Ethernet

Jun 12, 2023

1 de agosto de 2022 | Por Gerd Niedermayer (BASF) y Benedikt Spielmann (Endress + Hauser)

Hoy en día, las plantas de proceso tienen grandes cantidades de datos disponibles a nivel de campo a partir de dispositivos inteligentes. Sin embargo, estos datos son difícilmente accesibles para otros niveles de la organización debido a las diferentes tecnologías de comunicación entre los dispositivos a nivel de campo y la arquitectura Ethernet a nivel empresarial. Esta falta de acceso a los datos dificulta la implementación de proyectos de digitalización e impide que las plantas de proceso logren los máximos beneficios de los enfoques basados ​​en datos, como el uso de gemelos digitales o modelos de mantenimiento predictivo.

Ethernet-APL (capa física avanzada) está superando estos desafíos al proporcionar conectividad entre datos de campo y sistemas empresariales a la velocidad y el ancho de banda necesarios para aplicaciones de nivel superior. Este artículo explica cómo se utiliza Ethernet APL y detalla sus características y beneficios.

Ethernet-APL transmite energía y datos a través de un cable de dos hilos y puede alcanzar velocidades de datos de 10 Mbit/s con cables de gran longitud. Ethernet-APL cumple con los requisitos de seguridad intrínseca y se están desarrollando soluciones de seguridad funcional. Dependiendo del diseño de topología de la red, pueden existir hasta 50 dispositivos APL o incluso más de 200 dispositivos APL en un segmento Ethernet-APL.

La tecnología se lanzó en la Conferencia Achema Pulse (Frankfurt, Alemania; www.achema.de) en 2021 [1] y se probó en un laboratorio de BASF (Ludwigshafen, Alemania; www.basf.de). Durante esta evaluación se han demostrado muchos beneficios. Se espera que la tecnología se expanda rápidamente con muchos dispositivos de campo con interfaces APL ya disponibles o que pronto estarán disponibles.

La instrumentación industrial ha evolucionado desde la tecnología neumática original a dispositivos analógicos y, más adelante, a tecnologías digitales, como HART, Profibus PA o Foundation Fieldbus. Cada nueva tecnología ha ofrecido beneficios con respecto a la generación anterior, pero cada una todavía tiene sus propias limitaciones.

El protocolo HART es extremadamente lento. La resolución de problemas y la parametrización deben realizarse localmente en el dispositivo. El cableado es costoso y el sistema requiere conversiones de protocolos complejas para el acceso remoto. Los técnicos de HART deben escalar las mediciones manualmente durante la configuración inicial del dispositivo, así como para reemplazar el dispositivo. Esta tecnología se utiliza principalmente para parametrización y resolución de problemas y muy raramente para control de procesos.

Las tecnologías Fieldbus también tienen una velocidad de transferencia de datos lenta, aunque es más rápida que el protocolo HART. Sin embargo, los sistemas de bus de campo son complejos en términos de conversiones de protocolos para acceso remoto, ingeniería de segmentos y resolución de problemas. Existe cierta resistencia en la industria a la adopción generalizada de la tecnología de bus de campo debido a la complejidad asociada a su uso.

La arquitectura industrial existente tiene una capa electrónica o de bus de campo para dispositivos de campo, una red Ethernet de planta para capas de supervisión y control, y una Ethernet empresarial para gestión y planificación. Sin embargo, para permitir el acceso fluido a los datos en todas las capas, se requiere una única tecnología de red. Hacer que grandes cantidades de datos estén disponibles en tiempo real para modelos analíticos y de optimización, al tiempo que se cumplen los requisitos de los entornos hostiles de las plantas de procesos, ha sido uno de los principales impulsores que llevaron al desarrollo de Ethernet-APL. (Figura 1).

FIGURA 1. Existe una “brecha” de Ethernet a nivel de dispositivo de campo

FIGURA 1. Existe una “brecha” de Ethernet a nivel de dispositivo de campo

FIGURA 1. Existe una “brecha” de Ethernet a nivel de dispositivo de campo

Ethernet estándar parece ofrecer muchas de las características necesarias para la próxima generación de instrumentación de campo industrial. Sin embargo, existen algunos inconvenientes que hacen imposible su implementación directa en entornos industriales. Por ejemplo, 100BASE-TX Ethernet tiene una velocidad de datos de 100 Mbit/s full duplex, pero la longitud del cable está limitada a 100 m.

