Utilice el Ethernet industrial como alternativa resistente y determinista al Ethernet estándar

Ethernet es el estándar de redes cableadas más utilizado para las redes de área local (LAN) y las redes de área amplia (WAN). Si bien la comunicación mediante Ethernet estándar a menudo parece instantánea, en realidad no hay garantía de que los paquetes de datos enviados a través de la red lleguen a su puerto de destino dentro de un plazo fijo específico.

Este no determinismo puede ser un problema en aplicaciones industriales donde un mensaje demorado puede causar el cierre de una línea de producción o daños al personal. Para proporcionar este determinismo, se puede utilizar una versión “industrial” modificada de Ethernet.

Este artículo analiza los elementos clave del Ethernet industrial y revisa dos interruptores Ethernet de Delta Electronics que pueden sentar las bases de una red Ethernet industrial determinista.

La necesidad del determinismo en Ethernet

Ethernet es un estándar de red física que define los cables y los conectores físicos utilizados para transmitir paquetes de datos a través de una red. El Ethernet estándar utiliza el conjunto de protocolos TCP/IP para definir cómo se intercambian los datos entre los dispositivos conectados a la red. Sin embargo, incluso en una red local, TCP/IP no es determinista y también puede provocar demoras de hasta cientos de milisegundos. Esto es inaceptable para las redes locales industriales que conectan sistemas de automatización industrial. Estos sistemas a menudo dependen de paquetes o mensajes que llegan dentro de un período de tiempo definido y exigen tiempos de respuesta tan rápidos como 10 milisegundos (ms) o, en algunos casos extremos, más rápidos que 1 ms.

Profinet es otro formato de trama de Ethernet popular (también llamado protocolo de comunicaciones) que se utiliza en redes industriales. Se desarrolló Profinet como una alternativa más simple al TCP/IP completo. Una versión en tiempo real del mismo, Profinet RT, prioriza los datos para que pueda entregar mensajes de control de proceso de alta prioridad bajo restricciones de tiempo más estrictas. Los mensajes de estado que menos dependen del tiempo tendrían menor prioridad. Sin embargo, Profinet RT sigue sin ser determinista. Para proporcionar determinismo, también se desarrolló una versión isócrona de Profinet RT (Profinet IRT).

Profinet IRT logra el determinismo al superponer intervalos de tiempo programados en el ancho de banda de la red: Los datos IRT usan un intervalo y los datos RT e IP usan el otro intervalo. De esta manera, los dispositivos en el intervalo IRT pueden cronometrarse para recibir datos de manera determinista.

Es importante tener en cuenta que si una red Ethernet industrial se basa en un protocolo de comunicaciones determinista como Profinet IRT, entonces todos los dispositivos conectados a la red también deben ser compatibles con Profinet IRT. En consecuencia, los dispositivos TCP/IP típicos, como las cámaras IP y los firewalls de hardware, no funcionarán en la red. Esto proporciona una capa de seguridad que evita que el personal opere dispositivos no autorizados en la red.

Pasar de concentradores Ethernet a interruptores resistentes

Un concentrador Ethernet actúa como repetidor, lo que lo hace no determinista por naturaleza. Los paquetes de datos recibidos de un solo puerto se reenvían a todos los demás puertos en la red del concentrador. Por lo tanto, si 25 puertos están conectados a un concentrador, y si el puerto 3 envía paquetes de datos destinados al puerto 22, el concentrador enviará los paquetes de datos no solo al puerto 22 sino a todos los puertos. Como todos los puertos conectados al concentrador comparten el mismo ancho de banda, a medida que se agregan más puertos al concentrador, compiten por ese ancho de banda. Esto aumenta la probabilidad de colisiones, lo que provoca demoras en los paquetes y hace que el determinismo sea imposible de lograr. Además, debido a esta configuración, un concentrador solo puede enviar un mensaje a la vez. Si otro puerto necesita enviar datos, debe esperar hasta que la red esté despejada. Esta es la razón por la cual los concentradores Ethernet son no deterministas por naturaleza.

Por otro lado, un interruptor de red Ethernet es un dispositivo inteligente. Almacena la dirección única de control de acceso a medios (MAC) de todos los dispositivos conectados al interruptor en una tabla de direcciones MAC interna, generalmente en RAM de alta velocidad. Debido a que el interruptor conoce la dirección MAC de cada dispositivo que tiene conectado, puede reenviar paquetes de datos solo al puerto para el cual están destinados los datos. Por lo tanto, si el puerto 3 envía paquetes de datos al puerto 22, el interruptor solo envía los paquetes de datos al puerto 22.

