Ethernet es una tecnología de transmisión de datos para redes cableadas y es el estándar para transmitir paquetes de datos en redes locales domésticas o de oficina (LAN, Local Area Network).
Dentro de dicha red, todos los dispositivos electrónicos conectados, como computadoras, impresoras y servidores, pueden comunicarse entre sí a través de cables LAN.
Los datos se envían y reciben a través de Ethernet. Ethernet no funciona de forma inalámbrica como WLAN, sino que es exclusivamente cableado. En entornos industriales conectados en red, Ethernet por cable ofrece una velocidad de transmisión de datos significativamente mayor y una estabilidad de transmisión fiable que la red alternativa a través de WLAN (red de área local inalámbrica).
El grupo de trabajo estadounidense IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ha definido y normalizado el protocolo de red Ethernet y la estructura de sus paquetes con la especificación IEEE 802.3.
La importancia de Ethernet
El estándar Ethernet comenzó en la década de 1970. En aquel entonces, sin embargo, solo era posible una tasa de transmisión muy baja. En las últimas décadas, la tecnología de transmisión de datos ha evolucionado constantemente, permitiendo alcanzar velocidades de hasta 10 000 Mbit/s o 10 Gbit/s. Esto también se conoce como Gigabit Ethernet.
Con la llegada de Industry 4.0 y el Internet de las Cosas (IoT), llegó el momento de seguir desarrollando las posibilidades de transmisión de datos. Este nuevo entorno económico requería que los sistemas de TI de las redes de edificios y oficinas se integraran con las redes de máquinas industriales. Esto cambió el tipo de comunicación y, por tanto, los requisitos para la transmisión de datos.
Pronto quedó claro que las propiedades de la Ethernet clásica del cableado de edificios ya no eran suficientes para los entornos industriales.
¿Qué significa realmente "Ethernet"?
Éter
Antigua palabra griega derivada de la teoría del éter, que significa "cielo". En siglos anteriores, se suponía que el éter era un medio a través del cual se propagaban las ondas electromagnéticas en el espacio.
Red
Qué es qué: Ethernet frente a Ethernet industrial
Ethernet Industrial es la sucesora de la Ethernet LAN de oficina convencional y se utiliza principalmente para la comunicación de datos en la producción industrial. Hay buenas razones para ello: ofrece una infraestructura de red continua en tiempo real. Los campos de aplicación son diversos, desde el nivel de campo y el nivel de control hasta el nivel de gestión empresarial (Manufacturing Execution System [MES] para la coordinación de pedidos y Enterprise Resource Planning [ERP] para la planificación de materiales).
La tecnología Industrial Ethernet también ofrece un espacio de direcciones muy amplio. El direccionamiento IPV6 permite implementar redes con un número prácticamente ilimitado de nodos. Se pueden transmitir grandes cantidades de datos simultáneamente a altas velocidades de hasta 40 Gbit/s a través del cobre. Esto también se aplica a la comunicación de datos a larga distancia: en comparación con los cables de cobre, los de fibra óptica pueden salvar distancias de hasta 80 km. Las redes pueden ampliarse y segmentarse fácilmente mediante switches y routers.
Ventajas de Ethernet industrial frente a la tecnología de bus de campo
Los buses de campo son sistemas de bus utilizados a nivel de campo para conectar sensores y actuadores e intercambiar información con una computadora de control. Los buses de campo tienen su origen en la tecnología de producción. Allí se siguen utilizando principalmente.
Cuando se trata de automatización, los procesos de comunicación suelen tener lugar a varios niveles. Industrial Ethernet se utiliza en la automatización industrial allí donde las funciones de los buses de campo ya no son suficientes. Al fin y al cabo, las ventajas de Ethernet Industrial son:
- Posibilidad de trabajar en red en varios niveles de la pirámide de automatización
- Transmisión de datos mucho más rápida
- Propiedades en tiempo real mejoradas
- Mayor rendimiento técnico
- Transmisión de grandes volúmenes de datos
- Integración de protocolos de seguridad
Posibilidad de conexión a redes inalámbricas
Con WLAN, los datos se transmiten de forma inalámbrica dentro de una red mediante tecnología inalámbrica. Las soluciones inalámbricas inteligentes también son cada vez más populares en el sector industrial. El resultado es un campo de radio complejo y dinámicamente diseñado.
