AEI 521 - Ethernet en tiempo real se convierte en el estándar

Con la llegada de la tecnología 5G y la implementación de redes de más de 10 GbE en las fábricas, el procesamiento de datos en tiempo real para OPC UA y otras aplicaciones táctiles de Internet se está convirtiendo en una nueva área importante de uso. La tecnología de redes sensibles al tiempo (TSN) está allanando el camino para estas aplicaciones conectadas en tiempo real y también afectará a las instalaciones propietarias establecidas de Ethernet Industrial.

Aunque los buses de campo continuarán desempeñando un papel importante en los próximos años como sistemas de comunicación industrial, son menos significativos para las aplicaciones industriales IoT e Industria 4.0. Esto se debe a que las tecnologías de automatización y control de procesos de IoT e Industria 4.0 tienen altas demandas de ancho de banda y rendimiento, requieren conectividad cloud y fog en la zona "edge", y dependen del intercambio vertical de datos a los niveles superiores de la pirámide de automatización, que por supuesto es difícil de lograr con instalaciones clásicas de bus de campo. Las demandas más altas y la introducción gradual de la tecnología de PC industrial han llevado a la sustitución del bus de campo establecido, que alguna vez fue el sistema de comunicación industrial más importante, por una nueva y "segunda" generación de bus de campo: Ethernet industrial. Según un estudio de mercado de HMS de 2019, alrededor del 59% de los nodos recién instalados para la automatización de fábricas son compatibles con Ethernet Industrial, mientras que solo alrededor del 35% están conectados a través de un sistema clásico de bus de campo.

En aplicaciones de Ethernet Industrial, los datos de TI y en tiempo real idealmente comparten un medio de transmisión común. A diferencia de la mayoría de las aplicaciones de bus de campo, prácticamente no hay límite para la cantidad de dispositivos conectados o el tamaño de la red. Al mismo tiempo, la conectividad de red, unificada y sin fisuras, garantiza la continuidad de los datos en toda el área de producción, que se puede asegurar y controlar estrictamente a través de protocolos de seguridad y gestión de seguridad de TI. Dadas las pasarelas de comunicación (gateways) apropiadas, los buses de campo clásicos pueden, por supuesto, seguir siendo utilizados como sistemas de red subordinados en el campo.

Dominio previo de estándares propietarios

Pero al igual que muchos sistemas de bus de campo diferentes, las variantes actuales de Ethernet Industrial no vienen en un estándar uniforme. En cambio, hay varias soluciones patentadas que son incompatibles entre sí. Esto no es realmente sorprendente, ya que los estándares de esta segunda generación de bus de campo fueron desarrollados por las mismas compañías y grupos de interés que los predecesores, y adaptados individualmente a los requisitos deseados, un proceso que ya había dado lugar a una gran variedad de estándares diferentes para la primera generación.

Por ejemplo, CANopen es la versión Ethernet Industrial del bus de campo CAN, Profinet se basa en Profibus, Modubus / TCP en Modus, etc. Si bien esto simplifica la migración hacia Ethernet Industrial o la combinación de aplicaciones de bus de campo y Ethernet Industrial, optar por uno de estos sistemas patentados de Ethernet Industrial puede significar desventajas y limitaciones relacionadas con la licencia cuando se implementa una conectividad de fábrica sin inconvenientes porque la mayoría de los escenarios requieren un controlador especial de Ethernet Industrial en forma de hardware dedicado. Solo el protocolo EtherCAT permite la conexión en red en tiempo real sobre la base de controladores Ethernet estándar, lo que le da un lugar especial entre las variantes de Ethernet Industrial disponibles.

De Ethernet a Ethernet industrial

Sin embargo, para los desarrolladores de la segunda generación de bus de campo, realizar la comunicación en tiempo real, dividido en clases en tiempo real con diferentes demandas de tiempo de respuesta, significó un gran desafío, y esto se aplica a todas las variantes. Esto se debió al hecho de que el Ethernet de TI convencional que cumple con IEEE 802.3 no admite la transmisión determinista, a pesar de proporcionar velocidades de transmisión comparativamente altas. La resolución de problemas de colisión de datos está guiada por un mecanismo que se basa en el principio aleatorio, que puede conducir a retrasos irregulares en el tráfico de datos. Las soluciones Ethernet con capacidad en tiempo real evitan tales colisiones al introducir sus propias pilas de protocolos en tiempo real significativamente más eficientes. Estos están marcados por un llamado "EtherType" en la capa de protocolo Ethernet y priorizados en consecuencia. Se garantiza la conectividad Ethernet perfecta para la comunicación TCP / IP "normal" (correos electrónicos, servidores web, etc.), ya que se pueden tunelizar menos datos críticos en tiempo paralelo en un canal llamado buzón sin perturbar el tráfico en tiempo real.

