El Amanecer de la Red Industrial: Sistemas Propietarios y Fieldbuses

Antes de la era de Ethernet ubicuo, el piso de fábrica operaba en un parche de sistemas de propietarios y semi-proprietarios. En los años 1970 y 1980, conectar un controlador lógico programable (PLC) a sensores y actuadores significaba correr enormes arneses de cableado paralelo de cada dispositivo de vuelta a un gabinete central de control. Este enfoque era costoso, difícil de solucionar problemas, y carecía de las líneas de flexibilidad necesarias para cambiar rápidamente.

La introducción de redes de propulsión digital a mediados de los años 80 marcó el primer gran salto hacia adelante. Normas como Profibus (Proceso de bus de campo), desarrolladas por Siemens y promovidas por Profibus " Profinet International, y Modbus], originalmente creadas por Modicon (ahora redes de Schneid

Los datos de campo se han ido ampliando y mejorados, pero no son perfectos. Cada estándar requiere a menudo chips especializados, software de configuración patentado y cableado específico. La interoperabilidad entre un dispositivo Profibus y una red DeviceNet era esencialmente inexistente sin costosos y complejos portales. Las tasas de datos, normalmente van desde 1 Mbps hasta 12 Mbps, fueron pronto insuficientes para las crecientes exigencias de los sistemas de automatización de alta velocidad

EtherNet/IP: Aprovechando el Protocolo Industrial Común

El impulso a la normalización del control industrial en Ethernet llevó al desarrollo de varios estándares "Industrial Ethernet" competidores a finales de los años 90 y principios de los años 2000.Entre los más exitosos fue EtherNet/IP, desarrollado conjuntamente por Rockwell Automation y gestionado por ODVA (Asociación de proveedores de redes abiertas)[LT:3IP]

Esta estrategia le dio a EtherNet/IP varias ventajas inmediatas. Podría funcionar fácilmente disponible, fuera de la plataforma Ethernet hardware (switches, cables y tarjetas de interfaz de red). Soportó tanto implícito (realmente I/O) mensajería usando UDP para el rendimiento de alta velocidad y la gestión explícita (configuración y diagnóstico) de la adopción mediante TCP para la entrega garantizada.

El desafío fundamental: el determinismo vs. el mejor esfuerzo

El corazón del problema radica en la filosofía de diseño original del estándar Ethernet IEEE 802.3. Standard Ethernet es una red no-determinista, "mejor esfuerzo". Si dos dispositivos intentan transmitir datos simultáneamente, se produce una colisión. El protocolo Carrier Sense Multiple Access con la detección de colisión (CSMA/CD) maneja esto al tener ambos dispositivos esperar un intervalo de backoff aleatorio antes de intentar volver a transmitir aleatorio.

En el piso de fábrica, sin embargo, tal jitter y latencia son catastróficas. Un sistema de control de movimiento que coordina un brazo robótico de alta velocidad puede requerir una actualización de posición cada 31.25 microsegundos. Un paquete perdido o retardado puede causar errores de sincronización del eje, lo que conduce a vibración mecánica, daño de la pieza o paradas de emergencia.

Ethernet en tiempo real: Soluciones propietarias al problema de la hora

Para lograr la comunicación determinista necesaria para aplicaciones difíciles en tiempo real, varios cuerpos estándar y proveedores desarrollaron protocolos especializados. Estos estándares "Real-Time Ethernet" (RTE) tomaron diferentes enfoques para eludir el no-determinismo de Ethernet estándar. Tres de los ejemplos más notables son EtherCAT],

  • EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology), desarrollado por Beckhoff, utiliza un método "procesador en la mosca".El maestro envía un único marco de teleasmático que pasa a través de cada dispositivo de esclavos. Cada esclavo lee sus datos de entrada e inserta sus datos de salida en el marco mientras pasa. El marco vuelve al maestro con todos los datos de arquitectura excepcionalmente eficientes.
  • PROFINET IRT (Isochronous Real-Time), desarrollado por Siemens y Profibus & Profinet International, toma un enfoque diferente. Divide el ciclo de comunicación en una "fase roja" determinista para datos críticos y una "fase verde" abierta para el tráfico estándar TCP/IP. Mantener el tiempo rígido de la configuración roja requiere PRORT
  • Sercos III] (SErial Real-time Communication System) utiliza un enfoque "fragmento de sumación" similar al EtherCAT, pero soporta una topología redundante de anillo para alta disponibilidad. Como PROFINET IRT, requiere soporte de nivel de hardware para el tiempo preciso y el aumento de calor de dispositivos sin interrumpir el ciclo determinista.

