cómo funciona ethernet industrial

La definición del protocolo Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol) es la de un estándar de red de comunicación capaz de manejar grandes cantidades de datos a velocidades de 10 Mbps o 100 Mbps, y hasta 1500 bytes por paquete. La especificación utiliza un protocolo abierto en la capa de aplicación.

En la industria es especialmente popular para aplicaciones de control. En definitiva, este tipo de red es fácil de configurar, operar, mantener y ampliar. A su vez, permite la mezcla de productos de 10 Mbps y 100 Mbps, y es compatible con la mayoría de los conmutadores (switch) Ethernet.

Esta tecnología se utiliza con ordenadores personales, mainframes, robots, dispositivos y adaptadores de entrada/salida (E/S), controladores lógicos programables (PLC) y otros dispositivos. La especificación está respaldada por la Industrial Ethernet Association (IEA), ControlNet International (CI) y la Open DeviceNet Vendor Association (ODVA).

Recientemente se ha convertido en la tendencia más utilizada en el movimiento de datos en aplicaciones industriales en la planta de producción. Sin embargo, la planta de producción es un entorno muy diferente al doméstico y al de la oficina. Por su lado, las aplicaciones de fábrica también presentan muchas necesidades diferentes a las aplicaciones comerciales.

Debido a su fiabilidad, rendimiento e interoperabilidad inherentes, Ethernet se ha infiltrado en la planta de producción como el protocolo de comunicación preferido para los sistemas de automatización y control. En los últimos años, Ethernet Industrial ha superado la cuota de mercado de los protocolos de bus de campo tradicionales que normalmente requieren múltiples opciones de cableado.

Para entender qué es el ethernet industrial y cómo funciona es necesario conocer que utiliza esencialmente protocolos industriales especiales, encapsulados en el protocolo Ethernet, de forma que se garantice el envío y la recepción de la información correcta en el momento y el lugar en que se necesita para realizar una operación específica.

Breve Historia de Ethernet

Aunque Bob Metcalfe de Xerox esbozó el concepto original de Ethernet en una servilleta en 1973, su inspiración llegó incluso antes. En aquellos años ALOHAnet era una red de datos inalámbrica creada para conectar varios sistemas informáticos en los campus universitarios hawaianos (en diferentes islas). El reto consistía en permitir que varios nodos de radio con datos independientes se comunicaran entre sí, sin interferir entre ellos. La solución de ALOHAnet era una versión del concepto de detección de colisiones (CSMA/CD).

En definitiva, Metcalfe basó su trabajo de doctorado en la búsqueda de mejoras en ALOHAnet. Esto le llevó a trabajar con Ethernet. Años más tarde, el protocolo de comunicación se convirtió en la base del estándar de red IEEE 802.3 que especificó la capa física y la capa de enlace de datos de la funcionalidad de red.

Qué es la capa física de Ethernet

En los primeros tiempos, las opciones de Ethernet eran más limitadas que en la actualidad. Dos de las opciones más comunes eran las configuraciones 10Base2 y 10Base5. Ambas funcionaban a 10 Mbps y utilizaban cable coaxial con nodos conectados al cable mediante conectores en T, o a través de interfaces de unidad de conexión (AUI) en una configuración de bus multipunto. Las redes 10Base2 permitían longitudes de segmento de hasta 185 pies (56´38 metros aprox.) utilizando cable coaxial RG 58 (también llamado Thin Ethernet).

Este tipo de redes 10Base5 ofrecía mayores distancias entre nodos, pero el grueso cable coaxial y las conexiones eran voluminosas y difíciles de trabajar. Más tarde, otra solución en esta categoría de velocidad fue 10Base-FL, que utiliza cableado de fibra óptica y proporciona distancias superiores a los 2.000 pies (609´6 metros).

