15 de OctubreCrowne Plaza Ciudad de México
ni.com/mexico
Simposio Técnico de Medición y Automatización
Expansión de Sistemas Distribuidos de E/S
Mediante Módulos EthernetMediante Módulos Ethernet
Agenda
• ¿Porqué los protocolos basados en Ethernet?
• Descripción de los Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• Agregando E/S Determinísticas a PACs de NI• Agregando E/S Determinísticas a PACs de NI
• Conectando Dispositivos NI a Protocolos Industriales
• Modbus TCP/IP
• Tarjetas PXI/PCI , Profibus
• Ethernet/IP
Agenda
• ¿Porqué los protocolos basados en Ethernet?
• Descripción de los Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI
• Conectando Dispositivos NI a Protocolos Industriales
• Modbus TCP/IP
• Tarjetas PXI/PCI , Profibus
• Ethernet/IP
¿Porqué Protocolos Basados en Ethernet?
Modbus TCP/IP
PROFInetPROFIBUS
DeviceNet EtherNet/IP
Modbus
CanOPEN EtherCAT
5
Protocolos Industriales
Tradicionales
PROFInetPROFIBUS
Capa Física de
Ethernet
Adopción de Ethernet en la Industria
• Mercado Total de $630M
• Ethernet en realidad significa:
– Ethernet/IP
– PROFInet
– Modbus TCP/IP– Modbus TCP/IP
Fuente: VDC 2006
Agenda
• ¿Porqué los protocolos basados en Ethernet?
• Descripción de los Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI
• Conectando Dispositivos NI a Protocolos Industriales
• Modbus TCP/IP
• Tarjetas PXI/PCI , Profibus
• Ethernet/IP
Modelo OSI y Ethernet Industrial
7. Aplicación
6. Presentación
5. Sesión
Modbus TCP/IPEthernet/IP, PROFInet, yEtherCAT,
4. Transporte
3. Red
2. Enlace de Datos
1. Física
TCP & UDPIP
Ethernet
Los protocolos Industriales Ethernet no sólo
son “Ethernet”: agregan características para
confiabilidad y determinismo, pero la
desventaja es perder compatibilidad con
Ethernet estándar .Ethernet estándar .
Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• Modbus TCP/IP
• EtherCAT
• Ethernet/IP
• PROFINET• PROFINET
Similitudes
• Reutiliza la capa 1 y 2 del modelo OSI
– ¿Qué pasa con las otras 5 capas?
• Define dispositivos maestro (scanner) y esclavo (adaptador)(adaptador)
• Dirigidos a uno o mas aplicaciones
– No Tiempo Real
– Tiempo Real
– Tiempo Real Estricto
Objetivos de Aplicación
• No Tiempo Real
– Utiliza TCP/IP o UDP/IP estándar
– Aplicación: PLC a HMI o PLC a SCADA
• Tiempo Real
– Proporciona mayor determinismo con hardware comercialcomercial
– Aplicación: Datos de control
• Tiempo Real Estricto
– Agrega hardware especifico para proporcionar determinismo
– Aplicación: Control de movimiento distribuido
¿Dónde se Ubican los Protocolos?
Modbus TCP/IP PROFInet (NRT)* Ethernet/IP
PROFInet (RT)** Ethernet/IP
EtherCAT PROFInet (IRT)** Ethernet/IP CIP Sync
**También PROFInet IO*También PROFInet CBA
Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• Modbus TCP/IP
• EtherCAT
• Ethernet/IP
• Profinet• Profinet
Descripción de Modbus TCP/IP
• Primer protocolo industrial en Ethernet (creado en 1999)
– Basado en Modbus desarrollado por Modicon en 1979
– Estánda Ethernetr ampliamente adoptado y abierto
• Ventajas• Ventajas
– Utiliza Ethernet estándar (hardware y capa de transporte TCP/IP)
– Abierto y relativamente simple
• Desventajas
– No es un protocolo de tiempo real estricto
– No proporciona determinismo
Objetos de Datos Modbus
DatoTipo de
Dato
Modbus Modbus EsclavoDescripción Ejemplo
Leer Escritura Leer Escritura000001–065535 Booleano Si Si Si Si Acceso a bobinas sencillas 000001 = {000001}
100001–165535 Booleano Si No Si Si Acceso a entradas discretas sencillas 100002 = {100002}
300001.1–365535.16 Booleano Si No Si Si
Acceso a bits individuales de los registros de entrada y los interpreta como valores lógicos VERDADERO o FALSO. El bit menos significativo es el 1. El bit más significativo es 16.
300001.1 = {the first bit of 300001}
Acceso registros de entrada de 16 bits como 300001–365535 16-bit Entero Si No Si Si
Acceso registros de entrada de 16 bits como enteros entre 0 y 65,535.
300001 = {300001}
400001.1–465535.16 Booleano Si Si Si Si
Acceso a bits individuales de los registros de entrada y los interpreta como valores lógicos VERDADERO o FALSO. El bit menos significativo es el 1. El bit más significativo es 16.
