Optimización de Redes Industriales a través de TCP/IP y Ethernet

InTech México Automatización,
Julio Septiembre 2003
Artículo tomado de InTech 12.2001, pág. 20, titulado: “Leveraging Internet protocol without breaking the bank”, por Michael Tennefoss.


Cuando los usuarios hablan de Ethernet Industrial resaltan los siguientes puntos: economía, valor agregado y necesidades


Inicialmente se utilizaba el cableado (cantidades enormes de cables) y se contaba con control centralizado. Cada sensor, cada actuador, cada pantalla se encontraban conectados por cables independientes -que crecían como la hiedra- a un controlador lógico programable (PLC). El cerebro de un sistema tradicional para control.

Si era necesario disparar un solenoide, como respuesta a la activación de un interruptor de límite, la señal viajaba a través de cable desde el interruptor de límite hasta el PLC el cual procesaba la información y enviaba una orden (comando) al solenoide a través de un cable más. Una vez que se comprobaba el cableado, se programaba el código del PLC, y se verificaba el sistema, todo estaba en orden y funcionando (hasta que algo fallaba o se hacía necesaria una nueva función).

Si fallaba el controlador PLC, si necesitábamos un nuevo actuador, o si el sistema requería interconectarse con un sistema de control diferente, era el momento en que surgían los problemas. Debido a que estábamos tratando con un sistema de control centralizado, nada podía operar de manera autónoma: cuando el PLC dejaba de operar, todo el sistema quedaba fuera de operación. Si el sistema necesitaba un nuevo actuador, era necesario instalar nuevo cableado y reprogramar el PLC.

Si era necesario interconectar dos sistemas de control diferentes, se requería una puerta de enlace personalizada o una interfaz lógica intermedia. Debe existir una forma mejor para construir un sistema de control.

SUPERACIÓN DE LAS LIMITACIONES

ANSI 709.1 constituye una infraestructura de red inteligente y distribuida. ANS1.709.1 no a través del cableado de la red, reconfigura la funcionalidad del sistema. Las comunicaciones de colega a colega permiten el intercambio directo de información entre todos o cualquiera de los dispositivos sin la intervención de algún dispositivo central, eliminando así el punto de falla singular, endémico en los sistemas basados en controladores lógicos programables (PLC). Si los dispositivos requieren vigilancia (monitoreo) centralizada(o), puede implementarse con un esquema maestro/esclavo que los escrutine en forma determinística.

Las redes ANSI 709.1 se materializaron como redes de aplicación para control, mas no como redes de datos. Son de bajo costo, robustas y han sido comprobadas en el campo. Más de 16 millones de nodos obedientes a ANSI 709.1 se encuentran en servicio para control de válvulas y bombas, robótica, control de flujo másico, recubrimiento al vacío, manejadoras y lavadoras de aire para cuartos limpios, sistemas para suministro y vigilancia (monitoreo) de gases, soldadura con fusión del material base, aplicación de pinturas y adhesivos, medición e instrumentación, sistemas SCADA, y aplicaciones industriales relacionadas.

Con la difusión de la conectividad IP (Protocolo Internet), llegó la oportunidad de transportar paquetes ANSI 709.1 a través de las redes basadas en TCP/IP (Protocolo de Control de Transmisión/Protocolo Internet).

Las redes TCP/IP ya instaladas para aplicaciones de datos y recursos empresariales, son ideales para conducir tráfico de red de control, con la condición de que el enrutador conductor se apegue a los límites y limitaciones de la red de datos. ANSI 709.1, combinada con la conectividad TCP/ IP, proporciona una infraestructura de extremo a extremo, abierta e interoperativa para ubicar en red dispositivos de control en una variedad de medios, utilizando estratos físicos robustos y un esquema amplio de administración de red, que cumple tanto con las especificaciones industriales EMC, como con las especificaciones ambientales.