Ethernet estándar utiliza cables CAT5/6 que tienen cuatro cables internos. Esto es incompatible con instalaciones industriales, que requieren una solución de dos hilos para instrumentación de campo. Es vital que una solución Ethernet industrial se integre con la infraestructura de dos cables existente para evitar la necesidad de recablear plantas enteras, lo que no sería financieramente justificable.

Muchos instrumentos de campo funcionan con alimentación de bucle, lo que significa que reciben la fuente de alimentación del mismo par de cables que transmite sus datos. Ethernet estándar no está diseñado para suministrar energía a esta escala y, por lo tanto, no se puede utilizar en muchas instalaciones de instrumentos de campo.

Una de las características más críticas de la instrumentación de campo industrial en plantas de procesos es el cumplimiento de los requisitos de seguridad intrínsecos. Los dispositivos, interruptores, cableado y terminales que se encuentran en áreas peligrosas deben estar certificados como a prueba de explosiones o antichispas según la clasificación del área. Ethernet estándar no cumple con estos requisitos de seguridad intrínseca para aplicaciones industriales.

Ethernet-APL está diseñado para superar estas limitaciones sin perder los beneficios de la tecnología Ethernet para uso industrial.

Las principales organizaciones de usuarios y fabricantes líderes trabajaron juntos durante los últimos años para desarrollar una capa física avanzada para Ethernet que cumpla con los requisitos de las plantas de proceso. Los requisitos para esta nueva tecnología se alinearon con la organización NAMUR (Asociación de Usuarios de Tecnología de Automatización en las Industrias de Procesos; Leverkusen, Alemania; namur.net) y se anotaron en una recomendación oficial de NAMUR [2]. Los siguientes estándares y directrices son los documentos más importantes en el contexto de Ethernet-APL:

IEEE 802.3cg-2019. Este nuevo estándar IEEE 10BASE-T1L define la transmisión de datos full duplex de 10 Mbit/s a través de un cable de dos hilos para tramos de cable largos. Es principalmente relevante para los PHY (la capa PHY define las características físicas y eléctricas), que están integrados en los dispositivos APL.

CEI TS 60079-47. Esta especificación técnica para Ethernet intrínsecamente segura de dos hilos garantiza la instalación de dispositivos Ethernet de dos hilos en zonas peligrosas. El concepto se deriva del conocido FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept) y proporciona una instalación sencilla sin cálculos Ex.

Perfiles de puerto APL. Esta especificación define la alimentación a través de un mismo cable de dos hilos con diferentes perfiles de potencia. Además, se definen los cables y la tecnología de conexión preferidos.

Directriz de ingeniería de APL. Este documento centrado en el usuario ayuda a los usuarios finales durante la planificación, instalación y puesta en marcha de redes APL. Proporciona mucha información útil en términos de topologías, blindaje, cables, etc.

Pruebas de conformidad APL.A través de estas pruebas de conformidad obligatorias, se garantiza que los componentes de APL sean interoperables entre sí.

Ethernet-APL se puede diseñar utilizando diferentes topologías para satisfacer los requisitos de cada planta de proceso. Las topologías en “estrella” se adaptan a plantas con un diseño compacto, mientras que las topologías “troncal y derivación” son similares a las arquitecturas de bus de campo (Figura 2). Dependiendo de la variante del interruptor, es posible montar interruptores de campo APL en áreas de Zona 2 o Zona 1 y conectar dispositivos de campo APL en diferentes zonas Ex, incluida la seguridad intrínseca (Ex ia).

FIGURA 2. Varios ejemplos de posibles topologías de red son posibles con Ethernet-APL

FIGURA 2. Varios ejemplos de posibles topologías de red son posibles con Ethernet-APL

Las topologías en estrella requieren conmutadores de campo APL con alimentación externa. Estos interruptores suministran energía a cada dispositivo de campo APL conectado en la línea derivada en una configuración punto a punto. Se pueden conectar varios interruptores de campo APL en línea o en anillo mediante cables de cobre o cables de fibra óptica.

