Ethernet-APL: Una sola red hasta nivel de campo en plantas de proceso

Hoy en día, Ethernet Industrial es utilizado principalmente en auto­ma­tización de fábrica y sólo parcialmente en automatización de procesos. Pero lo cierto es que Ethernet en el campo podría aportar una mayor velocidad de transmisión de datos, facilidad de uso e interoperabilidad. Además, los instrumentos inteligentes con Ethernet Industrial son vitales para Industria 4.0 e IIoT, todo lo cual hace crecer su valor en una planta de proceso.

Dentro de este contexto, PI (PROFIBUS & PROFINET Interna­tional), FieldComm Group y ODVA decidieron cooperar con los principales proveedores de dispositivos en la elaboración de Ethernet Advanced Physical Layer (APL). Puesto que Ethernet-APL tiene que ver con la capa física (capa 1), la integración de la especificación es neutra en cuanto a los protocolos de comunicación.

Y así es como nace la visión de una red única basada en Ethernet para toda la planta, lo que significa una sola tecnología de comunicación común para todos los niveles de automatización.

 

Ethernet-APL: Una sola red hasta nivel de campo en plantas de proceso
Ethernet-APL permite el acceso a datos bloqueados hoy en día a nivel de campo.

 

La visión de una sola red

La estandarización del protocolo HART en los años ’80 fue el primer paso de digitalización. Con este protocolo, que puede ser implementado fácilmente en plantas con cableado y tecnología analógica 4-20 mA preexistente, se consigue desbloquear datos de instrumentos inteligentes. Esta tecnología todavía tiene una amplia aceptación en la automatización de procesos.

20 años después aparecen los protocolos de fieldbus, como PROFIBUS PA y fieldbus Foundation, que ofrecen tasas más rápidas de transmisión de datos y funciones más estandarizadas para diagnóstico o intercambio de datos.

Ambos, 4-20 mA incluyendo sistemas HART y sistemas de fieldbus, satisfacen los severos requerimientos de la industria de procesos, tales como alimentación por el cable, lo que reduce el cableado en una planta, o su utilización en áreas peligrosas.

Sin embargo, los sistemas de fieldbus no pudieron reemplazar los sistemas HART por varias razones, entre ellas el hecho de que los sistemas de control de procesos sólo usan valores de proceso y no sus amplias posibilidades de diagnóstico y parametrización.

En las infraestructuras tradicionales, los datos se encuentran bloqueados a nivel de campo y control (OT – tecnología de operaciones), que son la base de las tecnologías tradicionales de comunicación y que están separadas de los niveles superiores de gestión (IT – informática), que normalmente operan con Ethernet.

Utilizando tecnología Ethernet basada en las especificaciones actuales de IEEE Ethernet y protocolos de Ethernet Industrial, tales como EtherNet/IP, se consigue más velocidad de transmisión y ancho de banda. Sin embargo, esta capa física tiene limitaciones, tales como cables Ethernet de 4 hilos, menores longitudes de cable y no se la puede instalar en áreas con peligro de explosión.

Frente a lo que puede llega a ser el sistema del futuro con aplicaciones que se caracterizan por un uso intensivo de datos, tales como IIoT, Industria 4.0 y NAMUR Open Architecture, los requerimientos y las tecnologías de comunicación tendrían que cambiar, ya que se requieren datos de los instrumentos inteligentes sin tener que interpretar y transformar esos datos entre los niveles de automatización.

En automatización de fábrica, la barrera de una comunicación consistente entre IT y OT ya ha sido derribada desde hace algunos años utilizando la tecnología Ethernet existente. Pero, en automatización de procesos, estos son requerimientos no cubiertos todavía por las especificaciones de Ethernet. Estas brechas ya fueron identificadas y serán resueltas por una nueva Capa Física para Ethernet.

 

Ethernet-APL: Una sola red hasta nivel de campo en plantas de proceso
Conceptos de topología.

 

Barreras en automatización de procesos

En las plantas de proceso, aspectos como topología (instalación segmento/spur), tecnología de 2 hilos (comunicación y fuente de alimentación por el mismo cable), grandes distancias y seguridad intrínseca en particular son clave.

