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Simplificar la red de Ethernet industrial con conmutadores PoE inteligentes

Por Bill Giovino

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

El protocolo de red alámbrica más utilizado en las aplicaciones de la Internet industrial de las cosas (IIoT) es Ethernet. Como resultado, los cables de Ethernet pueden encontrarse en cualquier lugar de cualquier instalación de automatización industrial. Dado que la energía eléctrica también debe estar disponible dondequiera que se instale Ethernet, las líneas de energía también se encuentran casi en todos los lugares donde se encuentran los cables de Ethernet, generalmente en los mismos paquetes de cables.

La alimentación a través de Ethernet (PoE) ha surgido para simplificar enormemente las instalaciones de automatización industrial. Al transmitir la energía eléctrica por el mismo cable que la conectividad Ethernet, se necesita tender menos cableado sobre la instalación, lo que facilita el establecimiento o la reconfiguración de una planta de fabricación.

Este artículo analiza cómo los conmutadores Ethernet industriales inteligentes que admiten PoE pueden simplificar el diseño de una fábrica y reducir los costos. Luego introduce dos switches Ethernet de riel DIN de Henrich Electronics que pueden suministrar tanto conectividad de red como energía a través del mismo cable Ethernet.

Simplificación de la disposición de los cables de automatización industrial

Muchas instalaciones de automatización industrial están diseñadas para ser fácilmente reconfiguradas. Por ejemplo, puede ser necesario desmontar y montar una línea de montaje en una instalación de fabricación para fabricar un producto diferente. La combinación de Ethernet con PoE aumenta la modularidad de una fábrica, haciendo que algunos equipos casi se conecten y funcionen, ya que sólo enchufar el cable de Ethernet proporciona tanto la conectividad de la red como la alimentación. Esto simplifica la configuración de fábrica, facilitando la ruta de los cables hacia el equipo.

Esto también ahorra tiempo en el diseño de la instalación, a la vez que ahorra el costo del cableado adicional y la mano de obra necesaria para tender el cable. Además, al proporcionar una fuente de alimentación central para cada punto final PoE -o Dispositivo Alimentado (PD)- en la red, PoE proporciona un único punto de mantenimiento. Un conmutador o concentrador habilitado para PoE puede proporcionar de forma segura hasta 90 vatios (W) de potencia para cada DP, lo que hace que PoE sea apropiado para cámaras, paneles de control compactos y algunos equipos de fábrica como válvulas o puertas.

El PoE también libera espacio para el cableado adicional. La mayoría de los mazos de cables en las instalaciones industriales se limitan a unos 24 cables en total debido a problemas de calor. Los cables en el mismo paquete se suelen sujetar con cuerdas giratorias resistentes que mantienen los cables bien atados uno junto al otro. Como resultado, todos los cables del mazo comparten y atrapan el calor, lo que eleva la temperatura de todo el mazo de cables, lo que se conoce como "aumento de la temperatura". Debido a que la resistencia aumenta con la temperatura, a medida que aumenta la temperatura, la pérdida de potencia y de señal debido al calor disminuirá la eficiencia energética de cada cable del mazo. PoE elimina muchos de los cables de alimentación utilizados en la automatización industrial, lo que disminuye el número de cables en un haz, reduciendo el calor y evitando la degradación de la señal en los pares trenzados de Ethernet. Esto también mejora la eficiencia para llevar la energía a los equipos.

Actualmente existen tres estándares para el suministro de PoE a través de cableado estándar de Ethernet Cat5e: 802.3af puede proporcionar hasta 15.4 W de energía de CC desde el equipo de suministro de energía a cada DP; 802.3at (PoE+) proporciona hasta 25.5 W de energía; y el último estándar, 802.3bt (PoE++), puede proporcionar hasta 60 W de energía a través de cableado estándar de Ethernet Cat5e. 802.3bt también puede soportar hasta 90 W de potencia con cableado Cat6 o Cat6a, que lleva la potencia sobre un cable de calibre más grueso. Cada uno de los estándares es compatible con los anteriores.

Agregar Ethernet y PoE a una nueva instalación de automatización industrial

La forma más fácil de añadir PoE cuando se construye una nueva red es incorporar switches Ethernet compatibles con PoE. Una solución fácil es utilizar el conmutador PoE Ethernet no gestionado de cinco puertos de riel DIN HES5A-4E60-VL de Henrich Electronics (Figura 1).

