Objetivo
A
partir del siguiente informe se abordara la manera en la cual la red industrial
de Profinet es la más fácil, segura y confiable en los últimos días, así como también
se darán características generales de cada uno de los aspectos que se engloban
dentro del índice del mismo informe.
Índice:
Profinet
Método de Acceso al Medio
Topología
Medios Físicos y distancias
Protocolo de Comunicación
Tiempo
Real Flexible
Tiempo
Real Isócrono
TCP/IP
Identificación de los Participantes
Software de Administración
Monitoreo y Redundancias
Qué
es Profinet?
PROFINET se basa en
estándares de TI acreditados y ofrece funcionalidad de TCP/IP completa para la
transferencia de datos en toda la empresa y a todos los niveles. Además, los
usuarios gozan de las ventajas de los diagnósticos integrados y las comunicaciones
de seguridad positiva, que ofrecen una disponibilidad del sistema óptima, que
abarca desde los conceptos de máquinas modulares para conseguir la máxima
flexibilidad hasta las velocidades de transferencia más rápidas y aplicaciones
WLAN. En su conjunto, estas capacidades le ofrecen un rendimiento
considerablemente superior.
Con la integración de
PROFINET (Process FIeld NET) como bus de campo, SIMATIC PCS 7 soporta un gran
número de tecnologías para la comunicación a nivel de campo. PROFINET, basado
en estándares internacionales IEC61158 y IEC61784, combina las ventajas de una
red estándar de Ethernet abierta y las ventajas del protocolo de comunicación
de campo PROFIBUS.
PROFINET puede ser
implementado como el único bus de campo en un proyecto, o en combinación con
PROFIBUS DP para la comunicación entre los sistemas de automatización y la
periferia del proceso.
PROFINET está
básicamente diseñado para un uso común a nivel de sistema y de proceso. Para
poder cumplir los aspectos de seguridad y los requerimientos en “tiempo real”
en la automatización de procesos, tanto el “nivel de sistema” como el “nivel de
proceso” deben ser creados e integrados de manera separada el uno del otro. Las
arquitecturas conocidas que involucran Ethernet pueden ser implementadas a
“nivel de sistema”.
Método
de Acceso al medio
El estándar Ethernet
basado en Bus (10BASE5) trabajaba con CSMA/CD como método de Acceso al medio. Esto
implica una probabilidad de Colisión. Esto conlleva a:
Ø Pérdida
de tiempo porque se tiene que retransmitir la trama (mayor retardo)
Ø En
una Ethernet 10BASET moderadamente cargada de tráfico y con 100 estaciones se tienen
tiempos de entrega de las tramas de entre 10ms y 100ms
Ø En
una Ethernet Industrial el retardo debe estar entre 5 y 20 ms e incluso,
algunos procesos requieren entre 2 y 5ms.
Topología
en la red
Menor coste de cableado
y puesta en marcha más sencilla Topología lineal y estructuras de anillo redundante
posibles sin componentes de red adicionales. Varios controladores pueden
convivir en una red de acceso simultáneo a un Anillo (redundante) Línea Estrella
Topología adaptada para
cada máquina. Soporte de topologías variadas tales como estrella, árbol, línea
o anillo.
En PCS 7 se pueden
implementar distintas configuraciones con PROFINET como bus de campo (nivel de
proceso), la configuración adecuada se debe seleccionar dependiendo del tamaño
de la planta y el número de nodos. Las topologías generales se muestran a
continuación, así como sus ventajas o desventajas correspondientes en relación
a PCS 7.
Para la conexión del
nivel de campo hacia el sistema de automatización (AS), se prefiere la interfaz
interna de PROFINET (a partir de CPU con FW V6.0), sin embargo se puede usar
como alternativa la CP 443-1EX30* en combinación con un CPU estándar (414-3,
416-2, 416-3 y 417-4) con versión V5.3.1 o superior.
Con un sistema de
automatización sencillo todas las estructuras básicas son soportadas, para una
arquitectura en anillo son usados los dos puertos internos del CPU.
Línea:
Es la estructura más simple, pero más propensa a falla, ya que una falla en un
dispositivo causa una interrupción en la línea.
Estrella:
Con esta estructura se implementa un cableado efectivo con componentes
adicionales de red, el número de nodos depende del switch.
Anillo:
Configuración robusta con hasta 50 dispositivos IO y un máximo tiempo de
reconfiguración de 200ms (por 50 nodos en uso).
Configuración
mixta (anillo/estrella): con un anillo MRP que brinda la
máxima confiabilidad posible. El anillo MRP está compuesto por un controlador
IP así como switches. Los elementos IO serán conectados a los switches.
La
estructura árbol (configuración mixta de línea y
estrella): con switches multi-canal (8 puertos) habilita tiempos breves de
respuesta. Esta topología soporta hasta 250 dispositivos IO y hasta 62 switches
conectados en serie.
