CURSO COMUNICACIONES INDUSTRIALES BUSES DE … · CURSO COMUNICACIONES INDUSTRIALES . 2...
103
BUSES DE CAMPO Fabiana Ferreira Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires CURSO COMUNICACIONES INDUSTRIALES
Transcript of CURSO COMUNICACIONES INDUSTRIALES BUSES DE … · CURSO COMUNICACIONES INDUSTRIALES . 2...
BUSES DE CAMPO
Fabiana Ferreira
Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica
Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires
CURSO
COMUNICACIONES
INDUSTRIALES
2
Clasificación de buses de campo
FIELDBUS
DEVICEBUS
Tipo de
datos
Funciones
Bit Byte Paquetes
SENSORBUS
Ctrl
Lógico
Ctrl. de
Procesos
Sensorbus:
• Información transmitida en bits
• Variables digitales
• Conectan captadores , actuadores , botoneras,
interruptores, etc. con un controlador central
• Función : distribuir E/S digitales
• ASi, FlexIO
Devicebus:
• Información transmitida en bytes
• Variables digitales y algunas analógicas
• Conectan dispositivos, controladores, Pc´s.
• Función : Compartir dispositivos de campo entre
varios equipos de control y comando.
• CAN, Device-Net, SDS,DWF
Fieldbus:
• Información transmitida en palabras o tablas
• Variables analógicas y algunas digitales
• Conectan dispositivos, controladores, Pc´s.
• Función : Repartir la aplicación.
• FF, Profibus, WorldFIP, ControlNet
3
Plant
Smart Device C
ontr
olN
et
Inte
rbus-S
PR
OF
IBU
S D
P
De
vic
eN
et
SD
S
Se
nso
Ple
x
AS
-i
Seriple
x
Imp
acc
Sensor Bus Device Bus Field Bus Control Bus
PR
OF
IBU
S F
MS
Modbus +
/ D
H+
Block I/O
FO
UN
DA
TIO
N F
ield
bu
s
World F
IP
EC
HE
LO
N
PR
OF
IBU
S P
A
Process Unit
Bit I/O
Buses de campo
4
Normas IEC Fieldbus IEC TC65/SC65C/WG6
• 1993- Norma IEC 1158-2- Capa Física
• 1996- IEC 61158- 1 Draft de DLL(FIP) Rechazado 12/96
• 3/1998-Draft DLL aprobado ( similar a ISA TR50.02 partes 3 y 4)
• 1999 a 2000- Se terminan de aprobar las restantes partes
• IEC 61158-1, Introduction
• IEC 61158-2, Physical Layer
Specification and Service definition
• IEC 61158-3, Data Link Service
Definition
• IEC 61158-4, Data Link Protocol
Specification
• IEC 61158-5, Application Layer
protocol Specification
• IEC 61784, Profile Sets for
Continuos and discrete
manufacturing
• Tipos norma IEC:
1- FOUNDATION Fieldbus
2-ControlNet ( ControlNet, Ethernet/IP)
3- Profibus (DP y FMS)
4- P-NET (multipoint, point to point)
5- FOUNDATION Fieldbus HSE
6- SwiftNet (openAL, real Time AL)
7- WorldFIP (MPSy MCS, subsetMMS,
part of MPS)
8- Interbus ( generic, extended, reduced
6/2)
5
Consorcios y organizaciones Problemas en normalización ===> especificaciones de distintos proyectos:
•Fieldbus Foundation
•ISP : Interoperable System Project ( desaparecido)
•PTO: Profibus Trade Organisation
•ODVA: Open Device Net Vendor Association
•World FIP.Organisation......Etc.
ASi
CANbus
DeviceNet
FIPIO
P-Net
LonWorks
InterBus-S
BAC-net
WorldFIP
PROFIBUS
FOUNDATION Fieldbus
Control – Net
Swift-Net
HART
Modbus
Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
Actuator Sensor
Interface
(ASi)
Fabiana Ferreira
•Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica
7
AS-i en automatización
• Para conectar sensores y actuadores con controladores
Nivel de control
Sensores y actuadores
Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo
Maestro
Nivel de campo: CAN DeviceNet FIP
Interbus Profibus etc.
8
Ahorro de cableado
• Cableado tradicional
C1
C4
C3
C2
M1 M3M2
• Con AS-i
Maestro
9
Caracteristicas del bus AS-i
Slave
Slave
Slave Slave
Slave
Slave
Slave
Master
Slave
Slave
Host AS-i - Power Supply
Slave
• Maestro Esclavo
Hasta 31 esclavos por maestro
4 entradas y 4 salidas digitales por esclavo
4 bits de parametros adicionales por esclavo
• Max. 248 I/O digitales
• Posibilidad de I/O analógicas
• Direccionamiento electrónico de los esclavos
• Equipamiento :
Master
PLC o Gateway
Esclavos
Modulos para conexión de I/O
Dispositivos con chip AS-I integrado
Fuente de 30,5 VDC
Cable AS-i u otro
Datos y alimentación en el mismo cable
10
Maestro-Esclavo • El Maestro realiza un ciclo de polling
• Envía los valores de las salidas y recibe los valores de las entradas en el mismo ciclo
• Ciclo del orden de 5ms para 31 esclavos En la versión 2.1 se pueden direccionar dos esclavos A y B en cada nodo oero se chequea uno
por ciclo
M a s t e r
Host
SL 1
1
SL 2
2
SL31
31
M a s t e r Calls
S l a v e Answers
SL 1
1
11
Extensión de la red
Solution A: 1 extender and 1 repeater
Longitud máxima de todos los cables AS-i en un segmento : 100m
Supply
Slave
Slave Slave
Slave
Slave
Extender Repeater Master
Supply
Segment
max. 100 m
Segment
max. 100 m
Segment
max. 100 m
Max. number of slaves over all is 31 !
