Funcionalidad IIoT: EtherNet/IP y PROFINET

La adopción de Ethernet Industrial está superando otras opciones a medida que las empresas se van convirtiendo en digitalmente conectadas. Esto es especialmente cierto allí donde se emplea la funcionalidad IIoT en automatización y sistemas de control para mejorar la accesibilidad a datos y su facilidad de uso. En este contexto se destacan EtherNet/IP y PROFINET.

EtherNet/IP

EtherNet/IP es un protocolo de red industrial que emplea CIP (Common Industrial Protocol) en Ethernet estándar. Trabaja en una capa de aplicación de red, que es (en los dos modelos conceptuales de redes) la capa ‘más alta’ de los dispositivos y le facilita al usuario la comunicación entre controles y dispositivos de E/S. Más específicamente, EtherNet/IP es la capa superior de los modelos OSI (Open Systems Interconnection) y TCP/IP (Transmi­ssion Control Protocol/Internet Proto­col).

El protocolo EtherNet/IP contiene:

  • La capa de aplicación ya mencionada;
  • Una capa de conexión en red Internet Protocol;
  • La capa de enlace Ethernet estándar.

 

Funcionalidad IIoT: EtherNet/IP y PROFINET
Los dos modelos más comunes para describir redes: OSI y TCP/IP (Fuente: Design World).

 

Hay que aclarar que IP en EtherNet/IP significa protocolo industrial y se refiere a los protocolos de red desarrollados originalmente para permitir la comunicación sobre conexiones serie, tales como RS-232 y RS-485, que son comunes en la transmisión de datos a nivel industrial. Muchas de tales conexiones operan ahora sobre Ethernet usando protocolos como TCP/IP, muy utilizado en comunicaciones Internet.

Las comunicaciones EtherNet/IP y su hardware muy estandarizado (incluye hubs, switches, enrutadores, cables Ethernet y tarjetas de red Ethernet) están definidos por IEEE 802.3.

Desarrollado en 2009, EtherNet/IP nace a partir de la colaboración entre ODVA (Open DeviceNet Vendors Association) y CI (ControlNet Interna­tional). Por su parte, ODVA fue fundada en 1995 como un consorcio de empresas de automatización (Rockwell Automation, Cisco, Schneider Electric, Omron y Bosch Rexroth) para avanzar en el tema de comunicaciones abiertas e interoperables para automatización industrial. Según ODVA, EtherNet/IP lidera la adopción de Ethernet Industrial, con un 25% del mercado en 2017 y un 28% en 2018 en relación a los nodos de redes de Ethernet Industrial despachados.

Al día de hoy, EtherNet/IP es una de las cuatro redes ODVA que han adoptado CIP para redes industriales. Las otras son DeviceNet, ControlNet y CompuNet.

CIP se encarga de organizar y compartir datos en dispositivos industriales. A tal fin, utiliza distintos tipos de mensajes y servicios para intercambiar datos en aplicaciones de automatización industrial que incluyen control de proceso y de sistemas, seguridad, sincronización, movimiento, configuración e información. CIP permite integrar estas aplicaciones con redes Ethernet a nivel de empresa y la Internet. Es una red unificada de comunicación para aplicaciones de manufactura e industriales y ha sido adoptada ampliamente por proveedores de todo el mundo.

En los protocolos industriales, los datos están ordenados como objetos con elementos de datos o atributos. Estos objetos datos pueden ser objetos requeridos y objetos de aplicación. Los primeros se encuentran en cada CIP.

EtherNet/IP es bastante fácil de implementar y es compatible con los switches Ethernet estándar para automatización industrial. Sin embargo, la forma básica de EtherNet/IP es no determinística y, por lo tanto, no es adecuada para aplicaciones industriales de tiempo real estricto.

CIP Motion puede complementar EtherNet/IP para que pueda responder a requerimientos exigentes de control determinístico en tiempo real (incluido control de movimiento de lazo cerrado) con Ethernet no modificada en todo compatible con los estándares IEEE 802.3 y TCP/IP Ethernet.

EtherNet/IP complementado con la tecnología CIP Motion ofrece control de movimiento distribuido multieje. Es escalable y conforma una interface de aplicación común en diseños de movimiento.

