Autor: Lars Mickan, Renesas Electronics
La implementación de una interfaz Industrial Ethernet impone ciertas exigencias al hardware y al software y requiere conocimientos técnicos adecuados para su implementación. Mediante el uso de la nueva solución de módulo Renesas Stamp, los clientes pueden integrar correctamente el hardware y el software sin un conocimiento específico de los protocolos Ethernet Industriales.
¿Por qué Ethernet industrial?
Los protocolos Ethernet Industriales se han consolidado en el campo de la automatización de fábricas y procesos. Los protocolos PROFINET, Ethernet IP y EtherCAT juntos, tienen una cuota de mercado del 70%. El mercado Ethernet Industrial está creciendo un 20 % cada año y ya ha alcanzado una cuota de más del 50 %.
En comparación con las tecnologías de bus de campo tradicionales, el protocolo basado en Ethernet tiene las siguientes ventajas:
- Mejor rendimiento y propiedades extendidas en tiempo real, incluso con grandes cantidades de datos
- Integración consistente en los sistemas de TI
- Uso de herramientas de diagnóstico conocidas y existentes
Con la introducción de protocolos de comunicación basados en Ethernet en la capa OT, la conexión entre la comunicación OT y TI se vuelve más fácil y todos los datos de los dispositivos de campo (capa OT) están disponibles en la capa TI.
Si bien esto permite el uso de todos los datos disponibles del campo, plantea nuevos desafíos, como Ethernet en tiempo real y seguridad de la red.
La comunicación Ethernet en tiempo real debe basarse en el estándar IEEE 802.1 y debe cubrir los siguientes temas, básicamente las diferentes partes del estándar:
- ASrev: temporización y sincronización para aplicaciones sensibles al tiempo en redes de área local puenteadas
- Qbu: preferencia de paquete
- Qbv: Tráfico Programado
- CB: replicación y eliminación de paquetes para seguridad
- Qch: cola cíclica y reenvío
- Qci: filtrado y vigilancia por transmisión
- Qcc: Protocolo de reserva de transmisión
La seguridad de Ethernet también es un tema importante porque todas las partes críticas de la planta de automatización ahora están conectadas y accesibles a través de Ethernet estándar como en el mundo de TI. Las principales organizaciones de usuarios finales como NAMUR ya han reconocido este tema y especificado los requisitos (por ejemplo, NE-153, IEC 62443 o directiva VDI/VDE 2182).
Las siguientes secciones describirán la solución que responde a todos estos desafíos.
Separación de aplicación y comunicación
Para aprovechar rápidamente las ventajas Ethernet Industrial, muchos fabricantes de dispositivos y sistemas buscan formas de equipar sus productos con una interfaz adecuada. Un problema es que, aunque tienen conocimientos sobre la aplicación, los protocolos de comunicación no forman parte de sus competencias básicas. Por lo tanto, tiene sentido separar las tecnologías de aplicación y de comunicación y conectarlas a través de una interfaz simple y genérica. Esto permite que el desarrollador del dispositivo o del sistema se concentre en crear la aplicación y no en ocuparse en detalle de la transferencia de datos.
Una de estas soluciones es el módulo basado en Renesas RZ/N2L (un módulo Stamp). Comprende una solución completa para los requisitos especiales Ethernet Industrial (PROFINET, Ethernet IP y EtherCAT) con dos puertos PHY. Además de los protocolos Industrial Ethernet, el dispositivo RZ/N2L es compatible con todas las funciones de seguridad de última generación (como el manejo avanzado de claves o las operaciones criptográficas físicas aisladas) gracias a su motor criptográfico de seguridad integrado. El módulo se puede ensamblar con una máquina de recoger y colocar y soldar en reflujo como un componente SMD estándar. En el módulo está disponible la memoria necesaria (RAM, flash) para los protocolos Industrial Ethernet, así como la fuente de alimentación (diferentes voltajes) para el procesador y la memoria.
Además, la solución del módulo Stamp de Renesas se puede utilizar de inmediato, ya que las licencias de software para las pilas de protocolos están incluidas en el precio del módulo. El módulo se puede conectar a cualquier MCU existente a través de una interfaz SPI simple.
La interfaz de software simple (API) permite que los datos se transfieran fácilmente desde la aplicación a la interfaz de comunicación (datos de entrada) o en la otra dirección (datos de salida). Además, la interfaz del software ofrece las siguientes funciones:
- Inicio del protocolo Ethernet Industrial y sus estructuras
- Descarga de firmware de la comunicación y software de aplicación
- Lectura de archivos de registro para diagnóstico y solución de problemas
Los ejemplos de aplicaciones de software demuestran la funcionalidad de la API y muestran a los usuarios cómo activar los protocolos de Industrial Ethernet. Los proyectos de ejemplo están disponibles y optimizados para RX y RA de Renesas MCU.
Las certificaciones existentes permiten una experiencia plug & play
Otra gran ventaja de la solución del módulo Stamp de Renesas es que, además de las certificaciones de software (protocolo), también se ha certificado el hardware. A diferencia de la certificación de software, estos resultados de las pruebas de certificación se pueden utilizar para el producto final. Dado que la certificación del software incluye la aplicación, esta debe hacerse con el dispositivo final que incluye el software de la aplicación.
Los siguientes certificados de hardware son necesarios y están disponibles:
- Prueba de RoHS
- Validación de REACH
- Medición con respecto a EMC
Existe una declaración de Renesas para RoHS y REACH, que se basa en el hecho de que todos los componentes y materiales utilizados en el módulo han sido probados para cumplir con la Directiva Europea 2015/863/EU y los criterios de REACH (No. 1907/2006).
Reconocimiento de Cumplimiento del Reglamento Europeo (CE) Registro, Evaluación, Autorización de Productos Químicos (REACH) Nº 1907/2006, en vigor desde el 1 de junio de 2007. (renesas.com)
Para lograr la conformidad CE, el hardware del módulo se probó de acuerdo con los estándares requeridos para la compatibilidad electromagnética (EN 55011, EN 55024, EN 61000-4-2/3/4/5/6) en un laboratorio de pruebas acreditado.
Todas estas pruebas de conformidad que ya están disponibles permiten al fabricante del dispositivo acortar el tiempo y los costes de desarrollo al tiempo que garantiza una rápida entrada en el mercado del producto. En tiempos de desarrollo ágil, estos son criterios importantes que hablan a favor del uso de una solución modular.
Kit de herramientas y ejemplos de software para un desarrollo rápido y exitoso
Además, Renesas ofrece una versión de kit de la solución del módulo, que consiste en el módulo Renesas Industrial Ethernet Stamp en una placa de desarrollo de adaptador. Esta placa adaptadora contiene las interfaces Arduino y Pmod estandarizadas, a través de las cuales se puede conectar a otras placas de desarrollo Renesas MCU como Renesas RA y RX.