Las topologías de tronco y derivación requieren un interruptor de alimentación APL adicional, que suministra energía desde la sala de control central al campo a través de una línea troncal eléctrica. Tanto los conmutadores de campo APL como los dispositivos de campo APL se alimentan a través de este troncal APL. No se necesita ninguna otra fuente de alimentación a nivel de campo.

No existe una regla general sobre qué topología se preferirá. Siempre depende del diseño de la planta, de los requisitos de comunicación y del entorno. En general, la topología en estrella proporciona más flexibilidad en términos de redundancia y número de dispositivos por segmento. La topología de tronco y derivación podría ser más relevante si el suministro de energía adicional en el campo requiere mucho esfuerzo.

Ethernet-APL ofrece un camino para migrar una planta abandonada a esta nueva tecnología. Los acondicionadores de energía, cajas de conexiones y barreras de campo deben reemplazarse con interruptores APL. También deberá reemplazarse cualquier cable existente que no cumpla con las especificaciones de Ethernet-APL. Los conocidos cables Fieldbus Tipo A, que cumplen con las características requeridas del cable APL, son el tipo de cable preferido para instalaciones Ethernet-APL. También son adecuados cables SPE específicos para 10BASE-T1L.

Los proveedores de conmutadores APL ofrecen la posibilidad de conectar dispositivos utilizando Profibus PA o Profinet-APL en el mismo conmutador de campo APL. Esto significa que la tecnología Ethernet-APL se puede instalar in situ incluso si algunos instrumentos aún no están disponibles con una interfaz APL.

Profinet es un protocolo Ethernet industrial bien establecido que ya se utiliza en muchas industrias. En combinación con Ethernet-APL, Profinet también entrará de lleno en las industrias de procesos. El archivo GSD (descripción general de la estación) es el controlador de dispositivo Profinet que se utiliza para la integración al sistema de control distribuido (DCS). Este archivo se almacena en cada dispositivo, lo que facilita la integración de nuevos dispositivos en la red. Profinet PA Profile 4 ofrece beneficios adicionales, como integración armonizada y mensajes de diagnóstico. Admite el intercambio de dispositivos independiente del proveedor porque los parámetros se descargan automáticamente después del intercambio sin ninguna otra adaptación del sistema.

Las funciones de Profinet como la redundancia del sistema S2 y el protocolo de redundancia de medios (MRP) garantizan una disponibilidad de la planta muy alta. Esto se debe a que el sistema puede hacer frente tanto a fallos de cables como a fallos del controlador sin interrupción.

Todas las variables de proceso de un dispositivo están disponibles a través de Profinet en formato digital y sin pérdidas de conversión.

Estos casos de uso son posibles de forma remota a través de la red y en paralelo al sistema de control de procesos porque la información está disponible a una velocidad y rendimiento mucho mayores utilizando Ethernet-APL. Esto significa que el personal de mantenimiento puede solucionar problemas de los dispositivos de campo de forma remota y eficiente accediendo a la información sobre la causa y la solución del dispositivo. También pueden solucionar problemas de la propia red Ethernet accediendo a la información de tramas y paquetes sin el uso de osciloscopios.

Un dispositivo de borde en la instalación Ethernet proporciona una interfaz a la nube. Esto significa que las aplicaciones de nivel superior pueden acceder directamente a los datos de campo sin pasar por un sistema de control de procesos. Esta configuración cumple conceptos como NAMUR Open Architecture (NOA) [3, 4] y casos de uso relacionados. Los dispositivos perimetrales ponen a disposición grandes volúmenes de datos en tiempo real. La tecnología abre la puerta a la implementación de gemelos digitales para el monitoreo y optimización de equipos.

