PROFINET
INFORME DE SEPTIEMBRE DEL 2015
RAMIRO MENDOZA MOTA
Indice
1.0............................................................................Objetivo
2.0............................................................................Introducción
3.0............................................................................PROFINET I/O
4.0............................................................................Diagrama/Topologia de Funcionamiento
5.0............................................................................Medios Físicos y Distancias
6.0............................................................................Velocidades de Tranmision
7.0............................................................................Protocolo de Comunicación
8.0............................................................................Integración de Distintos Buses de Campo
9.0............................................................................Identificación de Dispositivos PROFINET
10.0..........................................................................Monitoreo y Fallos
11.0..........................................................................Servicios Web
12.0..........................................................................Seguridad Industrial
13.0..........................................................................Conclusión
14.0..........................................................................Bibliografia
15.0..........................................................................Mapa Menta
Objetivo
En este tema abordaremos la tecnología de bus, que en este caso es profinet.
Incluiremos la explicación gráfica de como funciona,los dispositivos en en bus,la velocidad de transferencia de datos,el protocolo que utiliza,su topologia ,el software de administración,su monitoreo etc.
Introducción
La automatizacion industrial ha tenido un desarrollo decisivo gracias a PROFINET, trabaja sobre las bases de Ethernet y en comparación es claramente mas rapida que Profibus.PROFINET garantiza libertad para la instalacion y también cableado simplificado, diagnósticos homogéneos y configuración central. Todo ello supone un ahorro de tiempo y una nada despreciable ventaja en el costo, de modo que simplemente con la tecnología de conexión es posible mejorar la calidad del proceso.
Es el estándar abierto de Ethernet Industrial de la Asociación Internacional de PROFIBUS para la automatización en fabricación, control del movimiento y automatizacion de procesos.
La automatizacion industrial ha tenido un desarrollo decisivo gracias a PROFINET, trabaja sobre las bases de Ethernet y en comparación es claramente mas rapida que Profibus.PROFINET garantiza libertad para la instalacion y también cableado simplificado, diagnósticos homogéneos y configuración central. Todo ello supone un ahorro de tiempo y una nada despreciable ventaja en el costo, de modo que simplemente con la tecnología de conexión es posible mejorar la calidad del proceso.
PROFINET
Es el estándar abierto de Ethernet Industrial de la Asociación Internacional de PROFIBUS para la automatización en fabricación, control del movimiento y automatizacion de procesos.
PROFINET es 100% Ethernet de acuerdo con IEEE, por lo tanto es posible usar componentes estándar Ethernet para PROFINET.
Ventajas de PROFINET:
- Ofrece un acceso transparente a la planta con servicios estándares remotos incluyendo Mantenimiento, Diagnostico y parametrizacion, puesta en marcha y cambios de programa.
- Tiempos de parada menores y aumento de la eficiencia en el mantenimiento.
- Permite la conexión de mas nodos
- Rendimiento hasta 100 veces mejor en control de movimiento
- Acceso a los datos con herramientas estándares de oficina
- Comunicación sin cable con Wireless LAN Industrial
3.-PROFINET I/O:
PROFINET I/O ha sido diseñado para dar un nivel de operacion en tiempo real de forma segura, incluso con infraestructuras compartidas. Los rapidos datos de E/S ciclicos evitan las capas de TCP/IP convencionales y los flags de prioridad en la trama Ethernet aseguran que los mensajes de E/S puedan saltarse las colas de los switches de la red.
PROFINET I/O proporciona a los usuarios una forma segura y fiable de utilizar Ethernet industrial, combina la facilidad de uso de un estándar bien establecido como el Bus de Campo PROFIBUS DP con la efectividad y capacidad de alto rendimiento que caracterizan al nivel físico del estándar Ethernet, pudiendo incluso compartir la infraestructura de red con otras comunicaciones Ethernet.
4.- Diagrama/ Topologia de
Funcionamiento
Funcionamiento
Las topologias de red se eligen en función de las necesidades de los equipos conectados. Entre las mas comunes encontramos la topologia de estrella, lineas, en arbol o en anillo (redundancia).