Tiempo real duro

Mientras que las aplicaciones suaves en tiempo real toleran demoras de propagación de señal más grandes de manera relativamente generosa, el tiempo real duro requiere tiempos de respuesta deterministas exactos, a menudo con demoras cercanas a cero y ciclos de reloj hasta el rango µs. La sincronización siempre debe cronometrarse con precisión. La comunicación Ethernet dura en tiempo real con latencia garantizada, por lo tanto, requiere una sincronización de tiempo exacta de todos los nodos involucrados en la comunicación.

Sin embargo, el NTP (Network Time Protocol) utilizado para establecer la fecha y la hora en los ordenadores no es adecuado para dicha sincronización en tiempo real. Esta es la razón por la cual los sistemas de bus de campo modernos utilizan el protocolo de tiempo de precisión (PTP) IEEE 1588, que sincroniza los relojes en diferentes nodos (maestro, esclavo) con una precisión de nanosegundos de dos dígitos. Pero para este propósito, PTP debe integrarse en el hardware de las interfaces de red involucradas, de lo contrario, la sincronización puede distorsionarse. Para lograr ese comportamiento operativo en tiempo real entre los nodos individuales, las diferentes variantes de Ethernet Industrial hasta ahora se han basado principalmente en hardware patentado o extensiones de protocolo específicas. Esto ha contribuido a la multiplicación de estándares de Ethernet Industrial mutuamente incompatibles e intensificó la demanda de estándares abiertos e interoperables para la comunicación de Ethernet en tiempo real, especialmente en vista de la tendencia hacia las fábricas conectadas de IIoT e Industria 4.0, que en cierto sentido definen sus propias capas nuevas en la pirámide de automatización y demanda el intercambio de datos estandarizado utilizando protocolos en tiempo real como OPC UA. Además, las aplicaciones táctiles de Internet están emergiendo como una nueva área de uso importante, gracias a la disponibilidad de tecnologías 5G y redes de más de 10 GbE en fábricas, vehículos autónomos (logísticos) y redes de energía.

Internet táctil en tiempo real con TSN

Ahora el objetivo está cada vez más cerca. Un grupo de tareas TSN de trabajo dentro del IEEE 802.1, que ha estado trabajando para mejorar el comportamiento en tiempo real de las redes comerciales, ya ha publicado varios estándares de IEEE para este propósito, como IEEE 802.1Qbv, que permite la programación precisa del tráfico de red a través de un tiempo de proceso de partes usando un llamado moldeador de tiempo (TAS). El estándar IEEE 802.1AS TSN, a su vez, implementa perfiles del PTP IEEE 1588 mencionado anteriormente para la sincronización cíclica de nodos TSN. Esta solución ahora se ha vuelto adecuada para uso industrial, con IEEE 802.1AS ya integrado como base PTP para aplicaciones duras en tiempo real en los controladores estándar Intel i210 e i219 Ethernet y, por lo tanto, disponible como componente estándar.

congatec, por ejemplo, utiliza el i210 en una placa Pico-ITX con procesadores Intel Atom E3900 y ya ha implementado una prueba de concepto (PoC) para la integración del protocolo TSN de acuerdo con la especificación IEEE 1588 PTP. Esta integración también garantiza la capacidad en tiempo real en las capas superiores de los protocolos de comunicación para admitir soluciones como MQTT, DDS u OPC UA y otros protocolos de Ethernet Industrial. El PoC comprende varias placas Pico-ITX conga-PA5, que transmiten un archivo de video de alta resolución como la carga base de Ethernet mientras generan y transmiten datos críticos en tiempo real en paralelo. En la demostración, la sincronización IEEE 1588 PTP se puede activar o desactivar a través de un interruptor digital para medir y mostrar los diferentes comportamientos de comunicación de dispositivos distribuidos y servidores de niebla a través de Ethernet. El PoC demuestra que la fluctuación de fase máxima se puede reducir a la escala de nanosegundos de alta precisión a pesar de las grandes cargas de red. ¡Está todo listo para Internet táctil!

Zeljko Loncaric
Ingeniero de marketing de congatec AG
www.congatec.com