Ethernet+industrial

Ethernet industrial no se trata sólo de una versión más robusta de TI de Ethernet. Ethernet industrial se centra en el entorno de producción y no debe nunca confundirse con el entorno de TI tradicional. IE requiere mucho más estrictas las normas para los productos que se han desplegado, ya que están habitualmente en entornos de fábrica, cerca de grandes IME (Interferencia Electro Magnético) dispositivos como motores, mecánicos y de alta humedad, altas temperaturas o el frío, de alto contenido químico, vaporosa atmósfera etc, donde la mayoría de los dispositivos de TI que han sido diseñados para utilizar entornos de oficina. Los protocolos de Ethernet industrial pueden ser estándar y no estar modificados, o pueden modificarse para hacerse más seguros desde el punto de vista de la [|automatización] y control industrial. El Ethernet industrial es una fuerza creciente en las redes industriales, pueden incluir hardware y software mas adecuado para un entorno exigente. La capa física de Ethernet puede incluir conectores -que en el caso industrial son más resistentes que los convencionales- cables y switches. De igual modo, el protocolo de software que corre sobre Ethernet puede ser TCP/IP o puede incluir otras capacidades extras en la capa de aplicación que pueden hacer al protocolo Ethernet aún más útil para aplicaciones industriales. Estas capacidades extra pueden ser elementos de priorización o planificación, los cuales son considerados más apropiados para movimiento, seguridad y otras implementaciones demandantes. Con el incremento en su uso, Ethernet se ha convertido en el estándar de red de área local (LAN) de facto para comunicaciones electrónicas. Luego de ser un par de cable trenzado sin protección, Ethernet ofrece rendimientos de 10/100/1000 Mbps -con 10Gbps en el horizonte- sobre largas distancias. Un efecto secundario del incremento en el uso de Ethernet es que la palabra ** Ethernet ** se ha convertido en el término genérico para una colección de “estándar”, algunas personas incluso emplean el término para denominar hardware como switches comerciales off-the-shelf. Pero el hecho es que no hay un único “estándar” que esté cubriendo todo. La definición de “Ethernet” alude al sistema de cableado para transmitir datos entre dispositivos interconectados. En las capas de red del modelo OSI, Ethernet define únicamente las dos capas inferiores de la pila de protocolos – el nivel físico y los formatos de trama de datos del nivel de enlace. Es un poco como el estándar RS-485 usado para la mayoría de buses de campo (Fieldbus) – la clave está en lo que sucede en las capas superiores, sin ello Ethernet es por decirlo de algún modo, torpe. Mientras que algunos pocos sistemas industriales pueden empaquetar datos en paquetes estandar Ethernet para tomar ventaja del Ethernet comercial, la mayoría de soluciones industriales requiere de software especializado en la capa OSI 3 y superiores, así como modificaciones de hardware del MAC (Media Acces Control) para dar soporte a los múltiples estándares de buses de campo, Ethernet industrial y los requerimientos de trabajo en tiempo real. Las aplicaciones de redes industriales requieren un alto nivel de determinismo para asegurar que los datos se transfieren de manera confiable y consistente. Sin tal transferencia deterministica de datos, el procesamiento o manufactura de productos de calidad no es posible. Los ingenieros de control y los ingenieros de calidad dependen de un intercambio de datos preciso y en tiempo real entre los sistemas de control y los sistemas de información. Aunque han habido esfuerzos para aplicar Ethernet comercial sin modificaciones a las plantas industriales, la naturaleza inherente no deterministica de este, y los conectores no robustos, no ofrecen el nivel requerido de velocidad de transmisión de datos confiables necesarios para los sistemas de manufactura actuales. Ethernet sin modificar permite que ocurran colisiones de datos, las detecta y luego facilita la retransmisión, es por eso que no se puede garantizar determinismo sin el uso de hardware adicional (Switches Ethernet), lo que complica el diseño de la red. Las redes Ethernet Industrial deben ser altamente confiables y seguir en funcionamiento durante duras condiciones ambientales, interrupciones accidentales de red y fallas de los equipos. La caída de una red puede ser peligrosa y cara. La confiabilidad de la red es en gran medida conseguida por el uso de Redundancia para todos los vínculos críticos. Hay cuatro esquemas de redundancia populares para Ethernet: Spanning Tree Protocol (STP), Rapid Spannig Tree Protocol (RSTP), Link Aggregation (Trunking) y topología de anillos propietaria.
 * __ Ethernet industrial __ Adriana Sáenz Agudelo **

