Este documento presenta conceptos básicos sobre redes inalámbricas industriales. Explica las diferentes topologías de redes (estrella, malla, árbol), los componentes clave como los nodos, gateway y sistema de información, y los requisitos técnicos diferentes entre redes de campo y de planta. También resume la evolución de los estándares inalámbricos e introduce los conceptos de WLAN, WPAN y sus protocolos correspondientes.
2. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 2
AgendaAgenda
Introducción
Evolución y Estándares
Conceptos Básicos
Requerimientos de una red inalambrica industrial
3. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 3
La Planta Digital de Emerson Integra de FormaLa Planta Digital de Emerson Integra de Forma
Transparente lo cableado y lo inalámbricoTransparente lo cableado y lo inalámbrico
Red de Planta
Red de Control
Operaciones
Administración
de Activos
Dispositivos
De Campo
Redes
Autoadminstradas
Comunicaciones
móviles
Operador
Móvil
Seguridad Física
y del Proceso
Seguimiento de
Activos/Personal
Red de Planta Inalámbrica
Red de Campo Inalámbrica
4. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 4
Red de Campo Inalámbrica
11 Aplicaciones Top:
1. Monitoreo de Procesos
Complicados
2. Equipo Rotativo
3. Ambientales
4. Sistemas Auxiliares
5. Estatus de Sistemas de
Seguridad
6. Seguridad de Operadores
7. Activos Móviles
8. Posición Válvula On/Off
9. Arranque Procesos
10.Instalaciones Temporale
11. Alternativa a cableado
Desarrollo de soluciones inalámbricasDesarrollo de soluciones inalámbricas
depende de las necesidades del clientedepende de las necesidades del cliente
Red de Planta Inalámbrica
8 Aplicaciones Top:
1. Field Data Backhaul
2. Operador Móvil
3. Enlace
4. Video - Securidad
5. Video - Proceso
6. Seguimiento activos
7. Safety Mustering
8. Voz sobre WLAN
5. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 5
Las Redes de Planta y Campo tienenLas Redes de Planta y Campo tienen
consideraciones técnicas diferentesconsideraciones técnicas diferentes
Red de Planta Inalámbrica
Bandwidth: Alto – Múltiples
aplicaciones que deben
compartir la misma
infraestructura inalámbrica
Seguridad / Confiabilidad:
Seguridad Industrial y
coexistencia robusta.
Debe pasar los
requerimentos de TI
Energía: Los dispositivos
puede estar cableados o
recargarse diariamente
Estándares: Definidos por la
comunidad de TI (802.11)
Red de Campo Inalámbrica
Ancho de Banda: Bajo -
pequeño, high priority
communications
Seguridad/Confiabilidad: No
podemos perder una
“llamada”….debemos co-
existir y desempeñarnos en
ambientes severos,
dinámicos.
Energía: BAJO…muchos
dispositivos, ampliamente
distribuidos en ambientes
severos, baterías deben
durar 5 – 10 años
Estándares: Definidos por la
comunidad de Proceso
(WirelessHART)
6. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 6
La Planta Digital de Emerson Integra de FormaLa Planta Digital de Emerson Integra de Forma
Transparente lo cableado y lo inalámbricoTransparente lo cableado y lo inalámbrico
Red de Planta
Red de Control
Operaciones
Administración
de Activos
Dispositivos
De Campo
Redes
Autoadminstradas
Comunicaciones
móviles
Operador
Móvil
Seguridad Física
y del Proceso
Seguimiento de
Activos/Personal
Red de Planta Inalámbrica
Red de Campo Inalámbrica
7. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 7
AgendaAgenda
Introducción
Evolución y Estándares
Conceptos Básicos
Requerimientos de una red inalambrica industrial
8. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 8
IntroducciónIntroducción
(Finales de los 90’s) Surge LAN inalámbrico,
digital
– IEEE 802.11b
– Se desarrolla Spread Spectrum
(1901) Gugliermo Marconi
envía el primer mensaje a
través del Atlántico
II Guerra Mundial - Radio
(1990) Digital wireless mediados de
90’s gracias a la telefonía celular
– TDMA
– GSM
(1985) La FCC asigna la banda
de 902 a 928 MHz para ISM
(Industrial, Scientific and Medical)
(1945) Primer teléfono
móvil (no-celular)
(2004-2006) WPAN
– IEEE 802.15
Transmisiones analógicas
(1960) Noruega es el primer
país con teléfonos celulares 0G
1901 1990 2000
(2003) LAN
– IEEE 802.11g
(2008-2009?)
