La conexión de las instalaciones de fabricación a Internet permite aumentar la eficacia, la calidad y la productividad. Por ejemplo, las máquinas pueden programarse y controlarse a distancia, los datos de las máquinas y los procesos pueden analizarse continuamente para comprobar si hay errores o desviaciones del proceso, y pueden hacerse ajustes a distancia para afinar la producción en un circuito cerrado de retroalimentación. A largo plazo, los datos pueden utilizarse para planificar la futura ampliación y la integración más rápida de nuevas técnicas de fabricación.
Aunque los argumentos a favor de la conectividad son sólidos, la forma en que se logra esa conectividad requiere una seria consideración. Hay muchas opciones, pero Ethernet ofrece una solución accesible y probada para la red de la fábrica. Es la opción de red por cable más utilizada, a nivel mundial, con un buen soporte de los proveedores y una interoperabilidad sin fisuras con la nube. Y lo que es mejor, el cableado puede utilizarse para transportar energía (Power over Ethernet (PoE)) y datos, lo que significa que un conjunto de cables puede soportar la red y activar los sensores, actuadores y otros dispositivos conectados, como las cámaras.
Sin embargo, la Ethernet estándar no está a la altura del trabajo industrial. El hardware no está diseñado para funcionar de forma fiable en un entorno de fábrica caliente, sucio y propenso a las vibraciones. Además, los protocolos estándar de Ethernet no son deterministas y, por tanto, no se adaptan a las necesidades del entorno de la fábrica, donde la producción requiere un control casi en tiempo real para gestionar los procesos de alta velocidad.
Industrial Ethernet aporta todas las ventajas de la Ethernet estándar, pero añade la resistencia y el software determinista a la mezcla. Se trata de una tecnología probada y madura para la automatización industrial, que no solo permite enviar los datos de los procesos a la nube, sino también que un supervisor remoto pueda acceder fácilmente a los accionamientos, los PLC y los dispositivos de E/S en la planta de fabricación. Una modificación de la norma Ethernet, IEEE 802.3cg, utiliza un solo par de hilos para el transporte de datos, lo que reduce el volumen y el costo del cableado de fábrica.
En este artículo se analiza el reto de la conectividad en las aplicaciones industriales antes de exponer las diferencias entre Ethernet e Industrial Ethernet. A continuación, el artículo considera el uso de las tecnologías PoE y Ethernet de par único (SPE) antes de presentar el hardware real de Amphenol, y cómo puede implementarse en una red Industrial Ethernet.
Los retos de Ethernet para la industria
Aunque el Wi-Fi sea la forma más popular de conectarse a Internet para los consumidores, los locales comerciales suelen utilizar la tecnología de red de área local (LAN) por cable Ethernet para conectar computadoras y otros equipos.
En los inicios de Ethernet, las computadoras de la red utilizaban un único bus para comunicarse. Este tipo de red es la configuración más sencilla y es barata y fácil de instalar. Sin embargo, es relativamente ineficaz porque las computadoras conectadas compiten por el ancho de banda, lo que provoca congestión, pérdida de paquetes y una notable reducción del ancho de banda.
Las redes de oficina actuales suelen utilizar topologías de estrella, árbol o malla en las que los conmutadores controlan el acceso a la red para limitar la congestión y mantener el rendimiento. El tráfico de Ethernet es controlado por los conmutadores de forma que los mensajes directos van solo entre los dispositivos que necesitan comunicarse, en lugar de difundirlos por toda la red (Figura 1).
Figura 1: Los conmutadores Ethernet controlan el acceso a la red para limitar la congestión y mantener el rendimiento. (Fuente de la imagen: Amphenol)
Basada en una norma que se actualiza continuamente (IEEE 802.3), Ethernet está probada, es segura, fiable y ofrece velocidades de transmisión de hasta cientos de gigabytes (Gbytes). Aunque no forma parte de la norma, Ethernet suele utilizar TCP/IP (parte del conjunto de protocolos de Internet (IP)) para el enrutamiento y el transporte, lo que permite una conectividad perfecta con Internet. También permite que las redes se amplíen fácilmente con cables, conectores y conmutadores disponibles en cientos de proveedores.
Ethernet ha evolucionado para combinar la energía y las comunicaciones a través de un único cable Ethernet CAT 3 o CAT 5, lo que permite a los ingenieros construir redes de energía y Ethernet de bajo mantenimiento de forma rápida y económica, en comparación con las instalaciones que emplean sistemas separados. La tecnología se ha formalizado bajo un estándar del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) llamado PoE. Las principales ventajas de esta tecnología son su sencillez y el hecho de que la energía está disponible allí donde haya una toma de datos. (Véase «Introducción a la alimentación a través de Ethernet«).
Una enmienda reciente a la especificación de Ethernet, IEEE 802.3cg, describe la alternativa SPE para transportar datos a través de un solo par en lugar del cable CAT 3 o CAT 5 de varios tramos de Ethernet estándar o PoE. El SPE es adecuado para aplicaciones de automatización industrial porque permite a los diseñadores de los mercados de automatización de fábricas y edificios utilizar protocolos conocidos basados en Ethernet para la comunicación a larga distancia entre controladores y sensores industriales, al tiempo que se reduce considerablemente el volumen de cableado (Figura 2).
