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Módulo 3 – Comunicación redes industriales (ICN) Task 3_2 - ICN – Nivel información. Estándares de Ethernet, Ethernet/IP y otros.

Red información industrial Como se señaló en la tarea 3.1 los niveles más altos en las redes de comunicación industrial, el nivel 3 se denomina nivel de

información (nivel 3). Esta parte de la red de comunicación industrial puede ser llamada redes de información industriales. Esta capa se utiliza para el intercambio de información y la gestión a nivel de empresa. Los estándares más utilizados en esta capa son:

• Ethernet y Ethernet / IP en particular (donde IP es el protocolo industrial).

• PROFINET

• Ethernet Powerlink etc.

Red primaria se caracteriza por un alto rendimiento y está diseñado para intercambiar grandes cantidades de información. Los sistemas de nivel de "información" están destinados a hacer frente a los problemas globales en la gestión. Ellos intercambian información y la gestión con el nivel de empresa. Los principales problemas de este nivel están relacionados con el volumen de la información transmitida y la velocidad con la que esto se hace.

Los requisitos para la fiabilidad y la seguridad del acceso no autorizado de la información transportada además son significativas. A diferencia de los dos niveles más bajos de la jerarquía, donde la diversidad es mayor, aquí el más utilizado en los sistemas modernos es una especificación conocida como Ethernet. Rechazado algunas veces para baja velocidad de transmisión de datos, Ethernet logró superar los obstáculos planteados por la tecnología con un alto rendimiento. Fast Ethernet Versión alcanza 100 Mbit / s. Ethernet finalmente se usó para redes LAN después de la competencia con otras tecnologías como Token Ring, ATM, etc. La transición de Ethernet a Fast Ethernet (y ahora a la última: Gigabit Ethernet y Ethernet de 10 y 100 Gigabit) es con un mínimo gasto de tiempo y dinero. Basta renovar los 10 centros megabit con dispositivos de 100 Mbit / s (o más) de los nodos. Otra ventaja de este tipo de red es el rápido descenso de los precios, a diferencia de las tecnologías competidoras, que son relativamente caros. La figura 1 muestra la ubicación de la red Ethernet en el nivel de información de las redes industriales.

Por otra parte las soluciones de Ethernet ahora se utilizan con éxito en todos los niveles jerárquicos de los sistemas de comunicación industriales, desde nivel básico a los sistemas empresariales. A continuación se presentan las principales características de la norma Ethernet, sus modificaciones, y algunos de los otros estándares utilizados en el nivel de información.

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Fig1. Ethernet en el nivel de información de redes industriales

Ethernet - introducción

IEEE ha desarrollado estándares para la gestión de la red de área local LAN. Estas normas se agrupan en la famosa IEEE 802. Este conjunto de protocolos difiere de la descripción de la capa física y la subcapa de la MAC, para el intercambio de datos relaciones. Así 802,1

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norma que define la interfaz primaria, IEEE 802.2 define la capa de conexión de datos que utiliza el protocolo de LLC (Control de Enlace Lógico). Otras normas IEEE 802.X son responsables para la descripción de la capa física y los medios para el acceso de cualquier tecnología de LAN inalámbrica diferente.

En concreto, el estándar IEEE 802.3 se corresponde con el denominado sistema de Ethernet, aunque difiere en algunos aspectos del sistema de Ethernet, creada por Xerox (Xerox). El nombre usado para este protocolo viene del concepto físico Éter luminífero, a través del cual se pensó que se propaga la radiación electromagnética. Ethernet define las características de los cables y las señales en el nivel físico y los formatos de paquetes de datos en el nivel de los datos de contacto para el modelo OSI.

El método de acceso es CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access con Detección de Colisiones). Este método permite a múltiples fuentes a competir por el acceso al medio de transmisión escuchando si el entorno está libre. El método también utiliza un mecanismo para detectar colisiones cuando dos fuentes están tratando de utilizar el mismo medio.

El método CSMA / CD proporciona la base para Ethernet, desarrollada en los años 70 en los laboratorios de Xerox, permitió inicialmente una red con un cable coaxial grueso y la velocidad de transmisión de 2.94Mbps de datos en un sistema que conecta a unos 100 ordenador longitud de cable alrededor de 1 km . A través de los años, Ethernet ha sufrido muchos cambios, gracias a su estándar abierto, sobre todo después de que el proyecto incluyó empresas como Intel y DEC. Así que el estándar para Ethernet de 10 Mbps que se introdujo en esta memoria describe un método de conexión de los cables e intercambio entre sistemas informáticos.

La especificación Ethernet realiza las mismas funciones que en la comunicación de datos, como en las capas física y de enlace de datos del modelo OSI. Este esquema constituye la base de la norma IEEE 802.3, fijando normas comunes para la transmisión de datos en redes locales (LAN).