400002.16 = {the 16th bit of 400002}
400001–465535 16-bit Entero Si Si Si SiAcceso registros de entrada de 16 bits como enteros entre 0 y 65,535.
400002 = {400002}
• Modbus TCP/IP
• EtherCAT
• Ethernet/IP
• Profinet
Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• Profinet
Descripción de EtherCAT
• EtherCAT – “Ethernet Control Automation Technology”
– Grupo de Tecnología Administrado EtherCAT (ETG)
– Abierto y basado en estándares, i.e. IEC 61158
• Ventajas• Ventajas
– Protocolo industrial de tiempo real estricto
– Extremadamente eficiente y comunicación directa
• Desventajas
– Orientado sólo a tiempo real estricto (?)
– No esta diseñado para paquetes TCP/IP estándar y paquetes EtherCAT
Principio Funcional: Ethernet “Sobre la marcha”
Analogía Tren Rápido:
• El “Tren” (marco Ethernet) no se detiene
• Aun observando el “tren” por una ventada pequeña se observa el tren completo
• El “vagón” (sub-telegrama) con longitud variable
• Uno puede “extraer” o “insertar” “personas” (bits) o “grupos” enteros – inclusive múltiples grupos por tren
Marcos Ethernet
• Los comandos de EtherCAT son transportados en el área de datos de un marco de Ethernet y pueden ser codificados por medio de un “Ether Type” especial.– “Ether Type” es limitado a una subred Ethernet (no transmitido por enrutadores)
• Modbus TCP/IP
• EtherCAT
• Ethernet/IP
• Profinet
Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• Profinet
Descripción de EtherNet /IP
• Bus dominante para Rockwell Automation– Administrado por la Asociación de Vendedores de Dispositivos Abiertos (ODVA)
– Extiende los conceptos de DeviceNET a Ethernet
• Ventajas• Ventajas
– Utiliza la capa de transporte de Ethernet (TCP y UDP)
• Desventajas
– Puede sobre-cargar las redes con mensajes UDP si no se configura correctamente, se recomiendan switches administrados con monitoreo de IGMP
Clases de Dispositivos
• “Esclavo”• Solo envía datos si son solicitados por un escáner• Soporta mensajes implícitos y explícitos
Clase Adaptador
• “Maestro”• Inicia comunicaciones implícitas y explícitasClase Escáner
• Soporta mensajes implícitos y explícitosClase Adaptador
• Utilizado para configuracion o transferencia de datos sobre demanda
• Permite que la transferencia de datos sea iniciada por cualquier dispositivo
Clase de Mensajes
Adiciones para EtherNet/IP
CIP Sync
• Basado en IEEE 1588• Proporciona reloj compartido a los dispositivos
CIP MotionCIP Motion
• Se construye sobre CIP Sync para realizar control distribuido para moviimiento
• Utiliza reloj compartido no QoS
CIP Safety
• Se construye sobre Seguridad DeviceNet• Dispositivos inteligentes con parámetros de “time-out “
Terminología Ethernet/IP
• TCP/IP• Usados para establecer parámetros e iniciar comunicación implícitaMensajes Explícitos
• UPD/IP multicast• Usados para comunicar datos de E/S• Configuración para actualizaciones cíclicas
Mensajes Implícitos
Comunicación de LabVIEW a
PLC’s ControlLogix
EtherNet/IP
Disponible para descarga desde NI Labs en ni.com/labs
VI’s EtherNet/IP para LabVIEW
• Proporciona VIs para comunicación a las etiquetas “Logix” del PLC
– Lea y escriba directamente a etiquetas de PLC’s Allen Bradley ControlLogix y CompactLogix
• Corre en LabVIEW para Windows y LabVIEW Real-• Corre en LabVIEW para Windows y LabVIEW Real-Time (Pharlap y VxWorks)
• Mensajes explícitos
• Bueno para baja cantidad de
etiquetas
Uso en Controladores RT
• Necesita instalar los controladores de comunicación en el objetivo de tiempo real desde NI Measurement & Automation Explorer
VI’s EtherNet/IP para LabVIEW• Ventajas
– Método simple para comunicarse con PLCs Rockwell
– Comunicación iniciada por LabVIEW (no es necesario cambiar código en el PLC)
– Bueno para comunicar bajos números de etiquetas
– Usa TCP/IP y no requiere de monitoreo de IGMP para prevenir saturación de la redsaturación de la red
• Desventajas
– No recomendado para gran cantidad de etiquetas
• Empaquetado ineficiente de datos sobre Ethernet (comunicación más lenta)
• Mayor carga en el procesador del PLC
– Sólo se puede comunicar con PLC’s Logix de Rockwell
