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Redes industriales

Jhon Jairo Padilla A., PhD.

Sistemas de instrumentación y control modernos Toman mediciones que son

recogidas por instrumentos de medida y que son entregadas a un controlador (un computador) y luego este las reenvía a otros computadores a través de una red de datos.

El uso de redes reduce costos y mejora la eficiencia del sistema de control

Objetivos de un sistema de control: productividad y eficiencia

Funciones de un sistema de control

Control de los procesos y alarmas (ahora soportado por sistemas de control distribuidos)

Control de las secuencias, alarmas (ahora lo hacen los PLCs) Interfaces de usuario centralizadas (ahora sistemas scada) Gestión de la información

Pirámide de automatización Es la forma de organizar

las diferentes funciones de la automatización de una empresa de producción

Contiene diferentes capas con diferentes funciones

La organización por capas depende de la entidad de estandarización.

Modelo CIM (ComputerIntegrated Manufacturing), propuesto por NIST (National Institute of Standards and Technology)

Modelo Teórico CIM

Enterprise Resource Planning

Manufacturing Execution System

Supervisory Control and Data Acquisition

ERP: ENTERPRISE RESOURCE PLANNING

Gestiona la información Automatiza e integra las tareas de negocio, operación y producción de una

empresa. Busca realizar un manejo eficiente de la información, facilitar el intercambio

de datos entre todos los departamentos de la organización Busca pronosticar la oferta y demanda de los productos y/o servicios Busca brindar soluciones prácticas y rápidas a los usuarios, reducir tiempo y

costos de procesos, al igual que acceder a información precisa y confiable.

TICs para ERP En el mercado mundial existen diferentes empresas

proveedoras de soluciones ERP: Oracle, SAP, SSA, IBM, QAD, PeopleSoft, FouthShift

Tipo de Red que utiliza: Redes de Área Local Estándar típico: Ethernet.

MES: Manufacturing Execution System Conecta el nivel de

planeación de recursos empresariales (ERP) con los productivos, a través de sistemas informáticos.

Su principal objetivo es la planeación y el control de la producción en tiempo real, a través de la optimización de los recursos de la organización.

TICs para MES Programación en base de datos como Oracle, SQL server

u otras. La estructura de base de datos debe soportar el sistema,

las interfaces, los cálculos, los reportes, las comunicaciones con otros sistemas, miles de líneas de código y mucho más.

Usan lenguajes de programación estándar como Visual Basic, Delphi, Java, etc.

Tipos de Redes a Utilizar: Redes de Área Local Estándar típico: Ethernet

SCADA: Supervisory Control and Data Adquisition Establece una Interfaz Humano

Máquina (HMI) que le permite al usuario comunicarse con los dispositivos de campo a distancia, para la supervisión y control de las variables de proceso de forma automática.

Recibe los programas de producción, calidad, mantenimiento, etc., del nivel sistema MES y realimenta dicho nivel con las incidencias (estado de órdenes de trabajo, situación de máquinas, estado de la obra en curso, etc.) ocurridas en planta.

Relación ERP, MES, SCADA

En el modelo CIM, SCADA relaciona el

nivel MES y de CONTROL

Emite órdenes de ejecución al nivel sistema de control y recibe situaciones de

estado de dicho nivel.

Componentes Tecnológicos de SCADA Interfaz Humano-Maquina o HMI (Human Machine

Interface): paneles compuestos por indicadores y comandos del sinóptico de control del sistema.

Ordenador central o MTU (Master Terminal Unit): se encargan de centralizar el control de la información realizando tareas de recopilación, almacenamiento, envío y análisis de datos al igual que de gestionar la comunicación con los operadores.

Ordenadores remotos o RTU’s (RemoteTerminal Unit):recolectan y envían los datos locales a la unidad central, de la cual también pueden recibir información.

Red de comunicación: permiten el intercambio de datos bidireccional entre el ordenador central y los remotos. Estándar tipico: Ethernet.

