Hace un tiempo en Mecatrónica Portal se habló sobre las tendencias en controladores para automatzación industrial, aquella vez se vio como Ethernet continuará siendo la tendencia dominante en cuanto a comunicaciones y redes. En esta ocasión he querido traerles una breve introducción a los protocolos industriales de comunicación basados en Ethernet.
Los protocolos de Ethernet industrial pueden ser estándar y no estar modificados, o pueden modificarse para hacerse mas seguros desde el punto de vista de la automatización y control industrial. El Ethernet industrial es una fuerza creciente en las redes industriales, pueden incluir hardware y software mas adecuado para un entorno exigente.
La capa física de Ethernet puede incluir conectores -que en el caso industrial son más resistentes que los convencionales- cables y switches. De igual modo, el protocolo de software que corre sobre Ethernet puede ser TCP/IP o puede incluir otras capacidades extras en la capa de aplicación que pueden hacer al protocolo Ethernet aún mas útil para aplicaciones industriales. Estas capacidades extra pueden ser elementos de priorización o planificación, los cuales son considerados más apropiados para movimiento, seguridad y otras implementaciones demandantes.
IEE 802.3 Ethernet (que originalmente fue diseñado para uso en oficinas) es un estándar desde 1983, y ahora se está expandiendo para implementaciones industriales. De hecho, todos los protocolos basados en Ethernet muestran un incremento en el uso desde finales de 2006 hasta mediados de 2008 (ver gráfico de barras). Es claro que un número creciente de aplicaciones industriales se está conectando a Ethernet.
El uso de Ethernet en aplicaciones industriales se ha incrementado significativamente durante los últimos dos años según una encuesta de “Control Engineering”. El gráfico muestra el porcentaje de personas que actualmente usan protocolos basados en Ethernet, comparado con el uso en 2006. En el mercado mundial de infraestructura industrial los productos de red cableados sobrepasaron los 1800 millones de dolares en 2007 (1200 millones de dolares sólo en conectividad Etheret) según una investigación de VDC Research Group, y se espera que esta cifra crezca en un 24% para el 2012.
Con el incremento en su uso, Ethernet se ha convertido en el estándar de red de área local (LAN) de como facto para comunicaciones electrónicas. Luego de ser un par de cable trenzado sin protección, Ethernet ofrece rendimientos de 10/100/1000 Mbps -con 10Gbps en el horizonte- sobre largas distancias.
Un efecto secundario del incremento en el uso de Ethernet es que la palabra Ethernet se ha convertido en el término genérico para una colección de “estandars”, algunas personas incluso emplean el termino para denominar hardware como switches comerciales off-the-shelf. Pero el hecho es que no hay un único “estándar” que esté cubriendo todo.
La definición de “Ethernet” alude al sistema de cableado para transmitir datos entre dispositivos interconectados. En las capas de red del modelo OSI, Ethernet define únicamente las dos capas inferiores de la pila de protocolos – el nivel físico y los formatos de trama de datos del nivel de enlace. Es un poco como el estándar RS-485 usado para la mayoría de buses de campo (Fieldbus) – la clave está en lo que sucede en las capas superiores, sin ello Ethernet es por decirlo de algún modo, torpe.
Mientras que algunos pocos sistemas industriales pueden empaquetar datos en paquetes estandar Ethernet para tomar ventaja del Ethernet comercial, la mayoría de soluciones industriales requiere de software especializado en la capa OSI 3 y superiores, así como modificaciones de hardware del MAC (Media Acces Control) para dar soporte a los múltiples estándares de buses de campo, Ethernet industrial y los requerimientos de trabajo en tiempo real.
Un estándar no tan estándar
Ethernet por si solo no puede satisfacer todas las necesidades de la automatización, como consecuencia, todos los protocolos de Ethernet industrial son una mejora del estándar IEEE 802.3. Por decirlo de otra forma, todas las soluciones industriales de Ethernet (Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT, etc) son estándares basados en IEEE 802.3, pero no se puede decir que ninguno de ellos es el estándar Ethernet industrial puesto que no hay un grupo de estándares reconocidos como tal para redes industriales.
Imágen de Switch Ethernet cortesía de Per Foreby
El software para dispositivos mejorados para redes industriales debe soportar aplicaciones de tiempo real de una manera predecible y seguro, garantizando mediante protocolos redundantes un servicio continuo y confiable, debe poseer un diseño de software tolerante a fallos y debe haberse sometido a pruebas rigurosas.
