No todos los datos son iguales

 

Hoy en día, cuando cada vez más empresas industriales buscan convertirse en verdaderas empresas digitales abarcando producción, oficina y trabajo remoto, hay un tema clave que siempre es necesario tener en cuenta: las redes. Los datos que corren en las redes actúan como hilos digitales que unen las operaciones en todas estas actividades. En estos hilos, sin embargo, no todos los datos son iguales.

Aún más, cuando se consideran las operaciones de infraestructura, tales como puentes y túneles o nuestra red de energía, las repercusiones de una parada se extienden más allá de una instalación y pueden afectar a todo el conjunto con potenciales problemas serios, tales como mensajería y señalizaciones inexactas o cortes de energía generalizados.

Es por eso que los equipos de informática (IT) y de tecnología de operaciones (OT) deben colaborar más que nunca para garantizar que sus redes están diseñadas para priorizar ciertos datos sobre otros y para brindar resiliencia y disponibilidad a la hora de transmitir datos allí donde se los necesita.

Algunos datos, especialmente en operaciones industriales, deben tener prioridad respecto a los demás. De lo contrario, pueden quedar comprometidos el desempeño de las operaciones y la disponibilidad de los activos. Y para peor, podrían ocurrir interrupciones en la producción de elevado costo y potencialmente dañinas. Todo esto puede llevar a lesiones graves, litigios, multas, incumplimiento de compromisos e incluso quedar afectada una marca.

Mientras algunos identifican los datos en función de si contienen texto, números o alguna clase de multimedia, Siemens ofrece al respecto una visión práctica, con tres tipos de datos según su contexto y criticidad y donde cada uno requiere una priorización de red específica:

 

1| Datos basados en información

¿Los datos entregan información dentro de latencias aceptables por el usuario de 100 milisegundos (ms) o más? ¿El hilo de datos, desde fuente hasta receptor, está disponible el 99,9% del tiempo o mejor, sin más de 8 horas de parada durante un año?

Este tipo de datos generalmente circulan a través de redes informáticas de empresa y se refiere a emails, recuperación y uso compartido de archivos, pedidos de base de datos, respuestas de aplicaciones, etc. En la mayoría de las empresas, la tecnología VoIP (Voice-over-IP) también utiliza datos basados en información para brindar comunicaciones de persona a persona y conferencias de grupos.

En todos estos casos, el enrutamiento de paquetes de datos puede ser el ‘mejor posible’ con paquetes reenviados según necesidad para cumplir con las especificaciones de QoS (Quality of Service). QoS, que está definida por latencia, jitter y pérdida, es gestionada por como está diseñada la red utilizando configuraciones y topologías que han sido probadas durante años.

Normalmente, si se producen problemas en la red, los usuarios no perciben demoras en la entrega de paquetes. Por ejemplo, si se envía un archivo a la impresora de una oficina y se demora incluso por algunos segundos, la mayoría de los usuarios no se darán cuenta. Sin embargo, los usuarios de aplicaciones de voz y conferencias sin duda sabrán que no se cumplen las especificaciones VoIP QoS, por lo que sus datos deben tener prioridad en relación a otros datos basados en información.

Las redes informáticas de empresa se encuentran no sólo en entornos de oficina, sino que también cubren pisos de plantas y depósitos. De esta manera, el personal de planta podrá comunicarse de forma segura y acceder a información igual que sus colegas en oficinas o que realizan un trabajo remoto.

En algunos casos, los datos basados en información pueden ser transmitidos a través de redes industriales externas configuradas para aplicaciones específicas y operando en tiempo no real a través de redes WAN con celulares e incluso redes satelitales.

Un ejemplo es una estación elevadora remota que bombea aguas residuales a una planta de tratamiento municipal. Puesto que sus datos no son de tiempo crítico para las operaciones, se podrán enviar datos a un servidor de control centralizado en tandas periódicas con bajas velocidades de transmisión que consumen poco ancho de banda.

 

2| Datos en tiempo real

¿Los datos entregan información de operaciones, tales como conteo, parámetros de condiciones y comandos de control, con un mínimo de latencia, generalmente menos de 20 ms, de una manera consistente sin poner en peligro las operaciones? ¿El hilo de datos está disponible el 99,99% del tiempo, con no más de 48 minutos de interrupción durante un año?

La definición de datos en tiempo real se refiere a que soporta operaciones de producción sensibles al tiempo. Por ejemplo, los programas de proceso que se ejecutan cíclicamente necesitan el ingreso de datos constantemente actualizados en tiempo real para enviar comandos de control a los componentes.

Los robots, por su parte, también deben disponer de datos en tiempo real para realizar sus tareas de manera eficaz y segura, como lo hacen todos los sistemas de seguridad de planta conectados en red.

Los datos en tiempo real requieren una red consistente y predecible, o sea determinística, para lograr una producción continua sin interrupciones. Además, para soportar las necesidades de latencia de los datos en tiempo real, algunas veces en milisegundos o incluso microsegundos, estos datos deben ser priorizados por sobre los datos basados en información.

Las redes OT sirven como columna vertebral de una estructura compleja con mezcla de tecnologías a nivel de campo, lo que incluye sensores, PLCs, relés, actuadores, válvulas, instrumentación y otros dispositivos. Estos componentes deben funcionar con ajustes precisos y determinísticos, muchas veces en condiciones de operación severas. Además, estos elementos alimentan y extraen datos de operaciones dentro, hacia y desde una infraestructura vertical dinámica que consiste de una amplia gama de concentradores de datos, controladores de señal, computadoras de borde y sistemas de control.

Los retardos de los paquetes pueden disparar fallas en los equipos, lo que quizás lleve a una parada de producción no programada, a veces de una sorprendente duración y costo.

Las plantas involucradas en el procesamiento continuo, por ejemplo, pueden tardar horas para volver a la velocidad y temperaturas requeridas. Además, una pérdida de funcionamiento del sistema de comunicación puede implicar que se tenga que descartar materia prima y trabajo en elaboración. Y que también sea necesaria la limpieza de equipos y cañerías. Asimismo, las paradas no programadas también pueden dañar equipos sensibles que requieren servicio, reparaciones o reemplazos, todo lo cual suma tiempo a la hora de retornar la producción online.

 

3| Misión crítica

¿Los datos entregan la información requerida en tiempo real para operar equipos y sistemas sin los cuales podrían ocurrir potenciales catástrofes? Además, ¿la redundancia que soporta estos hilos digitales es suficiente para tener una disponibilidad 24/7/365 sin virtualmente ningún tipo de parada?

Los datos de misión crítica soportan una infraestructura clave, por ejemplo redes públicas de comunicación, instalaciones de servicios públicos, plantas nucleares, operaciones de petróleo y gas, sistemas de transporte y aplicaciones militares. Estos deben operar las 24 horas, en tiempo real o casi real y con el 99,999% del tiempo en operación o mejor.

Aspectos como confiabilidad, durabilidad y disponibilidad de este tipo de datos son de suma importancia, razón por la cual los correspondientes paquetes deben tener la máxima prioridad entre todos los datos que viajan a través de una red compartida. Además, estas redes deben estar diseñadas con una resiliencia de failover inmediata junto con una suficiente redundancia para garantizar esa resiliencia. De esta manera se pueden minimizar las posibilidades de falla de los equipos e incluso eliminarlas.

Por ejemplo, los relés de protección en las subestaciones de energía eléctrica de alta tensión son uno de los dispositivos muy críticos en el entorno de subestaciones. No sólo es necesario que un relé sea resiliente al entorno que lo rodea, sino que múltiples relés puedan comunicarse entre sí, procesar datos y operar en tiempo real. Estos esquemas de protección en tiempo real son misión crítica por la necesidad de protección de activos de gran valor, detección de fallas y recuperación de la red eléctrica y otras operaciones críticas.