Física / transmisión / medio El entorno físico de Ethernet es pasivo, es decir, recibe energía eléctrica de la computadora y no caerá a menos que los cables no físicamente rotos o no está correctamente alineados. Cables coaxiales / fino y grueso / pares / UTP, STP / y los cables ópticos son los usados. Las conexiones más comúnmente usadas son con pares trenzados.

Hardware compatible para la construcción de una red Ethernet Estos componentes son independientes del tipo de medio. El hardware que puede ser utilizado en redes Ethernet incluye tarjetas de interfaz de red, concentradores repetidores (repetidor), que amplifican la señal que reciben, concentradores no repetitivos (hubs), interruptores y enrutadores. Como la tecnología evoluciona, algunos de estos dispositivos con los concentradores raramente usan.

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Formato del marco Los datos se organiza en paquetes en un formato diferente de las otras redes (los paquetes se ha desplazado de circuitos en la transmisión en las redes de ordenadores).Los datos de Ethernet se separan en marcos / marco / - Se trata de paquetes de información que se envía como una entidad separada. El marco tiene una longitud de entre 64 y 1518 bytes, que se utiliza para imprimir al menos 18 bytes, por lo que la información se mantenga entre 46 y 1500 bytes. Cada trama contiene información de control y sigue el mismo diseño de control (ver figura).

Puesto que el estándar IEEE difiere ligeramente del estándar de Ethernet II, el formato del marco también difiere ligeramente. En la siguiente figura se muestran los dos formatos de marco:

El marco de IEEE 802.3 incluye una porción LLC, que es la cabecera 802.2. Esto permite el uso de otros protocolos de Capa 3 que no

sean IP. SOF = inicio de delimitadores del marco.

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Encapsulación de datos en redes industriales La preparación de marcos en redes industriales se realiza mediante la encapsulación de datos. Los datos del usuario (primarios) se convierten, por acoplamiento en un título de la capa de aplicación. Se transmiten a la capa de transporte, donde se añade título TCP y se produce el aspecto acabado de comunicación Ethernet TCP/IP (Fig. 2).

Fig.2. Encapsulación de datos en marcos de Ethernet

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Algoritmo del método de transmisión CSMA/CD:

1. Los datos se almacenan temporalmente. 2. Ensamble el marco, establecer las direcciones físicas (MAC). 3. Escuchar al medio de transmisión (por cable) 4. Mientras que el medio de transmisión está ocupado: 5. {Esperar ~ 9,6 microsegundos, escuchar de nuevo.} 6. Inicia la transmisión de la trama. 7. Ausculte el canal durante un período de 9,6 microsegundos. 8. Si las colisiones están presentes (conflictos): 9. { 10. Enviado Jam-signal en una fuerte corriente. 11. Aumentar el número de intentos fallidos _ 1. 12. Si el número de ensayos es demasiado grande: 13. {Detener la transmisión en. Demasiadas colisiones} 14. De lo contrario en Poner en marcha el algoritmo de backoff: 15. { 16. Determinar timeout: t = número aleatorio x número de intentos.

El algoritmo para la recepción: 1. Comienza la recepción. 2. Mientras que la recepción no está completa: 3. {Los datos se reciben y guardan.} 4. Si el marco es corto (menos de 64 B): 5. { 6. Compruebe el final de la trama (se debe tener Atasco en lugar de FCS). 7. Desecha lo almacenado del marco y limpiarlo. 8. Ir a la línea № 1. 9. } 10. Si la dirección de destino-no es idéntica a la de la estación: 11. { 12. Desecha lo almacenado del marco y limpiarlo. 13. Ir a la línea № 1. 14.} 15. Si el marco es más de 1540 B:

17. Espere t segundos. 18. Ir a la línea № 3. 19. } 20. } 21. De lo contrario en no hay conflicto 22. Si la transferencia se completa 23. {End -. Éxito} 24. de otro modo: 25. {Ir a la línea № 7.}

16. {Error - Marco de gran tamaño.} 17. Si el CRC de la trama es igual a la calculada a partir del adaptador: 18. Si los bits de la CRC no son número exacto de bytes: 19. {Error - desalineada CRC.} 20. De lo contrario: 21. {Error - Error de CRC.} 22. Si la longitud de la trama no es válida (Campo Largo): 23. {Error - longitud no válida.} 24. De lo contrario: 25. { 26. El bastidor está desmontado. 27. Es OK (Aceptar). 28. }

(Los algoritmos se basan en materiales del sitio http://fmi.wikidot.com/km7 en Bulgaro)

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Estándares de Ethernet. A continuación se mencionan las normas usadas en Ethernet:

• IEEE 802.3-1996 (10 Mb Ethernet)

• IEEE 802.3u-1995 (100Base-T standards, Fast Ethernet)

• IEEE 802.3x&y-1997 (standards 802.3x for full-duplex Ethernet and 100Base-T2)

• IEEE 802.3z-1998 (1000Base-X Ethernet, Gigabit Ethernet)

• IEEE 802.3ac-1998 (VLAN )

• IEEE 802.3ab-1999 (improvements in 1000Base-T Ethernet)

Así como el nuevo Ethernet 10 Gigabit 802.3ae-2002, 802.3ak-2004, 802.3an-2006, 802.3ap-2007 y el Ethernet 100Gigabit (el estándar 100Gigabit Ethernet y 40Gigabit Ethernet. Son realizadas en múltiplos de 10 Gbit / s, o transmisión de 25 Gbit / s a través de múltiples caminos (carriles) (como en en la norma PCI Express).