Dependiendo de los
requerimientos del sistema o proceso, es posible seleccionar la configuración
adecuada ya sea anillo, árbol, o anillo/estrella.
Medios
Físicos
Varios medios disponibles para la red:
Ø Cable
de cobre Cat5,
Ø Cables
de fibra óptica de vidrio y plástico, e IWLAN
Ø Acceso
a máquinas y plantas mediante una conexión segura VPN.
Cable Trenzado
Los cables de trenza no
tienen escudo (unshielded) son comúnmente utilizados con sistemas telefónicos y
redes de área local (LAN), consisten en pares de cables aislados y entrelazados
mutuamente.
El numero de
entrelazamientos (ósea de veletas) en el cable es importante porque mas vueltas
ayudan a prevenir que el campo magnético que se general por la señal eléctrica
de uno de los cables ocasione un fallo en el voltaje de el otro cable.
El conector RJ-45
encontrado al final de los cables de trenzas es similar a aquellos usados en
los cables telefónicos y se necesitan conectar del cable de la red al hub y
luego a la computadora.
Protocolo
de Comunicación
Tiempo
real flexible (SRT, del inglés Soft Real Time) para
aplicaciones típicas de automatización en tiempo real (ciclo de tiempo de 10
ms):
La funcionalidad de
tiempo real se utiliza para datos de proceso donde el tiempo resulta crítico,
es decir, con datos de usuario cíclicos o alarmas controladas por eventos.
PROFINET utiliza un canal de comunicaciones en tiempo real optimizado para las
necesidades de tiempo real de los procesos de automatización.
De este modo se
minimizan los tiempos de ciclo y se mejora el rendimiento a la hora de
actualizar los datos de proceso. Las prestaciones son comparables a las de los
buses de campo, y se permiten unos tiempos de respuesta de entre 1 y 10 ms. Al
mismo tiempo se reduce considerablemente la potencia de procesador necesaria en
el dispositivo para la comunicación. En esta solución se pueden utilizar
componentes de red estándar.
Los switches de SIMATIC
NET permiten, además, una transferencia de datos optimizada. Para ello se
establecen prioridades en los paquetes de datos según la norma IEE 802.1Q. En
función de estas prioridades, los componentes de red controlan el flujo de
datos entre los dispositivos. Para los datos en tiempo real se utiliza la
prioridad 6 (el segundo nivel más alto) como la prioridad estándar. Esto
garantiza un tratamiento preferente con respecto a otras aplicaciones que
tienen asignados niveles de prioridad más bajos.
TCP
IP
Es un protocolo DARPA
que proporciona transmisión fiable de paquetes de datos sobre redes. El nombre
TCP / IP Proviene de dos protocolos importantes de la familia, el Transmission
Control Protocol (TCP) y el Internet Protocol (IP). Todos juntos llegan a ser
más de 100 protocolos diferentes definidos en este conjunto.
El TCP / IP es la base
del Internet que sirve para enlazar computadoras que utilizan diferentes
sistemas operativos, incluyendo PC, minicomputadoras y computadoras centrales
sobre redes de área local y área extensa. TCP / IP fue desarrollado y
demostrado por primera vez en 1972 por el departamento de defensa de los Estados
Unidos, ejecutándolo en el ARPANET una red de área extensa del departamento de
defensa.
Las
características del protocolo TCP
Es uno de los
principales protocolos de la capa de transporte del modelo TCP/IP. En el nivel
de aplicación, posibilita la administración de datos que vienen del nivel más
bajo del modelo, o van hacia él, (es decir, el protocolo IP). Cuando se
proporcionan los datos al protocolo IP, los agrupa en datagramas IP, fijando el
campo del protocolo en 6 (para que sepa con anticipación que el protocolo es
TCP). TCP es un protocolo orientado a conexión, es decir, que permite que dos
máquinas que están comunicadas controlen el estado de la transmisión.
Las principales características del protocolo TCP son las siguientes:
Las principales características del protocolo TCP son las siguientes:
Ø TCP
permite colocar los datagramas nuevamente en orden cuando vienen del protocolo
IP.
Ø TCP
permite que el monitoreo del flujo de los datos y así evita la saturación de la
red.
Ø TCP
permite que los datos se formen en segmentos de longitud variada para
"entregarlos" al protocolo IP.
Ø TCP
permite multiplexar los datos, es decir, que la información que viene de
diferentes fuentes (por ejemplo, aplicaciones) en la misma línea pueda circular
simultáneamente.
Ø Por
último, TCP permite comenzar y finalizar la comunicación amablemente.
