expansion de sistemas distribuidos mediante modulos ethernet

15 de OctubreCrowne Plaza Ciudad de México

ni.com/mexico

Simposio Técnico de Medición y Automatización

Expansión de Sistemas Distribuidos de E/S

Mediante Módulos EthernetMediante Módulos Ethernet

Agenda

• ¿Porqué los protocolos basados en Ethernet?

• Descripción de los Protocolos Industriales Basados en Ethernet

• Agregando E/S Determinísticas a PACs de NI• Agregando E/S Determinísticas a PACs de NI

• Conectando Dispositivos NI a Protocolos Industriales

• Modbus TCP/IP

• Tarjetas PXI/PCI , Profibus

• Ethernet/IP

Agenda



• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI


• Modbus TCP/IP


• Ethernet/IP

¿Porqué Protocolos Basados en Ethernet?

Modbus TCP/IP

PROFInetPROFIBUS

DeviceNet EtherNet/IP

Modbus

CanOPEN EtherCAT

5

Protocolos Industriales

Tradicionales

PROFInetPROFIBUS

Capa Física de

Ethernet

Adopción de Ethernet en la Industria

• Mercado Total de $630M

• Ethernet en realidad significa:

– Ethernet/IP

– PROFInet

– Modbus TCP/IP– Modbus TCP/IP

Fuente: VDC 2006

Agenda





• Modbus TCP/IP


• Ethernet/IP

Modelo OSI y Ethernet Industrial

7. Aplicación

6. Presentación

5. Sesión

Modbus TCP/IPEthernet/IP, PROFInet, yEtherCAT,

4. Transporte

3. Red

2. Enlace de Datos

1. Física

TCP & UDPIP

Ethernet

Los protocolos Industriales Ethernet no sólo

son “Ethernet”: agregan características para

confiabilidad y determinismo, pero la

desventaja es perder compatibilidad con

Ethernet estándar .Ethernet estándar .

Protocolos Industriales Basados en Ethernet

• Modbus TCP/IP

• EtherCAT

• Ethernet/IP

• PROFINET• PROFINET

Similitudes

• Reutiliza la capa 1 y 2 del modelo OSI

– ¿Qué pasa con las otras 5 capas?

• Define dispositivos maestro (scanner) y esclavo (adaptador)(adaptador)

• Dirigidos a uno o mas aplicaciones

– No Tiempo Real

– Tiempo Real

– Tiempo Real Estricto

Objetivos de Aplicación

• No Tiempo Real

– Utiliza TCP/IP o UDP/IP estándar

– Aplicación: PLC a HMI o PLC a SCADA

• Tiempo Real

– Proporciona mayor determinismo con hardware comercialcomercial

– Aplicación: Datos de control

• Tiempo Real Estricto

– Agrega hardware especifico para proporcionar determinismo

– Aplicación: Control de movimiento distribuido

¿Dónde se Ubican los Protocolos?

Modbus TCP/IP PROFInet (NRT)* Ethernet/IP

PROFInet (RT)** Ethernet/IP

EtherCAT PROFInet (IRT)** Ethernet/IP CIP Sync

**También PROFInet IO*También PROFInet CBA


• Modbus TCP/IP

• EtherCAT

• Ethernet/IP

• Profinet• Profinet

Descripción de Modbus TCP/IP

• Primer protocolo industrial en Ethernet (creado en 1999)

– Basado en Modbus desarrollado por Modicon en 1979

– Estánda Ethernetr ampliamente adoptado y abierto

• Ventajas• Ventajas

– Utiliza Ethernet estándar (hardware y capa de transporte TCP/IP)

– Abierto y relativamente simple

• Desventajas

– No es un protocolo de tiempo real estricto

– No proporciona determinismo

Objetos de Datos Modbus

DatoTipo de

Dato

Modbus Modbus EsclavoDescripción Ejemplo

Leer Escritura Leer Escritura000001–065535 Booleano Si Si Si Si Acceso a bobinas sencillas 000001 = {000001}

100001–165535 Booleano Si No Si Si Acceso a entradas discretas sencillas 100002 = {100002}

300001.1–365535.16 Booleano Si No Si Si

Acceso a bits individuales de los registros de entrada y los interpreta como valores lógicos VERDADERO o FALSO. El bit menos significativo es el 1. El bit más significativo es 16.

300001.1 = {the first bit of 300001}

Acceso registros de entrada de 16 bits como 300001–365535 16-bit Entero Si No Si Si

Acceso registros de entrada de 16 bits como enteros entre 0 y 65,535.

300001 = {300001}

400001.1–465535.16 Booleano Si Si Si Si

Acceso a bits individuales de los registros de entrada y los interpreta como valores lógicos VERDADERO o FALSO. El bit menos significativo es el 1. El bit más significativo es 16.

