¿Qué son las topologías de anillo propietarias en las redes de automatización?

La topología de red en el contexto de la automatización industrial y el IoT se refiere principalmente a la disposición de las conexiones de comunicación por cable entre nodos y dispositivos (como sensores, actuadores, motores inteligentes, accionamientos y controladores), así como a los conmutadores , concentradores y pasarelas. La topología de la red utilizada para una máquina o una instalación más grande determina:

• Estabilidad y velocidad de la comunicación del sistema
• La cantidad de redundancia y el tiempo de recuperación que posee una red industrial
• La importantísima capacidad de recuperación de la conexión (tras el fallo de algún enlace en la red)

Este artículo explica varias topologías de red, incluyendo varias topologías de anillo, así como algunas topologías propietarias y dónde se utilizan.

Figura 1: Se muestran las principales familias de topologías de redes industriales. (Fuente de la imagen: Design World)

Más información sobre los tipos de topología de redes industriales

La topología de una red de automatización industrial es la forma en que los componentes de la red, clasificados como enlaces (conexiones por cable en disposiciones cableadas) y nodos, están dispuestos unos respecto a otros. Los nodos son dispositivos que pueden servir como puntos de redistribución o puntos finales de comunicación. En cambio, los enlaces son el medio a través del cual se conectan los nodos, ya sea por cable o de forma inalámbrica. Los enlaces pueden ser:

• Simplex: solo permite la comunicación unidireccional
• Dúplex: permite comunicaciones simultáneas en ambas direcciones
• Semidúplex: permite la comunicación en ambas direcciones, pero solo en un sentido a la vez

La topología de una red es la forma en que los nodos están conectados por los enlaces. Los arreglos abundan.

Topología de red en bus: Las redes con topología de bus tienen una "vía" principal de cable (conocida como bus) a la que cada nodo se conecta de forma independiente o "baja", como se denomina en muchas referencias del sector.

Topología de red en estrella: Las redes con topología en estrella están centralizadas en torno a un nodo en forma de concentrador. A continuación, los demás nodos se conectan al centro a través de sus enlaces. Una topología en estrella también tiene algunas ventajas para el ahorro de energía, ya que los dispositivos individuales que sólo transmiten de forma intermitente pueden apagarse y solo el concentrador requiere energía continua.

Topología de red en malla: Las redes con una topología totalmente conectada conectan cada nodo con todos los demás. Del mismo modo, las redes con topología de malla (como los arreglos totalmente conectados) se basan en conexiones descentralizadas, pero no requieren que cada par de nodos esté conectado. Las configuraciones que no tienen todos los nodos conectados a todos los demás se denominan a veces redes de malla parcialmente conectadas.

Las redes inalámbricas suelen utilizar una topología de malla, ya que son resistentes y seguras, y reducen el consumo de energía... una característica útil para las redes que tienen nodos con batería. Las redes de malla también pueden mejorar el alcance de la red para una cantidad determinada de cableado, ya que los enlaces individuales pueden ser más cortos que la red en su conjunto. Eso es beneficioso para las grandes redes de IoT con muchos sensores de baja potencia. Y lo que es más importante, las redes con topología de malla ofrecen la mayor flexibilidad y redundancia de todas las opciones, especialmente si están totalmente conectadas. Una advertencia es que la recuperación tras un fallo de enlace puede ser lenta porque el sistema debe encontrar una nueva ruta a través de la malla, lo que puede hacer necesaria la reconfiguración de los puertos en torno al enlace roto. En el caso de las redes cableadas, el cableado y los puertos adicionales también encarecen la topología de malla.

Topología de red en anillo: Las redes con topología de anillo enlazan cada nodo con dos adyacentes en una secuencia que forma un anillo. También se conoce como anillo redundante porque un enlace puede ser desactivado hasta que se necesite.