Para más detalles, consulte estos nuevos estándares en: http://en.wikipedia.org/wiki/10_Gigabit_Ethernet http://en.wikipedia.org/wiki/100_Gigabit_Ethernet

La usabilidad de las distintas normas de Ethernet puede verse claramente en la tabla a continuación, en el cual se muestran el nombre de la especificación estándar de IEEE, velocidad de transmisión, el nombre del medio de transmisión y la longitud de un segmento: Las características de la red se pueden deducir por el nombre de la norma. Así, por ejemplo, 10Base5 se descifra como: 10 – velocidad de LAN in Mbps

Base = Baseband - tipo de señal - transmisión de canal único

Broad = Broadbant - tipo de señal-banda ancha

5 - longitud de segmento en cientos de metros de red o

100BaseT4 - T4 significa 4 pares de UTP, categoría 3,4 o 5

100BaseFX - FX cable de fibra óptica con dos conductores y otros.

(Más detalles acerca de Ethernet se puede ver en: http://www.iit.net-bg.info/Ethernet/EthernetNetwork.html) y http://www.highteck.net/EN/Ethernet/Ethernet.html

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Tabla 1

Codificación El tipo de codificación utilizado es el Manchester o diferencial Manchester. La codificación Manchester se caracteriza por el hecho de

que cada período de bits se divide en dos intervalos (Fig. 3) Por tanto, un bit binario que representa uno (1) tiene un alto nivel en el primer intervalo y bajo en el segundo. Un bit binario, que es cero (0) es el opuesto del uno. Esto asegura que cada intervalo de bit no es una transición que ayuda a la sincronización entre las máquinas. Esta codificación requiere el doble de ancho de banda que una codificación binaria directa, ya que cada bit se representa mediante dos elementos de señal. Diferencial codificación Manchester es una variación de la codificación Manchester. En ella el bit uno (1) está representada por ninguna transición en el comienzo del intervalo de bits y cero (0) se representa por la presencia de una transición en el comienzo del intervalo. En cualquier caso, la transición en el medio del intervalo permanece.

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Señal tiempo

Dato

Manchester (G.E.Thomas)

Manchester (IEEE 802.3)

Fig.3. codificación Manchester en Ethernet

(Señales: Arriba señal tiempo, datos en medio y diferencial Manchester abajo)

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Fig.3b. Codificación Manchester diferencial

Métodos de transmisión de datos Cada dispositivo en una red Ethernet tiene su propia tarjeta de red que ofrece la dirección física de 6 bits. El campo de la dirección de origen es Unicast (unidifusión), que significa que se deriva de una sola estación. Sin embargo, la dirección de destino puede ser:

• Enviar (unicast): si el objetivo es sólo un dispositivo • Múltiples envío (multicast): si los objetivos son distintos dispositivos

• Distribución (emisión): este es un caso especial de multidifusión en el que todos los dispositivos son objetivo.

Sostenibilidad de la transmisión Hemos dicho que Ethernet utiliza un método de acceso al medio CSMA / CD. Para que funcione el método CSMA / CD, requiere una

restricción en el tamaño del paquete, el caso que se debe evitar, es en donde una estación termina el envío de un pequeño paquete de datos antes de que el primer bit ha alcanzado el otro extremo del cable donde se produce una colisión. Esto significa que el tiempo de transferencia de un paquete debe ser al menos dos veces el tiempo máximo de transmisión. Este es el tiempo necesario para detectar los conflictos en el caso más extremo.

De esta manera LAN 10 Mbps de 2.500 metros y cuatro repetidores, suponiendo que la velocidad estimada de propagación de la señal electromagnética es 2,108 m / s * se estima que el tiempo para una ida y vuelta es de aproximadamente 50μs. Esto significa que el paquete mínimo debe ser de 500 bits, se redondeará a 512 bits. Si se aumenta la velocidad de la red, la longitud mínima del paquete también debe aumentar o disminuir la longitud máxima del cable. Por ejemplo, para 1 Gbps paquete mínimo de red debe ser 6400 bytes o la distancia mínima entre las estaciones debe ser 250 m.