!
Supply
!
Se puede extender la red hasta 300m usando extender o repeater
12
Direccionamiento y parametrización de
esclavos • Direccionamiento individual por
terminal
Addressing unit Programming
and service unit
• Direccionamiento automático por
el maestro
Master
• Parametrización a distancia AS-Interface Master
projected
parameter Slave 1 Slave 2
Slave 31
actual
parameter AS-i Slave 20
Up to 31x 4 data bits
Slave 1 Slave 31
actual
parameter
1 1 1 0 1 1 1 1
1 0 1 0
1 1 1 0 Slave 20
1 1 1 0 1 1 1 1
1 0 1 0
1 1 0 0 1 1 0 0
1 1 0 0
1 1 1 0
13
• Cable Plano
AS-Interface
electric-mechanics piercing connectors
mechanical coded
flat cable
Cableado
• Cable standard
standard
round cable
shielded
round cable
2,9 mm
1.5 mm²
6...10 mm
14
Topología
Esclavo
Estrella Linea Rama Arbol
Esclavo
Esclavo
Maestro
Controlador
Maestro Maestro
Controlador
Maestro Maestro
Controlador
Maestro Maestro
Controlador
Maestro
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo
Esclavo Esclavo
Esclavo Esclavo
Esclavo Esclavo
Esclavo
15
D0 = Señal de sensor
D1 = Señal de sensor
D2 = Señal de actuador
D3 = Señal de actuador
P0
Hasta 4 sensores y/o
4 actuadores Alimentación eléctrica
IC esclavo
AS-Interface
1 Carcasa de
módulo
una toma
Watchdog
Conexión de sensores y actuadores
convencionales:
Modulos IP67
o IP20
19
Safety • Los dispositivos de seguridad no participan del polling normal.
• Un Safety Monitor reside en el bus para escuchar sólo a los dispositivos de
seguridad
• Cuando ocurre un evento de seguridad actua sobre los dispositivos de
seguridad para ir a estado seguro (fail-safe).
• Se alcanza SIL3.
Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
Controller Area Network
(CAN)
Fabiana Ferreira Gerardo Stola
•Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica
21
CAN (Controller Area Network)
• Creado a mediados de 1980, con el objetivo de brindar conexión y
disminuir los costos de cableado entre dispositivos dentro de automóviles.
Se difundió posteriormente a otras áreas, por ejemplo control de plantas
industriales, aplicaciones domésticas, control de ascensores, control de
sistemas de navegación, etcétera.
• Estándar ISO.
• Amplia disponibilidad de dispositivos comerciales.
• Alta difusión en la CEE (Alemania), Japón y EEUU
• -http://www.can.bosch.com
22
CAN y el modelo OSI
Presentación
Sesión
Aplicación
Transporte
Red
Enlace
Física
Especificación CAN
CAN Phy (ISO 11898)
ISO 11898
CAL
•CANopen
•PCAL
Device
Net SDS
Documentos
de CiA
CAN
King
dom
23
Especificación CAN - El protocolo abarca las capas física (parcialmente) y de enlace de datos.
- Velocidad hasta 1 Mbps.
- Protocolo de comunicaciones orientado a los mensajes
- Arbitraje por prioridad de mensajes (CSMA/AMP) - Resolución de colisiones.
- Alta probabilidad de detección de errores.
- Capacidad de implementar control en tiempo real.
- Escalabilidad.
- PDU (protocol data unit): tramas (frames)
de datos/ remotas/ de error/ de sobrecarga
Especificaciones
CAN 1.2
2048 (211) identificadores de objeto
formato de tramas estándar
CAN 2.0
más de 500 millones (229) de identificadores
formato de tramas extendido
24
Arbitración
Dos estados lógicos definidos dentro del bus: recesivo y dominante.
Equivale a una compuerta lógica AND: “1” lógico y “0” lógico
N1 N2 Bus
D D D
D R D
R D D
R R R
A B A.B
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
Nodo 2 Nodo 1
Bus
A
B A.B
25
Trama de datos
recesivo
dominante
1 11/29 1 0 ... 64 6 15 1 1 1 7 3
Identifi_
cador de
objeto
Campo de
Arbitraje
Inicio de trama
Campo
de control
Campo de datos
RTR
Segmento
CRC
Campo de CRC
Delimitadores
Campo
de fin
de trama
Ranura
de ACK
Campo de
Acknowledge
Espacio
inter-trama
Tamaño mínimo de la trama de datos: 44 bits
Tamaño máximo de la trama de datos: 111 bits Throughput = 58% del bitrate
Trama de datos
26
Detección de errores
Cuando una estación transmite una trama de error, el resto de las estaciones activas
en la red replican con sendas tramas de error. La señalización del error queda
formada por la concatenación de tramas de error de todas las estaciones activas.
