Nuevas tecnologías extienden la vida de las redes tradicionales

Ni Ethernet ni el bus de campo tienen todas las respuestas para las aplicaciones industriales. Proveedores y grupos de la industria están trabajando en encontrar maneras de avanzar que tengan en cuenta las necesidades –y limitaciones— del presente.

Profinet, basado en tecnologías Ethernet, integra sistemas de bus de campo existentes. Fuente: PI Norteamérica
Profinet, basado en tecnologías Ethernet, integra sistemas de bus de campo existentes. Fuente: PI Norteamérica

Aunque Ethernet se ha afianzado en un número creciente de industrias y aplicaciones, el bus de campo está lejos de ser obsoleto. Se seguirá confiando en miles de redes de bus de campo heredadas en los próximos años. El costo de prescindir y reemplazar estas redes es desalentador para cualquier fabricante. Además, las redes de bus de campo heredadas tienen algunas ventajas únicas, como garantizar la seguridad intrínseca en entornos peligrosos, que muchos sistemas Ethernet industriales aún no pueden proporcionar.

"Ethernet forma la columna vertebral de cualquier red industrial moderna, pero todavía hay lugares donde algunos sistemas Ethernet no pueden funcionar", explica Michael Bowne, director ejecutivo de Profibus and Profinet International (PI) en América del Norte. “Hoy en día, Ethernet de cuatro cables todavía tiene demasiada tensión y corriente como para garantizar la seguridad intrínseca. Actualmente estamos trabajando arduamente para desarrollar una solución confiable, de dos cables, aprobada por IEEE conocida como Advanced Physical Layer (APL) para entornos peligrosos", agregó.

PI está invirtiendo en nuevas tecnologías como APL para ayudar a convertir conceptos como la Industria 4.0 y el Internet Industrial de las Cosas (IIoT) en una realidad. El objetivo de APL es llevar Ethernet a los instrumentos, a nivel de campo, en áreas peligrosas. Llevar las industrias de procesos al futuro requiere un nuevo estándar de red para transferir datos de procesos utilizando tecnologías estándar basadas en Ethernet e IP.

"Ethernet en el nivel de campo hará que la digitalización para las industrias de procesos sea una realidad", dice Bowne. "Ethernet agrega su universalidad y ancho de banda a las instalaciones de dispositivos de campo existentes", añade.

La corriente y el voltaje se limitarán para proporcionar un sistema intrínsecamente seguro para las Zonas 0 y 1 / Div. 1, explica Bowne. La conexión física será una conexión robusta de dos cables con alimentación a través del mismo cable de dos conductos. Se espera que APL supere el límite de 100 m actualmente impuesto en las redes comunes 100Base-TX Ethernet.

"Aunque el trabajo está progresando, APL aún está a dos años de distancia", agrega Bowne.

Actualmente hay dos tipos de Profibus –DP para aplicaciones de fábrica y PA para la automatización de procesos. Una serie de industrias híbridas, como la de alimentos y bebidas, combinan ambos sistemas. Aunque siguen el mismo protocolo, las dos versiones existen en diferentes capas físicas en la pila de la red.

Una de las razones para la viabilidad continua de las redes de bus de campo tradicionales es la creciente incorporación de herramientas de diagnóstico e interfaces gráficas que permiten una resolución de problemas más rápida que los sistemas analógicos tradicionales. "El tiempo de inactividad es extremadamente costoso, especialmente en la automatización de procesos, y estos avances de diagnóstico ayudan a las compañías a reducir significativamente los costos y las pérdidas de producción sin grandes inversiones de capital", dice Bowne.

Aunque las nuevas instalaciones de fábrica suelen incorporar Profinet, las redes instaladas hace 10 a 15 años a menudo emplean una pasarela Profibus y Profinet. "Esto permite a las empresas realizar una migración inteligente según sea necesario", explica Bowne. "Al instalar un PLC moderno para el sistema, por ejemplo, también pueden aprovechar los beneficios de una mejor comprensión de sus datos o una mayor velocidad y rendimiento del proceso sin cambios significativos en la red de bus de campo tradicional", agrega.

Nuevas industrias para redes tradicionales

EtherCAT, un bus de campo que envía datos a través de Ethernet, está viendo avances en la adopción de diferentes aplicaciones. "La industria de los semiconductores, por ejemplo, se está moviendo rápidamente hacia EtherCAT porque proporciona una red troncal más sólida, más ancho de banda de comunicación y mayor velocidad", dice Bob Trask, representante de América del Norte del Grupo de Tecnología EtherCAT (ETG). Otras industrias que han hecho la transición a EtherCAT incluyen la fabricación de dispositivos automotrices, médicos y biomédicos, así como entretenimiento, robótica humanoide y muchas aplicaciones avanzadas de movimiento, dice.

