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n los últimos años, la ten-dencia a utilizar Ethernet In- dustrial Industrial como úni- ca tecnología de red para dar solución a las distintas necesidades del sector industrial, se ha posicionado clara- mente como la mejor opción de fu- turo. Gracias a la evolución de las nuevas tecnologías de la información y a la aparición de nuevos estánda- res que permiten asegurar calidad de servicio y el determinismo en las comunicaciones, su uso, incluso a ni- vel de campo, es ya un hecho.Como ya ocurrió hace décadas con la aparición de los buses de campo denominados ahora como clásicos, esta tendencia trae consigo mucho más que una nueva forma de conec- tar dispositivos de campo. Es evi- dente que las características de Et- hernet Industrial nos permiten realizar nuevas aplicaciones antes imposibles, además de resolver de forma más sencilla y efectiva aplica- ciones que ya se venían realizando.
Pero Ethernet Industrial aporta mucho más. Nuevos conceptos y po- sibilidades irrumpen ahora en los despachos de todos aquellos profe- sionales del sector que se dedican al diseño de las aplicaciones industria- les. Comunicaciones sin hilos, servi- cios de telegestión o teleservicio, se- guridad de la información, integración
de nuevos servicios en red de plan- ta… son algunos ejemplos de las nue- vas premisas que el sector está mar- cando. Aportar todas estas nuevas funcionalidades, al mismo tiempo que se mejora la eficiencia y seguri- dad de las aplicaciones industriales, es el objetivo de fabricantes, inte- gradores y diversas organizaciones dedicadas a distintas disciplinas de ámbito industrial.
La organización internacional de Profibus y Profinet (PI), formada por más de 1.400 compañías de todos los sectores industriales, e impulsora de la estandarización del bus de campo Profibus (IEC 61158), actualmente uno de los buses de campo de mayor implantación, con mas de 20 millones de nodos instalados, sensible a estas nuevas tendencias y necesidades, se
embarcó hace años en el desarrollo de un nuevo estándar de comunica- ciones que permitiese alcanzar este objetivo, aportando además un mar- co de colaboración para fabricantes, integradores y clientes.
Apoyados en las claves de Profibus, se desarrolló Profinet (IEC 61784 y IEC 61158) como estándar para el de- sarrollo e implementación de aplica- ciones industriales basadas en Et- hernet Industrial. Sin duda alguna, una de las claves de su éxito es el he- cho de que tanto Profibus, como aho- ra Profinet, son sistemas abiertos, de modo que cualquier fabricante o in- tegrador pueda desarrollar equipos o aplicaciones que cumplan sus es- pecificaciones, incluso certificando estos equipos en cualquiera de los 24 laboratorios de certificación reparti-
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dos por todo el mundo, con el co- rrespondiente beneficio para los clientes finales.
Profinet es mucho más que un pro- tocolo de comunicaciones, es un es- tándar completo para el uso de Et- hernet Industrial en aplicaciones de ámbito industrial. Comunicaciones en tiempo real, infraestructuras wi- reless y cableadas, aplicaciones para el control de movimiento, automati- zación descentralizada, seguridad funcional y de datos, son algunos de los temas tratados dentro de este amplio estándar. Un estándar que responde a todas las necesidades de las aplicaciones industriales, permi- tiendo al mismo tiempo la integración de novedosas funcionalidades pro- cedentes del mundo IT.
Comunicaciones en tiempo real
Con toda seguridad, una de las ca- racterísticas más importantes de Pro- finet es el uso de una infraestructu- ra de red basada en Ethernet Industrial, sobre la cual podemos usar cualquier tipo de protocolo de comunicaciones basado en TCP/IP de una forma 100% estándar, al mis- mo tiempo que la información de proceso es intercambiada con ga- rantías de tiempo real.
Como toda tendencia dentro del sector industrial, el uso de estánda- res IT está supeditado a la eficiencia de las aplicaciones industriales. El gran ancho de banda que ofrecen los actuales estándares de Ethernet In- dustrial es, sin duda, una gran ven- taja para la integración de varios ser- vicios dentro de la misma arquitectura, pero no es ésta la ca- racterística más importante para las aplicaciones industriales.
La característica más importante de este tipo de sistemas es el tiempo de respuesta, que indica la velocidad con la que el sistema reacciona ante un evento. Este parámetro se suele de- finir como el tiempo transcurrido entre la detección del evento por el sensor hasta que el actuador corres- pondiente reacciona, siendo el siste- ma de control el que toma esta deci- sión. Evidentemente, en el tiempo de respuesta intervienen tanto la red de comunicaciones como la velocidad de los dispositivos de automatización.
