Proyecto Comunicación Industrial. Profibus y EtherNet

El proyecto de consiste en el diseño de una red industrial, que engloba los equipos necesarios tanto a nivel de control como a nivel de célula, para una nave industrial con un proceso productivo.

A nivel de célula, la red va a estar compuesta por tres autómatas colocados uno en cada uno de los extremos de una nave industrial y un ordenador de supervisión ubicado en el mismo centro de la nave.

En el nivel de control estarán interconectados el ordenador de supervisión anteriormente citado y otro equipo que actuará como cliente ubicado en otra de las esquinas de la nave, donde se pueden consultar datos sobre el estado del proceso productivo.

La distribución de los equipos que van a constituir la red industrial en la nave es la siguiente:

Para la comunicación entre los equipos vamos a emplear:

-          A nivel de Célula. Sistema PROFIBUS® – DP eléctrico, con velocidad de 1,5 Mbps.

-          A nivel de Supervisión. Ethernet a 10 Mbps

1 – NIVEL DE CELULA

Como hemos indicado para la comunicación a nivel de célula vamos a utilizar PROFIBUS® – DP eléctrico, con velocidad de 1,5 Mbps. Elegimos el sistema eléctrico, ya que vamos a trabajar en un entorno con un nivel de Interferencias Electromagnéticas bajo, y para ahorro de costes por ser una instalación que requiere una inversión menor.

Las características del Estándar PROFIBUS según EN 50 170:

  • Método de acceso Paso por testigo con maestro-esclavo
  • Velocidad de transmisión 9.6 kbit/s – 12 Mbit/s
  • Medio de transmisión eléctrico: cable de dos hilos apantallado
  • Medio de transmisión óptico: cables de FO (cristal y plástico)
  • Medio de transmisión sin hilos: infrarrojos
  • Máx. nº de nodos 127, 32 estaciones por segmento
  • Tamaño de la red eléctrica: máx. 9.6 km (depende de velocidad)
  • Tamaño de la red óptica: 150 km (depende de velocidad)
  • Distancia: 12 MBit/s = 100 m; 1.5 MBit/s = 400m; < 187.5 kBit/s = 1000 m
  • Distancia ampliable mediante repetidores hasta 10 km (caso de cable)
  • Conectores sub-D de 9 pines
  • Topologías Bus, árbol, estrella, anillo, anillo redundante
  • Aplicaciones Comunicación de proceso, campo o datos 

1.1. – CONEXIONADO DE AUTOMATAS

A nivel de célula vamos a tener 3 autómatas Siemens SIMATIC S7-300 con CPU 314 IFM

Para la comunicación de autómata SIMATIC S7 S314 al sistema PROFIBUS seleccionado, debemos añadir a nuestro autómata un módulo de comunicaciones adecuado para RS485 y una velocidad de transmisión mínima de 1,5 Mbps.

PROCESADOR DE COMUNICACIONES CP 342-5 con referencia 6GK7342-5DA03-0XE0 para redes PROFIBUS DP eléctricas.

El conexionado del SIMATIC S7 314 IFM a la red PROFIBUS se realizará mediante Cable de conexión 830-1T.

Las características del cable de conexión elegido son:

  • Cable confeccionado (preconectorizado) para la conexión rápida y económica de estaciones PROFIBUS a OLM y OBT
  • Cable de conexión flexible PROFIBUS.

Beneficios 

  • Conexión de estaciones terminales libre de errores gracias a cables de conexión preconfeccionados
  • Transmisión segura de datos a estaciones terminales en entornos con altas interferencias electromagnéticas gracias a apantallamiento y terminación directa en el cable.

Construcción 

  • El cable de conexión 830-1T está formado por un par de conductores trenzados (hilos de trencilla de cobre) con una pantalla de malla.
  • Lleva en ambos extremos un conector Sub-D de 9 polos.
  • Ambos extremos del cable están cerrados con un conjunto de resistencias (no desactivable).

Funciones 

Mediante el cable de conexión PROFIBUS 830-1T puede realizarse la conexión entre el interface eléctrico del PROFIBUS y las estaciones PROFIBUS (OLM, OBT y estaciones terminales) con una velocidad de hasta 12 Mbit/s.

