1
al API 2
DT con cabecera REQ S5 (DB, MB, T, Z, etc)
2.
Reconocimiento negativo con
número de error
DT con cabecera ACK S5, con código de error
Reconocimiento positivo
3.
Recepción de los datos solicitados
4.
Recepción del 3, si se transmiten
datos con diferente secuencia
5.
Recepción de datos finales
DT con cabecera ACK S5 sin error + datos
DT con sólo datos
( lazo de repetición )
DT con sólo datos y última
Servicio de LECTURA (II)
PLC1
CP 1
INA 1
CABLE
INA 2
CP 2
OPEN
RETURN
CON. REQU
CON. AWAIT
CONNEC. REQUEST
Ritmo aproximado
de 1seg.
CONNEC. CONFIRM
RETURN
ACK, sin crédito 2
RECEIVE
ACK, sin crédito 1
buffer 16 by
ACK, con crédito 2
Enable
FETCH-HDB RETURN
PLC 2
OPEN
RETURN
fase de
conexión
indicate
connection
established
ACK, sin crédito 1
fase de
mantenimiento
ACK, sin crédito 1
ACK, con crédito 2
Servicio de LECTURA (III)
PLC1
CP 1
FETCH DIR
Parámetros
fuente+destino
INA 1
RECEIVE
RETURN
PDU solici. READ
con paráme. fuente
palabra
de estado
RESET
glag de estado
CP 2
RETURN
ACK, sin crédito 2
PLC 2
flag del
SEND ALL
SEND ALL
ACK, con crédito 1
fase de
intercambio
de datos
Datos
SEND
PDU reconocimiento
READ mas datos
ACK, sin crédito 1
RECEIVE ALL
Datos
INA 2
ACK, con crédito 2
SEND
RETURN
flag del
RECEIVE ALL
CABLE
RETURN
Datos
CLOSE
DISCONNECT
REQUEST
RETURN
DISCONNECT
CONFIRM
fase de
desconexión
Cabeceras de solicitud y reconocimiento de LECTURA
Solicitud
Byte
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
Reconocimiento
Significado
Identificador del sistema
Identificador del sistema
Longitud de la cabecera
Identificador código
operación
Longitud código
operación
Código de operación
Bloque origen
Longitud del bloque de
origen
Identificador del origen
Número del bloque de
datos
Dirección de comienzo.
Parte alta
Dirección de comienzo.
Parte baja
Longitud de datos. Parte
alta
Longitud de datos. Parte
baja
Campo vacío
Longitud del campo
vacío
Valor
"S"
"5"
16
01
03
05
03
08
variable
variable
variable
Significado
Identificador del sistema
Identificador del sistema
Longitud de la cabecera
Identificador código
operación
Longitud código
operación
Código de operación
Bloque reconocimiento
Longitud del bloque de
reconocimiento
Número de error
Campo vacío
variable
Longitud del campo
vacío
Libre
variable
Libre
variable
Libre
FF
02
10
Valor
"S"
"5"
16
01
03
06
0F
03
Nr
FF
07
Libre
Libre
A partir de esta
dirección datos de
usuario hasta 64 bytes
Tipos de Datos (I)
Área S5
Identificador
origen
Descripción
DBNR
Rango
Dirección
de
comienzo
Rango
Longitud
Rango
DB
01H
MB
02H
EB
03H
AB
04H
PB
05H
Z
06H
Zona de
Zona de
Zona de
Zona de
Zona de
Zona de
marcas
imagen de imagen de periferia contadores
datos
salidas
entradas
(DB)
Número Irrelevante Irrelevante Irrelevante Irrelevante Irrelevante
del DB
1.... 255
Byte de Número de
Byte de
Byte de
Número de Byte de
contador
periferia
salidas
entradas
marcas
DW
1... 2047
Cantidad
de datos
en DW
0.... 255
Cantidad
de datos
en bytes
0....127
Cantidad
de datos
en bytes
0.... 127
Cantidad
de datos
en bytes
0....127
Cantidad
de datos
en bytes
0.... 255
Cantidad
de datos
en DW
1.... 2048
1.... 256
1...128
1...128
1... 256
1....256
Tipos de Datos (II)
Área S5
Identificador
origen
Descripción
DBNR
Rango
Dirección
de
comienzo
Rango
Longitud
Rango
T
07H
RS
08H
AS
09H
Zona de
temporizadores
Zona de
datos del
sistema
Direcciones
absolutas
de
memoria
Irrelevante Irrelevante Irrelevante
DX
0AH
DE
10H
OB
11H
En DB
extendido
En un DB
en
memoria
externa
Zona de
módulos
de E/S
externa
Número
Número Irrelevante
del DX
del DB
1.... 255
1.... 255
Número de Número de Dirección Número de Número de Número de
temporiza- DW del
absoluta
DW
DW
byte de
dor
sistema
de
periferia
comienzo
1... 255
0.... 511
0....FFFF 1... 2047
0.....255
0.... 511
Cantidad Cantidad Cantidad Cantidad Cantidad Cantidad
de datos
de datos
de datos
de datos
de datos
de datos
en DW
en bytes
en DW
en DW
en DW
en bytes
1.... 256
1....128
1...32767
1...2048
1... 2048
1....256
Servicio de ESCRITURA
API 2
API 1
1.