– IEEE 802.11s
9. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 9
Tecnología Inalámbrica aTecnología Inalámbrica a
Distintos NivelesDistintos Niveles
W-WAN: Wireless Wide Area Networks
W-MAN: Wireless Metropolitan Networks
W-LAN: Wireless Local Area Network
W-PAN: Wireless Personal Area Networks Walt Boyes. Cutting the Wires of Communication. Control Global. 2006
Certificados de Conformidad
WiMAX: Worldwide Interoperable for Microwave Access.
Wi-Fi: Wireless Fidelity.
WPA: WiFi Protected Access
En
Planta
Cercano
Global
1Mb/s 10 Mb/s 100 Mb/s Velocidad de Transmisión
ConsumodeEnergía
Costo/Complejidad
Satelital
W-WAN
W-PAN
3G
RFID-2
2G
2.5G
1G
Bluetooth
Zigbee
W-LAN
$$$$
$
802.16
802.15.3
RFID-1
802.15.4
802.11.g
802.11.b
802.11.a
WiMAX
WMAN
802.11a
HiperLAN
WiMedia
UWS
LR-WPAN
WiFi
10. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 10
Qué significa eso en mi planta?Qué significa eso en mi planta?
11. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 11
ProtocolosProtocolos
Wireless Personal Area Networks - WPANWireless Personal Area Networks - WPAN
IEEE 802.15
(1998)
(2003)
12. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 12
ProtocolosProtocolos
Wireless Local Area Networks - WLANWireless Local Area Networks - WLAN
IEEE 802.11
Los dispositivos que satisfacen este estándar, se les
certifica Wi-Fi (Wireless Fidelity)
13. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 13
AgendaAgenda
Introducción
Evolución y Estándares
Conceptos Básicos
Requerimientos de una red inalambrica industrial
14. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 14
AgendaAgenda
Introducción
Evolución y Estándares
Conceptos Básicos
– Redes de comunicación
– Topologías
– Transmisión Inalámbrica
– Segmentación según uso
Requerimientos de una red inalambrica industrial
15. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 15
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Red (comunicaciones)
– Estructura de comunicación entre dos o más dispositivos,
orientados a compartir información y recursos
– Componentes
• Sistema de información
• Dispositivos (nodos)
• Interfase (Gateway)
16. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 16
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Sistema de Información
– Visualiza y almacena la información
– La información la administra de diversas maneras
• Reportes de mantenimiento
• Históricos del proceso
• Generación de alarmas
– Fácil de integrar
Alarmas/
Data Logging
Trending
Monitoreo
Configuración
17. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 17
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Gateway
– Es un puente o interfase entre dos medios físicos distintos,
también entre dos protocolos diferentes
• Analógico a Digital
• Bell 202 a RS-232
• Inalámbrico a Sistema cableado
• HART a Modbus
18. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 18
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Nodos
– Elementos que componen la estructura de la red de
comunicación
• La comunicación se establece entre los nodos
• Dependen de la estructura definida para la red (topología)
19. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 19
Conceptos BásicosConceptos Básicos
TopologíasTopologías
Source: http://www.hartcomm2.org/hart_protocol/wireless_hart/wireless_hart_main.html
Malla Estrella Arbol*
* También Mesh-Estrella
20. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 20
Conceptos BásicosConceptos Básicos
TopologíasTopologías
Estrella
– Existe un único EnrutadorEnrutador que establece
comunicación con todos los dispositivos finales.
