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CIG University III - 1999Copyright © 2005 Rockwell Automation, Inc. All rights reserved. 1
Redes Industriales para la
automatización de procesos

2
Tipo de redes industriales
• Redes de Control
– EtherNet/IP
• CIP Sobre medios que trabajan bajo TCP/IP
• Conexión de equipos – ES remotas
– ControlNet
• CIP Sobre medios de mediana velocidad
• Conexión de equipos – ES remotas
• Buses de Campo
– DeviceNet
• CIP Sobre medios de baja velocidad
• Elementos finales discretos
– HART
• Instrumentación Inteligante, baja velocidad
– Foundation Fieldbus
• Instrumentación Inteligente, Alta/baja velocidad
– Profibus
• Instrumentación Inteligente, Alta/Media velocidad
COMMUNICATION
FOUNDATION
HART

4
Redes de proceso
Tradicional 4-20 mA
+ Simple
- Costo E/S
- Información
HART
+ Simple
~ Costo
~ Información
Fieldbus
Foundation
+ Complejo
++ Costo
++ Información
Profibus PA
+ Complejo
++ Costo
++ Información
Acoplador de enlace
FFLD

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¿Porqué Buses de Campo?
• Similar a DNet pero diseñado para Procesos
– No especifico de un Vendedor
– No hay pagos por Licencias ó Royalties
– Productor / Consumidor (Publicar / Subscribir)
• Tecnología con Visión
– Elementos de campos auto-diagnósticos reportan su estado y
salud a nivel de elemento
– Configuración y pruebas de manera remota
– Auto detección y asignación de direcciones y etiquetas de nuevos
elementos reemplazados
• Diseñada para el control de procesos / instrumentación distribuida
– Actualizaciones cíclicas (basadas en tiempo / determinísticas)
– Interoperabilidad de vendedores
– Interfase de bloques funcionales
• El control de procesos puede ser distribuido a donde lo require (en el
controlador, en el campo ó en ambos)

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Two-way communication
Fieldbus, tecnología habilitadora….
• Provee una red abierta, distribuida, totalmente digital para
elementos de campos “inteligentes” en procesos industriales
• Permite múltiples (diferentes vendedores) elementos a ser
conectados en el mismo par de cables
• Reemplaza el cableado tradicional punto-a-punto de elementos
“no-inteligentes” y controladores

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DeviceNet
Flat Thick Thin
Media
• Reglas para DeviceNet:
– 64 nodos máximo.
– 500Kb, 250Kb or 125Kb
– Todos los nodos deben estar a
menos de 6m (distancia del cable)
del cable principal o “trunk-line”
– Cualquier configuración puede ser
usada fuera del trunk-line
– Disponibilidad de Fibra óptica y
repetidores para extender las
distancias.
– Distancias: Ver recuadro

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DeviceNet
• Bajos costos de Adquisición e Instalación
– Reducción del cableado de Planta (Se elimina el cableado de entradas y salidas)
– Menores tiempos de Instalación, Arranque y mantenimiento.
• Atributos de la Red
– El flujo de datos es gobernado por el modelo Productor/Consumidor.
– Habilidad para enrutarse con redes de mas alto nivel.
– Mayores capacidades de diagnóstico de los dispositivos.
– Capacidades “Plug & Play” – Añadir o remover nodos en caliente.
– Optimizada para manejar pequeñas cantidades de datos
• 8 bytes por mensaje
• Soporta fragmentación de mensajes tamaños de datos mas largos.
• Medio de transmisión (Opciones)
– Bus Pasivo: Los nodos pueden entrar y salir sin afectar la red
– Sellado (IP67) y no sellado (IP65) media
– Cable Plano de bajo costo

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HART
• Red digital diseñada a fin de
apoyar la integración de
instrumentación inteligente en la
automatización de procesos
• Se introdujo en 1987 y se
estandarizó en 1990
• Superimpone la señal digital
sobre la señal 4-20 mA mediante
modulación FSK
• Protocolo de baja velocidad bajo
el modelo maestro esclavo.
• Conexión punto a punto y
truncal.
SW de Gestión
de Recambio
FDT
Dispositivos
de campo
HART
HART
Comando /
Mensaje
FLEX Ex
En área peligrosa
ControlNet
HART
Comando /
Mensaje