• No soporte para SLC, ni para terceros
• Modbus TCP/IP
• EtherCAT
• Ethernet/IP
• PROFINET
Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• PROFINET
Descripción de PROFINET
• Bus dominante de Siemens– Protocolo de aplicación que extiende PROFIBUS a Ethernet
– Administrado por PROFIBUS & PROFINET International (PI)
• Ventajas• Ventajas
– Soporte para tráfico Ethernet estándar y determinístico
– Usa IEEE-1588 y QoS para agregar determinismo
• Desventajas
– Se recomienda un switch administrado con QoS para RT/IRT
– Switch con ERTEC ASIC para aplicaciones complicadas
Tres Niveles
• No Tiempo Real (NRT) – PROFINET CBA
– Para la puesta en marcha de una planta
– Rango de 100 ms
• RT (Tiempo Real) – PROFINET CBA y PROFINET IO
– Aplicaciones de E/S
– Tiempos de ciclo de hasta 10 ms
• IRT (Tiempo Real Isócrono)– PROFINET IO
– Aplicaciones a nivel sistema
– Tiempos de ciclo de menos de 1 ms Fuente Wikipedia
Ciclo de Red PROFINET• No tiene mensaje de “Inicio de Periodo”
– Sincronización de reloj por medio de IEEE 1588 & asíncrona
• Porción roja del ciclo (isócrona)
• Porción verde del ciclo (asíncrona) – min 125 µs
Tecnología: IEEE-1588
• Tecnología para sincronizar relojes distribuidos
• Precisión basado en variaciones del reloj
Tecnología: IEEE-1588
HRT: Determinismo y Desempeño
Organización Tiempo de
Respuesta (ms)
Variación
(us)
Tasa de
Datos (Mb/s)
EtherCAT ~ 0.1 < 0.1 100
Sercos-III < 0.5 < 0.1 100Sercos-III < 0.5 < 0.1 100
Profinet-IRT < 1 < 1 100
Ethernet Powerlink < 1 < 1 100
Ethernet/IP ~ 1 < 1 100Table 1. Real-Time Comparison of the Various Real-Time MethodsStandards-Based Real-Time Ethernet Now Off-the-Shelf by Klaus Zwerina
Agenda
• ¿Porqué los protocolos basados en Ethernet?
• Descripción de los Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI
• Conectando Dispositivos NI a Protocolos Industriales
• Modbus TCP/IP
• Tarjetas PXI/PCI , Profibus
• Ethernet/IP
Host Computer
(TCP/IP) NI PXI Systemwith Ethernet Interface
NI cRIO-9074
Sistema NI con E/S
Determinísticas Distribuidas
(TCP/IP)
NI cRIO-9074
Sistema NI PXI con Interface Ethernet
NI cRIO-9074
NI 9144
(EtherCAT)(EtherCAT)
NI cRIO-9074
NI 9144
Controladores Maestros NI
• Requerimientos
– CompactRIO o Sistema PXI RT con 2 puertos Ethernet
– NI-Industrial Communications for EtherCAT
Chasís de Expansión NI 9144
2 puertos para conectar en serie
8 ranuras para Serie C
Chasís Robusto• -40 a 70°C• Entrada de 9-30V • “Hazloc” • Impacto/Vibración
Experiencia en LabVIEW
Chasís CompactRIO
{{Chasís de
Expansión NI 9144
Demo de E/S
Determinísticas
Distribuidas
Módulos de E/S Serie C
• Más de 30 módulos analógicos y digitales soportados
– Todos con mediciones de un sólo punto
– Sin soporte para formas de onda (NI 9233/9234)
• Sincronización módulo a módulo y chasís a chasís
EASY POWERFUL OPEN
• Compatibilidad con diferentes chasises NI
Agenda
• ¿Porqué los protocolos basados en Ethernet?
• Descripción de los Protocolos Industriales Basados en Ethernet
• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI• Agregando E/S Determinísticas a PAC’s de NI
• Conectando Dispositivos NI a Protocolos Industriales
• Modbus TCP/IP
• Tarjetas PXI/PCI , Profibus
• Ethernet/IP
Opciones Modbus para LabVIEW
VI’s NI Modbus Servidor de E/S Modbus
Modbus: Conéctese a “Gateways” de Terceros
• Gran variedad de protocolos de comunicación
• Soportado por todos los PACs LabVIEW Real-Time
• No apto para aplicaciones determinísticas
Modbus TCP
PROFIBUSDeviceNetEthernetIPControlNet
PXI/PCI con Soporte en Tiempo Real
• PROFIBUS
• CAN
• CANopen
• DeviceNet• DeviceNet
• FOUNDATION Fieldbus
PROFIBUS
• Compatibilidad con Windows XP/2000, LabVIEW Real-Time
• Software gráfico de configuración de redes
• API de LabVIEW Express para programación simplificada
• Servicios soportados: DPV0 Clase Maestro 1/2, DPV0 Esclavo, DPV1 Clase Maestro 2 DPV1 Clase Maestro 2
VI’s Ethernet/IP para LabVIEW
• VIs para modo de mensajes Ethernet/IP y escáner
• Disponible en NI labs
• Instalador que proporciona VI’s para comunicación a adaptadores Ethernet/IPa adaptadores Ethernet/IP
Demo: VI’s Ethernet/IP
¿Preguntas?