* La velocidad de propagación en medios de cable es un promedio de 0,7 la velocidad de la luz o sobre 210,000,000 m / s o 4,76 ns / m y puede fluctuar dentro de ciertos límites.http://en.wikipedia.org/wiki/Wave_propagation_speed

Los métodos de sostenibilidad están tratando de responder a la pregunta, ¿qué se debe hacer cuando el canal está ocupado? En particular, el procedimiento para la sostenibilidad 1 después de la estación se encuentra una línea libre, envía el paquete (probabilidad 1). Por lo tanto, este método tiene la mayor probabilidad de conflicto como diferentes estaciones pueden ver el canal vacío y enviar paquetes.

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Esta norma utiliza el algoritmo exponencial binario de retardo como un proceso de aleatorización cuando se trata de conflictos. En este algoritmo después de tiempo de colisión se divide en intervalos y la duración del tiempo de la distribución de ida y vuelta es 2t. Después del primer conflicto, cada estación de espera ya sea 0 o 1 intervalos de tiempo antes de que vuelve a intentarlo. Después del segundo conflicto, elige entre 0, 1, 2 y 3 intervalos antes de volver a intentarlo. Si volvemos a entrar en conflicto, el número de plazas sería de entre 0 y 2i - 1, i es el número de conflictos. Desde hace más de 10 conflictos armados en el número de asignación al azar se fija en 1.023 intervalo. Al llegar a 16 conflictos se informan errores. Por último, la eficiencia de la canal se puede calcular por la fórmula:

Ecanal = 1/(1 + 2BL/cF)

Donde F es la longitud del paquete, B es el ancho de banda, L es la longitud del cable y c es la velocidad de propagación de la señal. Fácilmente se observa que el aumento de ancho de banda o la longitud de la red, hacen al canal menos eficaz para una determinada longitud del paquete.

Dispositivos utilizados en las redes de nivel de información • Los administradores de centros de cómputo (computadoras centrales), que permiten la gestión de grandes cantidades de datos y resolver muchos problemas computacionales complejos. Pueden soportar cientos o incluso miles de usuarios; • Estaciones de trabajo e interfaces hombre-máquina; • Módulos de entrada-salida; • sistemas de robots y PLC.

Topología de la red de nivel de información • El nivel de información se caracteriza por el uso de la topología de "estrella" en el que los grupos de dispositivos están conectados por punto-a-punto a un conmutador (fig. 4). Garantizando así: • Los nodos de la red, el apoyo a las tasas de transferencia de 10/100/1000 Mbit / s, como la coordinación de velocidad se realiza mediante interruptores; • Oportunidades para simplificar el cableado estructural, mantenimiento y diagnóstico.

Tipos de cambio en el nivel de información

Los intercambios típicos para este tipo de nivel de información son los siguientes:

Los datos de entrada-salida:

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• Los paquetes se transmiten a través de los protocolos UDP / IP, ya que la principal ventaja es el alto rendimiento de UDP; • El intercambio se realiza a través de pequeños paquetes, los críticos en el tiempo y los vínculos implícitos que tienen una larga vida.

El intercambio de información de carácter general:

• Los paquetes se transmiten a través de los protocolos TCP / IP; • También se utiliza en la no-crítico en las matrices de tiempo a un volumen alto; • El cambio se hace a través de vínculos explícitos con un tiempo de vida corto.

• Intercambio cíclico sincronizada en tiempo real: • Los paquetes se transmiten a través del protocolo UDP;

Sincroniza datos transmitidos cíclicos entre el dispositivo - el fabricante y cualquier número de usuarios.

Fig.4. Topología estrella en Ethernet

Internet industrial La versión estándar de Ethernet para aplicaciones de automatización industrial se denomina Ethernet Industrial. Muchas

organizaciones están unidos en la idea de un protocolo común para Ethernet Industrial. Versiones de diversas organizaciones son incompatibles operacionalmente. Especificaciones más populares:

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• Ethernet / IP (Open DeviceNet Vendor Association);

• Foundation Fieldbus alta velocidad Ethernet (Foundation Fieldbus);

• Interbus sobre Ethernet (Interbus Club);

• Abrir Modbus (ModConnect);

• Profinet 1.0 / 2.0 (organización de usuarios de Profibus);

• IDA (IDA Group).

Recientemente, más y más organizaciones se mueven hacia el uso de Ethernet / IP *. El uso de productos de Ethernet por un lado sigue la dirección general de la tecnología moderna, y por el otro tiene la oportunidad de acceder a cualquier dispositivo de nivel de información a través de Internet. Ethernet / IP es una red abierta que utiliza:

• El estándar IEEE 802.3 para los medios físicos y el nivel de información; • Un conjunto de protocolos estándar Ethernet TCP / IP; • Protocolo de Información de Control (CIP) - protocolo que garantiza el intercambio de comunicaciones de E / S en tiempo real y el intercambio directo de mensajes de información.