**Aplicación:** Conexión de equipos propietarios a una red SCADA **Sector:** Automatización de la producción **Función:** Uso de TCP/IP en Ethernet para transmitir datos serie En casi todas las líneas de producción nuevas se está instalando una Ethernet industrial como red de comunicaciones básica, especialmente en aquellos casos en que todo el sistema se controla desde un ordenador central SCADA. La conectividad y la sencillez de la instalación han convencido a los departamentos de ingeniería de producción de la conveniencia de reconvertir las líneas de producción existentes para que puedan utilizar Ethernet industrial. En lugar de actualizar los equipos existentes y los buses de datos que utilizaban protocolos serie RS-232 y RS-422/485 múltiples, se pueden instalar unidades ED-10 TCP y ED-12 TCP para aprovechar todos los protocolos propietarios por la red Ethernet. La unidad ED-12 TCP permite conectar dos componentes de equipos basados en RS-232 o RS-422/485 en un solo puerto Ethernet, mientras que la unidad ED-10 TCP permite conectar un solo componente. Todos los datos serie se encapsulan en paquetes TCP/ IP y se pueden transmitir al PC SCADA a través de una conexión Ethernet simple, en lugar de por las conexiones múltiples del sistema anterior.

 ** Aplicación: ** Planta de tratamiento de agua ** Sector: ** Agua ** Función: ** Red Ethernet en anillo redundante Las especificaciones de los equipos de control de una planta de tratamiento de agua exigen una red de comunicaciones fiable y tolerante a fallos. La planta del ejemplo consta de varios edificios y salas que se utilizan para distintos procesos. Dado que todos los equipos de proceso eran compatibles con Ethernet, la decisión de utilizar switches para Ethernet en anillo a la hora de crear una red redundante y tolerante a fallos no resultó difícil de tomar. Entre los edificios se instalaron cables de fibra óptica multimodo, ya que el recorrido mayor era de solamente 2.000 metros. La topografía de la planta facilitaba además la instalación de una estructura en anillo. Si se produce un fallo en la fibra óptica o un cable resulta dañado, el sistema de comunicaciones lo detecta automáticamente y se recupera del fallo en 30 ms. De este modo, el sistema de procesos no se ve afectado.

__**GIGABIT ETHERNET**__ **(Ana María Restrepo)**

Inicialmente desarrollado por investigadores de Xerox Corp. en los 70s, Ethernet se implementó en los 80s y desde entonces ha crecido para dominar el mercado de las redes. La llegada de un protocolo Ethernet rápido incrementó la velocidad de transmisión de 10 a 100 megabits por segundo (Mbps). Gigabit Ethernet, una familia de protocolos de sistemas de redes, fue desarrollado para incrementar la velocidad a 1000 Mbps. El estándar inicial para Gigabit Etherent se expidió por IEEE en 1998 como 802.3z para conecciones de fibra óptica y en 1999 como 802.3ab para cables de cobre UTP. Ambos estándares son conocidos más comunmente hoy en día como 1000BASE-X.

IEEE 802.3ab, ratificada en 1999, define el funcionamiento de Gigabit Ethernet sobre cables de cobre del tipo Unshielded twistd pair (UTP) y categoría 5, 5e o 6 y por supuesto sobre fibra óptica. De esta forma, pasó a denominarse 1000BASE-T. Se decidió que esta ampliación sería idéntica al Ethernet normal desde la capa de enlace de datos hasta los niveles superiores, permitiendo el aprovechamiento de las posibilidades de la fibra óptica para conseguir una gran capacidad de transmisión sin tener que cambiar la infraestructura de las redes actuales. Uno de los retrasos con el estándar fue la resolución de un problema al emitir con láser sobre fibra multimodo, ya que en casos extremos se podía producir una división del haz, con la consiguiente destrucción de datos. Esto era debido a que la fibra multimodo fue diseñada pensando en emisores LED, no láser y fue resuelto prohibiendo que en este estándar los láser dirigieran su haz hacia el centro de la fibra.



Por lo general, la interferencia es un problema más desafiante cuando se trabaja con Gigabit Ethernet en comparación con Fast Ethernet. Este factor debe ser considerado cuidadosamente a la hora de escoger una arquitectura para un ambiente en particular. Una opción para evitar este problema es usar cableado de fibra óptica, la cual trabaja sin problemas tanto para los sistemas con Fast Ethernet como para aquellos con Gigabit Ethernet.

También es importante asegurarse que los switeches usados en una red Gigabir Ethernet están diseñados para manejar las mayores velocidades. Deberían soportar velocidades de 10, 100 y 1000 Mbps en todos los puertos, pero algunos switches unicamente soportan todas esas velocidades en 2 puertos, mientras que los otros puertos soportan solo 10 y 100 Mbps. Hay que anotar también que algunos switeches solo operan con velocidades de 1000 Mbps.

