Herramientas de Ingeniería
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Protocolo RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol)
Es un protocolo que impide la presencia de bucles en la red y la reconfigura de forma dinámica, estableciendo qué enlaces físicos deben enviar tramas.
El protocolo STP es el predecesor del RSTP, con un tiempo de recuperación entre 30 y 50 segundos. Este tiempo normalmente es muy elevado para un sistema de control. RSTP es una mejora del protocolo STP.
El funcionamiento se basa en una topología en árbol, que se extiende desde la “raíz” hasta la última de sus “hojas”. En un árbol no hay bucles, si se traza una ruta desde una de las hojas a otra hoja se observa que hay un y sólo un camino posible. Esto también se cumple con el STP o RSTP.
Hay un puente que es el raíz, que es único para un árbol de distribución, y será el centro lógico de la topología. Sin embargo, cualquier puente tiene capacidad para convertirse en puente raíz. El puente raíz será aquel con un mejor ID de puente (Bridge ID). El Bridge ID se divide en dos componentes, un valor numérico de prioridad definido por el usuario y la dirección MAC. El puente con menor valor numérico de prioridad se convertirá en el puente raíz. Si todos los switches tienen el mismo valor de prioridad, el puente raíz será aquel con la dirección MAC más baja.

Protocolo MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol)
Es una extensión del protocol RSTP sobre VLANs (Virtual Local Area Network). Las VLAN no son otra cosa que una forma de segregar el tráfico. Agrupan dispositivos, independientemente de su localización física, como si se pertenecieran a un mismo segmento físico. Los dispositivos dentro de una VLAN sólo pueden comunicar con dispositivos dentro de la misma VLAN. En ocasiones las VLAN se utilizan también por motivos de seguridad y también previenen la difusión de tráfico innecesario sobre toda la red. El tráfico de varias VLAN puede pasar a través de un mismo puerto de un switch. Con el protocolo MSTP

Comunicación por Fibra Óptica

Las ventajas del uso de fibra óptica en Ethernet Industrial, frente al cobre son las siguientes:

  • Libre de interferencias (ruido eléctrico, cables de potencia, armónicos introducidos por variadores de velocidad y otra maquinaria, etc…)
  • Permite comunicación a larga distancia.
  • Mayor ancho de banda
  • Mayor seguridad.

Dos tipos de fibra óptica:
Single-Mode:

  • 5-10µm de diámetro
  • La señal viaja en línea recta, por el centro de la fibra, sin reflexiones. La luz siempre tarda el mismo tiempo en llegar al final de la fibra. Por ejemplo, si se envía un pulso rectangular, se recibirá un pulso rectangular.
  • Distancias hasta 100km
  • Longitud de onda de 1300 nm o 1550 nm (se requiere LASER)

Multi-Mode:    

  • De 62.5 µm a  125µm de diámetro
  • La señal viaja por diferentes caminos dentro de la fibra (modos). El tiempo empleado puede ser diferente. Por tanto, si enviamos un pulso rectangular, no se recibirá exactamente rectangular
  • Distancias de hasta 2km
  • Longitud de onda de 850nm (LED) o 1300nm (LASER)

Como vemos el cable multi-modo es aproximadamente 10 veces mayor. Pueden utilizarse LED para el infrarrojo alto, próximo a la luz visible. Para las frecuencias de infrarrojo más bajas (longitud de onda más altas), es necesario el uso de LASER (mayor costo).

Seguridad
El uso de Ethernet en el ámbito industrial abre nuevas posibilidades pero al mismo tiempo nuevos riesgos. Puede suponer una puerta a las conexiones por internet en las plantas industriales con los riesgos que esto implica, tales como hackers, virus informáticos, ataques por DoS. En principio, uno puede pensar que su planta no está conectada al exterior y que sus comunicaciones son internas. Sin embargo, cada vez hay más conexiones remotas para mantenimiento (incluso por parte de proveedores), existen intervenciones en planta de personal externo con equipos que pueden estar contaminados, comunicaciones wireless, etc… Han aparecido en el mercado diversos equipos dedicados a la ciberseguridad industrial.

 

Entorno industrial:
Los dispositivos deben de estar diseñados para cumplir con las exigencias de un entorno industrial, que en general serán bastante más severas que en un entorno de oficina, como pueden ser:

  • Rango de temperatura amplio.
  • Diseño robusto
  • Soportar niveles de vibraciones elevados
  • Facilidad de integración: montaje sobre carril DIN, en panel, etc..
  • Necesidad de salidas cableadas para alarmas
  • Necesidad de redundancia en la alimentación.
  • Protección contra interferencias electromagnéticas.
  • Ambientes corrosivos.
  • Certificación para su uso en atmósferas explosivas (ej. Refinerías, plantas de gas, petroquímicas, industria farmacéutica, etc…)

 

ETHERNET INDUSTRIAL EN SISTEMAS DE CONTROL E INSTRUMENTACIÓN DE CAMPO


El uso de Ethernet en la industria es cada vez más habitual, pero es importante tener en cuenta las diferencias con respecto a una red Ethernet convencional. Los dispositivos instalados en una planta industrial deben de realizar sus tareas y monitorizar los parámetros en el momento indicado y sin fallos, según las necesidades de fabricación o del proceso. Ethernet no fue diseñado para un entorno industrial, sino para su uso en oficina donde la disponibilidad en todo momento de las comunicaciones no es tan crítica.