 

Conclusión

Si las empresas con la visión de convertirse en empresas digitales necesitan la colaboración entre OT e IT, es imprescindible tener una priorización adecuada en sus redes, sean datos basados en información, de tiempo real o de misión crítica. De esta manera podrán lograr grandes avances hacia salvaguardar la disponibilidad de los activos de producción mientras maximizan su desempeño.

 

Preparado en base a una minuta técnica de Siemens con el asesoramiento del Ing. Andrés G. Gorenberg.

Acceso remoto, simulación y realidad virtual son factores clave para el futuro de una empresa.

Remotización más allá del coronavirus

 

Si bien quedan muchas cuestiones sin responder acerca de cómo el parate de un negocio causado por COVID-19 podrá afectar la industria de manufactura, hay un tema que no admite dudas: la manera en que trabajamos ha cambiado para siempre.

Las empresas han demostrado que pueden operar una planta de manera eficiente con menos personal al incorporar tecnologías ya existentes, tales como acceso remoto, gemelos digitales y realidad virtual y aumentada. Sin embargo, estas tecnologías eran consideradas como una opción ‘agradable de tener’ en muchas aplicaciones de manufactura, pero no necesariamente como una necesidad, al menos hasta ahora. Pero el acceso remoto, en especial, se ha convertido en algo imprescindible en los últimos tiempos.

Dentro de este contexto, Honeywell Process Solutions ofrece capacidades avanzadas de automatización y operación remota destinadas específicamente a la industria de petróleo y gas, minería y petroquímica. Ahora bien, en el momento de tener que definir cómo mantener la continuidad de negocio en su propia instalación de manufactura de plásticos en Texas y cumplir al mismo tiempo con las políticas de distanciamiento social, Honeywell decidió reasignar su tecnología remota para un uso generalizado. Al respecto, para lograrlo, las herramientas tendrían que implementarse de manera rápida y segura.

La implementación de la tecnología de operaciones remotas en la planta de Honeywell consistió en una descarga de software, cierta configuración y colaboración IT/OT en cuanto a ciberseguridad. "Descubrimos que era posible ensamblar capacidades de operaciones remotas en una instalación en unas pocas horas", señaló Jason Urso, CTO de Honeywell Process Solutions (HPS).

El test de funcionamiento en la planta tuvo éxito, con menos personal en la sala de control y el resto trabajando en otro lugar. Teniendo en cuenta que muchos, en todos los segmentos de la industria, estaban lidiando con los mismos problemas de continuidad de negocio, HPS decidió poner esta tecnología a disposición de todos sus usuarios bajo el nombre de Experion Augmented Remote Operations (ARO).

 

Remotización más allá del coronavirus

 

Presentada durante la reciente VTech (Virtual Technology) organizada por Honeywell Users Group (HUG) Americas, esta solución Experion Augmented Remote Operations es una versión preempaquetada de las capacidades de operaciones remotas de Honeywell que simplifica considerablemente la implementación, el testeo y la certificación de puntos de acceso remoto para control o monitoreo.

Según Jason Urso, Experion ARO ha probado ser muy importante a la hora de reducir la cantidad de personas en un centro de control y distribuir gente fuera en instalaciones remotas o trabajando en casa. Algunas industrias, tales como petróleo y gas y minería, hace mucho que han incorporado acceso remoto y están familiarizadas con sus ventajas. "Ahora, la gente en muchas otras industrias descubren su aplicabilidad post-crisis y su tremenda flexibilidad. Experion ARO permite convertir el factor distancia en algo irrelevante", comentó Urso.

El software es una extensión del sistema de control HPS Experion, que, según Urso, se basa en sistemas abiertos que le han permitido operar eficazmente en industrias con activos geográficamente distribuidos, por ejemplo una plataforma petrolera offshore. "Al incorporar estándares de sistemas abiertos, se lo puede implementar de manera simple y fácil en todas las industrias", aclaró Urso. Por supuesto, requiere tener en cuenta la conectividad de la red, mientras la ciberseguridad juega un rol importante. "Es allí hacia donde apunta nuestro concepto: lograr una implementación sencilla capaz de ser gestionada por el personal existente de IT y OT y, al mismo tiempo, extremadamente segura".

Una vez instalado, lo que insume sólo unas pocas horas, los ingenieros de control que trabajan de forma remota podrán visualizar el proceso mirando los mismos gráficos y alarmas que normalmente ven en el centro de control. El sistema puede ser configurado de modo de exigir credenciales para visualizar ciertos procesos o permitir el mismo control del proceso que el operador en la planta. "Hay que olvidarse del límite físico que rodea la planta, ya que ahora la sala de control de la planta puede estar en cualquier lugar con las correspondientes precauciones de ciberseguridad", explicó Urso.

Si bien la gestión remota de control de máquinas y procesos muchas veces ha sido prohibida por IT por miedo a una violación de seguridad, en este momento, los requerimientos de reducir el personal en el sitio para limitar la propagación del coronavirus han llevado a muchos a invertir en esta tecnología. Y el éxito de tales implementaciones sin dudas que afectará la fuerza laboral a largo plazo.

"Estas tecnologías no sólo resuelven un problema inmediato en una crisis pandémica, sino que también se podrán aplicar cuando se vuelva a la normalidad de una manera que permita ser más eficientes con una fuerza laboral distribuida," comentó Urso, señalando que estas tecnologías facilitan el acceso al conocimiento desde cualquier lugar.

Las aplicaciones en operaciones remotas se extienden más allá del monitoreo de sistemas de control. También se pueden usar para conseguir video soporte virtual de un experto externo o utilizar realidad virtual o aumentada. Asimismo, obtener información digital para mejorar un proceso.

Los constructores de máquinas, por ejemplo, podrán realizar ahora tests de aceptación de fábrica (FATs) de equipos vía gemelos digitales y herramientas de comisionamiento virtual. Los gemelos digitales también se podrán usar para replicar todos los activos físicos de modo que los ingenieros puedan trabajar de manera remota en proyectos de planta ubicados en un centro de datos en la nube utilizando una representación de software de los equipos físicos.

"La posibilidad de ensamblar una versión digital de la planta en la base de datos de ingeniería de proyectos permite a los ingenieros trabajar desde casa y aún así avanzar con proyectos de capital", resaltó Urso. "Es la misma experiencia que si se conectaran a los equipos físicos, salvo que se trata de una simulación de los equipos físicos. No hay necesidad de personas que viajen por el mundo y gasten seis meses en un proyecto cuando podrían hacerlo desde el lugar en que se encuentran.”

En consecuencia, si bien el coronavirus ha cambiado radicalmente la manera de llevar a cabo los negocios hoy en día, quizás arroje algo de luz sobre nuevas formas de trabajo. "Nos ha abierto los ojos a las posibilidades que ya teníamos disponibles," concluyó Urso.

 

Recomendaciones para operar instalaciones a distancia

Ante una pandemia que se extiende por todo el mundo, las empresas tratan de cambiar su manera de trabajar, lo que incluye refinerías, plantas químicas e instalaciones de manufactura. Y el cambio debe concretarse lo más rápidamente posible.

Las empresas y los operadores se ven obligados a encontrar una nueva forma de vida y de trabajo, incluso en las industrias intensivas en cuanto a mano de obra. Afortunadamente, se dispone de herramientas digitales probadas y seguras que pueden facilitar esa transición. A continuación van algunas recomendaciones para operar instalaciones en forma remota.

 

Soportar operadores críticos que están in situ

Para mantener la seguridad de los operadores y cumplir con las pautas de distanciamiento social que instan a la gente estar al menos a 1,80 metros de distancia entre sí, es necesario reducir la cantidad de empleados in situ. Sólo deberán estar allí los operadores que han de realizar en persona sus tareas.

