Este documento describe el concepto de Industrial Ethernet, incluyendo sus características principales, topologías de red, medios de transmisión, componentes, protocolos de transporte, arquitecturas de red, formatos de tramas y servicios. Industrial Ethernet ofrece ventajas como alta disponibilidad, diagnóstico, inmunidad a EMV, programación a distancia y acceso a redes de PC. Se basa en estándares internacionales como Ethernet IEEE 802.3 y puede implementarse usando cables de par trenzado o fibra óptica.

1. Industrial Ethernet
Comunicaciones Industriales
Índice
TEMA – Industrial Ethernet
1. – Introducción
1.1 – Localización dentro de las Redes de Comunicaciones Industriales
1.2 – Características Principales
2. – Topologías de Red, Medios de Transmisión y Componentes del Bus
3. – Acceso al Medio
4. – Protocolo de Transporte
5. – Arquitecturas de la Red
6. – Formatos de las Tramas
7. – Servicios de la SEND/RECEIVE
7.1 – Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN
7.2 – Servicio de LECTURA
7.3 – Servicio de ESCRITURA
7.4 – Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN de Datos Expéditos
7.5 – Tipos de Datos
8. – Elementos Simatic: Procesadores de Comunicación
9. – Conclusiones y Mejoras

2. Localización de Industrial Ethernet
Nivel
Nivel
Planta
Planta
Tiempo de
Tiempo de
Ciclo de Bus
Ciclo de Bus
< 1000 ms
< 1000 ms
Nivel
Nivel
Proceso
Proceso
Tiempo de
Tiempo de
Ciclo de Bus
Ciclo de Bus
< 100 ms
< 100 ms
Nivel
Nivel
Dispositivo
Dispositivo
Tiempo de
Tiempo de
Ciclo de Bus
Ciclo de Bus
< 10 ms
< 10 ms
Requisitos Especiales sobre Ethernet en Automatización Industrial
Alta
disponibilidad
Rápidos
tiempos
de reacción
Ingeniería
de toda la planta
Instalación
válida en ámbito
Industrial
Automatización
Industrial
Integración
en las plantas
existentes
Eficiente
diagnóstico de
red y de
dispositivo
Protección
de acceso
configurable
Aplicaciones
de seguridad

3. Sistema de Automatización Integral – TIA
SIMATIC PG
SIMATIC PC
SIMATIC HMI
SIEMENS
S IM A T IC O P 1
7
PG 740
1
K
K2
K3
K4
K 5
K6
K7
K 8
K1
K12
K 13
K 4
1
K 1 5
K16
H EL P
S HI FT
K 10
K
9
ES C
7
8
D
4
E
5
A
1
9
A C K
F
6
B
2
0
.
C
3
S
H IF T
I NS
D E L
H EL P
E N T ER
MPI - Network
SIMATIC NET
Industrial Ethernet
PROFIBUS
Controladores
SIMATIC
SIEMENS
SF
RUN
STOP
I0.0
I0.1
I0.2
I0.3
I0.4
I0.5
Q0.0
Q0.1
Q0.2
Q0.3
Q0.4
CPU 212
Q0.5
I0.6
I0.7
SIMATIC
S7-200
PROFIBUS-DP
SIMATIC DP
FM
ASI
SV
Comunicaciones Ethernet en Simatic
Internet
Explorer
5
PG/STEP7
1
4
PC
2
6
3
7
Ingeniería/Puesta en marcha/
1 Servicio
Específico S7
Específico S7 y PROFINET
3rd parte
3rd parte
IO Distribuidas
4
Visualización con TD/OP/OS
2
TD/OP
STEP7
5
PROFInet IO
Acceso remoto vía navegador
WEB
Estándares IT y PROFINET
3
Intercambio de datos entre
dispositivos inteligentes
6
Específico S7 y PROFINET
Comunicación S7
7
Conexión a supervisión/MES
OPC, Softnet
OPC, Softnet
Socket TCP/IP

