21 abril 2008

Aplicación de Ethernet en un entorno industrial


Un proceso industrial no es más que un flujo de materiales, sustancias o fluidos, que se van transformando para conseguir obtener un valor añadido en forma de un nuevo producto. Estos flujos, junto con las transformaciones que el proceso aporta, deben estar optimizados para evitar derroches. Una máquina parada intempestivamente, un apropiado desaprovechamiento de los residuos del proceso, y sobre todo el empleo de más recursos de los estrictamente necesarios; son los que van a menguar nuestra productividad. Por todo ello, para mejorar la productividad de una planta, lo más importante de todo es tener una información detallada de cómo se están comportando los procesos en cada momento, y cuántos recursos nos están pidiendo para poder producir. Si no disponemos de esta información, cuando la empresa crezca en volumen se nos escapará de las manos sin ningún género de duda. Vamos por ello a desarrollar con detalle una cuestión básica que debe plantearse en todo proyecto de automatización de factoría, y específicamente la aplicación de Ethernet en un entorno industrial. La aplicación de Ethernet en proyectos de automatización industrial es cada vez más común y debemos conocer una serie de consideraciones para actuar con precisión y no llevarnos sorpresas desagradables. Ethernet es el protocolo por el cual se comunican ordenadores en un entorno de red local, es decir, es el sistema que normalmente se utiliza para comunicar ordenadores entre sí dentro de una industria, y por ello su idoneidad será vital para poder disponer de esos datos que tanto necesitamos. Este protocolo permite compartir la información y manejar completamente un ordenador desde otro. Además, podremos compartir el acceso a internet, de forma que con una sola conexión a internet puedan trabajar varios ordenadores. Todo ello ha abierto las puertas a algo fundamental, la disponibilidad de información remota y en tiempo real. Debidamente procesada, la información sobre el funcionamiento de una planta industrial puede estar disponible en cualquier momento y en cualquier sitio. En este artículo vamos a sintetizar las aplicaciones más recientes de Ethernet para entornos industriales, según varios artículos publicados en la revista automationworld (Febrero, mayo, agosto y noviembre de 2006, febrero, mayo, agosto y noviembre de 2007. Febrero de 2008). Lo que pretendemos es que un profano en automatización tenga capacidad suficiente como para determinar si esta tecnología es interesante en la aplicación que requiere, y cómo puede sacarle el máximo partido.

A) SEGURIDAD DE ETHERNET

En solo unos años, Ethernet se ha convertido en el standard de uso industrial, con extensiones en sistemas como Industrial Networks Devicenet, Fieldbus y Profibus. No obstante, hay que tener presente que usar un network comercial para conectar procesos y máquinas puede tener serias implicaciones, ya que en el fondo los profesionales de la fabricación no han hecho más que tomar prestado una tecnología pensada para propósitos comerciales Por todo ello, el ingeniero que utiliza internet para automatizar una planta, valorando la criticidad de cada proceso, debe considerar si es necesario ampliar el diseño y programación de sistemas de control que incluyan sistemas para asegurar el network. El problema puede ser serio porque los hackers pueden ganar acceso al sistema de control. Esto es especialmente relevante si se utiliza Ethernet en un sistema anti intrusismo. Es decir, el uso de Ethernet convencional en una planta industrial presenta vulnerabilidades de seguridad, por lo que lo primero que debemos saber es si esa vulnerabilidad es crítica o puede ser asumida sin problema. No olvidemos que un paradigma de la productividad es que no debemos ir a sistemas más sofisticados si uno más sencillo nos vale igualmente. La seguridad ha sido quizás la mayor preocupación de los ingenieros y profesionales de TI desde que se comenzó a utilizar la networks industrial para conectar máquinas, controles de planta y otros dispositivos. Una vez se conecta un cable a un controlador, existe la posibilidad de entrada no autorizada que pueda provocar una situación catastrófica. Ahora, que la mayoría de las networks están conectadas a internet, el potencial de entrada en el sistema se expande al mundo entero. No es un secreto que las networks industriales son susceptibles de recibir ataques por virus y hackers. Aunque esta amenaza es un problema bien conocido hasta hoy no se han tomado medidas adecuadas al respecto, probablemente porque los ataques hasta ahora son escasos. Un creciente número de ataques son extorsiones. Hackers que demuestran que pueden conseguir entrar en partes críticas de la network y piden dinero para no desplegar sus programas. Cuando la network de una factoría está conectada al mundo exterior, puede ser difícil conocer que virus o intruso ha ido más allá del firewall u otra tecnología de protección. Una forma de averiguar cuando un intruso está probando una network es emplear un honeypot. Estos computadores aislados se colocan sin protección y sin cometido alguno en una network, proporcionando un blanco fácil para los intrusos. La única función de honeypot es controlar actividades sospechosas, ya que cualquier acceso a este PC será una fuente sospechosa. La instalación de un honeypot requiere solamente un PC con Windows. Este PC actuaría como un nodo típico. El principio consiste en colocar un señuelo. Si alguien ataca, podremso saberlo, y tendremos conocimiento del nivel del ataque. Cuando se prueba, el PC respondería como una máquina, lo que ayudaría a asegurar que los intrusos no averiguarán que es un señuelo que alertará a los operadores.

