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Conceptos de ethernet industrial (TEL048S)

Las aplicaciones que involucran la conexión física entre ordenadores, en el hogar, oficina o en la industria normalmente son del tipo Ethernet. Sin embargo, existen diferencias en cuanto al escritorio que diferencian la Ethernet de uso industrial de Ethernet utilizada en otros campos. El ambiente industrial es ruidoso y esto hace que ocurran ciertos problemas que necesitan saber evitados. Para que el lector tenga una idea de cómo funciona todo, haremos una breve revisión de Ethernet Industrial en este artículo. (2006 (*)).

(*) El articulo tiene valor histórico

Para que el lector tenga una idea de lo que es Ethernet hoy será interesante tratar antes de sus orígenes.

El concepto original de Ethernet fue creado por Bob Melcalfe, de Xerox que en 1973 desarrolló una red inalámbrica denominada ALOHAnet, cuya finalidad era interconectar computadoras de los diversos campus de las universidades de Hawai.

El problema básico en ese lugar es que esos campus se quedaban en islas diferentes, dificultando así una conexión convencional.

El desafío era hacer que diferentes señales de radio fueran usadas en nodos para comunicarse entre estaciones base sin interferir entre sí.

La solución fue el concepto CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access con Collision Detection - acceso múltiple con sensor de portadora con detección de portadora).

El proceso fue entonces perfeccionado y usado en redes físicas que dieron origen a Ethernet.

Las mejoras que vinieron convirtieron la base para el estándar de redes IEEE802, que especifica las capas físicas y de datos de una red.

La capa física especifica los tipos de señales eléctricas, velocidades de señalización, tipos de medios y conectores además de las topologías de la propia red.

La capa de datos especifica cómo las comunicaciones se producen a través del medio utilizado, utilizando la técnica CSMA / CD que ya hemos explicado anteriormente, así como la estructura de los mensajes que se transmiten y se reciben.

En la figura 1 tenemos la estructura típica de una red Ethernet.

 

Figura 1
Figura 1

 

 

Las Capas Físicas

Al principio, las opciones para Ethernet eran mucho más limitadas que hoy. Las opciones 10Base2 y 10Base5, operando ambas en 10 Mbps, usando cable coaxial con nodos conectados a los conectores "T", como muestra la figura 2.

 

Figura 2
Figura 2

 

Las redes Ethernet 10Base2 permitían la longitud máxima de segmentos de aproximadamente 60 metros usando cables coaxiales RG58 también denominados "Thin Ethernet". La Ethernet 10Base5 permite la comunicación en mayores distancias.

Posteriormente se desarrolló la Ethernet 10Base-FL para fibras ópticas, alcanzando hasta unos 600 metros (2000 pies)

Otra solución para la capa física de 10 Mbps que surgió fue la 10BaseT, que rápidamente se hizo popular porque era muy fácil de instalar y usar, además de económica pues permitía el uso de pares trenzados (UTP Categoría 3) en lugar de los cables coaxiales .

Normalmente los ordenadores estaban conectados a una topología en estrella a un concentrador, que a su vez podría conectarse a otros segmentos de la red.

Las computadoras podrían llegar hasta 100 pies (33 metros) de distancia y la conexión hecha por conectores RJ-45.

A finales de 1990, los equipos Ethernet que funcionaban a 100 Mbps se hicieron disponibles. Con la posibilidad de ajustar automáticamente la velocidad de las redes, la actualización se ha vuelto muy simple.

Ahora ya tenemos la opción de Ethernet Gigabit (1000 Mbps) que están disponibles usando pares trenzados y fibra óptica. Con una velocidad mucho mayor se pueden transferir datos en mayor cantidad, una exigencia de muchas aplicaciones industriales.

 

La capa de datos

Esta capa define el método de acceso al medio utilizado. Se utilizan enlaces de "half-duplex", como los conectados en un bus de tipologías en estrella (10 / 100Base T, 10Base2, 10Base5, etc.).

La modulación sigue siendo la CSMA / CD que permite que varios nodos tengan accesos iguales a la red, operando de la misma forma que los sistemas de telefonía celular.

En este sistema todos los nodos de la red monitorean continuamente el flujo de señales. Si un nodo tiene que transmitir información, encaja su transmisión en los momentos en que está libre.

Si, por casualidad, dos nodos intentan poner informaciones en el mismo instante libre, ocurre lo que se denomina "colisión" con la corrupción de los datos. Sin embargo, como los nodos monitorean la transmisión, se dan cuenta de ello, deteniéndose inmediatamente y esperando un tiempo programado para intentar de nuevo.

Como los tiempos programados para los nodos son diferentes no hay peligro de que ocurra la colisión de nuevo. La figura 3 ilustra el problema de la colisión.

 

Figura 3
Figura 3

 

Este método de conexión y acceso al medio hace muy sencillo el aumento o remoción de nodos en una red. Él simplemente recibirá y transmitirá sus señales cuando esto sea posible.

Evidentemente, con el aumento del número de dispositivos conectados a una red, aumenta la posibilidad de colisión y con ello hay una reducción sensible de su velocidad.

Este hecho nos permite decir que la red Ethernet es del tipo probabilístico, a diferencia de otras redes que son deterministas, donde la confiabilidad puede ser prevista.

En la red Ethernet Full-Duplex (10Base-FL, 100Base-FX, etc), las colisiones no son importantes, ya que sólo dos nodos están presentes y los canales tanto de recepción y de transmisión están disponibles. Como la transmisión ocurre en los dos sentidos, la tasa de transferencia de datos se dobla.

 

Ethernet Frame

Se trata de la capa de datos donde se define el formato de los datos que se deben enviar a través de una red. El formato de los datos el "marco" contiene diversos campos de información además de los datos propiamente dichos, como muestra la figura 4.

