El concepto Ethernet Industrial se aplica al uso de dispositivos de red en entornos exigentes, normalmente Switches (conmutadores). En algunos usos cruciales, para los procesos productivos de las industrias, requieren una comunicación de datos altamente precisa y fiable, por lo que se llevó a cabo la creación de Ethernet Industrial.
En el siguiente artículo vamos a explorar, a fondo, la funcionalidad de las redes de Ethernet Industrial.
¿Qué es el protocolo Ethernet Industrial?
Ethernet Industrial Protocol corresponde a un estándar de red de comunicación con capacidad de transmitir grandes paquetes de datos a altas velocidades desde 10Mbps o 100Mbps hasta 1500 bytes utilizando un protocolo abierto en la capa de aplicación.
En la industria es muy utilizado para aplicaciones de control ya que, este tipo de red, es sencillo de configurar, operar, mantener y expandir. Además, es compatible con la mayoría de conmutadores Ethernet.
Este protocolo es utilizado con ordenadores personales, robots, mainframes, adaptadores y dispositivos de E/S, PLC y otros dispositivos.
En las platas de producción, esta tecnología, se ha convertido en la tendencia más utilizada para el movimiento de datos en aplicaciones industriales.
Gracias a su rendimiento y fiabilidad, Ethernet, se ha introducido en las plantas de producción como el protocolo de comunicación referente para los sistemas de automatización y control.
Componentes de Ethernet
Capa física de Ethernet
En los primeros años del protocolo, las opciones de Ethernet eran más limitadas que en fechas actuales.
Las opciones más normalizadas eran las configuraciones 10Base2 y 10Base5 las cuales funcionaban a 10Mps bajo cable coaxial con nodos conectados mediante conectores T al cable o, a través de interfaces mediante conexión AUI en una configuración de bus multipunto.
Otra de la las primeras opciones de capa física (10Mbps-10Base-T) ganó popularidad de forma rápida ya que su instalación era más sencilla y usaba un cable económico de Categoría 3 de par trenzado sin blindaje UTP.
Los nodos, se conectaban a un concentrador, mediante una topología en estrella, a su vez conectado a otros segmentos de red.
En 1990, comenzó a estar disponible la tecnología Ethernet de 100 Mbps, aumentando de forma significativa la velocidad de transferencia de datos. Las NIC simplificaron la migración al estándar de forma más rápida ajustándose automáticamente para funcionar a 10 Mbps o 100Mbps.
En el día de hoy, la mayor parte de las tarjetas interfaz de red de ordenadores implementan 100Base-TX junto con el cable UTP de categoría 5e.
Igualmente, en la actualidad, las redes coaxiales se están reemplazando por fibra óptica, especialmente para enlaces punto a punto.
Capa de enlace de datos en Ethernet
La capa de enlace de datos permite que múltiples nodos tengan acceso a la red de igual forma.
Estos nodos monitorean de forma continua las trasmisiones en los medios. En el caso de que, un nodo quiera transmitir, esta espera a que la red se encuentre inactiva, entonces comienza la transmisión en ese momento.
Si dos señales colisionan, cada nodo deja de transmitir hasta pasado un retardo preestablecido para volver a retransmitir. Cada tiempo de retardo es diferente para cada nodo.
Hacer una red Ethernet Industrial
Una distribución básica de una red Ethernet industrial permite comunicar las redes administrativas de la empresa (ERP, contabilidad, compras, producción, RRHH, logística…) las de supervisión y control de los procesos de producción (MES, SCADA, HMI, PLC, RTU) y la de los dispositivos (transductores, sensores, actuadores…) para que, de este modo, funcionen bajo una única red.
Para esta conexión de redes se utilizan switches que, junto con el cableado, constituyen una red de área local LAN.
Red administrativa
Esta red soporta las funciones tradicionales de administración y las aplicaciones corporativas, como son RRHH, contabilidad y aprovisionamiento, así como la conectividad a internet y la intranet de la empresa. Esta red se basa en la suite de protocolos TPC/IP.
Red de control y supervisión
Conecta sistemas de control y monitorización como los controladores, programables, software de automatización, racks de Entrada y Salida, interfaces hombre-máquina y variadores.
Esta red requiere una pasarela de red o un enrutador para la traducción de protocolos específicos a protocolos basados en Ethernet.
La traducción permite que la información circule entre la red de control sobre la planta de producción, y la infraestructura de la red corporativa, pero, requiere un esfuerzo significativo para actualizarse y encontrarse al día.
