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Para la automatización industrial del futuro

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Autor: Andreas Mangler, Director de Marketing Estratégico de Rutronik

Existen numerosos estándares de bus de campo que pretenden garantizar el soporte en tiempo real, pero ninguno de ellos ofrece una solución de red independiente del fabricante o de la plataforma. Se ha proporcionado una respuesta en forma de las redes sensibles al tiempo (Time-Sensitive Networking – TSN). Aun así, las aplicaciones móviles que utilizan una comunicación en tiempo real son posibles cuando se combinan con 5G. El Fraunhofer Institute for Production Technology (IPT) y múltiples empresas de ingeniería mecánica, robótica e ingeniería de redes han reconocido el potencial de la combinación de TSN con 5G. Juntas, han desarrollado una infraestructura de comunicación competente con el objetivo de crear una solución de comunicaciones de alta disponibilidad, fiable y segura para los sensores y los actuadores con soporte en la nube (cloud). TSN proporciona comunicaciones en tiempo real para los sistemas cableados, mientras que la tecnología móvil 5G gestiona todas las conexiones móviles y en la nube.

Una aplicación potencial podría encontrarse en el control preciso de un robot y una herramienta o de dos robots que trabajan juntos durante la producción en vivo. El procesamiento de datos se puede “subcontratar” a la nube utilizando esta infraestructura y los resultados se envían al sistema, lo que permite que los robots en sistemas de producción altamente dinámicos se controlen de forma adaptativa y flexible, sin necesidad de conectarlos directamente entre sí. Esto funciona con dispositivos de multitud de fabricantes, incluso usando maquinaria e instalaciones existentes. Hay otros muchos escenarios que también se pueden beneficiar de esta combinación y algunos que quizá sólo sean factibles con esta constelación, entre los que se encuentran la conducción autónoma, las aplicaciones de transporte y la cirugía remota.

TSN para Ethernet en tiempo real

Consideremos primero TSN, una evolución de Ethernet estándar. Ethernet ofrece servicios de comunicación de datos entre dispositivos de diferentes marcas para propósitos TI,  concretamente en entornos de oficina. Ethernet Industrial es una solución más robusta que resulta adecuada en entornos adversos. Los protocolos especiales EtherCAT, Profinet y Modbus TCP también aportan un entorno más determinístico —en otras palabras, los paquetes de datos se transmiten o reciben en momentos predecibles y, por ende, se elimina el riesgo de pérdida de datos.

Sin embargo, lo que Ethernet Industrial no garantiza es el soporte en tiempo real. Para este fin, el IEEE 802.1 Task Group ha desarrollado una gama de subestándares que hace referencia a TSN. Dichos estándares definen protocolos para la sincronización (IEEE 802.1AS), la configuración (IEEE 802.1Qcc en particular) y el control de datos de tráfico (Traffic Shaping and Scheduling, IEEE 802.1CB, 802.1Qbu y 802.1Qbv, entre otros). Esto significa que existe un plan común que establece cuándo se reenvían los paquetes de datos de manera priorizada.

TSN no cubre las siete capas del modelo OSI para protocolos de red, en el que cada capa define cómo dos sistemas comunican con tareas y funciones específicas. TSN aborda las Capas 1 y 2 y el aspecto del tiempo real, que abarca toda la longitud vertical del modelo. Esto supone que se requieren más protocolos para las capas superiores. Las empresas pueden continuar utilizando sus estándares existentes aquí, por ejemplo, OPC UA. TSN dota del beneficio de un soporte en tiempo real garantizado sin necesidad de adaptar los estándares.

Interoperabilidad y convergencia TI/TO

Gracias a los estándares abiertos, TSN posibilita la interoperabilidad independientemente del fabricante y de la plataforma entre diferentes dispositivos, máquinas e instalaciones, de manera similar a como trabaja Ethernet estándar en aplicaciones TI en oficinas. Estos componentes Ethernet estándares se pueden integrar en TSN, permitiendo que TSN establezca un enlace consistente entre los componentes de tecnología de la información (TI) y tecnología operativa (TO). Los sistemas críticos y no críticos con diferentes clases de tráfico pueden rendir en la misma red.