(Revisado en las normas de la tarea 4 ControlNet y DeviceNet protocolo también utilizar CIP). (* En la combinación de Ethernet/IP, IP se interpreta como protocolo Industrial, no como protocolo de Internet, porque incluye el protocolo CIP) Esencialmente el estándar Ethernet (IEEE 802.3) sólo cubre la capa de enlace de datos y física del modelo OSI y no garantiza el

transporte de mensajes en la red o entre múltiples redes. Es el protocolo TCP / IP que proporciona la entrega de mensajes y Ethernet sin este sería inútil. La enorme popularidad de Internet y la conectividad de las redes de información industrial a Internet obliga a hacer la elección de los protocolos TCP / IP casi obligatorios para las especificaciones de nivel industrial de redes de información.

TCP / IP es un protocolo de la capa de transporte y la red de Internet y ofrece una gama de servicios entre los dispositivos. Protocolo TCP para las funciones de control de transmisión en el nivel de transporte y realiza el control de flujo y la corrección de errores de transmisión. . El protocolo IP, se añade direcciones IP del remitente y el destinatario, y encuentra su camino a través de puentes y pasarelas de la red del remitente-tono de nodo que recibe el mensaje. Proporciona un vínculo entre estaciones ubicadas en diferentes redes (por ejemplo, Ethernet y Token Ring).

UDP / IP (protocolo de datagrama para el usuario), también se utiliza en conjunción con una red Ethernet. UDP / IP proporciona un intercambio rápido y eficaz de los datos en tiempo real.

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Dado que no existe una conexión directa entre la red Ethernet y las direcciones de Internet utilizados (direcciones IP), se requiere el uso de otro protocolo - Protocolo de resolución de direcciones (ARP). Protocolo ARP se usa para traducir direcciones virtuales de las estaciones de la red en la dirección física (dirección MAC), en forma de módulos de hardware no "entienden" las direcciones IP que son ficticios y utilizado sólo por software.

Los trabajos de hardware con las direcciones MAC de Ethernet son de 48 bits.

Para un buen funcionamiento de esta Ethernet / IP y el suministro de una corriente de capa de aplicación del protocolo CIP (Common Industrial Protocol). Ethernet / IP utiliza la red de comunicaciones mecanismo de "productor / consumidor" como las redes DeviceNet y ControlNet. Figura 5 muestra el modelo de red de Ethernet / IP.

Con la introducción de la tecnología de Ethernet conmutada * y dúplex casos método de transferencia de colisiones (conflictos de datos) teóricamente se retiró y la productividad y el rendimiento de la red basada en Ethernet / IP aumentó significativamente (para más detalles sobre los protocolos en redes industriales ver material adicional "Ethernet Blue Book" en formato PDF y material de "Industrial Ethernet", también en formato PDF y http://www.highteck.net/EN/Ethernet/Ethernet.html )

* Hay una gran diferencia entre el original denominada tecnología Ethernet compartida y tecnología para el acceso conmutado que existe hoy en día, pero la semejanza es sólo en el nombre. Tecnología de acceso conmutada funciona mediante la creación de una gran tabla de direcciones para controlar el acceso al medio (dirección MAC) y envía el flujo destinado a un MAC en un centro muy rápido de silicio interruptor (no una simple concentrador) , que es por lo general dúplex completo Como resultado, el paquete llega justo en el lugar para el que está destinado a y no es visible para otros (o casi) En esta forma que cada dispositivo tiene ancho de banda completo (10/100 Mbps o más) sin compartir con otros dispositivos Por otra parte, los conmutadores modernos son capaces de almacenar los paquetes de datos y no a enviar hasta que se verifique su integridad (integridad) este método es más lento pero más fiable

Algunas de las ventajas de Ethernet/IP son: • Aumento de la velocidad, por encima de 9,6 kbit / s con interfaz RS-232 a 1 Gbit / s con Gigabit Ethernet sobre CAT5E/CAT6 cables o fibra óptica • Mayor distancia • Capacidad para utilizar los puntos de acceso, routers, switches, hubs, cables y fibra óptica, que son inmensamente más barato que los dispositivos de puerto serie equivalente • Capacidad para tener más de dos nodos de enlace, lo que era posible con RS-485, pero no con RS-232 • arquitecturas peer-to-peer pueden reemplazar a los maestro-esclavo

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• Mejor interoperabilidad

Dificultades del uso de Industrial Ethernet:

• Migración de sistemas existentes a un nuevo protocolo (sin embargo, muchos adaptadores disponibles) • Usos en tiempo real pueden sufrir los protocolos que utilizan TCP (aunque algunos utilizan UDP y protocolos de capa 2 por este motivo) • La gestión de una pila TCP / IP entera es más complejo que la simple recepción de datos en serie • El tamaño de trama Ethernet Fast mínimo incluye el espaciado entre tramas es de unos 80 bytes, mientras que los tamaños de comunicación de datos industriales típicas pueden estar más cerca de 1-8 bytes Esto a menudo resulta en una eficiencia de la transmisión de datos de menos de 5%, anulando cualquier ventajas de la tasa de bits más alta

o En Gigabit Ethernet el tamaño mínimo de trama es 512bytes, reduciendo la eficiencia típica a menos de 1% o Algunos de los protocolos Ethernet industriales introducen modificaciones en el protocolo Ethernet para mejorar la eficiencia

