PROTOCOLOS INDUSTRIALES

Ana Milena Abril Diaz Angelica Malagn Medina Laura Salamanca Noy

UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIA SECCIONAL BOGOTA AUTOMATIZACION DE PROCESOS INDUSTRIALES 2012

ContenidoContenido............................................................................................................ 2 PROFIBUS............................................................................................................3 TOPOLOGIA DE PROFIBUS.................................................................................4 MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI: PROFIBUS...................................................5 FIELDBUS............................................................................................................. 6 2.1. VENTAJAS..................................................................................................6 MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI: FIELDBUS...................................................7 DEVICENET..........................................................................................................8 MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI.....................................................................9 MODOS DE COMUNICACIN............................................................................10 HART................................................................................................................. 10 MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI..................................................................11 MODBUS............................................................................................................ 12 5.1. CARACTERISTICAS...................................................................................12 VENTAJAS....................................................................................................... 13 MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI...................................................................13 DNP3 O DISTRIBUTED NETWORK PROTOCOL 3...................................................14 6.1. CARACTERSTICAS DE DNP3....................................................................14 MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI..................................................................15 CANOPEN........................................................................................................... 16 CARACTERISTICAS..........................................................................................16 VENTAJAS....................................................................................................... 16 MODELO DE COMUNICACIONES......................................................................17 BIBLIOGRAFIA.................................................................................................... 17

PROFIBUS

Es un estndar de comunicaciones para bus de campo, empleado para interconexin de dispositivos de campo de entrada/salida simples con PLCs y PCs. Fue un Estndar desarrollado entre los aos 1987-1990 por BMBF (Germn department of education and research), y por otras como ABB, AEG, Honeywell, Siemens, Landis & Gyr, Phoenix Contact, Rheinmetall, RMP, Sauter-cumulus y Schleicher. En 1989 la norma alemana DIN19245 adopt el estndar, partes 1 y 2 (la parte 3, Profibus-DP no fue definida hasta 1993). Profibus fue confirmada como norma europea en 1996 como EN50170. Profibus maneja 3 tipos de perfiles compatibles entre s, dos de ellos constituyen los perfiles tpicos de comunicacin de Profibus, mientras el otro constituye un perfil de aplicacin:

PROFIBUS-DP (PREFERIDA DESCENTRALIZADA): Se diseo especficamente para optimizar y ofrecer una mayor velocidad, eficiencia a un bajo costo de conexiones para establecer la comunicacin crtica entre los sistemas de automatizacin y los equipos perifricos. La velocidad de comunicacin alcanza hasta los 12 Mb/seg. PROFIBUS-PA (Automatizacin de Procesos):

Es una versin mejorada de Profibus-DP, con una tecnologa apta para ambientes peligrosos y con riesgo de explosin, mediante el uso de cable de cobre de dos hilos, basados en la norma estndar IEC 1158-2. Permite la conexin tanto de sensores como actuadores a una lnea de bus comn en reas especialmente protegidas, la velocidad de comunicacin alcanza los 31.2 kbits/seg. En este tipo de serial, se pueden utilizar las topologas lineales, en rbol y estrella. PROFIBUS-FMS (FIELDBUS MESSAGE SPECIFICATION):

A diferencia de los dos perfiles anteriores, este perfil es capaz de manejar todas las tareas intensivas de transferencias de datos comunes en las comunicaciones

industriales, por lo que es considerado universal para la transferencia de informacin en el nivel superior y de campo del modelo jerrquico de automatizacin. La velocidad de transmisin puede llegar a alcanzar hasta 1.5 Mb/seg. En funcin del medio utilizado.

TOPOLOGIA DE PROFIBUS Profibus utiliza dos tipos de topologas ellas pueden ser en forma de bus lineal o en forma de rbol, en el que los repetidores constituyen el nudo de partida de una expansin del bus.

MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI: PROFIBUS En Profibus, el modelo de referencia ISO/OSI, est restringido a 3 capas: Capa Fsica Basada en la Norma RS-485 Informacin en la polaridad (en RS-232 nivel), utiliza un cable par trenzado apantallado en ambientes con EMI elevadas y un par trenzado sin apantallamiento en ambientes con EMI menores, el tipo de transmisin es asncrona. Permite desviaciones en frecuencias menores de 0.3%. Capa de Enlace Se basa en la proteccin contra errores UART: Error de frame (bit stop no recibido) y Error de overrun (sobreescritura caracteres), detectar y corregir errores 1 bit y errores dos bits. -Tipos de estaciones: Estaciones activas (maestros): Enviar informacin por iniciativa propia, solicitar datos de otras estaciones, estaciones complejas (PLC, PC,...). Estaciones pasivas (esclavos): Slo comunica si una estacin activa lo autoriza. Estaciones sencillas (sensores, actuadores, etc). Algunas se pueden configurar como activas o pasivas.

Capa de Aplicacin Este bus de campo es el nico capacitado para interconectar reas de produccin industriales de forma homognea, gracias a las tecnologas de transmisin complementarias, a un perfil de comunicacin unificado y a los perfiles aditivos de aplicacin para funcionalidades tpicas de dispositivos, por ejemplo Devices, PROFIdrive o PROFIsave.

FIELDBUS

Foundation Fieldbus (FF) es un protocolo de comunicacin digital para redes industriales, especficamente utilizado en aplicaciones de control distribuido. Puede comunicar grandes volmenes de informacin, ideal para aplicaciones con varios lazos complejos de control de procesos y automatizacin. Est orientado principalmente a la interconexin de dispositivos en industrias de proceso continuo. Los dispositivos de campo son alimentados a travs del bus Fieldbus cuando la potencia requerida para el funcionamiento lo permite.

2.1. VENTAJAS Al implementar una automatizacin con protocolos FIELDBUS se tienen las siguientes ventajas: Instalaciones econmicas: Al implementar instrumentos con este tipo de protocolos, se tiene un uso reducido de cables, ya que cada instrumento digital del proceso posee un cable que va directamente conectado al bus principal reduciendo los costos de instalacin.

Mantenimiento econmico: Dado que la implementacin de este tipo es

menos compleja, se tiene la ventaja de detectar ms fcilmente cual es el causante del problemas, detectar ms rpidamente los cables abiertos y las zonas en las cuales se deben de realizar mantenimientos y realizar su debido mantenimiento ahorrando as adems tiempo.

Mejoramiento del desempeo: Con este tipo de tecnologa se obtiene gran

desempeo, flexibilidad de crecimiento, garantizando tiempo real de respuesta y la capacidad de procesar gran cantidad de informacin.

MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI: FIELDBUS Fieldbus utiliza dos tipos de capas, entre ellas est la capa fsica, enlace y la de aplicacin: Capa Fsica Este tipo de protocolo utiliza una velocidad de comunicacin relativamente alta, ya que fue diseado para que los gastos generales de comunicacin sean mnimos, satisfaciendo las necesidades de control. Opciones de medios fsicos: Alambre Fibra ptica Radio Opciones de tasa de transmisin: 31.25 kbit/s 1 Mbit/s 2.5 Mbit/s

Capa de enlace de datos La capa de enlace de datos de Fieldbus, capa se compone de dos subcapas: la porcin ms baja es Fieldbus Media Access Control (FMAC) y la parte superior es Fieldbus Data Link Control (FDLC).

Un dispositivo en Fieldbus es uno de los dos tipos de estaciones:

Estacin Maestra: Tiene acceso a los medios (iniciar una comunicacin).

Estacin Esclavo: Responden a una solicitud de un maestro.

Control de acceso al Medio de Fieldbus El medio de acceso a la comunicacin es una fusin entre los principios de token y passing and Polling. Varios dispositivos en una red pueden ser estaciones maestras. Slo la estacin que tiene el token se le permite iniciar la comunicacin. El maestro puede solicitar informacin a los dispositivos esclavos, mientras tengan token. El token se pasa al siguiente maestro en una trama especial.

Capa de aplicacin Las conexiones de Fieldbus se modelan en dos formas:

Modelo Cliente - Servidor: Describe la transferencia de datos acclicos, el AP a distancia se llama servidor. Modelo Editor Suscriptor: Describe la transferencia de datos cclicos el AP a distancia se llama editor.