En la practica, la mayoría de las instalaciones están compuestas por estructuras mixtas. Estas topologias se pueden realizar tanto con cables de cobre como de fibra optica.
TOPOLOGIA EN ESTRELLA:
La topologia en estrella se caracteriza por tener un switch central con conexiones a los distintos terminales de la red. Las estructuras en forma de estrella se utilizan en zonas con gran densidad de aparatos y poca extensión longitudinal, por ejemplo, pequeñas células de producción o una única maquina.
Beneficios:
- Flexibilidad para añadir o quitar dispositivos sin interrumpir la red.
- Fácil monitorizacion y diagnostico de la red.
Inconvenientes:
- Montaje mas complicado
- Aun fallo del switch, fallo completo de la red.
TOPOLOGIA EN ÁRBOL:
La topologia en árbol se forma agrupando varias estructuras en estrella en una red, dado el caso, combinando cables de fibra óptica y de par trenzado.Se suele utilizar para dividir instalaciones complejas en segmentos.
Beneficios:
- Acorta las comunicaciones en datos en nodos locales.
- Evita el trafico excesivo en switches.
- Habilita una jerarquía para mejor transparencia de la red.
Inconvenientes:
- Si se cae el switch principal, se pierden las comunicaciones con toda la red, pero los núcleos locales siguen funcionando.
TOPOLOGIA LINEAL:
Esta topologia la encontramos cuando un switch esta cerca del terminal al que se conecta o cuando el terminal esta integrado en el propio switch. La topologia lineal es recomendable en instalaciones que cubren grandes distancias, por ejemplo, en sistemas de transporte y manutención o para la conexión de células de producción.
Beneficios:
- Implica un bajo esfuerzo de cableado para grandes redes.
- Estructura de bus de campo tradicional.
- Esta es la forma apropiada cuando se usan dispositivos de E/S que integran un switch.
- Los switches de ethernet son opcionales.
Inconvenientes:
- Las comunicaciones a través de muchos switches afecta a los tiempos de comunicación.
- El mal funcionamiento de un dispositivo de la red, implica la desconexion de parte de la red.
TOPOLOGIA EN ANILLO (REDUNDANCIA):
Si los extremos de una linea se unen por medio de una conexión adicional, obtendremos una conexión en anillo.
Se utiliza en instalaciones con grandes requisitos de disponibilidad para asi protegerse en caso de la rotura de un cable o de fallo de un componente de red.
Beneficios:
- El mal funcionamiento de un dispositivo de la red, no implica la desconexión de parte de la red.
- La redundancia se puede implementar con ayuda de switches externos y mediante las interfaces integradas de PROFINET.
Ejemplo de topologia utilizando varios medios físicos:
5.0 Medios Físicos y Distancias
Cableado:
PROFINET utiliza un Cableado de 2 o 4 pares de cobre RJ45, M12 o fibra óptica.
Cable de 2 o 4 pares AWG 22 a 24 solido o multifilar con apantallamiento, Categoría 5 con un grado de protección IP20.
Ventajas:
- Minimizacion del tiempo necesario para conectar equipos terminales
- Flexibilidad gracias a la conectorizacion de la longitud del cable optima con el conector adecuado para el equipo terminal que corresponda
- Posibilidad de pedir cables preconfeccionados para reducir el esfuerzo de montaje y comprobación
- Montaje sencillo con una sola herramienta
- Simplificación del cableado gracias a los conectores preconectorizados
- Ausencia de errores gracias a la codificación por colores y tapas de contactos transparentes.
CONECTOR IP20:
- RJ45 diseñado para entorno de oficina
- Se puede confeccionar en conector en campo
CONECTOR IP65:
- Diseño compatible con el mundo IP20
- Version hibrida (datos+energia)
- Conctor M12 circular (4 pines)
- Se puede confeccionar el conector en campo
TECNOLOGIA DE TRANSMISION BASADA EN FIBRA ÓPTICA CONFORME A 8802-3:
- Cables de fibra óptica de vidrio conforme a IEC 60793/60794
- Cables de fibra óptica de plástico (en preparación)
- Conector de bayoneta y de inserción-extracción
6.. Velocidades de Transmisión
Usando Ethernet, PROFINET alcanza una velocidad de tranmision significativamente alta respecto a otros buses de campo.
