2 Parte

CURSO COMUNICACIONES INDUSTRIALES BUSES DE CAMPO Fabiana Ferreira Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

Clasificación de buses de campo Fieldbus:

Funciones Ctrl. de Procesos Ctrl Lógico

• • • • •

FIELDBUS DEVICEBUS SENSORBUS Bit

Byte

Información transmitida en palabras o tablas Variables analógicas y algunas digitales Conectan dispositivos, controladores, Pc´s. Función : Repartir la aplicación. FF, Profibus, WorldFIP, ControlNet

Tipo de Paquetes datos

Sensorbus:

Devicebus:

• Información transmitida en bits • Variables digitales • Conectan captadores , actuadores , botoneras, interruptores, etc. con un controlador central • Función : distribuir E/S digitales • ASi, FlexIO

• • • •

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

2

Smart Device

Bit I/O Impacc

Seriplex

AS-i

PROFIBUS FMS

ControlNet

Device Bus

SensoPlex

Interbus-S

ECHELON

PROFIBUS PA

Modbus + / DH+

PROFIBUS DP

Block I/O Control Bus

SDS

Process Unit World FIP

Field Bus

DeviceNet

Plant

FOUNDATION Fieldbus

Buses de campo Sensor Bus

3

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) 4

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 5

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

Actuator Sensor Interface (ASi) Fabiana Ferreira •Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica

AS-i en automatización • Para conectar sensores y actuadores con controladores

Nivel de control Maestro

Nivel de campo: CAN

DeviceNet

FIP

Interbus Profibus etc.

Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo Esclavo

Sensores y actuadores 7

Ahorro de cableado • Con AS-i

• Cableado tradicional M1

M2

M3

C1 C2

C3

Maestro C4

8

•

Caracteristicas del bus AS-i Maestro Esclavo  Hasta 31 esclavos por maestro Host

 4 entradas y 4 salidas digitales por esclavo

Master

 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 

AS-i Power Supply

Slave Slave

Slave

Slave Slave

Slave Slave

Slave Slave Slave

9

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

Host

M a s t e r Calls

M a s te r

SL 1

1

SL 2

SL31

2

31

SL 1

1

S l a v e Answers 10

Extensión de la red Longitud máxima de todos los cables AS-i en un segmento : 100m Se puede extender la red hasta 300m usando extender o repeater

Solution A: 1 extender and 1 repeater Supply

Supply

!

Master

Supply

Extender

Repeater Slave

Slave

!

Segment max. 100 m

Slave

Slave

Segment max. 100 m

Slave

Segment max. 100 m

Max. number of slaves over all is 31 !

11

Direccionamiento y parametrización de esclavos

• Direccionamiento individual por terminal

•

Direccionamiento automático por el maestro

Master

Addressing unit

Programming and service unit

AS-Interface Master projected parameter Slave 1 1 1 1 0 Slave 2 1 1 1 1

•

actual parameter 1110 1111

Parametrización a distancia

Up to 31x 4 data bits Slave 20 1 1 1 0

1100

Slave 1

Slave 31 1 1 0 0

AS-i Slave 20 actual parameter 1110 1100

Slave 31 1 0 1 0

1010

12

Cableado •

•

Cable Plano mechanical coded flat cable

Cable standard 1.5 mm²

standard round cable

2,9 mm

piercing connectors

AS-Interface electric-mechanics

6...10 mm

shielded round cable

13

Topología

Estrella

Linea

Rama

Controlador

Controlador

Controlador

Maestro Maestro

Maestro Maestro

Arbol Controlador

Maestro Maestro

Maestro Maestro Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo

Esclavo Esclavo

Esclavo

Esclavo

14

Conexión de sensores y actuadores convencionales: Modulos IP67 o IP20 D0 = Señal de sensor

una toma

D1 = Señal de sensor D2 = Señal de actuador

IC esclavo AS-Interface 1 Carcasa de módulo

D3 = Señal de actuador P0

Watchdog

Alimentación eléctrica

Hasta 4 sensores y/o 4 actuadores

15

Señales analógicas

16

AS-i y el modelo OSI

17

Algunas fotos

18

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.