Es posible transmitir datos entre redes inalámbricas y cableadas, lo que permite la comunicación entre WLAN y Ethernet.
Ventajas de la tecnología inalámbrica:
- Conexión de los participantes de la red móvil con los participantes estacionarios
- Conexión a participantes giratorios, como carruseles o grúas
- Construcción de puentes inalámbricos a través de los límites de los edificios o cuerpos de agua
- Comunicación con participantes de difícil acceso
Desventajas de la tecnología inalámbrica:
- Las ondas de radio se difractan en los obstáculos
- Los obstáculos reflejan las ondas de radio
- Las ondas de radio pueden atenuarse al atravesar objetos
- Las ondas de radio pueden ser interceptadas y utilizadas sin autorización
Cuando la conexión inalámbrica no es posible
El uso de una solución cableada sigue presentando las mayores ventajas en la producción industrial. El cable sirve como medio exclusivo y coherente con propiedades de transmisión fijas, y para identificar claramente a los participantes en la red. Quien utiliza Ethernet como tecnología de transmisión de datos puede emplear cables de cobre o de fibra óptica para distribuir paquetes de datos.
Comunicación de red sencilla mediante estándares de protocolo Ethernet
Un protocolo o protocolo de red es un conjunto normalizado de reglas para el intercambio de datos, es decir, un tipo de lenguaje de red. Este se utiliza para la comunicación entre computadoras y dispositivos.
Los protocolos normalizados también se conocen como normas de protocolo.
A continuación encontrará más información sobre las principales normas de protocolo de la tecnología Ethernet:
PROFINET es el estándar abierto de Ethernet industrial líder en Europa para todas las áreas de la tecnología de automatización industrial. Este tipo de sistema de comunicación permite intercambiar datos en tiempo real entre dispositivos de control y dispositivos de campo mediante Ethernet industrial. PROFINET es el sucesor de PROFIBUS, un estándar de protocolo de bus de campo estandarizado por la organización de usuarios PROFIBUS & PROFINET International (PI). LAPP desempeña un papel activo en el desarrollo de PROFINET.
La variante RT (Real Time) de PROFINET permite que los dispositivos de control y los dispositivos de campo se comuniquen en tiempo real. Para ello, no es necesario imponer requisitos adicionales a los componentes de la red. Los tiempos de ciclo para el intercambio de datos sin sincronización de reloj son de aproximadamente 10 milisegundos. La variante RT se utiliza, por ejemplo, en sistemas de E/S remotas.
Cuando se trata de aplicaciones especiales que requieren sincronización de reloj, como la sincronización de servomotores, es esencial utilizar una comunicación isócrona entre el dispositivo de control y el dispositivo de campo, tal como lo proporciona la variante IRT (Isochronous Real Time) de PROFINET. Las redes IRT imponen requisitos adicionales en el hardware, por lo que los switches Ethernet estándar ya no están permitidos. La duración de los ciclos de intercambio de datos es inferior a 1 milisegundo.
EtherNET/IP es un sistema de bus industrial para su uso en sistemas de control y automatización, y se utiliza cada vez más en la región americana.
EtherNET/IP funciona con hardware Ethernet estándar y utiliza los protocolos de transporte TCP/IP y UDP. También utiliza el protocolo de aplicación CIP (Common Industrial Protocol), que constituye la capa de aplicación en la red. Una de las principales ventajas de este estándar industrial abierto es que permite integrar fácilmente dispositivos de campo existentes con una interfaz serie RS. Los servicios de comunicación proporcionan a la aplicación de automatización datos cíclicos y críticos en tiempo desde el nivel de campo.