Componentes de un sistema SCADA

DCS: Sistema de Control Distribuido El sistema de control

adquiere el estado de las variables de proceso por medio de los sensores, realiza los cálculos de actuaciones y finalmente lleva a cabo la acción de control

Estructura DCS de Siemens del laboratorio de automatización de la UPB

Gabinete de control central Gabinete de control distribuido

Componentes Tecnológicos del DCS Para ejecutar el control de un proceso existen diferentes

dispositivos electrónicos como: Controlador lógico programable (Programmable Logic

Controller, PLC) Unidad terminal remota (Remote Terminal Unit, RTU) Control numérico por computadora (Computer Numerical

Control, CNC) Controladores industriales

Al unirlos se pueden formar redes donde hay maestros y esclavos.

Tecnología de Redes: Buses de Campo

Proceso de Instrumentación Es la base de la pirámide del

modelo CIM En el nivel de instrumentación se

encuentra la maquinaria de la planta que hace posible el proceso de producción

Aquí se ejecutan las acciones básicas en tiempo real de medición y control, con sensores y actuadores respectivamente

Es importante tener en cuenta la adecuación de las señales para que sean compatibles al sistema

Redes Industriales y de redes de datos Las redes industriales son un tipo especial de redes de

datos Los principios básicos de redes de datos se cumplen

igualmente tanto en las redes industriales como en las redes de oficina.

Las redes industriales: Transportan datos que pueden ser mediciones de una variable,

ordenes de control de un actuador o información complementaria para la gestión de la red

Deben operar bajo condiciones extremas para las que las redes de oficina no están diseñadas.

Conceptos básicos de redes de datos

Modelo de Comunicaciones Simplificado

Modelo de Comunicaciones de datos simplificado

Modelo de Red Simplificado

Tipos de Redes según el medio de transmisión Alambradas (Fijas) Inalámbricas: (Fijas y

Móviles)

Fibra Optica

Cable Coaxial

Par trenzado

infrarrojoEnlaces Radio

Tipos de redes según su cobertura

Fijas

x.25, Frame Relay, ATM, MPLS

Metro Ethernet, FDDI

Ethernet, Fast Ethernet,Gigabit Ethernet

Redes de Area Local (LAN/MAN)

Cobertura pequeña (empresa)/mediana(ciudad) Pertenece a una empresa Altas Velocidades de transmisión internas. Usan difusión en lugar de conmutación Tipos: Bus, estrella, anillo, árbol, inalámbricas

Redes de Area amplia (WAN)

Redes públicas Cubren grandes zonas geográficas Compuestas por dispositivos de conmutación Tipos: Conmutación de circuitos Conmutación de paquetes:

Retransmisión de tramas (Frame Relay) Retransmisión de celdas (ATM) Multi-Protocol-Label-Switching (MPLS)

Internet

Compuesta por muchas redes LAN y WAN Cubre todo el planeta

Tipos de redes según su cobertura en el modelo CIM

Tipos de tráfico en las redes industriales

Topología de redes Fijas

Topología en Malla

Topología en Estrella

jerárquica

Topologías en redes inalámbricas móviles

BTS

MSC Interface A

BSCInterface Abis

Air InterfaceMS

HLR,VLR,MSC

Redes con infraestructura Redes sin infraestructura (ad-hoc)

WLAN

Red Celular

Red de sensores

Red Malladas

Protocolos y arquitectura de protocolos Programas de comunicaciones complejos (monolítico vs.

Por capas) Protocolo: Conjunto de reglas que gobiernan el

intercambio de datos entre dos capas. Componentes de un protocolo: sintaxis, semántica,

temporización. Arquitectura de protocolos

Protocolo de Comunicaciones

Hola

Hola

Solicitud cx

Confirmación cx

Qué hora tiene?

Las 10 am

Descargar archivo

archivo

gracias

De nada

Recibido bien

o.k

AdiósAdiós

Terminar cxTerminar cx

Establecimientoconexión

TransferenciaDe Información

Desconexión

Uso de Protocolos estándares

Normalizaciones Características de un estándar: Asegura un gran mercado, reduce costos Comunicación entre productos de diferentes fabricantes Congelan la tecnología Muchos estándares para la misma función

Organizaciones de normalización en comunicaciones UIT-T (reemplazo del CCITT) ISO (International standards Organization) ANSI (American National Standards Institute) IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers) IETF (Internet Engineering Task Force) Genera los RFCs IAB (Internet Architecture Board) Diseño, Ingeniería y gestión de Internet.