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PROFIBUS-PA
PROFIBUS se introdujo en 1997 a
fin de apoyar la automatización de
procesos.
•El maestro cíclico controla el
intercambio de datos. Los
dispositivos usan bloques de
función de entrada analógica y
salida analógica para intercambiar
datos del proceso.
•Conexión por truncal, estrella o
multidrop
PROFIBUS-DP
RS485
Acoplador de
enlace PROFIBUS-PA
IEC 61158-2
PLC PC

Profibus posee dos niveles
– PA: Solución para automatización de procesos e integración a nivel de
elementos de campo. Corre a 31.25 Kbits/s. Señal y potencia se
encuentran en el mismo par de cables. Opción de FO. Soporta
aplicaciones intrínsicamente seguras.
– DP: Solución de alta velocidad e integración de subsistemas. Mismas
funciones que PA pero corre a 12 Mbits/s.

16
Fieldbus Foundation
H1
HSE o EtherNet/IP
•Foundation Fieldbus H1 es un
protocolo abierto desarrollado en
la década de 1990.
•El control de lazo de naturaleza
regulatoria puede ser ejecutado
en el dispositivo
•Esquema productor consumidor
•Conexión por truncal, estrella o
multidrop
H1

Foundation Fieldbus posee dos niveles
– H1: Solución para automatización de procesos e integración a nivel de
elementos de campo. Corre a 31.25 Kbits/s. Señal y potencia se
encuentran en el mismo par de cables. Opción de FO. Soporta
aplicaciones intrínsicamente seguras.
– HSE: Solución de alto desempeño para comunicación de generadores
de datos/usuarios a alta velocidad e integración de subsistemas.
Mismas funciones que H1 pero corre a 100 Mbits/s en equipos
comerciales Ethernet.

18
Similitudes y diferencias entre
Foundation Fieldbus y
Profibus

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• Un enlace de comunicación digital bidireccional
• IEC 61158-2: codificación Manchester,
31.25 kBaud, moduloación de corriente + 9 mA
• Alimentación del elemento a través del bus:
9 … 32 V DC, 10.5 … 15.0 mA
• Distancia máxima del segmento de 1900 m
• Hasta 31 elementos por segmento
• Hasta 5 max. con repetidores
• Opción Intrínsicamente segura
• Los siguientes aspectos deben ser considerados:
– Longitud max. del segmento = lóngitud del truncal
+ S long. spurs
– Caida de tensión en los segmentos y
elementos sensibles a la polaridad
T
P
F
Spurs
Daisy chain
Star
H1/PA Physical layer (1)

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Foundation Fieldbus / Profibus
• Comunicación Maestro - Sclavo entre el controlador y la instrumentación para la
medición y elemntos finales de control
• Provee señales analogas y digitales en los niveles PA y DP de alta velocidad
• El control es ejecutado dentro del controlador
P
L
F
Profibus
Planta
Slave
Slave
Slave Slave
Maestro
Sclavo Sclavo
Sclavo
Sclavo
Operador

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L
F
Linking
Device
H1 Fieldbus
Plant
P
PID
PID
PID
H1 sirve como una red local de área (LAN) con un esquema de token
passing para el control del proceso, entradas/salidas remotas y
comunicación entre los elementos de medición y los elementos finales
de control
Fieldbus - H1 FOUNDATION™ Fieldbus
Operador
HSE

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Capacidades de ControlNet
Trunk-Line
Star
Ring
Opciones para el Medio
• Reglas para ControlNet:
– 99 nodos máximo
– 5Mb
– Cada nodo requiere 1m tap cable
– Disponibilidad de Fibra óptica y
repetidores para extender las las
distancias o crear una topología tipo
anillo.
– Disponibilidad de repetidores
modulares para crear una topología
tipo estrella.
– Muchos dispositivos vienen con
redundancia del medio de
transmisión ya embebido.

