La saga de TSN hacia el futuro de la automatización

Entre las nuevas tendencias y tecnologías para máquinas y procesos, con frecuencia se menciona el concepto de TSN (Time Sensitive Networking). Por ser una tecnología relativamente nueva, muchos se preguntarán ‘¿Qué es?’ y ‘¿Tiene algo que ver con mi empresa?’.

 

TSN y el futuro de las redes Ethernet industrial

Como quizás ya lo sepa, esta nueva tecnología transforma Ethernet estándar en una tecnología de comunicaciones que garantiza temporización en aplicaciones de misión crítica. Con esto se podrá lograr un nivel completamente nuevo de determinismo en redes Ethernet IEEE 802.1 e IEEE 802.3.

Muchas aplicaciones de automatización industrial de hoy en día, por ejemplo control de movimiento en fabricación discreta, establecen requerimientos estrictos de retardo para garantizar que las transmisiones de datos en tiempo real puedan soportar  las demandas de diversas aplicaciones. Para cumplir con estos requerimientos, muchas soluciones actuales de control de automatización recurren a Ethernet convencional. Sin embargo, para la comunicación en tiempo real, desafortunadamente incorporan mecanismos técnicos adicionales, tales como mejoras de protocolo, que son incompatibles entre sí.

El resultado es un mercado de soluciones Ethernet en tiempo real severamente fragmentado, que simplemente no admite futuros desarrollos. Algunos de estos desarrollos se refieren a un mayor ancho de banda y también a una mayor transparencia de la información entre el nivel de campo y el nivel de empresa, tal como lo sugiere Industrie 4.0. Y es allí donde aparece en escena TSN, que responde a estos desarrollos y representa el siguiente paso en la evolución hacia una tecnología de comunicación industrial confiable y estandarizada.

 

La saga de TSN hacia el futuro de  la automatización
Las redes TSN pueden manejar las comunicaciones en forma determinística incluso si las comunicaciones se originan desde o están destinadas a dispositivos no determinísticos.

 

TSN y las redes IIoT del futuro

Durante algún tiempo (e incluso hoy en día), la automatización industrial ha estado en un período de transición. Todos estamos luchando por lograr instalaciones de producción más flexibles y dinámicas, mucho más de lo que es posible actualmente. 

Lo cierto es que esto se consigue sólo cuando la infraestructura de comunicaciones, para responder a todos estos requerimientos de IIoT, puede proporcionar dos servicios esenciales al mismo tiempo y en la misma red:

τ Comunicación estricta y confiable en tiempo real que facilite la implementación de aplicaciones exigentes (por ejemplo, control de movimiento) a gran escala, distribuidas de manera flexible a través de las redes de automatización en su totalidad.

τ Gran ancho de banda en las redes de automatización para aceptar la gran cantidad de sensores y datos de fondo que se requieren para implementar aplicaciones de IIoT, tales como mantenimiento predictivo y análisis de Big Data.

Ya que TSN responde a este planteo, su importancia crecerá en infraestructuras de comunicaciones a medida que se conecte un mayor número de dispositivos en el contexto de la revolución de Industrie 4.0 e IIoT y se diversifiquen aún más los requerimientos de comunicación.

 

La saga de TSN hacia el futuro de  la automatización
La familiar pirámide de automatización se está convirtiendo en una columna de automatización para reflejar mejor las ubicaciones cambiantes de los sistemas de control y poder compartir datos en todos los niveles en lugar de hacerlo secuencialmente de una capa a la otra.

 

Desde la Pirámide de Automatización a la Columna de Automatización

A raíz de los requerimientos que plantea IIoT, es muy posible que la familiar Pirámide de Automatización se transforme en una Columna de Automa­tización.

La Pirámide de Automatización separa redes y aplicaciones industriales complejas en niveles funcionales que se destacan por una fuerte  interacción horizontal. Dentro de cada capa de la pirámide, los dispositivos conectados en red interactúan entre sí y con las capas adyacentes. Sin embargo, era raro ver una comunicación directa a través de las múltiples capas del sistema de automatización completo; los sistemas basados en esta estructura eran estrictamente jerárquicos y no muy flexibles.

En cambio, la última tecnología permite que las redes se alejen del estricto modelo de pirámide, que ya no puede soportar estos requerimientos, e ingresen a un nuevo modelo, denominado Columna de Automatización, que es más abierto y flexible y puede soportar nuevos requerimientos, tales como una fuerte comunicación vertical y una red troncal industrial robustecida con un importante poder computacional.

¿Qué significa esto en las redes del futuro? Funciones de planificación de red, configuración y monitoreo más robustas, una comunicación tolerante a fallas y una mejor ciberseguridad, combinadas con TSN, que garantiza la transmisión de un tráfico de red de alta prioridad y bajo ancho de banda, y que permite, al mismo tiempo, la utilización plena del gran ancho de banda ofrecido por Ethernet para un tráfico de red con requerimientos de latencia débiles o inexistentes.