La conexión con la red PROFIBUS – DP la realizaremos con conectores para PROFIBUS RS 485 con FastConnect.

Las características de los conectores son las siguientes:

Conector de bus RS 485

Sirve para la conexión de estaciones PROFIBUS a la línea de bus PROFIBUS

  • Montaje simple
  • Con conectores FastConnect, tiempos de montaje extremadamente cortos gracias a la técnica de desplazamiento de aislamiento
  • Resistencias de terminadores integradas (no en todos los modelos)
  • Posibilidad de conexión de una PG con conector de bus especial sin instalación adicional de nodos de red.

Gama de aplicación 

Los conectores de bus RS 485 para PROFIBUS sirven para conectar una estación PROFIBUS o un componente de la red PROFIBUS al cable de bus para PROFIBUS.

Construcción 

Existen diferentes tipos de conectores macho de conexión de bus; optimizados para los dispositivos que se desean conectar se pueden suministrar:

  • Conector de bus con salida de cable axial (180 °C) p. ej. Para PCs y OPs SIMATIC HMI®, para velocidades de transmisión de hasta 12 Mbit/s, con resistencia terminadora de bus.
  • Conector de bus con salida de cable vertical (90 °C); Este conector permite la salida perpendicular del cable (con y sin conector para PG) para velocidades de transmisión de hasta 12 Mbit/s, con resistencia terminadora de bus. Para la conexión entre el conector de bus con interface para PG integrado y la PG, y una velocidad de transmisión de 3, 6 ó 12 Mbit/s, se requiere el cable de conexión SIMATIC S5/S7.
  • Conector de bus con salida de cable a 30° (variante de bajo coste) sin interface PG para velocidades de transmisión hasta 1,5 Mbit/s y sin resistencia terminal integrada.
  • Conector de bus RS 485 PROFIBUS FastConnect (salida de cable a 90° ó 180°) con velocidad de transmisión de hasta 12 Mbit/s para montaje rápido y fácil con conexión por desplazamiento del aislamiento (para hilos rígidos y flexibles).

Funciones 

El conector de bus se enchufa directamente en el interface PROFIBUS (conector hembra sub D de 9 polos) de la estación PROFIBUS o de un componente de red PROFIBUS.

Los cables de bus de entrada y salida para PROFIBUS se conectan dentro del conector a través de 4 bornes.

A través de un interruptor accesible desde el exterior puede activarse la resistencia terminadora integrada en el conector de bus (no en 6ES7 972-0BA30-0XA0). Con ello se seccionan en el conector los cables entrantes y salientes (función de seccionamiento).

Esto es imprescindible en ambos extremos de un segmento PROFIBUS.

La conexión de estos dispositivos al cable PROFIBUS se realiza de la siguiente forma:

El conector seleccionado es el siguiente:

El conexionado sería como se indica en la imagen siguiente:

Una vez tenemos diseñada la conexión de los 3 PLC SIEMENS SIMATIC S7 CPU 314 a la red PROFIBUS nos centraremos en el diseño de la red PROFIBUS propiamente dicha.

1.2 – RED PROFIBUS. CABLEADO

Las características del cable para Red PROFIBUS son las siguientes:

Cable para PROFIBUS:

  • Distintas variantes para distintos campos de aplicación (p. ej. cable instalado en el suelo, cable para servicio móviles)
  • Elevada inmunidad a perturbaciones gracias al doble apantallado
  • Cable de bus difícilmente inflamable (sin halógenos).
  • Determinación fácil de la longitud mediante las marcas de metros impresas
  • Cable híbrido para la transmisión conjunta de datos y alimentación

Beneficios 

  • Versátiles posibilidades de aplicación gracias a toda una gama de cables de bus especiales
  • Red inmune a interferencias gracias a cables con pantalla doble y posibilidad de puesta a tierra de extremo a extremo
  • Ahorro de tiempo gracias al montaje de conectores rápido y simple con cables FastConnect
  • Un sólo cable (ECOFAST Hybrid Cable) compartido para la transferencia de datos y la alimentación de tensión
  • Sin silicona, con lo que es especialmente apropiado para el empleo en la industria automovilística (p. ej. trenes de barnizado)

Gama de aplicación 

Para construir redes PROFIBUS pueden suministrarse distintos tipos de cables acordes al tipo de aplicación.

