Breve guía de uso de ethernet en ambientes industriales agresivos

Ethernet es la aplicación LAN más extendida, y ofrece beneficios de estandarización, componentes de bajo coste, y tecnología de conmutación de alto rendimiento. También es fácil de configurar e instalar. En varios artículos hemos ido abordando el estudio de la aplicación cada vez más frecuente de ethernet en ambientes industriales. Los pros y los contras de esta tecnología, así como las dificultades que su despliegue puede presentar en el escenario industrial.

En este artículo vamos a seguir profundizando en el uso de ethernet en la industria fijándonos especialmente en su capacidad para adaptarse a condiciones ambientales agresivas.

Ethernet ha migrado fácilmente desde el ambiente de oficinas a las factorías para ser utilizado en automatización y control industrial, en industrias de amplio rango tales como el procesado de alimentos, minería, automoción y fabricación de equipos pesados. Ya que la tecnología es cada vez más eficiente y abordable, incluso los fabricantes más pequeños están ahora en transición a ethernet. El cambio de un sistema de comunicación field-bus a un nuevo protocolo estructurado tomando como base ethernet no sólo mejora y facilita la automatización y control de procesos, sino que también mejora la visibilidad de la gestión al proporcionar información de producción, lo que permite operaciones a lo largo del proceso y mejora la productividad.

Si bien hay muchas semejanzas entre las redes de ethernet industrial y las corporativas, también hay cruciales diferencias, y el ethernet corporativo Standard no puede simplemente ser "teleportado" a un ambiente industrial y pensar en tener éxito.

Si estás considerando ethernet para tu factoría, si eres un integrador de sistemas y tu cliente te pide consejo para instalar ethernet, o ya has desplegado ethernet para automatizar la producción, en este artículo te ayudaremos a valorar las tres áreas más importantes: red o network, señales eléctricas, e infraestructura de cableado. La correcta planificación de la prevención, así como la selección del equipo que mejor se adapta a tus condiciones ambientales, pueden ser de gran ayuda para asegurar que la red funcione fiablemente, y se minimice el impacto de paradas no controladas.

¿QUÉ HACE EL ENTORNO INDUSTRIAL TAN DIFERENTE?

La particularidad más destacable del uso de ethernet en ambientes industriales procede de los riesgos a los que están expuestas las redes industriales. Dos factores principales contribuyen a estos riesgos: falta de control climático y la presencia de otro equipo eléctrico. Si bien la network de una oficina o centro de datos está protegida por aire acondicionado o sombra, en la mayoría de los ambientes industriales falta tal control climático. El excesivo calor y humedad, por ejemplo, puede tener impacto en el medio de transmisión, cable trenzado no apantallado, que normalmente se usa en networks de oficina. La luz solar también puede dañar el sistema de transmisión.

La interferencia electromagnética generada por el equipo eléctrico origina ruido que impide el tráfico en la red. Los conectores RJ-45, de uso común en las redes corporativas no están diseñadas para rendimiento a largo plazo bajo condiciones de excesivo calor o tensión y sus contactos pueden corroerse y bloquear las transmisiones.

Algunos de los factores que pueden impactar en la red son los siguientes:

Factores ambientales	Impacto
Humedad ambiental y humedad directa	Corrosión del cable
Vibración	Desgaste del cable, desconexión
Temperaturas extremas	Fallos de la aplicación, desgaste del cable
Exposición químico	Corrosión del cable
Polvo	Pobre contacto de los conectores, particularmente con cable de fibra óptica
Interferencia electromagnética	Transmisión degradada

Las distancias a las que las señales deben transmitirse son otra diferencia clave. El cable de ethernet industrial puede necesitar ser desplegado en 400 metros, alrededor de puntos peligrosos, de máquina a máquina y de conmutador a conmutador. El cable trenzado no apantallado, típicamente usado en oficinas, tiene una distancia máxima de 100 m, y esta limitación se debe a la transmisión de potencia. Más allá de esta distancia, se requiere energía extra que genera ruido que interfiere con la transmisión de datos. La fibra multimodo es suficiente par distancias de hasta dos kilómetros. En distancias de 2-3 kilómetros, pueden requerirse cables ópticos de fibra unimodo. Pero también los cables de fibra óptica tienen sus propios requerimientos. El diámetro de la fibra unimodo es más pequeño que el de una célula de un glóbulo rojo. Como consecuencia de ello, la huella de un dedo o una mota de polvo puede causar reflectancia e inhibir la transmisión de señales.

Finalmente, otra cuestión básica puede afectar la instalación de ethernet. Los componentes de ethernet de grado oficina pueden no funcionar en un ambiente industrial con fuentes AC y DC de 24 y 48 voltios. Probablemente se requieran componentes de grado industrial.

DIFERENCIAS EN LA NATURALEZA DEL TRABAJO: LA NECESIDAD DEL DETERMINISMO

En los ambientes industriales, la naturaleza del trabajo realizado y las funciones de los dispositivos son muy diferentes de la network de oficina. El tráfico perdido tiene un mayor significado. En la mayor parte de las redes de oficina no es tan problemático si se pierden datos, y hay muchas formas de compensar los paquetes perdidos. En último término, un usuario puede re-enviar archivos de datos corruptos en la transmisión. Si la red de oficina funciona un poco lento, es molesto y tiene impacto en la productividad, pero el personal puede seguir trabajando.