Los conectores son otro aspectio a considerar. Para ambientes industriales rudos, los conectores RJ45 no pueden ser usados solos. Se requiere una carcassa adicional para proteger al conector. Una opción probablemente mejor para ambientes dificiles sería el conector M-12, pero este se ofrece tradicionalmente únicamente con 4 pines, por lo que se requieren nuevos conectores M-12 con 8 pines para aplicaciones de Gigabit Ethernet en ambientes duros.

Gigabit Ethernet es compatible con la mayoría de computadores y puede mejorar el rendimiento de equipos de redes industriales de alto trafico. Por ejemplo si hay más de 20 dispositivos conectados, Gigabit Ethernet elimina los problemas de congestión de datos reduciendo en un factor de 10 el tiempo necesario para que un paquete de datos pase a través de un switch. Esto puede ser una diferencia critica para aplicaciones rápidas de tiempo real.


 * __Ethernet Industrial__ (Martin Vizioli)**

Hoy en día, Ethernet Industrial es uno de los temas de debate más recurrentes de la ingeniera de automatización y procesos: ¿acabará sustituyendo Ethernet a los buses de campo tradicionales o sólo los complementará?
 * Introducción Ethernet Industrial: 

En realidad, Ethernet no está diseñado para establecer una red en el nivel de campo. Para ello existen excelentes buses de campo con un diseño optimizado adaptado a los requisitos propios de las comunicaciones de campo. Entonces, ¿por qué existe una demanda tan importante de Ethernet Industrial? Las razones son las siguientes: ||

Ethernet es un protocolo ampliamente aceptado que cuenta con el apoyo de la IEEE y de los comités internacionales de Estandarización. Además, Ethernet cuenta con una importante difusión en aplicaciones ofimáticas. - **Velocidad:** Los últimos avances en tecnología Ethernet incluyen Fast Ethernet y Gigabit Ethernet. Fast Ethernet (100 Mbit/s) es actualmente una tecnología de vanguardia. Gigabit Ethernet, con sus 1000 Mbit/s, se considera la tecnología del futuro. - **Integración con Internet/ Intranet:** Todas las redes Ethernet instaladas son compatibles con protocolos de comunicaciones que implican una sofisticada transferencia de datos y || ||
 * - **Costes reducidos y amplia aceptación:**


 * las características propias de la administración de redes. El más extendido es el protocolo TCP/IP, debido a sus posibilidades de conexión a Internet y a intranets corporativas. Las “islas” de control son, por lo tanto, una reliquia del pasado. Ethernet permite implantar una comunicación universal desde el nivel de campo hasta el nivel de gestión, e incluso abarcar todo el mundo. ||

Modo de Operación: Originalmente, Ethernet se basaba en el procedimiento CSMA/CD (del inglés Carrier Sense Múltiple Access/ Collision Detection), lo que implicaba la necesidad de que el usuario que deseaba enviar algo observase la red e iniciase el envío cuando ésta estuviese libre. Podía ocurrir que varios usuarios desearan iniciar un envío simultáneamente, si todos consideraban que la red estaba libre. Cuando se detectaba esta colisión, los usuarios se veían obligados a detener la transmisión y volver a intentarlo tras un tiempo de espera controlado de manera aleatoria, lo que contribuía aevitar otra futura colisión con un elevado grado de probabilidad. Este tipo de acceso tiene un principio no determinista que, en el mejor de los casos, permite obtener estadísticas sobre las opciones de acceso a la red. Con estos antecedentes, Ethernet adquirió fama de resultar inadecuado para aplicaciones en tiempo real. ||
 *  

- **Estructura lineal**: Raras veces se utiliza debido a que,en caso de fallo de un elemento de conexión o enlace, se interrumpe la comunicación entre usuarios o equipos individuales. - **Estructura en estrella**: Esta topología está mucho más extendida pero debe tenerse en cuenta que en caso de fallo del elemento de conexión central (switch) se interrumpe lacomunicación en red. Este inconveniente sólo puede eliminarse mediante un diseño redundante del elemento de conexión central. - **Estructura en anillo**: Esta estructura se utiliza con frecuencia para obtener una mayor disponibilidad. Desde 1990, con la aparición de la norma IEEE 802.1D, denominada “árbol de expansión”, esta estructura puede aplicarse en la conexión de enlaces redundantes. ||
 *  //Topología://

