Cómo utilizar un único cable de bus de campo para varios protocolos Ethernet simultáneos

El cambio acelerado hacia la Industria 4.0 y el Internet de las cosas industrial (IIoT) conlleva la necesidad de recopilación de datos y conectividad, lo que permite realizar análisis para mejorar la productividad y la seguridad. Sin embargo, la recogida y transferencia de datos horizontal y vertical en toda una fábrica puede resultar compleja y costosa, especialmente cuando intervienen varias redes y entornos difíciles. Los diseñadores necesitan una forma eficaz de diseñar, implantar y gestionar redes industriales que puedan intercambiar datos con varios controladores lógicos programables (PLC), sensores y actuadores de distintos proveedores, utilizando al mismo tiempo distintos protocolos y un cableado mínimo.

Esto puede lograrse utilizando una plataforma de entrada/salida (E/S) distribuida, integrada y optimizada, capaz de gestionar múltiples protocolos a través de un único cable Ethernet. Este sistema también permite a los operadores de redes industriales simplificar los requisitos de servicio y reducir el inventario de piezas de repuesto mediante la estandarización en una única plataforma de E/S, independientemente de los controladores lógicos programables (PLC) que se utilicen.

Este artículo ofrece un breve repaso a las redes de la Industria 4.0. A continuación, presenta una plataforma de E/S de Siemens que admite varios buses de campo Ethernet en un solo cable en entornos difíciles, y muestra cómo puede utilizarse para satisfacer las necesidades de los diseñadores de la Industria 4.0.

Protocolos Ethernet

Las implementaciones de la Industria 4.0 tienen diversas necesidades de comunicación. Cada uno de los tres principales protocolos de bus de campo, PROFINET, EtherNet/IP y Modbus TCP, admite diferentes casos de uso, desde la tecnología de operación (OT) en la planta de producción hasta la tecnología de la información (TI).

PROFINET: Se trata de un protocolo determinista de alto rendimiento utilizado para el intercambio de datos entre controladores como PLC y dispositivos. Es adecuada para funciones en tiempo real y de seguridad crítica que incluyen aplicaciones de control de movimiento de alta velocidad. También se utiliza para integrar funciones OT/TI.

EtherNet/IP: utiliza el protocolo Ethernet estándar, lo que facilita su implementación con dispositivos Ethernet. El protocolo industrial común (CIP) está optimizado para aplicaciones de automatización industrial y es compatible con tecnologías de red como EtherNet/IP. EtherNet/IP también puede utilizarse para el intercambio de datos entre el nivel de campo y los sistemas TI.

Modbus TCP: se trata de un protocolo basado en TCP/IP que resulta útil para funciones en las que el tiempo no es un factor crítico, como el consumo de energía y la recopilación de datos medioambientales, así como para el intercambio de datos entre el nivel de campo y los sistemas de TI.

Dado que cada uno de los tres buses de campo tiene una finalidad específica, los tres son necesarios. Esto plantea complejos retos de comunicación y ahí es donde entran en juego los sistemas MultiFieldbus. El controlador de comunicaciones MultiFieldbus se sitúa entre el nivel de campo y el nivel de control, comunicándose simultáneamente con varios controladores que utilizan distintos protocolos a través de un único cable de red (Figura 1). Los dispositivos MultiFieldbus pueden encontrarse en una amplia gama de entornos, desde el interior de un armario de control protegido hasta el exterior en la planta de la fábrica o en instalaciones remotas al aire libre.

Figura 1: Un controlador de comunicaciones MultiFieldbus se sitúa entre el nivel de campo y el nivel de control, facilitando una conectividad y comunicación completas de Industria 4.0. (Fuente de la imagen: Siemens)

Entornos diversos

La diversidad medioambiental requiere dispositivos con diversos grados de protección contra la penetración (IP), desde IP20 hasta IP67. El sistema de clasificación IP está recogido en la norma 60529 de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) y clasifica los dispositivos en función de la capacidad de su gabinete para proporcionar protección contra la intrusión de polvo y líquidos, y de la facilidad con que se puede acceder a las partes peligrosas del sistema de cerramiento con los dedos, herramientas u objetos sólidos de diversos tamaños. Los códigos IP constan de dos dígitos. El primero indica la protección contra objetos sólidos y se clasifica en una escala de 0 (sin protección) a 6 (sin entrada de polvo). El segundo dígito indica la protección contra líquidos y se clasifica de 0 (sin protección) a 9 (protección contra agua caliente a alta presión desde diferentes ángulos).