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Fortalezas de ControlNet
• Determinística y de alta Velocidad
– Transferencia de datos determinísticos – Se sabe cuando el dato arrivará. (Scheduled
services)
– Repetibilidad en la transferencia de datos – Los tiempos de transmisión son
consistentes inclusive cuando los equipos entran y salen de la red.
• Redundancia
– Disponibilidad de medio de transmisión Redundante
– Redundancia de Procesadores
• PLC-5 Hot Backup
• ControlLogix Processor Redundancy
• Ideal para ambientes industriales adversos o pesados
– Alta inmunidad al ruido (Cableado coaxial y fibra óptica)
– Medios y productos Intrínsicamente seguros (Flex Ex, repetidores de fibra óptica)
• Bus Pasivo
– Los nodos pueden entrar y salir sin afectar la red
– Topología tipo “Trunkline”

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Capacidades EtherNet/IP
Tree
Star
Trunk-
Line /
Drop-
Line
• Reglas para EtherNet/IP:
– Cantidad ilimitada de nodos.
– 100Mb
– Cada nodo requiere una
conexión punto a punto a un
switch
– Disponibilidad de Fibra Óptica y
repetidores para extender las
distancias y crear una topología
de anillo.
– Distancias:
• 100m para cobre.
• 20Km para Fibra
Ring
Media Choices

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Fortalezas de EtherNet/IP
• Alta eficiencia en la Transferencia de datos
– Rata de Baudio incrementada (10Mb, 100Mb), use de switches (NO hubs), transmisión
de datos full duplex para minimizar los efectos de las colisiones de mensajes.
• Uso de productos y tecnología comercial
– Conjunto de herramientas comunes para instalación y soporte
– Estándares de red bien establecidos y de amplia aceptación
– Puede tomas ventaja de los servicios de “web browsing” en los productos
• Opciones para el Medio de Transmisión
– Bus Activo: soporta una topología tipo estrella
– Alta inmunidad al ruido (Cableado en fibra óptica)
– Capacidad de extensión del bus con el uso de múltiple switches (cobre y fibra)
– Sellado (IP67) media – tecnología emergente (liderada por RA)

29
EtherNet/IP
Estándar…
no “basado en estandares”

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EtherNet/IP – Protocolo Estándar
Physical Layer
CSMA / CD
IP
TCP UDP
FTP SMTP HTTP VOIP DNS SNMP
Implantación
estándar del
modelo OSI de
Ethernet
CIP
Application Layer

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Protocolos “basados en estandares”
Physical Layer
CSMA / CD
IP
TCP/UDP
Application Layer
From IONA Handbook 2005
Comienzan sobre el modelo estándar y luego son modificados
IRT H/W Support w/
Switching Technology
IP
TCP / UDP
RT Stack
Application Layer
Non RT PROFInet V3
Switch
Standard Ethernet
Controller
IP
TCP / UDP
RT Stack
Application Layer
Non RT PROFInet V2

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Estándar vs. “basado en estándares”
• Estándar
– Utiliza switches estándares
– Se integran fácilmente a las
instalaciones y redes
corporativas Ethernet existentes
– No requiere entrenamiento o
conocimientos especial por
parte del personal de IT
• “basado en estándares”
– Requiere el uso de switches
propietarios o segmentos
protegidos
– Problemas potenciales de
integración con instalaciones
Ethernet
– Requieren entrenamiento extra
por parte del personal de IT
“standards-based”: definition -
Proprietary

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La entrega de Datos críticos
• Ethernet (CSMA/CD) no es inherentemente
determinístico pero la introducción de
– Fast Ethernet (100Mb Ethernet),
– Tecnología de los Switches Ethernet,
– Transmisión de Datos Full Duplex
– Managed Switches (IGMP Snooping)
Significativamente reduce las colisiones y mejora la
repetibilidad

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Guías Generales para la selección de la Red
• EtherNet/IP – Equipos mas complejos y una gran cantidad de Bloques
de I/O y racks donde se requiere un alto rendimiento de los I/O con una
gran cantidad de mensajería.
No hay una Respuesta Absoluta!
• DeviceNet – Equipos simples distribuidos con pequeñas cantidades de
bloques de I/O instalados a lo largo de los equipos electro/mecanicos.
• ControlNet – Equipos mas complejos y una gran cantidad de Bloques
de I/O y racks donde se requiere un rendimiento de los I/O altamente
determinisco y con cierta demanda de mensajería.