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Fig5. Modelo de red de Ethernet / IP

Ventajas de las redes industriales de información basadas en Ethernet

En resumen, podemos resumir las ventajas de Ethernet basado en IIN:

• Los componentes Ethernet estándar y el equipo pueden ser utilizados • No se necesita ningún plan especial para el tráfico de red, lo que simplifica la configuración y puesta en marcha de la red; • El tamaño y el contenido del paquete de datos que se pueden cambiar en el transcurso de las operaciones de gestión. Esto facilita los cambios dinámicos y la adición o eliminación de los dispositivos de la red • Cualquier dispositivo compatible con Ethernet IEEE 802.3 se puede colocar en la red sin el uso de especial o puertos • Soporta todas las topologías de red Ethernet típica • La transición a Gigabit Ethernet se vuelve demasiado fácil sólo por la tecnología de sustitución de la plataforma

Otras características de Ethernet industrial

El hardware está diseñado para operar en condiciones muy duras - temperaturas extremas, vibraciones, golpes, etc.

• Alimentación DC es típicamente 24 V. Reserva de energía de reserva en caso de emergencia se necesita. • El equipo está construido de forma modular para el reemplazo fácil y rápido cuando sea necesario. • La mayor parte del tráfico (el 80%) es local aquí - entre los dispositivos locales de la red por lo que se utiliza a menudo multicast mecanismo. • La mayoría de los mensajes debe ser transmitida y ejecutado en tiempo real. • La combinación de protocolos TCP / IP se ha elaborado una serie de tecnologías para apoyar estos requisitos. Para apoyar la optimización del acceso síncrono a los datos, el equipo de Ethernet industrial debe tener suficiente "inteligencia" como la gestión y el análisis de multidifusión IMGP (Internet Group Management Protocol) Tráfico (IGMP), QoS (Quality of Service - Calidad de Servicio) y otros. • De gran importancia aquí es la seguridad, cuya violación puede dar lugar a consecuencias inesperadas en la empresa.

PROFINET PROFINET es un estándar abierto para redes industriales Profibus modelo base (véase la tarea 3.1 material de capacitación) Es compatible tanto con transferencia cíclica y acíclica y utiliza una arquitectura modular. PROFINET utiliza las siguientes normas:

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• Estándar IEEE 802.1 • Ethernet TCP / IP y UDP • Los protocolos especializados para en tiempo real • modelo de componentes COM • Nivel de aplicación DCOM • Modelo de objetos con objetos PROFINET con fuerte integración de Profibus en el modelo de objetos a través de proxy • Gestión de Red Fig. 6 se muestra el modelo de red de PROFINET.

Fig.6. Modelo de red de PROFINET

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Otras normas y modificaciones PROFinet IRT PROFINET es uno de los estándares más utilizados para los sistemas de automatización de bus de campo con una arquitectura

distribuida El desarrollo de PROFINET a través de los años ha dado lugar a su creación como solución de Ethernet en tiempo real para la automatización industrial La aparición de la denominada Swiched Ethernet como respuesta a las necesidades actuales de la industria para la transferencia de grandes volúmenes de información hizo posible el desarrollo de PROFINET IRT, que es Swiched Ethernet basada en redes de comunicaciones, cumpliendo con las altas exigencias en términos de rendimiento dinámico en el campo de la ingeniería. IRT es un canal definible (canal determinista), conectado en la red, que soporta tanto una red TCP / IP en la carretera y en los dispositivos Canal IRT se implementa hardware para lograr una gestión adecuada del tráfico (control de movimiento) la eficiencia.

A diferencia de las tecnologías basadas en Ethernet utilizados tradicionalmente PROFINET IRT soporta el llamado modo isócrono, donde se sincronizan con precisión todos los puntos de la red. Para la sincronización es necesario definir la división del ancho de banda soportado en dos partes - Interruptores isócronos y no isócronos incluidos en las redes de comunicación Ethernet en tiempo real isócrono están sincronizados con el ciclo de la comunicación. Una sincronización de alta precisión (menos de un milisegundo) es posible mediante el uso de un mecanismo automático que registra con precisión todos los parámetros del canal El ciclo de comunicación se divide en dos partes - determinables (determinista) y abierto. En canal abierto isócrono Switched Ethernet con TCP / IP son transportados mientras que el canal determinables se utiliza para transferir los marcos cíclicos

PROFINET IRT soporta velocidades de transferencia más altas. Se sabe que la tecnología Ethernet conmutada tiene deficiencias significativas, evidenciadas por el hecho de que los marcos permanecen por algún tiempo en el interruptor antes de ser reenviados a través de la red. El período de tiempo durante el cual se transmite información a través de la red aumenta significativamente. El mecanismo especial diseñado específicamente para las soluciones de Ethernet en tiempo real isócrono compensa el defecto descrito. Velocidad de transferencia una red Ethernet IRT es de unos 100 Mbit / s cuando se opera en el modo de comunicación de dos vías. La alta velocidad hace posible la sincronización simultánea de más de 100 ejes de movimiento, con tiempo de ciclo inferior a 1 ms. Violaciones en la sincronización son menos de 1 microsegundo en paralelo sin restricciones TCP / IP de tráfico característica de Switched Ethernet. La tecnología de comunicación IRT proporciona una funcionalidad estándar en el canal abierto.