La infraestructura de seguridad normalmente se construye por separado de la infraestructura de control de procesos. Esta separación física aumenta la diversidad y la independencia, lo que mejora la disponibilidad del sistema de seguridad. Las aplicaciones de seguridad tradicionalmente están equipadas con tecnología de 4 a 20 mA. Sin embargo, el ancho de banda y la confiabilidad de Ethernet-APL están creando una oportunidad para unificar la infraestructura para aplicaciones de control de procesos y seguridad, sin dejar de cumplir con los estándares de seguridad más estrictos. El siguiente paso lógico es habilitar el uso de Ethernet-APL en aplicaciones de seguridad. No existe ninguna limitación para el uso de Ethernet-APL para aplicaciones de seguridad. Las adaptaciones relevantes se encuentran principalmente en el nivel de los protocolos Ethernet.

En el contexto de Profinet como protocolo Ethernet industrial sobre Ethernet-APL, PROFIsafe ya está disponible como capa adicional que actúa según el principio del canal negro. PROFIsafe es una tecnología consolidada que se utiliza desde hace muchos años en la automatización industrial. Esto significa que Ethernet-APL, en combinación con Profinet y su capa de canal negro PROFIsafe, serán las soluciones para llevar la comunicación digital incluso a aplicaciones de seguridad funcional.

La conexión de dispositivos de campo a la red Ethernet presenta problemas de seguridad. Hay tres áreas donde se debe tener en cuenta la seguridad:

IEC 62443 es el estándar que regula la ciberseguridad de los sistemas de control y automatización industrial. Los fabricantes deben certificar su ciclo de vida de desarrollo según este estándar [5]. Como salvaguarda adicional, las organizaciones que pertenecen a organismos como los equipos de respuesta a emergencias informáticas (CERT) y la VDE (Asociación de Tecnologías Electrónicas, Eléctricas y de la Información) de gestión de vulnerabilidades demuestran que cuentan con sistemas para gestionar los problemas que puedan surgir.

A nivel de dispositivo, la seguridad se ve afectada en diferentes puntos de contacto. Los archivos de actualización de firmware deben certificarse como auténticos antes de cargarlos en un dispositivo. La autenticación y la autorización evitan el acceso no autorizado a los dispositivos de campo. La seguridad es un área importante de atención para la industria y continúa recibiendo importantes inversiones para desarrollos futuros.

La implementación de Ethernet-APL es rentable en cada etapa del ciclo de vida de una planta. Durante la ingeniería, los componentes APL pueden ser más caros, pero la infraestructura de red completa, la ausencia de cálculos EX y la arquitectura totalmente extensible aceleran el proceso de ingeniería y reducen los costos. La instalación se realiza sin errores y la etapa de puesta en servicio se beneficia de un acceso rápido y remoto para la parametrización. Esto significa tiempos de puesta en marcha más cortos y un inicio más temprano de la producción. Durante la operación y el mantenimiento, la disponibilidad de datos permite una mejor optimización y mantenimiento predictivo.

Ethernet-APL supera las limitaciones de las tecnologías actuales a nivel de campo. Ethernet-APL con 10 Mbit/s es 300 veces más rápido que la tecnología de bus de campo e incluso 8.000 veces más rápido que el protocolo HART. Esta velocidad ofrece importantes beneficios durante la puesta en marcha, operación y mantenimiento. Por ejemplo, es posible crear un informe de parámetros en cuestión de segundos (incluso de forma remota, en lugar de en varios minutos) localmente en el dispositivo.

La velocidad no es la única ventaja de Ethernet-APL. El número de dispositivos por bucle aumenta significativamente. Utilizando una topología troncal y derivada, se pueden conectar hasta 50 dispositivos de campo a un segmento Ethernet-APL. Esta es una mejora sustancial con respecto al límite de 16 dispositivos para un segmento Foundation Fieldbus equivalente. Si adopta una topología en estrella, puede conectar varios interruptores de campo APL en línea y agregar dispositivos APL hasta el límite de un controlador. Este límite se puede ampliar aún más agregando otra interfaz Ethernet dentro del controlador.

Ethernet-APL se basa en el concepto de bus de campo intrínsecamente seguro (FISCO) para soluciones de bus de campo de dos hilos, ya conocido en las plantas de proceso. Para Ethernet-APL, se utilizan y especifican los mismos parámetros eléctricos en 2-WISE (Ethernet intrínsecamente segura de dos cables). De esta manera, no requiere ningún cálculo Ex, lo que reduce significativamente el esfuerzo de ingeniería a la hora de implementar soluciones intrínsecamente seguras.

