Comunicación confiable desde el sensor hasta la nube

Comunicación  confiable desde el sensor hasta la nube
Conectores para SPE de Phoenix Contact.

 

En los últimos 20 años, Ethernet ha estado incursionando cada vez más en el piso de fábrica como principal medio para conectar sistemas de automatización y transmitir datos de campo a la red. Allí, una tecnología Ethernet uniforme desde el sensor hasta la nube requiere nuevas tecnologías con componentes estandarizados, de costo económico y que ahorren espacio. También se debe tener en cuenta la extensión de los sistemas existentes de fieldbus al nivel de proceso con soluciones de comunicación transparentes.

La actual tecnología Ethernet es demasiado compleja y sobredimensionada en un gran número de aplicaciones industriales. Por ejemplo, los actuales conectores RJ45 y cables Ethernet no son adecuados para conectar componentes de sensores sencillos a nivel de campo.

La encapsulación hasta el sensor es una tarea compleja, costosa y muchas veces no es factible por razones tan sólo de espacio. A lo que hay que sumar la necesidad de cableado de dos o cuatro pares y la longitud máxima de cable de 100 m, que a veces resulta demasiado corta.

La solución pasa por un estándar de Ethernet simplificado que deliberadamente no llega a las elevadas velocidades de transmisión de datos del mundo informático, sino que combina grandes longitudes de cable con un diseño compacto y un cableado sencillo y robusto. Esta solución se llama SPE (Single Pair Ethernet).

 

¿Por qué SPE y por qué ahora?

Los protocolos de Ethernet industrial, tales como Modbus TCP/IP, EtherCAT, EtherNet/IP y PROFINET, han mejorado considerablemente la comunicación en los niveles de enrutamiento y supervisión, pero gran parte de la comunicación dispositivo a dispositivo a nivel de campo y a nivel de E/S se ha basado durante mucho tiempo en los protocolos tradicionales de field­bus. Estos protocolos tales como PROFIBUS, AS-Interface, Modbus, CANOpen, DeviceNet, CC-Link e IO-Link, por lo general, requieren múltiples instalaciones de cableado segregado y propietario.

Los protocolos tradicionales de fieldbus siempre se han destacado por su transferencia sensible al tiempo y determinismo para garantizar que se envía y recibe la información correcta cuando y donde sea necesario, lo cual es un aspecto crítico para la comunicación en aplicaciones de control y automatización industrial. Dentro de este contexto, el desarrollo de TSN (Time-Sensitive Networ­king) por IEEE aborda estas necesidades mediante sincronización de tiempo y comunicación determinística sobre Ethernet estándar.

Ante los grandes aumentos en el número de sensores y actuadores a nivel de campo y E/S y la creciente demanda de más información, los protocolos tradicionales de fieldbus se están convirtiendo rápidamente en un cuello de botella en el entorno de automatización, al no llegar a 10-12 Mbps con longitudes de enlace limitadas. A medida que más enlaces se van integrando en sistemas de automatización y maquinaria, los voluminosos cables de fieldbus empiezan a ocupar demasiado espacio con una instalación costosa y en cierta forma complicada.

Con el advenimiento de SPE, junto con la capacidad de TSN, ha llegado el momento de tener una sola red Ethernet estándar de extremo a extremo y una comunicación totalmente digitalizada. De esta forma, el usuario final consigue importantes beneficios al disponer de enormes cantidades de sensores, actuadores y módulos de E/S a nivel de campo, alimentando datos desde el campo a PLCs, sistemas MES y en la red principal de empresa a la nube de manera simultánea en tiempo real.

 

Comunicación  confiable desde el sensor hasta la nube

 

Ventajas de SPE

Con una sola red Ethernet desde el sensor hasta la nube, SPE y TSN permiten controlar todos los componentes conectados en red para promover la implementación de IIoT en el entorno industrial. También apuntan a reducir el CapEx en un 80% mientras brindan ahorros operativos a largo plazo gracias a un buen número de beneficios:

  • Cables compactos y más livianos con un 50% menos de peso y espacio ocupado en comparación con los cables de fieldbus tradicionales, ahorrando espacio en robots y en paredes y pisos, además de aceptar una infraestructura más ordenada y definida y reducir los requerimientos de alimentación y control de temperatura.
  • Instalación más rápida y más fácil que reduce costos de material y mano de obra en nuevas plantas, facilitando la integración de dispositivos de campo, sensores y actuadores en el entorno Ethernet existente sin necesidad de gateways e interfaces adicionales.
  • Potencial para un alcance 10 veces mayor y cobertura de dispositivos que soporta 10 Mbps a distancias de hasta 1.000 metros y una performance de transmisión 10 veces superior con opciones ya existentes para 1 Gbps y multi-gigabit en el horizonte.
  • Topologías de bus sin líneas de alimentación adicionales vía segmentos cortos de enlaces multidrop combinados con Power over Data Lines (PoDL).
  • Distribución de línea pasiva, simple y económica con la posibilidad de compartir cables, donde el cable común de par trenzado acepta cuatro canales SPE en un mismo cable.
  • Cable y conectividad conocidos basados en estándares con interfaces de conector M8 y M12 intercambiables tipo enchufable que cumplen con M2I2C2E2/M3I3C3E3.

 

Rápido crecimiento

SPE fue impulsada principalmente por la industria automotriz por su necesidad de cables de menor tamaño, más livianos y alto ancho de banda. Los primeros estándares de SPE, tales como 1000BASE-T1 (2015 IEEE 802.3bw) y 1000BASE-T1 (2016 IEEE 802.3bu), incluían TSN con una baja latencia determinística y PoDL para alimentación remota de dispositivos.

El mundo de automatización industrial y de procesos tomó nota de estos logros de SPE, formándose entonces el grupo IEEE P802.3cg 10 Mbps Single-Pair Ethernet Task Force, cuyo objetivo es desarrollar 10BASE-T1S de corto alcance para soportar 10 Mbps a una distancia de al menos 15 metros y 10BASE-T1L de largo alcance a una distancia de al menos 1.000 metros, que son una alternativa atractiva a los tradicionales protocolos de fieldbus y resultan ideales para conectar dispositivos IIoT e IoT de baja velocidad. Actualmente está en desarrollo SPE multi-giga (2.5, 5 y 10 Gbps).

La demanda del mercado, combinada con el desarrollo de los estándares, sin duda que se traducirá en un futuro muy brillante para SPE, lo que permitirá a Ethernet industrial superar las comunicaciones tradicionales de fieldbus en los próximos cinco años.

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