Sin embargo, dado que tales redes solo pueden alcanzar tiempos de ciclo de aproximadamente 10 ms, el estándar de comunicación no es, por sí solo, adecuado para gestionar los exigentes requisitos de tiempo real de la operación isócrona de servomotores (< 1 ms). Para aplicaciones que requieren sincronización de reloj, el protocolo se amplió para incluir MotionSync y CIPSync.
EtherNET/IP es mantenido y desarrollado por la Open DeviceNet Vendor Association (ODVA). LAPP es miembro de la ODVA y participa activamente en el desarrollo del sistema EtherNET/IP.
En Asia, CC-Link IE es el estándar sucesor líder basado en Ethernet del sistema bus de campo CC-Link. En aplicaciones industriales donde el bus de campo CC-Link alcanza sus límites, se utiliza la variante más potente CC-Link Industrial Ethernet, que permite gestionar volúmenes de datos considerablemente mayores. Este estándar de transmisión de datos de alta velocidad, con un rendimiento a nivel de Gbit, admite protocolos en tiempo real y actualmente puede conectar hasta 120 dispositivos dentro de una red. CC-Link IE está disponible en versiones incluyendo CC-Link IE Field (para intercambiar datos a nivel de campo), CC-Link IE Control (para intercambiar datos a nivel de controlador), CC-Link IE Safety (para conectar controladores de seguridad para una comunicación segura) y CC-Link IE Field Motion (para sincronizar servomotores).
LAPP es miembro de la organización de usuarios CLPA (CC-Link Partner Association) y participa activamente en el desarrollo de la norma. Muchos de los componentes que se ofrecen a continuación han sido certificados conforme a las especificaciones de la CLPA.
EtherCAT es un protocolo ampliamente utilizado para Ethernet industrial y garantiza Ethernet de alta velocidad. La denominación significa Ethernet for Control Automation Technology y se considera una Ethernet especialmente rápida en cuanto a velocidad de transmisión y capacidad en tiempo real.
Para la comunicación, EtherCAT utiliza tramas Ethernet estándar, paquetes de datos procesables. Estos paquetes de datos consisten en un encabezado Ethernet, un encabezado EtherCAT, de 1 a 15 datagramas EtherCAT y un mecanismo de prueba para la detección de errores de bits.
El control se realiza mediante un sistema de comunicación con un maestro y uno o varios esclavos. El maestro envía las condiciones TARGET a los esclavos, que devuelven la condición ACTUAL. Por ejemplo, es posible transmitir instrucciones de control y responder a preguntas sobre el estado actual de una máquina.
El maestro crea diagramas EtherCAT a partir de los datos adquiridos y los envía a los esclavos conectados. Como ya se ha mencionado, lo que hace especial a EtherCAT es su velocidad. Esto se logra de la siguiente manera: mientras los paquetes de datos aún están circulando a través de los esclavos, cada esclavo solo toma las condiciones TARGET del datagrama que le corresponden e inserta directamente su condición ACTUAL. Los datos no destinados al esclavo correspondiente no se procesan y se reenvían inmediatamente. Incluso con un elevado número de esclavos conectados, el tiempo de comunicación es muy rápido, ya que el retardo de paso por esclavo es de apenas unos nanosegundos.
Norma TSN para un control eficaz de los datos críticos en tiempo real
TSN, abreviatura de Time-Sensitive Networking, describe en una forma de controlar y priorizar los flujos de datos en redes Ethernet. Sin embargo, Ethernet TSN no es un protocolo de comunicación independiente, sino un conjunto de normas que definen las funciones de los protocolos. Estas definiciones de función pueden ser utilizadas por diferentes protocolos como PROFINET.
El objetivo del desarrollo de las normas TSN es fusionar de forma inteligente la tecnología de la información con la ingeniería industrial. Para ello, requiere la transmisión de datos de aplicaciones críticas en tiempo real, como la adquisición de señales de un componente relevante para la seguridad.
Al definir y ampliar las normas Ethernet existentes, TSN logra la convergencia entre las TI y las máquinas y dispositivos conectados. Al controlar eficazmente datos críticos en tiempo real y aplicaciones intensivas en datos, la red Ethernet puede implementarse a través de un único cable Ethernet común.