Imagen del switch Ethernet HES5A-4E60 de Henrich ElectronicsFigura 1: El switch Ethernet HES5A-4E60 de Henrich Electronics proporciona cinco puertos Ethernet, cuatro de los cuales son compatibles con 802.3bt PoE++. (Fuente de la imagen: Henrich Electronics)

El switch Ethernet no gestionado HES5A-4E60 de Henrich Electronics se monta en un carril o panel DIN estándar. Es compacto, con sólo 92 x 116 x 67.2 milímetros (mm), lo que lo hace apropiado para instalaciones con limitaciones de espacio. El HES5A-4E60-VL tiene cinco puertos Ethernet en el panel frontal. Uno es un puerto estándar 10/100Base-T y cuatro son puertos Ethernet PoE++ capaces de suministrar hasta 60 W de energía a cada DP. Con un cableado Cat6/a, el HES5A-4E60-VL puede proporcionar hasta 90 W. Tiene un grado de protección IP40 y puede funcionar a temperaturas de entre -40 °C y +60 °C, lo que lo hace apropiado para la mayoría de las instalaciones de automatización industrial.

El HES5A-4E60-VL también es compatible con los anteriores estándares PoE de 802.3af, que admite 15.4 W por punto final, y 802.3at, que soporta 25.5 W por punto final.

Cuando un cable se conecta a uno de sus cuatro puertos Ethernet PoE++, el HES5A-4E60-VL inicia un corto protocolo de handshaking PoE con el PD. Este handshaking determina si el punto final requiere energía PoE, y si es así, cuánta energía está solicitando el punto final. Esto permite que el conmutador PoE aplique de forma segura y eficiente la energía solicitada al punto final de Ethernet, y que desconecte de forma segura la energía del PD si el cable de Ethernet se desconecta, o si el punto final deja de responder. Si un PD está correctamente alimentado, se ilumina un indicador LED para ese puerto PoE en el interruptor para indicar que el puerto está recibiendo energía. Esto también ayuda a diagnosticar cualquier problema de energía. Por ejemplo, si un PD no funciona y la luz PoE correspondiente está apagada, podría indicar que un cable está dañado o desconectado, o posiblemente que el punto final no está completando el handshake PoE correctamente.

El HES5A-4E60-VL es un switch no administrado, lo que significa que es "plug and play" (conectar y usar). Una vez que un cable Ethernet se conecta a cualquiera de sus cinco puertos, el switch solicita la dirección MAC de Ethernet del punto final. El HES5A-4E60-VL tiene una tabla MAC de 1,024 entradas para almacenar las entradas MAC conocidas en direcciones IP. Si la MAC no está en la tabla de MAC se le asigna una nueva dirección IP. Si la dirección MAC se encuentra en la tabla, la dirección IP se lee en la entrada de la tabla MAC y se asigna al punto final. El interruptor no necesita ser configurado o administrado de ninguna manera.

Para redes de automatización industrial más sofisticadas, Henrich Electronics ofrece el HES6GM-4E-2SFP-VLW, un conmutador PoE+ Ethernet de seis puertos gestionado (Figura 2). Este conmutador Ethernet con clasificación IP30 tiene una temperatura de funcionamiento nominal para un amplio rango de -40 °C a +75 °C, lo que lo hace adecuado para entornos industriales secos y sin polvo que pueden experimentar temperaturas extremas demasiado inhóspitas para la exposición humana a largo plazo.

Tiene una mesa MAC de 4,096 entradas y soporta 10/100/1000Base-T, lo que lo hace compatible con el último estándar Gigabit Ethernet. Admite hasta 30 W de potencia por cada DP.

Imagen del switch Ethernet de riel DIN HES6GM-4E-2SFP-VLW de Henrich ElectronicsFigura 2: El switch Ethernet de riel DIN HES6GM-4E-2SFP-VLW de Henrich Electronics tiene seis puertos Ethernet, cuatro de los cuales son compatibles con PoE+. El interruptor puede ser configurado por un navegador de Internet para establecer alarmas y alertas para diversas operaciones. (Fuente de la imagen: Henrich Electronics)

La serie HES6GM-4E puede ser montada en rieles DIN o en paneles. Es un conmutador gestionado, lo que significa que puede ser completamente "plug and play" como el HES5A-4E60, o también puede ser configurado usando un navegador web desde una PC conectada a cualquiera de sus puertos Ethernet. La seguridad permite que se conceda permiso a un máximo de diez direcciones IP para acceder a la interfaz del navegador. Otras características de la interfaz de configuración del navegador de Internet son las alertas automáticas por correo electrónico sobre problemas de seguridad, la configuración de los parámetros del Protocolo de configuración dinámica del host (DHCP), el control del tráfico basado en los puertos y la limitación, el reenvío de puertos y el acceso al registro del sistema. La interfaz del navegador también puede acceder a la tabla MAC de 4.096 entradas para revisar, editar o eliminar entradas.