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Criterios de selección de la Red
• Complejidad de la Aplicación
• Topología
– Número de nodos
– Distancias
– Configuración
• Densidad de I/O
• Disponibilidad de Productos
– De múltiples Vendedores
– Tipos de Equipos
• Rendimiento
• Opciones del Medio
– Cobre
– Fibra
– Potencia
• Costos
• Tecnología
• MTTR
• Habilidad de “Bridging/Routing”
• Configuración
• Diagnósticos
– Red
– Nodo
• Entrenamiento
• Capacidades de Soporte
• Herramientas de Mantenimiento.
• Organizaciones rectora
– Consorcio
– Compañías
• Estandardización

36
Diferenciando las tecnologías de Redes

37
• Estrucutra de los Paquetes
– Todos los paquetes estan hechos de un encabezado y un grupo de datos.
– El encabezado puede contener información tal como quien esta transmitiendo, que
es la data, a donde debería ir, etc.
– El grupo de datos contiene la data que será intercambiada o transmitida
• El protocolo en particular que se este utilizando determina que tan largo
es el encabezado y el grupo de datos.
– Típicamente un encabezado mas grande se relaciona con una mayor flexibilidad en
la información que puede ser intercambiada.
– A mayores requerimientos de información y niveles de red mayor son los
encabezados.
Encabezado DATA
Diferenciando las Redes

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Paquete DeviceNet
• Redes a nivel de dispositivos tienden a tener tamaños pequeños de
paquetes con pequeños encabezados y poca cantidad de datos
• El propósito primario es el de transmitir pequeña cantidad de data
simple.
– Estados “on/off” de una fotocelda
– Comandos “on/off” a un variador
– Leer la velocidad de un motor
• Para propósitos prácticos los paquetes de DeviceNet tienen:
– 5 1/2 bytes de encabezado
– 0-8 bytes de data
Redes a nivel de Dispositivos

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Paquete ControlNet
• A nivel de Control las redes tienden a tener tamaños de paquetes
medianos tanto en encabezado como en la sección de datos.
• El propósito primario es el de transmitir bloques de datos de una manera
eficiente.
– Estados “on/off” de muchas fotoceldas conectadas a los chasis de I/O
– Lecturas de Termocuplas (temperaturas) de un número determinado de tanques
– comunicaciones con chasis remotos de I/O
– Una gran cantidad de parametros provenientes de un variador
• Para propósitos prácticos, los paquetes ControlNet tienen:
– 13 bytes de encabezado (mínimo)
– 0-504 bytes de data
Redes a Nivel de Control

40
Paquete EtherNet/IP
• Las redes a nivel de información tienden a tener grades tamaños de
paquetes con un gran encabezado y una gran cantidad de datos.
• El propósito primario es la de transmitir una gran cantidad de información
de una gran variedad de tipos
– Transferencia de archivos
– Email
– Data de proceso proveniente de un PLC
• Para propósitos prácticos un paquete EtherNet/IP tiene:
– 50 bytes encabezado (mínimo)
– 22-1478 bytes de datos
Redes de información

41
• Ejemplo - Asumir 3 fotoceldas transmitiendo sus estados “on/off”
• Para este caso DeviceNet es la mas eficiente (un gran porcentaje del
ancho de banda de la red es utilizado para transmitir data útil).
Si es hecho sobre EtherNet/IP
Nota - EtherNet/IP añadirá un extra en el encabezado del paquete para asegurarse que el paquete
cumple con los requerimientos sobre el tamaño mínimo de un paquete que es de 72 bytes. Por
consiguiente para transmitir un bit de datos, se necesitan 72 bytes para enviarlo sobre el cable.
Si es hecho sobre DeviceNet
Si es hecho sobre ControlNet
Comparando las diferentes Redes

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• Ejemplo de 3 Fotoceldas continuación …
Pregunta: EtherNet/IP y ControlNet tienen una mayor rata de baudio, Acaso importa?
Respuesta: La alta rata de baudio puede compensar la poca eficiencia. Sin embargo,
DeviceNet es una alternativa para redes mas sencillas y de menor costo que solo
necesitan intercomunicarse con un número relativamente bajo ( cerca de 50 o menos)
de equipo de campo. Por consiguiente, si DeviceNet puede hacer el trabajo tan bien o
mejor que otras redes, entonces DeviceNet es la mejor opción.
.