Es crítico soportarlos con equipos de seguridad y usar herramientas digitales y de video para la seguridad del sitio, chequeando credenciales de acceso para saber claramente quiénes están en el sitio en todo momento.

 

Tecnología probada y segura

Es aquí donde el software hace toda la diferencia. Los equipos y dispositivos físicos pueden ser monitoreados en forma remota con una app segura.

El software potencia esas herramientas y aporta información en tiempo real acerca de la salud y la eficiencia de los activos.

Las operaciones remotas son una forma de visualizar toda la empresa online y ver todo lo que ocurre in situ con datos que vuelven a un centro de operaciones remotas. Por ejemplo, Honeywell Forge for Industrial permite visualizar a nivel de planta y de activos y ver dónde hay riesgos u oportunidades de aumentar la producción para mejorar la rentabilidad y las operaciones.

 

Soporte virtual

El servicio técnico y el soporte también se pueden hacer de manera remota, lo que incluye asesoramiento y mantenimiento a distancia, colaboración y resolución de problemas por video y entrenamiento virtual.

Esto puede ser realizado por un operador ‘de turno’. Con un dispositivo wearable, los operadores le pueden mostrar en forma remota cuál es exactamente el problema, lo que facilita la resolución de problemas en tiempo real.

Si hay un problema de producción, se puede acceder a los sistemas y trabajar todos en conjunto para resolver el problema en forma remota. Esto le aporta al operador que realiza el trabajo crítico y esencial el mejor conocimiento que necesita para concretar la tarea.

Por su parte, la modernización también se puede implementar mediante la automatización de la planta y actualizaciones del software de ciberseguridad.

Por último, el hecho de aprender estas nuevas maneras de trabajar, incorporar entrenamiento virtual y utilizar tecnología de realidad aumentada, permitirá mejorar los talentos y servirá para que todos se puedan actualizar lo antes posible.

 

Preparado en base a conversaciones con Jason Urso, CIO de Honeywell Process Solutions.

La analítica de Big Data se acerca al borde

 

Para los operadores de fábrica, la reciente ratificación del estándar IEEE 802.3cg señala la aparición de una nueva manera radicalmente diferente para conectar dispositivos en el borde de la red, liberándolos de las restricciones de una infraestructura basada en las interfaces de comunicación 4-20 mA y HART existentes.

El estándar 802.3cg, también conocido como 10BASE-T1L, es un tipo de protocolo Ethernet industrial para conexión en red. Permite derribar las barreras entre los dispositivos operativos básicos que prestan servicio en una fábrica o en una planta de proceso, o sea sensores y válvulas, actuadores y switches de control, y los datos de empresa, allí donde reside la inteligencia de la nueva ‘fábrica inteligente’.

Las redes 10BASE-T1L parecen encaminarse a ser consideradas un habilitador importante de la transformación hacia la implementación de operaciones de fábrica basadas en datos y en analítica.

En el corazón de las implementaciones de Industria 4.0 está el deseo de aprovechar lo que ofrece Big Data. Un nuevo software de analítica puede transformar ahora la manera en que la industria opera y mantiene los equipos e instalaciones de fábrica. Los conocimientos que aporta la analítica son más profundos cuando pueden descubrir patrones en un conjunto de datos aparentemente dispares.

Cuanto más datos y más tipos de datos se puedan capturar confiablemente de los dispositivos de una fábrica, más oportunidades se tendrán para que el software pueda soportar funciones avanzadas, tales como monitoreo de condiciones y mantenimiento predictivo.

El bajo ancho de banda de los datos de las interfaces 4-20 mA y HART y el limitado alcance para integrarlos en las infraestructuras computacionales de una empresa han obstaculizado tradicionalmente la aplicación de analítica a estos puntos finales ya existentes. También han restringido la posibilidad de gestionar la operación del dispositivo en forma remota.

La conectividad de 10BASE-T1L promete extender las ventajas de productividad y eficiencia que pueden derivarse de esos datos a los rincones más remotos en fábricas y plantas de proceso, donde sensores y otros puntos finales operan actualmente fuera del alcance de la red de empresa.

Hoy en día, la instalación de equipos 10BASE-T1L se basa en lo que define el estándar 802.3cg:

  • Una tasa máxima de transmisión de datos de 10 Mbits/s a través de una longitud de cable de hasta 1 km.
  • Hasta 500 mW de alimentación a puntos finales en aplicaciones de seguridad intrínseca Zona 0, lo que permite la operación de una gama mucho más amplia de puntos finales más sofisticados que lo que puede soportar un sistema 4-20 mA o HART. También puede suministrar hasta 60 W de alimentación en aplicaciones no de seguridad intrínseca, que depende del cableado.
  • Posibilidad de reutilizar cableado de par retorcido existente ya instalado.
  • Numerosas opciones de gestión de dispositivos, que incluye el envío de datos de diagnóstico desde el dispositivo conectado y la provisión de actualizaciones de software al mismo.
  • Una dirección IP (Internet Protocol) para cada nodo, extendiendo así la capacidad de IoT al borde de la red de fábrica. La dirección IP permite no sólo monitorear un nodo sino también gestionarlo en forma remota.
  • Integración con la infraestructura de red de la empresa.

Desde el punto de vista del hardware, la implementación de equipos 10BASE-T1L normalmente es fácil, ya que el medio físico para sus comunicaciones es un cable de par retorcido. Podría ser incluso el mismo cableado que ya transporta comunicaciones 4-20 mA o HART. El estándar 802.3cg también acepta instalación en entornos peligrosos (a prueba de explosión).

Es probable que las primeras implementaciones de 10BASE-T1L sean de equipos híbridos que soportan tanto la interface ya existente, por ejemplo 4-20 mA, como el nuevo protocolo Ethernet industrial.

 

Factores críticos

Hay dos factores críticos a la hora de implementar un proyecto con 10BASE-T1L. Una vez conocidos los detalles operativos de una implementación de 10BASE-T1L, es fácil perder de vista la razón por hacerla: levantar el velo sobre la operación de los puntos finales, por ejemplo sensores, y enviar abundantes cantidades de datos desde allí a motores de analítica de datos a nivel de empresa.

En consecuencia, el mayor riesgo para el éxito de un proyecto basado en 10BASE-T1L no está en los puntos finales en sí mismos o en la infraestructura física: el problema suele estar cuando no hay una provisión adecuada de datos a la hora de manejar y usar los datos provenientes de puntos finales recién conectados. 

Por lo tanto, al comenzar una instalación 10BASE-T1L, hay que plantearse algunas preguntas:

  • ¿Qué tipos de conocimientos piensa derivar de los datos que se podrán adquirir de los sensores y otros puntos finales?
  • ¿Cómo se integrarán los datos en los sistemas de control a nivel de empresa? ¿El formato de los datos provenientes de los puntos finales es compatible o necesita traducción?
  • ¿Cómo se utilizarán los conocimientos obtenidos a partir de la analítica de datos para lograr mejoras en el proceso o en el sistema?

El segundo factor crítico tiene que ver con la seguridad. La naturaleza de la amenaza a los puntos finales cambia drásticamente tan pronto se conectan a través de una red 10BASE-T1L. Antes, cuando la conexión era vía 4-20 mA, la única manera que el punto final fuera ‘hackeado’ era a través de una interferencia física con el propio dispositivo o con los cables conectados al dispositivo. Una conexión 4-20 mA es inmune a las amenazas que van por la red.

La superior conectividad aportada por el estándar 802.3cg, que incluye una dirección IP para cada nodo, hace que todos los puntos finales sean vulnerables a un ataque remoto a través de la red de empresa. El firewall físico inherente que aísla los puntos finales 4-20 mA o HART de la red desaparece tan pronto se instala 10BASE-T1L.

