En el ámbito de la producción ágil, la capacidad de adaptarse dinámicamente a los demandas cambiantes requiere una comunicación perfecta entre todas las partes del sistema de automatización de la planta. Esto conduce a un rápido crecimiento del tamaño de las redes y de los volúmenes de datos dentro del Internet Industrial de las Cosas (IIoT). Time-Sensitive Networking (TSN) aborda este reto como una extensión del estándar Ethernet, mejorándolo con capacidades en tiempo real. Esta evolución permite que las TI y las OT converjan en una red unificada. La creciente disponibilidad de productos compatibles con TSN procedentes de fuentes de confianza facilita la implantación de los conceptos de la Industria 4.0.

En el competitivo mercado global, el objetivo es fabricar productos cada vez más complejos de alta calidad constante, a costes impulsados por el mercado, a menudo en variantes personalizadas. Las fábricas inteligentes, que se adaptan de forma autónoma a las cambiantes demandas de producción de acuerdo con los principios de la Industria 4.0, son esenciales para lograr este objetivo.

Mayores exigencias de comunicación
Los sistemas de producción en red deben comunicarse no sólo entre sí, sino también con otros sistemas de la empresa. Este requisito de comunicación abarca desde los sensores y actuadores sobre el terreno, pasando por los controladores y ordenadores maestros, hasta los centros de datos locales y centrales, y la nube. Cada uno de estos puntos sirve tanto de fuente de datos como de destino.

La continua miniaturización de la microelectrónica ha desmantelado la rígida separación entre ordenadores de control y dispositivos periféricos. Como los sensores y actuadores están cada vez más equipados con sus propios procesadores, el número de nodos de red inteligentes sobre el terreno crece rápidamente. La arquitectura para el procesamiento de datos, centralizada o distribuida, depende de criterios tanto técnicos como económicos, incluidos los costes de transmisión de datos a través de redes públicas como 5G.

El modelo tradicional de intercambio jerárquico de información está evolucionando hacia un enfoque de comunicación de datos de estructura cruzada. Este cambio está impulsado por la necesidad de mejorar la productividad, la estabilidad de los procesos, la calidad de los productos y la eficiencia energética, todo lo cual requiere información de alta calidad y, en consecuencia, aumenta los volúmenes de transferencia de datos.

Ethernet en aplicaciones industriales
En la tecnología de la información (TI) convencional, el estándar de red Ethernet se ha convertido en la referencia para el intercambio rápido de grandes cantidades de datos. Como estándar líder mundial para la conexión en red de ordenadores en entornos de oficina, Ethernet ofrece un gran ancho de banda de transmisión. Además, el conjunto de protocolos TCP/IP facilita la comunicación de datos estandarizada globalmente a través de los límites de las redes de área local (LAN) individuales.

Dado el creciente volumen de datos en máquinas y sistemas industriales, era evidente que Ethernet también debía adoptarse para aplicaciones de tecnología operativa (OT) industrial. Sin embargo, la sincronización precisa de los procesos de movimiento en las aplicaciones industriales exige capacidad en tiempo real en muchas áreas. Para conseguirlo, una temporización predecible es al menos tan crucial como disponer de una velocidad de transmisión de datos suficientemente alta.

Aunque Ethernet permite la transmisión rápida de grandes cantidades de datos, carece de la temporización determinista que requieren algunas aplicaciones industriales. Esto exige mejoras para cumplir los estrictos requisitos de los entornos industriales.

Capacidades en tiempo real necesarias para la producción
La capacidad de lograr un comportamiento determinista en tiempo real sólo es posible con una base temporal común para todos los participantes en la red. Para conseguir un comportamiento en tiempo real predecible con tiempos de ciclo isócronos inferiores a un milisegundo, los fabricantes de sistemas de automatización han creado un abanico de protocolos de tiempo real propietarios diferentes bajo el paraguas de Ethernet industrial.

Los sistemas de bus de campo basados en estos protocolos facilitan la transmisión rápida de grandes volúmenes de datos y el transporte de datos, relacionados con la seguridad en las mismas líneas, utilizando tecnología de "canal negro". Sin embargo, estos sistemas suelen desviarse considerablemente de la norma Ethernet y carecen de compatibilidad entre sí y con las redes circundantes.