Si el sistema de comunicaciones satisface los requisitos temporales de una aplicación específica, se considera que las comunicaciones son en tiempo real (desde el punto de vista de dicha aplicación). En ese caso, se entiende que los mensajes llegarán en una ventana de tiempo específica y, por lo tanto, que la aplicación puede controlarse con una precisión adecuada (tiempo real flexible). Por otro lado, si se requiere que las comunicaciones estén obligatoriamente garantizadas y que se realicen en un instante específico preciso, se habla de tiempo real estricto. A continuación se demuestra que, incluso hoy en día, Ethernet puede garantizar un tiempo de propagación máximo y, en ese sentido, considerarse determinista.
 *  Capacidad en tiempo real:

//Probabilidad de colisión:// Si se produce poco intercambio de datos en la red, la probabilidad de colisión es muy baja. No obstante, esta probabilidad aumenta exponencialmente con el incremento del intercambio de datos. Muchos enfoques asumen que con una utilización de la red inferior al 10% se pueden evitar las colisiones. Sin embargo, el problema reside en que, por un lado y de todos modos, se pueden producir colisiones aunque la probabilidad sea muy pequeña, y por otro, que el ancho de banda utilizado por Ethernet sigue siendo muy bajo. Esta forma de resolver el problema no representa en absoluto una manera adecuada de adaptarse a los requisitos de la automatización.

//Segmentación mediante switches:// La segmentación, es decir, dividir las redes mediante switches, constituye un enfoque totalmente diferente ya que permite evitar por completo las colisiones. Cada usuario de la red se conecta a través de un switch, es decir, sólo existen conexiones casi punto a punto, que se denominan “dominios de colisión”. Independientemente del coste, un aspecto fundamental es que los switches son inteligentes, analizan los paquetes de datos entrantes y los direccionan exclusivamente de la manera estipulada. De este modo se consigue una latencia mucho mayor que con los concentradores puros que, además, están sujetos a fluctuaciones que se traducen en desviaciones temporales pulsadas.  Determinismo en las redes El determinismo es un concepto clave en muchas redes industriales, por la sencilla razón de que con una red determinista se puede afirmar sin lugar a dudas que un evento determinado se ha producido en una ventana de tiempo concreta. La tecnología CSMA/CD utilizada en los sistemas Ethernet originales hacía imposible el determinismo, pero con la aparición del switch Ethernet las cosas han cambiado. Las colisiones en la infraestructura de cables han desaparecido por completo. Las conexiones con par trenzado o fibra óptica son punto a punto y pueden ser full dúplex. Cada paquete que se envía a un switch se almacena y se retransmite al puerto de destino correcto. Si ese puerto está ocupado, el switch espera, por lo que no se producen colisiones ni retransmisiones. El único problema es la espera en cola que puede producirse. Sin embargo, los switches modernos incorporan funciones que garantizan que la cola no se convierta nunca en un problema. Los paquetes Ethernet se pueden configurar de manera que incluyan una etiqueta de prioridad. Si el switch soporta la función de priorización, el paquete pasa a ocupar el primer puesto de la cola. Otra función útil en el control del flujo de datos es la prevención del bloqueo HOL (Head of Line), que constituye un problema en algunos switches que utilizan el sistema de memoria intermedia FIFO (primero en entrar, primero en salir), lo que significa que si un paquete se retiene en la cabeza de la cola, toda la cola se bloquea. Algunos switches incluyen un método para evitar este problema. ||

//Organización de las comunicaciones:// El intercambio de datos entre las estaciones se organiza en base al tiempo, para evitar así las colisiones y hacer el mejor uso posible del ancho de banda Ethernet existente.

Procedimiento de la ventana de tiempo: Comunicación cien por ciensíncrona, con ventanas de tiempo estipuladas y con una ventana de tiempo fija para cada elemento de información y para cada dispositivo. La comunicación asíncrona como, por ejemplo, la TCP/IP, no es posible en este caso porque, de serlo, no se podrían garantizar los tiempos de muestreo. Este tipo de red debe independizarse totalmente, ya que no permite ningún tipo de intercambio de datos asíncrono. || ||


 *  Potocolos: Normas de automatización :

La disponibilidad de soluciones en tiempo real resultará crucial para que Ethernet gane aceptación en el sector de la automatización. Actualmente, este requisito está contemplado en cinco protocolos, algunos de los cuales se encuentran recogidos bajo el paraguas de la asociación IAONA. A continuación se describen los protocolos ||  || ** [|EtherCAT] ** : EtherCAT significa " Ethernet para el Control de Tecnología de automatización." Se trata de un código abierto, sistema de alto rendimiento que pretende utilizar protocolos de Ethernet en un entorno industrial. + [|INFO]  ||