– Cada Nodo FinalNodo Final habla directamente con el
EnrutadorEnrutador
VentajasVentajas
– Adecuada para redes pequeñas
DesventajasDesventajas
– Sensible a la interferencia (fijas, móviles e
intermitentes) y obstrucciones
• Importante realizar una evaluación del campo
– Si el Nodo EnrutadorNodo Enrutador sale de servicio, se pierde la
comunicación de todos los demás nodos
– Media-Baja confiabilidad
Nodo Enrutador
Nodo Final
21. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 21
Conceptos BásicosConceptos Básicos
TopologíasTopologías
Malla (Mesh)
– Algunos (o todos) los Nodos FinalesNodos Finales se pueden
configurar como Nodos EnrutadoresNodos Enrutadores
VentajasVentajas
– Enlaces redundantes
– Tolerante a fallas
– Alta confiabilidad
DesventajasDesventajas
– Puede requerir un alto nivel de configuración de los
nodos
Nodo Enrutador
Nodo Final
22. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 22
Conceptos BásicosConceptos Básicos
TopologíasTopologías
Arbol
– Es una mezcla entre Malla y Estrella
– Algunos de los Nodos FinalesNodos Finales se pueden
configurar como Nodos EnrutadoresNodos Enrutadores
– Algunos Nodos Finales se comunican
únicamente con algunos Nodos Enrutadores
VentajasVentajas
– Enlaces redundantes (parciales)
– Tolerante a fallas (parcialmente)
– Permite segmentar la planta (por dispositivo,
proceso, variable, etc)
DesventajasDesventajas
– Puede requerir un alto nivel de configuración de
los nodos
• Persisten algunos problemas de la topología
estrella
Nodo Enrutador
Nodo Final
23. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 23
Conceptos BásicosConceptos Básicos
TopologíasTopologías
Red Auto-Administrada (Smart Mesh)
– Es una versión mejorada del Malla
– Todos los dispositivos tienen la capacidad de
enrutar la información
– Se auto configura
VentajasVentajas
– No dependen de una pre-configuración
• Detectan en forma inteligente, los vecinos a través
de los cuales puede transmitir
– Aumenta la tolerancia a falla
– Elimina la redundancia innecesaria
– Alta confiabilidad
DesventajasDesventajas
Nodo Enrutador
Nodo Final
24. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 24
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Redes InalámbricasRedes Inalámbricas
Redes Inalámbricas
– Cable entre los dispositivos inexistente
• No requiere cableado para transmitir información ni para
energizar los dispositivos
25. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 25
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Redes InalámbricasRedes Inalámbricas
Mismas topologías que
redes cableadas
Redes parcialmente
inalábricas
– Alimentación
– Comunicación
Radios y antenas
establecen la
comunicación inalámbrica
Conexión Inalámbrica
Conexión cableada
26. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 26
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Transmisión InalámbricaTransmisión Inalámbrica
Medios de transmisión en la Industria:
– Radio Frecuencia
– Microonda (satelital)
Espectro Electromagnético
Frecuencia(Hz)
LongituddeOnda
27. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 27
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Transmisión InalámbricaTransmisión Inalámbrica
Frecuencias industriales comunes
– 868 MHz (ISM)
– 900 MHz
– 2.4 GHz
– 5.1 GHz
En comunicaciones de radio, cada banda de transmisión está compuesta
por canales
28. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 28
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Transmisión InalámbricaTransmisión Inalámbrica
Para transmitir ondas de radio, se requiere de
una antena
Existen varios tipos de antena. Entre las más
comunes se encuentran:
– Parabólica
– Yagi
– Omnidireccional
• Planar (celular)
Cada una de ellas se caracteriza por
– Patrón de radiación
– Ganancia
29. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 29
Conceptos BásicosConceptos Básicos
Transmisión InalámbricaTransmisión Inalámbrica
Omnidireccional
Ganancia media
Libertad de ubicación del
Emisor y del receptor
Ideal para conexión tipo malla
– Lo hace menos susceptible
ante presencia de
obstrucciones en el paso de la
onda
Menor consumo de energía
Direccional
Alta ganancia
Emisor y receptor deben estar
alineados
Ideal para conexiones Punto-a-
Punto
– Pérdida de señal por
obstrucciones en el paso de la
onda
Mayor consumo de energía
30. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 30
RequerimientosRequerimientos
Según el usoSegún el uso
Personal
Residenciales
Comerciales
Industriales
31. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 31
AgendaAgenda
Introducción
Evolución y Estándares
Conceptos Básicos
Requerimientos de una red inalambrica industrial
32. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 32
AgendaAgenda
Introducción
Evolución y Estándares
Conceptos Básicos
Requerimientos de una red inalambrica industrial
– Seguridad
– Energía
– Estándares Industriales
– Robustez
– Entorno/Coexistencia
33. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 33
Requerimientos paraRequerimientos para
Usos IndustrialesUsos Industriales
Fábrica
Areas bajo techo
Maquinaria asociada a
– manufactura, ensamble,
empaque y distribución de
productos
Manejo de materiales:
– traslado de los productos del
área de fabricación a las
zonas de despacho
Proceso
Normalmente en plantas al aire
libre
La producción está “oculta” de los
operadores
– En tuberías, equipos especiales
(intercambiadores) y/o tanques
presurizados.
Los productos son en su mayoría
fluídos.
Productos corrosivos, venenosos
o inflamables
34. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 34
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
SeguridadSeguridad
Protección del acceso por parte de terceros
– Evitar que se reemplace la fuente de
información
– Evitar que se remplace el destino de la
información
Protección de la información
– Privacidad de los datos
– Optimización de los recursos
Técnicas para aumentar la seguridad
– Modulación
– Encriptación
– Autenticación
– Verificación
– Restricción de acceso
35. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 35
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
ConfiabilidadConfiabilidad
Confiabilidad
– La certeza de que la información llegue al
destino
– Algunas –no todas- de las técnicas para
aumentar la confiabilidad, impactan
positivamente la seguridad
• Modulación
• Sincronización
– Latencia depende de la confiabilidad
Mensajes recibidos por el Gateway
Mensajes enviados por el dispositivo
Confiabilidad =
36. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 36
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
ConfiabilidadConfiabilidad
Confiabilidad depende de:
– Sensor
– Comunicación
inalámbrica
– Integración del Host
– Administración de los
datos
Un red inalámbrica es tan
confiable como el más
débil de sus componentes
A
B
D
Gateway
Red de Control
Operaciones
85%
65%
40%
C
Confiabilidad
delaRed
>99%
37. [File Name or Event]
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27-Jun-01, Slide 37
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
ConfiabilidadConfiabilidad
Pérdida de señal
El impacto sobre las comunicaciones, está asociado a
la topología seleccionada
– Fijas
• Zonas muertas
• Infraestructura
– Materiales de construccion.
– Mover el dispositivo unos milímetros
puede ser suficiente
– Móviles
• Fuerte interferencia de otras fuentes RF
• Infraestructura
– Intermitentes
• Lluvia, humedad, neblina
• Otras fuentes RF
38. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 39
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
ConfiabilidadConfiabilidad
Interferencia entre canales
– o CCI es un cruce de señal
entre dos radio-transmisores
diferentes, que utilizan la misma
frecuencia de transmición
– Coexistencia
• La habilidad de dos radio
transmisores de utilizar la misma
frecuencia de transmisión,
compartiendo el mismo canal de
comunicación
39. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 40
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
ConfiabilidadConfiabilidad
Causas de CCI
Potencia de Transmisión
Comportamiento de la señal con respecto al tiempo
Comportamiento de la señal con respecto al espacio (frecuencia)
40. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 41
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
ConfiabilidadConfiabilidad
Interferencia móvil
– Cluster Tree
A
B
C
Configuración
A : Gateway
A : B
Configuración
B : Gateway
B : A
Configuración
C : Gateway
41. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 42
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
ConfiabilidadConfiabilidad
Interferencia móvil
– Cluster Tree
A
B
C
Configuración
A : Gateway
A : B
Configuración
B : Gateway
B : A
Configuración
C : Gateway
42. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 43
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
Confiabilidad-ModulaciónConfiabilidad-Modulación
Saltos rápidos en frecuencia
Saltos pseudo-aleatorios
Salta dentro de los canales de
la banda.