19

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

Controller Area Network (CAN) Fabiana Ferreira Gerardo Stola •Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica

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

21

CAN y el modelo OSI Aplicación Presentación Sesión Transporte

CAL CAN Documentos Device •CANopen SDS King de CiA Net •PCAL dom

Red Enlace Física

Especificación CAN ISO 11898 CAN Phy (ISO 11898)

22

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 23

Arbitración Dos estados lógicos definidos dentro del bus: recesivo y dominante. Equivale a una compuerta lógica AND: Nodo 1

“1” lógico y “0” lógico

Nodo 2 A B

A.B

N1 N2 Bus

A

B A.B

D D R R

0 0 1 1

0 1 0 1

Bus

D R D R

D D D R

0 0 0 1 24

Trama de datos RTR

Delimitadores

recesivo dominante 1

11/29

1

6

Identifi_ cador de objeto

0 ... 64

Campo de datos

Segmento Campo de control CRC Campo de Campo de CRC Arbitraje

Inicio de trama Trama de datos

15

111

7

Campo de fin de trama

3

Espacio inter-trama

Ranura de ACK

Campo de Acknowledge

Tamaño mínimo de la trama de datos: 44 bits Tamaño máximo de la trama de datos: 111 bits ⇒ Throughput = 58% del bitrate

25

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): error orientado al transmisor

errores simples

errores de bit error orientado al receptor 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 múltiples

errores sucesivos múltiples 26

Capa Física CAN Implementada en los controladores basadas en normas y especificaciones propietarias ISO11898

PMA

27

ISO 11898-2 -Topología

A 1Mbit/s Ld<0.3 m

28

Niveles del bus

•

Condición recesiva : CAN_H < CAN_L + 0.5V

•

Condición dominante: CAN_H >CAN_L + 0.9V

29

Nodo ISO 11898-2

•

La tensión diferencial en un nodo está dada por la corriente en la resistencia diferencial

30

Transceivers

31

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

32

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

33

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

DeviceNet Fabiana Ferreira •Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica

Qué es DeviceNet? Es un enlace de comunicación de bajo costo para conectar dispositivos industriales a una red y eliminar cableado costoso DeviceNet es una solución simple de •Fines de carrera comunicación en red que reduce el costo •sensores fotoeléctricos y tiempo para cablear e instalar •sensores inductivos dispositivos de automatización industrial, •válvulas al mismo tiempo que provee • arrancadores de motores intercambiabilidad de componentes •lectores de código de barras similares de distintos fabricantes • •

La especificación y el protocolo son abiertos

variadores de frecuencia •paneles e interfases operador

 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 35

Capas OSI

ISO Layer 7 -Application ISO Layer 2 -Data Link

ISO Layer 1 -Physical ISO Layer 0 -Media

{

{ { {

Application Layer Data Link Layer Physical Signaling Transceiver Transmission Media

}

DeviceNet Application Layer Specification

} }

CAN Protocol Specification

DeviceNet Physical Layer Specification

36

Especificación DeviceNet 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

Perfiles de Dispositivos para obtener interoperabilidad e intercambiabilidad entre productos similares •

Para Capa Física y medio la especificación define:  topologías/ puesta a tierra/ Medios físicos/ Terminadores/ Distribución de potencia

37

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 38

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 121Ω en cada fin de tronco

• •

Admite varias Topologías Básica : Tronco (trunk)- rama (drop line -spurs) 39

Distancias punta a punta

40

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

41

Uso de CAN ID 11 bits 10

9

IDENTIFIER BITS 8 7 6 5 4 3

0

MAC ID

1

1

Group 3 Message ID

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0 HEX RANGE

IDENTITY USAGE

000-3ff

Message Group 1

400-5ff

Message Group 2

Source MAC ID

600-7bf

Message Group 3

Group 4 Message ID (0-2f)

7c0-7ef

Message Group 4

7f0-7ff

Invalid CAN Identifiers

0 Group 1 Msg ID 1

2

Source MAC ID Group 2 Message ID

1

1

•Hay 4 grupos de mensajes con distinta prioridad •Grupo1 y Grupo 3 para emisión •Grupo 2 : emisión y recepción

