En què consisteix el protocol Ethernet Industrial?
El terme Ethernet industrial fa referència a l’ús de dispositius de xarxa, normalment commutadors (switches), en entorns exigents.
Algunes aplicacions crucials per als processos productius de les empreses requereixen d’un lliurament de dades altament fiable i precisa, la qual cosa va portar a la creació del Ethernet Industrial.
Aquest article intentarà respondre a qualsevol pregunta que puguis tenir sobre la funcionalitat de les xarxes de Ethernet Industrial.
Què és el Protocol Ethernet Industrial?
La definició del protocol Ethernet/IP (Ethernet Industrial Protocol) és la d’un estàndard de xarxa de comunicació capaç de controlar grans quantitats de dades a velocitats de 10 Mbps o 100 Mbps, i fins a 1500 bytes per paquet.
L’especificació utilitza un protocol obert en la capa d’aplicació. En la indústria és especialment popular per a aplicacions de control.
En definitiva, aquest tipus de xarxa és fàcil de configurar, operar, mantenir i ampliar.
Alhora, permet la mescla de productes de 10 Mbps i 100 Mbps, i és compatible amb la majoria dels commutadors (switch) Ethernet.
Aquesta tecnologia s’utilitza amb ordinadors personals, mainframes, robots, dispositius i adaptadors d’entrada/sortida (E/S), controladors lògics programables (PLC) i altres dispositius.
L’especificació està recolzada per la Industrial Ethernet Association (IEA), ControlNet International (CI) i la Open DeviceNet Vendor Association (ODVA).
Recentment s’ha convertit en la tendència més utilitzada en el moviment de dades en aplicacions industrials en la planta de producció.
No obstant això, la planta de producció és un entorn molt diferent al domèstic i al de l’oficina.
Pel seu costat, les aplicacions de fàbrica també presenten moltes necessitats diferents a les aplicacions comercials.
A causa de la seva fiabilitat, rendiment i interoperabilitat inherents, Ethernet s’ha infiltrat en la planta de producció com el protocol de comunicació preferit per als sistemes d’automatització i control.
En els últims anys, Ethernet Industrial ha superat la quota de mercat dels protocols de bus de camp tradicionals que normalment requereixen múltiples opcions de cablejat.
Per a entendre què és el ethernet industrial i com funciona és necessari conèixer que utilitza essencialment protocols industrials especials, encapsulats en el protocol Ethernet, de manera que es garanteixi l’enviament i la recepció de la informació correcta en el moment i el lloc en què es necessita per a realitzar una operació específica.
Breu Història de Ethernet
Encara que Bob Metcalfe de Xerox va esbossar el concepte original de Ethernet en un tovalló en 1973, la seva inspiració va arribar fins i tot abans.
En aquells anys ALOHAnet era una xarxa de dades sense fil creada per a connectar diversos sistemes informàtics als campus universitaris hawaians (en diferents illes).
El repte consistia en permetre que diversos nodes amb dades independents es comuniquessin entre si, sense interferir entre ells.
La solució de ALOHAnet era una versió del concepte de detecció de col·lisions (CSMA/CD).
En definitiva, Metcalfe va basar el seu treball de doctorat en la cerca de millores en ALOHAnet. Això li va portar a treballar amb Ethernet.
Anys més tard, el protocol de comunicació es va convertir en la base de l’estàndard de xarxa IEEE 802.3 que va especificar la capa física i la capa d’enllaç de dades de la funcionalitat de xarxa.
Què és la capa física de Ethernet
En els primers temps, les opcions de Ethernet eren més limitades que en l’actualitat.
Dos de les opcions més comunes eren les configuracions 10Base2 i 10Base5.
Ambdues funcionaven a 10 Mbps i utilitzaven cable coaxial amb nodes connectats al cable mitjançant connectors en T, o a través d’interfícies d’unitat de connexió (AUI) en una configuració de bus multipunt.
Les xarxes 10Base2 permetien longituds de segment de fins a 185 peus (56´38 metres aprox.) utilitzant cable coaxial RG 58 (també anomenat Thin Ethernet).
El tipus de xarxes 10Base5 oferia majors distàncies entre nodes, però el gruixut cable coaxial i les connexions eren voluminoses i difícils de treballar.
Més tard, una altra solució en aquesta categoria de velocitat va ser 10Base-FL, que utilitza cablejat de fibra òptica i proporciona distàncies superiors als 2.000 peus (609´6 metres).
Una altra de les primeres opcions de capa física de 10 Mbps –10Base-T– va guanyar popularitat ràpidament perquè era més fàcil d’instal·lar i usava cable barat de Categoria 3 de parell trenat sense blindatge (UTP).
Els nodes (normalment ordenadors amb targetes d’interfície de xarxa o NIC) es connectaven en una topologia en estrella a un concentrador, que al mateix temps estava connectat a altres segments de la xarxa.
Cada computadora havia d’estar a menys de 100 peus (30,48 metres) del centre. Es van utilitzar connectors RJ-45 estàndard.
A mitjans de la dècada de 1990, va començar a estar disponible l’equip Ethernet de 100 Mbps , la qual cosa va augmentar significativament la velocitat de transferència de dades.
Les NIC que s’ajustarien automàticament per a funcionar a 10Mbps o 100Mbps van simplificar la migració a l’estàndard més ràpid.
Avui dia, pràcticament totes les targetes d’interfície de xarxa d’ordinadors implementen 100Base-TX.
El cable UTP de categoria 5e és el cable estàndard utilitzat amb 100Base-TX i les longituds de cable són les mateixes que per a les xarxes 10Base-T.
En l’actualitat, les xarxes coaxials estan sent reemplaçades cada vegada més per mitjans de fibra òptica, especialment per a enllaços punt a punt.
Per exemple, 100Base-FX utilitza dues fibres òptiques i permet comunicacions punt a punt full duplex de fins a 2,000 peus (609´6 metres).
Què és la capa d’enllaç de dades
La capa d’enllaç de dades en Ethernet defineix el seu mètode d’accés als mitjans.
Els enllaços semidúplex, com els connectats en topologies de bus o estrella (10/100Base-T, 10Base2, 10Base5, etc.), utilitzen el sentit de portadora, accés múltiple amb detecció de col·lisions (CSMA/CD).
Aquest mètode permet que múltiples nodes tinguin igual accés a la xarxa, similar als primers sistemes telefònics de línia compartida en els quals els usuaris escoltaven les converses en curs i esperaven fins que la línia estigués lliure abans d’accedir a ella.
Tots els nodes d’una xarxa Ethernet monitoren contínuament les transmissions en els mitjans.
Si un node necessita transmetre, espera fins que la xarxa estigui inactiva, llavors comença la transmissió.
Mentre transmet, cada node monitora la seva pròpia transmissió i compara el que `sent’ amb el que està tractant d’enviar.
Si dos nodes comencen a transmetre al mateix temps, els senyals se superposen, espatllant els originals.
Tots dos nodes veuran un senyal diferent a la que estan tractant d’enviar. Això es reconeix com una «col·lisió».
Si hi ha una col·lisió, cada node deixa de transmetre i només intenta retransmetre després d’un retard preestablert, que és diferent per a cada node.
Aquest mètode d’accés als mitjans de comunicació facilita l’addició o eliminació de nodes d’una xarxa.
Simplement connectant un altre node, començarà a escoltar i transmetre quan la xarxa estigui disponible.
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.