 * [[image:http://www.infoplc.net/Documentacion/Docu_Comunicacion/EthernetIndustrial/I/Profinet_01.jpg width="140" height="55"]] || ** [|PROFInet] ** : PROFInet se aplica a los sistemas de automatización distribuida basados en Ethernet que integran los sistemas de bus de campo existentes, por ejemplo PROFIBUS, sin modificarlos. <span class="Texto__INFO" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 9px; margin-left: 1px;">+ [|INFO]  ||


 * [[image:http://www.infoplc.net/Documentacion/Docu_Comunicacion/EthernetIndustrial/I/PowerLink_01.jpg width="150" height="60"]] || <span class="Texto_" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; line-height: 18px; margin-right: 5px;">** [|Powerlink] ** : El objetivo del desarrollo de Ethernet Powerlink consistió en aplicar la tecnología Ethernet estándar a la ingeniería de automatización, en condiciones de tiempo real adversas.<span class="Texto__INFO" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 9px; margin-left: 1px;">+ [|INFO]  ||


 * [[image:http://www.infoplc.net/Documentacion/Docu_Comunicacion/EthernetIndustrial/I/Ethenet_IP_01.jpg width="150" height="60"]] || <span class="Texto_" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; line-height: 18px; margin-right: 5px;">** [|Ethernet/IP] ** : A principios de 1998 un grupo de interés especial de ControlNet International definió un procedimiento para el uso en Ethernet del protocolo de aplicación CIP (DeviceNet).<span class="Texto__INFO" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 9px; margin-left: 1px;">+ [| INFO]  ||


 * || <span class="Texto_" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; line-height: 18px; margin-right: 5px;">**HSE** : Ethernet de alta velocidad. En 1994 se inició el trabajo de especificación de Fieldbus Foundation (FF) orientado a buses de campo para automatización de procesos. ||


 * [[image:http://www.infoplc.net/Documentacion/Docu_Comunicacion/EthernetIndustrial/I/Modbus_TCPIP_00.gif width="150" height="27"]] || <span class="Texto_" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; line-height: 18px; margin-right: 5px;">** [|Modbus TCP/IP] ** : Es una variante o extensión del protocolo Modbus que permite utilizarlo sobre la capa de transporte TCP/IP. De este modo, Modbus-TCP se puede utilizar en Internet, de hecho, este fue uno de los objetivos que motivó su desarrollo<span class="Texto_1" style="color: #0000ff; font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; margin-left: 0px;">. <span class="Texto__INFO" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 9px; margin-left: 1px;">+ [|INFO]   ||


 * [[image:http://www.infoplc.net/Documentacion/Docu_Comunicacion/EthernetIndustrial/I/SERCOS_00.jpg width="141" height="52"]] || <span class="Texto_" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; line-height: 18px; margin-right: 5px;">** [|SERCROS] ** : SERCOS III combina los mecanismos en tiempo real establecidos de SERCOS y estandardizó el sistema del parámetro con las comunicaciones universales basadas en Ethernet industrial.<span class="Texto_1" style="color: #0000ff; font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; margin-left: 0px;"> <span class="Texto__INFO" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 9px; margin-left: 1px;">+ [|INFO]   ||

de procesos a escala mundial. <span class="Texto__INFO" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 9px; margin-left: 1px;">+ [|INFO]  || <span style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; line-height: 18px; margin-right: 5px;"> <span class="Texto_1" style="color: #0000ff; font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; margin-left: 0px;"> Velocidades:
 * [[image:http://www.infoplc.net/Documentacion/Docu_Comunicacion/EthernetIndustrial/I/CC_Link_01.jpg width="150" height="60"]] || <span class="Texto_" style="font-family: Arial,Helvetica,sans-serif; font-size: 12px; line-height: 18px; margin-right: 5px;">** [|CC-Link IE] ** : CC-Link IE es un nuevo estándar para el Ethernet industrial abierto gestionado por la CC-Link Partner Association (CLPA). Su diseño se ha realizado a partir de las exi- gencias de los fabricantes y de los usuarios

(for 100 axles) || **Jitter** || **Data rate** || CIPSync ODVA || 1ms || <1ms || 100Mbit/s || EPSG || <1ms || <1ms || 100Mbit/s || PNO || <1ms || <1ms || 100Mbit/s || IGS || <0.5ms || <0.1ms || 100Mbit/s || ETG || 0.1ms || <0.1ms || 100Mbit/s ||
 * **Organization** || **Response time**
 * **Ethernet/IP**
 * **Ethernet Powerlink**
 * **Profinet-IRT**
 * **Sercos-III**
 * **EtherCAT**