Ethernet Industrial: Obtener información

  • Desarrollado originalmente en el Centro de Investigación de Xerox en Palo Alto (PARC) en la década de 191970, Ethernet ha ido creciendo hasta convertirse en el sistema de interconexión de redes más común del mundo. A lo largo de las décadas, los enormes cambios y extensiones de las normas han permitido a la tecnología Ethernet abordar una amplia variedad de aplicaciones que los desarrolladores originales nunca imaginaron.

    Una de estas aplicaciones es el Ethernet Industrial. Los fabricantes y los organismos de normalización han adoptado el Ethernet como nivel físico subyacente para crear una gran variedad de tecnologías, como PROFINET, Ethernet/IP (protocolo industrial), EtherCAT y Modbus TCP, todas ellas optimizadas para la automatización industrial.

    Comprobación de límites para configuraciones de cables de extremo a extremo

    Figura 1. Pantalla del DSX CableAnalyzer™ mostrando los límites de comprobación para diferentes configuraciones de cableado de extremo a extremo, incluyendo los límites para E1, E2, y E3.

    Normas de cableado y conectores

    Todas las aplicaciones del Ethernet Industrial están diseñadas para funcionar sobre cableado de cobre de par trenzado o de fibra, medios físicos similares a los que se usan en el Ethernet “clásico”, pero con algunas modificaciones para el entorno de fábrica. La Organización Internacional de Normalización (ISO) y la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones (TIA) han desarrollado un conjunto de especificaciones para definir las condiciones ambientales potenciales dentro de los centros industriales. Se las conoce como especificaciones mecánicas, de ingreso (entrada de partículas), climáticas/químicas y electromagnéticas (MICE). Los niveles MICE describen varios grados de condiciones ambientales, como MICE 1 para un entorno típico de oficina, MICE 2 para un ambiente ligeramente más severo y MICE 3 para entornos industriales pesados.

    Para cumplir con estos requisitos, los fabricantes han desarrollado cableado y conectores especializados. Con esto se consigue cableado que puede funcionar aunque se aplaste, se caliente, se sumerja o sea expuesto a productos químicos cáusticos. En la mayoría de los casos, esto afecta a los requisitos para la cubierta exterior del cable, mientras que las características eléctricas siguen siendo las mismas, ya sea MICE 1 o MICE 3. Sin embargo, existe una diferencia notable en los requisitos electromagnéticos, donde se especifican requisitos específicos para la pérdida de conversión transversal (TCL) según se trate de un entorno E1, E2 o E3. Esta especificación mide la capacidad del cable para soportar las interferencias de señales eléctricas externas, como las generadas por soldadores, reguladores de velocidad variable y la alimentación de alto voltaje.

    Los conectores reciben un escrutinio especial, ya que pueden ser un punto de entrada de partículas. Un enfoque es revestir el conector modular estándar de 8 pines (RJ-45) en un receptáculo de rosca sellado. Este conector tiene la ventaja de ser compatible con la mayoría de los dispositivos y cableado del Ethernet “clásico”. El conector “M12” fue desarrollado para aplicaciones más exigentes con los impactos y las vibraciones, y cuenta con un conector pequeño y redondeado con fijación a rosca que puede llevar dos pares (M12D) o cuatro pares (M12X). Una configuración habitual del cableado industrial consta de un conector modular de 8 pines en un extremo del cable y un conector M12 en el otro.

    Problemas del cableado

    Resultados de comprobación satisfactorios para un enlace de categoría 6A conforme a TIA 1005 con límites E2.

    Figura 2. Pantalla del DSX CableAnalyzer mostrando resultados de comprobación satisfactorios para un enlace de categoría 6A conforme a TIA 1005 con límites E2.

    Más de la mitad de los problemas del Ethernet Industrial se pueden atribuir al cableado. Algunos de estos aparecen inmediatamente durante el proceso de puesta en marcha; otros pueden permitir que la conexión funcione correctamente hasta que alguna causa como los cambios ambientales provoque fallos en las comunicaciones. Ethernet es una tecnología robusta que permite que se mantengan las comunicaciones incluso en circunstancias marginales, pero un cambio de esas condiciones puede causar problemas de comunicación o incluso un fallo completo en el futuro. Estos son los problemas más comunes con el cableado.

    Connectivity (Conectividad)

    El requisito más básico para el cableado es que los pines de un extremo estén conectados a los pines correspondientes en el otro extremo. Cualquier hilo mal cableado o abierto en el cable provocará un fallo severo en las comunicaciones. Un problema del cableado no tan conocido es lo que se denomina un “par dividido”, cuando los pines se conectan con los pines correspondientes en el otro extremo, pero el emparejamiento dentro del cable es incorrecto. Esto puede llevar a fallos intermitentes o graves.

