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.