José Paredes. Field Business Leader Arquitecturas Integradas Rockwell Automation



Una de las principales tendencias en el entorno industrial actual es la migración hacia sistemas automatizados abiertos y totalmente especializados. Sin duda alguna, uno de los principales factores que ha impulsado esta creciente tendencia ha sido la introducción de Ethernet en el entorno industrial.
La introducción de Ethernet ha tenido un profundo impacto en la industria: debido a sus capacidades para control de planta y datos de oficina, aporta a los fabricantes una gran cantidad de ventajas que incluyen una integración más fácil entre los sistemas de planta y de administración, y la posibilidad de utilizar una sola infraestructura de red para funciones distintas. Sin embargo, ¿puede realmente Ethernet ser todo eso para todas las personas?
Con mucha frecuencia se argumenta que las soluciones de Ethernet e IP disponibles en el mercado carecen del nivel de determinismo y previsibilidad necesarios para el control industrial. Para superar estas desventajas percibidas, se han desarrollado varios sistemas de Ethernet o sistemas basados en Ethernet para uso en el entorno industrial. Uno de ellos, EtherNet/IP, ofrece la optimización industrial de una red de control especializada con la apertura y flexibilidad de una Ethernet estándar, aprovechando la tecnología Ethernet actual sin recurrir a switches, hardware o pilas modificados.

Nuevos protocolos
Transmission Control Protocol/ Internet Protocol (TCP/IP) es a Ethernet lo que las especias son a los alimentos. Raramente se tiene la mejor experiencia de unos sin los otros. Esto se debe a que TCP/IP es la clave tecnológica que permitió el desarrollo de Internet y Intranets. Como resultado, TCP/IP está intrínsecamente ligado con Ethernet en el mundo del consumo y los negocios.
Lo que mucha gente no entiende es que usar Ethernet y TCP/IP tan solo garantiza que los dispositivos Ethernet coexistan en la red, no garantiza que estos dispositivos comuniquen de forma efectiva. Para que los dispositivos se entiendan e interoperen con otros, se necesita una capa común de aplicación.
Los arquitectos de TCP/IP entendieron este problema y diseñaron estos protocolos para trabajar con múltiples capas de aplicación. Actualmente hay muchas utilizadas con los protocolos TCP/IP, por ejemplo, para transferencia de ficheros (FTP), e-mail (SMTP), y Word Wide Web (HTTP).
Ahora que la red Ethernet ha entrado en las plantas, las organizaciones de redes y los fabricantes de automatización están promocionando nuevos protocolos de capa de aplicación. Estos protocolos están destinados a hacer que Ethernet soporte los requerimientos de la automatización industrial. Sin embargo, no todas las tecnologías son iguales.
Introducida a principios del 2000, Ethernet/IP es uno de los pioneros en las soluciones Ethernet para la industria. La principal razón para ello es que está basada en tecnología abierta, utilizando la misma capa de aplicación que DeviceNet y ControlNet, el Common Industrial Protocol (CIP). Esta aproximación ofrece muchas ventajas a usuarios y fabricantes de automatización, entre ellas bajo coste de desarrollo de productos, facilidad de uso, simple integración de dispositivos y redes e interoperabilidad entre suministradores.
El estándar Ethernet/IP está reconocido y soportado por diferentes organizaciones: ControlNet Internacional (CI), Industrial Automation Open Networking Alliance (IAONA) y Open Devinet Vendor Association (ODVA); como resultado Ethernet/IP ofrece productos Ethernet de una importante comunidad de fabricantes. Hay un completo catálogo de productos Ethernet/IP disponibles hoy en día, lo que significa que se puede implementar una solución completa de automatización con una única arquitectura, o red única, Ethernet/IP.

¿Qué es Ethernet/IP?
Es importante entender la tecnología básica tras el nombre antes de entrar en detalles. Ethernet/IP se define mejor analizando su nombre. La porción “Ethernet” se refiere al estándar comercial IEEE 802.3, no a una versión modificada o propietaria, y al conjunto de protocolos TCP/IP.
Por otro lado, “IP” son las siglas de Industrial Protocol y es lo que distingue esta red. A diferencia de otras opciones industriales de Ethernet, Ethernet/IP utiliza un protocolo abierto como capa de aplicación (CIP). Por lo tanto podemos decir que la red Ethernet/IP es el protocolo de aplicación CIP implementado en una red Ethernet TCP/IP, al igual que DeviceNet es CIP implementado en una red CAN (Controller Area Network).
En términos de funcionamiento, Ethernet/IP utiliza TCP/IP para enviar mensajes explícitos, aquéllos en los cuales cada paquete no solo tiene datos de aplicación, sino que incluye el significado de los datos y el servicio a realizar sobre los datos. Con mensajes explícitos los nodos tienen que interpretar cada mensaje, ejecutar la tarea requerida y generar respuestas. Este tipo de mensajes se usan para configurar dispositivos y para realizar diagnósticos y son muy variables en tamaño y frecuencia.
Ethernet/IP también utiliza el servicio de transporte estándar User Datagram Protocol/Internet Protocol (UDP/IP, parte del conjunto TCP/IP), el cual proporciona alto rendimiento y funcionalidad de mensajería multicast en tiempo real, también conocida como mensajería implícita. Con mensajes implícitos, el campo de datos de aplicación contiene únicamente datos de entradas/salidas en tiempo real. El significado de los datos está enlazado a un identificador que se define inicialmente al establecer la conexión, reduciendo el tiempo de procesamiento en el nodo en tiempo de ejecución. Este tipo de mensajes tiene una alta eficiencia, es corto y proporciona el rendimiento necesario para realizar control en tiempo real.
Al utilizar ambos protocolos, TCP/IP y UDP/IP, para encapsular los mensajes, Ethernet/IP puede utilizarse en aplicaciones de control e información.

