Cómo implantar redes de control híbridas en aplicaciones industriales

Los complejos industriales como refinerías de petróleo y gas, plantas químicas, terminales de gas natural licuado e instalaciones similares son enormes y se enfrentan al reto de mejorar la eficiencia operativa, apoyar una producción flexible, reducir costes y garantizar un funcionamiento seguro y protegido. El carácter continuo de los procesos de producción agrava los retos. Para garantizar un funcionamiento óptimo, las redes de control industrial de estas instalaciones deben supervisar constantemente la temperatura, la presión, las vibraciones, el caudal y otros parámetros en miles de ubicaciones. Las redes pueden extenderse a lo largo de varios kilómetros (km) y requieren diversas tecnologías de comunicación de datos por cobre y fibra óptica para soportar toda una gama de dispositivos, desde sensores de bajo ancho de banda hasta controles en tiempo real y dispositivos de seguridad de mayor ancho de banda.

Para cumplir estos diversos requisitos, los ingenieros de redes necesitan desplegar una combinación óptima de dispositivos de comunicaciones de cobre y de varios tipos de fibra óptica, todos ellos conectados con interruptores Ethernet industriales compactos con fuentes de alimentación redundantes, amplias capacidades de temperatura de funcionamiento, supervisión remota y funciones de seguridad avanzadas.

Este artículo comienza con una breve descripción de Ethernet Industrial (IE), incluida la necesidad de redes de comunicaciones de datos híbridas de fibra/cobre con especial atención a la fibra óptica. Compara las fibras monomodo (SM) y multimodo (MM), examina los estándares de los módulos de fibra óptica conectables en caliente y cómo funciona la supervisión de diagnóstico digital (DDM) de los módulos de fibra óptica, y a continuación presenta una gama de dispositivos de comunicaciones de datos por fibra óptica de Cisco Systems, Phoenix Contact e Intelligent Network Solutions, junto con un interruptor Ethernet industrial gestionado con una combinación de puertos de cobre y fibra óptica en un gabinete IP40 reforzado de Red Lion Controls.

IE se basa en el uso de protocolos Ethernet con interruptores de rango de temperatura ampliado e interconexiones robustas para soportar entornos difíciles. IE es compatible con el control en tiempo real y el determinismo, y se implementa mediante una serie de protocolos de comunicaciones como EtherCAT, EtherNet/IP, PROFINET y Modbus TCP.

Se espera que las redes de IE ofrezcan cierto nivel de interoperabilidad entre los sistemas heredados y los actuales y que, aun así, produzcan un rendimiento predecible y sean fáciles de mantener para maximizar el tiempo de actividad. En las grandes instalaciones se suele utilizar una combinación de interconexiones de cobre y fibra óptica. En su caso, el cobre puede constituir una alternativa menos costosa. Sin embargo, el uso de fibra óptica puede reducir los problemas asociados al ruido eléctrico, proporcionar aislamiento eléctrico y admitir longitudes de interconexión mucho mayores que pueden resultar especialmente útiles en complejos industriales grandes y dispersos.

Fibra MM vs. SM

La luz se desplaza por una fibra óptica porque el desajuste del índice óptico entre el núcleo y el revestimiento provoca una reflexión interna total. El diámetro del núcleo es crítico y define el cono de aceptación que contiene los ángulos en los que la luz que entra en la fibra puede seguir propagándose. La fibra SM utiliza un núcleo pequeño de 10 micrómetros (µm) que solo admite un modo de propagación, denominado modo fundamental. Las fibras ópticas MM tienen núcleos de gran diámetro en relación con la longitud de onda de la luz. Estos núcleos más grandes guían simultáneamente muchos modos de luz, también llamados patrones de ondas estacionarias (Figura 1). La norma ISO/IEC 11801 define cinco clases de fibra MM basadas en dos tamaños de núcleo y diversas características de ancho de banda: OM1, OM2, OM3, OM4 y OM5. Los cables de fibra óptica pueden clasificarse en función del diámetro del núcleo y del cable. Por ejemplo, 62.5/125 µm se refiere a OM1 MM. Los cables de 50/125 µm se utilizan para OM2, OM3, OM4 y OM5 MM, y 10/125 µm es un ejemplo de cable SM.

Figura 1: Las fibras MM tienen un diámetro relativamente grande y pueden soportar la transmisión de muchos modos de luz al mismo tiempo. (Fuente de la imagen: Cisco Systems)

Las fibras MM pueden funcionar con fuentes de diodos emisores de luz (LED), pero los diseños de mayor rendimiento utilizan láseres emisores de superficie de cavidad vertical (VCSEL). El uso de VCSEL permite a las redes de fibra MM ofrecer velocidades de datos de varios gigabits.

