ETHERNET INDUSTRIAL

Ethernet industrial es el nombre dado a la utilización del protocolo Ethernet en un entorno industrial, de automatización y control de máquinas de producción.

Mientras que los sistemas Ethernet industriales utilizan los mismos protocolos Ethernet aplicados a la automatización de oficinas, el uso en la planta industrial requiere las consideraciones del ambiente en el que debe funcionar el equipo: debe tolerar un amplio rango de temperatura , vibración y ruido eléctrico de los equipos instalados en áreas de tecnología de la información dedicados, etc. 

Atendiendo a la dureza de las restricciones temporales se pueden distinguir tres niveles:

Tiempo Real Estricto – Hard Real-Time 

- Todas las acciones deben terminar dentro del plazo especificado. 

Tiempo Real Flexible – Soft Real-Time 

- Se pueden perder plazos de vez en cuando. 

- El valor de la respuesta decrece con el tiempo. 

Tiempo Real Firme – Firm Real-Time 

- Se pueden perder plazos ocasionalmente. 

- Una respuesta tardía no tiene valor. 

¿Por qué no se había utilizado Ethernet en la industrial con anterioridad y de qué forma nos afecta esto? 

Los sistemas industriales típicamente están situados en los dos niveles más altos por lo que el determinismo de los mismos es muy estricto. Los sistemas deben cumplir su cometido dentro de un tiempo establecido y la comunicación entra dentro de este ciclo de tiempo máximo llamado “latencia”. 

Así pues, en la industria los equipos que gobiernan los procesos deben cumplir dichas restricciones y si se quiere introducir Ethernet a todos los niveles de la misma ha de cumplir dichas restricciones temporales también. 

Por ejemplo, en aplicaciones del tipo “Hard Real-Time” es necesario garantizar un tiempo máximo de latencia, es decir, un tiempo máximo de ciclo. La técnica CSMA/CD de Ethernet (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) es en sí misma un control de acceso al medio no determinista ya que no garantiza un tiempo fijo y limitado en la comunicación.

Además, existe el peligro de las colisiones en el medio que solo puede ser calculado de forma probabilística con lo cual, es imposible determinar un tiempo de latencia máximo. 

Con los años, algunos de estos problemas han podido ser solucionados con la introducción de sistemas full-duplex en la comunicación y la topología estrella. De esta forma, con la aparición de switches se ha podido evitar el problema de las colisiones que ha dado lugar a un Ethernet mucho más seguro y determinista. 

Así pues, la tecnología “switch” consigue superar todas las limitaciones anteriores:

- Crea dinámicamente redes entre sus puertos.

- Se crean “dominios de colisiones” aislados entre sí (la colisión en el enlace con un dispositivo no involucra a los demás dispositivos conectados al switch). 

- Cada puerto opera a la máxima velocidad posible aprovechando así el máximo ancho de banda (en cualquier otro caso que no sea éste, topología estrella+ switch, la velocidad máxima del bus está limitada a la del equipo más lento conectado). 

- Cada dispositivo puede operar en half-duplex o full-duplex y este hecho no afecta al resto de los dispositivos. 

Sin embargo, esta solución que parece resolver todos los problemas introduce a su vez un nuevo obstáculo a la hora de lograr que Ethernet sea adecuado para toda aplicación industrial. 

Este problema viene dado por los propios switches que se introducen para evitar las colisiones ya que obligan a tener un control de las colas de datos que de nuevo impide realizar un cálculo exacto de la latencia máxima de sistema, únicamente probabilístico. 

De nuevo y al igual que antes, antes este nuevo problema se dio una solución. Para resolver el problema de los paquetes de datos en cola se necesita priorizar ciertos paquetes dentro de las colas. 

Tal y como se muestra en la Figura a un mismo switch puede haber conectados dispositivos de muy distinta prioridad, como por ejemplo, sistemas de HMI (Interfaz Hombre-Máquina) para mostrar información del sistema que no tienen una prioridad elevada o, por otro lado, sistemas que periferia distribuida que reciben información de los sensores de una máquina, que tendría una prioridad de atención elevada.

¿Cómo se logra el dar prioridad a los paquetes de datos?

Existen varias formas de lograrlo, una de ellas de a través del estándar IEEE 802.1P, a su vez englobado dentro del estándar IEEE 802.1Q. 

Su forma de uso es simple, consiste en añadir 2 bytes a la cabecera de Ethernet original. Dentro de esta cabecera establecida por el IEEE 802.1Q se encuentra la clave de la prioridad ya que existe una etiqueta formada por 3 bits reservados para realizar una selección de prioridad de la trama de datos pudiéndose así usar hasta un total de 8 niveles (0 menor prioridad, 7 más alta prioridad). 

Las ventajas que introduce este estándar a favor del uso de Ethernet en la industria son muchas: 

- Permite dar prioridad a los datos provenientes de un determinado dispositivo con respecto a los otros conectados a la red, acelerando así su transmisión. 