4. ¿Dónde se emplea la Industrial Ethernet?
Grandes cantidades de datos: Intercambio de grandes
cantidades de datos (en el entorno de Megabytes)
Grandes distancias: Posibilidad de grandes distancias
entre dispositivos
Múltiples tipos de dispositivos: Comunicación entre
aparatos de ingeniería, ordenadores y dispositivos de control
Múltiples tipos de comunicaciones: Permite una
interconexión entre la oficina técnica y el mundo de la
automatización
Panorámica
Red que cumple con los estándares internacionales (IEEE
802.3) válida para todos los campos en la automatización de la
producción
Procedimiento de acceso CSMA/CD según IEEE 802.3
(Ethernet)
Velocidad de transmisión 10/100/1000 Mbit/s
Gran número de participantes
Desde hace mas de 10 años es el estándar para redes de célula
en el mundo
Diferentes medios de transmisión (eléctrico, óptico, inalámbrico)
Componentes para estructurar y segmentar la red
(repetidores/concentradores de estrella activos, puentes/switch,
router)

5. Ventajas que Ofrece Industrial Ethernet
Red de fábrica de gran potencia para el nivel de célula
Altas prestaciones aún en el caso de existir muchos participantes y grandes
distancias
Amplia superficie de cobertura y alcanza grandes distancias
Mediante la combinación de las técnicas eléctrica y óptica
Transferencia de datos segura
Aún en el caso de la existencia de perturbaciones electromagnéticas mediante
componentes idóneos para la industria
Ahorro de costes
Mediante una disminución de los costes de montaje y cableado
Líder universal dentro de las redes industriales
Ethernet Industrial ha mostrado su eficacia en miles de instalaciones
Coexistencia entre protocolos/aplicaciones sobre Ethernet
TCP/IP...
Funciones Adicionales que Ofrece Industrial Ethernet
Alta disponibilidad
(Concepto de redundancia)
Testeo y
diagnosis
Gran inmunidad
a EMV
Programación a
distancia
Acceso al mundo del
PC y de las WS
Robusta
mecánicamente
Administración de la red
(SNMP)

6. Datos Técnicos
Estándar
Ethernet según IEEE 802.3/ISO 8802.3
Modo de acceso
CSMA/CD (carrier sense multiple
access/collision detection)
Velocidad de trans.
10/100/1000 MBit/seg.
Medio de transmisión
Eléctrico:
Par trenzado
Óptico:
Fibra óptica
Inalámbrico
Máx. nº participantes
(1.024)
Distancia de red
Eléctrica:
Óptica:
Topología
Lineal, árbol, estrella, anillo redundante
Aplicaciones
Redes de célula y de gestión
máx. aprox. 1,5 Km
máx. aprox. 4,3 Km
Problemas de Ethernet para la Industria
Sistema no determinístico
Ambiente industrial
Golpes y vibraciones
Temperatura
Ambientes Corrosivos
Etc.
• Solución al indeterminismo:
– Switching
– Priority Switching
(IEEE 802.1P, IEEE 802.1Q)

7. Switching: Conmutadores
Switching
LAN B
Previene colisiones
Transmisión de datos full duplex /
paralelo
LAN C
Quality of Service QoS (prioridad
de telegramas de tiempo real)
LAN D
LAN A
Amplía la comunicación directa
entre los segmentos Ethernet
que se decidan
Amplía el nivel de datos que
circula por la red
Control
Control
Equipo
Equipo
Equipo
Equipo
Equipo
Equipo
Equipo
Switching: Conmutadores
Cut-Through
Envío entre puertos antes de recoger toda la trama
Store and Forward
Recogida, almacenamiento, tratamiento y envío de tramas
Comunicación RT (Cut-Through optimizado)
Comunicación TCP/IP (Store and Forward)

8. Topologías de Red
Se puede usar cualquier topología: anillo, estrella, árbol, lineal
Típicamente el nivel de campo requiere una estructura lineal con ramas
La red se puede ajustar a la máquina de manera óptima
También se soporta estructuras de anillo redundante
Anillo
Lineal
Estrella
Componentes del Bus: Medios de Transmisión
Redes eléctricas: cable de par
trenzado (TP)
Cable de 4 hilos trenzados por pares
Especialmente seguro ante interferencias (doble apantallamiento)
Costes favorables en el cableado
Estructuras en estrella y lineales
Redes ópticas: Cable de fibra
óptica (OF)
Estructuras en linea, en estrella o en anillo con elevados alcances
No existe la posibilidad de interferencias debidas a perturbaciones
EMV
Alta disponibilidad mediante arquitecturas redundantes (anillos)