EtherCAT

EtherCAT es un estándar digital para el control de movimiento, desarrollado por Beckhoff. Como denominación, EtherCAT es una abreviación de Ethernet para la tecnología de automatización de control. Aunque es posible que las redes EtherCAT se utilicen para

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construir sistemas de control distribuido, hay que tener en cuenta que la norma fue desarrollada principalmente para la gestión centralizada. Como las redes de arquitectura EtherCAT pertenecen a las denominadas soluciones de maestro / esclavo. Dado que es compatible con otras soluciones basadas en redes Ethernet TCP / IP y PROFINET soporta topología Ethernet. La capacidad de la red para cubrir hasta 1000 E / S, mientras que proporciona dúplex completo. En las redes EtherCAT el nivel físico se construyen utilizando cobre o cable de fibra óptica. El maestro gestiona la transmisión de información a través de la red. Por lo general, Beckhoff utiliza controladores basados en PC TwinCAT OS y redes TwinCAT Y. EtherCAT tienen una función de sincronización interna, a pesar de que su sincronización externa se consigue de acuerdo con los requisitos de la norma IEEE 1588.

El maestro determina la prioridad de la transmisión en tramas de Ethernet sobre el tráfico normal de la red. En la práctica, para controlar el tráfico de red, el maestro inicializa telegramas de comunicación de transmisión que son estandarizados y los campos de datos Ethernet se encapsulan en tramas EtherCAT. Cada telegrama puede contener varios comandos EtherCAT. Por lo tanto se ha implementado una mayor anchura de la hoja de ancho de banda y rendimiento de la red superior, en grandes volúmenes, tales como paquetes de información. Cada comando contiene tres campos separados - carretera (cabecera), para los datos, los llamados WC (Contador de Trabajo). El maestro en las redes EtherCAT tiene control total sobre los esclavos. La información a los esclavos sólo se obtiene después de enviar el comando apropiado en el Maestro, es decir, los esclavos no pueden iniciar la transferencia de datos. En la norma EtherCAT se establecen dos comunicaciones del método - Tipo de éter y UDP / IP encapsulado

.SERCOS SERCOS es una abreviatura para Serial Real time Communication System. Es una norma internacional abierta para la comunicación

entre unidades, actuadores y controles digitales. SERCOS es apoyado por un número de asociaciones comerciales en América del norte, Europa y Japón. Entre las empresas que apoyan el estándar se establecen sobre los fabricantes de unidades de mercado internacional, automatización de equipos y maquinaria, incluyendo el grupo de Bosch Rexroth, Rockwell Automation, Schneider Electric, Samsung Electronics, Mitsubishi Electric Automation, etc...

Las especificaciones de la norma es un entorno abierto para la gestión del tráfico que facilita el intercambio de comunicación entre dispositivos de diferentes fabricantes. Es sincronizada servo de ejes múltiples en tiempo real, cumpliendo así con los requisitos de las modernas máquinas de alta velocidad. Aunque apoya las oportunidades de interfaz de E / S, SERCOS no es un competidor de los sistemas de bus inteligentes destinados a la industria. Una ventaja en comparación con el estándar de + / - 10 V de interfaz analógica es el intercambio de cantidades mucho mayores de datos desde y hacia dispositivos y de entrada / salida. A menudo, sin tener en cuenta que SERCOS está diseñado específicamente para gestionar las unidades digitales, por la relativa baja velocidad de intercambio de información que soporta ha sido criticado. Unidades inteligentes están diseñados para manejar y llevar a cabo algunas interpolaciones en la propia

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unidad, lo que implica la transmisión de muchos menos datos para conducir en comparación con dispositivos analógicos para recibir información completa sobre cada punto de la trayectoria con el apoyo del movimiento.

Ethernet Powerlink Ethernet Powerlink es un protocolo de capa 2 de la ISO / OSI, que permite el intercambio de datos isócronos (estricta) determinista

en tiempo real utilizando el estándar Fast Ethernet (IEEE 802.3u). Permite la transmisión de datos de alta fidelidad con un límite de tiempo de ciclo hasta 200μs y fluctuaciones temporales (jitter) bajo 1μs. Por lo tanto es conveniente para la industria de automatización.

