Al visitar una feria especializada en sistemas de automatización industrial es fácil sentirse abrumado por el ingente número de diferentes sistemas, cables y conectores mostrados. Si bien la estandarización ha proporcionado a los consumidores unos estilizados laptops, tablets y smartphones, los equipos industriales siguen pareciendo toscos y voluminosos. Algunas interfaces se basan en tecnologías que existen desde hace décadas pero ese es precisamente el atractivo de muchas de estas soluciones: están consolidadas, cumplen su función y son fiables.

Hasta mediados de la década de 1980, muchos de los sensores y actuadores utilizados eran analógicos. Sistemas como el lazo de corriente de 4-20mA no solo podían suministrar medidas precisas a lo largo de cables de gran longitud, sino que también alimentaban el dispositivo. Gracias a su elevada inmunidad al ruido, también ofrecían seguridad ya que se podía detectar fácilmente una fractura del cable, un aspecto clave para la instalación segura de procesos peligrosos.

Uno de los inconvenientes de esta tecnología era la necesidad de un cable para cada sensor y actuador, por lo que se instalaban muchos cables en paralelo en fábricas y plantas. Reducir la complejidad del cableado, así como su coste, impulsaba la evolución de las tecnologías de red. Estas se fueran aglutinando alrededor de la interfaz serie (UART) incorporada a microcontroladores de bajo coste junto con un transceptor adecuado (p. ej., RS-485) o de la tecnología CAN (Controller Area Networking), de uso generalizado en el sector de la automoción (figura 1).

Estas redes de primera generación se basaron en diferentes tecnologías para la capa física (physical layer, PHY) (capa 1 del modelo OSI) y diferentes capas de enlace (capa 2 del modelo OSI), por lo que los sistemas raramente eran compatibles entre sí sin recurrir a algún tipo de pasarela (gateway). No obstante, entre sus características destacaban su robustez, incluso a distancias del orden de centenares de metros, tiempos de espera definidos, determinismo y cumplimiento de los requisitos de seguridad.

Estas tecnologías para buses de campo están instaladas en millones de nodos de todo el mundo pero buena parte de la tecnología de la capa física no ha experimentado avance alguno, limitando así el ancho de banda disponible. Al mismo tiempo, los sistemas de automatización industrial se han hecho cada vez más complejos al aplicar una detección que maneja grandes cantidades de datos, como las cámaras, que se integran en lazos de control en tiempo real dentro de entornos de procesamiento. La diversidad de capas físicas instaladas no permite implementar diferentes sistemas sobre el mismo cableado.

Ethernet, consolidada y con una presencia generalizada en edificios y fábricas para instalaciones de TI, ofrece un gran ancho de banda y abundantes proveedores de todo lo necesario, desde conectores y cableado hasta dispositivos de silicio. Hacia 2005 empezaron a llegar al mercado las soluciones basadas en Ethernet que se aglutinaron alrededor de una sola PHY. Sin embargo, el resto del modelo OSI mostró graves problemas relacionados con el tiempo de espera, la reserva de ancho de banda, la fiabilidad y la seguridad. El resultado es que desarrollaron varias propuestas para la capa 2 basadas en la capa física de Ethernet, pero de nuevo los sistemas de automatización industrial sufrían incompatibilidades entre las soluciones de diferentes proveedores (figura 2).

Adiós a las soluciones propietarias
La automatización industrial no es el único segmento del mercado que desea utilizar Ethernet, pero existen dudas sobre el cumplimiento de sus especificaciones técnicas. El audio y el vídeo profesional, así como la industria de automoción, están dispuestas a aprovechar estas ventajas si se pueden resolver aspectos como el tiempo de espera y el determinismo. Además, los sistemas Ethernet industriales propietarios de segunda generación se habían asentado sobre capas físicas de 100 Mb/s y el voluminoso cableado correspondiente, mientras que otros segmentos del mercado ya han alcanzado velocidades del orden de gigabits.

Los principales problemas que han frenado el uso de Ethernet en la industria han sido tratados desde entonces en un grupo de estándares comunes denominado Time Sensitive Networking (TSN), es decir, redes sensibles al tiempo. Al tratarse de un estándar, las soluciones comerciales, desde dispositivos de silicio hasta cables, podrán interactuar entre sí gracias al impulso de la demanda procedente de muchos sectores industriales con necesidades parecidas. También contempla el uso de capas físicas que permitan alcanzar velocidades de transmisión de los datos de 1 Gb/s, así como utilizar Ethernet de un solo par (single-pair Ethernet, SPE) que reducirá notablemente el espacio ocupado por el cableado y los costes.

Estos son algunos de los principales estándares TSN que ofrecen la sincronización y el tiempo de espera que necesitan las redes industriales:
• IEEE 802.1AS – temporización y sincronización para aplicaciones sensibles al tiempo, un mecanismo comparte los datos de sincronización entre un nodo de red maestro y los demás nodos para disponer de un reloj común de referencia que sirve como base común y síncrona y es un perfil de IEEE 1588.