Esto significa que los nodos individuales y la propia infraestructura de red tendrán que estar protegidos mediante la implementación de distintas tecnologías de software:

  • Autenticación segura de dispositivos vía las IDs encriptadas de cada dispositivo;
  • Encriptación de las transmisiones de datos;
  • Firewalls para evitar que entidades externas consigan acceso para proteger los dispositivos.

     

 

El estándar IEEE 802.3cg

 

El estándar IEEE 802.3cg para 10BASE-T1L permite la comunicación de 10 Mbps y alimenta hasta 1 km sobre un solo cable de par retorcido. Se espera que esta tecnología reemplace las tradicionales comunicaciones 4-20 mA o tensión analógica bipolar que proliferan en los dispositivos de campo de hoy en día.

10BASE-T1L provee hasta 500 mW de alimentación en aplicaciones de seguridad intrínseca y hasta 60 mW (en función del cable) en aplicaciones de seguridad no intrínseca.

Los estándares definen protocolos unificados de comunicación y alimentación, con una infraestructura de red común para los nodos de borde.

Los dispositivos de campo HART nos brindan toneladas de datos de alto nivel, pero todavía hay empresas que dejan información en el campo. ¿Cómo resolver el tema?

Todo lo que hay que saber acerca del protocolo HART e IIoT

Hay una tendencia a pensar que nuestras empresas están muy lejos de la innovación que va surgiendo todo el tiempo. Por supuesto que son muchas las preocupaciones a la hora de adoptar una nueva tecnología. A lo que se suma el costo de reconvertir la planta para la incorporación de lo nuevo. Además, muchas personas ni siquiera piensan en iniciar una conversación acerca de las posibilidades de aplicar una nueva solución.

Para salir de este estado de cosas, un primer paso es saber más acerca del protocolo de comunicación HART. Ver que puede aportar información importante y analizar las posibilidades de lograr una integración de bajo costo en la computación de nube de IIoT a partir de los dispositivos HART en el campo.

 

¿Qué es el protocolo de comunicación HART?

En el campo, muchos problemas se pueden resolver rápidamente recolectando datos de los dispositivos que se encuentran en el campo. Incluso cuando los dispositivos de campo sólo usaban señales analógicas 4-20 mA, todos tenían a su disposición el protocolo HART. ¡Pero sin usarlo!

El protocolo HART no es nuevo, pero aún teniendo un gran número de estos dispositivos instalados en distintos lugares del mundo, sus conceptos básicos no están claros para todos.

HART significa Highway Addre­ssable Remote Transducer  y el protocolo fue desarrollado a mediados de los años ’80. Recien en 1986, el protocolo de comunicación HART pasó a ser abierto, habiendo sido anteriormente un protocolo propietario.

HART es un protocolo híbrido donde la señal digital se superpone a la señal analógica 4-20 mA. Es el 4-20mA tradicional que todavía se usa en muchas plantas.

El protocolo HART, desarrollado en base al estándar Bell-202, modula/desmodula usando FSK (Frequency Shift Keying) y trabaja a 1.200 bps. La señal tiene dos frecuencias: 1.200 Hz representa ‘1’ y 2.200 Hz representa ‘0’. La técnica permite que el maestro se comunique con el esclavo sin ninguna interrupción en la señal 4-20 mA.

Todo esto es tan sólo una breve explicación del protocolo HART. Pero hay muchas otras cosas más, por ejemplo comandos HART, multi-drop HART, etc.

 

Diferencias entre HART y otros protocolos de fieldbus

Los dispositivos de campo HART ofrecen un nivel de datos similar al de sus contrapartes digitales; sin embargo, mientras un dispositivo digital siempre comunica los datos tanto si se los utiliza como si no, la mayoría de los dispositivos HART yacen en el campo con los datos bloqueados dentro de ellos.

Todos los dispositivos con el protocolo de comunicación HART facilitan una gestión inteligente de dispositivos (IDM según sus siglas en inglés), lo que también se puede encontrar en PROFIBUS, fieldbus Foundation y otros dispositivos digitales.

Multidrop, que es la manera digital de leer toda la información de los dispositivos HART, es muy lenta y no tan popular. Pero hay otras alternativas para rescatar toda esta información valiosa del campo sin tener que recurrir a multidrop.

Entonces, ¿cuál es la diferencia entre los dispositivos HART y los dispositivos digitales? Ninguna en cuanto al nivel de información que puede obtenerse de un dispositivo de campo. Todos ofrecen los mismos datos preciosos acerca del estado del dispositivo.

Del lado negativo, la forma estándar de instalar dispositivos HART significa que el sistema de control sólo lee la señal 4-20 mA, completamente diferente a como lo hace una red con dispositivos de campo digitales.

Del lado positivo, hoy se dispone de métodos cableados y wireless para obtener los datos desde el campo y convertir la información resultante en conocimiento aplicable, tal como ocurre, por ejemplo, en Netilion Health de Endress+Hauser.

 

Interfaces HART en una solución de nube IIoT

Hay dos alternativas para rescatar datos de IDM a partir de los dispositivos de campo HART sin un gasto excesivo de inversión y modificación en la planta.

En primer lugar, es importante señalar que la tecnología wireless es la manera más fácil de recolectar esta información. Con un adaptador Wire­less­­HART en los dispositivos de campo, es posible transferir todos los datos a un gateway WirelessHART.

Este gateway WirelessHART, por ejemplo Fieldgate SWG70 de Endress+Hauser, puede estar integrado en el dispositivo de borde y proveer todos los datos a la computación de nube IIoT.

La tecnología wireless es una solución ya establecida en numerosas industrias, por lo que muchos usuarios finales ya la están utilizando para resolver distintas aplicaciones.

En segundo lugar, si todavía uno no está familiarizado con el tema wireless, hay otra manera excelente de conectar los dispositivos de campo a la nube IIoT: los gateways HART, que usan la comunicación HART desde el lazo 4-20 mA y la integran en una plataforma IIoT, por ejemplo Netilion.

Por supuesto que, según la cantidad y la complejidad, un gateway HART puede significar un poco más de inversión que una solución wireless. Sin embargo, hay que tener en cuenta que sólo toma un par de meses conseguir el retorno de la inversión a la hora de implementar este tipo de solución en una planta.

Fieldgate SFG250, un gateway Ethernet HART, es otro buen ejemplo de implementación de IIoT en una planta. ¡HART sobre Ethernet es una de las maneras más sencillas de leer todos los datos que se necesitan sin tener dolor de cabeza al final del día!

 

¿Conviene instalar una solución IIoT en la planta?

¿Por qué no? IIoT no está tan lejos de la mayoría de los posibles usuarios. Los beneficios de los servicios de IIoT son claros y ofrecen muchas ventajas en una planta.

Por ejemplo, IIoT puede brindar un panorama claro de la planta para enterarse de que alrededor del 30% de los activos ya están obsoletos…

Utilizando uno de los servicios de IIoT, es posible registrar fácilmente los dispositivos a mano y crear un mellizo digital en la nube. Como alternativa, se lo podrá hacer automáticamente usando un dispositivo de borde.

Luego tendrá acceso a la analítica donde toda la información relacionada con la base instalada es presentada de manera transparente con una clara comprensión y poderosos gráficos. La analítica brinda toneladas de información, por ejemplo un panorama de todos los dispositivos y qué dispositivos ya no están disponibles. Todo esto permite reducir la complejidad y el trabajo de mantenimiento, entre otras cosas más.