Todas estas soluciones son eficaces. Una red IRT configurada correctamente puede lograr el jitter en la gama nanosegundo. Sin embargo, estos beneficios vienen a un costo: el bloqueo del proveedor, la dependencia de hardware especializado, la ingeniería de red compleja, y una incapacidad fundamental para converger sin problemas con las redes de TI estándar. Cada estándar RTE habla su propio idioma, y el rebobinamiento sigue siendo un desafío persistente.

Redes de tiempo-sensibilidad (TSN): La búsqueda de un estándar unificado

La respuesta a la fragmentación de las redes de automatización industrial es Form-Sensitive Networking (TSN). TSN no es un protocolo único sino un conjunto completo de sub-estándares Ethernet IEEE 802.1 desarrollados por el ] Grupo de tareasIEEE TSN.

La filosofía central del TSN es radicalmente diferente de las soluciones patentadas anteriores. En lugar de cambiar la estructura del marco Ethernet o requerir silicio personalizado para manejar la programación determinista, TSN funciona estandarizando el comportamiento de los conmutadores de red. Un interruptor con TSN puede priorizar el tráfico, configurar los flujos de datos Ethernet y sincronizar los relojes a través de la red con extrema precisión, todo mientras utiliza 100 Mbps estándar, 1 Gbps de tráfico simple,

Los Sub-Standards Clave que hacen que TSN funcione

TSN se define por una caja de herramientas de estándares, cada uno que aborda un aspecto específico de la comunicación determinista. Entender algunos componentes clave es esencial para apreciar su poder.

  • IEEE 802.1AS: Sincronización del reloj] (Protocolo Generalizado de Tiempo de Precisión, gPTP). Este es el bloque fundamental de cualquier red TSN. Proporciona un mecanismo para todos los dispositivos de la red para sincronizar sus relojes a una fuente de tiempo común con precisión del submicrosecond.
  • IEEE 802.1Qbv: Time-Aware Shaper (TAS). Este es el mecanismo que impone el determinismo. 802.1Qbv divide el funcionamiento de un puerto de cambio de egreso en ciclos de tiempo repetidos. Dentro de cada ciclo, el tráfico apagado. En un momento específico, la puerta de control de tráfico de alta prioridad se abren los controles de fase
  • IEEE 802.1Qci: Filtro y Policing por equipo. Para proteger la red de dispositivos malconfigurados o malfuncionados, 802.1Qci permite que los conmutadores monitoricen y ejecuten límites de ancho de banda en flujos de datos específicos. Si un sensor comienza a transmitir demasiados datos, el interruptor TSN puede soltar automáticamente los marcos o relegar la seguridad para determinar la prioridad del tráfico.
  • IEEE 802.1CB: Replicación de marco y eliminación de responsabilidad (FRER). Para sistemas de alta disponibilidad, 802.1CB proporciona redundancia sin costuras. El dispositivo de envío duplica cada paquete y envía las dos copias a través de la red. El dispositivo receptor acepta la primera copia para llegar y deshacer el conmutador de tiempo de recuperación de cero si no se produce un cable.

Estos estándares, junto con otros para la reserva de flujo (802.1Qat) y el registro de enlaces-local (802.1CS), forman un potente kit de herramientas. Permiten a los ingenieros de red diseñar sistemas con latencia garantizada, pérdida de paquetes cero y tolerancia de falla, todo en el hardware Ethernet estándar.

Cómo TSN permite la comunicación deterinista sobre Ethernet estándar

La transición de la red Ethernet no determinista y de mejor calidad a una red determinística gestionada por TSN es un cambio fundamental en cómo funciona la red. En una red conmutada estándar, múltiples flujos de datos compiten por el ancho de banda del puerto de egress. El interruptor llenado de amortiguadores, y paquetes se apagan "primero en, primero en salir" o con simple prelación de un vídeo de alta velocidad.