El
objetivo de TCP
Con el uso del protocolo TCP, las
aplicaciones pueden comunicarse en forma segura (gracias al sistema de acuse de
recibo del protocolo TCP) independientemente de las capas inferiores. Esto
significa que los routers (que funcionan en la capa de Internet) sólo tienen
que enviar los datos en forma de datagramas, sin preocuparse con el monitoreo
de datos porque esta función la cumple la capa de transporte (o más
específicamente el protocolo TCP).
Identificación
de los participantes
Cada participante dentro de la
red de Profinet necesita de 3 aspectos para su identificación dentro del
sistema y la comunicación se lleve a cabo:
Ø Dirección
IP
Ø MAC
Address
Ø Nombre
Profinet
La identificación del
dispositivo de PROFINET IO consiste en una clave de la compañía (vendedor) y
una clave específica del fabricante (DEVICE_ID). El vendedor se asigna únicamente
a una empresa. El DEVICE_ID puede ser definido por el fabricante específicamente
para el dispositivo. PI ofrece los planes y las especificaciones GSDML necesarias
para crear un archivo GSD. PI GSD-Viewer soporta la validación y
visualización de un archivo GSD.
Todos los equipos
PROFINET se basan en el estándar Industrial Ethernet, y por eso necesitan de
una dirección IP para su funcionamiento en Ethernet.
Para facilitar la
configuración, sólo se pide una vez indicar la dirección IP. Al configurar el
controlador PROFINET IO en la configuración HW, el STEP 7 abre un diálogo para
elegir la dirección IP y la subred de Ethernet.
Las direcciones IP de
los equipos PROFINET IO las crea el STEP 7 y se asignan automáticamente a los
equipos PROFINET IO por parte del controlador PROFINET IO, durante el arranque
de la CPU. Las direcciones IP de todos los equipos PROFINET IO que están
conectados a un controlador PROFINET IO, siempre tiene la misma sub máscara;
Partiendo de la dirección IP del controlador PROFINET IO, las direcciones IP se
asignan automáticamente a los equipos PROFINET IO, siguiendo una secuencia
ascendente.
Antes de que un equipo
PROFINET IO pueda ser consultado por un controlador PROFINET IO, el equipo
PROFINET IO debe tener asignado un nombre de dispositivo. Se ha elegido este
procedimiento en PROFINET, ya que los nombres son más fáciles de manejar que
las direcciones IP complejas. La asignación de nombres de dispositivo para un
equipo PROFINET IO concreto es comparable con la asignación de una dirección PROFIBUS
en un esclavo DP.
Software
de Administración
Estándar mundial de
programación STEP 7 es el software de programación más conocido del mundo y el
más utilizado en la automatización industrial. Es más:
STEP 7 permite
configurar y programar no sólo PLCs, sino también sistemas de automatización
basados en PC y automatización embebida SIMATIC. De este modo el usuario tiene
libertad para elegir su hardware y puede utilizar el mismo software aunque
trabaje con configuraciones mixtas. STEP 7 se ofrece en dos variantes, una
profesional y otra básica.
Redundancias
Para una configuración
sencilla se puede usar un anillo MRP (Media Redundancy Protocol) o una
estructura en árbol (comparable con el sistema “mono-máster” para topologías de
PROFIBUS) de acuerdo al tiempo de respuesta requerido y el número de
dispositivos de campo (IO’s). El anillo MRP es la solución más efectiva en
costo ya que no se requieren componentes adicionales.
Alto rendimiento con redundancia
de medio Incremento de la disponibilidad de la planta y la maquina. La
redundancia de medio está integrada en PROFINET y puede ser fácilmente
utilizada sin costes adicionales
Redundancia
integrada en anillo redundante PROFINET
La redundancia se puede
implementar con ayuda de switches externos y mediante las interfaces integradas
de PROFINET. El fallo de dispositivos en la topología de anillo no tiene efecto
en la disponibilidad de la planta. El mantenimiento se agiliza incluso ante un
fallo en la red.
Basado en topología de Anillo Max. 50 nodos en el
anillo
Ø Controlador
PROFINET IO
Ø Dispositivos
PROFINET IO
Componentes de la infraestructura de red (switches IE)
Configuración y
diagnostico desde herramienta de ingeniería o página web de los equipos Tiempo
de reconfiguración 200 ms. Uno de los dispositivos toma automáticamente el
papel de gestor del anillo.
Conclusión
A
partir de la innovación que se demuestra día a día dentro de las empresas se ve
la necesidad de una nueva forma de comunicación dentro de las automatizaciones,
así, desde la primer red industrial que fue interbus hasta la más avanzada hoy
en día como lo es profinet, nos ha facilitado la operación y programación de
tales automatizaciones dentro de la industria, generando así menores costos y
mayor eficiencia, como a su vez es necesaria la capacitación continua en la
innovación de estas y el personal altamente calificado.
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