Ethernet industrial: la comparación da confianza

Gracias a su gran expansión en el área de la tecnología de la información, Ethernet tiene también un enorme potencial para incrementar la producción y reducir los costes en las aplicaciones automáticas de la industria. En general, la tecnología Ethernet permite mayores prestaciones, más velocidad en la transferencia de datos y una mayor calidad en los procesos de producción. Siendo éste el caso, ¿por qué Ethernet no se utiliza en todas las aplicaciones industriales de hoy en día?

Durante muchos años, se ha utilizado Ethernet para sistemas de control de red, sistemas de administración y células de fabricación, pero no en los dispositivos que están dentro de las máquinas y equipos actuales. En estas áreas se continúan utilizando otras tecnologías de buses de campo. En este caso, es necesario comunicar por medio de una paserela, lo cual hace que suban los tiempos de conversión entre protocolos distintos. Hasta ahora, la estandarización de Ethernet desde el nivel de Internet hasta el control de bajo nivel de actuadores y sensores ha fracasado por culpa de la supuesta complejidad, la limitada disponibilidad de los dispositivos y las exigencias actuales de los procesos de tiempo real.

Más tarde, se han ido introduciendo gran cantidad de variantes de Ethernet para la industria y se ha discutido su funcionamiento en revistas especializadas. Esta proliferación proviene principalmente por las diferentes aproximaciones técnicas que hacen posible que Ethernet sea capaz de manejar aplicaciones de tiempo real. Otra de las razones de esta variedad es el intento de muchos fabricantes de atar los clientes a sus redes a largo plazo. Es frecuente en estas discusiones que se olvide de tratar temas como la facilidad de la puesta en marcha, la conformidad, la interoperabilidad, la abertura a desarrollos futuros, la disponibilidad a largo plazo, la independencia de un fabricante y la distribución global en lugar de los siempre citados velocidad de transferencia y propiedades técnicas. Este artículo va a ofrecer una panorámica a los cuatro sistemas más famosos existentes en la actualidad teniendo en cuenta los puntos anteriores.

PROFInet se está administrando y desarrollando por parte de la organización de usuarios de Profibus bajo los auspicios de Siemens. Como directa evolución de PROFIbus, se supone que la tecnología de Ethernet es capaz de manejar todas las áreas presentes en el nivel de sensores y actuadores. Se han diseñado hasta tres tipos diferentes de especificaciones para PROFInet para responder a distintas exigencias:

· PROFInet (anteriormente V1) para aplicaciones que no requieren trabajar en tiempo real.

· PROFInet RT (anteriormente V2 o SRT) para exigencias moderadas de tiempo real.

· PROFInet IRT (anteriormente V3) para grandes exigencias de tiempo real en aplicaciones de control.

Las dos primeras variantes se pueden implementar usando dispositivos y componentes convencionales de Ethernet. En cambio, la versión IRT necesita de nuevos componentes que permitan transferir los datos en tiempo real con una precisión del microsegundo.

PROFInet transfiere los datos de forma cíclica y reserva canales de comunicación para datos tanto isócronos como asíncronos. Los caminos de comunicación para los datos de tiempo crítico se liberan de forma isócrona exactamente en el momento predefinido dentro la red. Entonces la información es intercambiada de acuerdo con la dirección, como en el caso del “Ethernet conmutado”.

Los componentes de conmutación disponibles de Ethernet no se parecen a los de la comunicación de tiempo controlado para canales isócronos y deben ser remplazados por unos conmutadores ASICs especiales para PROFInet de Siemens. Estos componentes (el Ertec 200 y el Ertec 400) se ha introducido sólo recientemente en el mercado.

Para poder hacer una aplicación apropiada a nivel global, primero hay que esperar que la tecnología se consolide y demostre ser fiable. La compleja conmutación entre la comunicación de tiempo controlado y la de dirección controlada no corresponde a ningún procedimiento estandarizado y requiere de un soporte de herramientas de software local y de herramientas de pruebas y análisis especiales. Para futuras y más rápidas (gigabyte) variantes de Ethernet es necesario el desarrollo de nuevos conmutadores ASICs. Además de los costes de estos componentes especiales y de todos los dispositivos y conmutadores, se debe tener en cuenta el coste del software e de las licencias.

Los proveedores de sensores y actuadores de bajo coste no serán capaces de justificar dichos costes.

En resumen, PROFInet busca una aproximación muy universal que lo conducirá a un grado de complejidad muy alto que se repercutirá en un precio elevado.

Rockwell Automation y la ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) son los que se encuentran detrás de Ethernet/IP. IP no hace referencia al archiconocido protocolo de Internet (Internet Protocol), sino al término ‘Industrial Protocol’ (protocolo industrial) algo que puede provocar confusión. El núcleo de EthernetI/P es el CIP (Common Industrial Protocol) el cual ya está presente en las tecnologías de buses DeviceNet y ColntrolNet. Ya se está utilizando actualmente en aplicaciones de tiempo no-crítico. De cara a penetrar en el área de aplicaciones de sistemas de control altamente dinámicos se ha desarrollado una variante de este protocolo con el nombre de CIPsync.