Por ejemplo, los dispositivos con clasificación IP20 son útiles dentro de armarios de control o entornos similares. El 2 indica protección contra partículas > 12.5 milímetros (mm), como dedos u objetos similares, y el 0 indica que no hay protección contra la entrada de agua.

Para entornos más exigentes, las clasificaciones IP típicas incluyen IP65, IP67 e IP69K, donde el 6 indica un gabinete/recinto sellado y completamente a prueba de polvo. Estos grados de protección IP proporcionan una protección variable contra el agua.

• IP65 indica que el agua proyectada por una boquilla (6.3 mm) contra un gabinete/recinto desde cualquier dirección no tendrá efectos nocivos.
• IP67 indica que no será posible la entrada de agua en cantidad perjudicial cuando el gabinete/recinto se sumerja en agua hasta 1 metro (m).
• IP69K es para equipos utilizados en vehículos de carretera y se aplica a lavados a alta presión y alta temperatura.

Plataforma MultiFieldbus

La plataforma SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus y los módulos de interfaz de Siemens pueden intercambiar datos simultáneamente con varios controladores mediante los protocolos PROFINET, EtherNet/IP y Modbus TCP a través del mismo cable. Todos los protocolos de comunicación se pueden configurar por software sin cambiar el hardware. La plataforma completa de E/S SIMATIC ET 200 con MultiFieldbus también incluye módulos con clasificación IP20 para uso en armarios de control, módulos con IP65 e IP67 para uso en interiores en máquinas, e IP69K para uso en exteriores (Figura 2).

Figura 2: La plataforma SIMATIC ET 200 I/O MultiFieldbus incluye varias familias de dispositivos y puede soportar instalaciones de Industria 4.0 en armarios de control, en interiores en máquinas y en exteriores. (Imagen: Siemens)

El sistema admite la comunicación simultánea con hasta seis PLC que utilicen distintos protocolos de bus de campo. Además, hay módulos para IO-Link, Profibus, punto a punto (PtP), red de área de controlador (CAN), interfaz de sensor de actuador (Asi), interfaz de iluminación direccionable digital (DALI) y multiplexor digital DMX512. Las E/S estándar y a prueba de fallos pueden mezclarse en una sola estación.

La arquitectura multifuncional y modular del sistema admite la personalización en masa, un sello distintivo de las fábricas de la Industria 4.0. Se admite el cableado rápido con terminales push-in, y hay módulos disponibles para una serie de funciones como recuento, control de energía, arrancadores de motor, entradas de posición, servoaccionamientos, detección de temperatura, E/S basadas en tiempo e incluso carga de vehículos eléctricos. Muchos de los módulos son compatibles con PROFIenergy, un perfil del protocolo de comunicaciones PROFINET que permite gestionar la energía en dispositivos de automatización industrial.

El SIMATIC ET 200SP es un sistema de E/S distribuidas multifuncional y escalable con una amplia variedad de módulos. Por ejemplo, el modelo 6ES71556MU000CN0 es un módulo de interfaz de dos puertos para su uso en el interior de armarios de control (Figura 3), y el modelo 6ES71936BP000BA0 es una unidad base SIMATIC ET 200SP con un tamaño especialmente reducido que está diseñada para su instalación en pequeñas cajas de control junto a máquinas. Ambas tienen un grado de protección IP20 y un rango de temperatura de funcionamiento de -30 °C a +60 °C.

Figura 3: El 6ES71556MU000CN0 es un módulo de interfaz de dos puertos para su uso dentro de armarios de control. (Fuente de la imagen: Siemens)

Módulos tolerantes a las vibraciones para cadenas de montaje

El SIMATIC ET 200AL se ha optimizado para aplicaciones que implican movimiento, como líneas de ensamblaje automatizadas y semiautomatizadas (Figura 4). Los módulos pueden soportar vibraciones de hasta 5 g de forma continua con un máximo de 10 g. Tienen una clasificación IP65/67 y un rango de temperaturas de funcionamiento de -25 °C a +55 °C, y su diseño compacto y ligero se adapta a las aplicaciones de control distribuido en máquinas. Están disponibles con anchuras de módulo de 30 mm o 45 mm y admiten hasta 32 módulos por estación. Los módulos admiten la integración de sensores y actuadores mediante conectores M8 o M12 según el módulo. También incorporan la funcionalidad PROFIenergy.