Profundización en la topología de anillo para la automatización industrial

Las redes con topología de anillo tienen una buena velocidad de transferencia de datos y se recuperan con bastante rapidez en caso de fallo del enlace. Los costos del cable también son relativamente bajos. No es de extrañar que las topologías de anillo sean generalmente la opción principal para las redes de automatización industrial cableadas. Con un enlace redundante desactivado, el anillo se convierte efectivamente en una línea... proporcionando una comunicación rápida y eficiente. Durante un fallo de enlace, no hay un redireccionamiento complejo. En su lugar, simplemente se activa un enlace redundante, y todos los demás enlaces siguen utilizando las rutas de puerto por defecto del sistema.

Considere las permutaciones comunes de la topología de anillo en el protocolo de control de transmisión (TCP) y el protocolo de datagramas de usuario (UDP). Con los protocolos IP TCP y UDP, las conexiones a Internet son posibles porque cada dispositivo tiene una dirección IP. Estas direcciones IP permiten al sistema enrutar los paquetes de datos de una dirección a otra. Los paquetes contienen los datos reales junto con información adicional en una cabecera que incluye la dirección IP de destino.

TCP (a menudo llamado TCP/IP) controla cómo se reúnen los paquetes de datos en su destino. El requisito previo para que esto funcione es tener comunicación tanto del emisor como del receptor. El remitente incluye los números de secuencia en la cabecera, y el destinatario debe devolver un mensaje de acuse de recibo del paquete. Si los paquetes no son reconocidos, son reenviados. Los dispositivos también comprueban los paquetes en busca de errores utilizando sumas de comprobación en cada cabecera de paquete. Este proceso TCP garantiza un intercambio de datos fiable a costa de procesos de comunicación relativamente lentos de ida y vuelta. En cambio, UDP (el protocolo IP más reciente) permite una transferencia de datos más sencilla y rápida entre direcciones IP. Los dispositivos receptores no están obligados a acusar recibo de los paquetes, por lo que la velocidad es mayor a costa de una fiabilidad ligeramente degradada.

Retos de redundancia y soluciones complementarias

Los protocolos de gestión de red en los sistemas basados en Ethernet complementan las funciones de redundancia para garantizar la eficacia de los datos y evitar los problemáticos bucles de puente y la radiación de difusión que inducen. Básicamente, los bucles de puente o de conmutación son transmisiones de datos repetidas de forma innecesaria y problemática. Estos viajan a través de conexiones duplicadas entre dispositivos, lo que ocurre cuando una red tiene múltiples vías entre dos nodos de red que se comunican.

Figura 2: En la automatización industrial, las topologías en anillo son rápidas y proporcionan una rápida recuperación en caso de fallo del enlace. (Fuente de la imagen: Design World)

Los bucles de los puentes pueden causar repetidas retransmisiones de datos, lo que a su vez provoca una sobrecarga de la red y una drástica ralentización de la misma. El problema es más probable que surja en sistemas con mucha redundancia.

La agregación de enlaces utiliza cables y puertos Ethernet paralelos para aumentar el ancho de banda y acelerar las recuperaciones. Esto significa que cuando un enlace falla, la conexión no se pierde, pero sí algunos datos, y el ancho de banda se reduce. Los cables suelen fallar por algún daño mecánico, los cables paralelos deben ir por caminos diferentes, lo que aumenta considerablemente el costo de la instalación. Este sencillo enfoque está estandarizado como Protocolo de Control de Agregación de Enlaces (IEE 802.1ad).

Es posible mantener las ventajas de la redundancia y al mismo tiempo evitar los bucles de puente. En este caso, la solución son topologías con bucles físicos paralelos complementados por la capacidad de desactivar selectivamente los enlaces mediante el uso de un protocolo de gestión de red. Entonces, si un enlace activo falla, la topología lógica se expande para incluir uno de los enlaces redundantes, y el reencaminamiento alrededor del enlace con error. El protocolo de árbol de expansión (STP), el protocolo de árbol de expansión rápido (RSTP) y una variedad de protocolos de anillo propietarios proporcionan esta función de gestión de red. Ten en cuenta que un árbol de expansión es otro nombre para la topología lógica sin bucles creada en estos protocolos; los enlaces que no forman parte del árbol de expansión están desactivados.