Con anchos de banda de 10 a 400 Gbit/s —en comparación con los 100 Mbit/s comúnmente vistos en redes Ethernet Industrial —TSN también responde a la demanda de incrementar los volúmenes de datos.

Hasta la fecha, solamente algunos de los subestándares TSN han sido ratificados —otros todavía se encuentran en proceso de desarrollo. Aun así, los estándares existentes se pueden implementar inmediatamente —al garantizar la comunicación en tiempo real y poder adaptarse a estándares futuros.

El soporte en tiempo real ahora disponible de forma inalámbrica gracias a 5G

5G ayuda a expandir globalmente el soporte en tiempo real a las redes inalámbricas a través de TSN. 5G no sólo respalda una latencia ultrabaja (ULL) y una sincronización precisa, sino que también aporta grandes mejoras en fiabilidad, alcance y ancho de banda con respecto a sus tecnologías predecesoras, todo con una eficiencia energética superior.

5G también posibilita la creación de redes privadas que resultan inaccesibles al público. Aportan beneficios en rendimiento, protección de datos y seguridad de red y, al mismo tiempo, dotan de calidad de servicio (QoS). Así es como 5G está sentando las bases para una comunicación segura entre una amplia variedad de máquinas e instalaciones, robots y componentes—desde sensores y actuadores a servicios en la nube. Por lo tanto, al desarrollar una red TSN, se recomienda tener en cuenta la posibilidad de integrar el soporte 5G para asegurarse de contar con una solución escalable y preparada para el futuro.

Integrando 5G en una red TSN

Un concepto del Grupo de Investigación del Centro de Investigación Alemán para la Inteligencia Artificial (DFKI), la Universidad Técnica de Kaiserslautern y Nokia Bell Labs demuestra cómo la sincronización TSN (IEEE 802.1AS) se puede integrar de acuerdo a los estándares 5G (Figura 1). El sistema 5G consta de una estación base 5G (gNB) y una red core 5G (5GC), así como de múltiples dispositivos finales (UE), uno de los cuales  (Referencia UE) se conecta a la red TSN cableada como parte del sistema de referencia. Este dispositivo debe soportar IEEE 802.1AS, por lo que se puede sincronizar con el reloj TSN a través del Grandmaster.

El sistema 5G también tiene su propio mecanismo de sincronización, donde cada estación base 5G (gNB) sincroniza los dispositivos finales en red con ella utilizando las señales de sincronización primaria (PSS) y secundaria (SSS). Los dispositivos finales emplean estas señales para identificar su celda inalámbrica y su trama de radio; usando algoritmos de sincronización específicos, pueden ajustar las diferencias de frecuencia y tiempo. Cada número de trama de sistema (SFN) entrante también se empareja con el tiempo del dispositivo final de referencia y se transmite a cada dispositivo final conectado. Si se utiliza OPC UA PubSub para la distribución, es posible sincronizar todos los dispositivos finales conectados a la estación base.

La sincronización entre la estación base y los dispositivos finales conectados significa que solo es necesario identificar el desplazamiento relativo al tiempo TSN correspondiente.

capas de transporte
Figura 1. Concepto para la distribución del tiempo TSN en una red 5G.

La Figura 2 ofrece una ilustración de las capas del mensaje. El protocolo de datagramas de usuario (UDP), junto con Multicast, se utiliza como el protocolo de transporte, por lo que cada dispositivo en el grupo Multicast recibe los mensajes suscritos.

capas del mensaje
Figura 2. Las capas de transporte OPC UA PubSub para los mensajes.

Como muestra la Figura 3, el equipo de investigación usó exitosamente esta disposición con un intervalo de sincronización de 31,25 ms para lograr una sincronicidad de 350 ns entre un kit de evaluación y un Intel NUC Mini PC.

kit de evaluacion
Figura 3. El desplazamiento máximo en la sincronización entre el kit de
evaluación TSN y un Intel NUC Mini PC era 350 ns con un intervalo de
sincronización 31,25 ms.

Figura 3: El desplazamiento máximo en la sincronización entre el kit de evaluación TSN y un Intel NUC Mini PC era 350 ns con un intervalo de sincronización 31,25 ms.

