DEPARTAMENTO DE ELÉCTRICA, ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES REDES INDUSTRIALES NRC: 3775 Ing. Edwin Aguilar Profibus_Profinet GRUPO No. 3 Jonathan Benites Lid Paola Cadena Sebastian Pasaca Daniel Sani Mauricio Simbaña Cristhian Terán Sangolquí, 16 de enero de 2020 ¿Qué es PROFIBUS? PROFIBUS es un estándar de red de campo abierto e independiente de proveedores, donde la interfaz de ellos permite amplia aplicación en procesos, fabricación y automatización predial. Este estándar es garantizado según los estándares EN 50170 y EN 50254. Desde enero de 2000, el PROFIBUS está fuertemente establecido con el IEC 61158, al lado de siete otros fieldbuses. El IEC 61158 se divide en siete partes, de números 61158-1 a 61158-6, con las especificaciones del modelo OSI. Esa versión, que fue ampliada, incluyó el DPV-2. Figura 1 – Comunicación Industrial Profibus. La arquitectura del PROFIBUS se divide en tres tipos principales: PROFIBUS DP Esta es la solución de alta velocidad del PROFIBUS. Su desarrollo fue perfeccionado principalmente para comunicación entre los sistemas de automatización y los equipos descentralizados. Es aplicable en los sistemas de control, donde se destaca el acceso a los dispositivos distribuidos de I/O. Es utilizado en sustitución a los sistemas convencionales 4 a 20 mA, HART o en transmisiones de 23 Volts, en medio físico RS-485 o fibra óptica. Requiere menos de 2 ms para transmitir 1 kbyte de entrada y salida y es muy usado en controles con tiempo crítico. Figura 2 – Versiones de Profibus PROFIBUS-FMS El PROFIBUS-FMS brinda al usuario amplia selección de funciones cuando comparado con otras variedades. Es la solución estándar de comunicación universal usada para solucionar tareas complejas de comunicación entre CLPs y DCSs. Esa variedad soporta la comunicación entre sistemas de automatización, además del cambio de datos entre equipos inteligentes, y es usada, en general, a nivel de control. Debido a su función primaria establecer la comunicación maestro-a-maestro (peer-to-peer) viene siendo reemplazada por aplicaciones en la Ethernet. PROFIBUS-PA Profibus es un estándar de comunicaciones para buses de campo. El protocolo derivado PA, derivado de Process Automation, es un subconjunto de este estándar, orientado a las comunicaciones de instrumentos de proceso. Es decir, equipos que transmiten señales análogas como presión, temperatura, y otros. Profibus PA tiene entre otras las siguientes características: • • • • Velocidad fija: 31.25 Kbps Estándar: IEC 61158-2. Define capa física y definición de servicios. Provee seguridad intrínseca, y alimentación a través del mismo bus de comunicaciones. MBP (Manchester Coding y Bus Powered) Puede conectar hasta 32 dispositivos por segmento Profibus PA y Profibus DP son en esencia el mismo protocolo. Cambian el soporte físico y la velocidad. Por lo mismo la conexión entre ambas redes es muy simple. Si la velocidad de Profibus DP es muy cercana, basta un conversor de medios, y la conexión se hace en un modo "transparente". El maestro de la red DP ve directamente los nodos de la red PA, con sus mismas direcciones. Y la comunicación es directa. En este esquema, varios segmentos PA pueden conectarse a una red común Profibus DP, sumando un total de 126 nodos. En el caso de que se requiera un troncal Profibus DP de mayor velocidad (hasta 12 Mbps), la comunicación se realiza a través de una interfase DP/PA, que en el segmento PA hace las veces de maestro de la red, y en el segmento DP hace las veces de esclavo. Se comunica con los nodos PA y asignando direcciones en su memoria, para luego comunicarse con el maestro DP. Este esquema es menos directo, pero permite compartir el troncal de alta velocidad, con otro tipo de señales discretas que son conectadas en forma directa en la red. RS 485: EL MEDIO FÍSICO MÁS APLICADO DEL PROFIBUS La transmisión RS486 es la tecnología de transmisión más utilizada en el PROFIBUS, aunque la fibra óptica pueda usarse en largas distancias (más de 80 km). Características • • • • • • • • Transmisión asíncrona NRZ. Baud rates de 9.6 kBit/s a 12 Mbit/s, seleccionable. Par torcido con blindaje. 