Por regla general, se han de utilizar los cables de bus indicados para cada aplicación.

Construcción 

Cable bifilar apantallado, trenzado, con sección circular.

Para todos los cables de bus para PROFIBUS rige:

  • Gracias a su doble apantallamiento son especialmente aptos para el tendido en entornos industriales con fuertes interferencias electromagnéticas
  • Puesta a tierra a extremo realizable a través de la pantalla del cable de bus y de los bornes de puesta a tierra del terminal de bus
  • Marcas de metro impresas

Tipos de cable

Los nuevos cables de bus FastConnect (FC) tienen estructura simétrica radial, lo que permite utilizar herramientas de pelado.

Gracias a ello, los conectores de bus se pueden confeccionar rápida y fácilmente.

  • PROFIBUS FC Standard Cable:

Cable de bus estándar con estructura especial para conectorización rápida.

  • PROFIBUS FC Robust Cable:

Cable especial para su aplicación en entornos con altas cargas químicas y mecánicas

  • PROFIBUS FC Food Cable:

Gracias a la utilización del PE como material de revestimiento, este cable de bus es idóneo para su uso en la industria alimentaria y de bebidas

  • PROFIBUS FC Ground Cable:

Cable especial para tendido bajo tierra. Se distingue del cable de bus PROFIBUS por llevar una cubierta adicional.

  • PROFIBUS FC Trailing Cable:

Cable de bus para aplicación especial de guiado forzoso del desplazamiento en una cadena portacables, p. ej., en órganos de máquinas en movimiento continuo (conductores flexibles).

  • PROFIBUS FC FRNC Cable:

Cable bifilar apantallado de difícil combustibilidad y exento de halógenos con cubierta exterior de copolímero FRNC (Flame Retardent Non Corrosive) Cables de bus sin sistema FastConnect (según técnica constructiva)

  • PROFIBUS Festoon Cable:

Cable de bus flexible (conductores flexibles) especialmente concebido para suspensión en guirnaldas.

Para cable redondo se recomienda el modo denominado carro portacables.

  • PROFIBUS Flexible Cable

Cable de bus para aplicaciones que exigen alta flexibilidad:

Cable especial (conductor flexible) para el empleo en elementos móviles de la máquina (5 millones movimientos de torsión en 1 m de cable, ±180 º).

  • PROFIBUS ECOFAST Hybrid Cable

Este robusto cable híbrido que también puede ser arrastrado tiene dos conductores de cobre para transferir datos y cuatro conductores de cobre para alimentar a las estaciones ECOFAST.

  • Cable para barcos SIENOPYR FR

Cabre de fibra óptica exento de halógenos, a prueba de pisadas, difícilmente inflamable, con aprobación para construcción naval, en tendidos invariables de barcos y unidades offshore, tanto en recintos interiores como en cubiertas. Se suministra por metros.

El cable seleccionado para nuestra aplicación es PROFIBUS FC Standard Cable,Cable de bus estándar con estructura especial para conectorización rápida.

Seleccionamos este tipo de cable por que estamos en un entorno industrial típico, sin exposiciones a agentes químicos, ni esfuerzos mecánicos, ya que el cable va a estar fijo/apoyado sobre las canalizaciones existentes.

El cable seleccionado tiene la característica de FASTCONNECT para la conexión de los conectores de BUS seleccionados.