Red de dispositivos
Conecta los controladores con los dispositivos de entrada y saluda de la planta de producción como los sensores, células fotoeléctricas, transductores, caudalímetros y otros equipos de movimiento y automatización como actuadores, variadores de frecuencia y robótica.
La conexión entre ellos se realiza mediante buses de campo como pueden ser DeviceNet, Modbus y Profibus. Dependiendo de los diferentes factores de aplicación dentro de la fábrica, para cada bus de campo necesita diferentes requisitos de alimentación, cableado y comunicación.
La comunicación industrial es producida en el nivel de enrutamiento, el nivel de control y el nivel de sensor. Cada uno de ellos requiere diferentes niveles de transferencia de la información a tiempo real, determinismo y detección de colisiones.
Características de los cables Ethernet Industrial
Los cables que soportan redes de Ethernet Industrial son diferentes en comparación con la Ethernet comercial.
Las diferencias en estas redes se basan, primero, en la velocidad. Para Ethernet Industrial, las velocidades son bastante más bajas que el gigabit y con mayor ancho de banda que vemos en la LAN. Aproximadamente 100Mb/s son las velocidades que se utilizan en Ethernet Industrial.
En entornos industriales, los componentes del cable requieren una constitución más robusta que los utilizados en las redes LAN de oficina debido a la presencia de condiciones extremas (polvo, líquidos, vibraciones, productos químicos, interferencias electromagnéticas, entre otras).
Los cables industriales cuentan con un calibre más grande que un cable no industrial (normalmente 22AWG). Disponen de una constitución blindada para entornos ruidosos, los conductores son tranzados para la flexión y los materiales de la cubierta son especiales como el poliuretano para exposición a productos químicos, aceite y la abrasión. Para evitar la corrosión, los mismos conductores pueden estar recubiertos.
Para una red Ethernet industrial, los conectores también deben ser más robustos ya que, como hemos comentado anteriormente, se pueden encontrar situados en lugares con condiciones adversas. Deben de disponer de sellado para evitar la humedad y polvo. Igualmente se fabrican con materiales más resistentes frente a su protección a productos químicos con el fin de evitar la descomposición por algún derrame o salpicaduras.
Entre los cables más utilizados por su robustez en entornos industriales son los conectores RJ45 y los conectores M12.
Tipos de cableado Ethernet
Cuando se lleva a cabo el estudio de la instalación de la red Ethernet, el primer punto a considerar es el tipo de cableado.
Cable Cat5e
Este tipo de cable aguanta velocidades Gigabit. Frecuentemente es la especificación mínima recomendada.
Cable Cat6
El cable Cat6, aunque tiene un coste más elevado, ofrece un mayor rendimiento. También tiene mayor grado de seguridad de cara al futuro a medida que Ethernet crezca a velocidades de 10 Gigabits.
Cables apantallados (STP)
Deben de utilizarse en entornos industriales con existencia de ruido generado por los motores, las soldaduras, los transmisores de los motores y equipos eléctricos con emisión de ruido ya que estos cables se encuentran apantallados.
Años a atrás, era necesario definir si los cables deberían usar conexiones cruzadas o directas. Cuando se conectaban los componentes entre sí, el cableado era cruzado y, el cableado por parches se utilizaba cuando se conectaban componentes a dispositivos Ethernet IT.
En la actualidad, la mayor parte de los dispositivos actuales son compatibles con Auto MDI/MDIX aceptando ambas configuraciones. La mayoría de las instalaciones utilizan cableado por parches. En la mayoría de las conexiones Ethernet se utilizan los conectores RJ-45.
Para la compatibilidad, otro de los puntos que se debe de tener en cuenta para el rendimiento es la velocidad de comunicación y la capacidad de comunicación bidireccional (dúplex) a la mitad o completo. La compatibilidad dúplex puede aumentarse utilizando un switch o enrutador.
En la mayor parte de la automatización industrial, se utiliza el Fast Ethernet (de alta velocidad) ya que su velocidad bruta es más que suficiente, aunque esto puede verse afectado por la selección de medio dúplex medio o completo.
Mediante el medio dúplex, un dispositivo solo puede recibir o transmitir, pero no puede realizar, de forma simultánea, ambas acciones.
En las instalaciones Fast y Gigabit Ethernet utilizan full dúplex ya que pueden transmitir y recibir de forma simultánea.