Debido al ancho de banda mas grande, aplicaciones intensivas en datos se pueden usar paralelamente sin que ello afecte a la transmisión de datos de la periferia.
Uso de la tecnología de un switch ethernet.
Usando 100 Mbit/s Ethernet, PROFINET alcanza una velocidad de transmision significativamente alta.
100 Mbit/s es una prestación suficientemente alta para el nivel de campo.
7.- Protocolo de Comunicación:
La comunicacion PROFINET esta basado en el modelo OSI que estructura 4 capas y es el estandar de facto por su enorme difusión y eclipso al modelo OSI:
Capa Física:
Las tramas procedentes de la capa de enlace de datos se convierten en una secuencia unica de bits que pueden transmitirse por el entorno físico de la red.
Capa de Enlace:
La capa de enlace de datos se encarga de desplazar los datos por el enlace fisico de comunicacion hasta el nodo receptor, e identifica cada computadora incluida en la red de acuerdo con su dirección hardware.
Capa de Red:
Su función es permitir que el equipo inserte paquetes en cualquier red, y que estos viajen independientemente hacia su destino. Incluso pueden llegar en distinto orden del que fueron enviados, en cuyo caso, es obligación de las capas superiores reordenarlos si fuese preciso.
Capa de Transporte:
Es la siguiente capa en el modelo TCP/IP. Esta diseñada para permitir el dialogo entre equipos de extremo a extremo, igual que la capa de transporte del modelo OSI, pudiendo estar estos equipos situados en la misma habitación o a miles de kilómetros de distancia.
Dependiendo de los requisitos concretos, PROFINET ofrece tres modelos de comunicación con distintas prestaciones:
- Transmisión aciclica sin prioridad de tiempo (NRT) (TCP/IP)
- Transmisión de datos cíclica con prioridad de tiempo (RT)
- Transmisión de datos isócrona en tiempo real (IRT)
TRANSMISIÓN ACICLICA SIN PRIORIDAD DE TIEMPO (NRT) (TCP/IP):
El Protocolo de Control de Transporte (TCP) garantiza una transferencia de datos completa, sin errores y en el orden correcto del emisor al receptor. TCP esta orientado a las conexiones; eso significa que, antes de enviar los bloques de datos, dos estaciones estableceran una conexión que se volverá a deshacer una vez finalizado el intercambio.
TCP dispone de mecanismos para la vigilancia permanente de las conexiones establecidas.
IP:
La Tranferencia de Datos con el Protocolo Internet (IP) es una transmision segura de paquetes (datagramas), entre un origen y un destino IP. La suma de comprobacion de 32 bits del paquete Ethernet permite detectar con una alta probabilidad si hay errores en el paquete.
Cada dispositivo pasara a tener un nuevo identificador, direccion IP (192.168.1.10) asignado por el responsable o administrador de la red.
Estas posibilidades y la asignacion de la direccion IP, permitiran a cualquier equipo establecer conexiones con dispositivos muy remotos y por lo tanto ser monitorizado, controlado, modificado, etc. Los aspectos relativos a garantizar la seguridad en el acceso a los dispositivos industriales toman entonces una relevancia fundamental.
El Protocolo de Control de Transporte (TCP) garantiza una transferencia de datos completa, sin errores y en el orden correcto del emisor al receptor. TCP esta orientado a las conexiones; eso significa que, antes de enviar los bloques de datos, dos estaciones estableceran una conexión que se volverá a deshacer una vez finalizado el intercambio.
TCP dispone de mecanismos para la vigilancia permanente de las conexiones establecidas.
IP:
La Tranferencia de Datos con el Protocolo Internet (IP) es una transmision segura de paquetes (datagramas), entre un origen y un destino IP. La suma de comprobacion de 32 bits del paquete Ethernet permite detectar con una alta probabilidad si hay errores en el paquete.