Cableado para entornos industriales severos

Los entornos industriales pueden ver temperaturas extremas y estar expuestos a líquidos que van desde el agua salada hasta el petróleo y la gasolina que pueden corroer las superficies desprotegidas. En el caso del cableado, el abuso físico constante, como ser estirado en esquinas afiladas o atropellado por camiones, puede degradar o dañar el blindaje del cable o, en casos extremos, romper los conductores eléctricos que transportan datos y energía. Esto requiere un cable de alta resistencia industrial construido para soportar el abuso industrial. Además, para manejar tanto la señal como suministro de energía, PoE requiere cables de alta calidad. Se necesitan cuatro pares trenzados para proporcionar datos y energía. El calibre del cable no debe ser menor de 24 AWG para minimizar el aumento de calor con suficiente eficiencia para proporcionar 60 W de potencia por cable.

Para los entornos más duros, Samtec Inc. ha introducido el ensamblaje de cable Ethernet RCE-01-G-13.00-D Cat5e (Figura 3). Este cable de 13 metros contiene cuatro pares trenzados: dos pares para datos y dos pares para energía PoE.

Imagen del ensamble de cables RCE-01-G-13.00-D de Samtec Inc.Figura 3: El RCE-01-G-13.00-D de Samtec Inc. es un ensamblaje de cable Cat5e con un grado de protección IP68. Tanto el cable como los conectores RJ45 pueden soportar los entornos industriales más duros. (Fuente de la imagen: Samtec Inc.)

Cada conector macho RJ45 tiene un diseño rectangular que ahorra espacio y está sellado contra el polvo y los líquidos. Los conectores utilizan un mecanismo de cierre de presión que crea un clic audible distintivo cuando se inserta correctamente. Los cierres están diseñados para ser fácilmente removidos con un mínimo de esfuerzo.

El cable RCE-01-G-13.00-D Cat5e utiliza conductores de 24 AWG, lo que lo hace apropiado para la entrega de energía 802.3af y 802.3at.

Conclusión

PoE se ha vuelto más fácil de usar con la introducción de los switches Ethernet que pueden manejar la energía. La selección del switch PoE Ethernet adecuado para una aplicación de automatización industrial puede ahorrar tiempo y costos, a la vez que proporciona un suministro de energía seguro y eficiente, así como una conectividad de red fiable en el mismo cable.

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Información sobre el autor

Bill Giovino

Bill Giovino es ingeniero electrónico con un BSEE de la universidad de Syracuse y es uno de los pocos profesionales capaz de pasar de ingeniería en diseño a ingeniería de aplicación en campo a marketing tecnológico de forma exitosa.

Durante más de 25 años, Bill ha disfrutado promocionar las nuevas tecnologías a audiencias técnicas y no técnicas por igual en muchas empresas, entre ellas STMicroelectronics, Intel y Maxim Integrated. Mientras trabajó en STMicroelectronics, Bill ayudó a dirigir los primeros éxitos de la empresa en la industria de microcontroladores. En Infineon, Bill estuvo a cargo de que el diseño del primer controlador de la empresa tuviera éxito en la industria automotriz de EE. UU. Como consultor de marketing para CPU Technologies, Bill ha ayudado a muchas empresas a convertir sus productos con bajo rendimiento en casos de éxito.

Bill fue uno de los primeros en adoptar el Internet de las cosas, incluso colocar la primera pila de TCP/IP en un microcontrolador. Bill es un ferviente creyente de "Vender a través de la educación" y de la gran importancia de contar con comunicaciones claras y bien escritas a la hora de promocionar productos en línea. Es moderador del grupo en Linkedin denominado Semiconductor Sales & Marketing (Marketing y ventas de semiconductores) y habla sobre el concepto B2E (empresa-empleado) de manera fluida.

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