Figura 2: Ethernet de un solo par se perfila como una forma de Ethernet económica y que ahorra espacio para una serie de aplicaciones industriales y comerciales. (Fuente de la imagen: Amphenol)
En principio, Ethernet representa una forma ideal de enlazar una oficina de supervisión con la operación de fabricación, salvando eficazmente la brecha entre las redes de tecnología de la información (TI) y de tecnología operativa (TO).
Las instalaciones de fabricación suponen un reto de ingeniería adicional a la hora de implantar Ethernet. En primer lugar, las fábricas representan un entorno peligroso para los cables, conectores e interruptores delicados. El entorno es caluroso, polvoriento y lleno de productos químicos que son incompatibles con los tendidos de cable de más de 100 metros típicos de las implantaciones en fábrica. Además, la humedad y las vibraciones hacen estragos en los conductores y contactos. Además, las fábricas están llenas de grandes motores que se encienden y apagan constantemente, lo que provoca transitorios de tensión e interferencias electromagnéticas (EMI) que pueden interrumpir las comunicaciones de Ethernet.
En segundo lugar, una instalación de fabricación está llena de robots que se mueven rápidamente y máquinas sincronizadas que necesitan un control en tiempo real. Los mecanismos de comunicación no determinista de Ethernet estándar no están preparados para proporcionar esta capacidad de control.
Hardware de Industrial Ethernet
«Industrial Ethernet» es el término común para los sistemas Ethernet adaptados para su uso en fábricas. Estos sistemas se caracterizan por sus robustas capas físicas (PHY) y protocolos industriales como ModbusTCP, PROFINET y Ethernet/IP. Además, a diferencia de las implementaciones estándar de Ethernet, la Industrial Ethernet suele utilizar topologías de línea o de anillo porque ayudan a acortar los recorridos de los cables (limitando el impacto de la EMI), reducen la latencia e incorporan cierto grado de redundancia.
Los cables son resistentes e incluyen un apantallamiento para protegerlos de la EMI, y los conectores están igualmente protegidos contra los rigores de un entorno industrial.
Los fabricantes clasifican la resistencia de sus productos según el sistema de clasificación IP. La clasificación IP indica el grado de protección que ofrece el producto y está definida por la norma internacional EN 60529. El esquema consta de dos dígitos. El primero representa el nivel de protección frente a objetos sólidos, desde herramientas o dedos que podrían ser peligrosos si encontraran conductores eléctricos, hasta suciedad y polvo en el aire que podrían dañar los circuitos. El segundo dígito define la protección contra el goteo de agua, las salpicaduras o la inmersión. La gama se extiende desde el IP00 (sin protección contra el polvo o el agua) hasta el IP69 (protección total contra el polvo y los potentes chorros de agua a alta temperatura).
Los conectores de Industrial Ethernet suelen estar encerrados en una gama de carcasas de protección de hasta IP67. En este caso, una calificación de seis significa que no se filtrará polvo o suciedad nociva en la unidad incluso después de un contacto directo con la contaminación durante ocho horas. Un índice de protección contra el agua de siete significa que el dispositivo puede sumergirse en hasta un metro de agua dulce durante 30 minutos sin sufrir daños.
A la hora de seleccionar los PHY, los cables y los conectores para Industrial Ethernet, el diseñador debe comprobar la inmunidad a las interferencias electromagnéticas (EMI) examinando la hoja de datos en busca de las siguientes normas IEC y EN:
- IEC 61000-4-5 sobretensiones
- IEC 61000-4-4 transitorio eléctrico rápido (EFT)
- IEC 61000-4-2 ESD
- Inmunidad conducida IEC 61000-4-6
- EN 55032 emisiones radiadas
- EN 55032 emisiones conducidas
El cumplimiento de algunas o todas estas normas garantiza que el rendimiento del sistema de Ethernet industrial en el entorno de la fábrica será satisfactorio.
Conectores reforzados
Tanto si están incorporados a los paneles de control de las máquinas como a los conmutadores Ethernet o al cableado, los conectores son vitales para el rendimiento del sistema de Industrial Ethernet. Sin una selección cuidadosa, el fallo de un solo conector bajo el estrés de la producción a alta velocidad puede hacer que máquinas de millones de dólares funcionen mal o se detengan.
Hay varios proveedores que ofrecen conectores de Industrial Ethernet probados y fiables para una serie de aplicaciones Ethernet, PoE y SPE. Por ejemplo, la solución de cables y conectores rectangulares IP6X de Amphenol proporciona conectividad Ethernet CAT 6A utilizando la interfaz de acoplamiento IEC 61076-3-124 y un sellado total según las especificaciones IP65, IP66 e IP67. En particular, los conectores están pensados para su uso en aplicaciones de Industrial Ethernet que requieran una protección ambiental adicional y son adecuados para cualquier entorno robusto o duro, tanto en interiores como en exteriores.