Cada dispositivo pasara a tener un nuevo identificador, direccion IP (192.168.1.10) asignado por el responsable o administrador de la red.
Estas posibilidades y la asignacion de la direccion IP, permitiran a cualquier equipo establecer conexiones con dispositivos muy remotos y por lo tanto ser monitorizado, controlado, modificado, etc. Los aspectos relativos a garantizar la seguridad en el acceso a los dispositivos industriales toman entonces una relevancia fundamental.
TRANSMISIÓN DE DATOS CÍCLICA CON PRIORIDAD DE TIEMPO (RT Real Time):
La funcionalidad de tiempo real se utiliza para datos de proceso donde el tiempo resulta critico, es decir, con datos utiles ciclicos o alarmas (interrupciones) controladas por eventos. PROFINET utiliza un canal de comunicaciones en tiempo real optimizado para las necesidades de tiempo real de los procesos. Asi se minimizan los tiempos de ejecucion y se aumenta el rendimiento a la hora de actualizar los datos de proceso.
Las prestaciones son comparables a las de los buses de campo, permitiendo unos tiempos de reacción de entre 1 y 10 ms. Al mismo tiempo se reduce considerablemente la potencia de procesador necesaria en el dispositivo para la comunicacion. En esta solucion es posible utilizar componentes de red estándar.
Los switches de la gama de SIMATIC NET permiten ademas una transferencia de datos optima. Para ello se establecen prioridades en los paquetes de datos segun la norma IEEE 802.1 Q.
Los componentes de red controlan el flujo de datos entre los dispositivos en funcion de estas prioridades. Para los datos en tiempo real se toma como base la prioridad estandar Prio 6, el segundo nivel mas alto. De esta forma se garantiza un tratamiento prioritario frente a otras aplicaciones, a las que se les asignara un nivel de prioridad inferior.
Ventajas:
- Se reduce la longitud del telegrama de un mensaje, puesto que el overhead del protocolo no se aplica.
- Los datos a transmitir están disponibles con mayor rapidez
- La carga del procesador en el dispositivo se reduce, poniéndose mas rendimiento a disposición del programa de aplicación.
TRANSMISIÓN DE DATOS ISÓCRONA EN TIEMPO REAL (IRT):
Para aplicaciones especialmente exigentes, como las de control de movimiento, se dispone de Isochronous Real-Time (IRT). Con IRT se consigue un tiempo de ciclo de menos de 1 ms con una fluctuación de menos de 1μs. Asi, el ciclo de comunicacion se divide en una parte determinista y otra abierta. En el canal determinista se transportan los telegramas IRT cíclicos, mientras que en canal abierto lo hacen los telegramas TCP/IP y RT. Así ambos tipos de transferencia resultan independientes, sin que uno afecte al otro.
Ventajas de IRT:
- Características en tiempo real para aplicaciones deterministas de control de movimientos.
- Capacidad di tiempo real coherente independiente de la carga de la red.
- Abierto a aplicaciones TCP/IP.
- Acceso a red ilimitado para cualquier dispositivo.
- Cualquier Topologia de red.
- Integración del switch en el dispositivo.
- Redundancia suave y homogénea.
8.- Integración de Distintos Buses
de Campo:
PROFINET permite integrar redes PROFIBUS y otros sistemas de bus de campo ya existentes. De esta forma es posible estructurar cualquier sistema formado por subsistemas basados en Ethernet o un bus de campo, así como convertirlo en un sistema PROFINET.
PROXY facilita la integración de sistemas de bus de campo existentes, todo ello con una mayor transparencia, se encarga de convertir la comunicación entre las redes en forma transparente (sin tunelizacion de protocolos)y, hace pasar los datos ciclicos a los dispositivos de bus de campo..
Los proxy pueden funcionar como controladores o como gateways puros.
Ademas de los proxy con cable Industrial Ethernet, SIMATIX NET también dispone de estos dispositivos con conexión a redes inalambricas IWLAN.
9.- Identificación de Dispositivos
PROFINET:
CLASES DE DISPOSITIVOS PROFINET:
Controlador de Periferia:
Permite:
- Intercambio de señales de periferia con dispositivos de campo.