 

Transmisión de datos vía EtherNet/IP

TCP y UDP (User Datagram Protocol) son los protocolos de comunicación subyacentes de la Internet y de muchas redes privadas también. EtherNet/IP emplea un puerto TCP para lo que se llama mensajería explícita. Tal mensajería es cuando el sistema envía datos a un cliente en respuesta a una solicitud específica de esos datos. Utiliza TCP/IP, o sea un protocolo orientado a conexión que gestiona explícitamente enlaces entre clientes y servidores.

 

EtherNet/IP y PROFINET son protocolos importantes de Ethernet Industrial. Ambos son soportados por ODVA.

 

Clave en las redes TCP/IP, TCP ayuda a fragmentar los paquetes de datos de modo que los mensajes de datos puedan llegar a su destino. Cabe señalar que IP sólo trata con paquetes, mientras TCP permite que dos hosts establezcan conexión e intercambien corrientes de datos. TCP garantiza la entrega de datos y también la entrega de los paquetes en el orden en que fueron enviados.

EtherNet/IP emplea un puerto UDP para mensajería implícita, o sea comunicaciones de sistema enviadas desde ubicaciones de memoria preestablecidas a un controlador u otro cliente en un cierto intervalo preprogramado. Tales comunicaciones son mucho más rápidas que la mensajería explícita, y la transmisión de datos unidireccional de las conexiones UDP (sin acuse de recibo) simplifica las actualizaciones cíclicas del sistema.

 

PROFINET para comunicaciones determinísticas

PROFINET es otro estándar técnico que define un modo de comunicación de datos a través de Ethernet Industrial. Las modificaciones de PROFINET en Ethernet estándar garantizan una transmisión de datos correcta e inmediata incluso en aplicaciones exigentes.

Sus definiciones establecen un medio de recolección de datos de equipos y sistemas industriales para responder a restricciones de tiempo específicas y muchas veces estrictas.

PROFINET surge de PROFIBUS, un estándar para la comunicación de fieldbus que soporta automatización. Mientras PROFIBUS es un fieldbus serie clásico basado en Ethernet Industrial, PROFINET va más allá con capacidades adicionales que ofrecen comunicaciones más rápidas y flexibles para componentes de control y automatización.

 

EtherNet/IP es más común en América, mientras PROFINET es ampliamente utilizado en Europa.

 

Sin ir más lejos, PROFINET registró un 30% del mercado de redes industriales en 2018, lo que lo convierte en una solución líder en cuanto a comunicaciones basadas en Ethernet para automatización industrial. Más de cinco millones de dispositivos compatibles con PROFINET se incorporan cada año al mercado.

Las comunicaciones PROFINET y PROFIBUS son determinísticas y soportan sistemas de automatización con límites precisos en cuanto a estructura de E/Ss; sus estructuras de E/Ss permiten el cálculo preciso de tiempos máximos de actualización.

PROFINET también puede proveer intercambio de datos IRT (Isochronous Real-Time). IRT utiliza básicamente el reloj de tiempo ultra preciso de PROFINET para priorizar el pasaje de algunos tipos de tráfico de datos y guardar el resto. IRT se destaca en aplicaciones exigentes, tales como control de movimiento y otras aplicaciones que necesitan una operación más determinística que la operación en tiempo real. En un intercambio de datos en tiempo real, los tiempos de ciclo de bus son inferiores a 10 ms; en cambio, los intercambios de datos IRT ocurren dentro de unas pocas docenas de μs hasta unos pocos milisegundos.

Por ejemplo, en una operación de envasado y etiquetado, PROFINET puede soportar una transmisión de datos que garantice que las botellas se llenen a un determinado nivel en menos de un segundo, dentro de más o menos un milisegundo. PROFINET también puede detectar, cuantificar y alertar a los operadores de cualquier anomalía en el proceso de embotellado e inmediatamente detener los procesos.

 

Hardware PROFINET

Ethernet estándar es adecuado sólo para la transmisión de datos en hogar, oficina y algunas configuraciones de monitoreo industrial. En cambio, Ethernet Industrial de PROFINET puede ser implementado en instalaciones industriales difíciles que requieren comunicaciones de datos determinísticas.

Los cables y conectores PROFINET difieren de los empleados en Ethernet estándar, e incluyen conectores con mecanismos de enclavamiento más pesados y cables industriales robustecidos.