B) ETHERNET EN I/O

Cuando la velocidad del network es 100 megabits/segundo y la de aproximación un gigabit/segundo, el determinismo desaparece. En este apartado revisamos seriamente cómo Ethernet está invadiendo el área tradicionalmente ocupada por fieldbus. Ethernet, y sus compañeros standard, el protocolo de control de transmisión (TCP) y el protocolo de internet (IP). Estas tecnologías se usan ampliamente par comunicaciones controlador a controlador y controlador a servidor. Se usan cada vez más en el segmento de la automatización de entrada/salida (I/O). Una preocupación principal de los ingenieros que quieren usar internet en I/O es el determinismo. Ethernet está basado en la teoría de probabilidades. Los datos son almacenados en paquetes y los paquetes son transmitidos por la network, y sólo son reensamblados cuando llegan a su destino. Si el network está muy ocupado cuando se intenta enviar un paquete, el sistema reintentará enviarlo hasta que encuentre un hueco. Surgen muchas veces problemas en automatización por no habernos planteado estas cuestiones: ¿El paquete estará en el punto I/O en el momento justo para que el dispositivo haga los que está previsto, y en el momento exacto en que está previsto? Todo parece muy sencillo, pero a las velocidades de Ethernet esta cuestión no está tan clara.

C) COMPATIBILIDAD ENTRE TI Y AUTOMATIZACIÓN

La tecnología de la información (TI) se ha desarrollado enormemente en pocos años y se aplica en un número creciente de campos. Por todo ello, nos planteamos en este apartado si la TI puede trabajar junto a la ingeniería de automatización industrial y en qué condiciones. La respuesta es concisa y afirmativa. De hecho, muchas compañías tienen gran éxito conectando TI empresarial, TI de fabricación e ingeniería en una estructura básica, y esta estrategia se aplica cada vez con más frecuencia. Pero tradicionalmente, y desgraciadamente para muchas compañías hoy, este abismo entre IT y control corporativo puede aumentar hoy en día. Este abismo puede provenir del desarrollo de los controles ayudados por microprocesadores que comenzó a finales de los años 60. Las personas que desarrollaron sistemas de control procuraron mantener a la TI fuera de su campo de desarrollo. En aquel tiempo, los controles deterministas en tiempo real necesitaban hardware, lenguajes y sistemas operativos especiales. Ellos sabían lo que los sistemas TI podían hacer, pero también eran conscientes de las dificultades de trabajar conjuntamente con sus aplicaciones. De ahí surgieron las primeras diferencias entre plataformas. Pero posteriormente fue cada vez más importante el trabajo conjunto entre las dos disciplinas, que requirieron trabajar separadamente por una tecnología común. En ingeniería se necesita un flujo de datos en tiempo real, mientras que TI los necesita en tiempos discretos normalmente más espaciados. En cualquier caso, hoy en día es posible implementar Ethernet en muchas comunicaciones de los sistemas de control. Es posible también conseguir datos de fabricación y llevarlos a los sistemas de gestión empresarial, algo crucial para mejorar la competitividad. En cualquier caso es necesario contar con personas que dominen las TI. A la inversa, es preciso trabajar de forma muy próxima con fabricación para obtener la ayuda necesaria en el networking y modelización de datos. Incluso tras haber transcurrido diez años de proyecto conjuntos, los dos grupos no acaban de trabajar de forma cohesionada. No obstante, cuando ambas fuerzas trabajan en conjunto, la compañía es más eficiente y productiva.

