Ethernet para E/S Industrial: Beneficios, Desventajas y Consideraciones Clave de Diseño

Los dispositivos de entrada/salida (E/S) industriales conforman el sistema nervioso central de muchas máquinas modernas y, por extensión, de plantas industriales. En los últimos diez años, el uso de Ethernet como capa física ha sido uno de los avances más importantes en el diseño de automatización industrial para dispositivos de E/S de bus de campo.

El EtherNet/IP moderno (Protocolo Industrial Ethernet) combina Ethernet tradicional con un protocolo de capa de aplicación industrial dirigido a la automatización industrial. Fue creado para superar las deficiencias del IEEE tradicional, que tenía dos problemas principales:

1. El IEEE tradicional no era adecuado para manejar todos los procesos complejos y con gran cantidad de datos involucrados en la automatización moderna. Usa una variedad de estándares que pueden hacer que el mantenimiento y uso de E/S sea un desafío.
2. En el pasado, las organizaciones de bus de campo creaban sus propios estándares para conectores, protocolos y pilas. Ahora, la capa física puede ser manejada por organizaciones de estándares internacionales de base amplia que establecen estándares Ethernet para entornos industriales, de oficina y de consumo.

Conectar dispositivos de E/S mediante Ethernet para controlarlos remotamente, recopilar y analizar datos y monitorear estados ha permitido a muchas plantas mejorar la fiabilidad, consistencia y eficiencia. Y Ethernet para E/S puede jugar un papel significativo para plantas que buscan actualizar sus líneas y procesos de automatización.

Pero como toda tecnología, existen pros y contras de agregar Ethernet al entorno de diseño de automatización industrial. Para ayudarle a tomar una decisión informada al buscar mejorar su producción, hemos esbozado los puntos principales para Ethernet de E/S a continuación:

• Ventajas
• Desventajas
• Ethernet vs. Otras Opciones
• Mejores Prácticas

VENTAJAS de Ethernet para E/S

La E/S en red usando Ethernet ha proporcionado mejor rendimiento, topología flexible y configuración más simple, así como una gama de otras ventajas.

1. Procesamiento más rápido: Ethernet de E/S permite ejecutar actualizaciones en tiempo real en menos de un milisegundo. Las mayores velocidades de procesamiento crean eficiencias en la recopilación y análisis de datos, un bloque crucial para la automatización industrial con gran cantidad de datos.
2. Protocolos de comunicación abiertos estandarizados para diseño de automatización industrial: Ethernet se usa en combinación con protocolos estándar de código abierto como EtherCAT, Profinet, EtherNet/IP, Powerlink y otros. Todos pueden interconectarse fácilmente en muchos dispositivos, como variadores, codificadores y controles industriales en la red de E/S. A medida que los buses de campo se han vuelto más abiertos y dependientes de tecnologías físicas conocidas como Ethernet, las tasas de actualización de la red de E/S han aumentado hasta poder seguir el ritmo de eventos en tiempo real en el sistema de control.
3. Menos cobre — Menores costos: Las redes IEEE anteriores requerían cantidades significativas de cableado de cobre para dispositivos industriales. Hoy, conectar dispositivos de E/S al controlador requiere solo la conexión de red de E/S, energía de control y, en el caso de dispositivos de alta energía, energía trifásica. Esto elimina bucles de tierra y enredos de cable de cobre. En su lugar, un cable estándar conecta el controlador al sistema operativo industrial, que puede ubicarse lejos de su controlador y distribuirse.
4. Protección contra obsolescencia de plataforma: Como Ethernet está disponible para prácticamente todas las plataformas de hardware existentes, no está vinculado a un solo fabricante ni siquiera a una clase de equipo. Seguirá funcionando en el futuro previsible, proporcionando una inversión a prueba de futuro en conectividad, lo que también beneficia la seguridad a largo plazo.
5. Fiabilidad: Ethernet de E/S funciona de forma fiable en entornos hostiles, como plantas de energía solar, refinerías de petróleo y gas, ferrocarriles, plantas de energía eólica e incluso instalaciones marinas. Lo más probable es que el diseño de automatización industrial usando Ethernet de E/S satisfaga las necesidades exigentes de su entorno de producción.
6. Estándares certificados comunes y amplio soporte de proveedores: Ethernet industrial usa los protocolos de transporte y control de Ethernet tradicional y las tecnologías de acceso a medios y señalización de tarjetas de interfaz Ethernet comerciales. Es un estándar robusto y certificable que permite gran flexibilidad en el uso de equipos mientras asegura que los dispositivos estén certificados, probados y aprobados por laboratorios de prueba EtherNet/IP para garantizar su calidad y consistencia. El núcleo de EtherNet/IP es el Protocolo de Control e Información (CIP) usado en ControlNet, DeviceNet y CompoNet. Este estándar organiza los dispositivos en red como una colección de objetos, definiendo acceso, comportamiento de objetos y extensiones. Esto proporciona acceso a una gama masiva de dispositivos usando un mecanismo común, y al ser un estándar tan ampliamente usado —todas las industrias usan Ethernet—, hay amplio soporte de proveedores para casi cualquier tipo de dispositivo de E/S.
7. Configuración simple y rápida: Ethernet brinda a los productores más opciones, ya sea seguridad, bus de campo, menos programación o servidores web. Permite a las plantas moverse entre protocolos o implementar un bus de campo por primera vez de manera simple, tipo plug-and-play. Muchos productos son auto-configurables, ya que reconocen automáticamente el protocolo maestro.
8. Otros beneficios: Algunos beneficios adicionales menores del diseño de automatización industrial con Ethernet para E/S incluyen: interconexión única (o par para alta disponibilidad) para redes y almacenamiento de E/S; reducción de energía, refrigeración más eficiente y uso del espacio, y un entorno de planta más sostenible; mejoras en el rendimiento del servidor, maximizando ranuras PCI y mezzanine; mejor escalabilidad de capacidad de E/S para manejar necesidades de aplicaciones de alto rendimiento y en clúster.