 

Monitoreo de la salud de activos con el protocolo HART e IIoT

Netilion Health ofrece información acerca de dispositivos tanto de Endress +Hauser como de terceros. Se trate de cable o wireless, el gateway HART/WirelessHART se puede conectar a un dispositivo de borde, que se comunica de manera segura con la solución de nube y brinda toda la información de salud sin importar dónde se encuentre.

Es posible ver el estado de todos los dispositivos según lo define NAMUR NE 107. Cuando un dispositivo indica un diagnóstico o falla, se puede profundizar en la información aportada por el dispositivo y comprender cuál es el problema y cómo puede ser remediado.

También se puede obtener un historial del estado del dispositivo y ver cuándo y con qué frecuencia ocurrieron los eventos, para lograr así una imagen clara de la situación. Esto permite ahorrar mucho tiempo a la hora de resolver el problema y también dinero al evitar una parada no programada.

HART a la hora de cosechar los beneficios de la digitalización

Hay muchas plantas hoy en día que ya tienen instaladas enormes bases de datos de dispositivos HART que ofrecen el mismo nivel de información que la mayoría de las nuevas redes modernas.

Todos los dispositivos de campo HART ofrecen gestión inteligente de dispositivos (IDM), tal como ocurre con otros dispositivos digitales.

Además, sistemas digitales como Netilion pueden acceder a datos de dispositivos HART, abriendo la puerta a todos los beneficios de los servicios digitales. Gateways HART, tales como Fieldgate SFG250, aportan una solución que permite llevar toda la información HART a un servicio en la nube de IIoT. También, instalando un adaptador WirelessHART en paralelo al sistema analógico, es posible recolectar los datos digitales de manera wireless mediante el gateway sin afectar la señal analógica enviada al sistema de control.

Ambas soluciones ofrecen acceso a IDM y se conectan al gateway para saltar del campo a la nube, brindando una conectividad segura. Con los dispositivos conectados, el siguiente paso es acudir a los Servicios Netilion para aprovechar la digitalización del sistema.

Los nuevos dispositivos de campo suelen venir con dos protocolos digitales: la comunicación estándar, por ejemplo HART, y Bluetooth, que permite chequear todos los datos usando una app o conectándose a un gateway Bluetooth. FieldEdge SGC200 tiene una conexión directa a la nube, de modo que se puede aplicar el servicio Netilion Health a los dispositivos de campo conectados, facilitando el acceso a la información en cualquier lugar.

La reconversión de la planta es sencilla, ya que el protocolo HART ofrece toda la información necesaria para la comunicación digital.

 

Preparado en base a varias presentaciones de Fabricio de Andrade, gerente de Endress+Hauser Digital Solutions.

Protocolos HART e IO-Link para lograr aplicaciones más eficientes en Industria 4.0.

Señales de campo con funcionalidad extendida HART e IO-Link

En la industria hay un obstáculo importante que se interpone en el camino de las operaciones a la hora de aprovechar todos los beneficios que ofrece Industria 4.0. Ese obstáculo se refiere a los miles de millones de sensores, actuadores y otros instrumentos que están más allá del alcance de IP (Internet Protocol). Sin embargo, hoy en día, dos tecnologías pueden soportar esa conexión vital para extender el creciente número de datos operativos, mejorar la productividad y aumentar la confiabilidad en lo que hace a Industria 4.0.

Esta funcionalidad extendida se logra con IO-Link en aplicaciones discretas y HART, junto con Wireless­HART, en aplicaciones de proceso. Ambos protocolos de comunicación operan con redes EtherNet/IP para conectar sensores a sistemas de control y a sistemas de empresa a nivel de negocio.

Con los datos de los instrumentos disponibles en EtherNet/IP, las operaciones podrán capturar la información procesable en tiempo real que necesitan para mejorar las eficiencias operativas, aumentar la productividad y obtener todos los beneficios de Indus­tria 4.0.

 

HART cableado y wireless para aplicaciones de proceso

La promesa de datos de instrumentos en toda la empresa ha existido desde hace muchos años en las aplicaciones de proceso con HART. Sin embargo, en numerosas instalaciones, cablear los dispositivos puede ser un proceso trabajoso. Hay aplicaciones, tales como parques de tanques u operaciones de minería, que cubren muchos kilómetros y donde cablear dispositivos por medio de conexiones punto a punto es difícil, insume tiempo y es costoso, incluso más en sistemas que necesitan confiabilidad de redundancia adicional.

Esas complicaciones geográficas y ambientales han llevado a la necesidad de una tecnología con un mayor alcance. WirelessHART responde a estos desafíos, ofreciendo conexiones wireless a sensores que miden presión, temperatura y volumen en aplicaciones de proceso.

Hoy en día se dispone de gateways Wireless­HART habilitados para IP en múltiples versiones, incluyendo Ether­Net/IP. Al igual que otras redes wireless, los dispositivos existentes pueden ser convertidos a WirelessHART para conseguir una infraestructura robusta que ofrece una mayor conectividad y genera una enorme cantidad de nuevos datos.

WirelessHART ofrece una mayor flexibilidad en una gran variedad de aplicaciones, ofreciendo monitoreo y diagnósticos en:

  • Nivel – Estado del sensor y setpoints;
  • Temperatura – Valores de temperatura ambiente, temperatura de junta fría, temperatura de celda y rotura de sensor;
  • Presión – Presión estática, presión absoluta y estado del sensor;
  • Caudal – Densidad media del proceso y totalizados;
  • Posicionador de válvula – Posición real de la válvula, ajuste por desgaste mecánico y estado del sensor;
  • Mantenimiento de válvulas – Posición real de la válvula, presión de alimentación, presión de actuador y fricción del vástago.

Por ejemplo, si una cañería está vacía cuando tendría que transportar un producto, el sensor alerta al operador acerca de la situación en lugar de simplemente mostrar una medición de caudal errónea. Esto le sirve al operador para definir la desviación de la planta como un problema de operaciones y no como un problema de mantenimiento.

Los diagnósticos no son mediciones directas. Los sensores habilitados en los dispositivos HART ofrecen una visión interna del equipo con información que se puede utilizar para mantenimiento predictivo. Esto, además de mejorar la confiabilidad del proceso, la seguridad de la planta y la seguridad de los datos, también reduce el costo de mantenimiento y las paradas no planificadas.

Los dispositivos HART operan sin inconvenientes con EtherNet/IP en redes IP estándar, ofreciendo una conectividad completa. Antes, los datos de los dispositivos estaban limitados al sistema de control, pero ahora los datos del piso de proceso pueden recorrer toda la planta, aportando a los operadores acceso a datos valiosos adicionales.

La disponibilidad de estos datos granulares optimiza cada aspecto de la operación, desde resolución de problemas en el piso de planta hasta decisiones de inventario o capacidad de producción del lado de negocio. La mayor cantidad de conocimiento de activos facilita las tareas de auditoría y verificación, lo que conduce a una mayor seguridad de proceso y de los datos.

La conectividad IP desde el sistema de control a través del gateway, ya sea HART o IO-Link, completa la funcionalidad extendida para conseguir conectividad a todos los dispositivos que se encuentran en el campo. Estas dos redes permiten que las operaciones industriales puedan conectarse a una red IP de la mejor manera posible, con lo que las plantas de hoy en día están mucho más preparadas para el futuro dentro del contexto de Industria 4.0.

 

Multiplexor modular Ethernet HART de Phoenix Contact. Convierte el protocolo digital HART en un protocolo Ethernet: HART-IP, Modbus TCP, PROFINET u OPC UA. Permite parametrizar y monitorear dispositivos de campo HART a través de redes Ethernet usando FDT/DTM. Su modularidad acepta la conexión de hasta 40 dispositivos HART.