Rechazo a la interferencia
Espectro Ampliado por Salto en Frecuencia
Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)
Beneficios de FHSS
– Aumento de confiabilidad
• Detecciones de error
• Retransmisiones si el
mensaje es interrumpido
– Anticipan a la
competencia por demanda
• Y por la interferencia
causadas por otros
dispositivos
43. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 44
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
Confiabilidad-ModulaciónConfiabilidad-Modulación
Una banda estrecha de la
señal se multiplica por otra
señal pseudo-aleatoria de
ruido (secuencia Barker).
La señal resultante se dispersa
por toda la banda
Espectro Ensanchado por Secuencia Directa
Direct Sequence Spreads Spectrum (DSSS)
Beneficios de DSSS
– Redundancia
• Transmisión a través de toda
la banda
• El receptor puede reconstruir
la señal en caso de daños
– Anticipan a la competencia
por demanda
• Y por la interferencia
causadas por otros
dispositivos
44. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 45
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
Confiabilidad-SincronizaciónConfiabilidad-Sincronización
Métodos de Acceso del Canal a
través del cual se intercambio la
información
Permite que varios elementos
hagan uso del mismo canal de
comunicación
45. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 46
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
Confiabilidad-SincronizaciónConfiabilidad-Sincronización
Acceso Multiple por Deteccion de Portadora
– Carrier Sense/Detection Multiple Access (CSMA/CDMA):
• El emisor “escucha” la portadora para verificar si está libre.
• Si está libre, inicia su transmisión
• Propenso a “colisiones”
bla bla bla
ble
ble
ble
Click
normal
Click
colision
!?
46. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 47
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
Confiabilidad-SincronizaciónConfiabilidad-Sincronización
Acceso Multiple por Deteccion de Portadora
– Carrier Sense/Detection Multiple Access (CSMA/CDMA):
• Receptor está fuera de servicio.
• El transmisor envía datos y al no recibir confirmación vuelve a
enviar la información
• Saturación del canal
bla bla bla
Click
Saturacion
47. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 48
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
Confiabilidad-SincronizaciónConfiabilidad-Sincronización
Time division multiple access (TDMA):
– Cada uno de los dispositivos sabe cuándo debe transmitir, y
por cuánto tiempo
t
A D
D D DA A A EB C B C B CEE
A:
D:
48. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 49
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
Seguridad-EncriptaciónSeguridad-Encriptación
Encriptación es el proceso de
transformar un mensaje en un
cipher-texto.