Las características generales del cable seleccionado son las siguientes:

1.3. RED PROFIBUS. TOPOLOGIA Y DISTRIBUCION

La distribución del cable PROFIBUS quedará como indica en la figura siguiente:

Dado que nuestra línea va a trabajar a una velocidad de transmisión de 1,5 Mbps, tenemos que:

Por lo tanto debemos dividir la red PROFIBUS en tramos de menos de 200 m, colocando Repetidores RS 485 para PROFIBUS, como indicamos en la figura siguiente:

1.4. RED PROFIBUS. REPETIDORES

Las características de los Repetidores RS485 son las siguientes:

  • Búsqueda automática de velocidad de transmisión
  • Velocidad de transmisión 45,45 kbits/s posible
  • Señalización de tensión de 24 V DC presente
  • Señalización de actividad por el bus, segmentos 1 y 2
  • Posibilidad de aislar segmento 1 y segmento 2 mediante interruptor
  • Aislamiento de la parte derecha del segmento si se activa la resistencia terminal
  • Desacoplamiento del segmento 1 y del segmento 2 en caso de fallos estáticos

Beneficios

  • Para aumentar el número de estaciones y la expansión
  • Aislamiento galvánico de segmentos
  • Medios aux. de puesta en servicio

-          Interruptor para aislar los segmentos

-          Señalización de la actividad por el bus

-          Separación de un segmento con resistencia de terminación mal conectada

Gama de aplicación

  • El repetidor RS 485 IP20 une dos segmentos PROFIBUS o MPI utilizando la tecnología RS 485 y un máximo de 32 estaciones.
  • Permite aplicar velocidades de transmisión de 9,6 kbits/s a 12Mbits/s.

Construcción

  • Caja en grado de protección IP20
  • 2 regleteros para conectar los segmentos
  • Regletero para alimentación (24 V DC externos)
  • Puerto para PG/OP

Funciones

Modo de funcionamiento

  • Amplía el número de estaciones (máx. 127) y la extensión espacial
  • Regenera las señales tanto en amplitud como en tiempo
  • Permite el aislamiento galvánico de los sistemas de bus conectados

La red queda dividida en 5 segmentos utilizando dos Repetidores de los indicados anteriormente:

Segmento 1. Unión de PLC1 a Repetidor A

Segmento 2. Unión de Repetidor A a Repetidor B

Segmento 3. Unión de Repetidor B a PLC3

Segmento 4. Unión de Repetidor B a PLC2

Segmento 5. Unión de Repetidor A a PC supervisor.

Segmento 1. Longitud 160 m + 50 cm sobrantes

Segmento 2. Longitud 200 m

Segmento 3. Longitud 160 m + 50 cm sobrantes

Segmento 4. Longitud 60 m + 50 cm sobrantes

Segmento 5. Longitud 110 m + 50 cm sobrantes

Los repetidores RS 485 estarán instalados dentro de armarios eléctricos colocados en mural en la pared, con un grado de protección IP 65, adecuado para una protección máxima frente al polvo y una protección de grado 5 frente a agua que garantiza que no debe entrar el agua arrojada a chorro (desde cualquier ángulo) por medio de una boquilla de 6,3 mm de diámetro, a un promedio de 12,5 litros por minuto y a una presión de 30 kN/m2 durante un tiempo que no sea menor a 3 minutos y a una distancia no menor de 3 metros.

1.5. RED PROFIBUS. ARMARIOS ELECTRICOS

Las cajas serán de dimensiones 300 x 250 x 150 (Alto x Ancho x Profundidad) estarán colocadas a nivel de techo por lo que el grado de protección es adecuado ya que a ese nivel no existe agua, salvo una posible gotera.

Una vez determinada la línea de Red PROFIBUS y para su correcto funcionamiento debe instalarse en cada uno de los extremos de los segmentos un Elemento Terminal RS485 Activo.

1.6. RED PROFIBUS. TERMINALES ACTIVOS

Las características de este elemento son:

  • Sirve para conectar segmentos de bus con velocidades de transmisión de 9,6 kbits/s a 12 Mbits/s
  • Fuente de alimentación independiente de las estaciones del bus.

Beneficios

  • Terminación del bus independiente del equipo terminal con fuente de alimentación propia.

Gama de aplicación

La resistencia terminal RS485 activa sirve para cerrar segmentos de bus. La alimentación se realiza de forma independiente de las estaciones del bus. Para ello la resistencia terminal se alimenta de forma separada de los otros componentes de la periferia tanto permanentemente o de forma conectada por la periferia. El cierre del sistema de bus permite acoplar y desacoplarlas a elección las estaciones (p. ej. ET 200S) sin necesidad de que se produzcan anomalías.