Eliminar los sistemas de bus propietarios
El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) ha desarrollado el estándar Ethernet de Redes Sensibles al Tiempo (TSN), una ampliación de Ethernet para incluir capacidades de tiempo real. El estándar TSN IEEE 802.1 regula el comportamiento de la transmisión de paquetes de datos mediante la sincronización horaria utilizando una base de tiempo común y ofrece opciones para la programación del tráfico y la configuración automatizada del sistema. Estas características son esenciales para la interconexión universal de todos los sistemas informáticos.

Otro requisito crítico es un protocolo de comunicación abierto y en tiempo real para evitar las complejidades y la posible pérdida de datos asociada a la traducción entre sistemas de diferentes fabricantes. Este reto se abordó en noviembre de 2018 con la introducción de OPC UA sobre TSN en SPS, una plataforma universal de comunicación en tiempo real que se extiende hasta el nivel de los sensores.

Renombrado OPC UA FX (Field eXchange), este estándar resuelve los problemas de compatibilidad anteriores con un único protocolo estandarizado a nivel mundial. Compatible con los principales proveedores de hardware, sirve de base para todas las aplicaciones IIoT y es clave para fusionar IT y OT en una única red.

Obtenga más información sobre la tecnología que hay detrás de TSN y el nuevo lenguaje global OPC UA FX en este artículo técnico de Kontron.

Un único estándar para la comunicación en tiempo real
TSN se está estableciendo rápidamente como el estándar definitivo para las comunicaciones de datos en tiempo real. La redefinición de Ethernet ha mejorado significativamente el rendimiento, permitiendo redes con decenas de miles de nodos. Estas redes pueden comunicarse hasta 18 veces más rápido que cualquier protocolo anterior y, además, son muy fáciles de gestionar y configurar. Este avance permite combinar el procesamiento digital de imágenes y la tecnología de accionamiento sincronizado en tiempo real mediante un rentable hardware in situ.

Los terminales sin capacidades TSN también pueden funcionar sin problemas en redes TSN, lo que sugiere que las instalaciones Ethernet acabarán soportando las funcionalidades TSN como estándar. Este cambio eliminará los elevados costes actuales asociados a la superación de los problemas de compatibilidad, lo que facilitará la integración de los componentes de los sistemas de tiempo crítico en el Internet de las Cosas (IoT). En consecuencia, esto permitirá la realización de los conceptos de la Industria 4.0. Además, el comportamiento temporal determinista de la comunicación de datos proporciona ventajas significativas en muchas aplicaciones más allá de las máquinas y sistemas de producción.

Comienzo temprano en TSN
Kontron, líder mundial en sistemas embebidos para la IIoT, es también el líder del mercado europeo en este campo. Como pionera en TSN, la compañía lanzó un kit de inicio para redes sensibles al tiempo en abril de 2018. Este completo entorno de software apoya a programadores y usuarios, abordando la configuración de red significativamente más compleja requerida para TSN en comparación con Ethernet estándar. El kit de inicio también incluye hardware adecuado con interfaces compatibles con TSN para pruebas reales, lo que facilita a los fabricantes de sistemas la adopción de la tecnología.
Uno de los primeros productos de Kontron compatibles con TSN fue una placa plug-in PCIe que proporciona hasta cuatro canales TSN externos. Estos canales pueden utilizarse individualmente, en pares redundantes o en configuración de anillo, lo que permite crear redes TSN independientes de la topología. Kontron ha implementado una lógica de comunicación rápida utilizando una FPGA (Field Programmable Gate Array), lo que permite una respuesta rápida y sencilla a los cambios en los estándares mediante la recarga de versiones más recientes.

El módulo compacto SMARC sAL28 ofrece hasta cinco puertos Gigabit Ethernet y un switch TSN integrado, lo que lo hace ideal para la concentración de datos como dispositivo edge.