‘Largas distancias’ se refiere a longitudes de cable de varios cientos de metros, con alcances de incluso hasta 1.000 metros que todavía hay que superar. Puesto que la alimentación de los dispositivos de campo por el mismo cable de 2 hilos que se utiliza para comunicación de datos ya ha sido probada en instalaciones anteriores de fieldbus, es una característica que no debe ser omitida.

La instalación de dispositivos de campo con capacidad Ethernet en áreas con peligro de explosión es uno de los principales requerimientos de la industria de procesos.

En cuanto a los conceptos de sistema del futuro relacionados con IIoT, fueron surgiendo requerimientos adicionales según lo mencionado en la visión de una red única. Ni la tecnología Ethernet basada en IEEE 100BASE-TX ni los sistemas tradicionales con 4-20 mA incluyendo HART o infraestructura de fieldbus, cumplen con todos estos requerimientos.

La solución a todos estos requerimientos y con la capacidad de soportar la visión de una red única en plantas de proceso pasa por el proyecto Ethernet-APL.

Proyecto

Ethernet-APL

Además de las tres organizaciones ya mencionadas, o sea Fieldcomm Group, ODVA y PI, los otros 12 integrantes del proyecto Ethernet-APL son empresas líderes en automatización de procesos: ABB, Emerson Automation Solutions, Endress+Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, R. Stahl, Rockwell Automation, Samson, Siemens, Vega y Yokogawa.

 

Derribar las barreras

 

IEEE 802.3cg

El componente principal a la hora de responder a los requerimientos de una planta de proceso es una nueva capa física basada en la tecnología Ethernet. Al respecto, IEEE 802.3 elaboró una especificación para Ethernet de 2 hilos con 10 Mbit/s a utilizar en aplicaciones de grandes distancias con alimentación y datos por el mismo cable Ethernet de par trenzado.

En 2016 fue aprobado el proyecto IEEE 8023cg, que luego fue lanzado a comienzos de 2020.

En base a esta nueva especificación, los fabricantes de chips PHY comenzarán a producir el correspondiente PHY para Ethernet.

 

IEC 60079

Para responder a los requerimientos de seguridad intrínseca para dispositivos alimentados por lazo y en forma separada en áreas peligrosas hasta Zona 0/Clase 1 División 1, el proyecto IEC PT 60079-47 dentro de IEC SC 31G  está elaborando una especificación técnica para 2-WISE (2-Wire Intrinsically Safe Ethernet), destinada a protección por ignición.

Mientras tanto, IEC SC 31G acordó que los principios básicos definidos en FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) son también aceptables para la especificación 2-WISE, lo que incluye algunas adaptaciones para la nueva capa física.

 

Otras especificaciones

Por su parte, las definiciones de Ethernet-APL deben estar incorporadas en las correspondientes especificaciones de FieldComm Group, ODVA y PI. En ODVA, las mejoras de la especificación deben ser realizadas vía EtherNet/IP Physical Layer SIG.

 

Modelo ISO OSI

Ethernet-APL (Ethernet Advanced Phy­sical Layer) es una capa física adicional basada en IEEE 802.3cg. En consecuencia, los protocolos de Ethernet Industrial, por ejemplo EtherNet/IP, son independientes de esta mejora, ya que su operación es independiente de la capa física.

 

Topologías

Con Ethernet-APL se pueden implementar topologías ya establecidas, lo que incluye la probada tecnología segmento/spur de las infraestructuras de fieldbus, que puede alimentar hasta 50 dispositivos de campo con hasta 500 mW cada uno.

Queda garantizada la instalación de switches de campo APL y dispositivos de campo APL en áreas peligrosas con seguridad intrínseca.

 

Ethernet-APL: Una sola red hasta nivel de campo en plantas de proceso
El modelo ISO OSI muestra la independencia de Ethernet-APL de las capas de mayor nivel.