Otra de las primeras opciones de capa física de 10 Mbps -10Base-T- ganó popularidad rápidamente porque era más fácil de instalar y usaba cable barato de Categoría 3 de par trenzado sin blindaje (UTP). Los nodos (normalmente ordenadores con tarjetas de interfaz de red o NIC) se conectaban en una topología en estrella a un concentrador, que a su vez estaba conectado a otros segmentos de la red. Cada computadora tenía que estar a menos de 100 pies (30,48 metros) del centro. Se utilizaron conectores RJ-45 estándar.

A mediados de la década de 1990, empezó a estar disponible el equipo Ethernet de 100 Mbps , lo que aumentó significativamente la velocidad de transferencia de datos. Las NIC que se ajustarían automáticamente para funcionar a 10Mbps o 100Mbps simplificaron la migración al estándar más rápido. Hoy en día, prácticamente todas las tarjetas de interfaz de red de ordenadores implementan 100Base-TX. El cable UTP de categoría 5e es el cable estándar utilizado con 100Base-TX y las longitudes de cable son las mismas que para las redes 10Base-T.

En la actualidad, las redes coaxiales están siendo reemplazadas cada vez más por medios de fibra óptica, especialmente para enlaces punto a punto. Por ejemplo, 100Base-FX utiliza dos fibras ópticas y permite comunicaciones punto a punto full duplex de hasta 2,000 pies (609´6 metros).

Qué es la capa de enlace de datos

La capa de enlace de datos en Ethernet define su método de acceso a los medios. Los enlaces semidúplex, como los conectados en topologías de bus o estrella (10/100Base-T, 10Base2, 10Base5, etc.), utilizan el sentido de portadora, acceso múltiple con detección de colisiones (CSMA/CD). Este método permite que múltiples nodos tengan igual acceso a la red, similar a los primeros sistemas telefónicos de línea compartida en los que los usuarios escuchaban las conversaciones en curso y esperaban hasta que la línea estuviera libre antes de acceder a ella.

Todos los nodos de una red Ethernet monitorean continuamente las transmisiones en los medios. Si un nodo necesita transmitir, espera hasta que la red esté inactiva, entonces comienza la transmisión. Mientras transmite, cada nodo monitorea su propia transmisión y compara lo que `oye’ con lo que está tratando de enviar. Si dos nodos empiezan a transmitir al mismo tiempo, las señales se superponen, estropeando los originales. Ambos nodos verán una señal diferente a la que están tratando de enviar. Esto se reconoce como una «colisión». Si hay una colisión, cada nodo deja de transmitir y sólo intenta retransmitir después de un retardo preestablecido, que es diferente para cada nodo.

Este método de acceso a los medios de comunicación facilita la adición o eliminación de nodos de una red. Simplemente conectando otro nodo,  comenzará a escuchar y transmitir cuando la red esté disponible.

 

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Diagrama Básico Ethernet Industrial (Ejemplo)

Cómo hacer una red ethernet industrial

La distribución de una red Ethernet Industrial básica permite unir las redes administrativas de la empresa (Contabilidad, RRHH, Gestión de materias primas, ERP, Lógística …), las de control y supervisión de los procesos productivos (MES, SCADA, HMI, autómatas, controladores, RTU´s) y la de los dispositivos (sensores, transductores, celulas fotoeléctricas, actuadores …) para que funcionen en una única red.

Para la conexión de toda las redes mencionadas en una sola se utilizan los switches que son los dispositivos que, junto al cableado, constituyen lo que se conoce como una red de área local (LAN).

La red corporativa (administrativa) soporta las funciones administrativas tradicionales y las aplicaciones corporativas, como recursos humanos, contabilidad y aprovisionamiento, así como la intranet de la empresa y la conectividad a Internet. Esta red se basa normalmente en la suite de protocolos TCP/IP.

Las redes de control y supervisión conectan dispositivos de control y monitorización, incluidos los programables, controladores de automatización, software de automatización, racks de E/S, variadores e interfaces hombre-máquina (HMI). Esta red requiere un enrutador o, en la mayoría de los casos, una pasarela de red para traducir los protocolos específicos de la aplicación a Protocolos basados en Ethernet.