La priorización de las comunica- ciones entre dispositivos de auto- matización sobre el resto de aplica- ciones, tanto en la red como el propio dispositivo, es la clave principal de la eficiencia de las aplicaciones Profinet. Gracias al ASIC (acrónimo en inglés de Circuito Integrado para Aplica- ciones Específicas) conocido como ERTEC, la implementación del es- tándar Profinet sobre dispositivos de campo se puede realizar de una for- ma sencilla. El ERTEC aporta además una de las principales característi- cas de los dispositivos Profinet: la priorización del tráfico de proceso en el propio dispositivo. La prioriza- ción de la información de proceso con necesidades de tiempo real en la electrónica de red (switches) se realiza según los estándares del IEEE (802.1Q y 802.1D), pero es en el pro- pio dispositivo donde esta necesidad gana una mayor importancia.
Como ejemplo, tomemos un dispo- sitivo que esté controlando el estado de señales de proceso. Este mismo dispositivo, gracias al uso de los es- tándares IT, puede disponer de fun- cionalidades extra, como por ejemplo una interface web que facilite su diag- nóstico. Si ambas comunicaciones fuesen tratadas de la misma forma por el dispositivo, ante consultas so- bre la interface web, el control de las señales de campo se vería afectado, ya que ambas tendrían que pasar por las mismas capas de middleware en- cargadas de procesar los datos de cada una de las capas TCP/IP.
El chip ERTEC ofrece tres canales
datos diferenciados:
• Canal TCP/IP y UDP/IP: este ca- nal es utilizado por las aplicaciones sin necesidad de tiempo real, por ejemplo en el acceso a la interface web del dispositivo, su configuración o diagnóstico online.
• Canal de Tiempo Real (RT): este canal es utilizado principalmente para transmisión de señales de proceso con necesidad de tiempo real, así como para alarmas de proceso.
• Canal de Tiempo Real Isócrono (IRT): éste es un canal específico para aquellas aplicaciones que ne- cesitan además de tiempo real, sin- cronismo de red. Aplicaciones para control de movimiento o el sincro- nismo de ejes son ejemplos claros de la eficiencia de este canal.
Cada uno de estos canales es uti- lizado en función de las distintas ne- cesidades de la aplicación en cuan- to a tiempo real. De esta forma, un mismo dispositivo puede usar el ca- nal TCP/IP para las comunicaciones sin necesidad de tiempo real, a la vez que realiza procesos RT o IRT, sin que esto afecte a la eficiencia del sistema.
Un ejemplo de la eficiencia de las aplicaciones de Profinet es el caso IRT, que permite la sincronización de una gran cantidad de ejes con tiempos de ciclo de hasta 250 µs y desviaciones inferiores a 1 µs, pu- diendo establecer comunicaciones TCP/IP con otros dispositivos, sin que esto afecte ni a la red ni al de- sempeño de la aplicación. (Más in- formación en páginas 84 a 86.
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Aplicaciones sin hilos
Una de las características más de- seables de la implantación de Et- hernet Industrial como arquitectura de comunicaciones para redes in- dustriales es la posibilidad de aplicar soluciones sin hilos. Gracias a la apli- cación de Industrial Wireless LAN (IWLAN), podemos ahora resolver aplicaciones cuya solución era com- pleja en ejecución y mantenimiento. Algunas de las aplicaciones más tí- picas en las que la implementación de soluciones sin hilos aporta no sólo una forma más sencilla de afrontar- las, sino un ahorro en los costes de mantenimiento, son los clásicos ani- llos rozantes, electrovías o incluso comunicaciones con AGV.
Si bien la implantación de IWLAN aporta un sin fin de funcionalidades que la convierten en una de las he- rramientas más potentes a la hora de diseñar soluciones de automati-
zación, es importante destacar que este tipo de soluciones exigen una gran precisión en el diseño e im- plantación. No hay que olvidar que to- das las soluciones para el sector in- dustrial exigen un 100% de fiabilidad. Es por este motivo por el que las soluciones Profinet también con- templan características especiales para los equipos utilizados en este tipo de aplicaciones. Podríamos enu- merar muchas características que aportan fiabilidad a este tipo de sis- temas: redundancia de frecuencias, asignación de ancho de banda, con- trol del estado de los dispositivos co- nectados y de las aplicaciones usadas por éstos… pero quizás las dos ca- racterísticas de mayor importancia son las funcionalidades de iPCF (In-
dustrial Point Coordination Func- tion) y Rapid Roaming.
