Ethernet industrial vs. Comercial

Con tiempo y determinación

El Ethernet comercial estándar no se activa en tiempo real de forma inherente, ya que usa el sentido de operador, el acceso múltiple con detección de colisión (CSMA/CD). Esto es lo que permite detectar la red y la dirección de destino (CSMA) y la capacidad de un dispositivo para reconocer que ha intentado transmitir información al mismo tiempo que otro dispositivo (CD). Cuando se detecta una colisión, la transmisión cesa y se transmite de nuevo cuando está claro enviar. En otras palabras, el tiempo que se tarda en llegar a su destino en un paquete determinado no puede determinarse, lo que significa que no es determinista.

Aunque la detección de colisiones es excelente para transmitir la información empresarial de forma eficaz, causa un ligero retraso que puede llegar a cientos de milisegundos. Esto no es algo que realmente notemos o que nos importe en un ambiente empresarial comercial. Pero en un ambiente industrial, incluso el más mínimo retraso es inaceptable, ya que los sistemas de control y automatización dependen de que la información llegue exactamente donde y cuando se necesita. Es por eso que la comunicación a nivel de dispositivo en un entorno industrial se ha basado durante mucho tiempo en protocolos como Profibus y Modbus que ofrecen determinismo y transmisión sensible al tiempo.

Afortunadamente, el grupo de tareas IEEE 802,1 Time-Sensitive Networking (TSN) ha sido capaz de abordar este problema con nuevos mecanismos de priorización y algoritmos mediante la sincronización de tiempo. Esto ha dado lugar a un conjunto de normas Ethernet en tiempo real deterministas para enviar información crítica en el tiempo en la capa de enlace de datos, ideal incluso para las aplicaciones de control de movimiento más exigentes. En resumen, TSN es lo que aporta requisitos de calidad industrial a Ethernet.

Posibles variaciones de topología

Aunque las redes Ethernet comerciales casi siempre están configuradas en una topología en estrella, el Ethernet industrial suele incluir una combinación de topologías en estrella, anillo y bus para adaptarse a diversas aplicaciones. Las topologías de bus, conocidas como multipunto o multisegmento en aplicaciones industriales, son comunes cuando hay necesidad de varios nodos para compartir un enlace común. Es por eso que el nuevo Ethernet de par único 10BASE-T1L permite hasta 10 conectores en línea.

Además, aunque la topología en estrella jerárquica es ideal para Ethernet comercial, Ethernet industrial requiere una redundancia aún mejor y eliminación de puntos únicos de fallo. Con este fin, Ethernet Industrial ha adaptado topologías híbridas de anillo en estrella que minimizan el tiempo de inactividad para ciclos de producción a través de una conmutación por error cero. Nuevos protocolos como la Redundancia directa de alta disponibilidad (High-availability Seamless Redundancy, HSR) definidos en IEC 62439-3 está diseñado para alcanzar el tiempo de recuperación cero en un anillo enviando cada paquete en ambas direcciones al mismo tiempo, de manera que el nodo receptor acepte el primer paquete para llegar y disuadir el segundo.

Mayor protección de componentes

Como destacamos en un blog anterior, los conectores que se usan para Ethernet industrial también son diferentes en la necesidad de soportar factores mecánicos más resistentes, el potencial de entrada, temperaturas extremas, productos químicos e interferencias electromagnéticas. Por lo tanto, a menudo vemos que se usan conectores de rosca de bloqueo M12 y M8, ya que son mucho más duraderos y están diseñados para soportar la vibración continua en comparación con los conectores Ethernet RJ-45 comerciales. Los cables tienen que ser capaces de resistir ambientes más difíciles, por lo que cuentan con materiales de revestimiento con mayor resistencia a la tracción y resistencia química, así como mayores cantidades de hilos para mayor flexibilidad. Tanto los conectores como los cables tienen que cumplir los parámetros M.I.C.E. más estrictos usados para clasificar componentes en una red industrial donde M es mecánico (flexible, vibración), I es entrada (humedad), C es Climatic (temperatura), E es electromagnético (ruido). Las normas MICE aplican a cualquier protocolo de Ethernet industrial, como Ethernet/IP, ProFinET, EtherCAT, Modbus-TCP entre otros.

No son solo los cables y conectores los que se diferencian. Los switches Ethernet también tienen que soportar rangos de temperatura más amplios, golpes, vibraciones, etc., y a menudo se encuentran en cajas de acero industrial con montaje en carril DIN. También requieren una fiabilidad y redundancia superiores. Aunque un switch Ethernet de calidad comercial suele tener una sola fuente de alimentación, los switches Ethernet industriales casi siempre tienen energía redundante.

Comprobaciones y resolución de problemas

Más de la mitad de los problemas de Ethernet industrial pueden atribuirse al cableado, y el ambiente industrial más severo puede desempeñar un papel y requerir un cambio en lo que necesita buscar al realizar comprobaciones y resolver problemas. Por ejemplo, los cables Ethernet industriales pueden experimentar problemas de continuidad causados por los cambios de flexión, vibración, corrosión y temperatura. Mientras la comprobación de continuidad detectará conexiones abiertas, encontrar una conexión deficiente requiere medir la resistencia de cada conductor individual. Esto se puede realizar al comprobar el desequilibrio de resistencia de CC con el comprobador de la serie DSX CableAnalyzer™ de Fluke Networks, que observa la diferencia de resistencia entre cada conductor de un par. Si es demasiado alta, podría indicar una mala conexión.

La interferencia electromagnética (Electromagnet interference, EMI), la “E” en M.I.C.E., también puede dañar los paquetes Ethernet industriales. Para determinar si un cable es susceptible a EMI, el DSX CableAnalyzer realiza comprobaciones del analizador de cableado DSX para la pérdida transversa de conversiones (Transverse Conversion Loss, TCL) y la pérdida de transferencia de conversión transverso de nivel equivalente (Equal Level Transverse Conversion Transfer Loss, ELTCTL), que están cubiertas tanto en las normas TIA como en ISO M.I.C.E. Al realizar comprobaciones, los límites de las normas M.I.C.E. pueden seleccionarse en su comprobador para que coincida con el nivel "E" de los ambientes, E1 para ambientes de oficina comercial, E3 para ambientes cercanos a fuentes EMI potentes y E2 para cables entre las zonas E1 y E3.

Por supuesto, al realizar comprobaciones, también tiene que asegurarse de que su comprobador tenga la interfaz adecuada y la configuración de comprobación. En despliegues industriales, es común ver cables terminados con conectores tipo M12 en una configuración de punto a punto sin conexiones cruzadas o interconexiones, lo que esencialmente los convierte en un latiguillo largo. Dado que las comprobaciones de canal no incluyen el rendimiento de los conectores en ninguno de los extremos, ISO/IEC agregó límites de comprobación de extremo a extremo (E2E) a la norma 11801-3, que se puede realizar usando adaptadores DSX M12D o M12X disponibles con los comprobadores de la serie DSX CableAnalyzer. Es común ver algunos de estos enlaces de punto a punto terminados en un conector de estilo M12 en un extremo y un conector de estilo RJ45 en el otro. En este caso, necesitará un Adaptador M12 en un extremo y un Adaptador de latiguillo en el otro, ya que eso es lo que se usa para probar el rendimiento del conector RJ45 con terminación de campo.

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