Single Pair Ethernet ya está en el ADN de IIoT

Single Pair Ethernet  ya está en el ADN de IIoT

Hoy en día, Single Pair Ethernet (SPE) es una de las megatendencias en transmisión de datos industriales. Para comprender las aplicaciones y las ventajas de reducir el cableado de datos a un solo par de hilos, es importante tener en cuenta la historia de Ethernet y de la automatización industrial.

Como protocolo de software no estandarizado, Ethernet nace en los años ‘70 para la transmisión interna y localmente limitada de paquetes de datos en redes informáticas cableadas (LAN o Local Area Network). Con el tiempo, IEEE definió el protocolo de software y la capa física (incluyendo interfaces físicas, tales como conectores y cables) y sentó las bases para la Internet moderna con la introducción de varios protocolos, tales como 802.4 (Token Bus), 802.5 (Token Ring) y, por último, 802.11 wireless LAN (WLAN).

 

Lenguaje común

En paralelo, el uso creciente de la tecnología de automatización eléctrica impulsó el desarrollo del fieldbus en los años ‘80. La idea básica era la misma: los diferentes participantes de la comunicación deberían comunicarse unos con otros de manera ordenada usando un sistema común.

Los distintos protocolos de fieldbus, tales como Interbus, DeviceNet y PROFIBUS, sin embargo, no se usaron para conectar redes informáticas a nivel de empresa, sino para la conexión en serie o en paralelo de sensores y actuadores a nivel de control y gestión.

En definitiva, el desarrollo en paralelo de los dos protocolos de transmisión conformó la estructura de la pirámide de automatización que sigue siendo válida hoy en día. Los niveles más altos representan redes informáticas limitadas localmente que se utilizan para la planificación de la producción. Los niveles inferiores comprenden la transmisión de señales, datos y alimentación para registro, control y regulación del proceso físico de producción.

La forma de pirámide se debe principalmente a la disposición jerárquica y lógica de los diferentes niveles. Pero también representa las condiciones marco válidas con anterioridad para la transmisión de datos industriales: altas tasas de transmisión y distancias cortas a través de Ethernet, bajas tasas de transmisión y grandes distancias a través de fieldbus.

 

Redefinición de la pirámide

Ethernet industrial y, en especial, SPE redefinen la pirámide convencional de automatización. Gracias al desarrollo de protocolos basados en Ethernet, tales como EtherNet/IP, PROFINET o EtherCAT, se incorpora la transmisión de datos en tiempo real desde el nivel de empresa hasta el nivel de campo.

Las interfaces físicas se hicieron más potentes, pero también más complejas en términos eléctricos, ya que había que proteger la transmisión de datos contra posibles interferencias, tales como suciedad, vibraciones y radiación electromagnética. Esto explica el advenimiento de interfaces Ethernet especiales con protección IP6x. Pero en la cúspide de la pirámide de automatización, tanto a nivel de empresa como de operaciones, las soluciones IP20 seguían siendo suficientes.

 

Cambio de paradigma: SPE redefine la pirámide convencional de automatización (Phoenix Contact).

 

Transmisión de datos

Hasta ahora, el trabajo de estandarización ha estado limitado a tasas de transmisión de datos cada vez más altas y a mayores exigencias en la tecnología de cableado.

SPE no redefine mayores anchos de banda o distancias de transmisión, sino que establece el marco normativo para un cableado reducido que se adapte a la aplicación. Los estándares IEC 63171-2 (IP20) e IEC 63171-5 (IP67) están destinados a tasas de transmisión más bajas de 10 a 100 Mbps.

El cableado de datos con un solo par de hilos permite distancias de transmisión de hasta 1.000 metros. De esta forma, por primera vez, SPE se puede implementar en aplicaciones donde hasta ahora no se podía usar Ethernet convencional, por ejemplo en tecnología de procesos.

La ventaja para los operadores de planta es que el cableado de datos puede realizarse de manera continua en base al protocolo Ethernet, lo que permite usar interfaces y caras enchufables de conectores idénticas en distintos entornos.

