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Ethernet se vuelve más pequeño y ahora en tiempo real

Ralf Moebus, head of product management industrial communication en Lapp

01/03/2021

La gran cantidad de protocolos de comunicación industrial en las fábricas está llegando a su fin. OPC-UA y TSN están haciendo que Ethernet sea capaz de transmitir datos en tiempo real y finalmente se está estableciendo un estándar estable. Lapp puede suministrar los cables para estos nuevos sistemas, incluidos cables de un solo par más delgados y de menor coste.

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Muchos sensores en la fábrica inteligente se conectarán en el futuro con cables Ethernet de un solo par. Son más delgados, ligeros, se adaptan a espacios reducidos, son robustos e incluso pueden alcanzar rangos de hasta 1200 m a 10 Mbps. Para las velocidades de datos más altas están disponibles los cables Etherline Cat.7.

La pirámide de automatización está cambiando. Los niveles desde el sistema ERP en la parte superior hasta el nivel de campo en la base, se encontraban separados ya que un nivel solo podía comunicarse con el que está directamente arriba o debajo de él. Esta jerarquía está actualmente obsoleta para la fábrica inteligente, donde todo debe comunicarse con todos los componentes disponibles. Por ejemplo, un pedido que llegue en la tienda online será capaz de activar inmediatamente las acciones correspondientes en la máquina que lo fabrica y los sensores en la máquina informan directamente al sistema ERP si existe algún riesgo de pérdidas de producción o una parada no prevista. Se trata del mantenimiento predictivo que tiene como objetivo la producción individual, donde cada cliente recibe un producto que está hecho a su medida y fabricado de la forma más económica posible como si se produjera en serie.

Esto tiene consecuencias para las redes de comunicación en las fábricas. Cuando comenzó el auge de la automatización en las décadas de 1980 y 1990 y surgió la pirámide de automatización los datos, que todavía eran escasos en ese momento, fluyeron a través de protocolos de bus de campo. Para proteger sus productos y equipos de la competencia, muchos proveedores crearon su propio protocolo de comunicación de bus de campo y esto continuó en la misma línea en la década de 2000 con Ethernet. Una vez más, los fabricantes de componentes lograron “doblar” Ethernet para que ahora haya una docena de versiones diferentes que sean incompatibles entre sí.

Pero todo esto está a punto de cambiar. Por un lado, los usuarios finales han tenido tiempo suficiente con lidiar con docenas de protocolos de comunicación, ya que implica realizar un gran desembolso para la planificación y el diseño de la red. Por otro lado, todos los estándares tienen el mismo defecto: Ethernet no es capaz de trabajar en tiempo real (Real Time). Por lo tanto, el desarrollo de equipos patentados en tiempo real requiere componentes de red especiales. Esto ha dado como resultado que la red tenga “islas en tiempo real”, que restringen la transmisión entre de datos en tiempo real y en tiempo no real. Cuando todos los componentes en una fábrica intercambian datos, desde la página de pedidos de la tienda online a través de los sistemas ERP y MES, hasta la máquina, pasando por todos y cada uno de los sensores, y luego de vuelta a la nube, debe haber un estándar consistente que transmita y procese información de manera fiable y precisa en menos de un milisegundo. Esta es la única forma de cumplir las promesas clave de la Industria 4.0: tamaño de lote 1 y personalización masiva del producto final.

Time Sensitive Networking (TSN)

Los diversos protocolos de bus de campo no desaparecerán, pero están perdiendo mucho terreno ante Ethernet, que ha sido la fuerza dominante en las comunicaciones de la oficina durante décadas. Como la oficina y la línea de producción necesitan comunicarse sin problemas, era solo cuestión de tiempo hasta que Ethernet entrara en las fábricas. La falta de la capacidad de tener una red en tiempo real se soluciona con las redes sensibles al tiempo o también llamadas TSN (Time-Sensitive Networking). Este conjunto de estándares se basa en una propuesta del grupo de trabajo Ethernet IEEE 802.1. TSN es el resultado del trabajo del Grupo de trabajo del IEEE y fue diseñado originalmente para la transmisión sincronizada de señales de audio en salas de conciertos. La estandarización proporciona la base para que TSN se generalice y sea compatible con muchos fabricantes.

Si se automatiza, TSN tendría muchas ventajas. Todos los participantes en una red TSN están sincronizados en el tiempo, por lo que realizan la acción correcta en el momento preciso. TSN tiene mecanismos prioritarios que permiten que cada aplicación reciba sus datos a tiempo. La información importante que no debe demorarse puede acelerarse; El ancho de banda y los intervalos de tiempo están reservados para esto. Se da una prioridad muy alta a las unidades, por ejemplo, que necesitan ser suministradas con los últimos datos en milisegundos. TSN se está convirtiendo en una expansión estandarizada de Ethernet estándar. La compatibilidad de los componentes de varios fabricantes está garantizada actualmente por las pruebas de interoperabilidad en varios bancos de pruebas TSN globales. TSN aún no está disponible para comprar productos, pero hubo muchas demostraciones de la tecnología en la feria SPS IPC Drives del año pasado.