Los enrutadores PROFINET (ya sea integrados en otro hardware o como elementos autónomos) funcionan en la capa de red tres (ver los modelos de red mencionados anteriormente) y se comunican utilizando direcciones IP. Estos enrutadores conectan LANs (Local Area Networks) y forman WANs (Wire Area Networks), empleando algoritmos para determinar las mejores rutas de transmisión de datos entre redes.

Algunos switches PROFINET también emplean conexiones de fibra óptica. Estos componentes ultrarrápidos integran dispositivos compatibles con PROFINET en redes Ethernet (o PROFIBUS) utilizando elementos gateway para las conversiones cobre a fibra óptica.

 

Switches PROFINET gestionados y no gestionados

Los switches PROFINET trabajan en la segunda capa de datos del modelo de red conceptual mencionado anteriormente. Su función es controlar la recepción y la transmisión de señales de datos a través de la red.

Los switches PROFINET no gestionados envían los datos Ethernet que ingresan a través de los puertos apropiados conectados a los correspondientes dispositivos finales. Los puertos pueden tener un indicador LED para mostrar la presencia de un flujo de datos, pero estos switches no gestionados normalmente no ofrecen mucha más información afín ni gestión de ese flujo de datos.

En cambio, los switches PROFINET gestionados son más inteligentes y trabajan con protocolos informáticos diferentes, tales como SNMP (Simple Network Management Protocol) y LLDP (Link Layer Discovery Protocol) para PROFINET. Gracias a su inteligencia, los switches gestionados se suelen utilizar allí donde evitar paradas es un objetivo clave y donde localizar fallas es de gran utilidad. Por supuesto que son más costosos que los switches no gestionados.

 

EtherNet/IP versus PROFINET

Las distintas adaptaciones específicas de EtherNet/IP están transformando numerosas industrias. Por ejemplo, la industria de embalaje emplea EtherNet/IP para comunicaciones de alta velocidad, determinismo y desempeño en tiempo real. Industrias como procesamiento químico, automatización tradicional y generación de energía usan EtherNet/IP para cuantificar continuamente su producción.

Otras aplicaciones industriales implican procesos totalmente automatizados que requieren conteo y adquisición de datos en tiempo real para control. En estos casos, tanto EtherNet/IP como PROFINET se destacan a la hora de implementar las redes determinísticas que se requieren en tales aplicaciones.

Veamos ahora las diferencias entre EtherNet/IP y PROFINET en cuanto a calidad de señal, tamaño de mensajes y tasa de actualización.

Por lo general, PROFINET es más rápido que EtherNet/IP y se suele implementar con hardware estándar, aunque PROFINET IRT requiere hardware específico.

EtherNet/IP es más interoperable, ya que se basa en una programación orientada a objetos y contiene componentes de uso común. De hecho, estos componentes y el hardware estándar significan que EtherNet/IP es muy económico para conectividad industrial de alta velocidad. Las economías de escala y la naturaleza intercambiable de gran parte de este hardware minimizan los costos iniciales.

En cambio, los componentes compatibles con PROFINET pueden ser integrados en fieldbuses basados en PROFIBUS, complementando sistemas existentes sin necesidad de un reemplazo completo. Hay ventajas de costo en la forma en que se pueden compartir los dispositivos existentes mientras las redes existentes aceptan el agregado de hardware suplementario. Aun así, los costos iniciales de las tecnologías PROFINET pueden superar en hasta 15% a los de EtherNet/IP. Ese costo es compensado parcialmente por una instalación más fácil, estimada en casi la mitad de complicada (léase: costosa) que la instalación de EtherNet/IP.

Las topologías y los componentes compatibles con EtherNet/IP y PRO­FINET también difieren en cierta forma. La topología de red es la disposición de los enlaces y nodos de una red. Los enlaces pueden ser wireless y cableados, tales como cable coaxial, de par trenzado y también de fibra óptica. Por su parte, los nodos de una red pueden ser hubs, puentes, switches, enrutadores, módems e interfaces de firewall. Las topologías pueden ser de tipo estrella, línea, anillo, árbol, punto a punto y mesh.

Las redes EtherNet/IP utilizan principalmente topología estrella complementada por otras. La topología anillo conecta múltiples dispositivos de manera secuencial, pero, si un cable se corta dentro del anillo, cada dispositivo mantiene su camino a control. La topología árbol utiliza dispositivos o switches cableados con conexiones entre agrupamientos de dispositivos; cualquier interrupción genera un algoritmo para determinar el siguiente mejor camino viable como solución.