Otra ventaja es que las interfaces de un solo par de hilos son considerablemente más compactas que los conectores de dispositivos y cable de dos o cuatro pares. De esta forma, SPE responde a la tendencia hacia dispositivos compactos y descentralizados en automatización industrial, tecnología de procesos, automatización de edificios y aplicaciones de telecomunicaciones e infraestructura. En consecuencia, SPE tiene todo para convertirse en el ADN de IIoT.

 

Cambio de paradigma: SPE redefine la pirámide convencional de automatización (Phoenix Contact).

 

Nueva cara enchufable de conectores

Para asegurar la compatibilidad de todos las interfaces, IEEE ha formado grupos dedicados a elaborar la descripción normativa de aplicaciones con tasas de transmisión de 10, 100 y 1.000 Mbps. Ya han sido adoptados estándares para 10-Base-T1, 100-Base-T1 y 1000-Base-T1.

Phoenix Contact, junto con Reichle & De-Massari y Weidmüller, fueron los encargados de desarrollar interfaces de caras enchufables de conectores protegidos y no protegidos para cables de un solo par y de cuatro pares de hilos.

El modelo MICE describe su robustez mecánica (M1 o M2/3), protección IP (I1 o I2/3), resistencia química y climática (C1 o C2/3) y seguridad electromagnética (E1 o E2/3).

Las caras enchufables compactas son ideales para el cableado eficiente de numerosos participantes de una comunicación, ya sea a través de un solo par de hilos o a través de cuatro pares de hilos para cuatro participantes que comparten una línea y una interface.

Gracias a la interface común, se pueden mezclar conceptos de cableado de uno y cuatro pares, como así también soluciones IP20 e IP6x.

Las posibles aplicaciones son la división del cableado de ocho hilos en cuatro tiras SPE individuales para cuatro participantes de comunicación o el dimensionamiento de pares individuales dentro de interfaces de dispositivos de ocho hilos.

 

Cara enchufable M1 I1 C1 E1 según IEC 63171-2 (Phoenix Contact).

 

Cara enchufable M2/3 I2/3 C2/3 E2/3 según IEC 63171-5 (Phoenix Contact).

 

La tecnología de dos hilos también permite la alimentación específica en la aplicación de dispositivos terminales con salidas de hasta 60 W a través del mismo par de hilos (Power over Data Line - PoDL).

 

El futuro de la tecnología de comunicación

SPE no puede ser visto como una megatendencia en la transmisión de datos industriales sin tener en cuenta otros trabajos de estandarización. El futuro de la tecnología de comunicación industrial irá en paralelo en varios comités y proyectos. Los nuevos estándares de comunicación, tales como OPC UA (Open Platform Communic­ations Unified Architecture), TSN (Time-Sensitive Networking) y 5G conformarán la base para una conexión continua en red desde el sensor, pasando por la máquina y los sistemas de nivel superior hasta la nube.

Los nuevos estándares habrán de superar a los protocolos e interfaces existentes en términos de costo, producción de datos, latencia y determinismo. En definitiva, el objetivo es nada menos que un nuevo estándar de comunicación para automatización independiente del fabricante.

Hoy en día, OPC UA ya es utilizado como estándar de comunicación superpuesto en plantas y se está ampliando con perfiles de aplicación estandarizados en el campo, por ejemplo, para aplicaciones de E/S, seguridad o accionamiento. Además, ya se han definido modelos estandarizados para configuración y diagnóstico uniformes de dispositivos de red.

 

Los nuevos estándares de comunicación conforman la base para una conexión en red integrada desde el sensor, pasando por la máquina y los sistemas de nivel superior hasta la nube.

 

Resumen

Single Pair Ethernet (SPE) conecta el mundo IP20 de la empresa y del nivel operativo con el mundo IP6x del nivel de control y de campo, abriendo así nuevas áreas de aplicación. El objetivo es la conexión de todos los participantes de una comunicación basada en un mismo protocolo e interfaces uniformes.

Gracias a la reducción del cableado utilizando solo uno o cuatro pares de hilos individuales, los usuarios podrán construir estructuras eficientes de cableado y red desde el sensor pasando por el nivel de control y empresa hasta la nube.

Además de tasas de transmisión de datos de hasta 1.000 Mbps, el cableado SPE también permite alimentar los dispositivos finales con hasta 60 W.

 

Preparado en base a una presentación de Verena Neuhaus, gerente de Phoenix Contact.

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