Com fer una Xarxa Ethernet Industrial
La distribució d’una xarxa Ethernet Industrial bàsica permet unir les xarxes administratives de l’empresa (Comptabilitat, RH, Gestió de matèries primeres, ERP, Lógística …), les de control i supervisió dels processos productius (MES, SCADA, HMI, autòmats, controladors, RTU) i la dels dispositius (sensors, transductors, celulas fotoelèctriques, actuadors …) perquè funcionin en una única xarxa.
Per a la connexió de tota les xarxes esmentades en una sola s’utilitzen els switches que són els dispositius que, al costat del cablejat, constitueixen el que es coneix com una xarxa d’àrea local (LAN).
La xarxa corporativa (administrativa) suporta les funcions administratives tradicionals i les aplicacions corporatives, com a recursos humans, comptabilitat i aprovisionament, així com la intranet de l’empresa i la connectivitat a Internet.
Aquesta xarxa es basa normalment en la suite de protocols TCP/IP.
Les xarxes de control i supervisió connecten dispositius de control i monitoratge, inclosos els programables, controladors d’automatització, programari d’automatització, racks de E/S, variadors i interfícies home-màquina (HMI).
Aquesta xarxa requereix un encaminador (router) o, en la majoria dels casos, una passarel·la de xarxa per a traduir els protocols específics de l’aplicació a Protocols basats en Ethernet.
Aquesta traducció permet que la informació passi entre la xarxa de control sobre la planta de producció i la infraestructura de la xarxa corporativa, però té una funcionalitat limitada i requereix un esforç significatiu per a mantenir-se al dia.
La xarxa dels dispositius connecta els controladors amb els dispositius de E/S de la planta de producció, inclosos els sensors, com a transductors, cèl·lules fotoelèctriques, cabalímetres, i altres equips d’automatització i moviment, com la robòtica, els variadors de freqüència i els actuadors.
La Interconnectivitat entre ells s’efectua amb una varietat de busos de camp com ara DeviceNet, Profibus, i Modbus.
Cada bus de camp té requisits específics d’alimentació, cablejat i comunicació, depenent dels diferents factors en l’aplicació de fàbrica que suporta.
En aquesta mena de xarxes, la informació específica del bus de camp que s’utilitza per a controlar dispositius de E/S i altres components de fabricació estan integrats en trames Ethernet.
En aquest cas la tecnologia es basa en els estàndards de la indústria i no en estàndards personalitzats o patentats, per la qual cosa és més interoperable amb altres equips i sistemes de xarxa.
La comunicació industrial es produeix en el nivell d’encaminament, el nivell de control i el nivell de sensor, cadascun dels quals requereix diferents nivells de transferència d’informació en temps real, detecció de col·lisions i determinisme (essencialment determinant per endavant la ruta entre dos nodes qualssevol).
Encara que existeixen diversos protocols de xarxa industrial que suporten una varietat de requisits de comunicació en la planta de producció, hi ha quatre actors principals que val la pena esmentar per a conèixer com fer una xarxa de ethernet industrial: Modbus TCP/IP, EtherCat, EtherNet/IP i Profinet.
Modbus TCP/IP va ser el primer protocol Ethernet Industrial introduït, i és essencialment una comunicació Modbus tradicional que es comprimeix dins d’un protocol de capa de transport Ethernet per a transferir dades discretes entre dispositius de control.
Utilitza una comunicació simple mestre-esclau en la qual el node “esclau” no transmet dades sense una petició del node “mestre”, però no es considera un protocol en temps real.
Introduït en 2003, EtherCAT és un protocol de Ethernet Industrial que ofereix comunicació en temps real en una configuració mestre/esclau per a sistemes d’automatització.
L’element clau de EtherCAT és la capacitat de tots els esclaus connectats en xarxa d’extreure només la informació rellevant que necessiten dels paquets de dades i inserir les dades en la trama a mesura que transmeten aigües avall (informació que flueix cap a l’usuari final), la qual cosa sovint es denomina comunicació “sobre la marxa”.
Llançat inicialment l’any 2000, Ethernet/IP és un protocol Ethernet industrial de capa d’aplicació àmpliament utilitzat, homologat per la Open Device Vendors Association (ODVA) i subministrat principalment per Rockwell Automation.
És l’únic protocol Ethernet industrial que es basa completament en els estàndards Ethernet i utilitza capes físiques, d’enllaç de dades, de xarxa i de transport estàndard de Ethernet.
Atès que utilitza commutació Ethernet estàndard, pot suportar un nombre il·limitat de nodes.
No obstant això, requereix un abast limitat per a evitar la latència i permetre la comunicació en temps real.
Un altre actor important (en gran manera a causa de la seva integració en els controladors de Siemens i GE) és PROFINET, un protocol d’aplicació desenvolupat per Siemens en col·laboració amb empreses membre d’una organització d’usuaris de PROFIBUS.
Bàsicament, amplia la comunicació del controlador de E/S PROFIBUS a Ethernet mitjançant commutadors especials integrats en els dispositius.
Característiques dels cables de Ethernet Industrial
Quan es tracta dels cables que suporten aquestes xarxes de Ethernet Industrial, existeixen algunes diferències clau en comparació amb la Ethernet comercial.
