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.

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.

Integración de diagnósticos NAMUR NE 107 en arquitecturas CIP

 

Esta integración aporta información de diagnóstico estándar a usuarios de procesos y potencia los beneficios de Ethernet industrial.

La actualización de diagnósticos de proceso en EtherNet/IP se refiere a CIP Process Device Diagnostics Object, un objeto que provee una interface pública conocida para diagnósticos actuales y estado de un dispositivo de acuerdo con la recomendación NAMUR NE 107 relacionada con Auto-Monitoreo y Diagnóstico de Dispositivos de Campo.

La señal de estado NAMUR NE 107, que ahora está disponible en EtherNet/IP, ofrece información de estado: Falla, Chequeo de Función, Fuera de Especificación, Mantenimiento Requerido o Nada. CIP Process Device Diagnostics Object aumenta la cantidad de datos útiles disponibles con EtherNet/IP al proporcionar acceso a la información de diagnósticos NE 107 actual de un dispositivo de campo de diferentes proveedores.

Además de la señal de estado, el nuevo objeto mapea hasta 64 diagnósticos de un dispositivo, tales como estado de caudal, presión o temperatura, que el usuario puede agrupar como lo desee. Se pueden agregar también diagnósticos adicionales específicos del proveedor.

Las aplicaciones pueden sondear ahora dispositivos de campo EtherNet/IP compatibles para detectar cambios en el estado de los diagnósticos y obtener información adicional de diagnóstico utilizando mensajes explícitos o servicios específicos de objetos.

Por ejemplo, todos los dispositivos diagnosticados con una cierta señal NE 107 (por ejemplo, Mantenimiento Requerido) pueden ser sondeados mediante un solo pedido de servicio común. Con EtherNet/IP, esta información vital de diagnóstico puede ser transportada fácilmente donde se la necesite, por ejemplo a un DCS para su revisión por un operador y una posible acción de mantenimiento o a un dispositivo de borde para un análisis de mantenimiento predictivo.

"La integración de diagnósticos NE 107 apunta a satisfacer las necesidades de programadores, operadores y técnicos de mantenimiento en cuanto a optimización de proceso y perspectiva IIoT", explicó el Dr. Al Beydoun, presidente y director ejecutivo de ODVA.

La integración de dispositivos HART y diagnósticos de proceso NAMUR NE 107 en la suite CIP (Common Industrial Protocol) es un paso más en el trabajo de ODVA en pos de adaptar EtherNet/IP al espectro completo de necesidades de las industrias de procesos. El trabajo futuro incluye perfiles para dispositivos de campo a fin de simplificar la integración y la configuración de dispositivos.

ODVA también está involucrada en promover la adopción de Ethernet en las industrias de procesos, colaborando con FieldComm Group y PROFIBUS y PROFINET International en la adopción de una capa física avanzada (Advanced Physical Layer), conocida como 'Ethernet-APL', lo cual podrá llevar a futuras mejoras en el estándar IEEE 802.3 Ethernet destinadas a definir Ethernet de un solo par de largo alcance y uso en áreas peligrosas.

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

 

TSN y el futuro de las redes Ethernet industrial

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

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

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

 

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

 

TSN y las redes IIoT del futuro

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

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

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

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

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

 

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

 

Desde la Pirámide de Automatización a la Columna de Automatización

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

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

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

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

 

¿OPC UA TSN prevalecerá por sobre Ethernet industrial?

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

 

¿Un mejor Ethernet industrial?

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

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

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

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

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

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

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

 

Mercado de automatización discreta

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

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

 

Mercado de automatización de procesos

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

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

 

Usuarios finales

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

 

No es la única apuesta

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

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

 

La saga de TSN hacia el futuro de  la automatización

 

TSN integrado en PROFINET

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

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

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

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

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

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

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

 

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

Según el estudio anual del mercado de redes industriales que realiza HMS Industrial Networks, Ethernet industrial ha superado a los fieldbuses tradicionales en términos de nuevos nodos instalados en automatización de fábrica. 

Con una tasa de crecimiento del 22%, Ethernet industrial representa ahora el 52% del mercado global versus el 46% del año pasado. EtherNet/IP se ha convertido en la red más ampliamente instalada, con el 15% del mercado. Los que lo siguen a nivel mundial son PROFINET, EtherCAT, Modbus-TCP y Ethernet POWERLINK. 

"Hasta ahora hemos visto la transición a Ethernet industrial durante mucho tiempo, pero sin que supere a los fieldbuses en cuanto a cantidad de nuevos nodos instalados", señaló Anders Hansson, de HMS. "La transición a Ethernet industrial está impulsada por la necesidad de una alta performance, integración entre instalaciones de fábrica y sistemas IT/IoT, y también IIoT en general".

Las tecnologías wireless también están creciendo a una tasa del 32% y representan el 6% del mercado total. Dentro de wireless, WLAN es la tecnología más popular, seguida por Bluetooth. "Los fabricantes de máquinas e integradores de sistemas utilizan cada vez más la tecnología wireless para implementar arquitecturas de automatización innovadoras. Los usuarios pueden reducir el cableado y elaborar nuevas soluciones de conectividad y control, tales como soluciones Bring Your Own Device (BYOD) a través de tablets o teléfonos inteligentes", explicó Anders Hansson.

En Europa y Oriente Medio, PROFINET y EtherNet/IP son líderes mientras PROFIBUS todavía se está usando ampliamente. Otras redes populares son EtherCAT, Modbus-TCP y Ethernet POWERLINK. 

El mercado estadounidense está dominado por las redes CIP, donde se observa un claro movimiento hacia EtherNet/IP. 

En Asia, ninguna red se destaca por ser realmente líder del mercado, pero PROFINET, EtherNet/IP, PROFIBUS, EtherCAT, Modbus y CC-Link se usan ampliamente, mientras la versión Ethernet CC-Link IE Field también está ganando tracción.

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