El volumen y la velocidad de transferencia de datos disponibles mediante Ethernet-APL están haciendo posibles algunas aplicaciones de nivel superior que la industria ha estado demandando durante algún tiempo. El monitoreo de condiciones y el mantenimiento predictivo son excelentes ejemplos en los que los datos completos disponibles en los dispositivos inteligentes se pueden monitorear, analizar y utilizar para determinar el estado del equipo. Las técnicas de mantenimiento predictivo permiten a los usuarios identificar problemas antes de que afecten el rendimiento del dispositivo, de modo que el equipo pueda repararse antes de que tenga un impacto negativo en la producción (Figura 3).

FIGURA 3. El gráfico muestra una comparación de tecnologías a nivel de campo en plantas de proceso.

FIGURA 3. El gráfico muestra una comparación de tecnologías a nivel de campo en plantas de proceso.

FIGURA 4. Aquí se muestra el laboratorio de evaluación de BASF APL

FIGURA 4. Aquí se muestra el laboratorio de evaluación de BASF APL

Históricamente, el desarrollo de nuevos productos se realizaba en secreto y con un pequeño grupo de investigadores y desarrolladores. Sin embargo, un enfoque moderno incluye clientes piloto, gerentes de producto, especialistas de mercado y vendedores. Con este enfoque en mente, BASF implementó un laboratorio APL para participar en el desarrollo de Ethernet-APL. Este laboratorio de evaluación APL está dirigido por los especialistas en electricidad, instrumentación y automatización Mathias Koch y Philip Kling, bajo la supervisión de uno de los autores (Niedermayer).

BASF inició el viaje de la comunicación digital para instrumentación de campo en 2005, con Foundation Fieldbus y Profibus PA. Pero no fue hasta 2016 que Ethernet se propuso por primera vez como una alternativa realista para la conectividad de campo digital mediante el desarrollo de Ethernet-APL. En 2019, BASF había establecido un laboratorio de pruebas para Ethernet-APL utilizando equipos prototipo de varios proveedores (Figura 4). El propósito del laboratorio fue evaluar la tecnología Ethernet-APL para la comunicación entre sistemas de control distribuido y transmisores y válvulas de campo. Estas pruebas tuvieron mucho éxito y se pudieron identificar muchos beneficios de la comunicación basada en Ethernet.

FIGURA 4. Aquí se muestra el laboratorio de evaluación de BASF APL

Las pruebas de laboratorio muestran que Ethernet-APL ofrece mejoras sustanciales en comparación con la tecnología analógica y Profibus PA o Foundation Fieldbus. Es posible cargar y descargar información de sensores en una variedad de formatos, incluido PDF, con una velocidad 300 veces mayor que la que BASF podría lograr con tecnologías de bus de campo.

El uso de la tecnología de dos cables de Ethernet-APL simplifica las actividades de instalación y mantenimiento para los técnicos de campo. No hay diferencia entre conectar un transmisor analógico y un dispositivo Ethernet-APL. La polaridad es irrelevante, por lo que los cables se pueden conectar a cualquiera de los terminales sin afectar la lectura. Los controladores de motor y los convertidores de frecuencia también se pueden conectar al mismo (o a un anillo Ethernet separado), lo que significa que todos los instrumentos y dispositivos eléctricos utilizan la misma tecnología de red.

Profinet como protocolo Ethernet industrial sobre Ethernet-APL, incluido PA Profile 4, ofrece muchas ventajas para cumplir con los requisitos de estandarización y alta disponibilidad.

Cambiar un dispositivo defectuoso en una red Ethernet-APL con protocolo Profinet es simplemente cuestión de desconectar el dispositivo antiguo y conectar el nuevo. El DCS escribirá la configuración en el dispositivo, permitiéndole comunicarse con el DCS directamente después del inicio. Esto funciona incluso para el intercambio de dispositivos entre proveedores.

Los sistemas Profinet compensan automáticamente las roturas de cables mediante redundancia de medios. Si un cable se rompe en el campo, el dispositivo aún tendrá una ruta para transferir la información al DCS. La redundancia del controlador también está integrada en la solución Profinet. Si un controlador deja de funcionar, el socio de redundancia asumirá el control y los dispositivos se comunicarán automáticamente con el controlador alternativo. Esta característica satisface el requisito de alta disponibilidad de las plantas de proceso.