- Acceso a las señales de periferia mediante la imagen del proceso.
Dispositivo de Periferia:
- El dispositivo de campo asignado al controlador de periferia.
Supervisor de Periferia:
- HMI y diagnostico, estación de diagnostico.
10.- Monitoreo y Fallos:
PROFINET IO ofrece un esquema de diagnostico integral para la localización y la solucion eficiente de fallos y errores. Si se produce un fallo, el IO-device afectado genera una alarma de diagnostico en el IO-Controller. Este accede en programa de usuario a la rutina de programa correspondiente para solucionar el error. La información de diagnostico también se puede leer directamente en el IO-Device y
en la programadora o PC (IO-Supervisor). El dispositivo de campo también genera una alarma de diagnostico si se produce un fallo en un canal. El mecanismo de acuse de fallos garantiza el tratamiento secuencial de los errores en el IO-Controller.
DIAGNOSTICO EN EL PLC:
El dispositivo de periferia envía el diagnostico al controlador de periferia
Reacción de error directamente en el PLC
DIAGNOSTICO EN PG Y HMI
El supervisor de periferia lee el diagnostico directamente del dispositivo de periferia
Visualizacion de error en el HMI
DIAGNOSTICO DEL DISPOSITIVO PROFINET:
Hay 3 niveles:
- Dispositivo
- Slot
- Canal
Para componentes de red:
- Dirección
- Localización de error
DIAGNOSTICO DE RED ABIERTO:
- El switch transmite el diagnostico PROFINET de los dispositivos de periferia e informa al controlador de periferia de las perturbaciones de la red como diagnostico PROFINET.
- Configuración del switch como dispositivo de periferia en STEP 7.
- Canal adicional SNMP para información estándar.
11.- Servicios Web:
Es posible acceder a los dispositivos PROFINET a través de un cliente Web. Dicho acceso basa en tecnologías estándar del mundo del Internet, como HTTP, XML, HTML o script. Los datos se transfieren en formato estándar (HTML, XML) y se visualizan en programas estandarizados(Opera, Firefox); de esta forma es posible integrar la información procedente de los equipos PROFINET en sistemas de información modernos y con compatibilidad multimedia.
12- Seguridad Industrial:
Para garantizar una comunicación segura, PROFINET utiliza el perfil PROFIsafe. Este es el primer estándar de comunicaciones según la norma de seguridad IEC 61508 que permite la comunicación estándar y segura por un único cable de bus.
Sus ventajas: una reducción significativa de los trabajos de cableado y una menor variedad de componentes. Al utilizar el perfil PROFIsafe de PROFIBUS también en redes PROFINET, es posible ampliar las instalaciones con gran facilidad.
PROTECCIÓN FRENTE A POSIBLES ERRORES:
Para garantizar unas comunicaciones seguras, PROFIsafe utiliza la comunicacion de tiempo real (RT) de PROFINET.
Entre una CPU y un dispositivo de campo de seguridad positiva se intercambian no solo datos útiles, sino también información de estado y de control.Para ello no es necesario utilizar ningún hardware adicional.
Durante la transmision de datos existen distintas fuentes de error potenciales: falsificacion de direcciones, retardos o perdida de datos, etc. PROFIsafe se enfrenta a ellas con cuatro tipos de medidas:
- Numeración consecutiva de los datos de PROFIsafe
- Vigilancia de tiempo
- Vigilancia de autenticidad mediante contraseñas
- Seguridad por CRC (Comprobación de Redundancia Cíclica) optimizada
Las soluciones existentes se pueden ampliar sin tener que modificar el cableado.
13.- Conclusión:
Como conclusión podemos decir que PROFINET hoy en dia es la Red Industrial mas actual, rápida y eficiente dentro del Sector Automotriz; es usada en gran parte de los procesos y automatizaciones de la maquinaria que esta tiene.
PROFINET representa una productividad incrementada con una excelente calidad en la producción, por lo que se generan bajos costes con una optima utilización de los recursos.
Bibliografia:
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