Productos mejorados con TSN
Kontron está integrando la capacidad TSN como característica estándar en un número cada vez mayor de sus productos, incluidos sus últimos Box PC, servidores de montaje en bastidor, estaciones de trabajo y Panel PC, así como módulos COM Express®, placas base y SBCs de 3,5". Esto es posible gracias a la incorporación de la funcionalidad TSN en semiconductores de diversos fabricantes, como los procesadores Intel® Core™ hasta la actual 14ª generación. Estos procesadores son compatibles con la tecnología Time Coordinated Computing (TCC) de Intel, que permite TSN.

Por ejemplo, el módulo cliente COMh-ccAS COM-HPC® (High Performance Computing) con procesadores Intel® Core™ S de 12ª generación ofrece la potencia necesaria para aplicaciones versátiles en redes, automatización, medición y tecnología médica que requieren gráficos intensivos y potencia de cálculo. El módulo COM HPC/cliente industrial size A COMh-caRP, equipado con procesadores Intel® Core™ de 13ª generación, hasta 64 GB de RAM DDR5 y Ethernet de hasta 2,5 Gb con soporte TSN, también es adecuado para aplicaciones industriales.

El compromiso de Kontron con TSN va más allá de los procesadores Intel. El módulo SoM (System on Module) soldable OSM-S i.MX8M Plus integra un potente procesador i.MX8M Plus Quad Arm® con un procesador Quad Core y AI a 1,6 GHz, 64 GB de eMMC y 4 GB de RAM LPDDR4. Uno de sus puertos GbE-LAN duales cuenta con funcionalidad TSN, todo ello en un tamaño compacto de 30 x 30 mm.

Desde los módulos más pequeños hasta los Box y Panel PC embebidos, pasando por los sistemas industriales de montaje en bastidor de la familia KISS V4 ADL y la estación de trabajo KWS, la cartera de hardware informático industrial de Kontron con rangos de temperatura ampliados y capacidad TSN satisface una amplia gama de requisitos. Además, Kontron ofrece desarrollos personalizados y variantes, apoyando a los clientes en la implementación de proyectos específicos de automatización a través de Kontron AIS.

Componente clave: Switches Ethernet
El despliegue de soluciones complejas en entornos industriales adversos requiere una interacción impecable entre el hardware, el software y la conectividad con los sistemas de producción. Esta integración perfecta es crucial para implementar con éxito la transformación digital en la industria manufacturera. En consecuencia, los switches industriales son bloques de construcción esenciales para aplicaciones eficaces de Industria 4.0 e IIoT.

Además de placas, módulos y sistemas industriales, la cartera de productos de Kontron también incluye switches Ethernet industriales. El KSwitch D10 MMT es un switch TSN gestionado de ocho puertos, robusto y rentable, diseñado para redes de alta velocidad y Gigabit. Este dispositivo industrial cuenta con una carcasa metálica de alta calidad que lo hace resistente a las influencias ambientales. Funciona en un amplio rango de temperaturas desde -40 a +75 °C y admite un rango de alimentación ampliado de 12 a 58 V CC. El KSwitch D10 MMT incluye seis puertos Fast & Gigabit Ethernet con conectores RJ45, junto con dos puertos adicionales con interfaces de fibra RJ45 y SFP de hasta 2,5 GbE/s. Viene equipado con un completo conjunto de funciones TSN y capacidades de gestión de acuerdo con los estándares IEEE 802.1 TSN.

Al integrar completamente TSN en el hardware, incluidos los switches, Kontron simplifica la implementación de redes convergentes basadas en Ethernet. Estas redes permiten que las comunicaciones deterministas y sincronizadas en el tiempo se ejecuten en paralelo con el tráfico de TI regular, facilitando verdaderos entornos IIoT o Industria 4.0 basados en estándares de protocolo Ethernet comunes.

Reiner Grübmeyer, director de gestión de productos de sistemas y software de Kontron, afirma:  "Al integrar completamente TSN en nuestro hardware, incluidos los switches, estamos facilitando a los usuarios la implementación de redes convergentes basadas en Ethernet en las que las comunicaciones deterministas y sincronizadas en el tiempo se ejecutan en paralelo con el tráfico regular de TI."

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Autor: Reiner Grübmeyer, Director de Gestión de Productos de Sistemas y Software de Kontron