D) SE ABRE LA GESTIÓN DE LA NETWORK

Ethernet comenzó su andadura en los departamentos de TI, ahora se ha implantado en los controles, y progresivamente se introduce en niveles I/O. Los fabricantes están compitiendo en un entorno globalizado, a menudo contra compañías con estructuras de bajo coste. Como resultado, los fabricantes necesitan ser más frecuentes y más exitosos en un Mercado de competitividad global. Integrando datos de diferentes funciones a través de la cadena de valor, desde la fábrica a la cadena de suministros a través de ingeniería, ventas y mantenimiento, Ethernet permite flexibilidad y eficiencia. Sin embargo, este nuevo mundo de la automatización basado en Ethernet nos trae tanto desafíos como oportunidades. Junto con los obvios problemas de seguridad, se crea una situación en la cual la gestión de la network no puede considerarse un asunto estricto te IT. Los ingenieros de control deben asumir algunas de las cargas de la gestión de network, y la interface se aproxima en el proceso a TI. Esto no siempre es una situación confortable. Muchas compañías se enfrentan ahora al desafío de trabajar conjuntamente con networks de automatización y networks TI tradicionales. Varias compañías están desarrollando componentes que ayudan en este cometido. Por ejemplo Cisco dispone de su gama de productos “Ethernet to the factory”. Estas herramientas pueden reducir el nivel de experiencia en network que necesita un ingeniero de control para instalar y mantener networks de automatización. Estos sistemas ayudan a los usuarios a optimizar Ethernet y permiten a los usuarios establecer networks de área local virtuales (VLANs) que enlazan dispositivos en grupos lógicos, incluso si estos dispositivos están en localizaciones diferentes. De esta forma, los controladores de máquinas ubicados en diferentes edificios pueden ser controlados desde una simple localización. Estos sistemas ayudan a asegurar la disponibilidad de los dispositivos en todas sus características de gestión del tráfico de datos. Por ejemplo, algunos dispositivos I/O tienen capacidad de recepción limitada, y en ellos el sistema puede dirigir el tráfico solamente a los receptores deseados de forma que se evitan los mensajes no deseados. Es posible priorizar datos, de forma que los datos críticos, tales como la información del control del movimiento reciben la prioridad más alta y siempre pasan a través del network incluso aunque esté congestionado. Están disponibles opciones de configuración que puede almacenarse en dispositivos de memoria flash para su sustitución rápida. Se simplifica la gestión de networks y los ingenieros de control no necesitan ser expertos en TI. Y lo mejor de todo, usando software de gestión de network, estos sistemas pueden instalarse con relativa facilidad con la ayuda de una interface gráfica simple y un PC personal. Existen diferentes paquetes de software dedicados a la gestión del tráfico de datos, entre otros encontramos WebMux. Respecto al Ethernet industrial comercial, podemos mencionar EtherCat, EtherNet/IP, Foundation Fieldbus HSE, PowerLink y Profinet.