La topología línea de PROFINET usa un cableado mínimo y no requiere switches externos; las conexiones a cualquier topología estrella y árbol se realizan vía switches autónomos. En este caso, si falla un switch estrella o árbol, se ven afectadas las comunicaciones a todos los nodos, lo que puede ser problemático. Por lo tanto, para garantizar la continuidad de las comunicaciones, PROFINET soporta topologías con dispositivos agregados que ofrecen respaldo del medio y otros elementos en caso de que fallara un cable o un nodo.

Cabe señalar que las redes EtherNet/IP y PROFINET se instalan en sistemas bajo control centralizado y descentralizado, y algunas veces operan en sistemas que combinan ambas disposiciones de control. Con EtherNet/IP y PROFINET, los sistemas centralizados usan una configuración cliente-servidor con un servidor central que conecta uno o más nodos cliente. Los nodos cliente envían solicitudes al servidor central en lugar de procesarlas por sí mismos, mientras el servidor maneja todo el procesamiento principal. En sistemas descentralizados, cada nodo ejecuta de manera autónoma su propia lógica. Las acciones finales del sistema son la suma de la lógica de todos los nodos.

 

Switch gestionable IP67 TBEH-LE-M2 de Turck. 1|Asignación de direcciones IP en base al puerto y multicast para cámaras IP – 2|Enlace de alta velocidad para cambios muy rápidos de herramientas – 3|Redundancia de medio para una elevada disponibilidad – 4|Backbone GBit de alta velocidad para una máxima performance.

 

Gateways EtherNet/IP y PROFINET

Los gateways (sean piezas autónomas de hardware o integradas con enrutador, firewall o funciones de servidor) controlan el flujo de datos que entran y salen de una red determinada y algunas veces entre sistemas diferentes. Eso incluye algunos gateways específicamente diseñados para comunicar E/Ss entre redes EtherNet/IP y PROFINET. En este último caso, la mayoría de los gateways funcionan como dispositivo PROFINET y adaptador EtherNet/IP para conseguir una compatibilidad automática.

Además de su rol básico, los gateways pueden también aliviarle al PLC de un sistema las tareas de temporización de señal, conteo, cálculo, comparación y procesamiento. Los gateways EtherNet/IP y PROFINET con funcionalidad de enrutador les dejan a las computadoras la tarea de enviar y recibir datos sobre la Internet.

Hoy en día, las HMIs conectadas a redes algunas veces realizan una doble tarea: gateways entre sistemas de automatización y controladores y simplificar el comisionamiento y el mantenimiento del sistema.

 

Gestión descentralizada de datos en IIoT

Con la digitalización, está creciendo no sólo la inteligencia del sistema sino también la transmisión de datos en redes de producción. Pero esto plantea algunas preguntas: ¿Los procesos podrán seguir siendo eficientes y flexibles? ¿Las redes industriales podrán ser operadas con una máxima disponibilidad y al mismo tiempo de manera segura?

La respuesta pasa por el switch gestionable IP67 TBEH-LE-M2 de Turck, que alcanza una máxima seguridad gracias a su firewall integrado, enrutamiento NAT (Network Address Translation) y LANs virtuales (VLANs). Su backbone Gbit de alta velocidad y el principio de envío directo de marcos de datos garantizan un flujo rápido de datos desde módulos de E/Ss, motores o cámaras IP. En aplicaciones con robots, acorta las tasas de reloj al tener tiempos de enlace muy rápidos inferiores a 150 ms.

El usuario puede monitorear en todo momento la carga de la red. El bloque de transmisión integrado protege contra sobrecargas de la red por inundaciones de transmisión y, por lo tanto, garantiza una máxima disponibilidad. Como switch IP67, TBEN-L-SE-M2 reduce considerablemente el cableado, ya que se lo puede montar directamente en la máquina. Con 10 puertos en el factor de forma TBEN-L, el switch también es sumamente liviano y compacto, lo que simplifica la instalación. 

 

Conectar las futuras instalaciones de automatización industrial

La conectividad que ofrece tanto EtherNet/IP como PROFINET se traduce en novedosas permutaciones de automatización y control con una agilidad sin precedentes y funcionalidad IIoT. Por su parte, las tecnologías de hardware, software y conectividad, al aprovechar los avances de EtherNet/IP y PROFINET, permitirán a los sistemas cumplir con los cada vez más exigentes requerimientos de la producción industrial.

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