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ETHERNET INDUSTRIALJavier Sánchez LobónHIRSCHMANN AUTOMATION AND CONTROL
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• ÍNDICE:– ¿Qué es Ethernet ?– Modelo Osi– Hardware– Topologías: arquitecturas tolerantes a fallos– Redes Virtuales: VLANs
– Multicast– Gestión de red: SNMP y OPC– Protocolos industriales: Profinet, Ethernet -IP, Modbus-TCP…
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¿Qué es Ethernet?
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¿Qué es Ethernet?
• Ethernet es un sistema para transmitir informaciónentre dos o más dispositivos empleando un mediocompartido.
• Especifica el medio utilizado, la señal que se utilizay la forma que la información debe tener.
• Desarrollada por Digital, Intel y Xerox en los 70’s. Ethernet se convirtió en estándar del IEEE en 1985.
• La inmensa mayoría de las LAN se basan en Ethernet.
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Evolución Ethernet – Ancho de banda
0 . 0 1 M b p s
1 0 M b p s
1 Mbps
100 Mbps
1 0 0 0 M b p s
1978
1988
1993
0 . 1 Mbps
A L O H An e t w o r k r u n s
i n Hawa i i
B o b M e t c a l fi n v e n t s
E t he rne t a tP A R C
D I X E t h e r n e tv2 .0
spec i f i ca t ion
I E E E 8 0 2 . 31 0 B A S E 5s tanda rd
I E E E 8 0 2 . 31 0 0 B A S E - T
s t a n d a r d
I E E E 8 0 2 . 3 z1 0 0 0 B A S E - T
s t anda rd
1968
1973
I E E E 8 0 2 . 3 c1 B A S E 5S t a r L A Ns tanda rd
I E E E 8 0 2 . 31 0 B A S E 2s tanda rd IEEE 802 . 3 i
1 0 B A S E - Ts t a n d a r d
1998
10-gigabit Ethernet (XGbEo 10GbE) es el más reciente (año 2006) y más rápido de los estándares Ethernet
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Conferencias
Modelo OSI
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Physical
Data Link
Network
Transport
Session
Presentation
Application
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6
5
4
3
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7
Physical
Data Link
Network
Transport
Session
Presentation
Application
1
6
5
4
3
2
7
ComunicaciónVirtual
Agrupadas en una en el Modelo TCP/IP
¿Qué es Ethernet?. Modelo OSI.
ComunicaciónVirtual
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Transceiver HubConversor de Medio
Physical
Data Link
Network
Transport
Session
Presentation
Application
1
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7
¿Qué es Ethernet?. Modelo OSI. Físico
• Resposable de las señales, la información de más bajo nivel.
• Convierte los bits en señales Ópticas/Eléctricas• Es la parte que más problemas causa en la operación de red
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Physical
Network
Transport
Session
Presentation
Application
1
6
5
4
3
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Data Link
Switches
¿Qué es Ethernet?. Modelo OSI. Enlace
• Se encarga de el validar los trenes de pulsos recibidos(Tramas), de identificar y filtrarlos por destino, CRC y control de acceso al medio.
• Maneja Tramas, las unidades mínimas de informaciónen Ethernet.
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Routers
Physical
Data Link
Transport
Session
Presentation
Application
1
6
5
4
3
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Network
¿Qué es Ethernet?. Modelo OSI. Red
• Maneja conjuntos de tramas (paquetes) y se encarga de que sigan el camino adecuado al atravesar redes.
• Búsqueda de la mejor ruta y conversión de direcciones.
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¿Qué es Ethernet?. Capas 1 y 2
• La capa 2 (Enlace) esta dividida en dos subcapas
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¿Qué es Ethernet?. Ejemplo OSI.