E) ETHERNET TOMA EL MANDO

La enorme disminución en los precios hace que Ethernet se esté extendiendo en los ambientes de fabricación, conectando sensores y otros puntos I/O a módulos cada vez más sofisticados. Ethernet se veía muy fácil hace pocos años, pero hoy está permitiendo conseguir aplicaciones que pueden ser descritas en tiempo real. Por ejemplo, Advanced Measurement Inc. usa Ethernet para conectar sensores en remotos campos de Canadá a sistemas que envían los datos a oficinas distantes. La aplicación tiene requerimientos de comunicación de milisegundos y especificaciones ambientales. Las limitaciones de Ethernet no son suficientes para renunciar a su uso ya que es tan barato que compensa todo lo demás, y acaba usándose siempre que sea posible. De hecho Ethernet es la norma en muchas factorías en todo el mundo. Ethernet se usa también cuando se requieren altos niveles de comunicaciones extendiendo la tecnología desde dispositivos tan simples como los sensores. Todos los tipos de buses se están moviendo también a Ethernet.

F) LA NUEVA ERA DE LA COMPATIBILIDAD

Los observadores piensan que los esquemas de networking van a evolucionar hacia la standarización. Las comunicaciones inalámbricas se moverán a standards, justo como ocurrió con los buses de campo. Independientemente de los protocolos utilizados, un creciente número de gestiones de planta están usando tecnologías inalámbricas para añadir sensores y otros equipos sin necesidad de tender cables. Como estas networks. Como estas networks están probando su eficacia, están siendo cada vez más aceptadas. Los asistentes digitales personales (PDAs) y notebook pueden dar a los operadores y técnicos un nuevo nivel de movilidad. La extensión de las tecnologías inalámbricas en la planta puede ayudar a las compañías a ahorrar dinero a la vez que alteran la forma en que los trabajadores interactúan con equipos y colectan datos. También las comunicaciones internas entre personas pueden hacerse a través de la red utilizando VoIP, lo cual es un ahorro significativo en plantas grandes. El despliegue de estas networks inalámbricas requiere un nivel de cuidado extra. Sin la certeza proporcionada por el cableado, los gestores deben tener la certeza de que las señales no se pierden por las interferencias o el fallo de un simple nodo. Esto es particularmente importante cuando se envía información particularmente crítica.

G) ETHERNET TOMA EL BUS En este apartado examinamos la relación entre Ethernet y el bus de campo digital que está ahora ganando masa crítica en la industria. Modbus es un protocolo de networking serie que ha sido implementado con éxito en Ethernet vía Modbus TCP (protocolo de control de transporte – uno de os protocolos standard que trabajan sobre internet). Los desarrolladores de Profibus han desarrollado Profinet – una implementación de Ethernet que permite a los datos de Profibus migrar a ese medio. Otras organizaciones de fieldbus, también tienen implementaciones de Ethernet, incluyendo EtherNet/IP – una implementación de DeviceNet´s CIP (protocolo industrial común) sobre internet – y Foundation Fielbus HSE (Ethernet de alta velocidad). Ahora que Ethernet ha llegado a ser la columna vertebral en las plantas industriales, las networks están extendiendo su alcance afianzándose en las tecnologías de fielbus. Aunque ese esfuerzo está siendo fructífero, fieldbus está manteniendo un sólido crecimiento. Ethernet se está utilizando en un amplio rango de aplicaciones, desde plantas de proceso convencionales a otras que utilizan poco la electrónica. Es un gran avance en eliminación de cables en la planta y su sustitución por cableado de Ethernet, o mucho mejor eliminando totalmente los cables. Las networks inalámbricas están viendo un gran crecimiento en factorías, aunque en estas aplicaciones hay que tener muy en cuenta las posibles incertidumbres del ruido ambiental en las comunicaciones inalámbricas. La tecnología Wi-Fi está obteniendo sólidos resultados. Otra tecnología interesante es el standard de industria ZigBee, basado en IEEE 802.15.4 que está comenzando a ser utilizado en medición en generación y aplicaciones de consumo. Se está construyendo un sólido mercado en crecimiento. La tecnología inalámbrica es ideal para equipos móviles. Está ya implantada en numerosas aplicaciones en vehículos guiados que se mueven en largas distancias en aplicaciones SCADA. Especialmente populares son los sensores inalámbricos, especialmente en factorías de gran tamaño.
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