– cipher. Algoritmo matemático
– cipher-texto. Información
Protege el mensaje del acceso
de terceros (no autorizados) en
la red
– Evita que se pueda interpretar
– Evita que alguien lo manipule
externamente
49. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 50
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
Seguridad-EncriptaciónSeguridad-Encriptación
HOLA
KROD
HOLA
HOLA
CLAVE:
Letra + 3
Encriptación
CLAVE:
Letra - 3
Des-encriptación
128 bits = 2
128 bits = 3.4x10
128
38
Combinaciones
50. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 51
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
Seguridad-AutenticaciónSeguridad-Autenticación
Busca asegurar que
tanto el emisor como
el receptor, sean
elementos válidos que
pertenecen a la red
Busca evitar que un
agente externo, tenga
la posibilidad de
modificar o accesar
51. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 52
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
EnergíaEnergía
La energía es fundamental para que el
sistema sea totalmente inalámbrico
Algunas aplicaciones presentan
requerimientos de suministro permanente:
– Totalizacion de caudal
– Variables de control
Consumodeenergía
• Cantidad de información
• Distancia de transmisión
• Velocidad de transmisión
• Periodicidad de transmisión
52. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 53
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
EnergíaEnergía
Panel SolarPanel Solar
Recarga una batería
Uso muy difundido
Limitaciones
Interiores de la planta
Orientación del sol
Alto costo
BateríaBatería
Compacto
Fácil de reemplazar
Limitaciones
Vida útil limitada
Químicos que limitan su
desecho/transporte
53. [File Name or Event]
Emerson Confidential
27-Jun-01, Slide 54
Requerimientos IndustrialesRequerimientos Industriales
EnergíaEnergía
Emerson’s wireless vision has not changed over the last 3 years….except it’s all real! The wireless architecture is very simple in our view. Wireless is a seamless extension of the wired architecture. The WirelessHART Field Network connects and integrates wireless field devices. And the Wireless Plant Network provides the coverage and connection for applications like mobile workers, video and location tracking. Both the Wireless Field and Wireless Plant Networks are based on industry standards including Wireless HART at the Field Network level and IEEE 802.11 at the Plant Network level. This standards based approach delivers the highest reliability and greatest flexibility to users. Both networks are fully scalable and enable a full scale, plant wide implementation or the ability to start with a small field network. This diagram illustrates Emerson’s vision for Smart Wireless Solutions in plants. Starting at the bottom and working our way up, you can see it can begin with wireless field devices. These wireless field devices can be in your plant, or at remote sites. The wireless field devices, which might be wireless transmitters, adapters to existing devices or wireless valves position monitors, communicate back to a Smart Wireless gateway which collects the data and can then be tied into your process automation system or asset management system. The vision also shows how these Smart Wireless gateways can be tied back directly to the control system, as shown on the left, or they can utilize the wireless infrastructure to pass data back, as shown on the right (also known as a ‘backhaul’). The architecture also supports multiple integration options, both wired and wireless through the Plant Network. The Wireless Plant Network provides a platform on which to deploy many applications in the Business and Plant Management and Workforce Productivity categories. Emerson has been executing on this vision, and will continue to expand and refine our offerings and capabilities, based on this vision.
What are the applications that can help you build the infrastructure over time? There are very different power requirements and network requirements for field network and plant network applications. Depending on whether you need to do video monitoring of a delivery gate or process area…or if you want to measure something you just couldn’t measure without wires, you would make different investments and go about solving these in different ways…and use different radios. That’s because the things on the right ‘plug in at night’ and the things on the left…field devices that run for years with no maintenance, don’t.
Field Network characteristics: Designed specifically for sensor and field device application. Wireless Field Networks are extremely Low powered to enable the use of battery-powered devices that operate for many years on the same battery. These solutions are also extremely secure and reliable. Emerson uses open standards such as 802.15.4 and WirelessHART to provide these solutions. Plant Network characteristics: Emerson’s Wireless Plant Network seamlessly integrates the wireless Field Network. Wireless Plant Networks Provide the high bandwidth, flexibility and expansion capabilities required by your business and operational applications. Of course, security and reliability are just as important for these applications as well. We use open standards such as 802.11 (“WiFi”) to provide these solutions.