DEVICENET DeviceNet es una red de control inteligente de bajo costo que conecta una amplia gama de dispositivos inteligentes como: sensores, vlvulas, lectores de cdigo de barras, actuadores, variadores de frecuencia, PCs, controladores lgicos programables, etc.

3.1. VENTAJAS

Hace eficiente el uso del ancho de banda a travs de la comunicacin productor-consumidor. Instalacin rpida y sencilla, resultando un ahorro tanto de tiempo como de especio, eliminando el conexionado elctrico estndar. Responde de una forma fcil de acuerdo al aumento de las necesidades.

MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI Capa Fsica Su topologa constituye un bus, alimentacin y seal del mismo cable, el tipo de cable que utiliza es un par trenzado para alimentacin y un par trenzado apantallado para seal, la cantidad de nodos que utiliza llegan hasta 64 nodos y su alimentacin es de 24 VDC, 8 A.

Capa Enlace de Datos

Utiliza la norma CAN (ISO 11898), el mtodo de acceso que utiliza DeviceNet es multicasting, todos los nodos reciben todos los mensajes, el tamao del paquete de datos que soporta vara entre 0 a 8 bytes, los mensajes ms largos son enviados en paquetes de 8 bytes. Capa de Transporte y Red DeviceNet requiere que una conexin sea establecida antes de que haga cambio de datos con el dispositivo. Para establecer esta conexin, cada nudo DeviceNet debe implementar el Unconnected Message Manager (UCMMO) o el Group 2 Unconnected Port. Ests dos mecanismos de afijacin utilizan mensajes del tipo explicit para establecer la conexin, que a seguir ser utilizada para el cambio de datos de proceso entre un nudo y otro. Este cambio de datos utiliza mensajes del tipo I/O. Los telegramas DeviceNet son clasificados en grupos, el cual definen funciones y prioridades especficas. Ests telegramas utilizan el campo identificador (11 bits) del frame de datos CAN para identificar nicamente cada una de la mensajes, garantizando as el mecanismo de prioridades CAN.

Capa de aplicacin Utiliza los perfiles normalizados disponibles de la especificacin ODVA (OPEN DEVICENET VENDOR ASSOCIATION). Los usuarios pueden expandir dicha funcionalidad ms all de este perfil normalizado.

MODOS DE COMUNICACIN El protocolo DeviceNet tiene dos tipos bsicos de mensajes I/O y explicit. Cada uno de ellos es adecuado a un determinado tipo de dato. I/O: tipo de telegrama sncrono dedicado a desplazamiento de datos prioritarios entre un productor y un o ms consumidores.

Explicit: tipo de telegrama de uso general y no prioritario. Utilizado principalmente en tareas asncronas tales como parametrizacin y configuracin del equipamiento. HART El Protocolo HART fue desarrollado a mediados de la dcada de 1980 por Rosemount Inc. para usar con una gama de instrumentos de medicin inteligente. Originalmente para uso personal de su propietario, el protocolo fue pronto publicado para uso de cualquier persona. En 1990 se form el grupo de usuarios de HART. EN 1993, la marca registrada y todos los derechos del protocolo fueron trasladados a la Fundacin de Comunicacin HART (HCF). El protocolo sigue siendo libre y gratuito para el uso de todos sin necesidad de pago de regalas.

4.1. BENEFICIOS Capacidad Digital Tiene acceso a todos los parmetros y diagnstico del instrumento, soporta instrumentos multivariables.

Compatibilidad Analgica Comunicacin analgica y digital simultnea, es compatible con cableado y equipos 4-20 mA ya existentes. Interoperabilidad Estndar totalmente abierto, los comandos son universales y estructura de datos, optimizado por la Descripcin del lenguaje del Instrumento. Disponibilidad Tecnologa probada en campo como ms de 1.400.000 instalaciones, tiene gran variedad de productos, siendo el protocolo ms usado en instrumentos de campo que cualquier otro en la industria.

MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI El Protocolo HART implementa la arquitectura jerrquica 1, 2, 3, 4 y 7 del modelo de protocolo de 7 niveles de Interconexin de Sistemas Abiertos (OSI): Capa Fsico Est basado en la norma Bell 202, usa la modulacin por desplazamiento de frecuencia para comunicarse a 1200 bps. Las frecuencias de seal que representan los valores de bit 0 y 1 son 2200 y 1200 Hz respectivamente. Capa de Enlace de Datos Define un protocolo maestro-servidor - en uso normal, un dispositivo de campo slo contesta cuando le hablan. Puede haber dos maestros, por ejemplo, un sistema de control como maestro primario y un comunicador porttil HART como maestro secundario. Las reglas de tiempo definen cuando puede cada maestro iniciar una transaccin de comunicacin. Se pueden conectar hasta 15 o ms dispositivos servidores a un par individual de cable multipunto. Capa de red: Suministra enrutamiento, seguridad de punta a punta y servicios de transporte. ste gestiona "sesiones" para comunicacin de punta a punta con los dispositivos correspondientes.

Capa de transporte: El Nivel de Enlace de Datos asegura que las comunicaciones sean propagadas correctamente de un dispositivo a otro. El Nivel de Transporte se puede usar para asegurar que la comunicacin de punta a punta sea correcta. Capa de Aplicacin:

Define los comandos, respuestas, tipos de datos e informes de estado respaldados por el Protocolo. En el Nivel de Aplicacin, los comandos pblicos del protocolo se dividen en cuatro grupos principales: Comandos universales - suministran funciones que se pueden implementar en todos los dispositivos de campo Comandos de Prctica Comn - suministran funciones comunes para muchos, pero no para todos los dispositivos de campo Comandos Especficos para Dispositivo - suministran funciones que son nicas para un dispositivo de campo en particular y son especificadas por el fabricante del dispositivo Comandos para Familia de Dispositivos - suministran un juego de funciones estandarizadas para instrumentos con tipos particulares de medicin y permiten el acceso genrico total sin usar comandos especficos para un dispositivo. MODBUS Fue desarrollado por Modicon para comunicacin entre PLCs. Debido a su simplicidad y especificacin abierta, actualmente es ampliamente utilizado por diferentes fabricantes. Entre los dispositivos que lo utilizan podemos mencionar: PLC, HMI, RTU, Drives, sensores y actuadores remotos. El protocolo establece como los mensajes se intercambian en forma ordenada y se realiza la deteccin de errores.

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5.1. CARACTERISTICAS

Control de acceso al medio tipo Maestro/Esclavo. El protocolo especifica: formato de trama, secuencias y control de errores. Existen dos variantes en el formato: ASCII y RTU Solo especifica la capa de enlace del modelo ISO/OSI. A cada esclavo se le asigna una direccin fija y nica en el rango de 1 a 247. La direccin 0 est reservada para mensajes de difusin sin respuesta.

VENTAJAS Un dispositivo el cual tiene solo un propsito simple necesita solo implementar uno dos tipos de mensaje. Es simple para administrar y expandir. No se requiere usar herramientas de configuracin complejas cuando se aade una nueva estacin a una red Modbus TCP. No es necesario equipo o software propietario de algn vendedor. Cualquier sistema computador o microprocesador con una pila de protocolos TCP/IP puede usar Modbus TCP. Puede ser usado para comunicar con una gran base instalada de dispositivos MODBUS, usando productos de conversin los cuales no requieren configuracin. Es de muy alto desempeo, limitado tpicamente por la capacidad del sistema operativo del computador para comunicarse. Altas ratas de transmisin son fciles de lograr sobre una estacin nica, y cualquier red puede ser construida para lograr tiempos de respuesta garantizados en el rango de milisegundos. MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI Se pueden identificar tres capas: Nivel de capa Fsica, nivel de capa de Enlace y nivel de capa de Aplicacin.