 

IO-Link para aplicaciones discretas

En el mundo de Industria 4.0 que está en plena evolución, las empresas buscan tener más inteligencia en cada dispositivo. Pero en aplicaciones discretas, tales como instalaciones de empaquetado o automotrices, que usan grandes cantidades de sensores, simplemente no es económico reemplazar la instrumentación existente con dispositivos habilitados para IP. Allí es donde aparece IO-Link, que ofrece una conexión extendida económica entre sensores y sistemas de control, que se traduce en un flujo de datos sin ningún tipo de interrupciones.

En el pasado, han habido intentos para tener estos sensores habilitados para distintos protocolos de comunicación, como PROFIBUS o DeviceNet, que requerían una red diferente para conectarse a los dispositivos. Sin embargo, muchos usuarios de sensores rechazaron esta alternativa ya que duplicaba la cantidad de productos (conectados en red o no) que había que soportar en sus máquinas. También implicaba aprender un nuevo protocolo, aun cuando hubiera sólo un subconjunto de los sensores totales de una máquina que requerían algo más que información on/off, lo que ocurría la mayoría de las veces.

 

 

Conversor de señales analógicas a IO-Link. • E/S para señales analógicas (tensión/corriente) • E/S para señales de temperatura (RTD) • 4 canales de entrada TC (Tipo K)

 

IO-Link ofrece una solución interesante a este dilema, ya que brinda acceso a una gran cantidad de información de manera económica, mientras opera en conjunto con las redes IP existentes.

Este acceso a datos a nivel de dispositivo significa que ya no es necesario que las operaciones tengan que demorar sus necesidades de máquinas más inteligentes mientras esperan que todos los sensores tengan accesibilidad IP.

IO-Link ofrece una solución simple para aumentar la conectividad en aplicaciones discretas. IO-Link se puede comunicar sobre los mismos conductores de tres hilos y puede usar el mismo software de configuración instalado actualmente en las redes EtherNet/IP, por lo que llevar los datos del sensor a IP es relativamente sencillo. Por lo tanto, todos los sensores instalados en una máquina pueden soportar IO-Link, pero sólo aquellos conectados a una interface de maestro IO-Link podrán aprovechar la tecnología con diagnósticos. Esto elimina la necesidad de aprender un nuevo protocolo y limita los gastos adicionales a aquellos sensores que usan activamente la tecnología IO-Link.

Para acceder a la funcionalidad IO-Link utilizando la tecnología ya existente en una planta, los fabricantes simplemente quitan la tarjeta discreta e instalan una tarjeta IO-Link, o sea el maestro IO-Link mencionado anteriormente. Muchos sensores con IO-Link embebido cuestan y actúan igual que los sensores de E/S estándar que ya se usaban para conectarse a un maestro.

La interconexión de estos sensores con un maestro IO-Link ‘despierta’ la funcionalidad avanzada en el sensor, brindándole al usuario acceso a todos los datos y capacidades de configuración que IO-Link tiene para ofrecer. Esto significa que los usuarios tienen ahora la flexibilidad de instalar sensores IO-Link como IO estándar y activar la funcionalidad IO-Link a posteriori, cuando y donde quieran, sin tener que instalar un nuevo cableado o nuevos sensores. En definitiva, esto convierte a IO-Link en una excelente solución compatible con versiones anteriores y futuras para proveedores y usuarios de sensores.

 

Aplicación de IO-Link.

 

Además, la flexibilidad de intercambiar sensores ‘estándar’ y sensores habilitados para IO-Link permite a los usuarios ser selectivos, ya que no todas las máquinas o sensores necesitan diagnósticos adicionales. Con el maestro IO-Link, los usuarios podrán elegir qué sensores habilitar con IO-Link, logrando beneficios sin una sobrecarga de información.

Si bien todas las máquinas pueden beneficiarse de IO-Link, no es necesario para toda la máquina. De hecho, menos del 20% de los sensores en una máquina están normalmente en riesgo de daño físico, pero son justamente las áreas donde los diagnósticos adicionales que ofrece IO-Link resultan más beneficiosos.

Con IO-Link, los usuarios tienen acceso a nueva información que circula desde los dispositivos a través de IP hasta los niveles más altos del sistema, lo que podría incluir diagnósticos acerca de sensores que están rotos o que no se desempeñan de manera óptima.

Un ejemplo podría ser el monitoreo de un sensor fotoeléctrico ubicado cerca de una operación de corte que origina residuos importantes que pueden acumularse sobre la lente del sensor. Hoy en día, la mayoría de los fabricantes de máquinas utilizan aire comprimido para eliminar periódicamente los residuos en los sensores sin importar qué tan sucio esté el sensor. El sensor IO-Link puede informar al sistema de control para poner en marcha el aire comprimido o enviar una persona de mantenimiento para limpiar el sensor sólo cuando sea necesario. Esto, además de reducir la parada de una máquina, optimizando el mantenimiento predictivo, también se puede usar para ahorrar el uso de aire comprimido, reduciendo los gastos operativos de la máquina.

Otro ejemplo es el uso de sensores de proximidad para detectar objetos que se mueven a lo largo de una cinta transportadora. Si una máquina pierde alineación y corta el cabezal de un sensor estándar, el controlador ya no recibe actualizaciones del dispositivo acerca de los productos que está sensando. Sin embargo, la máquina seguirá funcionando y los operadores muchas veces no tienen forma de saber que no se recolectan los datos críticos hasta que se interrumpe la producción. Pero si ese sensor de proximidad está habilitado para IO-Link, se dispara una alarma y le indica al sistema de control que el cabezal del sensor ha fallado.

Tal como lo hemos señalado anteriormente, el diagnóstico no es una medición directa, sino que alerta al sistema de que los datos ya no son válidos. Además, el sensor dañado puede ser detectado más fácilmente para que pueda ser reemplazado de inmediato y no interrumpir la producción.

Conectividad en tiempo real con IO-Link y protocolo AP

Es un tema crítico que los proveedores de sistemas de E/Ss remotas puedan conectarse a las redes más importantes que se utilizan hoy día en la industria. PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT y Modbus son redes comunes que se utilizan en automatización industrial, pero ¿cómo puede estandarizar un fabricante de máquinas cuando sus usuarios especifican diferentes redes en sus fábricas?

La idea de estandarización se vuelve aún más compleja cuando nos encontramos con distintos niveles de arquitectura. Una máquina puede portar IO-Link en la capa base, PROFINET en la capa de automatización media y OPC-UA sobre Ethernet en la comunicación a la nube.

El nuevo sistema CPX-AP-I de Festo, que incorpora la nueva tecnología de comunicación AP, permite resolver algunos de estos desafíos, integrando IO-Link, transferencia de datos de alta velocidad a la nube y conectividad inteligente con el PLC host en un solo paquete.

La columna vertebral del sistema es el nuevo protocolo AP (Automation Platform) embebido en el propio AP-ASIC de Festo. Al incorporar el protocolo directamente en el silicio, se llega a velocidades de 200 Mbaud/s en cada uno de los tres puertos del ASIC. Para poner esto en perspectiva, es el doble de la velocidad de redes basadas en Ethernet equivalentes disponibles en la actualidad. El ASIC y el protocolo simplifican la integración en equipos con la flexibilidad de conectar 500 dispositivos diferentes, cada uno con su ASIC, al mismo nodo de red.

La integración del ASIC es simple y facilita un comportamiento en tiempo real y la recolección de Big Data con muy poco costo adicional.

 

Sistema CPX-AP-I

El sistema de E/Ss remotas consiste en un módulo de bus que se conecta a redes como PROFINET, PROFIBUS, EtherNet/IP, Modbus y EtherCAT, de modo que los usuarios puedan integrar el sistema independientemente de su PLC host.

