Ethernet-APL: Llegar hasta el último tramo

Han pasado 10 años desde que el mundo de automatización de procesos comenzó a investigar una capa física avanzada APL (Advanced Physical Layer) neutra en cuanto a protocolo que pudiera extender el uso de Ethernet en toda la industria de procesos, ofreciendo conectividad con instrumentos de campo bifilares alimentados por lazo y ampliamente distribuidos en entornos potencialmente peligrosos.

Hoy en día, esta tecnología ya fue testeada con éxito en BASF y hubo una demostración de una red prototipo en la última reunión general de NAMUR.

APL aumenta considerablemente el ancho de banda disponible para las comunicaciones de instrumentos digitales, además de simplificar la arquitectura de red. A 10 MB/s, APL es 300 veces más rápido que H1 de fieldbus Foundation y más de 8.000 veces más rápido que el protocolo HART original. Y, por ser Ethernet, APL facilita ciberseguridad de punta a punta, mientras elimina la necesidad de gateways o conversión de protocolos desde el dispositivo de campo hasta los sistemas de negocio de la empresa y la nube.

 

Estándares extendidos

APL es una derivación del estándar 802.3cg-2019 (10BASE-T1L) de IEEE recientemente aprobado, que extiende el estándar Ethernet 802.3 para incluir cableado de un solo par sobre distancias de hasta 1.000 metros con provisión opcional de energía a los dispositivos. APL es de particular importancia en las industrias de procesos ya que extiende 10BASE-T1L para uso en áreas peligrosas.

Es importante señalar que el Proyecto APL cuenta con el auspicio de FieldComm Group, Profibus y Profinet International (PI) y ODVA, y también de ABB, Emerson, Endress+ Hauser, Krohne, Pepperl+Fuchs, Phoenix Contact, Rockwell Automa­tion, Samson, Siemens, Stahl, VEGA y Yokogawa.

Los nuevos estándares para seguridad intrínseca del Proyecto APL se conocerán como ‘Ethernet-APL’. Además, el comité técnico IEC PT 60079-47 está trabajando en una especificación técnica denominada 2-WISE (Two-Wire Intrinsically Safe Ethernet) que cumple con el requerimiento de seguridad intrínseca para dispositivos alimentados por lazo y en forma separada en áreas peligrosas hasta Zona 0, 1 y 2/División 1 y 2.

Para simplificar lo más posible la ingeniería y la verificación de lazos de seguridad intrínseca, 2-WISE se basa en el mismo concepto Ex de FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). Este concepto está respaldado por tests realizados en Dekra Testing and Certi­fication GmbH. La especificación técnica final (IEC TS 60079-47) se espera para fines de 2021.

Además, Ethernet-APL definirá los perfiles de puerto para múltiples niveles de energía para uso tanto dentro como fuera de áreas con peligro de explosión para garantizar la interoperabilidad de switches de campo APL y dispositivos de campo APL. Estos perfiles de puerto APL reemplazarán la alimentación vía PoDL (Power over Data Lines), que es opcional en el estándar 10BASE-T1L.

Según Endress+Hauser, “el cumplimiento de este concepto de perfiles de energía es clave para evitar diferencias de hardware en dispositivos de campo que podrían instalarse tanto en áreas peligrosas como no clasificadas”. En consecuencia, los dispositivos para Ethernet-APL y para SPE (Single Pair Ethernet) estándar no se podrían mezclar ni combinar en el mismo sistema si los dispositivos de campo no son compatibles con la funcionalidad PoDL.

Del lado positivo, Ethernet-APL podrá entregar más alimentación intrínsecamente segura a instrumentos de campo en comparación con fieldbus Foundation, PROFIBUS PA o HART. Esto permitirá a los proveedores de instrumentos diseñar instrumentos bifilares que hoy en día requieren cuatro hilos por la alta demanda de energía.

La disponibilidad de las ASICs (Application-Specific Integrated Cir­cuits) que soportan la capa física (PHY) Ethernet-APL es otro paso importante en la comercialización de dispositivos APL.

Finalmente, para asegurar la conformidad con los estándares de implementación, el Proyecto APL especificará tests de conformidad APL que estarán incorporados en las correspondientes especificaciones de FieldComm Group (para HART-IP), ODVA (para EtherNet/IP) y PI (para PROFINET).

 

Ethernet-APL: Llegar hasta el último tramo
Figura 1. Ethernet-APL aumenta considerablemente el ancho de banda digital para instrumentos de campo en áreas peligrosas y no peligrosas.

 

Topología familiar

Ethernet-APL está diseñada para soportar instalaciones tipo segmento y spur y conceptos de redundancia similares a las opciones de fieldbus ya existentes (Figura 1). Hay definidos dos tipos generales de líneas:

  • Segmentos – Transportan energía y datos de alto nivel a distancias de hasta 1.000 m;
  • Spurs – Transportan energía y señales con seguridad intrínseca opcional a distancias de hasta 200 m.