El STP y el RSTP funcionan tanto con topologías de malla como de anillo y ofrecen tiempos de recuperación adecuadamente rápidos para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, las aplicaciones de automatización industrial más exigentes suelen requerir tiempos de recuperación extremadamente rápidos que solo son posibles con protocolos de anillo propios.

Muestreo de protocolos de anillos propietarios

Como su nombre indica, los protocolos de anillo propietarios son específicos de los fabricantes de hardware de red. Por ejemplo, algunos conmutadores N-Tron de Red Lion utilizan el protocolo de anillo propietario N-Ring. Estos protocolos propietarios controlan los bucles de la red y gestionan los fallos de los enlaces, proporcionando una alternativa al STP o al RSTP.

Como se ha explicado anteriormente, las topologías en anillo se utilizan principalmente en las redes de automatización industrial cableadas por su baja latencia y su capacidad para ofrecer la máxima fiabilidad, así como las tasas más rápidas de transferencia de datos y de recuperación en caso de fallo del enlace. La redundancia es clave para recuperarse de los fallos en los enlaces. Lla redundancia puede causar problemas con los datos repetidos problemáticamente de los bucles. Para evitar este problema es necesario contar con protocolos de red capaces de prevenir los bucles y recuperar rápidamente los fallos de enlace, especialmente en las operaciones de automatización industrial que no toleran el tiempo de inactividad. Los protocolos de anillo propietarios suelen ser las opciones más adecuadas para este tipo de aplicaciones que necesitan mantener tiempos de recuperación de fallos rápidos.

Consideremos algunos de los protocolos de anillo propietarios más utilizados.

El anillo HiPER fue lanzado como un protocolo de anillo propietario en 1999 por Hirschmann y Siemens. Ahora está estandarizado en la norma IEC 62439 y tiene el nombre genérico de protocolo de redundancia de medios (MRP). Puede soportar hasta 200 nodos. Aunque la versión estándar tiene un tiempo de recuperación de 500 mseg, el anillo Fast HiPER tiene una recuperación declarada de 60 mseg, mucho más competitiva.

El protocolo Resilient Ethernet (REP) es un protocolo propietario de Cisco que también utilizan Rockwell Automation y Westermo. REP proporciona un comportamiento de red rápido y predecible y ha afirmado que los tiempos de recuperación son tan bajos como 20 mseg. Algunas limitaciones son que REP no es plug-and-play y no evita automáticamente los bucles. En cambio, la REP debe estar correctamente configurada para ofrecer estas funciones. REP funciona creando colecciones de puertos encadenados, en secuencias llamadas segmentos de red.

X-ring es la tecnología de anillos patentada por Advantech, con un tiempo de recuperación quizá más rápido, de solo 10 ms. La advertencia es que el X-ring se limita a redes relativamente pequeñas con 20 o menos nodos.

El protocolo N-Ring, propiedad de Red Lion, mencionado anteriormente, tiene una recuperación de 30 segundos y la capacidad de soportar grandes redes, con hasta 250 nodos posibles.

Hay una razón para la amplia gama de velocidades mencionadas. Aunque los protocolos de red TCP y UDP tienen velocidades ligeramente diferentes, la topología de una red industrial y el protocolo de gestión tienen un impacto mucho más significativo en la velocidad de la red. Por ejemplo, las redes de anillo redundante STP tienen velocidades de recuperación de 30 a 90 segundos en TCP y de 10 a 50 segundos en UDP; RSTP reduce estos valores a entre uno y tres segundos. Los tiempos de recuperación de las redes de malla son aún mayores. Por el contrario, algunas redes de anillo propietarias pueden recuperarse de los fallos de enlace en solo 0.3 segundos en TCP... o 0.2 segundos en UDP. De hecho, algunos fabricantes afirman que los tiempos de recuperación de sus redes de anillo propias son mucho mejores... a veces con una precisión de 10 mseg.

Conclusión sobre las topologías de anillo en la automatización industrial

Las topologías en anillo son habituales en las redes de automatización industrial cableadas. Su baja latencia y su máxima fiabilidad suelen complementarse con métodos propios para evitar los bucles y gestionar los fallos de los enlaces mejor que los tradicionales STP o RSTP.