Con una nueva interfaz de diagnóstico independiente del proveedor, las herramientas de terceros pueden acceder a la información de diagnóstico de las redes EtherCAT. Fuente: Grupo de Tecnología EtherCATCon una nueva interfaz de diagnóstico independiente del proveedor, las herramientas de terceros pueden acceder a la información de diagnóstico de las redes EtherCAT. Fuente: Grupo de Tecnología EtherCAT

El estándar emergente de redes sensibles al tiempo (TSN), que proporciona capacidades en tiempo real en redes IEEE 802, es un área donde EtherCAT está mejorando las comunicaciones. "El uso de EtherCAT a nivel de máquina y para interconectar máquinas con puentes TSN crea una arquitectura de red Ethernet industrial de vanguardia", dice Trask. “Algunas máquinas complejas, sin embargo, todavía requerirán una infraestructura de comunicación mejorada. La integración de los segmentos EtherCAT en una red TSN combinará los beneficios de ambas tecnologías sin requerir cambios en los esclavos EtherCAT. Esta adaptación, conocida como adaptación de flujo, se realiza mediante un software en el lado maestro de EtherCAT. Los puentes TSN podrán enrutar el marco EtherCAT sin ninguna modificación al puente", agrega.

El diseño inicial de TSN fue pensado para transmitir grandes cantidades de datos de audio y video a numerosas estaciones finales en tiempo real y ahora se está empleando para una amplia gama de aplicaciones de automatización de procesos y fábricas para el flujo de datos en tiempo real, mejorando el determinismo de la transmisión. En tráfico de red sin pérdidas por congestión.

Si bien estos cambios se aplican en el mundo de la conmutación, no cambian algunas de las deficiencias de las redes Ethernet tradicionales, como su falta de eficiencia con pequeñas cantidades de datos por nodo, así como sus procedimientos de reenvío complejos, flexibles pero a la vez que requieren mucho tiempo. Para ETG, el objetivo es más bien utilizar TSN como tecnología de red troncal en máquinas complejas, en combinación con segmentos EtherCAT.

"El uso de TSN con EtherCAT, que no emplea TCP, podría ser un gran unificador", dice Trask, "porque EtherCAT puede comunicarse fácilmente con dispositivos de red, sistemas de visión y movimiento tradicionales, proporcionando un puente a la tecnología heredada para que no tenga que deshacerse y reemplazar. Proporciona un camino para que los sistemas heredados funcionen durante los próximos 20 años", agrega.

De acuerdo con Sree Potluri, especialista en aplicaciones de I / O de Beckhoff Automation: “No existe ninguna presión para quitar las comunicaciones en serie en las que la industria ha confiado durante décadas para proporcionar el enfoque de comunicaciones básico y simple con el que las personas se sienten cómodas y tener que entrenarse y manejar hardware”.

"EtherCAT tiene muchos diagnósticos integrados que facilitan la recopilación de datos de operaciones", dice. "Pero los productos más nuevos también usan menos cables, lo que reduce los costos y facilita el acceso a la mayor cantidad de datos que todos quieren hoy", agrega.

EtherCAT P es un ejemplo de este ecosistema en crecimiento. Combina la comunicación y la alimentación en un solo cable, lo que simplifica la conexión de los dispositivos de campo y reduce el costo de las redes industriales.

Otro ejemplo de estos avances es una serie de terminales ELX EtherCAT de Beckhoff con I / Os intrínsecamente seguros y diseño compacto, que permiten la conexión directa de dispositivos de campo ubicados en áreas peligrosas clasificadas como Zonas 0, 1 y 2. Los terminales combinan perfectamente la automatización industrial y tecnología de proceso, incluidos todos los beneficios de los diagnósticos integrales del sistema EtherCAT, que facilitan la implementación de soluciones sin barreras en áreas peligrosas hasta la Zona 0/20.