31 ID´s por cada nodo N

X

X

X

X

•Grupo 1: ID 0 a1023 •Para establecer quien y •Grupo 2: ID 1024 a 1535 cuando usa los ID´s •Grupo3: ID 1536 a 1983

•Total de ID´s: 2048 •Sobran: 64 ID´s

CONEXIONES 42

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

10 0 0 0 0

9

1 1 1 1 1 1 1 1 1

0 0 0 0 0 0 0 0 0

IDENTIFIER BITS

8 7 6 Group 1 Message ID 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1

5

4

3

2

1

0

DESCRIPTION

Source MAC ID

Group 1 Source MAC IDSlave's I/O Change of State or CyclicMessage Messages

Source MAC IDSlave's I/O Bit-Strobe Response Message Source MAC Slave's I/O Poll Response Message ID Group 2 Group 2 Messages MAC ID Message ID Source MAC ID I/O Bit-Strobe Command Message 0 0 Master's 0 Source MAC ID for Master's Use -- Use is TBD 0 0 Reserved 1 Source MAC ID of state/cyclic acknowledge msgs 0 1 Master'sChg 0 Source MAC ID Slave's Explicit Response Messages 0 1 1 Destination MAC ID Connected Explicit Request Messages 1 0 Master's 0 Destination MAC ID I/O Poll Cmd/Chg of State/Cyclic Msgs 1 0 Master's 1 Destination MAC ID 1 1 Group 0 2 Only Unconnected Explicit Req.. Msgs 43 Destination MAC ID 1 1 1Duplicate MAC ID Check Messages

Fragmentación

• Para mensajes más largos de 8 bytes • Se incluye 1 byte de protocolo de fragmentación tanto en mensajes de I/O como explícitos

44

Control and Information Protocol (CIP)

• •

Modelo Objetos protocolo de mensajería perfiles de dispositivos Servicios Gestión de datos

• • •

• • •

Figura 11 de CIP White paper

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 45

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

46

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 47

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 48

Perfiles de dispositivos •

Todos lo dispositivos del mismo tipo deben tener una identidad común e igual modo de comunicación .  Interoperabilidad e Intercambiabilidad Definición del los Definición del modelo Definición del formato parámetros de objetos de datos de I/O configurables y de las •Esquema con tipo y •Definición del objeto interfaces públicas cantidad de objetos de ensamblado a esos parámetros •Como cada objeto –Dirección de •Esta información se modifica el comporlos componentes incluye en la EDS tamiento de datos deseados •Interfases de cada objeto

49

Perfiles de dispositivos definidos •

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 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 50

Electronic Data Sheet (EDS)  Archivo ASCII  Provee una descripción de los atributos del dispositivo  Atributos públicos correspondientes al perfil de dispositivo  Atributos específicos del fabricante

PERFIL DE VARIADOR CA A-B Según perfil de start/stop Dispositivo fwd/rev accel/decel Adicional Fabricante

A-B eng. units power calc.

Mitsubishi start/stop fwd/rev accel/decel

Magnetek start/stop fwd/rev accel/decel

Mitsubishi foreign lang. temp. calc.

Magnetek (none) 51

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

FOUNDATION Fieldbus

Fabiana Ferreira •Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica

Fieldbus Control System (FCS)

53

Distribución del Control DCS with AMS

Fieldbus Host

I.S.

Controller

Fieldbus I/O Subsystem

AMS System

HF

HF

HF

I.S.

I.S.

I.S.

4-20 mA + HART I.S. = Intrinsically Safe AI = Analog Input AO = Analog Output PID = Proportional Integral Derivative Controller

54

FF y el modelo OSI

55

Redes FF •

H1 - Baja velocidad para control de procesos

•

(Reemplaza la tecnología 4-20 mA) • • • •

•

HSE - Alta velocidad para supervisión y otros niveles 100 Mbit/s HIGH SPEED ETHERNET

31.25 Kbit/s Alimentación por el bus Opción Seguridad Intrínseca Hasta 1900 metros

56

Niveles de señal

57

Codificación

58

Partes de la trama

59

Conexiones físicas

• TOPOLOGÍAS  Bus con derivaciones  Punto a punto  Daisy-Chain  Árbol

• Alimentación

• 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.