“Globalización del error”
• Distintas condiciones desencadenan la transmisión de una trama de error (errores
detectables por protocolo):
errores de bit
errores de bitstuff
errores de CRC
errores de formato (en delimitadores del CRC y del ACK, y EOF)
errores de ACK
errores de sobrecarga
errores de formato de la trama de sobrecarga
errores por condición de sobrecarga inconsistente
(detectables como errores de bittuffing, deCRC o de formato)
errores consecutivos múltiples
errores sucesivos múltiples
errores
simples
errores
múltiples
error orientado al transmisor
error orientado al receptor
27
Capa Física CAN
Implementada en los
controladores
basadas en normas y
especificaciones
propietarias
ISO11898
PMA
29
Niveles del bus
• Condición recesiva :
CAN_H < CAN_L + 0.5V
• Condición dominante:
CAN_H >CAN_L + 0.9V
30
Nodo ISO 11898-2
• La tensión diferencial en
un nodo está dada por la
corriente en la resistencia
diferencial
32
Relación Velocidad-longitud bus
• ISO 11898 especifica dist
máx 1 km y permite usar
bridges o repeaters.
• Distancia máxima
definida por:
demora de los nodos y
del bus
diferencias entre el bit
time quantum debidas a
la diferencia entre los
osciladores de los nodos
Caída de señal por
resistencia de cable y
nodos
33
Velocidades recomendadas
CiA DS -102
• Todo módulo debe
soportar 20 kbits/s
• Para más de 200m se
recomienda el uso de
optoacopladores
• Para longitud de más de
1 km se requiere bridge
o repeater
Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
DeviceNet
Fabiana Ferreira
•Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica
35
Qué es DeviceNet? Es un enlace de comunicación de bajo costo para conectar dispositivos
industriales a una red y eliminar cableado costoso
•Fines de carrera
•sensores fotoeléctricos
•sensores inductivos
•válvulas
• arrancadores de motores
•lectores de código de barras
•variadores de frecuencia
•paneles e interfases operador
DeviceNet es una solución simple de
comunicación en red que reduce el costo
y tiempo para cablear e instalar
dispositivos de automatización industrial,
al mismo tiempo que provee
intercambiabilidad de componentes
similares de distintos fabricantes
• La especificación y el protocolo son abiertos
No hay que comprar licencias , HW o SW para conectar dispositivos
La especificación se compra por u$s 250. Da licencia ilimitada para
desarrollar productos.
Cualquiera puede participar de ODVA
• Basado en CAN
Usa los chips CAN Standard
36
Application Layer
Physical Signaling
Transceiver
Transmission Media
Capas OSI
ISO Layer 0
-Media
ISO Layer 1
-Physical
ISO Layer 2
-Data Link { { {
ISO Layer 7
-Application {
Data Link Layer
DeviceNet
Application Layer
Specification
CAN Protocol
Specification
DeviceNet
Physical Layer
Specification
} }
}
37
Especificación DeviceNet
Perfiles de Dispositivos para obtener interoperabilidad e
intercambiabilidad entre productos similares
Prestaciones del protocolo de comunicación
- Peer-to- peer
-Master-Slave
-Productor- Consumidor
-Hasta 64 MAC ID’s (nodos)
cada nodo infinitas I/O
Modelo de Objetos
-Cada nodo se modela con una colección de objetos
- Un objeto provee una representación abstracta de un componente particular de
un producto
• Para Capa Física y medio la especificación define:
topologías/ puesta a tierra/ Medios físicos/ Terminadores/ Distribución de
potencia
38
Productos DN
• Hardware
Interfaces para controladores
Scanner
Modulo de comunicación
Gateway
I/O distribuidas
Interfases con otras redes
Interfases para PC’s
Sensores y actuadores
Interfases operador
• Software
Monitores y gestionadores de red
Herramientas de diagnóstico
• Medio Físico
39
Medio Físico • Señal y potencia (24VDC) en el mismo cable:
Pares trenzados separados para para señal y potencia
• Cable fino o grueso en cualquier tipo de tramo
• Los nodos se pueden conectar y desconectar sin desconectar la potencia.
