Ethernet industrial: la comparació dóna confiança

Gràcies a la seva gran expansió en l'àrea de la tecnologia de la informació, Ethernet té també un enorme potencial per incrementar la producció i reduir els costos en les aplicacions automàtiques de la indústria. En general, la tecnologia Ethernet permet grans prestacions, més velocitat en la transferència de dades i una major qualitat en els processos de producció. Sent aquest el cas, per què Ethernet no s'utilitza en totes les aplicacions industrials d'avui en dia?

Durant molts anys, s'ha utilitzat Ethernet per a sistemes de control de xarxa, sistemes d'administració i cèl lules de fabricació, però no en els dispositius que estan dins de les màquines i equips actuals. En aquestes àrees es continuen utilitzant altres tecnologies de busos de camp. En aquest cas, cal comunicar per mitjà d'una paserela, la qual cosa fa que pugin els temps de conversió entre protocols diferents. Fins ara, l'estandardització d'Ethernet des del nivell d'Internet fins al control de baix nivell d'actuadors i sensors ha fracassat per culpa de la suposada complexitat, la limitada disponibilitat dels dispositius i les exigències actuals dels processos de temps real.

Més tard, s'han anat introduint gran quantitat de variants d'Ethernet per a la indústria i s'ha discutit el seu funcionament en revistes especialitzades. Aquesta proliferació prové principalment per les diferents aproximacions tècniques que fan possible que Ethernet sigui capaç de manejar aplicacions de temps real. Una altra de les raons d'aquesta varietat és l'intent de molts fabricants de lligar els clients a les seves xarxes a llarg termini. És freqüent en aquestes discussions que s'oblidi de tractar temes com la facilitat de la posada en marxa, la conformitat, la interoperabilitat, l'obertura a desenvolupaments futurs, la disponibilitat a llarg termini, la independència d'un fabricant i la distribució global en lloc d'els sempre esmentats velocitat de transferència i propietats tècniques. Aquest article va a oferir una panoràmica als quatre sistemes més famosos existents en l'actualitat tenint en compte els punts anteriors.

Profinet s'està administrant i desenvolupant per part de l'organització d'usuaris de Profibus sota els auspicis de Siemens. Com directa evolució de PROFIBUS, se suposa que la tecnologia d'Ethernet és capaç de manejar totes les àrees presents en el nivell de sensors i actuadors. S'han dissenyat fins a tres tipus diferents d'especificacions per Profinet per respondre a diferents exigències:

· Profinet (anteriorment V1) per a aplicacions que no requereixen treballar en temps real.

· Profinet RT (anteriorment V2 o SRT) per exigències moderades de temps real.

· Profinet IRT (anteriorment V3) a grans exigències de temps real en aplicacions de control.

Les dues primeres variants es poden implementar utilitzant dispositius i components convencionals d'Ethernet. En canvi, la versió IRT necessita de nous components que permetin transferir les dades en temps real amb una precisió del microsegon.

Profinet transfereix les dades de forma cíclica i reserva canals de comunicació per a dades tant isócronos com asíncrons. Els camins de comunicació per a les dades de temps crític s'alliberen de forma isòcrona exactament en el moment predefinit dins la xarxa. Llavors la informació és intercanviada d'acord amb la direcció, com en el cas del "Ethernet commutat".

Els components de commutació disponibles d'Ethernet no s'assemblen als de la comunicació de temps controlat per canals isócronos i han de ser reemplaçats per uns commutadors ASICs especials per Profinet de Siemens. Aquests components (l'Ertec 200 i l'Ertec 400) s'ha introduït només recentment en el mercat.

Per poder fer una aplicació apropiada a nivell global, primer cal esperar que la tecnologia es consolidi i va demostrar ser fiable. La complexa commutació entre la comunicació de temps controlat i la de direcció controlada no correspon a cap procediment estandarditzat i requereix d'un suport d'eines de programari local i d'eines de proves i anàlisi especials. Per futures i més ràpides (gigabyte) variants d'Ethernet és necessari el desenvolupament de nous commutadors ASICs. A més dels costos d'aquests components especials i de tots els dispositius i commutadors, s'ha de tenir en compte el cost del programari i de les llicències.

Els proveïdors de sensors i actuadors de baix cost no seran capaços de justificar aquests costos.

En resum, Profinet cerca una aproximació molt universal que el conduirà a un grau de complexitat molt alt que es repercutirà en un preu elevat.

Rockwell Automation i l'ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) són els que es troben darrere d'Ethernet / IP. IP no fa referència al arxiconegut protocol d'Internet (Internet Protocol), sinó al terme 'Industrial Protocol' (protocol industrial) alguna cosa que pot provocar confusió. El nucli de EthernetI / P és el CIP (Common Industrial Protocol) el qual ja és present en les tecnologies de busos DeviceNet i ColntrolNet. Ja s'està utilitzant actualment en aplicacions de temps no-crític. Amb vista a penetrar en l'àrea d'aplicacions de sistemes de control altament dinàmics s'ha desenvolupat una variant d'aquest protocol amb el nom de CIPsync.