Ethernet/IP. Aquí y ahora
Ethernet/IP cuenta ahora con seis años de vida. En este tiempo, esta red ha experimentado un significativo aumento de interés y actividad. Un año después de que CI y ODVA lanzaran la especificación, Rockwell Automation presentó la primera oleada de productos en Ethernet/IP, centrada en torno a la plataforma Logix, PLC-5 y SLC-500. Desde entonces muchos otros fabricantes han desarrollado productos y anuncian planes para seguir haciéndolo. Actualmente abunda el software y el hardware en Ethernet/IP, controladores, módulos de entrada/ salida, variadores de velocidad, interfaces de operador, sistemas de visión artificial, de pesaje, RFID, identificación magnética, control de ejes y tarjetas de comunicación, todos ello son parte de los dispositivos que podemos encontrar suministrados por diferentes fabricantes. De la misma forma existen bridges para actualizar prácticamente cualquier red industrial a Ethernet/IP.

Flexibilidad para muchas compañías
Es difícil encontrar una única red de comunicaciones industriales que responda perfectamente a todos los requisitos de una planta: robustez, escalabilidad, flexibilidad, facilidad de uso... Cada red tiene sus puntos fuertes y débiles; sin embargo, Ethernet/IP presenta suficientes prestaciones y funcionalidad para hacerla adecuada en una amplia variedad de aplicaciones: es más versátil que muchas redes industriales de comunicaciones.
Puesto que Ethernet/IP proporciona capacidades de control e información, ofrece la posibilidad de colapsar la arquitectura de comunicaciones en una única red, lo cual ofrece numerosos beneficios: una única red ayuda a ahorrar tiempo y dinero, un único software de configuración, un método de instalación, menos tiempo de formación y menos repuestos.
Otro punto a considerar es que los departamentos de IT de todo el mundo llevan años utilizando Ethernet, lo cual implica un alto conocimiento de esta tecnología y un alto número de recursos para la misma. Todo este conocimiento se puede trasladar directamente a Ethernet/IP.
El primer motivo por el cual los fabricantes se han volcado con Ethernet/IP no son sus similitudes con un fieldbus, sino las nuevas capacidades que ofrece, y que son atributos exclusivos de una red basada en Ethernet. Esto incluye:
- Servicios como voz y video
- Diferentes topologías
- Integración con departamentos de IT
- Gestión remota
- Conectividad a Internet
- Seguridad flexible
Describiremos estas capacidades mediante un ejemplo del mundo industrial:
Una aplicación tradicional sería algo parecido a una red de información que enlaza a un controlador con un nivel superior, un sistema tipo MES. El controlador está conectado también a una segunda red, un bus dedicado para entradas/ salidas, que conecta todos los dispositivos de planta. El usuario final usará la red de entradas/ salidas para configurar el sistema y los cableados, obtener datos remotos y gestionar la velocidad de producción.
En comparación, el controlador puede ahora estar conectado a una red Ethernet/IP para información y entradas/ salidas, usando una arquitectura de red plana. Dependiendo de la aplicación, esta configuración puede ofrecer no solo mejor rendimiento que la aplicación tradicional sino también funcionalidades adicionales:
• Nuevos servicios como voz y video. Por ejemplo instalando una cámara en planta.
• Topologías variables. Configurando todos los terminales de programación en una LAN virtual, que permitirá a ingeniería conectar los terminales en una única red, aislando múltiples sistemas de control al mismo tiempo.
• Integración con IT. Entre otros, accediendo al sistema MES desde planta, para revisar y actualizar la información de mantenimiento.
• Gestión remota. Por ejemplo, programando el sistema de control para enviar mensajes a un sistema tipo pager cuando ocurra una alarma.
• Conectividad a Internet. Accediendo a información en línea para configurar un sensor mal configurado.
• Seguridad flexible. Por ejemplo, restringiendo el acceso a un puerto de un switch, que supone restringir el acceso a un bloque de entradas/ salidas específico.
Estas capacidades adicionales proporcionadas por Ethernet ofrecen a los usuarios una ventaja significativa, asumiendo que Ethernet/IP puede cubrir todos sus requerimientos para una red industrial. Migrar a este tipo de arquitectura representa un cambio filosófico y operativo para muchas compañías, y les abre un mundo real de nuevas posibilidades.