 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. 60 Indicación de falla

Limitaciones

61

• 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)

MAC

• LAS • Gestión Comunicación cíclica : con lista de los datos cíclicos Variable Periodicidad Tipo (ms) A 5 INT-8

Tiempo (microseg) 170

B

10

INT-16

178

C

15

OSTR-32 418

D

20

UNS-32

E

30

SFPOINT 290

194

• 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 62 queda libre entre intercambios cíclicos

Comunicación Comunicación cíclica

Comunicación acíclica

63

•

Scan del LAS

Si el LAS cae, alguno de los otros nodos Link Master se convierte en LAS: BLAS (Backup LAS)

• Sincronización temporal •

•

Periódicamente el LAS distribuye un mensaje Time Distribution (TD ) para que todas las estaciones se sincronicen

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 la64lista.

Fieldbus Access Sublayer • Los servicios de la FAS son descriptos por VIRTUAL COMMUNICATION RELATIONSHIPS (VCRs) •

CLIENTESERVIDOR  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

•

EDITORSUSCRIPTOR  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

65

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/ 66 Precisión

Bloques función • Las funciones de un dispositivo se determinan por los FBs

67

Ejemplo estrategia de control

68

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” 69

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 Bloque AI (Transmisor)

Offset desde el tpo de arranque 0

Comunicación AI (LAS)

20

PID (valvula)

30

Ao (válvula)

50

70

Macrociclo

71

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

PROFIBUS P R O C E S S F IE L D B U S

Fabiana Ferreira •Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica

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, RobertBosch y KlocknerMoeller, ...

•

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. 73

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

74

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 • • • •

Max segment Max segment Baud Rate length in meters length in feet

9.6K 19.2K 93.75K 187.5K 500K 1.5M 3M 6M 12M

1200 1200 1200 1000 400 200 100 100 100

3900 3900 3900 3250 1300 650 325 325 325

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 75 de datos

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 76

Capa Física PA- IEC 1158-2

Instrum. p/ acoplador • 9 (Eex) • 32 (no ex)

•

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

•

Acopladores de Enlace:  Agrupan el conjunto de aparatos del segmento en un único esclavo RS485  La velocidad del segmento no está limitada 77

•

Hasta 32 nodos por segmento

PA

 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

78

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

79

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. Logical Token Ring PROFIBUS Master

PROFIBUS Master

PROFIBUS Master

 Maestro esclavo puro  maestro-maestro puro (token)  híbrida Passive Stations (Slave Devices)

80

Características DP •

Destinado a comunicaciones cíclicas e intercambios rápidos, entre controladores de celda  1 ms (a 12 Mbits) para (PLC o PC) o sistemas de supervisión y periferia transmitir 512 bits de entrada descentralizada. y 512 bits de salida a 32 • Funciones de base y Funciones extendidas estaciones  Transmisión de todas las entradas salidas en un sólo ciclo  Se transmiten los datos con el el servicio SRD

• Velocidad:

• Diagnóstico: a través de mensajes dedicados  Diagnóstico de estación  Diagnóstico de módulo  Diagnóstico de una vía 81

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 82

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)

83

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 84

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 85

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

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

87

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.

88

Parámetros de transmisor

89

•

Se compone de

Perfil PA

 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 90

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 91

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

92

Facultad de Ingeniería Universidad de Buenos Aires

ControlNet

Fabiana Ferreira •Laboratorio de Electrónica Industrial- Dto. de Electrónica

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

• • • •

94

Posicionamiento

95

Protocolos

96

• Medio Físico •

Capa Física

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 97

Arquitectura • hardware  Controladores (PLC, PC)  Terminales de programación  Terminales operador  Racks de I/O

• Software  de programación  herramientas de configuración  de interfase operador

98

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

99

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 100

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

101

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

102

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

103