• Se pueden adicionar derivadores (Tap ) de potencia en cualquier punto de
la red: posibilidad de fuentes redundantes
• Se pueden conectar dispositivos con alimentación externa
• Terminador de 121 en cada fin de tronco
• Admite varias Topologías
• Básica : Tronco (trunk)- rama (drop line -spurs)
41
CAN y DeviceNet • usa sólo la data-frame de CAN
• Requisitos para que los controladores CAN sean compatibles con DN
Deben soportar tramas de 11 bits
Velocidades de 125, 250 y 500 kBauds
múltiples objetos de mensajes ( buffers y centros de mensajes)
Posibilidad de mascaras en la trama
Debe soportar el protocolo de fragmentación de DN
42
Uso de CAN ID
11 bits
•Hay 4 grupos de mensajes con
distinta prioridad
•Grupo1 y Grupo 3 para emisión
•Grupo 2 : emisión y recepción
IDENTIFIER BITS HEX RANGE IDENTITY USAGE
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Group 1 Msg ID Source MAC ID 000-3ff Message Group 1
1 0 MAC ID Group 2 Message ID
400-5ff Message Group 2
1 1 Group 3 Message ID
Source MAC ID 600-7bf Message Group 3
1 1 1 1 1 Group 4 Message ID
(0-2f) 7c0-7ef Message Group 4
1 1 1 1 1 1 1 X X X 7f0-7ff Invalid CAN Identifiers X
0
31 ID´s por cada nodo N
•Grupo 1: ID 0 a1023
•Grupo 2: ID 1024 a 1535
•Grupo3: ID 1536 a 1983
•Total de ID´s: 2048
•Sobran: 64 ID´s
•Para establecer quien y
cuando usa los ID´s
CONEXIONES
43
Master Slave predefinido • Es un conjunto de identificadores de conexión
• Los objetos de conexión están preconfigurados en el momento de inicializar el
sistema
Lo único que falta es que el maestro se declare propietario de las conexiones
• Se utilizan mensajes del grupo 2
• Permite usar 8 bits
• Permite usar todas la conexiones de I/O
IDENTIFIER BITS DESCRIPTION 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
0 Source MAC ID Group 1 Messages
0 1 1 1 0 Source MAC ID Slave's I/O Bit-Strobe Response Message 0 1 1 1 1 Source MAC ID Slave's I/O Poll Response Message
Group 2 Message ID 1 0 MAC ID Group 2 Messages
1 0 Source MAC ID 0 0 0 Master's I/O Bit-Strobe Command Message 1 0 Source MAC ID 0 0 1 Reserved for Master's Use -- Use is TBD 1 0 Source MAC ID 0 1 0 Master'sChg of state/cyclic acknowledge msgs 1 0 Source MAC ID 0 1 1 Slave's Explicit Response Messages 1 0 Destination MAC ID 1 0 0 Master's Connected Explicit Request Messages 1 0 Destination MAC ID 1 0 1 Master's I/O Poll Cmd/Chg of State/Cyclic Msgs 1 0 Destination MAC ID 1 1 0 Group 2 Only Unconnected Explicit Req.. Msgs 1 0 Destination MAC ID 1 1 1 Duplicate MAC ID Check Messages
Group 1 Message ID
0 1 1 0 1 Source MAC ID Slave's I/O Change of State or CyclicMessage
44
Fragmentación
• Para mensajes más largos de 8 bytes
• Se incluye 1 byte de protocolo de fragmentación tanto
en mensajes de I/O como explícitos
45
Control and Information Protocol
(CIP)
Figura 11 de CIP White paper
• Modelo Objetos
• protocolo de
mensajería
• perfiles de
dispositivos
• Servicios
• Gestión de
datos
• CIP es un protocolo orientado a conexión
• Una conexión CIP provee un camino entre múltiples aplicaciones
• Cuando una conexión se establece , se le asigna a la transmisiones asociadas un conexión Id (CID) si es unidireccional o dos CID si es bi direccional
46
Modelo de Objetos • Cada nodo se modela
como una colección de
objetos
representación abstracta
de un componente
particular dentro de un
producto
lo que no está descripto
como objeto no es visible a
través del CIP
47
Tipos de conexiones
Conexiones de I/O o de mensajería implícita
proveen caminos dedicados entre una aplicación productora y una o más aplicaciones consumidoras
Para datos orientados a control, de tiempo crítico.
• De mensajería explícita
Provee un camino punto a punto
multipropósito entre dos
dispositivos
Tipo REQ-ANS
48
Objetos aplicación
Register Object
Discrete Input Point
Register Object
Discrete Input Point Object
Discrete Output Point Object
Analog Input Point Object
Analog Output Point Object
Presence Sensing Object
Group Object
Discrete Input Group Object
Discrete Output Group Object
Discrete Group Object
Analog Input Group Object
Analog Output Group Object
Analog Group Object
Position Sensor Object
Position Controller Supervisor Object Position Controller Object Block Sequencer Object Command Block Object Motor Data Object Control Supervisor Object AC/DC Drive Object Overload Object Softstart Object Selection Object S-Device Supervisor Object S-Analog Sensor Object S-Analog Actor Object S-Single Stage Controller Object S-Gas Calibration Object Trip Point Object
49
Perfiles de dispositivos • Todos lo dispositivos del mismo tipo deben tener una identidad común e igual
modo de comunicación .
Interoperabilidad e Intercambiabilidad
Definición del modelo
de objetos
•Esquema con tipo y
cantidad de objetos
•Como cada objeto
modifica el compor-
tamiento
•Interfases de
cada objeto
Definición del formato
de datos de I/O
•Definición del objeto
de ensamblado
–Dirección de
los componentes
de datos deseados
Definición del los
parámetros
configurables y de las
interfaces públicas
a esos parámetros
•Esta información se
incluye en la EDS
50
Perfiles de dispositivos definidos
Generic Device AC Drives Motor Overload Limit Switch Inductive Proximity Switch Photoelectric Sensor General Purpose Discrete I/O Resolver Communication Adapter ControlNet Programmable Logic Controller -- Position Controller
DC Drives
Contactor
Motor Starter
Soft Start
Human Machine Interface
Mass Flow Controller
Pneumatic Valves
Vacuum Pressure Gauge
ControlNet Physical Layer
• Los desarrolladores de dispositivos deben usar un perfil
Si un dispositivo no cae en un perfil especializado debe usar el perfil de
dispositivo genérico o el especifico de fabricante
El perfil usado y que partes de él están implementados debe ser descripto
en la documentación usuario del dispositivo
• Cada perfil consiste en un conjunto de objetos
Define uno o más formatos de I/O incluyendo el significado de cada bit o
byte en la trama
51
PERFIL DE VARIADOR CA
Electronic Data Sheet (EDS)
A-B Mitsubishi Magnetek
start/stop start/stop start/stop
fwd/rev fwd/rev fwd/rev
accel/decel accel/decel accel/decel
A-B Mitsubishi Magnetek
eng. units foreign lang. (none)
power calc. temp. calc.