Mientras los equipos de nivel comercial están enfocados a aplicaciones de alta difusión, los equipos industriales también tienen que trabajar con un amplio rango de protocolos críticos antiguos. Aún así, no hay un protocolo para Ethernet industrial de talla única que sirva en todos los casos; por lo general los usuarios deben hacer una concesión entre interoperabilidad o determinismo y velocidad.
Los protocolos Ethernet pueden dividirse en tres categorías; protocolos de no tiempo real, de tiempo real, y tiempo real duro:
- Los protocolos que no trabajan en tiempo real suplen conectividad sobre Ethernet per tienen tiempos de respuesta bajo
- Los protocolos que trabajan en tiempo real usan configuraciones de difusión de dispositivos para minimizar los tiempos de ciclo o usan técnicas de priorización de paquetes como IEEE 802.1D/Q para Calidad del Servicio (QoS) para reducir las variaciones rápidas en la señal causadas por las alteraciones eléctricas inducidas por el switch. EtherNet/IP y Profinet RT son dos ejemplos
- Los protocolos que trabajan en tiempo real duro usan hardware hecho a la medida en los dispositivos y requieren switches especiales de Ethernet o eliminar los switches Ethernet conectando en cadena de los dispositivos. Los protocolos de tiempo real duro pueden desempeñarse adecuadamente en control de movimiento de alto nivel. EtherCAT y Profinet IRT son dos ejemplos
Estos desarrollos representam un enorme salto desde hace apenas unos años atras, cuando la detección de colisiones en Ethernet y la carencia de determinismo lo hacian inadecuado para su uso en la planta, pero avances técnicos como capacidades de producución de más velocidad, priorización de mensajes y switchs de comunicación especiales para la industria, han hecho de Ethernet una red viable a lo largo y ancho de toda la empresa.
1. Uso de Ethernet estándar tal como está definido por IEEE 802.3 y TCP/IP. Este estándar corresponde al usado en el mundo de las oficinas. Únicamente se remplazan los programas específicos de la oficina por programas para automatización en la capa de aplicación.
2. Uso de Ethernet como está definido en IEEE 802.3 y priorización de acuerdo a IEEE 802.1Q, así como también TCP/IP. Protocolos específicos de automatización en las capas 3 y 4 del modelo OSI3.
3.Uso de una pila de Ethernet optimizada así como también TCP/IP y protocolos específicos de automatización en las capas 3 y 4. Este tipo de enfoque es necesario para sistemas de automatización en los que debe implementar aplicaciones de datos deterministicos y se requiere máximo rendimiento en tiempo real como control de ejes. Normalmente se requieren switches especiales
Las aplicaciones de redes industriales requieren un alto nivel de determinismo para asegurar que los datos se transfieren de manera confiable y consistente. Sin tal transferencia deterministica de datos, el procesamiento o manufactura de productos de calidad no es posible. Los ingenieros de control y los ingenieros de calidad dependen de un intercambio de datos preciso y en tiempo real entre los sistemas de control y los sistemas de información. Aunque han habido esfuerzos para aplicar Ethernet comercial sin modificaciones a las plantas industriales, la naturaleza inherente no deterministica de este, y los conectores no robustos, no ofrecen el nivel requerido de velocidad de transmisión de datos confiables necesarios para los sistemas de manufactura actuales. Ethernet sin modificar permite que ocurran colisiones de datos, las detecta y luego facilita la retransmisión, es por eso que no se puede garantizar determinismo sin el uso de hardware adicional (Switches Ethernet), lo que complica el diseño de la red.
Una tecnología especialmente atractiva es CC-Link IE, la cual, gracias a que usa Gigabit Ethernet garantiza unas velocidades de transmisión sobre fibra óptica altisima. Sin embargo otros protocolos propietarios como Profinet tienen mayor cuota de mercado gracias a que usa planificación de paquetes en tiempo real. Con todo EtherNET/IP sin modificar continua a la cabeza gracias a que se apega al estandar básico IEEE 802.3 en conjunción con CIP (Common Industrial Protocol), lo que permite interoperabilidad máxima entre dispositivos.
Sea cual sea la tecnología usada en redes industriales, es claro que Ethernet es el rey de los protocolos en la cual Gigabit Ethernet tiene las mayores perspectivas de crecimiento.
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Vía: Control Engineering
Más Información: Altera, GarretCom, National Instruments, Rockwell Automation, CC-Link, Profibus-Profinet, Modbus