 

Tecnología

Ethernet-APL es una capa física Ethernet robustecida, bifilar y alimentada por lazo. Su instalación en las exigentes condiciones de operación y áreas peligrosas de una planta de proceso utiliza 10BASE-T1L más extensiones. Acepta la conexión directa de dispositivos de campo a sistemas basados en Ethernet, de modo que las plantas de proceso podrán beneficiarse de la convergencia de sistemas OT e IT. La utilización de una arquitectura conmutada elimina cualquier interferencia indeseada entre dispositivos conectados a la misma red.

Ethernet-APL incorpora tecnologías y opciones ya establecidas en el campo de la automatización de procesos, lo que incluye la probada topología segmento/spur que puede alimentar hasta 50 dispositivos de campo con hasta 500 mW cada uno. Las ampliamente utilizadas y establecidas infraestructuras de cable están especificadas para soportar la migración de instalaciones de campo ya existentes a una futura conectividad Ethernet.

 

Protección de áreas peligrosas

Los métodos para protección por ignición siguen las reglas básicas comunes en instalaciones eléctricas. A nivel de segmento, se usan métodos mecánicos, tales como de seguridad aumentada, para transferir la máxima potencia especificada al área peligrosa. La seguridad intrínseca es soportada a nivel de spur. La validación de las conexiones de seguridad intrínseca es similar a la de FISCO, lo que se traduce en un procedimiento de validación sencillo para cada conexión sin necesidad de cálculos.

 

Infraestructura

Además de cables y conectores, una infraestructura APL consta de dos componentes básicos. Los switches de alimentación APL brindan conectividad entre todas las redes Ethernet estándar y dispositivos de campo e incluyen fuentes que alimentan switches de campo APL y dispositivos de campo. Por lo general se encuentran ubicados en la sala de control o en una caja de conexiones en un patín. Los switches y también las fuentes de alimentación pueden disponer de redundancia.

Los switches de campo APL están diseñados para instalación y operación en áreas peligrosas, normalmente Zona 1 y 2 o División 2. Normalmente son alimentados por lazo a través del switch de alimentación APL y distribuyen tanto señales de comunicación como de alimentación vía spurs a los dispositivos de campo.

 

Ethernet-APL: Una sola red hasta nivel de campo en plantas de proceso
Arquitectura de un sistema Ethernet-APL.

 

Instrumentación/actuadores/dispositivos

Los dispositivos de campo con interface APL facilitan la integración en sistemas de mayor nivel. Los fabricantes simplemente pueden integrar APL en su cartera existente de productos, tales como medidores de nivel y caudal, transmisores de temperatura y presión, posicionadores o dispositivos para análisis de líquidos y gases. La tecnología APL también ofrece una conexión sencilla en áreas peligrosas para novedosos dispositivos, tales como cámaras IP y puntos de acceso wireless, lo que amplía el monitoreo para mantenimiento y resolución de problemas.

 

Componentes simples y existentes

Muchas veces, contactos simples sin tensión, switches de proximidad, sensores de temperatura o válvulas solenoides, además de la instrumentación existente, requieren conexión a sistemas de control de mayor nivel.

En algunos componentes, la conectividad Ethernet puede no ser necesaria o no se justifica económicamente. En tales aplicaciones, los sistemas de E/Ss remotas aportan una ventana al futuro. Los dispositivos de campo con conectividad Ethernet de par trenzado ya son estándar. La migración de los dispositivos existentes a la nueva tecnología será fácil cuando ya está instalada la infraestructura básica de Ethernet. Todas las soluciones certificadas para instalación y operación en áreas peligrosas también pueden operar con la futura Ethernet-APL.

 

Conclusión

Con su capacidad de combinar comunicación Ethernet con alimentación a través de un mismo cableado de par trenzado, la nueva capa física fácil de manejar promoverá una generación completamente nueva de dispositivos y componentes de infraestructura que simplificarán la tecnología de procesos y permitirán la implementación de aplicaciones completamente nuevas en automatización de procesos, virtualmente sin límites.

 

Preparado en base a una presentación de Benedikt Spielmann, gerente de Endress+Hauser Digital Solutions, durante ODVA 2020 Industry Conference & 20th Annual Meeting.

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