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Los cables Etherline con tecnología FastConnect hacen que la instalación sea más rápida y fácil.

OPC-UA da un nuevo significado a los datos

TSN asegura que los datos se transfieran a tiempo. Sin embargo, no contiene la información sobre dónde deben ir los datos y qué significado tienen. Surge un segundo estándar para poder manejar todo esto: OPC-UA, el cual es un protocolo de comunicación abierto para intercambiar datos de máquina a máquina y entre máquinas, también entre el sistema ERP y la nube. OPC-UA es aceptado como un estándar de comunicaciones industriales y ahora en tiempo real con TSN, lo que permite que las redes de datos se estandaricen y el flujo de información desde la base de la pirámide de la automatización hasta la parte no se vea obstaculizado.

Lapp puede fabricar los cables adecuados para los estándares OPC-UA y TSN. Por ahora los cables no cambiarán ya que a un cable Ethernet no le importa qué protocolo soporta, lo importante es la alta calidad del cable: la pantalla perfecta, por ejemplo, para que los datos lleguen sin interferencias. Sin embargo, los nuevos estándares de transmisión presentan una oportunidad para Lapp para demostrar que gama de cables Ethernet realmente cubre todos los requisitos del cliente. Lapp llegó a la conclusión de que valdría la pena reducir la velocidad. ¿Cómo puede ser eso? Bueno, hasta ahora los fabricantes de este tipo de cables los han estado desarrollando en la línea de “cuanto más rápido mejor”. Los cables Ethernet ahora están disponibles en versiones Cat.7 a una velocidad de hasta 10 Gbit/s, y están a punto de salir al mercado versiones aún más rápidas. Pero ¿Es esto siempre necesario? No. Solo unas pocas aplicaciones (el procesamiento de imágenes digitales es una de ellas) generan volúmenes de datos tan grandes. A menudo, los cables Cat.5 “lentos” pueden hacer el mismo trabajo a 1 Gbit/ s.

La miniaturización es la nueva tendencia

La miniaturización en el mercado industrial es una tendencia actual. Los cables más rápidos de Ethernet tienen cuatro pares de conductores. ¿Por qué no prescindir de tres de los pares? Solo se necesita un par de conductores para transmitir datos y se puede alcanzar hasta 1 Gbit/s. Por supuesto, se requieren dispositivos terminales compatibles con los nuevos chips PHY ya disponibles en el mercado. Los cables de Ethernet de un solo par serán importantes en el futuro, especialmente al conectar sensores. Los cables son delgados, ligeros, robustos y caben en espacios reducidos e incluso pueden alcanzar un rango de hasta 1200 m a 10 Mbit/s. y por supuesto, tienen una excelente relación calidad-precio, ya que son más baratos de fabricar y más fáciles de instalar. Después de todo, los técnicos solo necesitan conectar dos conductores en lugar de ocho en el conector. Para los usuarios que realmente requieren las tasas de transferencia más altas de 10 Gbit/s, Lapp fabrica los cables Etherline PN Cat.6A Fast Connect (FC) y Cat.7. En el caso de los Cat.6A Fast Connect, en el interior del cable hay una cruz de material plástico especialmente formulado que separa los cuatro pares de conductores. También presentan una cubierta interna con pantalla global en lugar de cuatro pantallas individuales para cada par de conductores, como existe en otro tipo de cables, como por ejemplo el Cat.7. Esto hace que el montaje del Etherline PN Cat.6A Fast Connect sea mucho más fácil. El instalador ya no necesita quitar una lámina de aluminio de cada uno de los cuatro pares de conductores y se ahorra hasta un 50% del tiempo en el montaje. Lapp también suministra una herramienta con varias cuchillas y una profundidad de penetración ajustable la cual prepara el cable para el montaje del conector en un solo paso. Esto, una vez más, ahorra tiempo y protege los núcleos conductores en el proceso de pelado y preparación del cable. La cubierta interna del cable Fast Connect también evita que se corte el aislamiento del núcleo al retirar la pantalla.

Switches TSN

Pero aún falta una cosa: switches gestionables con capacidad TSN, especialmente porque los switches se encargan de qué protocolos se ejecutan a través de ellos. Aquí se requiere un nuevo hardware capaz de funcionar en tiempo real, que Lapp lanzará en los próximos dos años. Por el momento, sus estándares aún están siendo desarrollados y desde Lapp no solo se ve a sí mismo como un fabricante de cables, sino como un proveedor de soluciones de conexión integradas, siendo un líder mundial del mercado en este campo. Donde sea que los datos necesiten fluir de A a B, Lapp estará allí, proporcionando una conexión fiable.

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Ralf Moebus, head of product management industrial communication en Lapp.

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