Se probaron varios tipos de interruptores de campo APL en el laboratorio de BASF, lo que generó algunas recomendaciones para los proveedores. Por ejemplo, los proxy dentro de los conmutadores de campo APL permiten la conexión de dispositivos PROFIBUS PA al conmutador, lo que facilita aún más la transición a Ethernet-APL.

BASF está entusiasmado con la capacidad que ofrece Ethernet-APL para el mantenimiento predictivo. La transferencia rápida de datos significa que aplicaciones de nivel superior pueden procesar más información para analizar el estado del equipo e identificar problemas antes de que causen una falla. Los dispositivos perimetrales se conectan a un anillo Ethernet-APL y transfieren datos directamente a la nube. Esto significa que los datos de campo se vuelven visibles casi instantáneamente desde cualquier parte del mundo.

Los desarrollos futuros para Ethernet-APL ampliarán el uso de esta tecnología a aplicaciones de seguridad funcional. Se pueden obtener beneficios sustanciales de este enfoque, incluida la tecnología de red única, una mayor flexibilidad en el diseño de la planta y menores requisitos de inventario, porque el mismo dispositivo podría usarse para funciones de seguridad y no relacionadas con la seguridad. BASF ya está experimentando las ventajas de la medición digital, como mayor producción y calidad del producto, mayor eficiencia de mantenimiento debido a información de diagnóstico detallada y mayor disponibilidad de la planta. La organización también está trabajando con proveedores para desbloquear los beneficios de Ethernet-APL para la seguridad funcional [6].

Ethernet-APL es una nueva tecnología en rápida expansión que dará forma al futuro de la arquitectura de datos de campo. La alta velocidad y el ancho de banda que ofrece Ethernet-APL permiten iniciativas de digitalización como gemelos digitales y mantenimiento predictivo. Los primeros dispositivos APL ya están disponibles y este año estarán disponibles otros dispositivos APL para otras mediciones, como flujo, nivel, presión y temperatura. Esto significa que ahora se pueden realizar proyectos que utilicen Ethernet-APL.

La seguridad para los sistemas y dispositivos Ethernet-APL también seguirá ampliándose en desarrollos futuros. Los estándares se actualizan periódicamente para reflejar nuevas amenazas y abordar las brechas en la tecnología. Como tal, los proveedores agregarán continuamente nuevas funciones de seguridad a sus dispositivos y soluciones con el tiempo.

También se están desarrollando soluciones de seguridad funcional, de modo que los dispositivos Ethernet-APL se puedan utilizar para aplicaciones de seguridad o no seguras. Esto tiene varias ventajas para la industria, incluida la simplificación de las redes de campo en una sola capa y la reducción de los requisitos de retención de repuestos.

La simplicidad de instalación y los beneficios de la integración de datos desde el campo hasta el nivel empresarial hacen de Ethernet-APL una tecnología clave para el futuro de la industria.

Editado por Scott Jenkins.

Obtenga más información sobre Endress+Hauser:

Gerd Niedermayer es el director senior de ingeniería eléctrica y de instrumentación (E&I) en el Departamento de Ingeniería de Plantas de BASF SE (Ludwigshafen, Alemania; correo electrónico: [email protected]). Niedermayer se graduó en la Universidad de Karlsruhe con especialización en sistemas eléctricos y tecnología de automatización y luego comenzó a trabajar en el departamento global de ingeniería de plantas de BASF SE como ingeniero eléctrico, de instrumentación y de control. Poco después, fue responsable de la ingeniería E&I y de la ejecución de proyectos globales de ingeniería de plantas de BASF en Europa, América del Norte y del Sur y Asia.

Benito Spielmann tiene un título de M.Sc. en Administración e Ingeniería de Empresas. Trabaja como Director de Marketing de Comunicación Industrial en Endress+ Hauser en Reinach, Suiza. Desde 2019, coordina las actividades de Ethernet-APL dentro de Endress+Hauser y es experto en protocolos de Ethernet industrial como Profinet.