Según perfil de
Dispositivo
Adicional
Fabricante
Archivo ASCII
Provee una descripción de los atributos del dispositivo
Atributos públicos correspondientes al perfil de dispositivo
Atributos específicos del fabricante
Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
FOUNDATION Fieldbus
Fabiana Ferreira
•Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica
54
Distribución del Control
Fieldbus Host
I.S.
Fieldbus
I.S. = Intrinsically Safe
AI = Analog Input AO = Analog Output
PID = Proportional Integral Derivative Controller
DCS
with AMS
4-20 mA
+ HART
HF
I.S. I.S. I.S. AMS
System
HF HF
Controller
I/O Subsystem
56
Redes FF • H1 - Baja velocidad para control
de procesos • (Reemplaza la tecnología 4-20
mA)
• 31.25 Kbit/s
• Alimentación por el bus
• Opción Seguridad Intrínseca
• Hasta 1900 metros
• HSE - Alta velocidad para supervisión y otros niveles
100 Mbit/s HIGH SPEED ETHERNET
60
Conexiones físicas • TOPOLOGÍAS
Bus con
derivaciones
Punto a punto
Daisy-Chain
Árbol
• Dispositivos
32 dispositivos con alimentación
separada.
12 dispositivos alimentados por el bus,
más una interface.
4 dispositivos por barrera Intrínseca.
• pueden conectarse o desconectarse en
funcionamiento.
• Alimentación 9-32 VDC
Filtro adaptador de impedancia
permite la utilización de fuentes
convencionales
• Regula la tensión en el fieldbus,
para mantenerla estable ante la
conexión y desconexión de
dispositivos
• 18 +/-2 V., salida 300 mA.
• Terminador incluído.
• Montaje en riel o panel.
• Indicación de falla
62
MAC • Por Arbitraje controlado :
Link Active Scheduler (LAS) o Arbitrador de Bus
• Determinístico y centralizado
• Dos tipos de dispositivos:
Básicos: no pueden ser LAS
Link Master ( pueden ser LAS)
• Dos tipos de comunicaciones:
cíclica o sincrónica (scheduled)
aciclica o asincrónica( unscheduled)
• Modelo Editor-Suscriptor (publisher-Suscriber)
• LAS
• Gestión Comunicación cíclica :
con lista de los datos cíclicos
• Pasaje del Token
• Mantenimiento Live List
• Sincronización de tiempo
La comunicación cíclica es la tarea prioritaria
Las demás tareas se hacen en el tiempo que
queda libre entre intercambios cíclicos
Variable Periodicidad
(ms)
Tipo Tiempo
(microseg)
A 5 INT-8 170
B 10 INT-16 178
C 15 OSTR-32 418
D 20 UNS-32 194
E 30 SFPOINT 290
64
Scan del LAS • Si el LAS cae, alguno de los otros nodos Link Master se convierte en LAS: BLAS
(Backup LAS)
• Lista de vivos (Live List)
• Incluye todos los dispositivos que responden al PT ( si luego de tres intentos no responden se los saca de la lista)
• Periódicamente se manda un mensaje de prueba de nodo (PN)
• Si la estación emite una respuesta (Probe Response- PR), se agrega a la lista.
• Sincroniza-
ción
temporal
• Periódicamente
el LAS
distribuye un
mensaje Time
Distribution (TD
) para que todas
las estaciones se
sincronicen
65
Fieldbus Access Sublayer
• CLIENTE-
SERVIDOR
pto a pto
por colas
1- El cliente recibe el PT y
envia la REQ
2-El servidor envia la ANS
cuando recibe el PT
• Uso: para ajustes de
variables y gestión de
alarmas
• DISTRIBUCION DE
REPORTES
uno a muchos
1- Cuando el emisor recibe
el PT, envía el reporte a
una “dirección de
grupo”
2-Los nodos de ese grupo
reciben el reporte.
• Uso: notificaciones
para HMI
• EDITOR-
SUSCRIPTOR
uno a muchos
por buffer
1- El CD puede ser
gestionado por el LAS
o por una estación
suscriptora con el
Token
• Uso: Datos de control
• Los servicios de la FAS son descriptos por VIRTUAL
COMMUNICATION RELATIONSHIPS (VCRs)
66
Capa Usuario • La aplicación del usuario accede a la red mediante bloques que
representan diferentes funciones de aplicación
• Bloque de recursos:
Describe características del
dispositivo:Nombre, fabricante,
numero de serie
Uno por dispositivo
• Bloques Función (FB)
Definen la estrategia de control
Sus I/O se vinculadan en el bus
Su ejecución está “scheduled”
Varios FB en una UA
• Bloques Transductores
Uno por cada bloque de I/O :.(Fecha de
calibración/ Unidades de conversión/
Precisión
67
Bloques función • Las funciones de un
dispositivo se determinan
por los FBs
69
Descripción de Dispositivos (DD)
• Se utiliza para agregar a los bloques
función Standard parámetros y
definiciones de comportamiento.