• IEEE 802.1 Qbv – este estándar aporta más mejoras para asegurar unos tiempos de espera de extremo a extremo en las aplicaciones por medio del bloqueo del tráfico de baja prioridad durante las ventanas de tiempo definidas. Esto permite su uso en aplicaciones como el control en lazo cerrado de Ethernet mediante un planificador en función del tiempo.

• IEEE 802.1Qbu – este estándar define las metodologías de anticipación en la capa 2 del modelo OSI que posibilita el tráfico IET (Interspersing Express Traffic) de IEEE 802.3br. Esto permite reducir el tiempo de espera de un determinado tráfico en un entorno de tráfico mixto, como la interceptación de tráfico largo de baja prioridad.

Estos cambios, junto con los esfuerzos por agrupar estos estándares en función de las aplicaciones dentro del perfil IEC/IEEE 60802 de TSN para automatización industrial, debería ayudar a formar la base de la tecnología de redes industriales de tercera generación.

Redes industriales con TSN
Las soluciones SoC (system-on-chip) compactas y de alta integración son ideales para modernizar instalaciones que puedan aprovechar TSN. El TC9562 es un dispositivo de este tipo que incorpora una interfaz PCIe y puede ampliar su funcionalidad de los grandes SoC en PLC (controladores lógicos programables) o como tarjetas insertables a PC industriales (figura 3). Cuentan con todas las funciones de TSN, desde la sincronización de IEEE 802.1AS hasta el TAS (time aware shaper) de IEEE 802.1Qbv con seis colas de espera y gestión de buffer flexible en todas las colas. El soporte de hardware para todo el control de puerta ofrece una alta granularidad con el fin de controlar las franjas de tiempo definidas que emplea el TAS dentro de un solo ciclo de la máquina. Por su parte, IEEE 802.1Qbu e IEEE 802.3br añaden capacidad de anticipación para garantizar el trato prioritario de los paquetes de datos críticos en el tiempo.

El firmware necesario para el funcionamiento se descarga a través de PCIe durante la inicialización, que también permite introducir actualizaciones como cambios o ratificaciones en los estándares TSN correspondientes que se produzcan en el futuro (figura 4). Se admiten interfaces SGMII, RGMII, RMII y MII que alcanzan 10 Mb/s, 100 Mb/s y 1000 Mb/s, así como capas físicas SPE T1 para atender la tendencia hacia un cableado más ligero y sencillo.

La evaluación inicial del dispositivo se puede llevar a cabo con la tarjeta de referencia PCIe, que se puede utilizar junto con un PC industrial que ejecute Fedora 27. Toshiba ofrece toda una gama de drivers y otras utilidades, así como aplicaciones de muestra y demostraciones de TSN (figura 5). Entre ellas hay ejemplos de TAS en funcionamiento para permitir la visualización de capacidades de anticipación y el efecto sobre la velocidad de transmisión se puede analizar con herramientas estándar como iPerf.

Con capas físicas estandarizadas e implementaciones de la capa 2 para Ethernet que cubran las necesidades en tiempo real de la automatización industrial, es razonable que nos preguntemos qué cabe esperar de la tecnología para redes industriales de cuarta generación. Al igual que en otros sectores, se prevé que las capas superiores del modelo OSI también evolucionen hacia la estandarización. Organizaciones como la OPC Foundation han constituido un grupo de trabajo que aborde la comunicación en campo (Field Level Communication, FLC) con el objetivo de crear un protocolo de comunicación entre máquinas con una arquitectura unificada (OPC UA). Este planteamiento abierto y multiplataforma, junto con una robusta seguridad, tiene el potencial de simplificar en gran parte la complejidad a la que se enfrentan actualmente los ingenieros. La instalación de nuevos equipos solo exigiría que la máquina declare sus capacidades (como por ejemplo los grados de libertad de un robot, la carga máxima, etc.) mediante estructuras de datos sencillas y estandarizadas que permitan a otros sistemas comprendan sus capacidades rápidamente y las integren en la tarea ejecutada.

Resumen
Si bien Ethernet ha empezado a desplazar a muchas tecnologías de red tradicionales en la capa física de los sistemas de automatización industrial, las diferentes soluciones propuestas para la capa 2 están llamadas a enmendar el tradicional punto débil de Ethernet que han limitado su adopción en muchas aplicaciones. La llegada de TSN añade la necesaria estandarización que asegure la interoperabilidad de equipos de diferentes proveedores, lo cual también reducirá los costes. Dispositivos como el TC9562, compatible con software de código abierto, constituyen una excelente base hacia la adopción de redes industriales con TSN.

Artículo cedido por Toshiba Electronics Europe GmbH