La funcionalidad de iPCF es una ex- tensión del estándar 802.11 del IEEE
que permite asignar a cada cliente wi- reless una ventana de tiempo, evi- tando las colisiones en el canal; de esta forma, las comunicaciones wire- less pasan a ser determinísticas, ne- cesidad de vital importancia para las aplicaciones industriales con necesi- dad de bajos tiempo de respuesta. Para aquellas aplicaciones con ne- cesidad de movilidad, tales como las electrovías o AGV, uno de los efectos más problemáticos es el roaming entre los distintos puntos de acceso que dan cobertura a la solución. Cuando un cliente wireless pasa de una zona de cobertura dada por un punto de acceso a una nueva zona de cobertura, bien por movilidad del cliente o por caída de uno de los pun- tos de acceso, en aplicaciones con re- dundancia, el tiempo que el cliente tarda en asociarse con el nuevo pun- to de acceso puede ser excesivo, pro- vocando la pérdida de comunicación con las señales de campo, con las consiguientes consecuencias.
La funcionalidad de Rapid Roa-
ming permite minimizar los tiempos
de itinerancia, consiguiendo que sean inferiores a 50 ms, mientras en con- diciones normales podrían ser supe- riores al segundo.
Automatización descentralizada
Otra de las ventajas a destacar den- tro del estándar Profinet es la posi- bilidad de crear una única arquitec- tura de comunicaciones para toda la planta, la cual permita interconectar cualquier tipo de dispositivo de cual- quier fabricante. Profinet aporta, ade- más de una estandarización de co- nectores, cableados y estructuras, una estandarización en el desarrollo e implantación de las relaciones de co- municación entre estos dispositivos, haciendo sencilla dicha integración.
Una de las problemáticas más típi- cas en el diseño de una planta es la in- tegración de las distintas células de au- tomatización que componen dicha planta. En multitud de ocasiones es necesario comunicar unas células con otras, pudiendo éstas estar com- puestas por equipos de distintos fa- bricantes o incluso utilizando distin- tos tipos de tecnologías de control.
Además, hay que tener en cuenta
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■ Cada uno de los canales es utilizado en función de las distintas necesidades de la apli-
cación en cuanto a tiempo real.
que en ocasiones el fabricante de di- chas células de automatización pue- de tener ciertas reticencias a la hora de realizar modificaciones en la im- plementación de sus soluciones que permitan las comunicaciones con otros dispositivos, por motivos de garantías o protección de su know-
how.
Dentro del estándar Profinet, CBA (acrónimo de Component Based
Automation) aporta una solución a
la integración de dichas células de au- tomatización, siendo a su vez una fantástica herramienta para la inge- niería de planta.
Un sistema de automatización pue- de estar dividido en distintos sub- sistemas. Cada subsistema aporta y recibe información a otros subsiste- mas o al control central del sistema de automatización. Cada subsistema es visto por el resto como una “caja negra” con la cual intercambian in- formación. Por lo tanto, toda célula de automatización puede ser discre- tizada como una entidad autónoma que recibe y entrega información a otras entidades.
Gracias a CBA, cada célula puede ser discretizada y tratada como un componente (objeto). En la creación de dicho componente, el integrador indica qué señales de entrada/salida son necesarias para la interconexión de su célula con el resto de compo- nentes de la planta, sin necesidad de indicar cómo y dónde son tratadas es- tas señales dentro de la propia célu- la. Además de la propia célula de au- tomatización, el integrador entregará
la descripción de ésta como compo- nente CBA.
Una vez que cada célula de auto- matización está representada por su componente, la unión de éstas con el resto se hace a través de la unión de sus entradas/salidas, pudiendo rea- lizar toda la ingeniería de planta sin necesidad de conocer la implemen- tación interna, tanto a nivel de hard- ware como de software, de cada una de ellas. Desde la propia herramien- ta de ingeniería CBA (iMap), es po- sible además diagnosticar el estado de las señales, de las comunicaciones, cambiar la parametrización de velo- cidad de intercambio de información o conectar nuevos componentes, sin necesidad de modificar la configura- ción interna de cada una de estas células.
Quizás sea CBA la característica donde más se evidencia el hecho de que Profinet es un estándar multi- marca que aporta soluciones para to- das las necesidades del sector in- dustrial.
Seguridad funcional (safety)
En todo proceso industrial existe, en mayor o menor medida, el riesgo de accidentes que provoquen daños al personal de operación, a la propia instalación o al entorno que rodea esta instalación. En muchos casos es sencillo eliminar estos riesgos gra- cias a condiciones de montaje espe- cíficas del sistema de automatiza- ción. Pero en ocasiones es necesario emplear sistemas específicos que aporten al sistema de automatiza-
ción la seguridad necesaria para su operación. Tal es el caso de prensas, aplicaciones químicas de alta pre- sión, cortadoras, etc.