Debajo de este módulo de bus, el sistema se convierte en estándar y se comunica por AP, lo que garantiza que los usuarios puedan mantener una arquitectura estandarizada y ver todas las E/Ss como si estuvieran en la red host, independientemente del PLC. Hoy en día, los módulos incluyen E/Ss digitales, entradas analógicas incorporando medición de temperatura, maestros IO-Link y también terminales de válvulas neumáticas.

La integración de terminales de válvulas en el sistema reduce el costo de integración y la complejidad y permite a los usuarios evitar la conexión de terminales de válvulas cableadas a E/Ss remotas o agregar módulos de terminales de válvulas PROFINET o EtherNet/IP más costosos.

Cada módulo está conectado a través de un cable CAT6e que cumple con los elevados requerimientos electromagnéticos de un sistema de 125 MHz y ya está preparado para cadenas de cable de alta velocidad. Al separar el protocolo y el suministro de carga, hay flexibilidad a la hora de decidir el comportamiento del sistema durante una parada de emergencia.

El sistema está preparado para topologías árbol, línea y estrella, con una longitud máxima de cable entre módulos de 50 metros. Se pueden conectar hasta 500 módulos a un módulo de bus, lo que garantiza que el factor limitante nunca será el protocolo AP.

 

Integración de IO-Link

Ningún sistema moderno de integración de E/Ss estaría completo sin la capacidad de IO-Link. El sistema CPX-AP-I no es la excepción, ya que integra un maestro IO-Link directamente en el protocolo AP, lo que permite digitalizar hasta el nivel de actuadores y sensores. Los datos y la parametrización atraviesan sin problemas el AP para llegar al PLC host e incluso a la nube si se utiliza un gateway IoT.

No sorprende que se apunte más a IO-Link que a dispositivos analógicos en un nuevo sistema como CPX-AP-I. Muchos fabricantes de máquinas optan por pasar de dispositivos analógicos a dispositivos IO-Link para mejorar los diagnósticos, el tiempo de instalación y lograr un comisionamiento más eficiente. Toda la gama de productos IO-Link de Festo, que incluye servoaccionamientos de muy baja tensión, terminales de válvulas, válvulas proporcionales, controles de movimiento, sensores de caudal, presión y posición, se puede conectar al CPX-AP-I, lo que garantiza la conectividad desde el actuador hasta la nube.

 

Big Data

Si bien no es práctica normal transmitir video HD por la red en una máquina, si el progreso nos enseña algo, es que los requerimientos de ancho de banda en una red se aceleran exponencialmente con el tiempo. El protocolo AP de Festo no solo es lo suficientemente rápido como para manejar video, sino que su concepto multicanal asegura que el usuario pueda parametrizar el tamaño del canal de datos cíclicos y el canal de datos no de tiempo real. De esta forma se consigue que los datos cíclicos nunca se vean afectados negativamente y se garantiza un comportamiento determinístico. Esto hace que los datos acíclicos estén disponibles para las funciones de mantenimiento predictivo, tales como monitoreo de la calidad del cable, de los tiempos de carrera del actuador y futuras funciones adicionales.

El usuario puede usar estas herramientas para minimizar costos de mantenimiento y optimizar tanto la disponibilidad de la máquina como los tiempos de ciclo.

 

Software

Festo Automation Suite se refiere a un paquete de software para parametrización, programación y mantenimiento de dispositivos de Festo, lo que incluye controladores mecánicos, de accionamiento y de movimiento. CPX-AP-I no es la excepción y con AP-I conforman un nuevo plug-in para Festo Automation Suite.

Los usuarios podrán seguir usando sus herramientas existentes, por ejemplo TIA Portal, sin necesidad de usar Festo Automation Suite, pero este software permite a los usuarios comisionar partes de la máquina incluso antes de instalar el PLC.

 

¿El futuro para AP?

Con una velocidad de red de 200 Mbaud/s y un tiempo de ciclo de 15 µs, el sistema ofrece control de movimiento sincronizado y no sólo una simple conectividad de E/Ss. Con AP ASIC, el futuro de los controles de movimiento, dispositivos neumáticos y accionamientos conectados de IoT de bajo costo, nadie puede dudar de que está bien asegurado.

 

Preparado en base a una presentación de Nigel Dawson, de Festo.

Switches de alta velocidad gestionados con protección IP67 ofrecen una máxima transmisión de datos, tiempos de enlace muy rápidos y redes de Ethernet industrial seguras.

Distribución descentralizada de conexiones Ethernet directamente en la máquina
Switch gestionado de alta velocidad TBEN-L-SE-M2 de Turck con protección IP67.

A las redes de datos se las comparan muchas veces con el tráfico de ruta. Los cables son carreteras y autopistas, mientras los switches representan cruces y empalmes. La tarea del switch es combinar los datos de distintas estaciones Ethernet en un cable principal. Por lo general, el cable principal puede transportar más datos por segundo que las líneas de alimentación individuales.

Al igual que el tráfico de ruta, el tráfico de datos también crece constantemente. Este crecimiento se puede ver tanto en la informática (IT) de oficina como en redes individuales y tecnología de operaciones (OT).

La convergencia de OT y TI también está impulsando el crecimiento de las corrientes de datos, que deben ser ordenadas y distribuidas mediante switches, que pueden ser pasivos o ‘no gestionados’ y activos o ‘gestionados’. Mientras los switches no gestionados básicamente sólo combinan cables, los switches gestionados controlan activamente el flujo de datos, lo priorizan, asignan direcciones IP si es necesario, establecen conexiones redundantes y aseguran el acceso a redes utilizando firewalls.

 

Cableado eficiente con un switch IP67

La descentralización de la tecnología de automatización ‘fuera del gabinete’ que promueve Turck permite que, además de los módulos convencionales de E/S para conexión de señales digitales o analógicas o dispositivos IO-Link a redes Ethernet, también queden liberados del gabinete de control los controladores y los convertidores de lenguajes Ethernet.

Las ventajas de cableado y flexibilidad que aporta la instalación descentralizada sin gabinete se aplica también a los switches. Ya no hay necesidad de enrutar individualmente cables Ethernet a las estaciones desde el gabinete de control, ya que sólo se los enruta en la máquina a las estaciones en los últimos metros. De acuerdo a la topología del sistema, el posicionamiento descentralizado de los switches ahorra un considerable trabajo de cableado.

Por supuesto que no todos los sistemas requieren un switch o varios switches en la máquina. Conectar estaciones con estructuras lineales es claramente un importante beneficio de las redes de fieldbus y Ethernet. Sin embargo, en muchos casos, se requiere una estructura estrella, para lo cual es necesario un switch. De manera similar, se requieren varios puertos para tener redundancias de anillo.

Otra razón tiene que ver con los crecientes requerimientos de disponibilidad de las máquinas. Las estructuras anillo o estrella ofrecen el mayor nivel de confiabilidad. Con estructuras estrella, cada estación está conectada a un puerto separado del switch.

Además, es imposible implementar distintas estructuras de línea por medio de switches de acuerdo con la arquitectura de cada máquina y aplicación en particular.

 

Backbone de alta velocidad de 1 Gbit/s y asignación de direcciones IP en base a puertos

El nuevo switch de 10 puertos de Turck en su diseño de módulos de bloques TBEN-L ofrece 100 Mbit/s en ocho puertos y 1 Gbit/s en dos puertos de backbone de alta velocidad. El switch con su diseño robusto IP67 responde de manera óptima a los requerimientos de las aplicaciones industriales de alta performance en entornos difíciles. Los usuarios pueden asignar direcciones IP a las estaciones por puerto o centralmente por medio del servidor web del switch, lo que le ahorra al usuario la necesidad de configuraciones separadas para cada estación individual.

En caso de constructores de máquinas en serie y usuarios que integran máquinas en redes de mayor nivel, el switch con enrutamiento NAT ofrece la posibilidad de asignar direcciones IP de proxy y, por lo tanto, evitar la duplicación de direcciones IP en redes. El firewall embebido garantiza el intercambio gestionado y sobre todo seguro de datos para la integración.