Ethernet Powerlink utiliza el protocolo estándar de Ethernet de Capa 2 con etiqueta de tiempo que actúa como la tecnología TDM en el que los flujos de datos reciben ranuras específicas para la transmisión de tiempo de microsegundos. Esta tecnología elimina el conflicto de paquetes que pueden causar la transmisión de datos en Ethernet LAN compartida. Resuelve el problema de retardo de la red, que es "responsable" de buffering de paquetes de Ethernet conmutada. Ethernet Powerlink utiliza como un perfil de dispositivo de memoria, los siguientes estándares CANopen (véase la tarea 6) y:

• Ethernet TCP / IP y UDP

• SCNM (Slot Communication Network Management) Gestión de pila Powerlink del tráfico de datos

• Dispositivo perfiles CANopen (CiA)

• Transición de CANopen a Ethernet Powerlink compatible con la función en perfiles de comunicación.

En la figura. La figura 7 muestra el modelo de red de Ethernet Powerlink.

A la conclusión de nuestra presentación es bien mencionar un relativamente nuevo estándar IEEE 1588, que permite a los relojes de los dispositivos de red Ethernet internos para sincronizar con un reloj maestro de la red. Esta norma, así como Ethernet Powerlink son adecuados para los casos en que el equipo LAN controlará los movimientos precisos y operaciones de máquina-herramienta y el precio del paquete perdido o de red demoras pueden resultar costoso. (Más sobre esta norma en http://projects.nvna.eu/pj/wp-content/uploads/2011/11/Ivanov_S.pdf )

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Fig.7. Modelo de red de Ethernet Powerlink

IEEE 1588 standard Below are given two tables that show the main features of some standard specifications.

PowerLink SERCOS III EtherCat PROFInet - IRT EtherNet/IP

Nudos instalados 100,000

3,500

1,000,000 CIP Motion 2007

Gestor organizacion EPSG

www.ethernet- powerlink.org

IGS www.isg.org ETG www.ethercat.org PNO www.profibus.com ODVA

www.odva.com

Concentraodr red Specialized motion

bus with field extensions

Specialized motion bus with field

extensions

Industrial Ethernet Fieldbus with motion

Industrial Ethernet Fieldbus with motion

Industrial Ethernet Fieldbus with motion

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Hardware estandar de Ethernet

Si No FPGS o Comm. CPU

No FMMU ASIC

No ERTEC 200/400 ASIC Si

Requiere licencia No No No No No

Ethernet estandar No

Master / Slave programada

No Master / Slave programada

No Master / Slave

No Gestiona tráfico de ERTEC

ASIC e IRT Si

Soporta UDP/TCP-IP Yes necesita

puerta enlace Yes necesita

puerta enlace Yes necesita

puerta enlace Yes necesita

puerta enlace Si

Método sincronización

Propio Propio Propio Propio IEEE-1588

Rendimiento <1us jitter

100 axes @ 1ms 200us min. cycle

<1us jitter 8 axes @ 32.5us

(no IP messaging)

<1us jitter 100 axes @ 100us

<1us jitter 150 axes @ 1ms 200us min. cycle

<200ns jitter 100 axes @ 1ms

Topologias Estrella, Arbol ,Línea (con embedded Hub) Línea

Anillo

Estrella Árbol Línea

Anillo Línea

Estrella, árbol, lineal (con/ embedded

Switch)

Perfiles dispositivo CANopen SERCOS CANopen SERCOS, otros

Profi ProfiDrive CIP Motion Drive

Recursos: http://anp.tu-sofia.bg/djiev/Networks_Layers.htm http://www.citforum.ru/nets/semenov/4/41/eth_4111.shtml http://fmi.wikidot.com/km7 (BG) http://en.wikipedia.org/wiki/10_Gigabit_Ethernet http://en.wikipedia.org/wiki/100_Gigabit_Ethernet

Además de archivos: network specification Ethernet.pdf, industrial_ethernet.pdf y ETHERNET_Powerlink.pdf

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TEST 1. ¿Cuáles son las funciones y características principales del nivel información?

a) Alta velocidad de transmisión. b) Velocidad media de transmisión c) Intercambio de pequeños conjuntos de datos d) Intercambio de grandes conjunto de datos e) Control directo del terminal.

2. ¿Qué tipos de transferencias son típicas de nivel de información? a) Datos entrada/salida b) Transferencia asíncrona en tiempo real c) Intercambio en ciclos síncronos en tiempo real d) Intercambios de carácter general

3. ¿Qué estructura de red es usada mundialmente en el nivel información? a) Jerárquica. b) Estrella. c) Lineal d) Anillo e) Combinación.

4. ¿Qué software es típico en la red en el nivel información? a) Aplicaciones para la configuración y recopilación de datos. b) No critico en tiempo. c) Critico en tiempo. d) Aplicaciones de toma de decisiones. e) Administración de bases de datos.

5. ¿Qué servicios se usan en las redes a nivel información? a) Administración de complejas computadoras (ordenador central) b) Estaciones de trabajo. c) Sensores d) Actuadores e) Interfaz hombre-maquina

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