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Marcando el ritmo a los sistemas industriales en tiempo real

La tecnología de la automatización aprovecha cada vez más Ethernet industrial – y existe una buena razón para ello: combina capacidad en tiempo real con la robustez y la seguridad de los buses de campo. Sin embargo, es necesario disponer de cristales y osciladores de alta fiabilidad y elevada precisión de señal a la hora de garantizar el cumplimiento de los estrictos requisitos en tiempo real del nivel de control y campo.

Según un estudio de HMS Industrial Networks, los buses de campo convencionales se usan en el 48 por ciento de las redes industriales implementadas, mientras que Ethernet industrial tiene una cuota del 46 por ciento (en marzo de 2017). Pero esta distribución puede cambiar drásticamente. HMS estima un crecimiento anual del 4 por ciento para para los buses de campo y del 22 por ciento para Ethernet industrial. La cuota de mercado de Ethernet industrial ha crecido rápidamente (del 38 por ciento en 2016 al 46 por ciento en 2017). Otros analistas han ofrecido cifras diferentes, pero coinciden en la transición hacia Ethernet industrial.

Debido a su capacidad de combinar rendimiento en tiempo real con la robustez y la seguridad de los buses de campo, Ethernet industrial supera las actuales demandas de proyectos de automatización. Además, permite una comunicación continua desde el actuador o el sensor a nivel de campo hasta los sistemas a nivel de gestión o compañía, ya que las soluciones TI de las compañías se basan en Ethernet. Por ahora, existen muchos protocolos de aplicación incompatibles como, por ejemplo, Ethernet/IP, EtherCAT, SERCOS, Profinet o Powerlink. De acuerdo a HMS, el mercado sigue dominado por EtherNet/IP, Profinet y EtherCAT, que son empleados por un gran número de proveedores de maquinaria para factorías con el objetivo de mejorar el rendimiento y la facilidad de uso de los procesos – especialmente cuando la fiabilidad y la estabilidad son aspectos esenciales.

Rápido y flexible: EtherCAT

La tecnología más rápida es de lejos EtherCAT, que también ofrece una precisión de sincronización excepcional en el rango de los nanosegundos. Gracias a estos tiempos de respuesta cortos, acelera cada aplicación con pasos en función de las condiciones. Como EtherCAT reduce la carga en la CPU alrededor del 30 por ciento en comparación con otros sistemas de bus, dado el mismo ciclo, establece la base para lograr mejoras en rendimiento y precisión – y, por ende, alcanzar conceptos de control y regulación que no se pueden conseguir con sistemas de bus de campo convencionales.

El procesamiento de protocolo se fundamenta totalmente en hardware, sin tomar en consideración la implementación de software. El intercambio de datos se basa en el modelo maestro – esclavo; aunque en términos de topología, EtherCAT proporciona flexibilidad absoluta: es posible beneficiarse de topologías de línea, árbol y estrella y cualquier combinación de ellas, con un número casi ilimitado de nodos. Las estructuras bien conocidas de los buses de campo también se encuentran disponibles para Ethernet al usar EtherCAT. El protocolo está especialmente indicado en aplicaciones de control de movimiento de respuesta rápida como, por ejemplo, maquinaria de embalaje, máquinas de control numérico computarizado (CNC), sistemas robóticos y controles hidráulicos.

El EtherCAT Technology Group (ETG) promueve EtherCAT, una tecnología desarrollada originalmente por Beckhoff, y es el responsable de su expansión continuada en todo el mundo. El grupo ha creado la Conformance Test Tool, que se usa a la hora de garantizar la interoperabilidad y la conformidad del protocolo de los dispositivos EtherCAT. Además, ofrece soporte a los socios del ETG antes, durante y después de la implementación, así como cursos de formación y talleres (workshops). Con más de 4.400 miembros – entre los que se encuentra Rutronik – el ETG es la mayor organización de usuarios de Ethernet industrial.

Tiempo real duro y blando

Aunque la comunicación de sistema a nivel gestión y compañía no es particularmente crítica en lo que se refiere al tiempo y sólo define los requisitos de tiempo real blando, el nivel de control y campo cada vez más demanda un tiempo real duro. Se necesita un intercambio de datos rápido y seguro para garantizar un sistema complejo en el que todos los componentes interactúan eficientemente. Aparte de un excelente comportamiento en tiempo real, las redes también deberían asegurar mínimas alteraciones y procesos sincronizados en los nodos de red. La sincronización es muy importante en aquellas aplicaciones con procesos distribuidos espacialmente que requieren acciones simultáneas, como sucede en tareas en las que múltiples servocontroladores ejecutan movimientos coordinados. Los relojes distribuidos consiguen una base de tiempo de red muy precisa. Estas demandas y funciones van más allá del simple estándar Ethernet. Se pueden implementar en varias soluciones de hardware factibles, por ejemplo, con FPGAs, ASICs o controladores completamente integrados. Aquí se necesitan cristales, osciladores o relojes en tiempo real de alta fiabilidad con elevada calidad de señal para llevar a cabo la sincronización.