32 estaciones por sección, máx. 127 estaciones. Distancia según la tasa de transmisión (tabla 1). 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m. Distancia extensible hasta 10 km con el uso de repetidoras. Conector D-Sub de 9 Pinos. Figura 4 – Cableado y terminación de transmisión RS-485 en PROFIBUS. DIRECCIONAMIENTO EN LA RED PROFIBUS En cuanto a direccionamiento, se puede tener dos arquitecturas a tener en cuenta donde lo fundamental son la transparencia de los acopladores y la atribución de las direcciones a los dispositivos de enlace, según muestran las figuras 5 y 6. Figura 5 – Direccionamiento con acopladores Figura 6 – Direccionamiento con enlaces. TOPOLOGIA En términos de topología se puede tener las siguientes distribuciones: estrella (figura 7, barramiento o bus (figura 8) y punto a punto (figura 9). Figura 7 – Topologia de Estrella. Figura 8 – Topología Bus. Figura 9 – Topología Punto-a-Punto. INTEGRACIÓN CON SISTEMAS PROFIBUS Para integrarse un equipo en un sistema PROFIBUS basta usar el archivo GSD del equipo. Cada equipo tiene su archivo GSD (con hoja de datos electrónica), que es un archivo de texto con detalles de revisión de hardware y software, toma de tiempo del equipo e informaciones del cambio de datos cíclicos. Vea el ejemplo de la figura 10. Figura 10 – Archivo GSD para el Transmisor de Presión LD303. PROFINET ¿Qué es PROFINET? PROFINET es un mecanismo para intercambiar datos entre controladores y dispositivos. Los controladores pueden ser PLCs, DCSs o PACs (controladores lógicos programables, sistemas de control distribuido o controladores de automatización programables.). Los dispositivos pueden ser bloques de I/O, sistemas de visión, lectores RFID, drives, instrumentos de proceso, proxies, o incluso otros controladores. Rápido y determinista PROFINET intercambia datos de forma rápida y determinista. Las velocidades requeridas varían dependiendo de la aplicación; los instrumentos de proceso se actualizan en cientos de milisegundos, los dispositivos de fábrica proporcionan actualizaciones más rápidas (< 10 ms) y la sincronización del control de movimiento es aún más exigente. El determinismo significa que los mensajes llegan cuando se los requiere. Tenga en cuenta que los protocolos competidores no son tan rápidos o deterministas, o son redes cerradas o propietarias. Modbus TCP emplea TCP, por lo que requiere que se establezca una conexión virtual entre los dos dispositivos. Una vez establecida dicha conexión, los mensajes deben pasar a través del stack de protocolos TCP/IP. Ethernet/IP emplea el protocolo UDP, por lo que los mensajes deben pasar a través del stack de protocolos UDP/IP. El tiempo de pasaje a través del stack es variable, lo que va reduciendo el determinismo además de la pérdida de velocidad. EtherCAT es determinista, pero es una red cerrada y propietaria. Datos PROFINET PROFINET intercambia datos que incluyen información de calidad y gestión de activos. Se obtiene algo más que los datos, al saber que los datos son confiables. Por ejemplo, se puede saber si será necesario realizar mantenimiento sin esperar que algo se rompa (mantenimiento proactivo). PROFINET intercambia datos en una disposición predefinida. Puede organizar los datos de tal modo que todos los parámetros estén siempre en el mismo lugar. Esto permite efectuar cambios de proveedor en los dispositivos sin que se requiera ninguna interacción del usuario. Los instrumentos de proceso, drives, medidores de energía y muchos otros dispositivos comunes cuentan con los denominados perfiles de aplicación para lograr este nivel de interoperabilidad. Comunicación PROFINET PROFINET utiliza 3 servicios de comunicación: Standard TCP/IP: Este servicio se utiliza para funciones no deterministas, como parametrización, transmisiones de vídeo/audio y transferencia de datos a sistemas TI de nivel superior. Real Time: Las capas TCP/IP no son utilizadas para dar un rendimiento determinista a las aplicaciones de automatización, funcionando con unos