¿Qué significa tiempo real?

A la hora de garantizar el soporte en tiempo real en una red se requieren las siguientes características:

Cada dispositivo demanda un reloj interno preciso, por lo que cada paquete de datos se puede registrar (fecha y hora). Todos los dispositivos de la red necesitan estar sincronizados.

Los paquetes de datos se transmiten con una latencia muy baja, lo que implica que están sujetos a un límite de tiempo muy estricto. Las aplicaciones críticas (time-critical) requieren una latencia ultrabaja (ULL) de unos pocos milisegundos o incluso menos de un milisegundo, de un extremo a otro, es decir, desde el momento en el que comienza la transmisión hasta que se completa la recepción.

Alta estabilidad: La latencia siempre está relacionada con variaciones de tiempo denominadas como inestabilidad (jitter). Algunas aplicaciones de control industrial “prohíben” un jitter superior a unos pocos microsegundos, mientras que otras pueden gestionar retardos de hasta un milisegundo.

Así pues, estabilidad y latencia también son los parámetros más importantes para la calidad de servicio (QoS) de una red ULL.

Proveedor de soluciones para TSN y 5G

Todos los productos requeridos para crear una infraestructura TSN y 5G se encuentran en el catálogo de Rutronik. Los ingenieros de aplicación, los product managers y los line managers del distribuidor están disponibles para ayudar con la implementación.

Procesadores y tarjetas con soporte de TSN

El procesador  Atom x6000E de 10 nm de Intel y las gamas de producto Pentium y Celeron serie N y J poseen 2.5 GbE MACs con funciones TSN integradas. En comparación con la generación anterior, aumentan 1,7 veces el rendimiento single-thread, hasta 1,5 veces las prestaciones multithreading y doblan el rendimiento de GPU. Los gráficos UHD soportan una resolución de hasta 4kp60 en hasta tres pantallas simultáneamente. Su motor de servicios programables (PSE) con un microcontrolador ARM Cortex-M7 ofrece potencia de procesamiento independiente con bajos DMIP y E/S para aplicaciones IoT. También se distinguen por un servidor proxy de red, un controlador embebido y un sensor hub. Para las tareas remotas de monitorización y administración y de actualización de firmware y software, los procesadores proporcionan soporte en banda vía Wi-Fi o Ethernet; alternativamente, también es posible la administración fuera de banda sobre Ethernet cableado.

Hay numerosas tarjetas basadas en estos procesadores Intel y de una amplia variedad de fabricantes disponibles a través de Rutronik. El SMC-93 de Seco es el primer módulo SMARC especialmente desarrollado para seguridad funcional en sistemas críticos.

Advantech ofrece un módulo SMARC 2.1 con hasta cuatro núcleos y un 40 por ciento más de rendimiento CPU, así como una mayores prestaciones de GPU en comparación con modelos previos. El SOM-2532 se caracteriza por dos interfaces LAN GbE para TSN PHY de comunicación de dispositivo de tiempo real y USB 3.2 Gen2 y PCIe Gen3. Con CAN FD, es posible alcanzar velocidades de transferencia de datos hasta diez veces más rápidas —un aspecto muy interesante en aplicaciones con grandes cantidades de datos. El software WISE-DeviceOn de Advantech asegura que los dispositivos IoT operan con estabilidad y se pueden administrar remotamente. Por lo tanto, el SOM-2532 se puede recomendar en aplicaciones en automoción, ingeniería biomédica y transporte.

El ordenador monotarjeta (SBC) de 3.5” MIO-5152 de Advantech también está equipado con los últimos procesadores Intel y WISE-DeviceOn de Advantech. Tiene 32 GB de DDR4-3200  y diversas interfaces, como HDMI 2.0/DP/LVDS, Dual GbE, cuatro zócalos USB 3.2, cuatro zócalos USB 2.0, seis interfaces UART y soporte de TPM.

Kontron también ofrece un módulo SMARC 2.1 (SMARC-sXEL (E2)), así como dos modelos COM Express con soporte de TSN (COMe-mEL10 (E2) COM Express mini Tipo 10 y COMe-cEL6 (E2) COM Express Compact Tipo 6). Los tres productos se presentan como versiones con Intel Atom x6000E, Pentium o Celeron y poseen numerosas interfaces.