400002.16 = {the 16th bit of 400002}

400001–465535 16-bit Entero Si Si Si SiAcceso registros de entrada de 16 bits como enteros entre 0 y 65,535.

400002 = {400002}

• Modbus TCP/IP

• EtherCAT

• Ethernet/IP

• Profinet


• Profinet

Descripción de EtherCAT

• EtherCAT – “Ethernet Control Automation Technology”

– Grupo de Tecnología Administrado EtherCAT (ETG)

– Abierto y basado en estándares, i.e. IEC 61158


– Protocolo industrial de tiempo real estricto

– Extremadamente eficiente y comunicación directa

• Desventajas

– Orientado sólo a tiempo real estricto (?)

– No esta diseñado para paquetes TCP/IP estándar y paquetes EtherCAT

Principio Funcional: Ethernet “Sobre la marcha”

Analogía Tren Rápido:

• El “Tren” (marco Ethernet) no se detiene

• Aun observando el “tren” por una ventada pequeña se observa el tren completo

• El “vagón” (sub-telegrama) con longitud variable

• Uno puede “extraer” o “insertar” “personas” (bits) o “grupos” enteros – inclusive múltiples grupos por tren

Marcos Ethernet

• Los comandos de EtherCAT son transportados en el área de datos de un marco de Ethernet y pueden ser codificados por medio de un “Ether Type” especial.– “Ether Type” es limitado a una subred Ethernet (no transmitido por enrutadores)

• Modbus TCP/IP

• EtherCAT

• Ethernet/IP

• Profinet


• Profinet

Descripción de EtherNet /IP

• Bus dominante para Rockwell Automation– Administrado por la Asociación de Vendedores de Dispositivos Abiertos (ODVA)

– Extiende los conceptos de DeviceNET a Ethernet


– Utiliza la capa de transporte de Ethernet (TCP y UDP)

• Desventajas

– Puede sobre-cargar las redes con mensajes UDP si no se configura correctamente, se recomiendan switches administrados con monitoreo de IGMP

Clases de Dispositivos

• “Esclavo”• Solo envía datos si son solicitados por un escáner• Soporta mensajes implícitos y explícitos

Clase Adaptador

• “Maestro”• Inicia comunicaciones implícitas y explícitasClase Escáner

• Soporta mensajes implícitos y explícitosClase Adaptador

• Utilizado para configuracion o transferencia de datos sobre demanda

• Permite que la transferencia de datos sea iniciada por cualquier dispositivo

Clase de Mensajes

Adiciones para EtherNet/IP

CIP Sync

• Basado en IEEE 1588• Proporciona reloj compartido a los dispositivos

CIP MotionCIP Motion

• Se construye sobre CIP Sync para realizar control distribuido para moviimiento

• Utiliza reloj compartido no QoS

CIP Safety

• Se construye sobre Seguridad DeviceNet• Dispositivos inteligentes con parámetros de “time-out “

Terminología Ethernet/IP

• TCP/IP• Usados para establecer parámetros e iniciar comunicación implícitaMensajes Explícitos

• UPD/IP multicast• Usados para comunicar datos de E/S• Configuración para actualizaciones cíclicas

Mensajes Implícitos

Comunicación de LabVIEW a

PLC’s ControlLogix

EtherNet/IP

Disponible para descarga desde NI Labs en ni.com/labs

VI’s EtherNet/IP para LabVIEW

• Proporciona VIs para comunicación a las etiquetas “Logix” del PLC

– Lea y escriba directamente a etiquetas de PLC’s Allen Bradley ControlLogix y CompactLogix

• Corre en LabVIEW para Windows y LabVIEW Real-• Corre en LabVIEW para Windows y LabVIEW Real-Time (Pharlap y VxWorks)

• Mensajes explícitos

• Bueno para baja cantidad de

etiquetas

Uso en Controladores RT

• Necesita instalar los controladores de comunicación en el objetivo de tiempo real desde NI Measurement & Automation Explorer

VI’s EtherNet/IP para LabVIEW• Ventajas

– Método simple para comunicarse con PLCs Rockwell

– Comunicación iniciada por LabVIEW (no es necesario cambiar código en el PLC)

– Bueno para comunicar bajos números de etiquetas

– Usa TCP/IP y no requiere de monitoreo de IGMP para prevenir saturación de la redsaturación de la red

• Desventajas

– No recomendado para gran cantidad de etiquetas

• Empaquetado ineficiente de datos sobre Ethernet (comunicación más lenta)

• Mayor carga en el procesador del PLC

– Sólo se puede comunicar con PLC’s Logix de Rockwell

• No soporte para SLC, ni para terceros

• Modbus TCP/IP

• EtherCAT

• Ethernet/IP

• PROFINET


• PROFINET

Descripción de PROFINET

• Bus dominante de Siemens– Protocolo de aplicación que extiende PROFIBUS a Ethernet