Esta traducción permite que la información pase entre la red de control sobre
la planta de producción y la infraestructura de la red corporativa, pero tiene una funcionalidad limitada y requiere un esfuerzo significativo para mantenerse al día.

La red de los dispositivos conecta los controladores con los dispositivos de E/S de la planta de producción, incluidos los sensores, como transductores, celulas fotoeléctricas, caudalímetros, y otros equipos de automatización y movimiento, como la robótica, los variadores de frecuencia y los actuadores. La Interconectividad entre ellos se efectua con una variedad de buses de campo tales como DeviceNet, Profibus, y Modbus. Cada bus de campo tiene requisitos específicos de alimentación, cableado y comunicación, dependiendo de los diferentes factores en la aplicación de fábrica que soporta.

En este tipo de redes, la información específica del bus de campo que se utiliza para controlar dispositivos de E/S y otros componentes de fabricación están integrados en tramas Ethernet. En este caso la tecnología se basa en los estándares de la industria y no en estándares personalizados o patentados, por lo que es más interoperable con otros equipos y sistemas de red.

La comunicación industrial se produce en el nivel de enrutamiento, el nivel de control y el nivel de sensor, cada uno de los cuales requiere diferentes niveles de transferencia de información en tiempo real, detección de colisiones y determinismo (esencialmente determinando de antemano la ruta entre dos nodos cualesquiera).

Aunque existen varios protocolos de red industrial que soportan una variedad de requisitos de comunicación en la planta de producción, hay cuatro actores principales que vale la pena mencionar para conocer cómo hacer una red de ethernet industrial: Modbus TCP/IP, EtherCat, EtherNet/IP y Profinet.

  • Modbus TCP/IP fue el primer protocolo Ethernet Industrial introducido, y es esencialmente una comunicación Modbus tradicional que se comprime dentro de un protocolo de capa de transporte Ethernet para transferir datos discretos entre dispositivos de control. Utiliza una comunicación simple maestro-esclavo en la que el nodo «esclavo» no transmite datos sin una petición del nodo «maestro», pero no se considera un protocolo en tiempo real.
  • Introducido en 2003, EtherCAT es un protocolo de Ethernet Industrial que ofrece comunicación en tiempo real en una configuración maestro/esclavo para sistemas de automatización. El elemento clave de EtherCAT es la capacidad de todos los esclavos conectados en red de extraer sólo la información relevante que necesitan de los paquetes de datos e insertar los datos en la trama a medida que transmiten aguas abajo (información que fluye hacia el usuario final), lo que a menudo se denomina comunicación «sobre la marcha».
  • Lanzado inicialmente en el año 2000, Ethernet/IP es un protocolo Ethernet industrial de capa de aplicación ampliamente utilizado, homologado por la Open Device Vendors Association (ODVA) y suministrado principalmente por Rockwell Automation. Es el único protocolo Ethernet industrial que se basa completamente en los estándares Ethernet y utiliza capas físicas, de enlace de datos, de red y de transporte estándar de Ethernet. Dado que utiliza conmutación Ethernet estándar, puede soportar un número ilimitado de nodos. Sin embargo, requiere un alcance limitado para evitar la latencia y permitir la comunicación en tiempo real.
  • Otro actor importante (en gran medida debido a su integración en los controladores de Siemens y GE) es Profinet, un protocolo de aplicación desarrollado por Siemens en colaboración con empresas miembro de una organización de usuarios de Profibus. Básicamente, amplía la comunicación del controlador de E/S Profibus a Ethernet mediante conmutadores especiales integrados en los dispositivos.

Características de los cables de Ethernet Industrial

Cuando se trata de los cables que soportan estas redes de Ethernet Industrial, existen algunas diferencias clave en comparación con la Ethernet comercial. En primer lugar, las velocidades de las que estamos hablando para Ethernet Industrial son mucho más bajas que el gigabit y las necesidades de mayor ancho de banda que vemos en la LAN – alrededor de 100 Mb/s- son las velocidades comunes utilizadas en Ethernet Industrial. Esto tiene sentido ya que la cantidad de ancho de banda necesaria para enviar información de control y automatización en una red industrial es una fracción de lo que se necesita para descargar un vídeo de YouTube.