Además, se encuentra disponible una tarjeta comparable de DFI con formato Thin Mini-ITX y procesador Intel Atom X6000.

Kontron ha desarrollado un sistema TSN listo para usarse—el KBox C-102-2 TSN Starter Kit incluye el IPC KBox C-102-2 y la tarjeta de interfaz Gigabit Ethernet PCIe-0400-TSN con soporte de TSN. Las cuatro interfaces de red con función de conmutación se basan en Ethernet estándar como especifica IEEE 802.3 y posibilitan aplicaciones de control determinístico en redes convergentes, desde TO a TI, sin necesidad de switches adicionales. El sistema se envía con Realtime Linux y una herramienta de gestión de red para poder establecer rápidamente los parámetros de una red TSN. El hardware y el software actualizables abren la solución a los estándares TSN nuevos y evolucionados. Las aplicaciones abarcan ordenadores y servidores de control industrial determinístico, redes convergentes para tráfico crítico y no crítico y sistemas de seguridad para proteger el tráfico determinístico ante ataques maliciosos.

Tarjetas, módems y antenas 5G

El catálogo de productos de Rutronik también cuenta con una amplia selección de componentes de hardware para el desarrollo de redes campus 5G, incluyendo tarjetas y módems 5G, así como antenas. Esta oferta incluye una de las primeras soluciones 5G disponibles —la tarjeta 5G-M.2 FN980 de Telit, que soporta las bandas LTE y 5G sub-6 GHz globales. Con un formato de 30 × 50 mm y un rango de temperatura de -40 a +85 °C, está especialmente indicada para uso en aplicaciones industriales. El modelo FN980m también respalda las nuevas bandas de frecuencia mmWave por encima de 30 GHz. Las tarjeta de Telit se fundamentan en el chipset Snapdragon X55 5G de Qualcomm, al igual que los módulos 5G-M.2 de la familia AIW-355 de Advantech. A diferencia de Telit, Advantech se está orientando hacia versiones específicas para Europa, América del Norte y Japón con la familia AIW-355. Con unas dimensiones de 30 × 52 mm, tiene un formato ligeramente mayor y un rango de temperatura (reducido) de -10 a +55 °C. Las tarjetas 5G-M.2 de ambos fabricantes disponen de múltiples zócalos de antena 5G y GNSS.

Rutronik ofrece varias antenas 5G de 2J, AVX y PulseLarsen. La antena SMD 5G W3415 con diseño compacto de PulseLarsen es compatible con todas las bandas sub-6 GHz (4G y 5G) y sólo mide 40 × 7 × 3 mm. La serie W3554 de antenas dipolares de banda ultraancha de PulseLarsen con un espectro de frecuencia de 698 a 6000 MHz es ideal tanto en aplicaciones 5G como en 2G, 3G, 4G, GNSS, Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy, Zigbee y las bandas ISM de 868, 915, 2400 y 5000 MHz. La antena de PCB mide 30 × 120  × 0,2 mm.

Para respaldar el desarrollo de una red campus interna, Rutronik también suministra componentes de red 5G especiales de FSP. Resultan idóneos para respaldar el despliegue de estaciones base, redes de acceso, centros de datos o dispositivos de red individuales.

Ya sea para 2G, 3G, 4G o 5G, con soporte para GNSS, Wi-Fi, Bluetooth y más, la antena dipolar de banda ultraancha W3554 de PulseLarsen puede hacerlo todo.

Conclusión

TSN eleva el estándar Ethernet a un nuevo nivel de comunicación en tiempo real. Respalda una conexión consistente e independiente del fabricante en dispositivos TI y TO. 5G permite que esta oportunidad se amplíe a las conexiones móviles. La combinación de ambas tecnologías dota de la bases para la robótica colaborativa y el control fiable de sistemas de producción altamente dinámicos, incluyendo robots móviles, así como para los sistemas de transporte de mercancías, conducción asistida y autónoma, cirugía remota y aplicaciones de realidad aumentada (RA) y virtual (RV).