8. Ethernet Industrial


¿Qué es el Protocolo Ethernet Industrial?

El Ethernet industrial es una versión adaptada del Ethernet estándar, esencialmente basadas en IEEE802.3 (https://www.ieee802.org/3/) . Fue diseñado para funcionar en entornos altamente demandantes, tales como fábricas y plantas de producción. 

En una red Ethernet industrial puede conectar:

  • Dispositivos industriales (protocolos industriales)
  • Dispositivos no industriales (otros protocolos Ethernet)

Tiene características especiales que lo hacen ideal para estos entornos, tales como alta resistencia a la intemperie, altas temperaturas, vibraciones y especialmente permite la comunicación de los dispositivos en tiempo real. En este artículo, vamos a explicar en detalle qué es el Ethernet industrial y por qué es tan popular en los entornos industriales.


A diferencia del Ethernet estándar (IEE802.3), el Ethernet Industrial permite la comunicación de todos los dispositivos que conforman la red en tiempo real o de forma determinística, notar que en la Ethernet que conocemos NO PODEMOS garantizar el tiempo en el que tendrá acceso a enviar o recibir datos, esto es inaceptable en un entorno industrial. Como los procesos de control industrial necesitan “controlar” todos los dispositivos, las ordenes tienen que llegar a un “determinado” punto en un “determinado” momento.

En segundo lugar, el Ethernet industrial está basado en que todos los dispositivos deben estar diseñados para trabajar en ambientes altamente demandantes (temperatura, humedad, polvo, intemperie, vibraciones, ruidos electromagnéticos, ácidos, riesgo de explosión, etc.), sin sufrir daños.

Entonces tenemos Propiedades especiales

  •     Robustez, grado industrial de productos
    •         EMC (Electromagnetic Compatibility)
    •         Vibraciones
    •         Ambientes agresivos
  •     Protocolos que cumplen los requerimientos de las aplicaciones industriales
    •         Real-Time

El Ethernet industrial ha sustituido a las redes de bus de campo debido a su capacidad de proporcionar una capa física estandarizada combinada con un mayor ancho de banda, notar que dependiendo el escenario esto puede o no ser beneficioso. Esto permite que se conecten varios dispositivos a través de una red, al tiempo que se garantiza la transmisión de datos a alta velocidad.

Hay cuatro actores principales que vale la pena mencionar para conocer cómo hacer una red de ethernet industrial:
  • Modbus TCP/IP
  • EtherCat
  • EtherNet/IP
  • Profinet (ya visto)
Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP fue el primer protocolo Ethernet Industrial introducido, y es esencialmente una comunicación Modbus tradicional que se comprime dentro de un protocolo de capa de transporte Ethernet para transferir datos discretos entre dispositivos de control. Utiliza una comunicación simple maestro-esclavo en la que el nodo «esclavo» no transmite datos sin una petición del nodo «maestro», pero no se considera un protocolo en tiempo real.
EtherCAT
Introducido en 2003, EtherCAT es un protocolo de Ethernet Industrial que ofrece comunicación en tiempo real en una configuración maestro/esclavo para sistemas de automatización. El elemento clave de EtherCAT es la capacidad de todos los esclavos conectados en red de extraer sólo la información relevante que necesitan de los paquetes de datos e insertar los datos en la trama a medida que transmiten aguas abajo (información que fluye hacia el usuario final), lo que a menudo se denomina comunicación «sobre la marcha».

Ethernet/IP
Lanzado inicialmente en el año 2000, Ethernet/IP es un protocolo Ethernet industrial de capa de aplicación ampliamente utilizado, homologado por la Open Device Vendors Association (ODVA) y suministrado principalmente por Rockwell Automation.
Es el único protocolo Ethernet industrial que se basa completamente en los estándares Ethernet y utiliza capas físicas, de enlace de datos, de red y de transporte estándar de Ethernet. Dado que utiliza conmutación Ethernet estándar, puede soportar un número ilimitado de nodos. Sin embargo, requiere un alcance limitado para evitar la latencia y permitir la comunicación en tiempo real.

Profinet.
Otro actor importante (en gran medida debido a su integración en los controladores de Siemens y GE) es Profinet, un protocolo de aplicación desarrollado por Siemens en colaboración con empresas miembro de una organización de usuarios de Profibus. Básicamente, amplía la comunicación del controlador de E/S Profibus a Ethernet mediante conmutadores especiales integrados en los dispositivos.

Todas las tecnologías en desarrollo tienen diferencias en la capa de aplicación, pero todas tienen cosas en común: la funcionalidad que establecen los estándares de las capas 1 a la 4, la tecnología de transmisión Ethernet IEEE 802.xx (capa física), el método de acceso al medio (CSMA/CD, capa de enlace de datos), el protocolo de Internet (IP, capa de red) y los protocolos TCP y UDP (capa de transporte).
La diferencia se encuentra en la arquitectura del sistema, los protocolos de aplicaciones industriales situados en la capa de aplicación del modelo OSI y el modelado o la ingeniería de la configuración del sistema, además de otros aspectos concretos de cada una

¿Qué tipo de sistema de cableado utiliza Ethernet industrial?

Ethernet Industrial se puede usar con varios componentes, como cables de cobre, fibra óptica o Wifi. La transmisión por cable de cobre también cubre largas distancias sin pérdida de calidad. Los cables UTP van de Cat 5 a Cat 8, tambíen soporta los tipos de cables ya vistos.


¿Qué significa el color de los cables Ethernet?

Tenemos que hacer una diferencia entre el color de la cobertura plástica exterior y los colores que identifican a los hilos internos de los cables Ethernet.

Para aplicaciones de Ethernet Industrial, un color típico es la cobertura verde (RAL 6018), estandarizado para redes PROFINET (PROFINET Cabling and Interconnection Technology – Guideline for PROFINET, parte 11, se puede encontrar disponible para descarga en https://www.profibus.com/download/profinet-cabling-and-interconnection-technology). Otros colores pueden estar disponibles, lo importante es el cumplimiento de la normativa de aplicación (ISO/IEC11801, IEC 61156).

Arquitectura de Ethernet industrial

A modo de ejemplo, en esta figura se muestra una arquitectura Ethernet industrial típica (usando productos schneider) :

  • A Red de control
  • B Red de dispositivos
  • 1 Logic Controller
  • 2 Dispositivos de encadenamiento tipo margarita
  • 3 Conmutador Ethernet
  • 4 Isla de E/S (Modbus TCP)
  • 5 Sensor de visión (EtherNet/IP)
  • 6 PC y HMI (TCP/UDP)
  • 2, 4 y 5 Dispositivos esclavos de Ethernet industrial (EtherNet/IP/Modbus TCP)