Debido a que los entornos industriales requieren cables y conectividad que deben soportar una variedad de condiciones extremas (vibración, líquidos, polvo, productos químicos e interferencias electromagnéticas), los componentes presentan una construcción más robusta que los utilizados en las redes LAN de oficina.

Por ejemplo, mientras que el cable sólo necesita un rendimiento de Categoría 5 o Categoría 5e, los cables industriales a menudo cuentan con un calibre más grande (típicamente 22AWG) para acomodarse a temperaturas más altas, construcción blindada para la prevención del ruido, conductores trenzados para la flexión y materiales de cubierta especiales como el poliuretano para la resistencia a productos químicos, al aceite y la abrasión.

Los mismos conductores  pueden incluso estar recubiertos para evitar la corrosión. Estas características hacen que el precio de los cables de Ethernet industrial sea mucho más elevado que el de los cables LAN de uso cotidiano.

Los conectores utilizados en Ethernet Industrial también deben ser más robustos. Destacan por tener características como el sellado para evitar el polvo y la humedad. Ademas,  se fabrican en materiales resistentes a los productos químicos para evitar su descomposición por algún derrame o incidencia.

Uno de los cables más utilizados son los robustos conectores RJ45 diseñados para su uso en entornos industriales, los conectores M12 se utilizan mucho más en Ethernet industrial debido a su menor factor de forma circular y a su rosca de bloqueo de 12 mm que mantiene una conexión fiable incluso cuando están expuestos a golpes y vibraciones.

¿Cuáles son los diferentes tipos de cableado Ethernet?

El primer punto a considerar cuando se despliega una red Ethernet es el tipo de cableado. El cable Cat5e soporta velocidades Gigabit y a menudo es la especificación mínima recomendada. También está disponible Cat6, que proporciona un mejor rendimiento a un coste más elevado, y también un cierto grado de seguridad para el futuro a medida que Ethernet avance hacia velocidades de 10 Gigabits en los próximos años.

Aunque las instalaciones comerciales utilizan cables no apantallados, los cables apantallados (STP) deben utilizarse en entornos industriales para protegerse del ruido eléctrico generado por los motores, las transmisiones de los motores, las soldaduras y otros equipos eléctricos.

En años anteriores, era importante definir si los cables debían usar conexiones directas o cruzadas. El cableado cruzado era normalmente necesario cuando se conectaban directamente los componentes entre sí, y el cableado de parches se utilizaba cuando se conectaban componentes a dispositivos Ethernet IT, como conmutadores y enrutadores.

Sin embargo, la mayoría de los dispositivos actuales son compatibles con Auto MDI/MDIX, que aceptan ambas configuraciones, por lo que la mayoría de las instalaciones utilizan cableado de parches en todas partes. En este caso, los conectores RJ-45 se utilizan para la mayoría de las conexiones Ethernet.

Otro punto a tener en cuenta tanto para el rendimiento como para la compatibilidad es la velocidad de comunicación y la capacidad de dúplex (comunicación bidireccional) a la mitad o completo. Aunque la compatibilidad dúplex puede superarse utilizando un switch o un enrutador.

Por otro lado, el Fast Ethernet (Ethernet de alta velocidad) se utiliza en la mayoría de las aplicaciones de automatización industrial porque su velocidad bruta es más que suficiente, pero esto puede verse afectado por la selección de medio dúplex o dúplex completo. Con el medio dúplex, un dispositivo sólo puede transmitir o recibir, pero no puede hacer ambas cosas simultáneamente. Esto reduce el rendimiento y, en el peor de los casos, los dispositivos semidúplex dejan caer paquetes bajo una gran carga debido a las colisiones de datos.

La mayoría de los componentes y dispositivos utilizados en las instalaciones Fast y Gigabit Ethernet utilizan, por lo tanto, full duplex, lo que significa que el nodo puede transmitir y recibir simultáneamente.

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