 

¿OPC UA TSN prevalecerá por sobre Ethernet industrial?

OPC UA es un protocolo de comunicación independiente del proveedor y diseñado para uso industrial. Time-Sensitive Networking (TSN) es un desarrollo de los estándares Ethernet IEEE. Juntos, apuntan a conformar el primer estándar de comunicación Ethernet de tiempo real determinístico realmente independiente del proveedor. Ante esta posibilidad,  muchos expertos en automatización se preguntan si OPC UA TSN podrá reemplazar las redes existentes de Ethernet industrial.

 

¿Un mejor Ethernet industrial?

Es el mercado quien, en definitiva, decidirá si OPC UA TSN podrá reemplazar el mercado existente de Ethernet industrial, lo cual plantea otro interrogante más: ¿Quiénes integran ese mercado y por qué habrán de pasar de Ethernet industrial a OPC UA TSN?

Los integrantes del mercado de automatización incluyen proveedores de equipos de automatización y accionamientos, fabricantes de máquinas para automatización de fábricas y proveedores de equipos para las industrias de procesos, además de los usuarios finales. 

Los proveedores de automatización que han desarrollado la gran variedad de buses de Ethernet industrial existentes hoy en día iniciaron sus desarrollos con un protocolo estándar. Pero a la hora de implementar aplicaciones de tiempo crítico, por ejemplo control de movimiento de alta velocidad usando servo accionamientos, tuvieron que recurrir a una solución más allá de Ethernet estándar introduciendo modificaciones de hardware en dispositivos de automatización y accionamientos para alcanzar el nivel necesario de confiabilidad y desempeño robusto en tiempo real. Además, esos proveedores solían seguir una estrategia propietaria, sumando un problema más a los fabricantes de máquinas, que tenían que responder a los diferentes requerimientos de sus usuarios finales.

Abordar la gran variedad de protocolos se convirtió en un problema real, incluso entre los distintos grupos de proveedores que soportan ciertos ‘estándares’, tales como PROFINET, EtherNet/IP, Sercos, Powerlink, EtherCAT y CC-Link IE.

Los proveedores de automatización suelen seguir las principales tendencias, de modo que es más que seguro que implementarán protocolos OPC UA TSN basados en Ethernet. Sin embargo, a causa de las enormes inversiones y la gran base instalada de Ethernet industrial, estos sistemas seguirán estando por muchos años más. 

Se espera que los proveedores de automatización que ofrecen aplicaciones con servo accionamientos rápidos testeen si OPC UA TSN está en condiciones de responder a los requerimientos de las aplicaciones actuales con servo accionamientos en tiempo real, lo que incluye seguridad, robustez, longitud máxima de cable y número de dispositivos conectables. Una vez testeado OPC UA TSN y sus características de seguridad aprobadas por las autoridades competentes, su implementación avanzará en paralelo con nuevos dispositivos, o sea un proceso incremental y evolutivo que seguirá el camino de la aceptación.

En cambio, los fabricantes de máquinas para automatización discreta y los proveedores de equipos de automatización de procesos se encuentran en posiciones algo diferentes respecto de OPC UA TSN.

 

Mercado de automatización discreta

Los fabricantes de máquinas apuntan normalmente a la funcionalidad de la máquina, por ejemplo tiempos rápidos de reacción. Si vemos la máquina de producción como una isla funcional y tenemos en cuenta la inexistencia actual de ofertas de automatización y accionamiento con OPC UA TSN, está claro que los fabricantes de máquinas no encuentran razón alguna para reemplazar sus actuales sistemas de Ethernet industrial.

En cambio, para cumplir con los requerimientos de comunicación de datos de Industrie 4.0/IIoT y enviar datos desde la máquina a una arquitectura informática aguas arriba, los fabricantes de máquinas incorporan nuevos sensores y extraen más datos de los controladores y accionamientos, además de entregar estos datos a la red informática vía un gateway o una computadora de borde. Esto podría conseguirse por medio de una interface OPC UA TSN incorporada en el PLC o una PC industrial. La posibilidad de usar un protocolo estándar para conseguir interoperabilidad ayudaría a bajar los costos de ingeniería.

 

Mercado de automatización de procesos

En comparación con el mercado de automatización discreta, el número de proveedores de sistemas de control distribuido y de sensores y actuadores para automatización de procesos es mucho menor. Las industrias, tanto de procesos como de manufactura discreta, necesitan un desempeño en tiempo real, pero ‘tiempo real’ en estas industrias tiene diferentes significados, con requerimientos más exigentes de desempeño en el control discreto de máquinas.