Envío de datos desde el API 1
al API 2
DT con cabecera REQ S5 (DB, MB, etc)+datos
2.
Reconocimiento negativo con
número de error
DT con cabecera ACK S5, con código de error
3.
Envío de datos
4.
Envío del 3, si se transmiten
datos con diferente secuencia
5.
Envío de datos finales
6.
Reconocimiento positivo
DT con sólo datos
( lazo de repetición )
DT con sólo datos y última
DT con cabecera ACK S5 sin error
Cabeceras de Solicitud y Reconocimiento de ESCRITURA
Solicitud
Byte
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
10
Reconocimiento
Significado
Identificador del sistema
Identificador del sistema
Longitud de la cabecera
Identificador código
operación
Longitud código
operación
Código de operación
Bloque origen
Longitud del bloque de
origen
Identificador del origen
Número del bloque de
datos
Dirección de comienzo.
Parte alta
Dirección de comienzo.
Parte baja
Longitud de datos. Parte
alta
Longitud de datos. Parte
baja
Campo vacío
Longitud del campo
vacío
A partir de esta
dirección datos de
usuario de hasta 64 bytes
Valor
"S"
"5"
16
01
03
03
03
08
variable
variable
variable
Significado
Identificador del sistema
Identificador del sistema
Longitud de la cabecera
Identificador código
operación
Longitud código
operación
Código de operación
Bloque reconocimiento
Longitud del bloque de
reconocimiento
Número de error
Campo vacío
variable
Longitud del campo
vacío
Libre
variable
Libre
variable
Libre
FF
02
Libre
Libre
Valor
"S"
"5"
16
01
03
04
0F
03
Nr
FF
07
Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN de Datos Expéditos
API 2
API 1
1.
Envío de datos desde el API 1
al API 2
ED con sólo datos
SIMATIC S7: CP 343-1 Advanced
Ö Formato:
Formato S7-300, doble ancho
Ö Protocolo:
SEND-RECEIVE, funciones S7, PROFInet, IT
Ö Interfase:
TP (par trenzado)
Ö Parametriz.:
S7 para Ethernet Industrial
Ö Conectable a: S7-300
SIMATIC S7: CP 443-1 Advanced
Ö Formato:
Ö Protocolo:
Ö Interfase:
Ö Parametriz.:
Ö Conectable a:
Formato S7-400
SEND-RECEIVE, funciones S7, PROFInet, IT
TP (par trenzado)
Switch de 4 puertos
S7 para Ethernet Industrial
S7-400
PC/PG: SIMATIC NET CP 1613 A2
Ö Formato:
Formato corto, PCI
Ö Protocolo:
Protocolos de transporte ISO y TCP/IP
integrados. Servicios de comunicación a
través de comunicación PG/OP, S7 o
comunicación compatible S5
(SEND/RECEIVE).
Ö Conexiones: Hasta 80
Ö Sist. Operat: Windows XP, Linux
Ö Particularid.: Microprocesador integrado
OPC como interfaz estándar
Conclusiones y Mejoras
Ö Conclusiones
9 Rápida implementación y actualización de las nuevas tecnologías
9 Evolución rápida y constante de las tecnologías que las soportan
9 Fácilmente conectable a otros sistemas existentes de la empresa
9 Bajo coste de propiedad, escasa dependencia de una única casa
Ö Mejoras sobre Ethernet
9 Diciembre 1996
IEEE 802.12d
Enlaces Redundantes
9 Enero 1997
IEEE 802.3x
Full Duplex
9 Enero 1998
IEEE 802.3z
Gigabit Ethernet
9 Septiembre 1998
IEEE 802.1p
Priorización de mensajes