ORGANIZACIONES DE ESTANDARIZACION REDES INDUSTRIALES:

ISA (International Society of Automation) NIST (National Institute of Standards and Technology) (U.S.A). Depende del

Departamento de Comercio de USA.

Modelo OSI

OSI: Open Systems Interconnection Desarrollado por la ISO (International Standards

Organization) Tiene 7 Capas: Aplicación Presentación Sesión Transporte Red Enlace de datos Física

Capas del modelo OSIAplicación Acceso al entorno OSI y proporciona

servicios distribuidos

Presentación Proporciona independencia en la representación de los datos

Sesión Establece, gestiona y cierra las conexiones entre las aplicaciones

Transporte Seguridad, transferencia entre los extremos, recuperación de errores y control de flujo

Red Transmisión de los datos a través de las redes, crea, mantiene y cierra conexiones

Enlace de datos Comunicación punto a punto entre el Host y el dispositivo de acceso a la red. Sincronización, control de errores y de flujo

Física Transmisión sobre el medio físico. Características físicas de las señales.

Arquitectura TCP/IP Desarrollada por DARPA (Defense Advanced

Research Projects Agency) para su red de conmutación de paquetes

Usada en Internet Tiene 5 capas independientes: Aplicación Transporte Internet Acceso a la red Capa física

Capas de TCP/IP

Física: Define la interfaz física entre el Host y la red (tipo de medio de tx, modulaciones, velocidades, etc)

Acceso a la red: Intercambio de datos entre la red y el Host. Depende del tipo de red de acceso (LAN y WAN en sus diferentes tipos)

Internet: Encaminamiento a través de las diferentes redes. Se implementa tanto en los Host como en los routers (interconecta dos redes)

Capas de TCP/IP Transporte: Se encarga de la entrega de los paquetes

entre origen y destino y asegura su entrega confiable y en orden

Aplicación: Se encarga de implementar las diferentes aplicaciones del usuario. Cada aplicación necesita un software diferente.

Modelo de la arquitectura de protocolos TCP/IP

Arquitectura de protocolos TCP/IPCapa Nombre Problema solucionado

1 Física Modulación, Transmisión por el medio, Corrección de errores en bits

2. Enlace Control de errores en los paquetes. Secuencia de paquetes. Enlace entre dos computadores

Acceso al medio Compartición del medio de transmisión (Ethernet, WLAN, celulares)

3 Red Interconexión entre redes de acceso de diferentes tecnologías (WLAN, GPRS, Ethernet, Wimax)

4 Transporte Control de la secuencia de mensajes, Control de errores en la Internet, control de congestión (Protocolos TCP, UDP, RTCP)

5 Aplicación Aplicaciones de usuario (correo electrónico, transferencia de archivos, web, voz/IP, etc)

Comparación OSI y TCP/IP

Conceptos de direccionamiento

Transición IPv4 a IPv6La versión actual del protocolo IP es la IPv4

Características de IPv4:Direcciones de 32 bitsLos usuarios son fijosUn solo tipo de servicio (Best Effort)Problema principal de IPv4: Agotamiento de las direccionesEstamos en una transición hacia una nueva versión de IP: IPv6IPv6 tiene 128 bits de direcciones, soporta varios tipos de servicios, mejora la seguridad y la movilidad

Uso de IPv6: Internet de las cosas

Estándares en redes industriales Modbus es un estándar de facto posicionado en los últimos 15

años. Ha habido controversia por la necesidad de buses de campo

que interconecten instrumentos de medición, plc, computadores de escritorio. Han aparecido estándares como profibus, ASi, Device net y Foundation Field bus.

También se utilizan rs-232c y rs-485 Ahora se esta utilizando ethernet. Antes no se hacia por su

aleatoriedad en el acceso y la posible perdida de datos (por csma/cd)

Ahora,con el uso de switches,es mas confiable este sistema El uso de ethernet implica el uso de la arquitectura tcp/ip

Estándares en redes Industriales

Necesidad de Buses de campo

Evolución de los buses de campo