43
• Ejemplo – Asumir un computador data estadística desde un PLC
• Para este caso EtherNet/IP es la opción mas eficiente. De hecho, si
estuviésemos leyendo 850 bytes de información, tomaría mas de 100
paquetes DeviceNet para transmitir toda la información. Y solamente
tomaría un paquete EtherNet/IP ó dos paquetes ControlNet.

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• Continuación…
Pregunta: Porque es EtherNet/IP mas eficiente? Si pareciera que ControlNet tiene menos cantidad
de encabezado.
Respuesta: Existen un par de Razones: Primero, La mas alta rata de baudio de Ethernet
compensaría la pequeña diferencia entre la cantidad de información transmitida. Sin embargo, la
razon principal es que para EtherNet/IP solamente se necesita un paquete par transmitir la
información versus los 2 paquetes sobre ControlNet. Desde el punto de vista de transmisión pura
pudiese parecer que ControlNet es mas eficiente. Sin embargo, los recursos (poder de procesamiento,
búfer de memoria, etc.) que se toma para crear 2 paquetes y enviarlos, es menos eficiente que enviar
uno solo.

45
Pregunta: Cuando es ControlNet mas eficiente?
Respuesta: Cuando un simple paquete de ControlNet
puede transmitir la información que tomaría muchos
paquetes DeviceNet.

46
Algunas redes son muy similares en el tamaño de los paquetes
que serán transmitidos. En este caso:
Deberíamos simplemente seleccionar la red que posea una
mayor rata de baudio?

47
• Existe un mal entendido que una rata de baudio mas rápida
hace mas rápida la transmisión sobre la red. Una rata de baudio
mas rápida definitivamente ayuda al rendimiento de la red, pero
esta rata de baudio por si sola no determina que tan rápido
puede ser el intercambio de datos a través de la red. Algunas
de las cosas que pueden afectar este intercambio en la red son:
– Método de acceso a la red
– Habilidad para prioritizar la data
– La habilidad de los nodos destinos para manejar los paquetes

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• Método de Acceso a la Red – Existen muchos métodos usados para determinar cuando
un nodo puede transmitir sobre la red, tales como, paso de testigo (token passing),
escaneo (polling), cambio de estado (COS) y basado en tiempo. Cada método afecta el
rendimiento de acuerdo al tamaño de la red y la frecuencia con que cada nodo accesa la
red.
• Habilidad para prioritizar la data – En la mayoría de las redes existen datos que son
mas importantes que otros al momento de ser transmitidos. La habilidad para identificar
este tipo de datos y permitir su transmisión a una alta prioridad sobre los otros mejora el
rendimiento de la red.
• Habilidad de los nodos destino para manejar la data – Este punto es subestimado con
mucha frecuencia, pero es muy importante. Existen muchos casos donde los datos son
transmitidos de A a B, pero los datos permanecens en el bufer de memoria del equipo B
por un largo período porque el equipo B esta muy ocupado para manejar la data.

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• La Tecnología frecuentemente determina cual tipo de red
es necesaria. Entre los factores que se deben tomar en
cuenta tenemos:
– Costos
– Facilidad y frecuencia de Mantenimiento
– Capacidad de los dispositivos para conectarse a la red -
Apertura
– Software requerido
– Habilidad para de una manera fácil agregar o quitar nodos de la
red

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En Muchos casos la respuesta no es obvia sobre cual red
utilizar. A veces se toma la decisión de una red porque el
operador ya está familiarizado con esa tecnología o por que el
cableado ya es existente.
Cuando comparamos ControlNet vs. EtherNet/IP, es bueno
pensar que en el caso de que Controlnet ya es existente dentro
de la instalación no es bueno comenzar con la premisa de
seleccionar ethernet como primera opción.
En los casos en que no sea fácil escoger una red se debe ver a
hacia adelante y determinar cual red provee el mejor chance de
cumplir con los requerimientos futuros del usuario.
En Resumen

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