Emerson’s wireless vision has not changed over the last 3 years….except it’s all real! The wireless architecture is very simple in our view. Wireless is a seamless extension of the wired architecture. The WirelessHART Field Network connects and integrates wireless field devices. And the Wireless Plant Network provides the coverage and connection for applications like mobile workers, video and location tracking. Both the Wireless Field and Wireless Plant Networks are based on industry standards including Wireless HART at the Field Network level and IEEE 802.11 at the Plant Network level. This standards based approach delivers the highest reliability and greatest flexibility to users. Both networks are fully scalable and enable a full scale, plant wide implementation or the ability to start with a small field network. This diagram illustrates Emerson’s vision for Smart Wireless Solutions in plants. Starting at the bottom and working our way up, you can see it can begin with wireless field devices. These wireless field devices can be in your plant, or at remote sites. The wireless field devices, which might be wireless transmitters, adapters to existing devices or wireless valves position monitors, communicate back to a Smart Wireless gateway which collects the data and can then be tied into your process automation system or asset management system. The vision also shows how these Smart Wireless gateways can be tied back directly to the control system, as shown on the left, or they can utilize the wireless infrastructure to pass data back, as shown on the right (also known as a ‘backhaul’). The architecture also supports multiple integration options, both wired and wireless through the Plant Network. The Wireless Plant Network provides a platform on which to deploy many applications in the Business and Plant Management and Workforce Productivity categories. Emerson has been executing on this vision, and will continue to expand and refine our offerings and capabilities, based on this vision.
Bluetooth: Preocupación sobre el aspecto de seguridad Tnato Zigbee como Bluettoh nacen con orientación de uso personal y residencial/comercial IEEE 802.15 Bluetooth (1998) Permite conectividad e intercambio de información entre teléfonos, celulares, Computadores, impresoras, cámaras digitales y juegos de video, utilizando una frecuencia libre de bajo rango Consorcio de proveedorores fundado en 1998 con el liderazgo de Ericsson IBM, Intel, Motorola, Nokia y Toshiba Zigbee (2003) Liderado por Philips Lightining, Eaton (Leviton) y presentado en el 2003. DIseñado inicialmente para automatización residencial
Red (comunicaciones) Estructura de comunicación entre dos o más dispositivos, orientados a compartir información en dos sentidos (recibir y transmistir información), así como para compartir recursos Componentes Dispositivos (nodos) Interfase (Gateway) Sistema de información
Sistema de Información Es a través del cual se visualiza y almacena la información del campo. Basado en el SI, se determina la conectividad requerida del Gateway o Interfase La información la administra de diversas maneras Reportes de mantenimiento Históricos del proceso Generación de alarmas Preferiblemente se desea que dicho sistema forme parte de la plataforma existente En su defecto, la integración con los sistemas existentes debe ser sencilla
Gateway Es un puente o interfase entre dos medios físicos distintos Analógico a Digital Bell 202 a RS-232 Inalámbrico a Sistema cableado También, es un puente o interfase entre dos protocolos diferentes HART a Modbus Dependiendo de los requerimientos, el Gateway o enrutador, debe ofrecer la conectividad entre los Dispositivos de Campo (nodos) y el Sistema de Información
Nodos Dependen de la estructura definida para la red (topología) La topología en una red, corresponde al arreglo o mapeo de los elementos (enlaces, nodos, etc.) que forman la red, que incluye tanto las interconexiones físicas y lógicas entre los elementos Nodos Hay algunas topologías que utilizan gateways, enrutadores o interfases intermedias Se pueden diferenciar dos tipos de nodos: Nodos Primarios y Nodos Secundarios Los nodos primarios reportan a un enrutador Los nodos secundarios, conformados por un grupo de enrutadores
Estrella Cada dispositivo (nodo) se comunica punto-a-punto con un dispositivo común (centralizador, enrutador o hub) de acceso. Este dispositivo central, re-transmite la información de los nodos que están conectados a él Dominio por colisión Un mensaje a la vez, descarta el resto Saturación del canal Sensible a la interferencia y obstrucciones Distancia de transmisión típicas entre 30 y 100 metros Muy susceptible a interferencias (fijas, móviles e intermitentes)