En primer lloc, les velocitats de les quals estem parlant per a Ethernet Industrial són molt més baixes que el gigabit i les necessitats de major amplada de banda que veiem en la LAN – al voltant de 100 Mb/s- són les velocitats comunes utilitzades en Ethernet Industrial.
Això té sentit ja que la quantitat d’amplada de banda necessària per a enviar informació de control i automatització en una xarxa industrial és una fracció del que es necessita per a descarregar un vídeo de YouTube.
Pel fet que els entorns industrials requereixen cables i connectivitat que han de suportar una varietat de condicions extremes (vibració, líquids, pols, productes químics i interferències electromagnètiques), els components presenten una construcció més robusta que els utilitzats en les xarxes LAN d’oficina.
Per exemple, mentre que el cable només necessita un rendiment de Categoria 5 o Categoria 5e, els cables industrials sovint compten amb un calibre més gran (típicament 22AWG) per a acomodar-se a temperatures més altes, construcció blindada per a la prevenció del soroll, conductors trenats per a la flexió i materials de coberta especials com el poliuretà per a la resistència a productes químics, a l’oli i l’abrasió.
Els mateixos conductors poden fins i tot estar recoberts per a evitar la corrosió.
Aquestes característiques fan que el preu dels cables de Ethernet industrial sigui molt més elevat que el dels cables LAN d’ús quotidià.
Els connectors utilitzats en Ethernet Industrial també han de ser més robustos.
Destaquen per tenir característiques com el segellament per a evitar la pols i la humitat.
A més, es fabriquen en materials resistents als productes químics per a evitar la seva descomposició per algun vessament o incidència.
Un dels cables més utilitzats són els robustos connectors RJ45 dissenyats per al seu ús en entorns industrials, els connectors M12 s’utilitzen molt més en Ethernet industrial a causa del seu menor factor de forma circular i a la seva rosca de bloqueig de 12 mm que manté una connexió fiable fins i tot quan estan exposats a cops i vibracions.
Quins són els diferents tipus de cablejat Ethernet?
El primer punt a considerar quan es desplega una xarxa Ethernet és el tipus de cablejat. El cable Cat5e suporta velocitats Gigabit i sovint és l’especificació mínima recomanada.
També està disponible Cat6, que proporciona un millor rendiment a un cost més elevat, i també un cert grau de seguretat per al futur a mesura que Ethernet avanç cap a velocitats de 10 Gigabits en els pròxims anys.
Encara que les instal·lacions comercials utilitzen cables no apantallats, els cables apantallats (STP) han d’utilitzar-se en entorns industrials per a protegir-se del soroll elèctric generat pels motors, les transmissions dels motors, les soldadures i altres equips elèctrics.
En anys anteriors, era important definir si els cables havien d’usar connexions directes o creuades.
El cablejat creuat era normalment necessari quan es connectaven directament els components entre si, i el cablejat de pegat s’utilitzava quan es connectaven components a dispositius Ethernet IT, com a commutadors i encaminadors.
No obstant això, la majoria dels dispositius actuals són compatibles amb Acte MDI/MDIX, que accepten totes dues configuracions, per la qual cosa la majoria de les instal·lacions utilitzen cablejat de pegat a tot arreu.
En aquest cas, els connectors RJ-45 s’utilitzen per a la majoria de les connexions Ethernet.
Un altre punt a tenir en compte tant per al rendiment com per a la compatibilitat és la velocitat de comunicació i la capacitat de dúplex (comunicació bidireccional) a la meitat o complet.
Encara que la compatibilitat dúplex pot superar-se utilitzant un switch o un encaminador.
D’altra banda, el Fast Ethernet (Ethernet d’alta velocitat) s’utilitza en la majoria de les aplicacions d’automatització industrial perquè la seva velocitat és més que suficient, però això pot veure’s afectat per la selecció de mitjà dúplex o dúplex complet.
Amb el mitjà dúplex, un dispositiu només pot transmetre o rebre, però no pot fer totes dues coses simultàniament. Això redueix el rendiment i, en el pitjor dels casos, els dispositius semidúplexs deixen caure paquets sota una gran càrrega a causa de les col·lisions de dades.
La majoria dels components i dispositius utilitzats en les instal·lacions Fast i Gigabit Ethernet utilitzen, per tant, full duplex, cosa que significa que el node pot transmetre i rebre simultàniament.
Conclusions
El futur del Ethernet Industrial és prometedor. La recerca avança constantment i es centra actualment a millorar el rendiment general i la sincronització.
Ethernet Industrial és una tecnologia molt valuosa que ofereix als usuaris:
- Una millor integració de les xarxes de la planta i de l’empresa.
- Visibilitat en temps real dels processos de producció.
- La capacitat d’executar múltiples règims de control en una sola xarxa (per exemple, procés, moviment, seguretat.
- Reducció dels riscos de seguretat en la xarxa industrial.
- Capacitats de gestió fàcilment empleades.
En conclusió, està millor preparat per tractar el soroll de la fàbrica, les necessitats del procés de la fàbrica i els entorns més durs, i fins i tot és capaç de respondre millor a les col·lisions de dades en la planta.