Figura 4: Los módulos ET 200AL (esquina inferior derecha) están optimizados para aplicaciones que implican movimiento y pueden soportar vibraciones de hasta 5 g de forma continua. (Fuente de la imagen: Siemens)

Algunos ejemplos de módulos ET 200AL son:

• El 6ES71415BF000BA0, tiene ocho entradas digitales y tomas M8 para conectar sensores de proximidad e interruptores. Mide 30 mm x 159 mm.
• El 6ES71445KD500BA0 tiene ocho entradas analógicas y tomas M12 para las conexiones. Se pueden programar tipos de medición para cada canal, incluyendo tensión, corriente (transductores de 2 y 4 hilos), resistencia (transductores de 2 y 3 hilos) y detectores de termómetros de resistencia (conexiones de 2 y 3 hilos). Tiene una resolución de 16 bits y mide 30 mm x 159 mm.

Módulos con clasificación IP65/67 para montaje en máquina

Los módulos SIMATIC ET 200pro tienen un grado de protección IP65/67 y están diseñados para su instalación fuera de un armario eléctrico, directamente en una máquina. Gracias a su conexión inalámbrica, estos módulos son idóneos para aplicaciones como sistemas de vehículos de guiado automático, gestión de edificios, logística de almacenes y sistemas de monorraíles eléctricos. La familia puede intercambiarse en caliente e incluye módulos de unidad central de procesamiento (CPU), módulos de interfaz, módulos de E/S y módulos funcionales.

La serie ET 200pro incluye una serie de funciones como IO-Link y la identificación por radiofrecuencia (RFID). Los módulos arrancadores de motor pueden utilizarse para arrancar y proteger motores y cargas de hasta 5.5 kilovatios (kW). Existen versiones a prueba de fallos compatibles con el nivel de integridad de la seguridad (SIL) 3. El módulo convertidor de frecuencia puede utilizarse para el control en bucle abierto o cerrado de motores de inducción. El módulo de medición de temperatura 6ES71444JF000AB0 es muy flexible y se puede programar para utilizar una serie de detectores de temperatura de resistencia (RTD), incluidos Pt100, PT200, PT500, Pt1000, NI100, NI200, NI500 y NI1000, y puede mostrar la temperatura en grados Celsius o Fahrenheit.

Módulos montados en máquina para exteriores y zonas peligrosas

Los módulos SIMATIC ET 200eco PN ofrecen una E/S en bloque compacta con grados de protección IP65 e IP67 y son adecuados para la instalación sin armario directamente en una máquina. Como todos los módulos ET 200, son compatibles con PROFINET, Ethernet/IP y Modbus TCP. Estos módulos vienen en un receptáculo de fundición inyectada de zinc totalmente sellado y son resistentes a las vibraciones, el polvo, el aceite y la humedad, por lo que son adecuados para instalaciones en exteriores. Tienen una temperatura de funcionamiento de -40 °C a +60 °C. La Serie ET 200eco PN está homologada por la directiva de la Unión Europea (UE) sobre atmósferas explosivas (ATEX) y puede utilizarse en áreas peligrosas hasta la zona 2.

En el caso de los dispositivos que cumplen la especificación IO-Link V1.1, los parámetros del dispositivo y del maestro se pueden transferir automáticamente mediante la "función de autoarranque" sin ninguna configuración previa si es necesario sustituir un dispositivo. Por ejemplo, el módulo 6ES71486JG000BB0 puede funcionar como dispositivo maestro IO-Link V1.1 e incluye una combinación de 4 puertos IO-Link de Clase A y 4 de Clase B (Figura 5). Los puertos pueden funcionar como entradas o salidas digitales en función de la asignación de parámetros. TI está clasificado para IP67 e IP69K, y admite tres velocidades de transmisión: 4.8 kilobaudios (kBd) en COM1, 38.4 kBd en COM2 y 230.4 kBd en COM3.

Figura 5: El módulo SIMATIC ET 200eco PN (izquierda) y un primer plano de una instalación típica (derecha) (Fuente de la imagen: Siemens)

Conclusión:

La implementación de redes de Industria 4.0 es una tarea compleja que debe tener en cuenta múltiples interfaces de comunicación y distintos entornos operativos. Para agilizar las redes de fábrica, los diseñadores pueden utilizar la plataforma SIMATIC ET 200 MultiFieldbus de Siemens para intercambiar datos simultáneamente con hasta seis PLC mediante los protocolos PROFINET, EtherNet/IP y Modbus TCP a través del mismo cable.

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