tiempos de retardo en el rango 1-10ms. Este hecho representa una solución basada en software adecuada para aplicaciones típicas de E/S, incluyendo control de movimiento y requisitos de alto rendimiento. Figura 11 – Capas de real time. Isochronous Real Time: La priorización de señal y la conmutación programada proporcionan una sincronización de alta precisión para aplicaciones como el control de movimiento. Las velocidades de ciclo en rangos de sub-milisegundos son posibles, con jitter (variabilidad temporal durante el envío de señales digitales) en el rango de submicrosegundos. Figura 12 – Isochronous Real Time Existen varios protocolos definidos dentro del contexto PROFINET. Una lista de estos protocolos junto con su uso concreto es la siguiente: PROFINET/CBA: Protocolo asociado a las aplicaciones de automatización distribuida en entornos industriales. PROFINET/DCP: Descubrimiento y configuración básica. Es un protocolo basado en la capa de enlace, utilizado para configurar nombres de dispositivos y direcciones IP. Se restringe a una red y se usa principalmente en aplicaciones pequeñas o medianas que no disponen de un servidor DHCP. PROFINET/IO: A veces llamado PROFINET-RT (RealTime), es utilizado para comunicaciones con periferias descentralizadas. PROFINET/MRP: Protocolo utilizado para la redundancia de medios. Utiliza los principios básicos para la reestructuración de las redes en caso de sufrir un fallo cuando la red posee una topología en anillo. Este tipo de protocolo es utilizado en redes en las que la disponibilidad ha de ser máxima. PROFINET/MRRT: Su objetivo es dar soluciones a la redundancia de medios para PROFINET/RT. PROFINET/PTCP: Protocolo de Control de Precisión de Tiempo basado en la capa de enlace, para sincronizar señales de reloj/tiempo en varios PLC. PROFINET/RT: Transferencia de datos en tiempo real. PROFINET/IRT: Transferencia de datos isócrono en tiempo real. SEGURIDAD La accesibilidad proporcionada por PROFINET lo hace un protocolo muy expuesto a Internet, por lo que es necesario mejorar la ciberseguridad de las redes en las que se despliega. Algunas de las buenas prácticas para asegurar entornos industriales que usan PROFINET aparecen reflejadas en el documento “PROFINET Security Guideline” publicado por PROFIBUS Internacional o en el documento de “Protocolos y seguridad de red en infraestructuras SCI” publicado por INCIBE: Protección frente a errores, funcionamientos incorrectos y manejo adecuado de los incidentes que puedan originarse con procedimientos previamente creados. Prevención frente a accesos no autorizados que podrían producir manipulaciones en la red o espionaje. Uso de estándares y dispositivos de seguridad probados y certificados (Cortafuegos, VPN, IDS/IPS, etc.). Medidas en la infraestructura de red. Las arquitecturas de redes planas simplifican y facilitan la comunicación entre sistemas y dispositivos. Sin embargo, éstas presentan un reto para mantener la disponibilidad, estabilidad y seguridad de la red, ya que un atacante con acceso a la red podría acceder a todos los nodos. La segmentación de red con uso de VLAN, router, cortafuegos, etc. contribuye de manera significativa a mitigar estos problemas. Figura 12 – uso de VLAN para asegurar una red con Profinet La protección de los dispositivos finales. Gracias a la desactivación selectiva de servicios, desinstalación de aplicaciones innecesarias o modificación de contraseñas por defecto, podemos asegurar los dispositivos finales presentes en una red industrial minimizando puntos débiles y brechas de seguridad. Estos puntos suponen algunas de las claves necesarias a implementar para poder conservar la integridad de una red PROFINET sin presentar restricciones a los empleados que necesitan acceso y así aprovechar todo el potencial del estándar. BIBLIOGRAFIA • • • • • • Descripción Técnica PROFIBUS. PROFIBUS GuideLine PROFIBUS-DP/PA - ProfiSafe, Profile for Failsafe Technology. IEC 61508 – Functional safety of electrical/electronic/programmable electronic safety-related systems. Manual PROFIBUS PA - SMAR. www.SMAR.com.br