Desventajas de agregar Ethernet para E/S

Ahora que hemos cubierto extensamente los beneficios de Ethernet de E/S, discutiremos algunos de los mayores inconvenientes:

• Limitaciones de ancho de banda: Ethernet de E/S tiene ancho de banda limitado. Muchos PLCs solo pueden mover tamaños de paquete de alrededor de 500 bytes, lo que puede ser un obstáculo significativo a veces, potencialmente ralentizando operaciones.
• El procesamiento se consume en capas TCP/IP: EtherNet/IP es un protocolo de capa de aplicación que se transfiere dentro de un paquete TCP/IP. Eso significa que un ancho de banda significativo del procesador se destina al procesamiento de las capas TCP/IP, ralentizando nuevamente el rendimiento.
• Sin modelado de información: Con Ethernet, no hay modelado de información real. Puede crear objetos con atributos pero no puede vincular objetos en ninguna jerarquía. Esto puede crear desafíos en implementaciones reales de diseño de automatización industrial.
• Variación de equipos: Hay funcionalidad limitada de Ethernet con ciertos controladores, por lo que aún debe tener cuidado al seleccionar el mejor equipo.
• Sobrepotenciado: En muchos casos, Ethernet se usa mejor para aplicaciones de control discreto. Puede funcionar en escenarios de control de proceso, pero puede ser una solución sobrepotenciada que consume innecesariamente demasiado presupuesto. En algunos casos, existen soluciones más prácticas y menos costosas.
• Diagnósticos: Los diagnósticos genéricos no están integrados en todos los dispositivos Ethernet. Cada dispositivo puede necesitar sus propios diagnósticos personalizados diseñados e implementados, lo que puede consumir tiempo significativo.

Comparación de Ethernet con Otras Tecnologías

Aspectos Cruciales a Considerar

Al migrar a Ethernet de E/S, es crítico evaluar una amplia gama de características para obtener el tipo correcto de Ethernet. Considere las siguientes arquitecturas de Ethernet IOS:

• Sistemas Ethernet por Módulo
• Sistemas Portamódulos
• Sistemas de Clúster Estrella

Características Esenciales

Además de su arquitectura, cada Ethernet IOS tiene características funcionales importantes que deben evaluarse. Todo IOS industrial debe proporcionar algún nivel de soporte para las siguientes funciones comunes:

• Monitoreo de energía
• Distribución de energía
• Soporte de enclavamiento
• Protección ambiental

Podemos Ayudarle

La elección del protocolo Ethernet depende de muchos factores. Pero la mayoría de las veces, los PLCs usados en sus instalaciones y la demanda de sus clientes impulsarán su decisión. Si usa Siemens, Profibus DP o ProfiNet IO pueden ser sus mejores opciones. Si usa Rockwell ControlLogix o CompactLogix, EtherNet/IP o DeviceNet son sus mejores opciones. Los requisitos de su aplicación e infraestructura actual impulsarán la toma de decisiones.

En EPIC, tenemos profunda experiencia en una amplia gama de sistemas y tecnologías, y hemos ayudado a plantas en todo el mundo. Si necesita asistencia experta para seleccionar las mejores tecnologías para el diseño de automatización industrial de su planta, podemos ayudar.

Contáctenos aquí o llámenos al 314-714-1580 para asistencia.

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