WorldFip 1Mbps
WorldFip
X-Way
Uni-Te
RS-485 19,2Kbps
Uni-Telway
X-Way
Uni-Te
1
6
5
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3
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802.3 10Mbps
802.3
X-Way
Uni-Te
802.3
802.3
IP
TCP
ModBus
Uni-Telway FipIO/FipWay EthWay ModBus/TCP
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Hardware
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Hardware Industrial
Entorno IndustrialAutomatización en Fábrica
OficinaAutomatización en Oficina
Voltaje 24V DC 115V AC / 230V AC
InstalaciónCarri DIN 19"Montaje en pared
Módulo de sobremesaMontaje en Pared, Rack 19"
Temperatura 0°C - 60°C -20°C - 75°C
5°C - 40°C
Vibración/Impactodurante Funcionamiento
2 g / 15 g -
Sistema de Refrigeración Conveccion natural Ventilador
Tipo de Protección IP20 / IP30 / IP67 IP20 / IP30
Resistencia Polvo, Aceite, Disolventes, etc. Polvo
Approvaciones EN60950 (Seguridad) EN50081-2 (EMC, Industria) EN50082-2 (EMC, Industria)
EN60950 (Seguridad) EN50081-1 (EMC, Oficina) EN50082-1 (EMC, Oficina)
Tiempo de reconfiguración < 0.5 seg > 30 seg aceptable
Operatividad > 7 Años > 3 Años
Disponibilidad 15 Años (Repuestos) 4 Años (Repuestos)
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Hardware Ethernet. Conversores de medio
• Conversión del nivel físico. Transparentes• Half / Full Duplex• Se utilizanpara aumentar distancias de alcance• Capa 1
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A
B C
D
Hardware Ethernet. Hubs o repetidores
• Conecta varios equipos a un punto común. Entorno de colisión
• Half Duplex only• Repite eléctrica u ópticamente todo lo que recibe• Capa 1
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A
B C
D
Hardware Ethernet. Switches
• Cada enlace es un entorno de colisión. Definen dominios de difusión
• Half / Full Duplex• Capa 2
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Hardware Ethernet. Routers o encaminadores
• Cada puerto puede ser una red diferente• Enlazandominios de difusión• Capa 3
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Certificaciones
Formación
Publicaciones
Conferencias
TOPOLOGÍAS
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ARQUITECTURA EN BUS
cc
ER-14
ER-06
ER-15
ER-05
ER-04
ER-03
ER-13
ER-09
ER-08
ER-16
ER-07
ER-17
ER-12
ER-11
ER-10
ER-18
100 BASE FX. Fibra Multimodo2 unid. RS2 4TX/FX
15 unid. RS2 3TX/2FX
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ARQUITECTURA EN ESTRELLA/ÁRBOL
cc
ER-14
ER-06
ER-15
ER-05
ER-04ER-03
ER-13
ER-09
ER-08
ER-16
ER-07
ER-17
ER-12
ER-11
ER-10
ER-18
100 BASE FX. Fibra Multimodo4unid. RS2 4TX/FX (ER14,15,16,18)
12 unid. RS2 3TX/2FX
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cc
1000 BASE LH+. Fibra Monomodo
ER-14
ER-13
ER-03
ER-04
ER-05
ER-06
ER-15
ER-07 ER-08
ER-16
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ER-11
ER-12
ER-17
ER-18
ARQUITECTURA EN ANILLO HIPER-RING ó MRP
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SOLUCIÓN OFIMÁTICA ESTÁNDAR SPANNING TREE• Se eliminan los Bucles de forma automática• Los enlaces redundantes se quedan “dormidos“ a la espera de rotura de otros• Mensajería de control de redundancia• Lento, apropiado para redes ofimáticas• Tamaño de red pequeño
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C.C.
ER-17
ER-18
ER-09ER-10
ER-11
ER-12
DOBLE ACOPLAMIENTO
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ER-09 ER-11
ER-12
ACOPLAMIENTO ENTRE ANILLOSER-13
ER-14
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ENLACE AÑADIDO
Dos modos de funcionamiento:
Estático: Manualmente se definen los puertos que pertenecen al enlace.
•Dinámico: Mediante LACP (link Aggregation Control Protocol) se configuran automáticamente los puertos asociados al enlace dinámico.
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VRRP. ENRUTAMIENTO REDUNDANTE
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Formación
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Conferencias
Redes Virtuales: VLAN
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Redes Compartidas. Dominios de Colisión
• Tan solo un equipo final puede transmitir a la vez
- Mal rendimiento- Pérdida de ancho de banda
• Las tramas defectuosas son retransmitidas
• Dimensiones limitadas
Shared MediaLAN
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Solución: Redes Conmutadas
• Todos hablan a la vez– Mejor rendimiento– Menor tiempo de respuesta
• Los errores no son difundidos
• Enlaces redundantes
• Puede crecer con facilidad
SwitchedLAN
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Redes Conmutadas. Problemaè Broadcast
AB
DC
Ethernet A:Datos_A=15%Broadcast _A=2%
Ethernet B:Datos_B=35%Broadcast_B=4%
Ethernet C:Datos_C=45%Broadcast _C=5%
Ethernet D:Datos_D=25%Broadcast _D=3%
Ancho de banda de la red:è 4 x 10 Mbit/s = 40 Mbit/sCarga media por enlace:è 120 / 4= 30%Ancho de banda ocupado por broadcast:è 14 %
Switch
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Redes Conmutadas. Broadcast. Efecto en CPU
0
10
20
30
40
50
60
70
80
100 1000 3000
SPARC 2SPARC 5Pentium 120MHz
CPU %
Broadcast/sec
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Redes Conmutadas. VLANs
• Definido en estándar: 802.1Q. Compatibilidad• Aislamiento del tráfico entre redes virtuales• Manejado por switches, no por routers• Aislamiento de problemas en VLANs• Fácil de configurar• Menores costes que los routers
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Redes Conmutadas. VLANs (Basadas en Puerto)
VLAN 3
VLAN
3
VLAN 3VLAN
3
VLAN 2
VLAN 2
VLAN 1
VLAN 1
Port1
Port2Port3
Port4
Port5
Port6
Port7
Port8
Switch
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Estándares
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Formación
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Conferencias
Multicast
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Multicast. Comunicaciones 1 a varios
• Sistemas de control:– Arquitecturas productor-consumidor, marter-slave…
– Módulos I/O
• Video sobre IP– Automatización de Procesos y Fábricas: Videovigilancia de
fábricas, centrales eléctricas, centrales nucleares, plantassolares, parques eólicos…
– Automatización del transporte: Autopistas, túneles, peajes, puntos de acceso…
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Multicast. Tipos de direcciones IP
• Unicast – Destinatario único
• Broadcast – Destinado a todos
• Multicast – Destinado a unos pocos
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Multicast. ¿Por qué preocuparse por el Multicast?