CIPsync se asegura que todas las estaciones en la red trabajen de forma isócrona y que los datos de tiempo real sean intercambiados entre ellas cuando sea necesario. La gestión de la sincronización la llevan a cabo relojes distribuidos en cada uno de los dispositivos tal y como define el protocolo de sincronización IEEE 1588. La temporización extremadamente precisa, como la necesaria para aplicaciones de control, requiere de relojes de hardware especiales. El reloj de los dispositivos marca cada uno de los mensajes con el atributo del tiempo. Esto hace posible especificar claramente cuando se han de leer las entradas y en que momento se deben ejecutar las órdenes.

El procedimiento basado en la IEEE no garantiza que los datos se transfieran en el momento correcto. A los mensajes críticos en tiempo se les asigna una mayor prioridad y se tratan primero en la red. Consecuentemente, a todos los demás mensajes se les asigna una categoría inferior.

Aunque Ethernet/IP usa unos estándares familiares de IEEE, obtener una gran precisión necesita, en este caso, de que todos los componentes se encuentren equipados con relojes de hardware los cuales estén muy integrados con los chips de Ethernet. Estos componentes aún no se encuentran disponibles en el mercado. La necesaria priorización de los mensajes requiere un conocimiento detallado de los mecanismos de Ethernet y del volumen de tráfico que haya en la red. Si los ingenieros de automática no son formados primero en el campo de las redes no serán capaces de implementar esta tecnología. Ethernet/IP es una red conmutada. Por esta razón, los análisis de la red son posibles solamente sobre una base limitada. La tan importante estructura de redes lineales en automatización de los dispositivos no puede ser implementada. Finalmente hay que decir que la realización global de Ethernet/IP depende mucho del volumen total de tráfico que haya en la red.

Se da a entender, desde Beckhoff, que la red EtherCAT, un recién desarrollo de la tecnología de buses ligeros de la compañía en cuestión, es el sistema industrial de Ethernet más rápido disponible. Hay pero que analizar en detalle su capacidad de procesar 1000 E/S en 30 microsegundos o 100 ejes en 100 microsegundos.

Todos los dispositivos forman una red circular con el maestro del bus. Durante cada ciclo, los datos relevantes son extraídos por los dispositivos esclavos desde los paquetes que envía el maestro del bus. Los esclavos a su vez introducen datos “al vuelo” mientras que por su propia electrónica está pasando el tren de los paquetes de datos. Estos paquetes llegan de nuevo al maestro cuando alcanzan el final del anillo. El sistema ha sido diseñado para arquitecturas de control centralizadas con dispositivos de campo simples. Para la inteligencia distribuida EtherCAT no encaja bien. Los dispositivos individuales solamente se pueden comunicar entre ellos a través del maestro del bus. La estructura en anillo de la red implica que las redes formadas en estrella solamente serán implementadas con limitaciones.

Esta tecnología solamente se puede utilizar con el ASIC propio de Beckhoff. Esto limita ampliaciones o desarrollos futuros, con el riesgo concreto y real que esta tecnología se quede atrasada y obsoleta ya en unos pocos años, si consideramos cuanto rápidamente la tecnología evoluciona hoy en día.

Aunque EtherCAT utiliza los paquetes de Ethernet, éste no tiene mucho más en común con el Ethernet estándar. Los dispositivos individuales no se pueden utilizar en redes convencionales desde que el direccionamiento MAC se ha dejado de utilizar. Y los protocolos basados en IP necesitan hacer un esfuerzo para ser re-empaquetados y virtualmente dirigidos cuando se envían. No está cubierta la opción de transferir datos de parámetros y diagnósticos de incidencias de forma asíncrona.

Además del Ethernet 100Base-T, se ha diseñado también un E-bus para reducir componentes y salvar aproximadamente 1 microsegundo a costa de estabilidad, aislamiento eléctrico y compatibilidad. Si los 100 ejes descritos al inicio de la sección quisiesen ser implementados con una estructura física estándar, entonces se estima que son necesarios 100 microsegundos solamente para los tiempos de retraso por cada dispositivo. Por esto, el ciclo mínimo posible debe ser correspondientemente mayor.

A sumar a esta confusión, este método está también integrado con el ADS de Beckhoff, CANopen y los perfiles de comunicación SERCOS. Para garantizar que dispositivos de diferentes fabricantes puedan trabajar juntos, se debe saber de antemano si todos los dispositivos soportan o no el mismo perfil o la misma física (E-bus o 100Base-T).