CIPsync s'assegura que totes les estacions a la xarxa treballin de forma isòcrona i que les dades de temps real siguin intercanviats entre elles quan sigui necessari. La gestió de la sincronització la porten a terme rellotges distribuïts en cadascun dels dispositius tal i com defineix el protocol de sincronització IEEE 1588. La temporització extremadament precisa, com la necessària per a aplicacions de control, requereix de rellotges de maquinari especials. El rellotge dels dispositius marca cada un dels missatges amb l'atribut del temps. Això fa possible especificar clarament quan s'han de llegir les entrades i en quin moment s'han d'executar les ordres.

El procediment basat en la IEEE no garanteix que les dades es transfereixin en el moment correcte. Als missatges crítics en temps se'ls assigna una major prioritat i es tracten primer a la xarxa. Conseqüentment, a tots els altres missatges se'ls assigna una categoria inferior.

Encara Ethernet / IP utilitza uns estàndards familiars de IEEE, obtenir una gran precisió necessita, en aquest cas, que tots els components estiguin equipats amb rellotges de maquinari dels quals estiguin molt integrats amb els xips d'Ethernet. Aquests components encara no es troben disponibles al mercat. La necessària priorització dels missatges requereix un coneixement detallat dels mecanismes d'Ethernet i del volum de trànsit que hi hagi a la xarxa. Si els enginyers d'automàtica no són formats primer en el camp de les xarxes no seran capaços d'implementar aquesta tecnologia. Ethernet / IP és una xarxa commutada. Per aquesta raó, les anàlisis de la xarxa són possibles només sobre una base limitada. La tan important estructura de xarxes lineals en automatització dels dispositius no pot ser implementada. Finalment cal dir que la realització global de Ethernet / IP depèn molt del volum total de trànsit que hi hagi a la xarxa.

Es dóna a entendre, des Beckhoff, que la xarxa EtherCAT, un recent desenvolupament de la tecnologia de busos lleugers de la companyia en qüestió, és el sistema industrial d'Ethernet més ràpid disponible. Hi ha però que analitzar en detall la seva capacitat de processar 1000 E / S en 30 microsegons o 100 eixos en 100 microsegons.

Tots els dispositius formen una xarxa circular amb el mestre del bus. Durant cada cicle, les dades rellevants són extrets pels dispositius esclaus des dels paquets que envia el mestre del bus. Els esclaus al seu torn introdueixen dades "al vol" mentre que per la seva electrònica està passant el tren dels paquets de dades. Aquests paquets arriben de nou al mestre quan arriben al final de l'anell. El sistema ha estat dissenyat per a arquitectures de control centralitzades amb dispositius de camp simples. Per a la intel·ligència distribuïda EtherCAT no encaixa bé. Els dispositius individuals només es poden comunicar entre ells a través del mestre del bus. L'estructura en anell de la xarxa implica que les xarxes formades en estrella només seran implementades amb limitacions.

Aquesta tecnologia només es pot utilitzar amb l'ASIC propi de Beckhoff. Això limita ampliacions o desenvolupaments futurs, amb el risc concret i real que aquesta tecnologia es quedi endarrerida i obsoleta ja en uns pocs anys, si considerem que fa ràpidament la tecnologia evoluciona avui en dia.

Encara EtherCAT utilitza els paquets d'Ethernet, aquest no té molt més en comú amb l'Ethernet estàndard. Els dispositius individuals no es poden utilitzar en xarxes convencionals des que el direccionament MAC s'ha deixat d'utilitzar. I els protocols basats en IP necessiten fer un esforç per a ser re-empaquetats i virtualment dirigits quan s'envien. No està coberta l'opció de transferir dades de paràmetres i diagnòstics d'incidències de forma asíncrona.

A més del Ethernet 100Base-T, s'ha dissenyat també un E-bus per reduir components i salvar aproximadament 1 microsegon a costa d'estabilitat, aïllament elèctric i compatibilitat. Si els 100 eixos descrits a l'inici de la secció volguessin ser implementats amb una estructura física estàndard, llavors s'estima que són necessaris 100 microsegons només per als temps de retard per cada dispositiu. Per això, el cicle mínim possible ha de ser corresponentment més gran.

A sumar a aquesta confusió, aquest mètod'està també integrat amb l'ADS de Beckhoff, CANopen i els perfils de comunicació SERC. Per garantir que dispositius de diferents fabricants puguin treballar junts, s'ha de saber per endavant si tots els dispositius suporten o no el mateix perfil o la mateixa física (E-bus o 100Base-T).