Provee una descripción extendida de
cada objeto en un VFD
Provee información al sistema de control
o al host para interpretar los datos del
VFD
Es como un “driver” para conectar el
dispositivo
• Estan escritos en un lenguaje
denominado Device Description
Langage (DDL)
Se convierten con una herramienta de
soft llamada “tokenizer”
70
Bloque Offset desde el tpo de
arranque
AI (Transmisor) 0
Comunicación AI (LAS) 20
PID (valvula) 30
Ao (válvula) 50
Scheduling de bloques función
• Para generar los schedules de los FB y el LAS se utiliza una herramienta
de implementación.
• Macrociclo: es una ocurrencia del schedule completo para cada
dispositivo
Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
PROFIBUS
Fabiana Ferreira
•Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica
PROCESS FIELD BUS
73
Rango de aplicación
• Red abierta para procesos ( Process Fieldbus)
• 3 protocolos:
• Decentralized Peripheral (DP)
• Field Messaging Specification (FMS)
• Process Automation (PA)
• 1987 : proyecto para
fieldbus único -Alem.
Siemens, Robert-
Bosch y Klockner-
Moeller, ...
• FMS se emitió en
1990, DP en 1993 y
PA en 1995
Asociaciones de usuarios
• 16 grupos regionales
unidos bajo PROFIBUS
International -PI
• PROFIBUS Nutzer
Organization (PNO)
• PROFIBUS Trade
Organization (PTO) U.S.
74
Comunicación
• Maestros o estaciones
activas
Pilotean la transmisión de
datos
Un maestro puede emitir
libremente cuando posee el
token
• Esclavos o estaciones
pasivas
Equipos periféricos ( bloc de
E/S, válvulas, actuadores)
No tiene derecho por sí
mismos a acceder al bus
Adquieren mensajes emitidos
por otros o transmiten a
requerimiento del maestro
Tres opciones para Medio
Físico:
RS-485
Fibra óptica
IEC 1158-2
75
Capa Física con RS485 Hasta 32 nodos sin
repetidores en un único
segmento
Extendible a 127 nodos
con repetidores
Distancias hasta 12 km
9.6 kbit/sec (1200 m), 1.5
Mbit/sec (200 m), 12 Mbit/sec
(100 m)
Usa conectores Standard de
9-pin D
Dispos. Trunkline/Dropline
Dispositivos aislados
Baud Rate Max segment
length in meters
Max segment
length in feet
9.6K 1200 3900
19.2K 1200 3900
93.75K 1200 3900
187.5K 1000 3250
500K 400 1300
1.5M 200 650
3M 100 325
6M 100 325
12M 100 325
• A maximum of 9 RS-485 repeaters can be
connected in series, but the use of more than 3
repeaters in series is not recommended
• Tiene terminadores en cada extremo del bus.
• cable type-A :• Impedance: 135 to 165 ,• Conductor area > 0,34 mm²
• El blindaje debe ser conectado a masa mecánica en cada extremo
• Los conectores pueden retirarse y conectarse sin interrumpir el intercambio de datos
76
Fibra óptica
• Tipos de conductores disponibles
• Permite mayores distancias con mayores velocidades
• Evita problemas de EMI
• Segmentos en estrella o anillo
• Hay fabricantes que permiten la redundancia
• Existen acopladores RS485- FO
77
Capa Física PA- IEC 1158-2
• Acopladores de segmento:
son convertidores de RS485 a IEC
1158-2 transparentes al protocolo
Su utilización limita la velocidad
máxima del segmento a 93.75 kBits/s
Instrum. p/
acoplador
• 9 (Eex)
• 32 (no ex)
• Acopladores de Enlace:
Agrupan el conjunto de aparatos del
segmento en un único esclavo RS485
La velocidad del segmento no está
limitada
78
PA • Hasta 32 nodos por segmento
Se extiende hasta 126 nodos con 4 repetidores
• Velocidades 31.25 Kbits/sec, 1.0Mbits/sec and 2.5Mbits/sec
31.25 Kbits/sec permite seguridad intrínseca
• Doble par trenzado (blindado y no blindado)
• Varias topologías
• Seguridad intrínseca definida por modelo FISCO
• Para seguridad intrínseca una derivación puede tener como máximo 30 m
Longitud de línea
79
Profibus DLL (FDL)
• DP, FMS y PA usan FDL ( Field Data Link layer)
• Requerimientos:
Comunicación entre dispositivos complejos con suficiente tiempo para ejecutar
sus tareas
Comunicación rápida para dispositivos de I/O sencillos
• Funciones de la FDL
MAC, Seguridad de datos, Gestión de protocolos y telegramas de transmisión
Servicios ofrecidos por la FDL
80
PROFIBUS Master PROFIBUS Master PROFIBUS Master
Passive Stations (Slave Devices)
Logical Token Ring
MAC • Token ring:Reservado para estaciones complejas
• Acceso de cada master al bus por lo menos una vez cada cierto tiempo (config)
• Maestro- esclavo:
Permite al maestro con el token acceder a sus esclavos para enviarles mensajes o leer sus
mensajes.
