Diseño de una infraestructura Ethernet industrial en ambientes extremos

Ethernet se ha convertido en la infraestructura de comunicaciones industriales preferida para la automatización y control de misiones críticas. El desafío es diseñar sistemas hechos para resistir condiciones ambientales peligrosas y a menudo extremas.

Construido bajo la misma plataforma de red basada en Ethernet empresarial (Ethernet LAN standard IEEE 802.3), Ethernet industrial proporciona interoperabilidad sin costura cuando conecta la planta a la oficina de administración central y a internet.

En muchos sectores industriales las comunicaciones se enfrentan a condiciones ambientales extremas y deben resistir los efectos destructivos de las temperaturas extremas, humedad, polvo, lodos, aceites, disolventes y agentes químicos corrosivos. La electrónica sensible debe exponerse a la luz del sol, interferencia electromagnética y también al riesgo de explosión.

En este artículo vamos a hablar de algunas consideraciones prácticas a tener en cuenta en las etapas de planificación, construcción e instalación de redes de comunicaciones para condiciones ambientales rigurosas.

Cálculo del coste real de las paradas

Los analistas informan que un gran porcentaje de las paradas no planificadas en operaciones industriales pueden ser atribuidas a fallos en infrastructuras de red. En realidad, tanto como el 72 % de los fallos de red se deben a fallo en las open systems interconnection (OSI) 1 (physical media), layer 2 (data link) y/o Layer 3 (network).

En las operaciones de misiones críticas, el tiempo de parada no es una opción. Si falla un sistema de conmutador, conector o cableado, la sustitución de piezas y los costes de reparación representan solamente una fracción minúscula de los costes totales asociados a la parada. Los costes indirectos del fallo de un sistema Ethernet incluyen pérdidas de productividad, retrasos en los procesos, costes en la parada y arranque, problemas de seguridad, y pérdidas de fiabilidad de cara al cliente. En una planta industrial estos costes pueden elevarse a cientos de miles o incluso a millones de dólares.

Especificación de componentes de grado industrial

La infraestructura de Ethernet típicamente se instala en lugares silenciosos y limpios, en los que los cables, hardware y componentes de conectividad están completamente protegidos. Pero en los ambientes industriales la realidad es muy diferente y los tradicionales commercial off-the-shelf (COTS) Ethernet systems no pueden resistir. La luz del sol, humedad, suciedad y otros contaminantes pueden degradar la integridad física de los cables y el rendimiento eléctrico, lo cual acaba provocando incluso una parada total. Solamente los componentes de grado industrial ofrecen la durabilidad requerida para proporcionar un rendimiento óptimo y una larga vida en servicio.

Componentes de conectividad y cables adaptados a cada aplicación

Los cables de grado industrial que conforman Ethernet LAN. IEEE 802.3 standard están hechos para resistir los efectos de la luz del sol, temperaturas volátiles, humedad y agentes químicos. Operan de forma efectiva en un rango de temperaturas más amplio ( - 40 ºC a + 85 ºC) que los cables comerciales (0ºC a +60ºC).

Dependiendo de la aplicación dentro de la planta, algunos productos de Ethernet incluyen:

·       Cables de fibra óptica calificados para interior/exterior, todo dieléctrico, trabajos pesados en construcciones. Muchos agentes con características de bloqueo de agua añaden protección en ambientes cargados de humedad.

·       Cables de grado industrial cat 5e y cat 6 con revestimiento resistente UV y aceites. Algunas categorías de cables incluyen aislamiento de parejas de conductores a lo largo de ejes longitudinales para asegurar la concentricidad del conductor consistente para prevenir huecos que hagan disminuir el rendimiento entre las parejas de conductores durante instalación y uso.

·       Cables armados y enchaquetados que añaden una protección extra en ambientes extremos.

·       Cables flexibles continuos diseñados para ser usados con máquinas de control del movimiento y sistemas de automatización.

·       Low-smoke zero-halogen (LSZH) cables tanto a prueba de agua como para ser enterrados.

·       Cables diseñados para ser usados en redes de automatización industrial principales y protocolos de comunicaciones, tales como Ethernet Net/IP (ODVA), Modbus TCP/IP, ProfiNET y Fieldbus HSE.

·       Componentes de conectividad de grado industrial, tales como: IP67 – o IP20 –rated UTP o FTP patch cords, conectors, modular jacks y plug kids, adaptadores, placas frontales y cajas montadas sobre superficie.

Dispositivos y accesorios para redes activas para ambientes agresivos

Un amplio rango de hardware está disponible para gestionar las redes Ethernet industriales a niveles de información, control y dispositivos. Hay productos para soportar medios de cobre y fibra óptica, así como conmutadores capaces de trabajar con datos a velocidades tan altas como 10 gigabits por segundos. Todos estos componentes – conmutadores, conectores y otro hardware – ofrecen construcción robusta y resistencia a altas temperaturas, vibraciones y EMI (interferencia electromagnética).

El hardware COTS típico está diseñado para opera entre 0ºC y +40ºC, mientras que el Ethernet de grado industrial opera eficientemente entre 0ºC y +60ºC – extensible a –40ºC y +85 ºC (también está disponible un revestimiento para aplicaciones en lugares húmedos. También, los agentes químicos y corrosivos pueden infringir serios daños a la electrónica de los conmutadores, pero los equipos industriales están convenientemente sellados para prevenir la entrada de tales sustancias.

Los componentes de hardware de grado industrial incluyen:

·       Conmutadores endurecidos con una gran variedad de configuraciones de puertos de cobre/fibra, densidades de puerto, aprobación industrial y opciones de montaje.

·       Firewalls para asegurar y aislar la red a la vez que permiten el paso de las comunicaciones de datos autorizados. Firewalls con capacidades VPN permiten asegurar y encriptar las comunicaciones desde comunicaciones remotas a través de internet.

·       Puntos de acceso inalámbricos, clientes y bridgers en montaje de ralies DIN o carcasas IP67 que ahora soportan el más rápido, seguro e inmune al ruido standard 802.11n.

·       Accesorios relacionados, tales como fuentes de alimentación endurecidas, transductores de fibra SFP; y software que proporciona status de red, alerta y control del software de redes de automatización o PLC.

Bibliografía: Building and installing a reliable industrial Ethernet infraestructure. Hidrocarbon Processing October 2010