Las cinco categorías de fibras MM se basan en la longitud de onda de la luz (en nanómetros, nm), el diámetro del núcleo en μm y el ancho de banda modal. El ancho de banda modal es una medida de la tasa máxima de señalización en megahercios (MHz) para una distancia dada en km, o la distancia máxima para una tasa de señalización dada, y es el producto del ancho de banda y la distancia, MHz-km. Para un cable determinado, cuando la distancia se reduce a la mitad, la tasa de señalización máxima se duplica. Las clases de fibra MM definidas por ISO/IEC 11801 son:

• OM1: núcleo de 62.5 μm con un ancho de banda modal mínimo de 200 MHz-km a 850 nm
• OM2: núcleo de 50 μm con un ancho de banda modal mínimo de 500 MHz-km a 850 nm
• OM3: núcleo de 50 μm con un ancho de banda modal mínimo de 2000 MHz-km a 850 nm
• OM4: núcleo de 50 μm con un ancho de banda modal mínimo de 4700 MHz-km a 850 nm
• OM5: núcleo de 50 μm con un ancho de banda modal mínimo de 4700 MHz-km a 850 nm y 2470 MHz-km a 953 nm.

El estándar OM3 se diseñó para admitir el estándar Ethernet 10GbE IEEE 802.3. Cuando se utilizan con modulación VCSEL, los cables OM3 MM pueden proporcionar 10 gigabits por segundo (Gb/s) a distancias de hasta 300 metros (m). En la mayoría de los casos, los enlaces de fibra OM3 MM son las soluciones más rentables para aplicaciones de hasta unos 500 m. Los enlaces OM4 MM admiten distancias de hasta 1 km. Para distancias más largas y velocidades de datos más altas, se necesitan fibras SM.

SFP para cobre y fibra

La interfaz enchufable de factor de forma pequeño (SFP) es un formato de módulo de red compacto y enchufable en caliente que se utiliza para redes de comunicaciones de datos y telecomunicaciones. Una interfaz SFP en hardware de red, como un interruptor Ethernet, es una ranura modular para un transceptor específico del medio, como un cable de cobre o fibra óptica. Los SFP permiten equipar los puertos con distintos tipos de transceptores según las necesidades. El SFP sustituyó al convertidor de interfaz gigabit (GBIC), desarrollado anteriormente y de mayor tamaño, y a veces se denomina "mini-GBIC". El Small Form Factor Committee ha especificado el factor de forma, los enclavamientos mecánicos y las interfaces eléctricas a través de un acuerdo multifuente, el MSA SFF-8472 (Figura 2). Además de las interfaces SFP estándar, se pueden alcanzar mayores velocidades utilizando SFP+ para velocidades de hasta 10 Gbit/s y SFP28 para velocidades de 25 Gbit/s.

Figura 2: Elementos mecánicos de un módulo SPF de fibra óptica en los que se destacan los mecanismos de enclavamiento y bloqueo y las conexiones eléctricas y de fibra óptica. (Fuente de la imagen: Intelligent Network Solutions y Jeff Shepard)

Existen transceptores de fibra óptica SFP compatibles con redes ópticas sincrónicas (SONET), Gigabit Ethernet, Canal de fibra, redes ópticas pasivas (Red óptica pasiva) y otros estándares de comunicaciones.

Control de diagnóstico digital

El MSA SFF-8472 también define las funciones DDM para transceptores de fibra óptica. El DDM se denomina a veces control óptico digital (DOM). DDM permite a los administradores de red supervisar la potencia óptica de entrada/salida, la temperatura, la corriente de polarización del láser y la tensión de alimentación del transceptor en tiempo real (Figura 3). DDM es una ampliación de la interfaz de DI serial definida en la especificación GBIC. DDM incluye alarmas y banderas de advertencia que envían alertas si los parámetros de funcionamiento están fuera de un ajuste de fábrica para un funcionamiento normal.

Figura 3: DDM puede supervisar el rendimiento de los transceptores ópticos SFP y enviar alertas si algún parámetro se sale de los márgenes de funcionamiento nominales. (Fuente de la imagen: Intelligent Network Solutions)

DDM está diseñado para ayudar a predecir fallos y apoyar el mantenimiento preventivo para conseguir el máximo tiempo de actividad de la red. El creador de transceptores establece umbrales DDM para varios parámetros. El funcionamiento del transceptor por encima de cualquier umbral degradará el rendimiento y puede causar errores de transmisión. El transceptor envía una alarma cuando el valor de un parámetro supera un umbral especificado. Además, el módulo dejará de transmitir datos y el receptor se negará a recibir mensajes. No es raro que se emitan varias alarmas a la vez; por ejemplo, si la potencia óptica de transmisión es demasiado alta, la temperatura también puede serlo.