    Longitud

    Por lo general, los cables Ethernet están limitados a una longitud de 100 metros. Los cables demasiado largos pueden causar problemas de dos maneras. En primer lugar, las señales se debilitan a medida que viajan a lo largo de un cable; si este es demasiado largo, podrían llegar a ser demasiado débiles para interpretarlas correctamente en el otro extremo. Por otra parte, Ethernet está diseñado para esperar respuestas dentro de un determinado período de tiempo, el retardo causado por un cable demasiado largo puede interferir con esta sincronización. Cualquiera de estos errores puede provocar fallos graves o problemas intermitentes. Por ejemplo, como las pérdidas en un cable aumentan con la temperatura, un cable demasiado largo puede transmitir aceptablemente a bajas temperaturas y sin embargo fallar con otras más altas.

    Diafonía

    Esta es una medición de las interferencias electromagnéticas entre los pares dentro de un cable. Por ejemplo, una señal transmitida por el par de “envío” podría generar una señal de interferencia en el par de recepción. El transmisor podría interpretar esta interferencia como una señal entrante y detener el envío. Nuevamente, esto puede causar fallos graves o intermitentes. A medida que aumenta la frecuencia de la señal, también lo hace la diafonía, lo que la convierte en el principal condicionante para el rendimiento máximo de un cable de red.

    Pantalla del Fluke DSX CableAnalyzer mostrando una comprobación de nivel E3 fallida

    Figura 3. El DSX CableAnalyzer mostrando los resultados de una comprobación de nivel E3 fallida. Observe el fallo de TCL.

    Integridad del apantallamiento

    Muchos cables de Ethernet industrial incorporan blindaje, generalmente una lámina de metal que envuelve cada par dentro de la cubierta exterior del cable. El propósito de este apantallamiento es reducir el efecto de las interferencias electromagnéticas externas (Electromagnetic Interference, EMI), que pueden provenir de dispositivos de alto voltaje o alta corriente próximos al cable. Las interferencias EMI pueden causar errores de transmisión en el cable, dando lugar a ralentizaciones o incluso a fallos completos. Este puede ser un problema muy difícil de resolver, ya que solo se produce cuando la interferencia es lo suficientemente grande como para superar el equilibrio de la señal, como cuando se enciende un motor cercano o se usa una herramienta de soldadura. Para que la pantalla funcione adecuadamente, es fundamental que el cable esté adecuadamente a lo largo de todo el recorrido. Basta una interrupción en la continuidad del apantallamiento para que el rendimiento disminuya considerablemente. Por lo tanto, las pruebas de apantallamiento deben poder garantizar que toda la trayectoria del cable esté apantallada. Esta es una medición particularmente difícil ya que la pantalla normalmente está conectada a tierra. Las mediciones básicas en CC sencillas no serán capaces de determinar si el apantallamiento es continuo cuando está conectado a tierra en ambos extremos.

    Pérdida de conversión transversal (TCL)

    Esta es una medición del “equilibrado” del cable, es decir, su capacidad para transmitir señales iguales por ambos hilos de un par. Los cables de par trenzado se basan en el diferencial nulo entre las señales iguales pero opuestas en los dos hilos de un par para lograr un alto nivel de inmunidad al ruido. Si el cableado hace que las señales sean desiguales, el ruido externo puede causar interferencias con las señales y distorsionarlas hasta el punto de que el dispositivo receptor no las pueda interpretar. Como se señaló anteriormente, los problemas de interferencias EMI pueden ser muy difíciles de aislar y resolver. Para abordar este problema, los organismos de normalización han formulado diferentes requisitos de TCL para el cableado en función de los entornos E1, E2 y E3 de MICE.

    Es importante tener en cuenta que el uso de cables y conectores cuya conformidad con los requisitos mencionados anteriormente esté certificada por el fabricante es fundamental para asegurar un funcionamiento sin errores, pero no es una garantía. A veces, incluso los mejores fabricantes pueden elaborar un producto fuera de especificaciones, y más frecuentemente, las técnicas de instalación inadecuadas pueden convertir una colección de componentes de alta calidad en un enlace con un pésimo rendimiento.

    La comprobación del cableado implica un mayor tiempo de actividad

    Visualización de fallos de cableado

    Figura 4. El DSX CableAnalyzer puede encontrar una amplia variedad de errores de cableado y mostrarlos de una manera que cualquier técnico pueda entender.

    Las empresas que disponen de las herramientas adecuadas para la comprobación del cableado y tienen una comprensión básica de cómo usarlas pueden emplearlas para aumentar el tiempo de actividad de tres maneras:

    Puesta en marcha más rápida

    Medir los parámetros mencionados anteriormente antes de conectar un cable es la única forma de garantizar que cumple con todas las especificaciones requeridas y, por lo tanto, funcionará correctamente.

    Evite el tiempo de inactividad no planificado

    El simple hecho de que un cable pueda transmitir datos durante la puesta en marcha no es garantía de que continuará funcionando en todas las circunstancias. Los cambios en el entorno después de la instalación pueden provocar fallos. Si el cable se comprueba contra los parámetros mencionados anteriormente y pasa, las posibilidades de fallos posteriores del cable basados en estos factores desaparecen.