VLAN 1
VLAN 2
T
T
R
R
• Las direcciones Multicast son siempre de destino, nunca de origen• Los switches/routers jamás aprenderán dichas direcciones• Dentro de cada VLAN llegarán a todos los equipos finales
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Multicast. IGMP Snooping
• Permite a un switch (capa 2) “cotillear” un protocolo de capa 3
• “Cotillea” todos los paquetes IGMP Report/Query/Leave que pasanpor él
• Así aprende (L2) qué dispositivo se apunta a qué grupo
• ¡REQUIERE DE UN EQUIPO QUE ACTÚE COMO QUERIER!
QuerierQueryPort
QueryPort
Grupo 1 RepuestaQuery
Query
Snooping ON Snooping ONSnooping ON
X
Estándares
Certificaciones
Formación
Publicaciones
Conferencias
Gestión de redes: SNMP y OPC
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Gestión de Fallos
Gestión de Prestaciones
Funcionalidades de la Gestión de Redes
Gestión de la Configuración
Gestión de la Seguridad
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SI, si la red incorpora switches gestionables que soportenMonitorización Remota (RMON)
¿Se puede medir el rendimiento de mi red?
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GestorNMS
NMS – Estación de Gestión de Red, MIB – Base de Información de Gestión, SNMP – Protocolo Simple de Gestión de Redes, SAI – Sistema de Alimentación Interrumpida
AGENTEMIB
Equipo TerminalAGENTEMIB
Router
AGENTEMIB
Switch
AGENTEMIB
SAI
SNMP
Herramientas de Gestión. Software de Gestión de Redes - SNMP
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• El sofware de Gestión puede:
• Reclamar a los Agentes de Red información en tiempo-real del estado de la red.
• Ajustar valores en los Agentes de Red.
• Proporcionar un interface gráfico al usuario de la red, mostrando alarmas de red, arquitectura de la red, etc.
¿Qué es un software de Gestión de Redes?
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NIC
PLC Communication Driver
Base de datos HMI
Historian GUI Alarmas
Supervisión de Planta
NIC
SNMP / RMON Communications Drivers
Historian GUI Alarm Log
Base de datos de Gestión
Componentes Ethernet
Componentes de Control de Planta
Gestión de Red
Tecnología actual – Distintos „Cuadros de Instrumentos“
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NIC
PLC Driver
HMI Base de datos
Histórico GUI ALarmas
OPC
Ethernet Components
Plant Control Components
OPC incorpora indicadores del estado de la red Ethernet en tiempo real y de administraciónen el entorno de un HMI
Esto permite el control de los datos del sistema desde un único “tablero de instrumentos”.
OPC. Solución para Redes Ethernet industrialSupervisión de Planta
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Conferencias
Protocolos Industriales
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Perfiles Industriales = Protocolos Industriales
• PROFINET, EtherNet/IP, Modbus/TCP…
Propósito:- Herramienta de SW familiar para los dispositivos de automatización
(RSLOGIX, STEP 7..)- Mismo metodo para asignar direcciones IP- Recoger datos directamente desde el switch- Reducir esfuerzos para formación- El switch pasa a formar parte de la aplicación como un PLC o un
sensor
Perfiles Industriales
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• Startup• configuración• ….
• Status de dispositivo• Status de enlace por puertos• Accesos no autorizados por puerto• …..
Protocolos Industriales
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Declaración de independencia Hirschmann
PROFINET, EtherNet/IP, Modbus TCP,…mismos switches, solo diferente software
Sin coste adicional
Posibilidad de carga a posteriori Standard ßà profiles
Posibilidad de cambio PROFINET ßà EtherNet/IP
Posible con equipos OpenRail Compactos y modulares
Otros PerfilesIndustriales
En resumen
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