Ethernet Industrial
Introducción
Inicialmente, Ethernet fue diseñada para entornos de
oficinas
Ethernet ha ganado gran aceptación en redes industriales,
hasta convertirse en un estandar de facto.
Así, Ethernet ha sido incluida en los niveles 1 y 2 de:
Modbus/TCP (Schneider)
Ethernet/IP (Rockwell Automation & ODVA) Profinet (Profibus)
Conectores y Cableado en Ethernet
Industrial
Primeros sistemas Ethernet de Siemmens (Siemens
Simatic Net, SINEC-H1) utilizaban el estándar 10BASE5:
Conectores: tipo D tipo Screw N
Cable coaxial RG-8 bastante tosco, pero inmune a
Conectores y Cableado en Ethernet
Industrial
Los conectores RJ-45 y los cables UTP cat 5/5E de las
redes de oficina basadas en los estándares 10BASET y 100BASETX son vulnerables a situaciones como:
Temperaturas extremas
Contacto con petróleo y otros fluidos Suciedad
Radiación ultravioleta
Interferencia electromagnética (EMI) Golpes
Vibraciones
Conectores y Cableado en Ethernet
Industrial
Hoy en día se usan conectores tipo:
DB o D-submin
M12 de 8 polos (estándar IEC 61076)
ampliamente utilizado en aplicaciones Fieldbus y de automatización
Conectores y Cableado en Ethernet
Industrial
Los conectores M12 y cables trenzados apantallados (STP) categoría 5/5E ofrecen inmunidad ante:
Humedad Polvo Corrosión EMI RFI Vibración mecánica Golpes Radiación ultravioleta Temperaturas extremas (-40°C a 75°C)
Vendedores: Lumberg, Turck, Escha, InterlinkBT, Hirschmann Sistema Ethermate Industrial Ethernet de Lumberg
Métodos de Acceso al medio
El estándar Ethernet basado en Bus (10BASE5) trabajaba
con CSMA/CD como método de Acceso al medio
Esto implica una probabilidad de Colisión. Esto conlleva a:
Pérdida de tiempo porque se tiene que retransmitir la trama
(mayor retardo)
En una Ethernet 10BASET moderadamente cargada de tráfico
y con 100 estaciones se tienen tiempos de entrega de las tramas de entre 10ms y 100ms
En una Ethernet Industrial el retardo debe estar entre 5 y 20
Métodos de acceso al medio
En una Ethernet de oficina, una carga de tráfico de la red
de 25% a 30% es aceptable para una operación adecuada (retardos aceptables)
En una Ethernet Industrial, se requiere una carga de
tráfico de menos del 10%.
Muchas Ethernet Industriales operan con una carga de
tráfico de 3 a 4% con un gran número de dispositivos de I/O transfiriendo información por el sistema.
Métodos de Acceso al medio
El uso de tecnologías más rápidas como Fast Ethernet y
Gigabit Ethernet, permite una operación más cómoda con un buen número de dispositivos
Igualmente, el uso de Switches en lugar de Hubs, hace que
se reduzca la probabilidad de colisiones a cero, lo que mejora la confiabilidad. Sin embargo, hay retardos en la comunicación debido a la congestión en las colas (buffers) de los switches.
El uso de switches capa 3 y la capacidad de establecer
VLANs da mayor confiabilidad al evitar tormentas de broadcast.
Sobrecarga en el tamaño de las tramas
Al usar TCP/IP para transmitir un dato de tan solo 2
bytes, la cantidad de bytes incluidos por las cabeceras MAC, IP y TCP hace que haya una sobrecarga en el tamaño de la trama.
Por tanto, habrá una reducción en la eficiencia de la
comunicación, ya que sólo un porcentaje muy pequeño de toda la trama es lo que lleva información útil.
Esto se supera en la medida que se utilicen tecnologías
con altas velocidades como Fast Ethernet o Gigabit Ethernet, pues el tamaño de la trama se vuelve muy pequeño con esas velocidades.
Problemas de Interferencias e inmunidad al
ruido
Si se usa cable UTP, debe tenerse cuidado de no
pasarlo por zonas con alta interferencia (EMI, RFI) o con ruidos eléctricos
importantes (motores, etc) Es mejor usar otros medios
como cable coaxial (es apantallado), par trenzado apantallado (STP) o fibra
óptica (es inmune a EMI, RFI y no hay problemas de
tierras).