    Solucione problemas más rápido

    Incluso un cable ya comprobado puede fallar debido a diferentes maltratos, tales como ser cortado, arrancado o fundido accidentalmente. En el caso de una fallo de la red, el poder diagnosticar un problema de cableado rápidamente puede ahorrar una cantidad significativa de tiempo. En lugar de perder horas reemplazando un cable de rendimiento dudoso, unos pocos segundos de comprobación pueden verificar si está en buen estado, por lo que los esfuerzos de resolución de problemas pueden enfocarse en otra dirección. Y si el cable está mal, los diagnósticos del comprobador permiten identificar el problema. Por ejemplo, saber que el fallo se encuentra en el conector del extremo remoto significa que usted solo perderá unos minutos reemplazando un conector defectuoso en lugar de varias horas volviendo a tender un cable completamente nuevo.

    En resumen, comprobar los cables cuando se instalan puede acelerar el proceso de puesta en marcha y evitar problemas en el futuro. Tener a mano un comprobador de cableado en caso de fallo puede ahorrarle horas en resolución de problemas y tiempo de inactividad.

    Herramientas de comprobación de cableado para Ethernet Industrial

    Las herramientas de comprobación de cableado se pueden dividir en dos categorías: comprobadores previos al despliegue y solucionadores de problemas que anidan cables y redes.

    Se muestran los datos de la red, incluyendo el puerto del switch, el nombre, la VLAN y los ajustes de velocidad

    Figura 5. Los comprobadores de cables y de red, como el LinkIQ™, pueden mostrar datos de red, incluyendo el puerto del switch, el nombre, la VLAN y los ajustes de velocidad.

    Comprobadores previos al despliegue (puesta en servicio)

    Estas herramientas proporcionan una comprobación de todos los parámetros de cableado mencionados anteriormente, como diafonías, integridad del apantallamiento o TCL. La serie DSX CableAnalyzer es el único comprobador de cableado que puede medir todos estos parámetros, incluyendo la integridad del blindaje a lo largo del recorrido del cable. El comprobador genera un resultado PASA o FALLA y puede cr generar ear un informe para fines de documentación. Realizar una comprobación con una herramienta de certificación antes de la puesta en marcha es la única forma de saber si el cable cumple con todas las especificaciones requeridas como se indicó anteriormente y es la mejor manera de evitar problemas de cableado. Estas herramientas también se pueden utilizar para resolver problemas , ya que pueden localizar no solo cables rotos, sino también problemas más difíciles, como agua en el cable o conectores que no cumplen con las especificaciones.

    Comprobadores de cableado y de red

    Estas herramientas proporcionan la capacidad de realizar comprobaciones del cableado de Ethernet industrial, además de los dispositivos activos conectados a ese cableado. Estas herramientas verifican que el cableado se haya conectado correctamente (incluyendo la comprobación de pares divididos) y pueden medir la longitud del cable y determinar la ubicación de las roturas de los cables. También pueden verificar el switch de red al que están conectados, mostrando la velocidad del puerto y la potencia sobre Ethernet y, en algunos casos, el nombre del switch, el número de puerto y la VLAN. Esto puede ahorrar mucho tiempo porque elimina la operación y la configuración del cableado o el switch como un problema potencial y permite al equipo concentrarse en se encuentra realmente el problema.

    Los equipos que no pueden invertir en comprobadores de certificación aún pueden beneficiarse de ellos para proyectos nuevos, ya sea alquilándolos o pagando a un contratista de cableado para comprobar los cables antes de la puesta en marcha. El bajo coste de las herramientas de cables y redes permite tenerlas a mano en cualquier instalación, lo cual elimina el tiempo requerido para organizar un alquiler o un contratista en caso de fallo. Su coste se amortiza rápidamente con en el tiempo que se ahorra para resolver un solo fallo de la red.

    Comparación de productos de comprobación de cableado de Fluke Networks para Ethernet Industrial

      MicroScanner™ PoE-IE LinkIQ™-IE Serie DSX™
    Aplicación principal  Resolución de problemas de cables y redes Resolución de problemas de cables y redes Instalación y resolución de problemas de cables
    Connectivity (Conectividad) 
    Longitud 
    Diafonía    X
    Integridad del apantallamiento    Básico Avanzado  
    TCL / Nivel “E” de M.I.C.E.     
    Creación de informes   
    Localización de errores  Básico  Básico  Avanzado 
    Pruebas de red  Potencia de PoE a una velocidad de hasta 10 Gb/s Velocidad de hasta 10 Gb/s, nombre del switch, puerto, VLAN, potencia de PoE, luz de puerto intermitente  
    Compatibilidad con conectores  RJ45, M12D, M12X y M8D RJ45, M12D, M12X y M8 RJ45, M12D y M12X