Maestro esclavo puro
maestro-maestro puro (token)
híbrida
81
Características DP
• Velocidad:
1 ms (a 12 Mbits) para
transmitir 512 bits de entrada
y 512 bits de salida a 32
estaciones
Transmisión de todas las
entradas salidas en un sólo
ciclo
Se transmiten los datos con
el el servicio SRD
• Diagnóstico: a través de
mensajes dedicados
Diagnóstico de estación
Diagnóstico de módulo
Diagnóstico de una vía
• Destinado a comunicaciones cíclicas e
intercambios rápidos, entre controladores de celda
(PLC o PC) o sistemas de supervisión y periferia
descentralizada.
• Funciones de base y Funciones extendidas
82
Configuración del sistema DP • Máximo de estaciones servidas: 126
• Tres tipos de equipos:
Maestro DP clase 1 (DPM1)
Controlador de celda que intercambia información periódicamente con esclavos
Maestro DP clase 2 (DPM2)
Herramienta de desarrollo o configuración
Esclavo
Aparatos con E/S
Máximo de E/S: 244 entradas y 244 salidas
• DP puede funcionar en modos:
monomaestro
multimaestro
• Mono maestro
Un único controlador
controla el intercambio con
los esclavos
Tiempo de ciclo ultra corto
• Multi maestro
Varios maestros comparten
el bus
Puede haber varias sub
redes independientes cada
una dependiendo de un
master DPM1
Las E/S de los esclavos
pueden ser leídas por todos
los maestros
Un sólo master (DPM1)
puede escribir las salidas
83
Configuración monomaestro
• Estado del sistema = estado DPM1
Stop: no hay transmisión entre el DPM1 y los esclavos
Clear: DPM1 lee las entradas de los esclavos y mantiene sus salidas en seguridad positiva
Operate: DPM1 en fase de transferencia en transmisión cíclica
• DPM1 transmite periódicamente su estado a todos los esclavos
• Cuando un esclavo no está en condiciones de transmitir DPM1 pasa a Clear (si el parámetro auto-clear es verdadero)
84
Transmisión cíclica
• En la configuración el utilizador afecta o no cada esclavo a DPM1
• Etapas de transmisión:
parametrización
configuración
transferencia de datos
• El utilizador puede reparametrizar los esclavos a través de DPM1
85
Funciones DP Extendidas • Permiten la transmisión acíclica
de datos
Permite utilizar una herramienta de desarrollo (DPM2) sin perturbar la red
Se utilizan para la explotación en línea de instrumentos PA
• Se debe aumentar el tiempo de token para que el maestro pueda ejecutar los dos tipos de intercambio
• Funciones:
Direccionamiento de datos por numero de ubicación e índice
Transmisión acíclica de datos
• Longitud máxima del bloc de datos : 244 bytes
PROFIBUS
FMS
Se utiliza para la comunicación
a nivel de célula entre API y
PC
Privilegia la riqueza funcional
y no el tiempo de respuesta
Unifica procesos de aplicación
repartidos en un único proceso
común utilizando relaciones de
comunicación.
Dispositivo de campo virtual
(VFD):
Parte de una aplicación (en un
dispositivo de campo) accesible a
la comunicación
87
Perfiles aplicativos
• Perfiles Aplicativos
Describen la interacción de los perfiles de comunicación y perfiles
físicos en ciertas aplicaciones o equipos:
Automatización de procesos
Gestión de edificios
Control de velocidad
Encoders
Definen el comportamiento de los equipos de campo en el bus
Profibus PA: describe los parámetros y los bloques función de
instrumentos de procesos ( transmisores, válvulas, posicionadores)
Variación electrónica
HMI
88
Perfil PA
• Para automatización de procesos: utiliza el soporte físico IEC 61158-2
• Define
Parametrización y comportamiento de instrumentos independientemente del fabricante
Descripción de funciones y comportamiento del instrumento
Bloques función
Comunicación con funciones de base DP
Instrumentos se comunican
en forma cíclica con un master DPM1
En forma acíclica con DPM2
• Definiciones aplicativas
Unidades de valor de medida
Significado de los valores de estado
• Especificaciones independientes del instrumento:
Unidad de medida
Alcance mínimo y máximo
• Posibilidad de simular los valores en el transmisor de medida.