Por otra parte, hay que tener en cuenta los posibles efectos desastrosos de una sobrecarga puntual en el tráfico así como la falta de determinismo propio de Ethernet.

Picos en el tráfico
Tradicionalmente, en la industria se han utilizado comunicaciones punto a punto o buses de campo en serie. En ambos casos las señales de control son las únicas señales en los cables. Sin embargo, en Ethernet Industrial las señales de control deben de coexistir con otro tipo de tráfico. Cualquier modificación en la red o incorporación de otros dispositivos puede producir un pico en la red. Por ejemplo, si incorporamos a la red un PC de mantenimiento, en primer lugar este PC intentará descubrir todos los dispositivos de la red. Los diferentes dispositivos sólo podrán responder una vez que se ha actualizado su tabla ARP (Address Resolution Protocol, que es un protocolo que se encarga de traducir entre direcciones MAC e IP), incluyendo la IP del PC y esto producirá un pico en el tráfico. Estos picos pueden producirse también por ataques DoS, fallos en algún equipo, errores de programación, etc… Sin embargo, un sistema de control industrial no puede estar condicionado a estas saturaciones.

Determinismo
En el pasado Ethernet no se consideraba viable para controles industriales debido a no tener un comportamiento determinista. El determinismo es la capacidad de un protocolo de red para garantizar que un paquete de información es enviado o recibido en un período de tiempo predecible. Pensemos en un proceso industrial crítico y rápidamente nos daremos cuenta que el determinismo es imprescindible si queremos que un sistema de control automatice correctamente este proceso; el sistema debe de actuar dentro de unos tiempos máximos predecibles.
En una red Ethernet es posible que varios dispositivos intenten enviar datos al mismo tiempo. Este envío de información sólo se producirá si la red está disponible para ello. Si es así, el dispositivo empezará a enviar información. Sin embargo, si dos dispositivos intentaran hacer esto al mismo tiempo se producirá una colisión y ninguno de los dos conseguirá hacerlo. Entonces, cada uno de ellos esperará una cantidad de tiempo aleatoria e intenta nuevamente la transmisión hasta que finalmente lo consiga. Por tanto, realmente no sabemos cuánto tiempo puede emplearse en transmitir la información.

Se puede conseguir un mayor determinismo utilizando switches más rápidos, de forma que se aumente el ancho de banda. Los switches también consiguen que la comunicación tenga lugar únicamente entre el emisor y el receptor y no que toda la red reciba la información, disminuyendo de esta forma el tráfico.

Topologías de red

Bus: Los dispositivos se conectan en línea. Es la topología usada frecuentemente en comunicaciones industriales, como en Foundation Fieldbus o Modbus.

Estrella: Todos los nodos se conectar a un punto central. La ventaja respecto a la topología en bus es que si se rompe un cable con uno de los nodos, el resto sigue funcionando. Es la forma más cómoda de conectar sensores a un sistema de control central. El problema es que esta topología no es buena para tener una red redundante.

Árbol: es una combinación del tipo bus y estrella.

Malla: Cada nodo se conecta con otra serie de nodos creando una multitud de posibles caminos en las comunicaciones. Es la red más compleja y cara pero la que ofrece una mayor disponibilidad.

Anillo: Los dispositivos se conectan en serie dentro de un anillo.

Redundancia
Se realiza mediante un segundo “camino” de comunicaciones, de forma que en caso de un fallo en algún punto de la red, se realice la conmutación inmediatamente a la ruta que sigue siendo viable. Esto no es tan sencillo como añadir otro cable más sino que los dispositivos deben de permitir la comunicación por caminos duplicados lo cual normalmente no es posible a priori en las redes de Ethernet ya que la información podría entrar en un bucle infinito.
Para conseguir una red redundante no pueden utilizarse hubs ya que estos son dispositivos “tontos” (otra forma más correcta de decirlo es que trabajan en el nivel más bajo del modelo de referencia OSI, es decir, en la capa física). En su lugar deben utilizarse switches, que son similares a los hubs, pero que tienen la capacidad de aprender qué dispositivos tienen conectados a cada uno de sus puertos y de esta forma enviar la información únicamente a  través de los puertos que sea necesario y reducir de esta forma el tráfico.

Los siguientes protocolos se utilizan para establecer redes redundantes:

Spanning Tree Protocol (STP): Se utiliza en topología de malla o anillo. Pertenece al nivel 2 del modelo OSI (capa de enlace de datos). Permite a los switches activar o desactivar automáticamente los enlaces de conexión. En el caso de una red en malla, este protocolo transformaría la red a una topología en árbol. Velocidad de 30s a 50s.

Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP): Igual que el STP pero a una velocidad muy superior (desde milisegundos a unos 6 s.). Hay implementaciones propietarias con mucha mayor rapidez.

Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP): Protocolo Spannning tree sobre VLANs (Virtual Local Area Network).
Protocolos propietarios: Diferentes fabricantes han desarrollado sus propios protocolos que mejoran los protocolos anteriores (anillos redundantes, etc…)

Idealmente, para crear una red realmente redundante, <no sólo se debería de conseguir la redundancia en la comunicación entre switches, sino también con los dispositivos dispositivos en campo (por ejemplo dispositivos de entradas y salidas remotas) y los switches.