Construcción

  • 1 regleteros para conectar los segmentos
  • Regletero para alimentación (24 V DC externos)

Funciones

El elemento terminal activo RS485 cierra el PROFIBUS y procura así un nivel definido en la señal RS485 así como la supresión de reflexiones en la línea. Como funciona con independencia de los dispositivos de campo es posible desconectar éstos sin que esto tenga efecto retroactivo sobre el bus.

Cada uno de los terminales irá alojado en un armario eléctrico como el utilizado para los repetidores RS485, con un grado de protección IP65 pero colocados a nivel de suelo.

Una vez instalada la RED PROFIBUS, únicamente nos queda la conexión del PC Supervisor a la misma.

1.7. TARJETA COMUNICACIONES PC.

Para ello debemos instalar en el ordenador, a través de una ranura PCI, un módulo de comunicaciones para PC. Elegimos la tarjeta CP5613 A2

Descripción

Tarjeta PCI (Universal Key 5V/3,3V) con microprocesador para conectar PC y SIMATIC PG/PC a PROFIBUS hasta 12 Mbits/s. La tarjeta se utiliza en plataformas de cálculo con sistema de conexión PCI, por ejemplo, IPC, PC de sobremesa o sistemas de servidor.

Características

  • Servicios de comunicación:

-          Maestro PROFIBUS DP, clase 1 y 2, o esclavo DP según IEC 61158 e IEC 61784

-          Comunicación PG/OP con STEP 5 o STEP 7

-          Comunicación S7 con software S7-5613

-          Comunicación abierta (SEND/RECEIVE) basada en la interfaz FDL

-          PROFIBUS FMS según IEC 61158 e IEC 61784 con software FMS-5613

  • Amplias posibilidades de diagnóstico para instalación, puesta en marcha y funcionamiento del módulo
  • Mecanismo de filtro de eventos para descargar la CPU central
  • Modo multiprotocolo y funcionamiento paralelo de máx. 4 CP
  • Los correspondientes servidores OPC y las herramientas de configuración están incluidos en el alcance de suministro del software de comunicación respectivo

Beneficios

  • Mayor velocidad de intercambio de datos de proceso
  • Acceso a datos de proceso a través de Dual Port RAM
  • Gran potencia de cálculo en PG/PC
  • Descarga de la CPU central gracias al preprocesamiento de la comunicación mediante hardware
  • Empleo de diversos entornos de sistema operativo
  • Drivers a modo de código fuente para migración a diferentes entornos de sistema operativo
  • Empleo en aplicaciones de control de movimiento
  • Intercambio de datos en tiempo real a través de modo de equidistancia
  • Puesta en marcha rápida
  • Instalación y puesta en marcha sencillas mediante Plug&Play

El PC se conectaría a la RED PROFIBUS mediante un mediante Cable de conexión 830-1T a través de un conector de bus RS 485 para PROFIBUS como los utilizados para los PLC.

2 – NIVEL DE SUPERVISION

A nivel de Supervisión disponemos de un PC Supervisor y de un PC Cliente colocado en uno de los extremos de la nave industrial.

Para la comunicación entre estos dos dispositivos vamos a utilizar un sistema Ethernet a 10 Mbps. (10BASE-T).

Para la comunicación Ethernet debemos disponer en cada uno de los PC de una tarjeta PCI Ethernet. Seleccionamos la tarjeta comercial D-Link Tarjeta PCI Ethernet Gigabit DGE-528T – Referencia: 04010002 cuyas características son las siguientes:

La topología de la red a montar es la que queda reflejada en la imagen siguiente:

Para el montaje de la red Ethernet vamos a utilizar cable del tipo par trenzado sin apantallar, ya que el cable trenzado apantallado es mucho más caro, mucho más difícil de montar y mantener.