Los cableados específicos sobre re- lés de seguridad, en paralelo a las se- ñales de proceso, ha sido durante muchos años la solución más exten- dida para este tipo de sistema de se- guridad funcional. Si bien este tipo de soluciones han demostrado ser fia- bles y robustas, su falta de flexibili- dad y el coste asociado a las labores de ingeniería y cableado extra, han suscitado la aparición de soluciones basadas en sistemas de automatiza- ción que permitan la disminución de los costes, aumentando la flexibili- dad y disponibilidad, gracias a los lla- mados autómatas de seguridad.
La asociación PI (Profibus and
Profinet Internacional) con la fi-
nalidad de estandarizar este tipo de soluciones, presentó en 1999 la pri- mera especificación para comunica- ciones seguras (Safety Communi-
cations). El nombre que recibió este
estándar, aplicable tanto para Profi- bus como para Profinet, es PROFIsafe (IEC 61784-3-3).
El estándar PROFIsafe puede ser utilizado para aplicaciones con ne- cesidades de seguridad funcional has- ta SIL3 según IEC 61508 / IEC 62061, categoría 4 según EN 954-1 o PL “e” según ISO 13849.
Una de las principales ventajas de este tipo de soluciones es la posibi- lidad de utilizar señales seguras y no seguras dentro del mismo sistema de automatización. Esto hecho, ade-
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■ Gracias a CBA, toda célula de automatización puede ser discretizada como una unidad autónoma que recibe y entrega información a otras entidades.
más de implicar sencillez en el de- sarrollo y el consecuente ahorro de costes, permite realizar sistemas más eficientes, ya que es un único autó- mata el que controla el estado del proceso y las señales de seguridad, pudiendo tomar decisiones mucho más acertadas que los antiguos sis- temas.
El ejemplo más claro de la flexibi- lidad de este tipo de soluciones son las aplicaciones sin hilos, que gra- cias al uso de PROFIsafe, en con- junción con Profinet, son ahora po- sibles.
Nuevas tecnologías
La unión entre el mundo IT y el mun- do industrial ha provocado sin duda un efecto rejuvenecedor en el sector industrial. Gracias a la aplicación de estándares IT, ha mejorado la opera- tividad y funcionalidad de las aplica- ciones, consiguiendo interfaces más efectivas con el proceso industrial.
El uso de PDA industriales, inter- faces web sobre dispositivos de au- tomatización y scadas, avisos del sis- tema de automatización vía email, actualización de la configuración de
un proceso vía FTP (acrónimo de
File Transfer Protocol), etc. son
ejemplos de aplicación de estas nue- vas tecnologías a los procesos indus- triales.
Pero también el sector IT ha visto cómo el sector industrial marcaba premisas innovadoras sobre las redes de comunicaciones. Dadas las con- diciones de las aplicaciones indus- triales, el ejemplo más claro lo en- contramos en el diagnóstico de la electrónica de red.
Comúnmente en las aplicaciones IT, la infraestructura de comunica- ciones es un recurso que da soporte a una o varias aplicaciones, pero no forma parte de las mismas y, por lo tanto, implementa sus propias op- ciones de diagnóstico. En los siste- mas de automatización, la infraes- tructura de comunicaciones utilizada por estos sistemas es considerada parte del mismo. Éste es el caso de los dispositivos de red Profinet, que si bien cumplen los estándares IT para su diagnóstico y configuración, SNMP (acrónimo de Simple Net-
work Management Protocol), ade-
más de todas las premisas del 802.3,
aportan opciones de diagnóstico des- de el propio sistema de control de la aplicación industrial.
De esta forma, el estado de red de comunicaciones es diagnosticado no sólo desde la gestión IT, sino que también el propio autómata es in- formado en todo momento de los eventos que en ella se producen, pu- diendo reaccionar a cualquier situa- ción que se pudiera producir.
Seguridad, el caballo de batalla
La unión de la red de planta con la red de gestión es sin duda el princi- pal caballo de batalla de esta nueva tendencia. Las ventajas que esta unión aporta a los sistemas ERP y MES son indudables, pero al mismo tiempo implica una de los principa- les temas en todos los foros de debate especializados del sector: la seguri- dad.
Tanto es así que desde la mayoría de organizaciones de los distintos ámbitos industriales se ha promovi- do la realización de estándares, tra- ducidos normalmente a recomenda- ciones, de cómo se ha de realizar esta unión. Quizás sea éste uno de los temas sobre los que más líneas se podrían escribir.
Las facilidades que una infraes-