Las capacidades mencionadas explican en parte la aceptación mundial de ANSI 709.1 en es un esquema remoto de entrada/salida (l/O) encaminado a extender el alcance de un PLC, sino más bien una vía de acceso a una infraestructura de red que supera las limitaciones fundamentales de los controladores lógicos programables y de las redes de control. Esta red de control permite a los dispositivos comunicarse directamente entre sí sobre la base de colega a colega (peer-to-peer), sin la necesidad de un PLC o un controlador central.

Cada dispositivo cuenta con inteligencia local y con la capacidad para comunicarse en un medio de comunicación compartido, con cualquier otro dispositivo en la red. Los nuevos dispositivos necesitan conectarse solamente al medio compartido, reduciendo así al mínimo los cambios en el cableado. Un proceso de transferencia de software una amplia variedad de aplicaciones e industrias. El bajo costo de ésta tecnología – menos de 10 dólares por un nodo de par trenzado en volúmenes razonables – también ha contribuido.

TCP ES UN CONCEPTO ATRACTIVO

Al mismo tiempo que las redes basadas en TCP/IP han proliferado en el mundo de las redes de datos, la industria de control ha observado con interés la tecnología de alta velocidad y enrutable que se utiliza en las redes TCP/IP tanto locales como de cobertura amplia. Ello ha conducido a la pregunta: ¿por qué no adaptar la operación en red IP a los sensores y al control de actuadores?.

El concepto es atractivo por múltiples razones. EtherNet ha penetrado el mundo de los datos y se ha introducido en una amplia variedad de dispositivos, muchos de los cuales son de bajo costo y aún así ofrecen desempeño confiable en las aplicaciones a las que se les ha destinado.

OTRO PUNTO DE VISTA

Resulta igualmente importante la estandarización global de TCP/IP en el mundo de los datos, así como también EtherNet se ha convertido en un medio omnipresente. Apalancando estos dos estándares e integrándolos en las aplicaciones de redes de control, pudiera ser posible aprovechar óptimamente los productos, herramientas y tecnologías existentes al tiempo que se anuncia la utilización de un estándar abierto.

Entonces, ¿por qué no abrazar éste movimiento? Existen aspectos serios por resolver asociados con el valor, la necesidad y la economía de un sistema de control totalmente Ethernet – puntos por resolver que generalmente versan sobre el entusiasmo que sigue siempre que surge el tema de “EtherNet industrial”. Si bien TCP/IP es un estándar en el mundo de los datos, no constituye un protocolo para control. Si TCP/IP opera como un transporte abierto, todavía resulta indispensable proveer o desarrollar un protocolo para control.

La tentación para los proveedores es la definición de un nuevo protocolo para control que marche sobre las “faldillas” del estándar abierto TCP/IP, anunciando la característica general “abierta”, porque TCP/IP es abierto en tanto que, de hecho, el protocolo para control en sí mismo es cerrado y protegido por la propiedad intelectual (proprietary).

Las metas de los proveedores que toman el camino mencionado, son tres: en primer lugar, mantener una solución cerrada de fuente única con la apariencia de un estándar abierto; en segundo lugar, extender la vida de los sistemas protegidos por propiedad intelectual del tipo PLC o de los sistemas PLC basados en software, utilizando dispositivos basados en EtherNet como entradas/salidas (l/O) remotas para los productos existentes; y en tercer lugar, motivar a los clientes a emigrar desde los sensores y actuadores de bajo costo, hacia los dispositivos de mayor precio basados en un canal EtherNet más costoso, aún cuando no es más competente.

Cualquiera que sea la motivación, la creación de un nuevo protocolo para control y su implantación en un estándar abierto requiere de considerable e innecesario trabajo para desarrollo, toda vez que ANSI 709.1 ya es un estándar abierto y puede utilizarse ya en comunicación de colega a colega y maestro/ esclavo en las redes TCP/ IP. EtherNet carece de los robustos estratos físicos que ofrecen ANSI 709.2 Y ANSI 709.3.