 

Cambios de herramientas de alta velocidad con tiempos de enlace rápidos por debajo de 150 ms

Un tiempo de enlace rápido es un requerimiento que muchos switches no pueden cumplir. La capacidad de establecer conexiones a estaciones en el menor tiempo posible es mucho más crítico en automatización industrial que en otras aplicaciones. Estas conexiones se deben concretar en fracciones de segundo.

Si hay un switch entre el controlador y la estación, el despliegue de una herramienta no sólo depende del tiempo de puesta en marcha de la estación Ethernet en la herramienta sino también del tiempo de enlace del switch. La tecnología de enlace rápido del switch TBEN-L permite que el cambio de herramienta se realice en menos de 150 milisegundos.

 

Multicast, desconexión de carga y 8…30 V para equipos móviles

El mundo de los equipos móviles no piensa automáticamente en switches. Los switches se utilizan, por ejemplo, para conectar las cámaras IP que se encuentran cada vez más en la automatización de máquinas agrícolas. En estas aplicaciones, las imágenes de las máquinas en las cámaras se deben gestionar mediante un switch y ser enviadas al controlador.

La capacidad multicast del switch TBEN-L permite instalar varias pantallas para mostrar video sin latencia y con un ancho de banda optimizado. El amplio rango de tensión de entrada de 8…30 V es indispensable cuando se usan en dispositivos con una red incorporada de 12 V.

Por su parte, la capacidad de desconexión de carga del switch permite verificar que el switch puede compensar picos de tensión en el momento de desconectar la tensión.

  Asimismo, es sabido que las estaciones Ethernet pueden enviar solicitudes de broadcast dirigidas a todas las estaciones de una red, lo que suele llevar los switches y otros dispositivos a los límites de sus capacidades. La protección integrada por tormentas de broadcast reduce estas clases de picos de carga de red.

Las redes virtuales también pueden ser configuradas para control vía dominios de broadcast. Estas VLANs se pueden usar entonces como redes individuales y configuradas con anchos de banda específicas a cada VLAN en particular. De esta forma, las solicitudes de broadcast sólo son funcionales en la LAN virtual.

Las VLANs también se pueden usar para separar datos de producción y de gestión, lo que, a su vez, protege eficazmente la disponibilidad y la seguridad de la red de producción. El monitoreo de la carga de red del switch permite que todos los puertos puedan diagnosticar las sobrecargas inminentes de manera temprana y facilitar intervenciones predictivas.

 

Conclusión

La combinación de tipos de protección hasta IP69K y un backbone de alta velocidad con dos puertos Gbit/s es ideal para aumentar las tasas de transmisión de datos en redes industriales.

Con tiempos de enlace rápidos por debajo de 150 milisegundos, el switch ofrece las mayores tasas de ciclo para cargadores de herramientas en tecnología robótica.

El usuario también puede beneficiarse de distintas funciones destinadas a la organización segura y eficiente de redes de Ethernet industrial.

El firewall integrado ofrece protección bidireccional contra un acceso no autorizado, aumentando confiablemente la seguridad en IIoT. A lo que se suma la capacidad de enrutamiento NAT o la posibilidad de configurar LANs virtuales.

 

Preparado en base a una presentación de Aurel Buda, director de automatización de fábrica en Turck. En la Argentina: Aumecon S.A.

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.

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.

En los años recientes, TSN (Time Sensitive Networ­king) ha mostrado un rápido avance en cuanto al desarrollo de un estándar a nivel de proveedores y a la elaboración de un banco de pruebas, a cargo de Industrial Internet Consortium, para probar el concepto. Dentro de este contexto, a medida que los productos compatibles con TSN comiencen a llegar al mercado, los proveedores de tecnología podrán clarificar su posición acerca de TSN y cómo piensan aprovechar la tecnología en el corto plazo.

 

Estrategia TSN vía PROFINET y OPC UA

 

En el último Siemens Automation Summit, Rainer Brehm, vicepresidente de Siemens, presentó la estrategia de Siemens acerca del uso de TSN vía PROFINET y OPC UA, resaltando tres aspectos clave de la comunicación en estas redes:

  • OPC UA se encargará de la comunicación vertical de datos acíclicos y de las comunicaciones controlador-controlador;
  • PROFINET se utilizará para el intercambio de datos de E/S cíclico y en tiempo real a nivel de campo;
  • Puesto que OPC UA y PROFINET pueden compartir la misma red, se podrán utilizar juntos para permitir el envío de datos de dispositivos a nivel de campo a sistemas SCADA, MES y ERP, como así también a la nube.

"Si sólo hay Ethernet estándar, no se pueden correr dos redes de tiempo real a la vez, pero sí es posible hacerlo con TSN", explicó Brehm. "OPC UA con TSN es más potente, ya que garantiza la calidad de servicio en tiempo real utilizando chips estándar".

Más específicamente, Brehm señaló que el uso de PROFINET basado en TSN apuntará a la red de control determinística, mientras el uso de OPC UA con TSN tendrá que ver con la integración de datos entre máquinas.

La incorporación de TSN sobre PROFINET lo convierte en un protocolo a prueba del futuro gracias a la estandarización IEEE 802.1 de TSN. PROFINET también ofrece un mayor ancho de banda con TSN, hasta 1 gigabit, aporta capacidad de tiempo real con chips estándar y puede ampliar las aplicaciones existentes manteniendo la capa de aplicación PROFINET.

 

Estrategia TSN vía PROFINET y OPC UA

 

Con OPC UA, Siemens facilita la implementación de redes de máquinas gracias a los estándares abiertos OPC UA y TSN, aclaró Brehm. También puede proveer comunicación máquina a máquina (M2M) en tiempo real vía OPC UA usando cliente/servidor, Pub/Sub o Pub/Sub TSN.

Durante una demostración de Siemens TSN en Hannover Messe 2019, se presentó una comunicación Ethernet robusta y confiable entre máquinas usando TSN en condiciones de alta carga de red. Para esta demostración, que mostró capacidades de movimiento sincronizado, Siemens utilizó Pub/Sub OPC UA junto con TSN para comunicación M2M a fin de conectar dos robots, cada uno comunicado sobre PROFINET con un controlador SIMATIC.

Esta demostración resaltó un importante elemento subyacente del principio Pub/Sub. Con este método, un editor, por ejemplo un control de máquina, envía datos a la red que luego están disponibles para todos los suscriptores. A continuación, los suscriptores determinan, en base a su programación, si requieren esta información. La reserva de ancho de banda en este caso, es decir, no enviar cada bit de datos a todos los dispositivos conectados, garantiza la transmisión de datos dentro de la red TSN de una manera predecible, sin importar la carga de la red.

El protocolo PROFINET sobre OPC UA TSN también es un aspecto clave de la estrategia de Siemens para implementar el protocolo de seguridad PROFIsafe sobre OPC UA. Según Brehm, "PROFIsafe sobre OPC UA se convertirá en una solución abierta y altamente competitiva para la seguridad funcional".

 

Ventajas de TSN vía PROFINET y OPC UA

 

  • Establece la base para la implementación de redes abiertas integradas dentro de una empresa en pos de una producción flexible y determinística.

  • Ofrece anchos de banda garantizados y escalables como así también una baja latencia de transmisión.

  • Está basado en corrientes encapsuladas y garantiza que distintos protocolos, incluso de tiempo real, puedan utilizar la misma red Ethernet.

  • Permite implementar QoS (Quality of Service) en redes Ethernet estándar.

  • Garantiza que PROFINET y OPC UA sean la base de la empresa digital en las futuras redes de planta.

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