TSN elimina esta contención a través de la programación definida en 802.1Qbv (Tiempo de Contención Tiempo). Todos los interruptores y estaciones finales se sincronizan con un reloj maestro a través de 802.1AS. Basado en la latencia requerida de la corriente y ancho de banda, una herramienta de configuración central calcula un calendario preciso. Determina exactamente cuando los paquetes de flujo específico atravesarán cada interruptor a lo largo del peor de la ruta.

Además, TSN está diseñado para la convergencia. Debido a que el tráfico de control está estrictamente programado y protegido por 802.1Qci, el ancho de banda y las ranuras de tiempo restante pueden ser utilizados libremente por otros protocolos. Un solo cable puede llevar un flujo de control de movimiento PROFINET, una actualización de configuración OPC UA, una página web estándar HTTP, y una llamada de voz sobre IP sin que ninguno de ellos interfiera con el circuito industrial de control determinista dramáticamente.

El impacto del TSN en el paisaje industrial y profesional

La implantación del TSN está remodelando la automatización industrial, las redes automotrices en vehículos y el audio/vídeo profesional. Para los propietarios de fábricas, el principal beneficio es la convergencia de las redes de Tecnología Operacional (OT) y Tecnología de la Información (IT). TSN permite que el piso de fábrica hable el mismo lenguaje abierto que el centro de datos corporativo. Esto simplifica la arquitectura de red, reduce los costos de hardware y permite nuevas aplicaciones poderosas como conectividad directa de nube para el mantenimiento predictivo.

Para los proveedores de automatización, TSN representa un cambio en los modelos de negocio. En lugar de encerrar a los clientes en un protocolo patentado en tiempo real, los proveedores ahora pueden centrarse en el valor añadido de sus controladores y sensores, aprovechando la capa de transporte TSN abierta. Organizaciones importantes como el Avnu Alliance están impulsando el cumplimiento y las pruebas de interoperabilidad para asegurar que los dispositivos sin problemas de TSN.

Una de las ventajas más pragmáticas del TSN es que no requiere abandonar los protocolos existentes de capa de aplicaciones. En lugar de ello, los líderes en automatización están adaptando sus protocolos para ejecutar el TSN.

  • PROFINET sobre TSN: PI está desarrollando "PROFINET sobre TSN" (también conocido como "Profinet RTC") para eliminar el requisito de ASICS DE IRT PROFINET especializadas. Esto permite que PROFINET funcione con interruptores estándar que pueden ser compatibles con TSN, reduciendo drásticamente los costos de hardware al mantener los mismos niveles de rendimiento.
  • CC-Link IE TSN: El consorcio de automatización japonés CLPA fue el primero en combinar ancho de banda gigabit con las características TSN. Utiliza 802.1Qbv para la comunicación determinista, mientras que soporta el tráfico estándar TCP/IP en la misma red.
  • OPC UA over TSN: La plataforma abierta Comunicaciones Arquitectura Unificada (OPC UA) es el estándar de facto para el intercambio de datos independiente de plataformas. Cuando se combina con TSN (OPC UA FX), se convierte en capaz de comunicación interoperable y en tiempo real "peer-to-peer" ampliamente, conectando sensores, controladores y plataformas de comunicación de la industria.

El futuro de las redes industriales: TSN, 5G, y el camino a la industria 4.0

El sistema de control de cable determinado de TSN permite la conexión inalámbrica de los cables de conexión inalámbrica. El sistema de control de cable identitario de 3G permite la conexión inalámbrica de los dispositivos , que permite la conexión inalámbrica de los cables , que permite la conexión inalámbrica de los cables , y que el sistema de conexión inalámbrica , que permite una estación de control de 5G de conexión inalámbrica determin.

Seguridad en un mundo convergente

La convergencia de redes IT y OT también amplía la superficie de ataque. Sin una seguridad rigurosa, un portátil de oficina comprometido podría afectar teóricamente a una célula robótica controlada por TSN. Las futuras implementaciones TSN dependen cada vez más de estándares de seguridad robustos, como la serie IEC 62443 para la seguridad de la red de comunicación industrial.

Conclusión

La trayectoria de los autobuses de campo patentados a EtherNet/IP, y ahora al ecosistema abierto y determinista de la red de tiempo-sensiva, refleja la demanda industrial implacable de sistemas más rápidos, inteligentes y más fiables. Mientras que los protocolos Ethernet especializados en tiempo real resuelven con éxito el desafío de tiempo para proveedores específicos, TSN lo logra universalmente.