Malla (Mesh) A diferencia de la topología estrella, los dipositivos no un punto que centraliza la información. Algunos de los nodos se configuran de tal forma que son enrutadores El punto es responsable en re-transmitir la información a otro nodo Redundante, tolerante a fallas Gran rango de cobertura Orientada en el área industrial para estructuras pequeñas de hasta 250 nodos, que gracias a lo simple de las tablas de información, la velocidad es alta Exceso de redundancia innecesaria. Varias veces la misma información
Es una mezcla entre Malla y Estrella Los elementos del campo se comunican punto-a-punto con un elemento enrutador (gateway intermedio). Esta topología es del tipo estrella Los enrutadores, pueden establecer una topología diferente con respecto a los demás elementos. Puede ser también punto-a-punto, o bien establecer una conexión malla-simple entre ellos Permite segmentar la planta dependiendo el tipo de dispositivo (i.e. equipos cableados en una sección u equipos inalámbricos en otros) Presenta la desventaja de que en caso que un enrutador sale de servicio, todos los elementos conectados a él pierden comunicación
Es una malla inteligente Posee las misma ventajas que el Mesh convencional Todos los dispositivos tienen la capacidad de enrutar la información No dependen de una pre-configuración Aumenta la tolerancia a falla Elimina la redundancia innecesaria que existía en la topología Malla tradicional, ya que se auto-administra El Gateway administra el tráfico de información y re-define las rutas o enlaces de comunicación, en caso de ser necesario
Redes Inalámbricas Son las redes que establecen sus lazos de comunicación sin la existencia de cable entre los dispositivos Una red totalmente inalámbrica es aquella que no requiere cableado ni para establecer comunicaciones ni para energizar los dispositivos que componen la red
Se mantienen las mismas topologías existentes que en las redes convencionales Pueden existir redes parcialmente inalábricas, donde alguno de los elementos se conecta en forma cableada con otros Los nodos establecen la comunicación inalámbrica a través de radios y antenas
A nivel industrial, los medios de transmisión de información se han concentrado en Radio Frecuencia Micro-onda (celular y satelital)
Frecuencias industriales comunes 868 MHz (ISM 900 MHz 2.4 GHz 5.4 GHz En comunicaciones de radio, cada banda de transmisión está compuesta por canales
Saltos rápidos en frecuencia, de forma pseudo-aleatoria Salta dentro de los canales que componen la banda. Si existe interferencia en uno de los canales, se evita, saltando a otro canal que no la presente
Una banda estrecha de la señal se multiplica por otra señal pseudo-aleatoria de ruido (secuencia Barker). El resultado de la señal se dispersa por todo el rango de frecuencias contínuas. En el receptor, se vuelve a multiplicar la señal por el pseudo-ruido para recuperar la señal.
Normal: 1: Nodo verifica que el canal se encuentre libre para transmision 2: Al estar libre, inicia la transmisión. Otro nodo en la red, hace el barrido para verificar que el canal se encuentre libre. Como el canal ya está ocupado, se abstiene a transmitir 3: El nodo finaliza su transmisión 4:EL otro nodo en la red, hace un barrido para verificar que el canal está libre 5:Como el canal está libre, el otro nodo realiza su transmisión Colisión 1: Los dos nodos hacen barrido casi en forma simultánea. En este caso, los dos observan que el canal está libre 2:”Como el canal estaba libre” ambos tranmiten al mismo tiempo 3:El receptor no puede interpretar correctmente el mensaje ni el origen del mismo
Normal: 1: Nodo verifica que el canal se encuentre libre para transmision 2: Al estar libre, inicia la transmisión. Otro nodo en la red, hace el barrido para verificar que el canal se encuentre libre. Como el canal ya está ocupado, se abstiene a transmitir 3: El nodo finaliza su transmisión 4:EL otro nodo en la red, hace un barrido para verificar que el canal está libre 5:Como el canal está libre, el otro nodo realiza su transmisión Colisión 1: Los dos nodos hacen barrido casi en forma simultánea. En este caso, los dos observan que el canal está libre 2:”Como el canal estaba libre” ambos tranmiten al mismo tiempo 3:El receptor no puede interpretar correctmente el mensaje ni el origen del mismo