La familia incluye la carcasa del conector rectangular NDHN200 IP67 de montaje en panel que se muestra en la figura 3. El conector NDHN3A2 de 10 posiciones, polivalente y sin soldadura (Figura 4), está diseñado para acoplarse al NDHN200. El conector de enchufe incluye un cierre de pestillo y una moldura blindada. Tiene una capacidad de 50 voltios de CA o 60 voltios de CC, 1.5 amperios (A), y puede acoplarse/desacoplarse hasta 250 veces.
Figura 3: El NDHN200 es una carcasa de conector rectangular con clasificación IP67 para aplicaciones de Industrial Ethernet. (Fuente de la imagen: Amphenol)
Figura 4: El NDHN3A2 es un conector de enchufe IP67 que incluye un cierre de pestillo y una moldura blindada. (Fuente de la imagen: Amphenol)
Amphenol también ha lanzado conectores SPE para la conectividad Ethernet de dispositivos periféricos como sensores, actuadores y cámaras que funcionan a velocidades de hasta un gigabit por segundo (Gbit/s). El factor de forma SPE reduce el tamaño, el peso y el costo en comparación con la Ethernet estándar. Los conectores tienen un grado de protección IP67 con un factor de forma circular de tamaño M12. Se acoplan a enchufes terminables en campo, proporcionando una interfaz completamente blindada con características de enclavamiento. Su capacidad de manejo de tensión/corriente de 60 voltios CC y hasta 4 A soporta PoE a una distancia de hasta 1 kilómetro (km). Un ejemplo es el MSPEJ6P2B02, un conector SPE 2P2C (Figura 5)
Figura 5: El conector SPE IP67 MSPEJ6P2B02 viene en el popular factor de forma circular de tamaño M12. (Fuente de la imagen: Amphenol)
La empresa también ofrece una gama similar de conectores SPE con un formato de enchufe rectangular con grado de protección IP20 en lugar de IP67. La solución ofrece las mismas prestaciones eléctricas que la gama M12, pero es menos costosa. Un ejemplo es el conector modular SPE MSPE-P2L0-2A0 (Figura 6).
Figura 6: El conector modular SPE IP20 MSPE-P2L0-2A0 es una opción económica para entornos menos peligrosos. (Fuente de la imagen: Amphenol)
Protocolos de Industrial Ethernet
El mecanismo de comunicación estándar de Ethernet es satisfactorio para el tráfico relativamente tranquilo de una oficina o una pequeña empresa. Pero ese mecanismo es susceptible de sufrir interrupciones y pérdida de paquetes, lo que provoca un aumento de la latencia que lo hace inadecuado para las exigencias casi en tiempo real de una línea de producción rápida y sincronizada. Como ya se ha dicho, un entorno de este tipo requiere un protocolo determinista que garantice que las instrucciones de la máquina lleguen a tiempo, en todo momento, sin importar la carga de la red.
Para superar este reto, el hardware de Ethernet Industrial se complementa con un software igualmente «industrial». Existen varios protocolos de Industrial Ethernet probados, como Ethernet/IP, ModbusTCP y PROFINET. Cada uno de ellos está diseñado para garantizar el determinismo de las aplicaciones de automatización industrial.
La mejor manera de describir la diferencia entre el software de Ethernet y el de Industrial Ethernet es considerar el modelo de abstracción de siete capas («pila») de ISO/OSI, que comprende las capas de PHY, enlace de datos, red, transporte, sesión, presentación y aplicación. La Ethernet estándar comprende las capas PHY, de enlace de datos, de red y de transporte (que utilizan TCP/IP o UDP/IP como transporte), y puede considerarse un mecanismo de comunicación que aporta eficacia, velocidad y versatilidad.
En cambio, los protocolos de Industrial Ethernet, por ejemplo, PROFINET, utilizan la capa de aplicación de la pila de Industrial Ethernet. PROFINET es un protocolo de comunicación diseñado para el intercambio de información entre máquinas y controladores en un entorno de automatización, que utiliza el estándar Ethernet como mecanismo de comunicación (Figura 7).
Figura 7: El modelo de abstracción de siete capas de ISO/OSI que representa la pila de software de Industrial Ethernet. Los protocolos de Industrial Ethernet, como PROFINET, se sitúan en la capa de aplicación. (Fuente de la imagen: Profinet)
El software de Industrial Ethernet también puede aprovechar otros protocolos diseñados específicamente para enviar datos a la nube. Algunos ejemplos son protocolos como MQTT o SNMP.
Conclusión:
Para tener en cuenta el duro entorno de la fábrica y los requisitos en tiempo real, Industrial Ethernet utiliza hardware reforzado, como conmutadores, cables y conectores, así como software industrial, para conectar de forma fiable las redes de TI y TO de la fábrica.
Como se ha demostrado, las soluciones de conectores comerciales probadas facilitan que los ingenieros aprovechen las ventajas de Industrial Ethernet para programar y controlar la automatización industrial de alta velocidad, al tiempo que recogen los datos profundos necesarios para mejorar y ampliar las operaciones de fabricación.