- Con esta funcionalidad se impide que las tramas de alta prioridad se vean interrumpidas por el tráfico de tramas de menor prioridad. 

- El switch es capaz de procesar y enviar todos los paquetes de mayor prioridad antes de hacerlo con los de menor prioridad. 

Sin embargo existen situaciones en las que no es posible el uso de este estándar, simplemente porque un dispositivo no es capaz de soportar esta norma. 

Otra forma de lograr asignar prioridad a los datos Real-Time es mediante el propio switch y su configuración en estrella, es decir, asignar prioridad por puerto. 

Ventajas que supone ésta forma de asignar prioridad a los paquetes de datos: 

- Permite asignarle una prioridad a cada mensaje basándose en el puerto de origen sin tener en cuenta la asignada por los equipos conectados a éste. 

- Permite asignar prioridades a equipos que no soportan la normal IEEE 802.1P. 

La pega de este sistema esta que en se debe configurar el switch para esta función.

Seguridad

El acto de monitoreo y el análisis de datos procedentes de sistemas de control en niveles de planta, significa que el equipo también se extiende en la otra dirección. Esto aumenta enormemente la exposición de la ampliación de la red de intrusiones y amenazas.

Ethernet Industrial debe proporcionar métodos para garantizar la confidencialidad e integridad de la red. 

Algunas de las ventajas respecto a otros tipos de redes industriales son:

• Aumento de la velocidad , en Gigabit Ethernet sobre cables CAT5E/CAT6 o fibra óptica. 
• Mayor distancia. 
• Capacidad para utilizar puntos estándar de acceso, routers , switches, hubs , cables y fibra óptica. 
• Capacidad para tener más de dos nodos en el enlace , lo que era posible con RS-485 , pero no con RS-232.

Las dificultades de la utilización de Ethernet industrial incluyen:

• Migración de los sistemas existentes para un nuevo protocolo.

• Usos en tiempo real pueden sufrir por los protocolos que utilizan TCP.
• La gestión de una pila TCP / IP todo es más complejo que la simple recepción de datos en serie.

El tamaño de la trama Ethernet mínima es de 64 bytes, mientras que los tamaños de datos de comunicación industriales típicos pueden estar más cerca de 1-8 bytes. Esta sobrecarga de protocolo afecta la eficiencia de la transmisión de datos.

El uso de Ethernet ha contribuido a integrar los avances en materia de instrumentación en el control de procesos, con las tecnologías de la información (IT), y ha sacado a las industrias de un virtual aislamiento. Gracias a esto es posible acceder a los datos y/o realizar el control de una planta que se encuentra en otra parte del mundo.

El medio Industrial-Ethernet y TCP/IP no permite flujos de datos deterministas respecto al tiempo. No se puede prever cuándo una CPU remota ejecuta las peticiones solicitadas. Las respuestas de la CPU remota son asíncronas al ciclo CPU locales (PLC). Debido a ello, las comunicaciones basadas en TCP/IP sólo son adecuadas bajo determinadas circunstancias para aplicaciones distribuidas que no requieren exactitud en cuanto al tiempo.

No debemos olvidar que Ethernet es un estándar que fija únicamente parámetros de la capa física y de la capa de acceso al medio de forma que, el resto de los niveles superiores están libres. 

Este hecho ha propiciado la aparición de números protocolos centrados en la capa de aplicación que se han basado en Ethernet. Algunos de ellos son: 

- EtherCat

- MODBUS TCP

- EthetNet/IP (Ethernet Industrial Protocol) 

- PROFINET

- Protocolo: Profinet (Profibus)- Año de creación: 2001

- Norma: CEI 61158 y CEI 61784.

- Empresas Asociadas: Siemens, Phoenix Contact, Wago, Vipa, Beckhoff

- Web: http://www.profibus.com/technology/profinet/

Introducción:

PROFInet se desarrolló con el objetivo de favorecer un proceso de convergencia entre la automatización industrial y la plataforma de tecnología de la información de gestión corporativa y redes globales de las empresas. PROFInet se aplica a los sistemas de automatización distribuida basados en Ethernet que integran los sistemas de bus de campo existentes, por ejemplo PROFIBUS, sin modificarlos.

PROFInet es una solución de automatización distribuida: el modelo de componentes PROFInet divide el sistema general en módulos tecnológicos. El modelo de E/S de PROFInet contribuye a la integración de periféricos sencillos distribuidos. En este caso se mantiene la visualización de datos de entrada y salida de PROFIBUS. Visualización de componentes Visualización de datos de E/S.

Dependiendo de los requisitos concretos, PROFInet ofrece tres modelos de comunicación con distintas prestaciones:

- Modelo TCP/IP y DCOM para aplicaciones en las que el tiempo no es crítico.