Quedándose con lo que saben

Si bien los cambios en el entorno económico obligan invariablemente a los cambios tecnológicos, tal como lo hicieron en la industria del petróleo y el gas cuando los precios bajaron, HART y Foundation Fieldbus continúan dominando las redes en las industrias de procesos. "HART es grande en Estados Unidos, lo que favorece las comunicaciones de 4-20 [mA], pero les encanta Foundation Fieldbus en países industrializados en desarrollo como en Oriente Medio e India", explica Talon Petty, gerente de mercadeo y desarrollo de negocios de FieldComm Group. “Estas dos redes heredadas aún representan la gran mayoría de las instalaciones de automatización de procesos en todo el mundo. Si bien el principal beneficio de Ethernet es la velocidad, pocas aplicaciones de automatización de procesos requieren tiempos de respuesta en milisegundos, y las que sí lo hacen están en el ámbito de 250 ms, fácilmente dentro de los límites de los segmentos de bus de campo bien diseñados ".

Para ayudar a las empresas a administrar la creciente cantidad de datos de dispositivos inteligentes, cinco de las principales fundaciones tecnológicas, FieldComm Group (una combinación de la antigua Fieldbus Foundation y HART Communication Foundation), FDT Group, OPC Foundation y PI, han pasado la última década desarrollando una tecnología única para la gestión de la información de los dispositivos en todas las áreas de una planta. Llamada Integración de Dispositivos de Campo (FDI), promete un conjunto común de herramientas de desarrollo y una única ruta para racionalizar el lenguaje de descripción de dispositivos electrónicos (EDDL) y la herramienta de dispositivos de campo (FDT) para mejorar la estandarización, la transparencia y, en última instancia, el costo.

“FDI no es un protocolo; simplemente estructura los datos de forma estandarizada, de modo que los datos se pueden entender y enviar a través de varios sistemas en la empresa. También incorpora OPC UA, por lo que tiene tecnología incorporada con la que el personal de TI está familiarizado, lo que facilita la integración ", dice Petty. “Permitirá una transición sin problemas y proporcionará comunicaciones sólidas para las empresas que necesitan una absoluta fiabilidad de acceso a los datos. También será menos costoso de administrar y al mismo tiempo facilitará el mantenimiento de los sistemas tradicionales", agrega.

Si bien la tecnología de FDI aún está en su infancia, las industrias que enfrentan dificultades en la digitalización de sus instalaciones están impulsando el cambio y la adopción, agrega Petty.

Conectividad incrementada

DeviceNet, que cuenta con el respaldo de la organización comercial ODVA, está pasando de instalaciones enfocadas en "islas de automatización" a un enfoque de fábrica más conectado, según Katherine Voss, quien fue presidenta de la asociación en el momento de esta entrevista. Al Beydoun es el nuevo presidente de ODVA.

“DeviceNet, como EtherNet / IP, utiliza un enfoque productor-consumidor para la comunicación de red. El productor-consumidor aumenta la eficiencia y el rendimiento de la red al optimizar la cantidad de tráfico de mensajes en la red ", explica Voss. "DeviceNet tiene un enfoque flexible para la arquitectura de red liberada de las restricciones típicas de las redes programadas impulsadas por la entrega determinista de mensajes. Esa es la razón por la que se usa ampliamente en la actualidad para aplicaciones de control en tiempo real en las que las velocidades de actualización de milisegundos y el jitter (con respecto a los tiempos de entrega de mensajes) son suficientes ".

Debido a que se basa en CAN, un bus de campo heredado de bajo costo ampliamente utilizado en módulos automotrices para el control del motor, los partidarios de DeviceNet lo ven como una forma rentable de conectar dispositivos que aún no están conectados al Internet industrial. Al reconocer este potencial, ODVA ha establecido un grupo de trabajo técnico dirigido a la aplicación de DeviceNet a dispositivos previamente desconectados a través de esquemas simplificados de conexión y configuración.

"Al extender DeviceNet a más tipos de dispositivos", dice Voss, "los usuarios podrán conservar su inversión en DeviceNet y aprovechar la conectividad perfecta con EtherNet / IP a través del Protocolo Industrial Común de ODVA, o CIP. Los usuarios recibirán hoy el beneficio comercial de la conectividad de costo competitivo para los dispositivos que antes no estaban conectados, así como los sistemas diseñados para el futuro que pueden evolucionar a la par del Internet de las Cosas a medida que los costos de Ethernet continúan disminuyendo ".

La voluntad de adaptarse a los cambios de tecnología incrementales en las redes de bus de campo tradicionales para mejorar la resolución de problemas, el acceso a los datos y la facilidad de mantenimiento continuarán ayudando a las industrias a extender la vida útil de sus inversiones en estas redes troncales de automatización. Aunque ni Ethernet ni los sistemas tradicionales tienen todas las respuestas, los proveedores de tecnología y los grupos de la industria de redes están trabajando en caminos hacia el futuro que no ignoran las necesidades o preferencias de los clientes del presente.

Más en Redes y conectividad