90
Perfil PA • Se compone de
Una especificación general
Contiene las definiciones aplicables al conjunto de instrumentos
Fichas técnicas de equipos
Informaciones propias de cada tipo de instrumento
Equipos: Captadores de presión, nivel, temperatura y caudal, Entradas y salidas analógicas y TON, Válvulas , posicionadores, analizadores
Bloques función PA
• Representan funciones usuario
• Se complementan con dos bloques sobre el equipamiento:
Bloque transmisor
Datos propios de la aplicación , como por ej. Parámetros de reglaje
Bloque físico
Identidad del equipo: nombre, fabricante, versión , número de serie
• Los parámetros de entrada y salida de los bloques pueden ser enlazados
por el bus
• Una aplicación contiene varios bloques función integrados en el
instrumento
91
Perfil seguridad (PROFISafe) • Define la conexión de equipos de
seguridad (paradas de emergencia ,
barreras , enclavamientos ) a los
automatismos programables
Para alcanzar niveles SIL 3 o AK6 (
categoría 4 )
• Acepta cualquier capa física
• Tiene en cuenta todos los errores que
se pueden filtrar en una transmisión
serie
Repetición, pérdida, error de secuencia,
retardo, corrupción de datos
• Define mecanismos complementarios
de seguridad
Numeración de tramas, seguimiento
temporal con ACK, identificación fuente
destino, control de redundancia cíclica,
monitor SIL
92
Archivos GSD
• Especificaciones generales
Fabricante, versión, velocidades posibles, afectación de señales
• Especificaciones para estaciones maestras
Numero máximo de esclavos, posibilidades de carga remota
• Especificaciones en los esclavos
Numero y tipo de vías de E/S
Definición de mensajes de diagnóstico
Facultad de Ingeniería
Universidad de Buenos Aires
ControlNet
Fabiana Ferreira
•Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica
94
Características • Red simple y de instalación económica
• Ofrece instalación flexible
Soporta cualquier topología ( bus, estrella, árbol)
Los taps se pueden conectar en cualquier punto de la red
• Redundancia de medio físico de bajo costo
• Combina intercambio de I/O cíclico con mensajería peer-to peer
Ej: 32 nodos con 8 bits I/O en 2 ms
• permite configuración y carga y descarga de programas on line
• Modelo Productor- Consumidor
• Sincronización con precisión de 10 ms
• Máximo 99 nodos
• Desarrollada por Rockwell Automation/Allen-Bradley y introducida en
Noviembre 1995
• Disponible para terceros en Diciembre 1996
• Formación de Asociación independiente en Mayo 1997
• Especificación ControlNet International
• Norma IEC 61158 tipo 2
97
Capa Física • Medio Físico
• Tres variantes:
RG6 ( cable TV) coaxial con
conectores BNC en bus
Fibra óptica en punto a punto
NAP (Network Acces Port ):
conexión local RS422 que
permite acceso temporal par
instalación, programación y
mantenimiento.
• RG6 y coaxil permiten
seguridad intrínseca
• Hasta 99 nodos
• Distancias:
1000 m con dos nodos
250 m con 48 nodos
25 km con repetidores
• 5 Mbits/s
• Codificación Manchester
• Paquetes incluyen CRC de 16 bits
98
Arquitectura
• hardware
Controladores (PLC,
PC)
Terminales de
programación
Terminales operador
Racks de I/O
• Software
de programación
herramientas de
configuración
de interfase operador
99
Acceso al medio • CTDMA ( Concurrent Time Domain Multiple Acces)
División de tiempo en ciclos repetitivos denominados NUT (Network Update
Time) . 2 a 100 ms
• Cada nodo accede al medio dentro del NUT mediante un token
Los nodos acceden al medio y difunden sus datos
Si no tiene nada que transmitir mandan un trama null
No hay arbitrador central: todas las estaciones están sincronizadas
Rotación de token por Round Robin
Si se pierde el token el nodo con el siguiente MACID retoma
100
MAC
• Comunicación asincrónica:
Se realiza en el intervalo que queda libre en el NUT después que todas
las estaciones se pasaron el token una vez
Al final del NUT hay un periodo para sincronización “Guardband”
• NUT Tiene tres partes:
intercambio cíclico : NUI ( Network Update Interval)
cada nodo tiene oportunidad de transmitir una vez en esta parte
intercambio acíclico
mecanismo round robin
la rotación se repite hasta que alcanza el tiempo
– determinado por la carga de tráfico cíclico y el tiempo de NUT
– Se garantiza que al menos 1 nodo pueda transmitir
mantenimiento:
el nodo de menor dirección transmite trama de sincronización
101
Tramas MAC • Para incrementar la eficiencia, los diversos paquetes de datos (Lpacket)
provenientes de la aplicación se ensamblan dentro del nodo en una trama MAC
• Los paquetes de datos no contienen dirección de emisor y receptor sino sólo
un CID ( Connection ID): Modelo Productor Consumidor
102
Capas superiores • Usa el modelo objetos de DeviceNet (CIP)
• Requiere una conexión formal entre entidades
• Conexiones: peer-to-peer/ multicast
• data trigger: cíclico/ cambio de estado/ strobe/ Pool
• Modelo objetos : igual que DeviceNet + tres objetos específicos
Control Net Object ( por DN Object)
ControlNet Keeper Object: contiene información sobre estructura de toda la red
ControlNet Scheduling Object
Otros
Objetos
Control Net
Object
103
ControlNet • 4 tipos de dispositivos desde el
punto de vista de transmisión:
Servidores de mensajería explícita
Sólo pueden responder a
mensajes explícitos
Servidores de mensajes de I/O ( o
adaptadores)
No pueden iniciar conexiones de
I/O
Una vez iniciadas las conexiones
de I/O pueden enviar mensajes
múltiples de I/O con diferentes
triggers
Adaptadores con clientes de
mensajería explícita
dispositivos full (scanners):
• Gestión de red
• Provee re-scheduling dinámico
cada nodo tiene una copia de los
parámetros de enlace e información de
scheduling propia
Nodos específicos (Keeper nodes)
tienen una copia del scheduling y
parámetros globales
Keeper primario : asegura la
consistencia general de la
configuración en arranques y
reconfiguraciones on line
Keepers secundarios: son backup
del primario