Los switches de alimentación APL se encargan de anclar los segmentos, cada uno aportando hasta 60 W y comunicaciones para hasta 50 dispositivos. Por su parte, el switch de campo APL se encarga de anclar cada spur, aportando energía intrínsecamente segura y comunicaciones a los propios dispositivos de campo.

Los requerimientos de Ethernet-APL en cuanto a cables de par trenzado blindados Tipo A según  IEC 61158 van en línea con las prácticas ya establecidas de fieldbus. APL Working Group está preparando un conjunto de recomendaciones de ingeniería para seleccionar el cableado correcto para cada aplicación de APL en particular. 

Puesto que el cable de fieldbus ha sido diseñado para 31,250 kB, no todo el cable existente se puede usar para APL a lo largo de todo el cableado. En consecuencia, la especificación de perfiles de puerto APL define las diferentes categorías que soportan longitudes de cable spur/segmento de 50 m/250 m, 100 m/500 m, 150 m/750 m y 200 m/1.000 m. Los fabricantes de cables deberán especificar su cable de acuerdo a esta clasificación.

Ya desde el comienzo, la posibilidad de reutilizar el cableado existente de fieldbus de par trenzado fue un requerimiento para APL por los altos costos de instalación involucrados. Por ejemplo, el cableado Tipo A usado por PROFIBUS PA debe servir perfectamente para APL.

Las recomendaciones en cuanto a tecnología de conectores son otro aspecto por aclarar en cuanto a APL. Conectores y pines RJ45 y M8/M12 están todavía en discusión.

 

Migración y adopción

Como ocurre con cualquier nueva tecnología destinada a suplantar dispositivos operativos ‘perfectamente buenos’ y prácticas de trabajo ya arraigadas, la adopción de APL en instalaciones de proceso quizás demore en tomar impulso, incluso en los casos más convincentes.

Según FieldComm Group, allí donde actualmente se usa fieldbus Foundation y PROFIBUS PA, es poco probable que los usuarios comiencen a sacar instrumentos de campo para instalar APL. Es dudoso que una refinería piense en actualizar antes de que sus activos existentes estén cerca del final de su vida útil. Es muy factible que los primeros en adoptar APL lo hagan en aplicaciones de proceso más flexibles, tales como biociencias y alimentos y bebidas.

Emerson señala que, hoy en día, cualquier protocolo que corre en Ethernet se puede usar con Ethernet-APL. Y eso incluye HART-IP y PROFINET, como así también EtherNet/IP y otras variantes de Ethernet industrial alguna vez excluidas de las aplicaciones en área peligrosa.

Estos protocolos basados en Ethernet tienen provisiones para usar E/Ss que pueden comunicarse con los dispositivos por medio de los protocolos digitales existentes, tales como HART analógico, PROFIBUS PA y fieldbus Foundation.

Inicialmente, es posible que los usuarios sigan tomando decisiones en base a conveniencia, costo y capacidad, por lo que su selección de dispositivos quizás no cambie por el advenimiento de una nueva tecnología, en este caso Ethernet-APL.

De acuerdo a Yokogawa, fieldbus Foundation y PROFIBUS PA serán los primeros que se verán afectados por el advenimiento de APL. APL con los protocolos de Ethernet industrial reemplazarán primero los protocolos digitales convencionales y luego, en un futuro no muy lejano, 4-20 mA + HART.

Sin embargo, APL versus los protocolos de fieldbus actuales no tiene que ser una apuesta a todo o nada. Los switches Ethernet-APL han demostrado que pueden proveer interfaces de spurs Ethernet-APL con doble funcionalidad, por ejemplo PROFINET-APL y PROFIBUS PA. Esta doble funcionalidad es importante a la hora de migrar plantas existentes a una infraestructura basada en Ethernet-APL.

Teóricamente, lo anterior también es factible con un instrumento fieldbus Foundation, donde sus datos pueden ser mapeados en cualquier protocolo de tiempo real basado en Ethernet.

Durante los primeros años en el mercado de Ethernet-APL, los instrumentos fieldbus Foundation o PRO­FI­BUS PA existentes podrán llenar el vacío de las funciones faltantes de los instrumentos con una interface Ethernet-APL.

También es importante señalar que el sector analógico + HART que no es fieldbus es actualmente el de mayor tamaño en el mercado tanto en términos de base instalada como de nuevas instalaciones.

De hecho, un cambio radical a APL requerirá sistemas e ingeniería alejados de la práctica común con E/Ss configurables en las que los proveedores de DCS han invertido mucho dinero y esfuerzo durante los últimos 10 años.

De las tres organizaciones de desarrollo de estándares actualmente involucradas en APL, ODVA y su protocolo EtherNet/IP quizás sea la que mayor rédito podrá obtener del estándar APL. Hoy en día, EtherNet/IP se utiliza comúnmente en automatización de procesos dentro de las ‘islas de automatización’ para aplicaciones donde un PLC, que también sirve como gateway a un DCS, controla un banco de válvulas de control direccionales.