Los sistemas 1 OBase-T y 1 OOBase-T no cumplirán los límites de susceptibilidad europeos, excepto con un alto costo, y aún así siendo vulnerables a puntos singulares de falla en el alambrado de punto a punto y en los puntos de distribución (hubs). Si bien hay mucho trabajo en progreso para crear conectores industriales RJ-45, los productos resultantes son muy costosos y engorrosos en su instalación, en comparación con un par trenzado ANSI 709.3 sin blindaje.

Más todavía: EtherNet no respalda la señalización multidescendente o las redes energizadas con pares trenzados, imponiendo severas restricciones en la topología del cableado y requiriendo la utilización de alambrado de energía por separado que ANSI 709.3 no ordena. La utilización originalmente proyectada para EtherNet -redes de datos corporativas constituye medios ambientales relativamente benignos.

Las descargas electrostáticas (ESD), el ruido de ráfaga, los picos eléctricos, el ruido radiado, los campos magnéticos, etcétera, se manifiestan en niveles favorablemente bajos. Compare la situación descrita con el nivel típico de operación en las fábricas, que constituye prácticamente una tormenta de fuego en la actividad eléctrica. Poner en operación una red EtherNet industrial en el medio ambiente descrito, requiere la adición de supresores de picos, dispositivos para protección contra descargas electrostáticas (ESD), y un sin número de otros mecanismos de protección que tanto ANSI 709.2 como ANSI 709.3 sencillamente no los necesitan.

ADMINISTRE LA TAJADA DEL LEÓN

Por lo que a la necesidad se refiere, la tajada del león en los controles industriales puede administrarse con tiempos de respuesta de 50+ milisegundos, típicos de ANSI 709.1; en tanto que la mayoría de las aplicaciones de volúmenes razonables. Las conexiones de señal son sencillas: el nodo requiere solamente un par trenzado sin blindaje. La compatibilidad electromagnética (EMC) y cumplir con la reglamentación son más sencillos, porque el estrato físico soporta en forma inherente los entornos industriales.

Un nodo similar que utilice EtherNet industrial, necesitaría cableado categoría 5 o superior, un conector industrial capaz de dar terminación a cuatro pares trenzados, protección contra ruido eléctrico común y electromagnético (EMC) que se ajuste a los altos niveles industriales EN 1000-4-x, un microprocesador apto para operar las estructuras de datos tanto de TCP/ IP, como del protocolo de control en red, y una fuente de poder y cableado por separado apto para suministrar la tensión y corriente necesarios.

¿Todo lo anterior para un interruptor de límite? ¿Para un detector fotoeléctrico? ¿Para un sensor de velocidad de banda transportadora? ¿Para un sensor de nivel? Los aspectos económicos de la utilización de EtherNet industrial resultan simplemente no atractivos para la gran mayoría de sensores, actuadores, pantallas y controladores que se encuentran normalmente en una planta industrial. ANSI 709 proporciona una infraestructura de red excepcionalmente costo-efectiva, robusta y de alto desempeño para los dispositivos mencionados, permitiendo al mismo tiempo la utilización de redes estándar TCP/IP -no se requieren nuevos protocolos como transportadores de datos, cuando se requiere ese modo de señalización.

En conjunto, ANSI 709, EtherNet y TCP/ IP ofrecen la solución más económica disponible para control industrial y representan la mejor solución EtherNet industrial sin necesidad de nuevos desarrollos e invención.


Notas relativas a una red de control

Una red de control está constituida por un grupo de nodos – cada uno de ellos con uno o más sensores o actuadores, además de la capacidad computacional localizada- que se comunican sobre uno o más medios utilizando un protocolo estándar para implantar una aplicación. Una red de control puede contar con tres nodos, o con 300 nodos, o con 30000 o más nodos. Puede ser una alarma sencilla controlada por un sensor de ocupación remoto, o un sistema de administración del tráfico en una ciudad, que vigila (monitorea) y controla los semáforos, el flujo de vehículos, las actividades de los vehículos de emergencia, distribución de energía u otros.