Per obtenir un 100 per cent d'interoperabilitat, els fabricants de dispositius hauran d'invertir temps i esforços per a totes les variants possibles. Aquesta tecnologia s'ha fet parcialment pública i parcialment protegida per Beckhoff a través de bastants patents. Si aquesta xarxa guanya o no gran acceptació dependrà principalment en la seva disponibilitat, en el seu preu i l'anàlisi de riscos que es tingui en compte l'ASIC de Beckhoff.

B & R introduir Ethernet Powerlink el 2001. El seu objectiu va ser el de proporcionar un estàndard d'Ethernet amb propietats de temps real permetent al seu torn solucionar tota mena d'exigències per a aplicacions de control de motors. Des de llavors, l'EPSG (Ethernet Powerlink Standarization Group) ha promocionat Ethernet Powerlink i acceptat la responsabilitat de cuidar l'accés lliure, el desenvolupament continuat i la independència d'aquest.

Ethernet Powerlink és un protocol cíclic i deterministrico que organitza l'accés a la xarxa al mateix temps que la sincronització dels dispositius. El cicle de comunicació està dividit en una fase isòcrona per a les dades de temps crític i una fase asíncrona per a la transferència adequada de les dades. Tots els dispositius a la xarxa poden sempre llegir directament totes les dades dels altres dispositius (la informació es transmet de forma broadcast). No cal passar per un mestre de bus (com en el cas de EtherCAT). Aquest protocol s'ajusta de la mateixa manera per a dissenys de control locals com descentralitzats.

Les propietats elèctriques i tots els paquets de dades corresponen als estàndards d'Ethernet. Per exemple, Ethernet Powerlink en la fase asíncrona transmet les dades usant telegrames IP estàndards. Les implementacions surten a baix preu ja que aquestes es poden realitzar mitjançant qualsevol xip de Ethernet que trobeu actualment en el mercat, sense requerir un ASIC propietari. Els controladors poden obtenir cicles de temps extremadament curts d'uns 100 microsegons.

La interoperabilitat entre dispositius de diferents fabricants ve garantida per l'estructura física del 100Base-T igual que la seva integració amb la comunicació àmpliament usada de CANopen i els perfils dels dispositius. Per a l'anàlisi de xarxa es poden utilitzar sense modificacions eines disponibles comercialment i programes del món IT de llicència gratuïta. A diferència dels altres tres mètodes, tots els paquets es poden visualitzar en qualsevol punt de mesura sense limitacions.

Uns dels punts de força del Powerlink són el seu dinamisme i independència. D'una banda hi ha el maquinari, que com ja es va dir, és estàndard: cap ASIC propietari, només controladors Ethernet de mercat. Això va fer possible, per exemple, migrar sense esforç a Ethernet 1 Gbit. Igualment farà possible migrar sense esforç a més velocitats quan es produeixi el següent pas tecnològic a la indústria informàtica (que gaudeix de moltes més inversions per a R + D que la indústria d'automatització). D'altra banda hi ha un programari (el Powerlink, que substitueix el TCP / IP) capaç de garantir determinisme i que qualsevol fabricant d'electrònica pot desenvolupar a partir d'especificacions que són públiques. Alternativament, hi ha una versió OpenSource totalment gratuïta (sota els termes de llicència BSD), que inclou codis fonts i que permet desenvolupar equips en Powerlink de forma independent i amb inversions mínimes.

Destaca finalment que, gràcies als seus excel lents propietats en temps real, Ethernet Powerlink s'ha expandit recentment per incloure una capa de protocol de seguretat per a aplicacions crítiques d'acord amb l'IEC 61.508 fins al SIL 3 (fins SIL 4 amb limitacions) conegut com Ethernet Powerlink Safety.

La idea darrere d'Ethernet Powerlink és la de trobar el correcte balanç entre les demandes comunes de l'automatització amb aquelles exigències que són específiques per a cada àrea d'aplicació. Això ho està liderant com la solució més àmpliament acceptada i que es pot adaptar en un espai curt de temps. Ethernet Powerlink assegura una ràpida entrada al mercat als fabricants i usuaris i avui en dia segueix sent l'únic sistema Ethernet industrial de temps real que s'està produint en sèrie en el mercat.

Encara que la discussió que envolta les solucions del Ethernet industrial es centren freqüentment en tòpics acadèmics com al mètod'i la tecnologia més ràpida, el mercat a llarg termini només acceptarà solucions que siguin obertes, provades, fàcils d'usar, orientades al futur i capaços d'assegurar la inversió durant molts anys, conformant d'aquesta manera els estàndards i el suport per a la interoperabilitat. Els usuaris s'han tornat extremadament prudents amb les propietats del sistema des que es pot arribar a dependències impredictibles que no són fàcils de solucionar. L'èxit d'Ethernet POWERLINK està en el seu oberta accessibilitat a la tecnologia i el seu desenvolupament transparent usant conceptes i idees de totes les diferents àrea d'aplicació. Incomptables aplicacions en maquinària i sistemes de producció, tecnologia de mesura, indústria de transport i producció d'energia confirmen aquest camí.