El par trenzado o UTP Como el nombre lo indica, “unshielded twisted pair” (UTP), es un cable que no tiene revestimiento o blindaje entre la cubierta exterior y los cables. El UTP se utiliza comúnmente para aplicaciones de REDES Ethernet, el témino UTP generalmente se refiere a los cables categoria 3, 4 y 5 especificados por el estándar TIA/EIA 568-A standard. Las categorias 5e, 6, & 7 también han sido propuestos para soportar velocidades más altas. el cable UTP comúnmente incluye 4 pares de conductores. 10BaseT, 10Base-T, 100Base-TX, y 100Base-T2 sólo utilizan 2 pares de conductores, mientras que 100Base-T4 y 1000Base-T requieren de todos los 4 pares.

A continuación se lista un sumario de los tipos de cable UTP

Categoría 1 - Voz solamente

Categoría 2 - Datos 4 Mbps

Categoría 3 - UTP con impedancia de 100 ohm y características eléctricas que soportan frecuencias de transmisión de hasta 16 MHz. Definida por la especificación TIA/EIA 568-A specification. Puede ser usado con 10Base-T, 100Base-T4, y 100Base-T2.

Categoría 4 - UTP con impedancia de 100 ohm y características eléctricas que soportan frecuencias de transmisión de hasta 20 MHz. Definida por la especificación TIA/EIA 568-A. Puede ser usado con 10Base-T, 100Base-T4, y 100Base-T2.

Categoría 5 - UTP con 100 ohm de impedancia y características eléctricas que soportan frecuencias de transmisión de hasta 100 MHz. Definida por la especificación TIA/EIA 568-A specification. Puede ser usado con 10Base-T, 100Base-T4, 100Base-T2, y 100Base-TX.

Puede soportar 1000Base-T, pero el cable debe ser probado para asegurar que cumple con las especificaciones de la categoría 5e (CAT 5 “mejorada”). CAT 5e es un nuevo estándar que soportará velocidades aún mayores de 100 Mbps y consiste de un cable par trenzado STP con 100 ohm de impedancia y características eléctricas que soportan frecuencias de transmisión de hasta 100 MHz. Sin embargo, tiene especificaciones mejoradas como NETX (Near End Cross Talk), PSELFEXT (Power Sum Equal Level Far End Cross Talk), y atenuación.

Categorías de Cables UTP

Sumario -Cable Ethernet

De los tipos de cable listados utilizaremos un cable UTP de categoría 3 adecuado las redes con especificación 10BaseT y la velocidad de transmisión que hemos determinado para nuestra red.

Para el conexionado de estos cables utilizamos el conector RJ45 con la configuración de los pares como se indica en la figura siguiente:

Estos cables deben tener una longitud máxima de 100 m como se indica en la tabla anterior. La distancia que tenemos que disponer de cable para conectar nuestro PC Supervisor y PC cliente es de casi 280 metros de distancia, por lo que debemos disponer de repetidores Ethernet a lo largo del recorrido del cable.

Como queremos que la red pueda ser ampliable vamos a utilizar un SWITCH como repetidores en cada uno de los enlaces con 8 puertos cada uno de ellos

El sistema elegido es el CISCO Smart switch SG 200-08 8 puertos 10/100/1000 Mbps (SLM2008T-EU). Las características del sistema son:

Colocaremos 3 de estos equipos para hacer que las distancias de cableado sean menores de 100 m máximos que se permite para esta velocidad de transmisión de datos.

Cada uno de los switch elegidos estará ubicado dentro de armarios eléctricos con un grado de protección IP 65, similar a los utilizados en la red PROFIBUS.

La conexión del PC Supervisor a la red se realizará también a través de un Switch como los anteriores.

Con todos estos elementos la red está lista para ser configurada.

3 – LISTA DE MATERIALES 

RED PROFIBUS.

RED ETHERNET

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5 pensamientos en “Proyecto Comunicación Industrial. Profibus y EtherNet

  1. Hola, tengo una duda respecto a la red Ethernet.
    Porque utilizas 4 switch, con menos no bastaría para cubrir la distancia entre PC’s.

  2. Buenas tardes Alfonso,antes de nada felicitarte, un trabajo excelente.
    Estoy comenzando en este mundillo y echando un vistazo me a surgido una duda, ¿Para que sirve el cable 830 – 1T?

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