– Administrado por PROFIBUS & PROFINET International (PI)


– Soporte para tráfico Ethernet estándar y determinístico

– Usa IEEE-1588 y QoS para agregar determinismo

• Desventajas

– Se recomienda un switch administrado con QoS para RT/IRT

– Switch con ERTEC ASIC para aplicaciones complicadas

Tres Niveles

• No Tiempo Real (NRT) – PROFINET CBA

– Para la puesta en marcha de una planta

– Rango de 100 ms

• RT (Tiempo Real) – PROFINET CBA y PROFINET IO

– Aplicaciones de E/S

– Tiempos de ciclo de hasta 10 ms

• IRT (Tiempo Real Isócrono)– PROFINET IO

– Aplicaciones a nivel sistema

– Tiempos de ciclo de menos de 1 ms Fuente Wikipedia

Ciclo de Red PROFINET• No tiene mensaje de “Inicio de Periodo”

– Sincronización de reloj por medio de IEEE 1588 & asíncrona

• Porción roja del ciclo (isócrona)

• Porción verde del ciclo (asíncrona) – min 125 µs

Tecnología: IEEE-1588

• Tecnología para sincronizar relojes distribuidos

• Precisión basado en variaciones del reloj

Tecnología: IEEE-1588

HRT: Determinismo y Desempeño

Organización Tiempo de

Respuesta (ms)

Variación

(us)

Tasa de

Datos (Mb/s)

EtherCAT ~ 0.1 < 0.1 100

Sercos-III < 0.5 < 0.1 100Sercos-III < 0.5 < 0.1 100

Profinet-IRT < 1 < 1 100

Ethernet Powerlink < 1 < 1 100

Ethernet/IP ~ 1 < 1 100Table 1. Real-Time Comparison of the Various Real-Time MethodsStandards-Based Real-Time Ethernet Now Off-the-Shelf by Klaus Zwerina

Agenda





• Modbus TCP/IP


• Ethernet/IP

Host Computer

(TCP/IP) NI PXI Systemwith Ethernet Interface

NI cRIO-9074

Sistema NI con E/S

Determinísticas Distribuidas

(TCP/IP)

NI cRIO-9074

Sistema NI PXI con Interface Ethernet

NI cRIO-9074

NI 9144

(EtherCAT)(EtherCAT)

NI cRIO-9074

NI 9144

Controladores Maestros NI

• Requerimientos

– CompactRIO o Sistema PXI RT con 2 puertos Ethernet

– NI-Industrial Communications for EtherCAT

Chasís de Expansión NI 9144

2 puertos para conectar en serie

8 ranuras para Serie C

Chasís Robusto• -40 a 70°C• Entrada de 9-30V • “Hazloc” • Impacto/Vibración

Experiencia en LabVIEW

Chasís CompactRIO

{{Chasís de

Expansión NI 9144

Demo de E/S

Determinísticas

Distribuidas

Módulos de E/S Serie C

• Más de 30 módulos analógicos y digitales soportados

– Todos con mediciones de un sólo punto

– Sin soporte para formas de onda (NI 9233/9234)

• Sincronización módulo a módulo y chasís a chasís

EASY POWERFUL OPEN

• Compatibilidad con diferentes chasises NI

Agenda





• Modbus TCP/IP


• Ethernet/IP

Opciones Modbus para LabVIEW

VI’s NI Modbus Servidor de E/S Modbus

Modbus: Conéctese a “Gateways” de Terceros

• Gran variedad de protocolos de comunicación

• Soportado por todos los PACs LabVIEW Real-Time

• No apto para aplicaciones determinísticas

Modbus TCP

PROFIBUSDeviceNetEthernetIPControlNet

PXI/PCI con Soporte en Tiempo Real

• PROFIBUS

• CAN

• CANopen

• DeviceNet• DeviceNet

• FOUNDATION Fieldbus

PROFIBUS

• Compatibilidad con Windows XP/2000, LabVIEW Real-Time

• Software gráfico de configuración de redes

• API de LabVIEW Express para programación simplificada

• Servicios soportados: DPV0 Clase Maestro 1/2, DPV0 Esclavo, DPV1 Clase Maestro 2 DPV1 Clase Maestro 2

VI’s Ethernet/IP para LabVIEW

• VIs para modo de mensajes Ethernet/IP y escáner

• Disponible en NI labs

• Instalador que proporciona VI’s para comunicación a adaptadores Ethernet/IPa adaptadores Ethernet/IP

Demo: VI’s Ethernet/IP

¿Preguntas?

expansion de sistemas distribuidos mediante modulos ethernet

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