9. Medio de Transmisión: Par Trenzado
Cableado Par Trenzado
Par trenzado conforme a IEC
11801/61156
Versión híbrida (datos+energía)
Máxima long. del cable 100 m
Conector IP20 – RJ45 diseñado
para entorno de oficina
Conector IP65 – M12 –
Compatible con IP20
Medio de Transmisión: Fibra Óptica
Cable de fibra óptica
Red óptica
Separación de potencial
Inmune a interferencias
electromagnéticas
Seguro ante escuchas
Cable Fibra Optica
Cables de fibra óptica de
vidrio conforme a IEC
60793 / 60794
Cables de fibra óptica de
plástico
Conector de bayoneta y de
inserción-extracción
Grandes distancias
(Multimodo: 4,5 km;
Monomodo: 42 km)
Diseño de redes redundantes

10. Componentes del Bus: Conmutadores
Scalance X005
switch no gestionado
Diagnóstico en el dispositivo
Scalance X-200
Utilización en un anillo redundante
Gestión de redes y diagnóstico
Integración en la ingeniería existente
Scalance X-400
Sistema modular
Acoplamiento redundante de anillos Gigabit
Integración en redes corporativas
Protocolo de Transporte, TCP ó ISO
TCP/IP
ISO
Estándar de-facto
optimizado para la transferencia
de grandes cantidades de datos
p.e. ficheros o recetas
Norma ISO 8073 (Clase 4)
optimizado para la
transferencia de variables
p.e. servicio y observación

11. Protocolos de Usuario para Industrial Ethernet
PC/PG
PC/PG
PC/PG
Ethernet
Industrial
SIMATIC S5
SIMATIC S5
TCP/IP Nativo
SIMATIC S7
SEND/RECEIVE
SIMATIC S7
Comunicaciones S7
Pila de Protocolos para Industrial Ethernet
Símbolo
Protocolo
Descripción
A,E
Comunicaciones S7
Interfaz de usuario uniforme para TCP/IP (A) e ISO (E)
empleando funciones S7
B,D
Comunicación compatible S5
(Send/Receive)
Servicios de comunicación basados en el interfaz de
transporte ISO para intercambio de datos con
dispositivos S5 y S7. Con TCP/IP, es necesario un
adaptador (RFC 1006). Esto hace un interfaz uniforme
send/receive para TCP/IP (B) e ISO (D).
C
TCP/IP nativo
Servicios de comunicación simple basados en TCP/IP
(C) para intercambio de datos con dispositivos con
TCP/IP.

12. Protocolos y Dispositivos para SIMATIC NET Industrial Ethernet
Protocolo
Descripción
Dispositivo
Comunicaciones S7
Comunicaciones integradas y optimizadas
de los sistemas S7/C7 para amplio rango de
aplicaciones (ISO 8073 o TCP/IP con RFC
1006).
CP 1613
Servicios de comunicación basados en el
protocolo de transporte (ISO 8073 o TCP/IP
con RFC 1006) para el intercambio de datos
con dispositivos S7 o S5.
CP 1613
Servicios de comunicación sencillos
basados en TCP/IP para el intercambio de
datos con cualquier dispositivo que soporta
el protocolo TCP/IP.
Adaptador PC Ethernet
Comunicación
compatible S5
(Send/Receive)
TCP/IP nativo
CP 343-1
CP 443-1
CP 343-1
CP 443-1
CP 1613
CP 343-1
CP 443-1
Formatos de las Tramas
Campos Iniciales
LSAP Destino (1byte): valor 0xFE
LSAP Fuente (1byte): valor 0xFE
Control (2bytes): valor 0x0300
6
6
2
1 1
Ctrl
Datos
FCS
≈
SSAP
1
DSAP
SFD
Bytes 8
MAC
MAC
Long.
Dirección Destino Dirección Origen
≈
Trama Ethernet (máximo 1526 bytes)
Preámbulo
2
4
46-1500

13. TPDU´s de Transporte – ISO 8073
Petición de conexión (CR)
Confirmación de la conexión (CC)
Reconocimiento (AK)
Datos (DT)
Petición de desconexión (DR)
Confirmación de la desconexión (DC)
Datos expeditos (ED)
Reconocimiento de datos expeditos (EA)
Servicios SEND/RECEIVE
Servicios
Confirmados
Servicios no
Confirmados
Envío/ Recepción
Datagrama
Lectura
Multicast
Escritura
Broadcast

14. Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN
API 2
API 1
1.
Envío de datos desde el API 1
al API 2
DT con sólo datos
2.
Envío de “1”, si se transmiten
datos con diferente secuencia
( lazo de repetición )
3.
Envío de datos finales
DT con sólo datos y última
Servicio de LECTURA (I)
API 2
API 1
1.
Solicitud de datos desde el API 1
al API 2
DT con cabecera REQ S5 (DB, MB, T, Z, etc)
2.
Reconocimiento negativo con
número de error
DT con cabecera ACK S5, con código de error
Reconocimiento positivo
3.
Recepción de los datos solicitados
4.
Recepción del 3, si se transmiten
datos con diferente secuencia
5.
Recepción de datos finales
DT con cabecera ACK S5 sin error + datos
DT con sólo datos
( lazo de repetición )
DT con sólo datos y última

15. Servicio de LECTURA (II)
PLC1
CP 1
INA 1
CABLE
INA 2
CP 2
OPEN
RETURN
CON. REQU
CON. AWAIT
CONNEC. REQUEST
Ritmo aproximado
de 1seg.
CONNEC. CONFIRM
RETURN
ACK, sin crédito 2
RECEIVE
ACK, sin crédito 1
buffer 16 by
ACK, con crédito 2
Enable
FETCH-HDB RETURN
PLC 2
OPEN
RETURN
fase de
conexión
indicate
connection
established
ACK, sin crédito 1
fase de
mantenimiento
ACK, sin crédito 1
ACK, con crédito 2
Servicio de LECTURA (III)
PLC1
CP 1
FETCH DIR
Parámetros
fuente+destino
INA 1
RECEIVE
RETURN
PDU solici. READ
con paráme. fuente
palabra
de estado
RESET
glag de estado
CP 2
RETURN
ACK, sin crédito 2
PLC 2
flag del
SEND ALL
SEND ALL
ACK, con crédito 1
fase de
intercambio
de datos
Datos
SEND
PDU reconocimiento
READ mas datos
ACK, sin crédito 1
RECEIVE ALL
Datos
INA 2
ACK, con crédito 2
SEND
RETURN
flag del
RECEIVE ALL
CABLE
RETURN
Datos
CLOSE
DISCONNECT
REQUEST
RETURN
DISCONNECT
CONFIRM
fase de
desconexión

16. Cabeceras de solicitud y reconocimiento de LECTURA
Solicitud
Byte
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
Reconocimiento
Significado
Identificador del sistema
Identificador del sistema
Longitud de la cabecera
Identificador código
operación
Longitud código
operación
Código de operación
Bloque origen
Longitud del bloque de
origen
Identificador del origen
Número del bloque de
datos
Dirección de comienzo.
Parte alta
Dirección de comienzo.
Parte baja
Longitud de datos. Parte
alta
Longitud de datos. Parte
baja
Campo vacío
Longitud del campo
vacío
Valor
"S"
"5"
16
01
03
05
03
08
variable
variable
variable
Significado
Identificador del sistema
Identificador del sistema
Longitud de la cabecera
Identificador código
operación
Longitud código
operación
Código de operación
Bloque reconocimiento
Longitud del bloque de
reconocimiento
Número de error
Campo vacío
variable
Longitud del campo
vacío
Libre
variable
03
06
0F
03
Nr
FF
Libre
variable
Valor
"S"
"5"
16
01
Libre
FF
02
10
07
Libre
Libre
A partir de esta
dirección datos de
usuario hasta 64 bytes
Tipos de Datos (I)
Área S5
Identificador
origen
Descripción
DBNR
Rango
Dirección
de
comienzo
Rango
Longitud
Rango
DB
01H
MB
02H
EB
03H
AB
04H
PB
05H
Z
06H
Zona de
Zona de
Zona de
Zona de
Zona de
Zona de
marcas
imagen de imagen de periferia contadores
datos
salidas
entradas
(DB)
Número Irrelevante Irrelevante Irrelevante Irrelevante Irrelevante
del DB
1.... 255
Byte de Número de
Byte de
Byte de
Número de Byte de
contador
periferia
salidas
entradas
marcas
DW
1... 2047
Cantidad
de datos
en DW
0.... 255
Cantidad
de datos
en bytes
0....127
Cantidad
de datos
en bytes
0.... 127
Cantidad
de datos
en bytes
0....127
Cantidad
de datos
en bytes
0.... 255
Cantidad
de datos
en DW
1.... 2048
1.... 256
1...128
1...128
1... 256
1....256