- Tiempo real flexible (SRT, del inglés Soft Real Time) para aplicaciones típicas de automatización en tiempo real (ciclo de tiempo de 10 ms):

La funcionalidad de tiempo real se utiliza para datos de proceso donde el tiempo resulta crítico, es decir, con datos de usuario cíclicos o alarmas controladas por eventos. PROFINET utiliza un canal de comunicaciones en tiempo real optimizado para las necesidades de tiempo real de los procesos de automatización.

De este modo se minimizan los tiempos de ciclo y se mejora el rendimiento a la hora de actualizar los datos de proceso. Las prestaciones son comparables a las de los buses de campo, y se permiten unos tiempos de respuesta de entre 1 y 10 ms. Al mismo tiempo se reduce considerablemente la potencia de procesador necesaria en el dispositivo para la comunicación. En esta solución se pueden utilizar componentes de red estándar.

Los switches de SIMATIC NET permiten, además, una transferencia de datos optimizada. Para ello se establecen prioridades en los paquetes de datos según la norma IEE 802.1Q. En función de estas prioridades, los componentes de red controlan el flujo de datos entre los dispositivos. Para los datos en tiempo real se utiliza la prioridad 6 (el segundo nivel más alto) como la prioridad estándar. Esto garantiza un tratamiento preferente con respecto a otras aplicaciones que tienen asignados niveles de prioridad más bajos.

- Tiempo real isócrono (IRT) para aplicaciones de control de movimiento (ciclos de 1 ms):

La comunicación en tiempo real asistida por hardware, conocida como Isochronous Real-Time (IRT), está disponible para aplicaciones especialmente exigentes, como el control de movimiento, y aplicaciones de alto rendimiento en automatización manufacturera. Con IRT se consigue un tiempo de ciclo inferior a 1 ms con una fluctuación de menos de 1 μs. Para ello, el ciclo de comunicaciones se divide en una parte determinista y otra abierta. Los telegramas IRT cíclicos se transmiten por el canal determinista; los telegramas RT y TCP/IP, por el canal abierto. Por lo tanto, los dos tipos de transmisión de datos coexisten sin interferir entre sí. Por ejemplo, los usuarios pueden conectar un ordenador portátil a cualquier ubicación de la planta para acceder a los datos de los dispositivos sin que esto afecte al control isócrono.

La aceptación de PROFInet en el mercado depende, entre otras cosas, de si los sistemas de bus de campo existentes pueden o no ampliarse con PROFInet sin incurrir en grandescostes. Los sistemas de bus de campo (PROFIBUS, por ejemplo) pueden integrarse de dos formas distintas.

- Integración de unidades de bus de campo a través de proxies: cada unidad de campo representa un componente PROFInet independiente cuya comunicación con otros componentes se configura mediante el editor de conexiones de PROFInet. En este caso, el proxy representa a todas las unidades de campo de la comunicación Ethernet. 

- Integración de aplicaciones de bus de campo: el segmento de un bus de campo representa un componente de PROFInet independiente y cuyo proxy (por ejemplo, un control) incluye una interfaz PROFInet. De este modo se dispone de todas las funciones del bus de campo subordinado como si se tratase de un componente de Ethernet. 

PROFInet I/O 

La principal función de esta integración es que el programa usuario PLC procese los datos de entrada y salida de las unidades de campo distribuidas. 

PROFInet I/O ofrece elementos de protocolo para las funciones siguientes: 

- Transmisión cíclica de datos productivos. 

- Transmisión acíclica de alarmas. 

- Transmisión acíclica de datos de proceso y de diagnóstico. 

La definición de PROFInet I/O se basa en la norma IEC 61158 de modelos de dispositivos. Esta especificación admite los siguientes requisitos: conversión sencilla de un dispositivo PROFIBUS DP contemporáneo (master o slave) a un dispositivo PROFInet I/O(controlador de E/S o dispositivo de E/S) y, siempre que sea posible,manteniendo la misma visualización de los dispositivos de E/S que la disponible en la actualidad con dispositivos esclavos de PROFIBUS DP (desde el punto de vista técnico, HMI, programa de usuario, servidor OPC...). 

Comunicación en tiempo real: 

Tiempo real flexible (SRT). Para poder satisfacer las exigencias de tiempo real de la automatización en tiempos de ciclo inferiores a 10 ms, la versión 2 de PROFInet especificó un canal de comunicaciones en tiempo real optimizado basado en Ethernet (Capa 2). Esta solución reduce los tiempos de ejecución de la pila de comunicación y mejora el rendimiento en lo que se refiere a la velocidad de actualización de los datos de automatización. 

El tiempo real isócrono (IRT). está disponible en la versión 3 de PROFInet. PROFInet responderá así a los requisitos de tiempo real estricto de las aplicaciones de control de movimiento (150 ejes con tiempos de ciclo de 1 ms y pulsaciones de 1 μs).