Cristales y osciladores precisos y fiables

EPSON ofrece cristales y osciladores que combinan requisitos de tiempo real blando y duro con ciclos cortos y elevada estabilidad. La amplia gama de componentes de frecuencia del fabricante satisface las necesidades de los actuales protocolos. Estos productos son ideales en un gran número de aplicaciones, destacando interfaces hombre máquina (HMI), controladores lógicos programables (PLC) o controladores de movimiento (servomotores, cámaras FA y sensores) e inversores de frecuencia. Los osciladores MEMS se consideran mecánicamente robustos, una buena ventaja en aplicaciones industriales rugerizadas. Pero, en términos de precisión y estabilidad de fase y de temperatura, los modelos basados en cristal todavía son la mejor elección. En los populares EtherCAT-ASICs ET1100/ET1200 de Beckhoff, el hardware integra muchos algoritmos de protocolo.

Cuentan con relojes distribuidos que permiten una sincronización muy precisa (<<1 μs) de los esclavos EtherCAT. La serie SG-210STF, que tiene un formato de 2.5 x 2.0 mm, también se encuentra disponible con las mismas características en versiones de 7 x 5 mm (SG7050) y 5 x 3.2 mm (SG5032) y es recomendable para las frecuencias estándares de los protocolos que demandan +/-50 ppm en el rango de temperatura de -40 a +85°C. La serie SG-210S*B resulta idónea para un rango ampliado de temperatura de hasta +105 o +125 °C. Los osciladores de cristal programables de las series SG-8018- y SG-8101, por su parte, están especialmente indicados en frecuencias no estándares, pequeños lotes y cortos periodos de entrega. Se suministran con un circuito PLL interno que genera las respectivas frecuencias. La nueva serie SG-8101 ofrece un rango de temperatura operativa de hasta +105 °C y, por consiguiente, se puede utilizar en condiciones ambientales adversas.

También se caracteriza por una tolerancia de frecuencia un 66 por ciento más ajustada (+/-50 ppm a +/-15 ppm) y un consumo de corriente un 50 por ciento menor que productos similares. Los osciladores de cristal de la gama SG-8101, por ende, ayudan a mejorar las propiedades del sistema con tiempo real duro, bajo consumo de corriente y rápidos ciclos de desarrollo. Resultan idóneos para producción de menor volumen y se encuentran disponibles en varios tamaños de encapsulado de 7 x 5 mm a 2.5 x 2 mm. Y, como todos los osciladores Epson: cuanto más compacto, más barato. SG-8018 es la serie Epson PLL más económica y está especificada como estándar con una tolerancia de frecuencia de +/-50 ppm para el rango entre -40 y +105 °C, superando así los requisitos de futuras aplicaciones. Esta familia también se suministra en encapsulados con un formato de 7 x 5 mm a 2.5 x 2 mm.

Relojes en tiempo real para alcanzar la máxima precisión

Si se requiere mayor precisión, los relojes en tiempo real (RTC) son la respuesta. Estos módulos separados tienen un diseño sencillo gracias al cristal integrado, un elevado nivel de fiabilidad y un bajo consumo de corriente, y se pueden usar, por ejemplo, como función de back-up. Para garantizar ese nivel superior de precisión, que cada vez es más importante en sistemas conectados en red, la serie RX8900CE de Epson se presenta con osciladores de cristal compensados en temperatura. Así, pueden comparar la secuencia cronológica de varios eventos. Los RTCs ofrecen estabilidad de frecuencia de hasta ±3.4 x 10-6 en el rango de temperatura de -40 a +85 °C. El fabricante es el responsable de adaptar el cristal tanto en los osciladores como en los relojes en tiempo real, eliminando la necesidad de volver a analizar el diseño, lo que reduce significativamente el tiempo de llegada al mercado. EPSON también ofrece un servicio de evaluación para adecuar el cristal al diseño y, en consecuencia, ahorrar tiempo y dinero. Rutronik ayuda a seleccionar los productos más indicados y actúa como intermediario entre el fabricante y el cliente.

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