En las industrias de procesos, aun cuando los requerimientos de desempeño no sean tan exigentes, se necesita una disponibilidad 24/7 y un gran ancho de banda para operar todo el tiempo sin paradas y para recolectar y analizar las grandes cantidades de datos de proceso. Teniendo en cuenta que las industrias de procesos nunca tuvieron realmente una solución de fieldbus de proceso con un ancho de banda adecuado, el paquete técnico que ofrece OPC UA TSN sobre Ethernet debería resultarles sumamente atractivo, aunque es probable que muchos tarden en adoptarlo.

 

Usuarios finales

Los usuarios finales serán quienes más se beneficiarían de un protocolo Ethernet común basado en estándares. Lo cierto es que la extrema variedad de fieldbuses industriales de hoy en día implica una red de comunicación personalizada y costosa a la hora de recolectar y transferir datos a equipos informáticos aguas arriba. Agrergando OPC UA TSN como puente entre las islas de fieldbus, los usuarios podrán implementar instalaciones interoperables a un costo más que razonable.

 

No es la única apuesta

OPC UA TSN no es la única tecnología que amenaza desplazar los protocolos existentes de Ethernet industrial. El estándar DDS (Data Distribution Stan­dard) de Object Management Group (OMG), también mejorado con TSN, es ampliamente utilizado en defensa e infraestructura energética, y se extiende ahora a robótica y fabricación de máquinas.

La colaboración entre OPC Founda­tion, FieldComm Group y OMG apunta a establecer interoperabilidad entre DDS y OPC UA. Los proveedores de automatización de todo el mundo verán con buenos ojos la posibilidad de ofrecer ambos estándares de comunicación en el futuro, sea como dos protocolos diferentes o como un solo paquete de software de comunicación si la interoperabilidad OMG-OPC se traduce en una solución fácil y consistente que pueda ser configurada para ser compatible con DDS u OPC.

 

La saga de TSN hacia el futuro de  la automatización

 

TSN integrado en PROFINET

Cada vez tiene más fuerza una nueva tecnología IEEE para Ethernet que combina el ancho de banda de las redes de IT (Information Technology) con la latencia de las redes de OT (Operational Technology). Estamos hablando de TSN (Time-Sensitive Net­wor­king), que consiste de un toolkit de mecanismos estandarizados que se pueden usar en redes basadas en Ethernet. 

Al respecto, el grupo de trabajo PI (PROFIBUS & PROFINET Interna­tional) ‘Industrie 4.0’ ha elaborado un conjunto de requerimientos y objetivos para el uso futuro de TSN en PROFINET. El trabajo apunta a facilitar a los usuarios de PROFINET la utilización de la nueva tecnología en sus dispositivos o sistemas mientras aprovechan el conocimiento existente. Además, servicios como diagnóstico, parametrización, etc. deberán ser idénticos a los de este momento. Por su parte, la ingeniería, o sea la configuración de la red, deberá realizarse de manera similar a cómo se hace hoy en día. De esta forma, PI logrará una fácil transición al nuevo paisaje de Ethernet y podrá asegurar una amplia aceptación entre usuarios.

 PI recurre a la tecnología estándar de Ethernet para disponer de una amplia selección de chips Ethernet para la implementación de la interface PROFINET en dispositivos y también beneficiarse de futuros desarrollos de la tecnología IEEE, tales como anchos de banda en el orden del gigabit. 

Además, con TSN, es posible implementar redes sincrónicas en aplicaciones isocrónicas. Anteriormente, las redes tenían que configurarse por separado e integrarse en chips dedicados en los dispositivos. Esta es la única forma de garantizar que PROFINET permanezca a prueba del futuro y, al mismo tiempo, simplificar los ajustes.

Además de una arquitectura tipo pila, que es fácil de integrar y escalar, otro objetivo crucial para el uso de la tecnología es un alto grado de determinismo y robustez de un tráfico basado en IP que no es capaz de funcionar en tiempo real. La confiabilidad aumenta, ya que TSN permite reservar ancho de banda en la red para tareas individuales de modo que no puedan ser interrumpidas por otro tráfico. Esto es especialmente importante teniendo en cuenta que en las redes de Industrie 4.0 se usará una gran variedad de protocolos uno al lado del otro. De esta forma, PI incorpora comunicación paralela vía OPC UA entre estaciones a nivel de sistema o desde dispositivos a nivel de campo hasta la nube ya desde el comienzo.

Con la introducción de TSN, se simplifica la ingeniería de la red en sistemas más complejos, hasta lograr redes tipo ‘plug-and-work’ que permitan la reconfiguración durante operación. Además, los mecanismos de TSN disponibles con el protocolo en tiempo real ofrecen opciones que PI ha buscado desde siempre.

Según Karsten Schneider, presidente de PI, "PI amplia PROFINET con los mecanismos de TSN en la capa 2, conservando la capa de aplicación en los niveles superiores. Esto permite migrar aplicaciones a la nueva tecnología de manera sencilla e incremental y aprovecha las ventajas de una tecnología IT abierta y estandarizada".

 

Preparado por Víctor Marinescu, director de la revista Instrumentación & Control Automático.

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