 

Figura 4
Figura 4

 

El corazón de la señal enviada está formado por los datos que deben enviarse. Se trata de la unidad de datos o "data unit", pudiendo contener de 46 a 1500 bytes de 8 bits.

El tamaño del paquete de datos es informado al receptor, de modo que sepa cuántos bytes debe esperar.

 

Hubs y Switches

La finalidad de los hubs en una red Ethernet es operar como dispositivos de la capa física para repetir y esparcir las señales. Los nodos se conectan a las puertas de un concentrador formando "ramas" o "ramas" creando así la topología de la red.

Los hubs reciben las señales de los nodos conectados y los regenera, mandándolos a otras puertas. Por el proceso de regeneración de los datos, la distancia alcanzada por las señales puede ser aumentada.

Una de las ventajas de este proceso de regeneración es que pueden detectar los "paquetes" o "frames" que presenten problemas, o sea, que estén corrompidos, eliminándolos y solicitando una nueva transmisión.

Los nodos responden a las señales basadas en las direcciones que contienen en el marco.

Las llaves o "switches" son similares a los hubs excepto por el hecho de que posibilitan la división de la red en segmentos. En la figura 5 mostramos el uso de las llaves y de los hubs en una red Ethernet.

 

Figura 5
Figura 5

 

 

Funciones de alto nivel

Hay casos en que las redes Ethernet deben comunicarse con otras redes, con características diferentes. Para ello, existen protocolos de alto nivel.

El más común para este caso es TCP / IP que permite el acceso a Internet. Este protocolo hace que los paquetes de información se mueven a través de la red basada en su dirección IP (Internet Protocol).

 

En la industria

Como solución eficiente para aplicaciones de uso general, Ethernet es la más popular, atendiendo a las exigencias mínimas que garantizan la comunicación entre ordenadores.

La posibilidad de agregar y quitar nodos, usar pares trenzados y además operar en una topología simple, hacen de Ethernet ideal para una enorme gama de aplicaciones, incluyendo las industriales.

Sin embargo, cuando pensamos en las aplicaciones industriales existen todavía algunas características que hacen crítico el uso de Ethernet.

Una de ellas es el funcionamiento probabilístico, del que hablamos. Las aplicaciones industriales exigen una mayor confiabilidad, con niveles que sólo se alcanzan por una red que tiene un funcionamiento determinista.

Es claro que ante la relación costo / beneficio que este tipo de red presenta, los usuarios pronto encontraron medios para mejorar ese punto crítico como, por ejemplo, la segmentación usando switches y routers para minimizar el tráfico indeseado de señales, reduciendo así su utilización.

Otro medio consiste en utilizar protocolos nuevos de alto nivel que incorporen recursos de priorización, sincronización y otras técnicas que aseguren el envío de señales que sean sensibles.

El resultado de ello fue la posibilidad de adoptar Ethernet también en el control industrial y automatización. No sólo se puede aplicar en las redes internas como en aplicaciones de campo.

La mayoría de los fabricantes de sistemas de control incorporan versiones para Ethernet en sus productos y se desarrollan protocolos específicos para estas aplicaciones, como se describe a continuación:

 

EtherCAT (Eternet for Control Automation Technology)

Es una red abierta en tiempo real desarrollada por Beckhoff. Su finalidad es proporcionar un desempeño de control y monitoreo de procesos en tiempo real usando pares trenzados y fibras ópticas.

Este protocolo de red también soporta varias topologías que soporta el EtherCAT Technology Group, que está formado por 168 empresas.

En la figura 6 un ejemplo de Topología EtherCAT ofrecida por la empresa Steinhoff.

 

Figura 6
Figura 6

 

 

Ethernet Powerlink

Se trata de un protocolo Ethernet que combina el concepto CANopen con Ethernet. El grupo de estandarización EPSG (Ethernet Powerlink Standardization Group) es una asociación abierta de proveedores y usuarios finales que necesitan una Ethernet determinista en tiempo real.

En la figura 7 tenemos la topología típica de una red Ethernet Powerlink para aplicaciones industriales.

 

Figura 7
Figura 7

 

La ventaja de este protocolo es que utiliza chips comunes de comunicaciones en el medio físico, trabajando con un protocolo denominado Ethernet / IP (IP = Industrial protocol).

Este protocolo es soportado por la IEA (Industrial Ethernet Association), CI (ControlNet International) y ODVA (Open DeviceNet Vendor Association).

 

Modbus - TCP

Este protocolo es compatible con Schneider Automation. En la figura 8 la topología típica utilizada en una red Modbus.

 

Figura 8
Figura 8

 

Observe que los dispositivos remotos se conectan a Gateways vía RS-232 y después de ellos a Ethernet que los conecta a un Host Modbus / TCP.

 

PROFINET

Es la versión Profibus de un sistema de comunicaciones para Ethernet, siendo desarrollada por Siemens y la PNO (Profibus User Organization).

En la figura 9 una red típica Profinet.

 

Figura 9
Figura 9

 

 

Conclusión

A partir del concepto básico de Ethernet, diversos estándares adicionales fueron desarrollados para la aplicación específica en ambientes industriales.

Estos estándares tienen en cuenta las exigencias básicas que esta aplicación presenta como el aspecto de la confiabilidad que un sistema determinístico ofrece, además de la velocidad.

Lo que hemos visto en este artículo da al lector una idea de las posibilidades existentes de implementar ese tipo de red en una industria.

Evidentemente, partiendo de los conceptos presentados es más fácil para el lector investigar lo que los diversos proveedores ofrecen y hacer la mejor elección para su aplicación específica.

 

 

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