Conector RJ-45 de 8 polos industrial Conector M12
Partición de las redes
Es importante que las redes de oficina estén separadas de
las redes industriales para:
Evitar problemas de retardos en la red industrial por causa de
la red de oficina
Evitar problemas de seguridad y confiabilidad debido a
problemas en la red de oficina
Las redes industriales a su vez son subdivididas en
subredes mediante switches y puentes para evitar problemas de retardos y tormentas de broadcast
Reducción de tráfico
Otra estrategia para reducir el tráfico y disminuir
retardos es que los PLCs se programen para transmitir sólo en caso de eventos excepcionales en lugar de
hacerlo contínuamente.
Ejemplo:
Sólo transmitir cuando un punto digital cambia de On a Off o
viceversa.
Sólo transmitir cuando una señal análoga se sale de un rango
Uso de switches
Los switches reemplazaron a los hubs y
puentes. Por tanto, no hay colisiones.
Tipos de Switches: capa 2 y capa 3 Uso de VLANs permite organizar el
tráfico
Cuando hay congestión, podrían
perderse paquetes debido a la saturación de los buffers de los switches. Esto podría afectar la
confiabilidad de la comunicación de ciertos procesos críticos.
Los switches capa 3 reducen a regiones
limitadas los mensajes de broadcast. Sin embargo, estos mensajes de broadcast podrían generar retrasos en algunos mensajes críticos de los procesos.
Switch Scalance X208 de Siemens
Uso de switches
Es necesario el uso del protocolo Spanning Tree para
eliminar posibles bucles y evitar que un mensaje pase varias veces por un mismo punto de la red, evitando posibles congestiones.
El protocolo Spanning Tree puede tomar entre 2 y 5
segundos el detectar un posible bucle y eliminarlo. Esto podría causar un mal funcionamiento en ciertos procesos debido a que queden aislados ciertos elementos de la red durante unos segundos.
Solución al problema del uso de
Spanning Tree:
Utilizar switches de respaldo en una topología en anillo redundante dual. Un mensaje podría viajar indefinidamente por tal anillo
Hirschmann (fabricante) adicionó una función de gestión de la redundancia a sus switches. El anillo opera a 200Mbps
El switch gestor rompe el anillo en operación normal y pone a funcionar el segundo enlace
en caso de haber algún problema con el primero (toma entre 20 y 500ms)
El anillo de redundancia también opera con Hubs para casos de pérdida de la alimentación
TCP/IP y las redes industriales
La arquitectura TCP/IP es abierta
En combinación con Ethernet, es un estándar utilizable
por todos los usuarios y vendedores
La estandarización no se da a nivel de aplicación
Los equipos con diferentes aplicaciones pueden coexistir
e interconectarse en la red, pero no pueden cooperar
Se han planteado Protocolos como MMS (Manufacturing
Messaging Service) para dar una solución abierta a la
comunicación entre aplicaciones, pero no ha tenido buena aceptación
Arquitectura Cliente-Servidor
Es una forma de organizar la interacción de las aplicaciones y los usuarios
en las redes
Es una organización que está jerárquicamente por encima de las redes de
telecomunicaciones (las redes transportan la información que se les indique)
Hay dos componentes:
Cliente: El usuario que solicita/envía información
Servidor: Envía/recoge la información centralizada disponible para la
Necesidad de estándares Cliente/Servidor
Para la interconexión declientes y servidores se requiere una interfaz de comunicación
Los controladores de los dispositivos suelen estar
amarrados a aplicaciones del fabricante
Esto hace que se suban los costos enormemente
Por esto fue necesario crear un estándar de
interconexión
Estandar OPC para cliente/servidor
Es la solución para
interconectar Aplicaciones y controladores de
manera que no se
dependa del fabricante
Uso de OLE/COM
(Object Linking and
Embedding/ Component Object Model)
Aumento de la disponibilidad en Ethernet
Para casos de fallos en unaNIC, es posible tener dos NICs, c/u conectada a un enlace diferente
Uso de redundancia en los switches y uso de anillos (caso HiperRing de
Hirschmann )
También tenerse
redundancia en los sistemas de alimentación
Debe evaluarse el costo de la inversión versus el costo del tiempo de caída de la producción
Ejemplo: Red LAN con anillo de Allen
Bradley
Estructura de conexiones del sistema
ULTRA 3000 SE
Configuracion ethernet en siemens
Estructura DCS de Siemens del laboratorio de
automatización de la UPB
Gabinete de control central Gabinete de control distribuido
Configuración en la HMI
Configurar interfaz PG/PC del PC con el
SCADA
Lo demás…
Programar controladores
Interfaz HMI con los botones y ventanas del caso Etc…