DNP3 O DISTRIBUTED NETWORK PROTOCOL 3 DNP3 es un estndar de telecomunicaciones que define las comunicaciones entre estaciones maestras, unidades remotas (RTU) y otros dispositivos electrnicos inteligentes (IEDs). Fue desarrollado para lograr la interoperabilidad entre los sistemas de empresas elctricas, petroleras, de agua, entre otras. La principal ventaja que presenta DNP3 es que es un estndar abierto que le permite la interoperabilidad entre equipos de diferentes fabricantes.

6.1. CARACTERSTICAS DE DNP3 DNP3 ofrece caractersticas importantes, as como la flexibilidad y la seguridad.

Los mensajes se separan en varias tramas para proporcionar un control ptimo de error y secuencias rpidas de comunicacin. Permite topologa igual-igual, as como maestro-esclavo. Permite topologa de mltiples maestros. Solicitudes y respuestas con mltiples tipos de datos en un solo mensaje, y permite objetos definidos por el usuario. Confirmaciones al nivel de la Capa de Enlace y/o Capa de Aplicacin garantizando as alta integridad en la informacin.

MODELO DE REFERENCIA ISO/OSI

Capa fsica

Capa de enlace de datos Las funciones que ofrece la capa de enlace incluyen el control de flujo y deteccin de errores. Esto se logra agregando una cabecera a cada trama con la insercin de un cdigo inicial de 16-bits, cantidad de bytes enviados en la trama, un byte para control de flujo, direccin de destino, direccin de origen y un CRC de 16-bit para la cabecera y cada 16 bytes de la trama. El tamao mximo de una trama de enlace de datos es de 292 bytes.

Capa de transporte

Esta capa est incluida en DNP3 para permitir la transmisin de grandes bloques de datos. Divide el fragmento recibido por parte de la capa de aplicacin en varios segmentos, agregndole una cabecera de 1 byte a cada uno que indica si se trata del primer, el ltimo, uno intermedio o un nico segmento del mensaje. Tambin agrega un contador de secuencia para detectar si hay prdida de algunos de los segmentos del mensaje. Capa de aplicacin. La capa de aplicacin es el nivel donde se genera los datos para el envo de una solicitud o una respuesta. Al igual que la capa de transporte agrega una cabecera para dar la posibilidad de transmitir mensajes de un solo fragmento o mltiples fragmentos, de esta manera permite el concepto de mensajes de tamao ilimitado. Adems indica si es necesario o se ha pedido una solicitud de confirmacin a nivel aplicacin, indica si es un mensaje no solicitado, he integra un campo de funcin a nivel aplicacin para indicar el propsito o la operacin solicitada del mensaje. CANOPEN Canopen es un protocolo de capa de alto nivel CAN - based. Fue desarrollado como red estandarizada con capacidades altamente flexibles de configuracin. Canopen fue diseado para redes movimiento - orientadas de control de mquina, como sistemas de tramitacin.

CARACTERISTICAS La red es auto configurable. Los parmetros del dispositivo son fcilmente accesibles, Existe una sincronizacin entre dispositivos, La transferencia de datos es cclica, activada por eventos y sncrona (tanto para lectura como escritura).

VENTAJAS

Dispone de una capacidad en tiempo real, Es un sistema modular que engloba dispositivos sencillos y complejos. Existen numerosas herramientas de programacin y verificacin.

MODELO DE COMUNICACIONES El modelo de comunicaciones de CANOPEN define cuatro tipos de mensajes (objetos de comunicacin): Objetos administrativos: son mensajes administrativos que permiten la configuracin de las distintas capas de la red as como la inicializacin, configuracin y supervisin de la misma. Se basa en los servicios NMT, LMS (LSS) y DBT de la capa CAL. Service Data Objects (SDO): objetos o mensajes de servicio utilizados para leer y escribir cualquiera de las entradas del diccionario de objetos de un dispositivo. Corresponden a mensajes CAN de baja prioridad. Process Data Objects (PDO): objetos o mensajes de proceso utilizados para el intercambio de datos de proceso, es decir, datos de tiempo real. Por este motivo, tpicamente corresponden a mensajes CAN de alta prioridad. Mensajes predefinidos: de sincronizacin, de emergencia y time stamp. Permiten la sincronizacin de los dispositivos (objetos SYNC) y generar notificaciones de emergencia en forma opcional.

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