En el mundo de la industria es muy importante que los procesos sean precisos y la producción a alta velocidad, las transmisiones sean correctas y tengan lugar cuando está previsto. Un paquete de datos puede contener un mensaje de alerta avisando de un excesivo calor o incluso un incendio. Un comando puede utilizarse para poner en marcha un sistema de refrigeración. Los paquetes de datos corruptos, perdidos, o transmitidos fuera del intervalo de tiempo previsto puede originar serias consecuencias: errores de producción, rendimiento reducido, residuos, y parada no prevista del proceso. Todo esto se traslada a incrementos significativos en los costes.

Por estos motivos, ethernet industrial debe ser determinista. Esto quiere decir que la red debe garantizar que un evento ocurra dentro de un periodo de tiempo específico.

COMPRENDIENDO LAS CLASIFICACIONES Y STANDARDS DE ETHERNET

El conocimiento de los standards y clasificaciones que se han desarrollado en los últimos años puede ayudar a diseñar una red más robusta y flexible.

Clasificación de las condiciones ambientales con tablas MICE

Para describir las condiciones ambientales en sitios industriales, la Telecommunications Infraestructure Association (TIA) creó las tablas Mechanical, Ingress, Climatic/Chemical, and Electromagnetic (MICE). El nivel 1 de MICE describe un ambiente de oficina típico, MICE 2 describe unas condiciones ligeramente más agresivas. MICE 3 describe un ambiente industrial más pesado.

Aproximadamente el 80 % de las condiciones ambientales están contempladas en las tablas, y solamente se excluyen los ambientes más especializados y extremos. La sección de mecánica de cada tabla proporciona valores de choque, vibraciones, resistencia a la tracción, aplastamiento, impacto y flexión. La entrada especifica el tamaño de las partículas. La sección química/climática proporciona valores para la temperatura, humedad, radiación, y polución líquida y gaseosa de contaminantes industriales comunes. Finalmente, la sección electromagnética proporciona valores específicos para descarga electrostática, frecuencia de radio radiada y conducida (RF), sobrevoltaje (diferencia de potencial de tierra transitorio) y campo magnético.

Las tablas MICE no constituyen requerimientos de cableado, sino que proporcionan un contexto útil para evaluar ambientes específicos y seleccionar sistemas de cableado compatibles que son compatibles. También puede considerarse que un sistema de cableado puede pasar a través de múltiples ambientes MICE. Si se establecen los límites ambientales, puede minimizarse la necesidad de un cableado con clasificación más alta en toda la industria.

Determinación del grado de protección ofrecido por conectores, dispositivos y otros equipos con protección

Un índice de protección IP indica el grado de protección ofrecido por el equipo. La clasificación siempre se especifica con las letras IP seguidas por dos números. El primer número indica el grado de protección contra cuerpos extraños sólidos. El segundo número es el grado de protección frente al agua.

La red

Uno de los mayores errores en la instalación de redes industriales es pensar que la red de oficina puede ser la misma que en la factoría. Debe evitarse que el tráfico variable y los esquemas de direccionamiento de las redes corporativas interfieran con la naturaleza consistente, estructurada, y menos variable de la red de producción.

Una VLAN es una forma de segmentar el tráfico de red. Las redes corporativas y de producción pueden comunicarse entre sí pero no compartir las redes.

El segundo error común es intentar ahorrar dinero comprando seccionadores de ethernet de grado oficina. Los ambientes industriales requieren seccionadores con grado industrial; diseñados para resistir los rigores del mundo industrial, y ayudar a la red a funcionar más eficientemente.

Señales eléctricas

Los dispositivos de la red tales como los seccionadores son impactados por muchos de los condicionantes que afectan al cableado. Los ambientes eléctricos duros pueden causar transitorios, alteraciones, y descargas estáticas. Los cambios de temperatura y humedad extrema, vibraciones, y reparto de energía inconsistente o ineficiente puede originar cortes en la señal. Los equipos con clasificación IP adecuada pueden mitigar muchos de estos problemas.

Infraestructura de cableado: Protección del cable frente a la exposición a riesgos

En un centro de datos típico, probablemente encontraremos un servidor con cables trenzados no apantallados que cuelgan de la parte posterior. En un ambiente industrial, los cables deben protegerse con tubo de plástico o metálico. Es aceptable desplegar ethernet en bandejas o por el techo. Pero cuando los cables alcanzan zonas donde pueden estar expuestos a agua, calor, golpes, etc.; es preciso el entubado.

También puede considerarse la colocación de un apantallamiento de protección contra las interferencias electromagnéticas.

Bibliografía: Ethernet in harsh environments. Fluke networks.

Palabras clave: Unshielded twisted pair cable, network interface card (NIC), multimode fiber optic cable, singlemode fiber optic cable, virtual local area network, high-performance switching technology, EMI shielding