Con APL, EtherNet/IP se podrá utilizar cada vez más en redes de procesos, sin gateways, para control, diagnósticos y comisionamiento. En este sentido, EtherNet/IP ha sido señalado por NAMUR como uno de los requerimientos mínimos en sistemas de comunicación Ethernet entre el nivel de campo y mayores niveles de sistema, integración de servicios de traducción de dispositivos HART e incorporación de diagnósticos NAMUR NE 107.

Puesto que la mayoría de los sistemas DCS ya soportan PROFINET y EtherNet/IP hoy en día, la adopción Ethernet-APL basada en estos protocolos será sencilla. Teniendo en cuenta que el uso directo elimina la necesidad de gateways u otras conversiones de protocolo, se podrá reducir considerablemente la complejidad y el costo de propiedad, además de mejorar la usabilidad y la robustez comparado con las soluciones de fieldbus tradicionales.

Más allá de aplicar esos protocolos basados en Ethernet ya establecidos, APL permitirá el uso de nuevos protocolos, por ejemplo OPC UA, ofreciendo nuevos niveles de seguridad y semántica para derribar así las barreras entre informática y tecnología de operaciones.

 

Acceso a gemelos digitales

Mientras el Proyecto APL fue avanzando para llevar IIoT a los instrumentos de campo, también progresaron estándares complementarios del lado de software y sistemas para aprovechar el nuevo ancho de banda. Entre estos estándares se destacan FDI, PA-DIM y OPC UA, todos los cuales prometen aportar realce y valor al campo digital.

FDI y PA-DIM facilitan la tarea de los sistemas de software de toda la empresa a la hora de consumir la información provista por los instrumentos, explicó FieldComm Group.

Ethernet-APL podrá reemplazar gateways y E/Ss remotas con switches Ethernet que facilitan el enrutamiento de la información desde el dispositivo al sistema de negocio. En definitiva, es posible que las mayores velocidades llevarán a mejoras en FDI y PA-DIM destinadas a simplificar aún más la integración de dispositivos.

Como tecnología, FDI y PA-DIM están diseñados para facilitar la extracción de información desde los dispositivos de campo. Según Emerson, puesto que Ethernet-APL aumenta el ancho de banda para los dispositivos individuales, la combinación de todas estas tecnologías permitirá a los dispositivos de campo integrarse fácilmente con todos los niveles del ecosistema de datos de proceso, desde el sistema de control hasta la nube.

La combinación de Ethernet-APL y PA-DIM ofrece la posibilidad de acceder a datos desde el campo por un camino de comunicación paralelo al de integración de control. Al respecto, Endress+Hauser señala que este segundo canal de comunicación soporta el concepto de NOA (NAMUR Open Architecture) sin afectar los principales procesos de automatización, siendo la base de la disponibilidad de datos en toda la planta y facilitando su interpretación sin necesidad de drivers específicos al dispositivo. Las posibilidades de tales servicios digitales son numerosas y brindan un amplio soporte para optimizar y mejorar la eficiencia en una planta de proceso.

Ethernet-APL es la tecnología clave para implementar OPC UA y PA-DIM en los propios dispositivos de campo, lo que permitirá un ‘plug-and-play’ real ya que el dispositivo vendrá con un modelo de información embebido, eliminando la necesidad de alguna clase descripción de dispositivo. FDI, mientras tanto, permitirá el uso de PA-DIM para los instrumentos existentes, facilitando la migración de HART o fieldbus a Ethernet-APL.

Los modelos y estándares como FDI son herramientas importantes, pero sus tasas de adopción son siempre más lentas cuando la velocidad, la infraestructura y la conectividad a sistemas de mayor nivel requieren un nuevo cableado o incluso gateways. Ethernet-APL ha recorrido un largo camino removiendo todos estos inconvenientes.

Compatible con la mayor parte de lo ya instalado, el cableado de par trenzado con velocidades de 10 Mbps y que soporta la mayoría de todos los demás protocolos basados en TCP/IP simultáneamente, servirá para aliviar la preocupación que suelen tener los usuarios finales a la hora de incorporar nuevos estándares.

Según PI, son muchas las posibilidades que ofrece APL. Por ejemplo, tiene un rol importante en la convergencia de redes IT/OT. Con una capa física común basada en Ethernet, los proveedores podrán implementar libremente múltiples protocolos en sus instrumentos, una característica ya establecida hace mucho tiempo en automatización de fábrica. También facilitará la incorporación de conceptos como NOA para la comunicación unidireccional con sistemas de mayor nivel fuera de la pirámide tradicional de automatización.

El hecho de que Ethernet-APL soporte el stack completo de Ethernet significa que todas las funciones adicionales del mundo de IEEE estén disponibles para aumentar la usabilidad.

Además, la capacidad multiprotocolo general de Ethernet servirá como puente entre el mundo OT y el informático.

Y gracias a la aplicabilidad universal de OPC UA desde el nivel de campo a la nube, APL será un factor clave a la hora de conectar activos físicos a gemelos digitales.

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