Para obtener un 100 por ciento de interoperabilidad, los fabricantes de dispositivos deberán invertir tiempo y esfuerzos para todas las variantes posibles. Esta tecnología se ha hecho parcialmente pública y parcialmente protegida por Beckhoff a través de bastantes patentes. Si esta red gana o no gran aceptación dependerá principalmente en su disponibilidad, en su precio y el análisis de riesgos cuando se tenga en cuenta el ASIC de Beckhoff.

B&R introdujo Ethernet Powerlink en 2001. Su objetivo fue el de proporcionar un estándar de Ethernet con propiedades de tiempo real permitiendo a su vez solucionar toda clase de exigencias para aplicaciones de control de motores. Desde entonces, el EPSG (Ethernet Powerlink Standarization Group) ha promocionado Ethernet Powerlink y aceptado la responsabilidad de cuidar el acceso libre, el desarrollo continuado y la independencia de éste.

Ethernet Powerlink es un protocolo cíclico y deterministrico que organiza el acceso a la red a la vez que la sincronización de los dispositivos. El ciclo de comunicación está dividido en una fase isócrona para los datos de tiempo crítico y una fase asíncrona para la transferencia adecuada de los datos. Todos los dispositivos en la red pueden siempre leer directamente todos los datos de los otros dispositivos (la información se transmite de forma broadcast). No es necesario pasar por un maestro de bus (como en el caso de EtherCAT). Este protocolo se ajusta de la misma forma para diseños de control locales como descentralizados.

Las propiedades eléctricas y todos los paquetes de datos corresponden a los estándares de Ethernet. Por ejemplo, Ethernet Powerlink en la fase asíncrona transmite los datos usando telegramas IP estándares. Las implementaciones salen a bajo precio ya que éstas se pueden realizar mediante cualquier chip de Ethernet presente actualmente en el mercado, sin requerir un ASIC propietario. Los controladores pueden obtener ciclos de tiempo extremadamente cortos de unos 100 microsegundos.

La interoperabilidad entre dispositivos de diferentes fabricantes viene garantizada por la estructura física del 100Base-T igual que su integración con la comunicación ampliamente usada de CANopen y los perfiles de los dispositivos. Para el análisis de red se pueden utilizar sin modificaciones herramientas disponibles comercialmente y programas del mundo IT de licencia gratuita. A diferencia de los otros tres métodos, todos los paquetes pueden ser visualizados en cualquier punto de medición sin limitaciones.

Unos de los puntos de fuerza del Powerlink son su dinamismo y independencia. Por un lado está el hardware, que como se ya se dijo, es estándar: ningún ASIC propietario, solo controladores Ethernet de mercado. Esto hizo posible, por ejemplo, migrar sin esfuerzo a Ethernet 1 Gbit. Igualmente hará posible migrar sin esfuerzo a más velocidades en cuanto se produzca el siguiente paso tecnológico en la industria informática (que goza de muchas más inversiones para I+D que la industria de automatización). Por otro lado hay un software (el Powerlink, que substituye el TCP/IP) capaz de garantizar determinismo y que cualquier fabricante de electrónica puede desarrollar a partir de especificaciones que son públicas. Alternativamente, está disponible una versión openSource totalmente gratuita (bajo los términos de licencia BSD), que incluye códigos fuentes y que permite desarrollar equipos en Powerlink de forma independiente y con inversiones mínimas.

Destaca finalmente que, gracias a sus excelentes propiedades en tiempo real, Ethernet Powerlink se ha expandido recientemente para incluir una capa de protocolo de seguridad para aplicaciones críticas de acuerdo con el IEC 61508 hasta el SIL 3 (hasta SIL 4 con limitaciones) conocido como Ethernet Powerlink Safety.

La idea detrás de Ethernet Powerlink es la de encontrar el correcto balance entre las demandas comunes de la automatización con aquellas exigencias que son específicas para cada área de aplicación. Esto lo está liderando como la solución más ampliamente aceptada y que puede ser adaptada en un espacio corto de tiempo. Ethernet Powerlink asegura una rápida entrada en el mercado a los fabricantes y usuarios y hoy en día sigue siendo el único sistema Ethernet industrial de tiempo real que se está produciendo en serie en el mercado.

Aunque la discusión que rodea las soluciones del Ethernet industrial se centran frecuentemente en tópicos académicos como el método correcto y la tecnología más rápida, el mercado a largo plazo solamente aceptará soluciones que sean abiertas, probadas, fáciles de usar, orientadas al futuro y capaces de asegurar la inversión durante muchos años, conformando de esta manera los estándares y el soporte para la interoperabilidad. Los usuarios se han vuelto extremadamente prudentes con las propiedades del sistema desde que se puede llegar a dependencias impredecibles que no son fáciles de solucionar. El éxito de Ethernet Powerlink está en su abierta accesibilidad a la tecnología y su desarrollo transparente usando conceptos e ideas de todas las diferentes área de aplicación. Incontables aplicaciones en maquinaria y sistemas de producción, tecnología de medición, industria de transporte y producción de energía confirman este camino.