Ethernet industrial vs. Ethernet comercial

Con tiempo y determinismo

Por naturaleza, el Ethernet comercial convencional no está capacitado para el tiempo real, ya que utiliza detección de portadora y acceso múltiple con detección de colisiones (CSMA / CD). Esto es lo que permite la detección de la red y dirección de destino (CSMA), así como la capacidad de un dispositivo de reconocer que ha intentado transmitir información al mismo tiempo que otro (CD). Cuando se detecta una colisión, la transmisión se interrumpe y se transmite nuevamente cuando está libre para enviar. En otras palabras, el tiempo que tarda en llegar a su destino un paquete en particular no se puede determinar, lo que significa que no es un sistema determinista.

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

Afortunadamente, el grupo de trabajo IEEE 802,1 Time-Sensitive Networking (TSN) ha sido capaz de resolver este problema con nuevos mecanismos y algoritmos de priorización que usan sincronización de tiempo. Esto ha dado como resultado un conjunto de estándares Ethernet deterministas en tiempo real, que sirven para enviar información donde el tiempo es un factor crítico en el nivel de enlace de datos, y son idóneos incluso para las aplicaciones de control de movimiento más exigentes. En resumidas cuentas, TSN es lo que aporta los requisitos de grado industrial al Ethernet.

Posibles variaciones de topología

Mientras que las redes Ethernet comerciales casi siempre se configuran con una topología en estrella, el Ethernet industrial a menudo incorpora una combinación de topologías en estrella, anillo y bus para adaptarse a una gran variedad de aplicaciones. Las topologías de bus, denominadas multipunto o multisegmento en las aplicaciones industriales, son habituales cuando es necesario que varios nodos compartan un enlace común. Es por eso que el nuevo Ethernet de un solo par 10BASE-T1L permite hasta 10 conectores en línea.

Además, si bien la topología jerárquica en estrella es ideal para el Ethernet comercial, Industrial Ethernet requiere una redundancia aún mejor y la eliminación de puntos únicos de fallo. Con este fin, Industrial Ethernet ha adaptado topologías híbridas estrella-anillo que minimizan los tiempos de parada para los ciclos de producción mediante técnicas zero failover. Los nuevos protocolos, como la redundancia sin interrupciones de alta disponibilidad (High-availability Seamless Redundancy, HSR) definida en IEC 62439-3, están diseñados para lograr un tiempo de recuperación cero en un anillo enviando cada paquete en ambas direcciones al mismo tiempo para que el nodo receptor acepte el primer paquete que le llegue e ignore el segundo.

Mayor protección de componentes

Como destacamos en un blog anterior, los conectores utilizados para Industrial Ethernet también son diferentes, debido a que necesitan soportar factores mecánicos más severos, la posibilidad de penetración de sustancias, temperaturas extremas, productos químicos e interferencias electromagnéticas. Por lo tanto, a menudo vemos que se usan conectores M12 y M8 con rosca de fijación, ya que son mucho más duraderos y están mejor diseñados para manejar la vibración continua en comparación con los conectores comerciales Ethernet RJ-45. Los cables también deben ser capaces de tolerar entornos más agresivos, por lo que cuentan con materiales de revestimiento con mayor resistencia a la tracción y resistencia química, así como con un mayor número de filamentos para mayor flexibilidad. Tanto los conectores como los cables deben cumplir con requisitos de los parámetros M.I.C.E. más exigentes, que se utilizan para clasificar componentes en una red industrial donde M viene de mecánico (flexión, vibración), I de Ingreso o penetración (humedad), C de Climático (temperatura), y E de Electromagnético (ruido). Los estándares MICE se aplican a cualquier protocolo Ethernet industrial, como EtherNet/IP, ProfiNET, EtherCAT, Modbus-TCP y otros.

No son tan solo los cables y conectores los que difieren. Los switches Ethernet también deben soportar rangos de temperatura más amplios, golpes, vibraciones, etc., y a menudo se colocan en carcasas de acero industriales que utilizan montaje en riel DIN. También es necesaia una mayor fiabilidad y redundancia. Mientras que un switch Ethernet de grado comercial generalmente tiene una sola fuente de alimentación, los switches Ethernet industriales casi siempre tienen alimentación redundante.

Comprobación y resolución de problemas excepcionales

Más de la mitad de los problemas del Ethernet industrial pueden atribuirse al cableado, y el entorno industrial más agresivo puede desempeñar su papel y exigir un cambio en lo que se debe buscar al realizar pruebas y resolver problemas. Por ejemplo, los cables Ethernet industriales pueden experimentar problemas de continuidad causados ​​por flexión, vibraciones, corrosión o cambios de temperatura. Si bien las pruebas de continuidad encontrarán conexiones abiertas, para localizar una conexión deficiente hace falta medir la resistencia de cada conductor individual. Esto se puede hacer comprobando el desequilibrio de resistencia en CC con un comprobador de la serie DSX CableAnalyzer™ de Fluke Networks, que analiza la diferencia de resistencia entre cada conductor de un par. Si es demasiado alta, podría indicar una mala conexión.

Las interferencias electromagnéticas (EMI), la "E" de M.I.C.E., también puede dañar los paquetes en Industrial Ethernet. Para determinar si un cable es vulnerable a las interferencias EMI, el DSX CableAnalyzer comprueba la pérdida de conversión transversal (TCL) y la pérdida de transferencia de conversión transversal de nivel igualado (ELTCTL), que están recogidas en los estándares para  M.I.C.E. tanto de TIA como de ISO. Al realizar la prueba, se pueden seleccionar en su comprobador los límites de los estándares M.I.C.E. que se correspondan con el nivel "E" de los diferentes entornos: E1 para entornos de oficinas comerciales, E3 para entornos cercanos a potentes fuentes EMI y E2 para tendidos de cableado entre las zonas E1 y E3.

Por supuesto, al realizar la comprobación también debe asegurarse de que su comprobador tenga la interfaz y la configuración de prueba correctas. En instalaciones industriales, es frecuente ver cables terminados con conectores tipo M12 en una configuración punto a punto sin conexiones cruzadas ni interconexiones, lo que básicamente los convierte en un largo cable de conexión. Dado que la comprobación de canal no incluye el rendimiento de los conectores en ambos extremos, ISO/IEC agregó límites para la comprobación extremo a extremo (E2E) al estándar 11801-3, que se puede realizar utilizando adaptadores DSX M12D o M12X, disponibles para los comprobadores de la serie DSX CableAnalyzer. Es común ver algunos de estos enlaces punto a punto terminados con un conector de tipo M12 en un extremo y un conector RJ45 en el otro. En este caso, se necesitará un adaptador M12 en un extremo y un adaptador para latiguillos en el otro, ya que eso es lo que se utiliza para comprobar el rendimiento de un conector RJ45 con terminación en campo.

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