Aunque el DDM desconecta y protege el sistema cuando se superan los umbrales preestablecidos, también puede utilizarse para supervisar los parámetros de funcionamiento del transceptor y permitir a los operadores ver los valores que van en la dirección equivocada antes de que superen los niveles perjudiciales, lo que permite programar un mantenimiento preventivo.

Fibra MM y 1 km de alcance

Los diseñadores de redes de Control industrial pueden utilizar el módulo 2891754 Gigabit SFP de Phoenix Contact para soportar transmisiones de hasta 1 km utilizando fibras diseñadas para funcionar con una longitud de onda de 850 nm (Figura 4). Este módulo es adecuado para aplicaciones industriales y tiene una temperatura de funcionamiento de -40 a 85 °C y una humedad de hasta el 95%. La distancia de transmisión depende de la fibra utilizada:

• 275 m con 62.5/125 µm (OM1)
• 550 m con 50/125 µm (OM2)
• 800 m con 50/125 µm (OM3)
• 1000 m con 50/125 µm (OM4)

Figura 4: Este transceptor óptico SFP tiene un alcance de 1 km cuando funciona con una longitud de onda de 850 nm y un cable OM4. (Fuente de la imagen: DigiKey).

Alcance de 20 km con fibra SM

El módulo SFP INT 506724 de Intelligent Network Solutions admite transmisiones de datos 1000Base-LX de hasta 20 km a través de una fibra monomodo de 9/125 µm mediante un láser de 1310 nm. Es compatible con DDM y su carcasa metálica reduce las interferencias electromagnéticas (EMI) y aumenta su durabilidad (Figura 5). Tiene un rango de temperatura de funcionamiento de 0 a 70 °C y está especificado para una humedad relativa (HR) del 10 al 85%.

Figura 5: El módulo SFP INT 506724 de Intelligent Network Solutions admite transmisiones de datos 1000Base-LX de hasta 20 km a través de una fibra monomodo de 9/125 µm mediante un láser de 1310 nm. (Fuente de la imagen: Intelligent Network Solutions)

Transceptores SFP de 10 km

El SFP-10G-BXD-I y el SFP-10G-BXU-I de Cisco funcionan con fibra SM y admiten distancias de transmisión de hasta 10 km cuando se conectan a un puerto SFP+. Estos transceptores presentan interoperabilidad óptica con interfaces 10GBASE XENPAK, 10GBASE X2 y 10GBASE XFP en el mismo enlace e incluyen funciones DOM que supervisan el rendimiento en tiempo real. Cuando se utiliza, un SFP-10G-BXD-I siempre se conecta a un SFP-10G-BXU-I. El SFP-10G-BXD-I transmite un canal de 1330 nm y recibe una señal de 1270 nm, y el SFP-10G-BXU-I transmite a una longitud de onda de 1270 nm y recibe una señal de 1330 nm (Figura 6).

Figura 6: Estos transceptores ópticos utilizan distintas longitudes de onda para transmitir y recibir datos. (Fuente de la imagen: Cisco Systems)

Interruptor gestionado por Ethernet industrial

Los ingenieros de redes que necesiten un interruptor Gigabit Ethernet gestionado de 12 puertos que cuente con ocho puertos con cuatro puertos combinados SFP y supervisión Modbus pueden recurrir al Sixnet SLX-8MG-1 de Red Lion. El SLX-8MG-1 dispone de ocho puertos 10/100/1000Base-T(X) con cuatro puertos combinados SFP (compatibles con transceptores de fibra 100Base o 1000Base). El SLX-8MG está alojado en un delgado gabinete/recinto metálico endurecido de riel DIN para uso en entornos industriales difíciles y admite entradas de alimentación redundantes de 10-30 VCC y un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a 75 °C. También incluye monitorización remota Modbus/TCP, características avanzadas de seguridad, capacidad ampliada de choque y vibración, y altos niveles de ruido eléctrico e inmunidad contra sobretensiones.

Figura 7: El interruptor Gigabit Ethernet gestionado SLX-8MG-1 dispone de ocho puertos 10/100/1000Base-T(X) con cuatro puertos combinados SFP (arriba a la izquierda). (Fuente de la imagen: Red Lion)

Conclusión:

Las redes híbridas de fibra óptica y cobre pueden ayudar a mejorar la eficiencia operativa, apoyar una producción flexible, reducir costes y garantizar un funcionamiento seguro en operaciones industriales a gran escala como refinerías de petróleo y gas y plantas químicas. Los ingenieros de redes pueden utilizar interruptores Gigabit Ethernet gestionados para desplegar una combinación de enlaces de comunicaciones de fibra óptica y cobre. El uso de fibras MM y SM admite anchos de banda modales óptimos e incluir la capacidad DDM permite un mantenimiento preventivo para garantizar el máximo tiempo de actividad de la red.