La comunicación entre los nodos puede ser de colega a colega (control distribuido) o maestro/esclavo (control centralizado). la capacidad computacional en los nodos permite la distribución de cargas de procesamiento (los sensores, por ejemplo, pueden ser inteligentes, llevando a cabo análisis local de datos, conversión y normalización, informando solamente sobre cambios importantes en su medio ambiente). Al distribuir las funciones de control, el desempeño y la confiabilidad del sistema mejoran de manera dramática.

Por lo que se refiere a la comparación entre redes de control y redes de datos, y a pesar de que ambas tienen mucho en común, tienen objetivos de diseño claramente diferentes. Una red de datos se ocupa fundamentalmente de la velocidad real de transporte de los datos; una red de control toma en cuenta la confiabilidad, la sensibilidad y la capacidad de predicción como factores de mayor importancia.


LOS AHORROS EN LOS COSTOS DE LOS ESTRATOS FÍSICOS DE ETHERNET QUEDAN OPACADOS

La necesidad constante de robustez industrial e implantación inteligente, supera en cierta forma los ahorros en costos originados por compartir hardware común Ethernet y un conocimiento y destreza amplios, manifiesta el consultor en automatización ARC Advisory Group.

Las redes en el nivel operativo de la planta, deben aislarse física y lógicamente de la actividad en la red empresarial, con la finalidad de evitar interrupciones en la producción o riesgos en la seguridad. Las instalaciones de conmutación totalmente duplex que se requieren para una operación determinística, resultan en una topología de red del tipo distribuidor (hub-and-spoke) que elimina los ahorros en costos de una topología tradicional del tipo bus.

Esto constituye una concesión específica al nivel entrada/salida (l/O), en donde la topología multidescendente que se encuentra en las redes actuales de dispositivos, proporciona ahorros importantes en los costos de alambrado.

El cambio hacia EtherNet en el nivel de la planta, requiere también el cambio hacia un protocolo de configuración dinámico para el servidor, protocolo simple de arranque, y administración adecuada de las direcciones IP, así como la costosa destreza de ingeniería asociada y establecida.

Los implantadores de EtherNet deben encontrarse bien preparados en tecnologías tales como conmutadoras, ruteadores, procedimientos de seguridad (firewalls), así como en la administración de componentes activos. Los conectores constituyen también un aspecto a resolver. El conector RJ-45 del mundo de las Gficinas, no puede satisfacer todas las exigencias de las aplicaciones industriales; de manera que varios estándares se encaminan actualmente hacia la especificación de un conector industrial más robusto.

Las necesidades de redundancia incrementan más todavía el costo y la complejidad de las redes industriales EtherNet, incluyendo la necesidad de que algunos clientes instalen fuentes de poder redundantes para los conmutadores activos EtherNet.


¿Qué es ANSI 709?

Hasta 1997, el protocolo LonTalk solamente se encontrada disponible incrustado en un chip neuronal. Este procedimiento garantizaba la aplicación en forma coherente por todos los fabricantes. Sin embargo, una vez que se habían instalado una gran cantidad de dispositivos obedientes, la empresa Echelon Corporation publicó el protocolo LonTalk y lo convirtió en un estándar abierto.

Su nombre formal es Estándar para Red de Control ANSI/EIA 709.1.

El protocolo se encuentra disponible para quien lo requiera.

Cada dominio en un sistema que utilice el protocolo LonTalk puede contar con 32,385 dispositivos como máximo. Pueden existir hasta 256 grupos en un dominio, y cada grupo puede contar con cualquier cantidad de nodos asignados al mismo, con la salvedad de que cuando se requiere reconocimiento (acuerdo de conexión) de extremo a extremo, los grupos quedan limitados a 64 nodos. Cada nodo puede ser miembro de hasta 15 grupos.


ACERCA DEL AUTOR

Michael Tennefoss ostenta grados académicos de  laUniversidad de California y de la Universidad de Minnesota. Es vicepresidente de Echelon Corporation, una empresa de redes de control en  California.

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