17. Tipos de Datos (II)
Área S5
Identificador
origen
Descripción
DBNR
Rango
Dirección
de
comienzo
Rango
Longitud
Rango
T
07H
RS
08H
AS
09H
Zona de
temporizadores
Zona de
datos del
sistema
Direcciones
absolutas
de
memoria
Irrelevante Irrelevante Irrelevante
DX
0AH
DE
10H
OB
11H
En DB
extendido
En un DB
en
memoria
externa
Zona de
módulos
de E/S
externa
Número
Número Irrelevante
del DX
del DB
1.... 255
1.... 255
Número de Número de Dirección Número de Número de Número de
temporiza- DW del
absoluta
DW
DW
byte de
dor
sistema
de
periferia
comienzo
1... 255
0.... 511
0....FFFF 1... 2047
0.....255
0.... 511
Cantidad Cantidad Cantidad Cantidad Cantidad Cantidad
de datos
de datos
de datos
de datos
de datos
de datos
en DW
en bytes
en DW
en DW
en DW
en bytes
1.... 256
1....128
1...32767
1...2048
1... 2048
1....256
Servicio de ESCRITURA
API 2
API 1
1.
Envío de datos desde el API 1
al API 2
DT con cabecera REQ S5 (DB, MB, etc)+datos
2.
Reconocimiento negativo con
número de error
DT con cabecera ACK S5, con código de error
3.
Envío de datos
4.
Envío del 3, si se transmiten
datos con diferente secuencia
5.
Envío de datos finales
6.
Reconocimiento positivo
DT con sólo datos
( lazo de repetición )
DT con sólo datos y última
DT con cabecera ACK S5 sin error

18. Cabeceras de Solicitud y Reconocimiento de ESCRITURA
Solicitud
Byte
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
10
Reconocimiento
Significado
Identificador del sistema
Identificador del sistema
Longitud de la cabecera
Identificador código
operación
Longitud código
operación
Código de operación
Bloque origen
Longitud del bloque de
origen
Identificador del origen
Número del bloque de
datos
Dirección de comienzo.
Parte alta
Dirección de comienzo.
Parte baja
Longitud de datos. Parte
alta
Longitud de datos. Parte
baja
Campo vacío
Longitud del campo
vacío
A partir de esta
dirección datos de
usuario de hasta 64 bytes
Valor
"S"
"5"
16
01
03
03
03
08
variable
variable
variable
Significado
Identificador del sistema
Identificador del sistema
Longitud de la cabecera
Identificador código
operación
Longitud código
operación
Código de operación
Bloque reconocimiento
Longitud del bloque de
reconocimiento
Número de error
Campo vacío
variable
Longitud del campo
vacío
Libre
variable
04
0F
03
Nr
FF
Libre
FF
02
03
Libre
variable
Valor
"S"
"5"
16
01
07
Libre
Libre
Servicio de ENVÍO-RECEPCIÓN de Datos Expéditos
API 2
API 1
1.
Envío de datos desde el API 1
al API 2
ED con sólo datos

19. SIMATIC S7: CP 343-1 Advanced
Formato:
Formato S7-300, doble ancho
Protocolo:
SEND-RECEIVE, funciones S7, PROFInet, IT
Interfase:
TP (par trenzado)
Parametriz.:
S7 para Ethernet Industrial
Conectable a: S7-300
SIMATIC S7: CP 443-1 Advanced
Formato:
Protocolo:
Interfase:
Parametriz.:
Conectable a:
Formato S7-400
SEND-RECEIVE, funciones S7, PROFInet, IT
TP (par trenzado)
Switch de 4 puertos
S7 para Ethernet Industrial
S7-400

20. PC/PG: SIMATIC NET CP 1613 A2
Formato:
Formato corto, PCI
Protocolo:
Protocolos de transporte ISO y TCP/IP
integrados. Servicios de comunicación a
través de comunicación PG/OP, S7 o
comunicación compatible S5
(SEND/RECEIVE).
Conexiones: Hasta 80
Sist. Operat: Windows XP, Linux
Particularid.: Microprocesador integrado
OPC como interfaz estándar