Un interruptor puede gestionar varias comunicaciones de datos simultáneas. Como tal, el puerto 3 puede enviar datos al puerto 22 al mismo tiempo que el puerto 4 envía paquetes de datos al puerto 7. Esto elimina las colisiones inherentes a los concentradores Ethernet, al tiempo que aumenta la velocidad, la eficiencia y la tasa de producción de toda la red. Debido a que la única demora es la velocidad de conmutación conocida del interruptor (como se especifica en la hoja de datos del interruptor), se requieren interruptores de red cuando se diseña una red Ethernet determinista.

Un interruptor de red también aporta una capa adicional de seguridad. Como un puerto solo recibirá los paquetes de datos destinados a él, un dispositivo conectado a un puerto no puede supervisar la red.

Los interruptores para Ethernet industrial también son más resistentes en comparación con los interruptores Ethernet comerciales. Si bien los interruptores comerciales son apropiados para un uso doméstico o de oficina, los interruptores Ethernet industriales pueden ser resistentes en entornos de fábrica hostiles y resistir vibraciones, descargas y temperaturas extremas más intensas. Además, los interruptores Ethernet industriales están diseñados para un uso seguro en presencia de gases explosivos y son resistentes en ambientes corrosivos.

Ethernet en rieles DIN

Los interruptores Ethernet industriales están representados en el montaje en riel DIN de 5 puertos DVS-005W01 de Delta Electronics (Figura 1).

Figura 1: El interruptor Ethernet industrial DVS-005W01 de Delta Electronics es un interruptor resistente que puede soportar entornos industriales hostiles. Es compatible con cinco puertos Ethernet y tiene clasificación IP40. (Fuente de la imagen: Delta Electronics)

Al igual que cualquier interruptor Ethernet, el DVS-005W01 solo transmite paquetes de datos a los puertos receptores. Admite velocidades de transmisión 100Base-T de hasta 100 megabits por segundo (Mbits/s). La tabla de direcciones MAC admite 1024 entradas y una memoria de búfer de paquetes de 512 Kbit está disponible para almacenar paquetes reenviados. Además, mientras que los interruptores y concentradores comerciales usan una sola fuente de alimentación, el DVS-005W01 tiene dos entradas de alimentación redundantes de 12 a 48 voltios; de esta manera, si una fuente de alimentación se cae, una segunda fuente de alimentación de respaldo se puede encender fácilmente sin ningún otro hardware externo.

El DVS-005W01 admite una velocidad de conmutación interna de 1 gigabit por segundo (Gbps), que es la velocidad interna del interruptor de red cuando procesa paquetes de datos entrantes y salientes. Esta es una especificación importante para el comportamiento determinista, ya que cuanto más rápida es la velocidad de conmutación, más corta es la demora.

Para redes industriales más complejas, Delta Electronics también provee el interruptor Ethernet DVS-016W01 con 16 puertos (Figura 2).

Figura 2: El DVS-016W01 de Delta Electronics admite 16 puertos Ethernet y se monta en un riel DIN o en la pared. (Fuente de la imagen: Delta Electronics)

El DVS-016W01 tiene una tabla de direcciones MAC que admite 8192 entradas y tiene una memoria de búfer de paquetes de 1 Mbits. Admite una velocidad de conmutación interna de 3.2 Gbps.

Tanto los interruptores de 5 puertos como los de 16 puertos de Delta Electronics son interruptores no administrados, es decir que, básicamente, tienen un inicio automático. Cada vez que un dispositivo de red se conecta a uno de los puertos, el interruptor detecta automáticamente la dirección MAC del dispositivo y almacena esa dirección en su tabla de direcciones MAC interna. La detección automática de las direcciones MAC también se realiza cada vez que se apaga y se enciende el interruptor. Los interruptores administrados ofrecen más características de control de tráfico por puerto que deben programarse durante la configuración.

Para complementar los interruptores, hay cables industriales para Ethernet disponibles con clasificación IP67 o IP68. Estos cables para Ethernet son de alta resistencia y pueden soportar temperaturas altas y bajas extremas, solventes corrosivos, inmersión en agua y otros maltratos. Los cables para Ethernet industrial también son más resistentes a las fuerzas de flexión, torsión, estiramiento e impacto a las que los cables pueden enfrentarse en las fábricas.

Conclusión

Las aplicaciones de automatización industrial tienen requisitos para la latencia en las comunicaciones, el determinismo y la robustez del hardware que van mucho más allá de las capacidades de Ethernet estándar. Sin embargo, como se muestra, los diseñadores y los ingenieros de operaciones de línea pueden proporcionar Ethernet de potencia industrial mediante el uso de protocolos de comunicaciones deterministas e interruptores y cableado disponibles comercialmente.