Eliminación de pasarelas de protocolo en la fabricación discreta mediante conmutación Ethernet de un solo par gestionada

Muchas redes de fabricación discreta cuentan con una capa de pasarela entre el nivel de campo y la red Ethernet principal. Cada pasarela realiza la conversión de protocolos entre las dos capas y supone una carga adicional en cuanto a configuración, mantenimiento y resolución de problemas. A medida que aumenta el número de dispositivos, esa carga administrativa también aumenta.

En este artículo se explica cómo la tecnología Ethernet de un solo par puede reducir o eliminar la necesidad de pasarelas de protocolo al ampliar la conectividad Ethernet directamente a los dispositivos de campo. La implementación se basa en el interruptor gestionado BEETLE SPE Lite y en los accesorios de conexión SPE para las conexiones a nivel de campo.

El problema de la puerta de enlace en la fabricación discreta

Estas redes suelen utilizar arquitecturas híbridas que se han ido desarrollando con el paso del tiempo. Los dispositivos de campo pueden comunicarse a través de protocolos como IO-Link u otros enlaces tradicionales a nivel de campo, mientras que los dispositivos pasarela convierten ese tráfico a Ethernet para la red de la planta. Cada pasarela adicional supone, además, un posible punto de fallo que resulta cada vez más difícil de aislar a medida que aumenta su número.

La conmutación compatible con SPE permite conectar los dispositivos de campo directamente a la capa Ethernet, lo que permite a las plantas reducir progresivamente el número de pasarelas sin tener que sustituir la instalación existente de una sola vez.

Cómo permite la tecnología Ethernet de un solo par la conectividad IP a nivel de campo

La tecnología Ethernet de un solo par amplía el alcance de la red Ethernet estándar a los dispositivos de campo mediante un único par trenzado. Hay tres especificaciones que definen la capa física, el suministro de energía y las interfaces de los conectores que hacen que dicha conexión sea viable en entornos de fabricación discreta.

La norma IEEE 802.3cg incorpora 10BASE-T1L, una capa física Ethernet de un solo par que funciona a 10 Mb/s a través de un único par trenzado y admite distancias de hasta 1 km. Ese alcance supera con creces el límite de 100 m de la red Ethernet convencional de par trenzado, lo que la hace idónea para tramos industriales más largos. En los sistemas en los que tanto el dispositivo de campo como la infraestructura de conmutación admiten 10BASE-T1L de forma nativa, la conectividad Ethernet directa puede reducir o eliminar la necesidad de una pasarela de protocolo.

La norma IEEE 802.3cg amplía la especificación IEEE 802.3bu "Power over Data Lines" (PoDL), lo que permite suministrar corriente continua a los dispositivos de campo a través del mismo par trenzado que se utiliza para la transmisión de datos. En el caso de los dispositivos con unos requisitos de alimentación moderados, PoDL permite prescindir del cable de alimentación independiente que suelen requerir las instalaciones tradicionales de bus de campo. Esto, a su vez, reduce el trabajo de cableado y el número de entradas de cables en la carcasa del dispositivo.

La norma IEC 63171-6 define las interfaces de los conectores SPE para conexiones en campo, incluidas las opciones de carcasas de conectores híbridos M8 para entornos con grado de protección IP65/67. Para aplicaciones de mayor potencia que requieran factores de forma M12, la norma IEC 63171-7 especifica los conectores híbridos SPE-M12. Tanto el M8 como el M12 son tamaños habituales en el cableado de los buses de campo y los sensores actuales.

En conjunto, estas especificaciones proporcionan los medios necesarios para conectar sensores, actuadores e instrumentos directamente a una red IP mediante un único cable, un conector estándar y un conmutador compatible con SPE en el borde de campo.

Interruptor administrado BEETLE SPE Lite

El interruptor gestionado BEETLE SPE Lite de Lumberg Automation actúa como nodo periférico que permite el funcionamiento de las redes SPE en un contexto de fabricación discreta. El interruptor implementa los estándares 10BASE-T1L y PoDL en el borde del campo, poniendo en práctica las especificaciones 802.3cg y 802.3bu en un formato de montaje en riel DIN. La figura 1 muestra la disposición del panel frontal con los ocho puertos de enlace descendente M8 y los puertos de enlace ascendente RJ45.

Figura 1: Interruptor gestionado BEETLE SPE Lite (BTL12-08T1-02TX-L) con ocho puertos de enlace descendente M8 10BASE-T1L y dos puertos de enlace ascendente RJ45 100BASE-TX. (Fuente de la imagen: Belden)

Configuración del hardware: El interruptor está montado en un riel DIN dentro de una carcasa con grado de protección IP40 y funciona con una alimentación de 24 VCC. Ocho puertos de enlace descendente M8 se conectan directamente a dispositivos de campo compatibles con 10BASE-T1L. Dos puertos de enlace ascendente RJ45 conectan el segmento de campo SPE a la infraestructura Ethernet 100BASE-TX existente a nivel de panel. El rango de temperatura de funcionamiento, comprendido entre -10 °C y +60 °C, abarca las condiciones ambientales habituales en los armarios de las máquinas en entornos de fabricación discreta.

Segmentación de la red y gestión del tráfico: La figura 2 ilustra una configuración de VLAN que aísla el tráfico de los dispositivos de campo del tráfico de gestión y supervisión en el mismo interruptor físico, lo que elimina la necesidad de disponer de un dispositivo de red de gestión independiente en el perímetro de campo. La calidad del servicio (QoS) da prioridad al tráfico de control, en el que el tiempo es un factor crítico, frente a los flujos de datos de menor prioridad.

Figura 2: Configuración de VLAN que separa el tráfico de los dispositivos de campo del tráfico de gestión en el interruptor gestionado BEETLE SPE Lite. (Fuente de la imagen: Belden)

Seguridad en el perímetro: la seguridad de los puertos desactiva los puertos de conmutador que no se utilizan para evitar conexiones físicas no autorizadas. La figura 3 detalla cómo las reglas de ACL aplicadas a nivel de puerto del conmutador controlan qué tráfico puede enviar y recibir un dispositivo de campo. Este filtrado no añade latencia y no requiere ningún cortafuegos específico en la ruta de red.

Figura 3: Reglas de la lista de control de acceso que regulan el flujo de datos entre un dispositivo de campo y la red en el interruptor gestionado BEETLE SPE Lite. (Fuente de la imagen: Belden)

Gestión e integración: un servidor web integrado permite configurar el interruptor sin necesidad de software especializado ni de una estación de trabajo de gestión independiente. La integración con los sistemas SCADA y MES existentes es compatible con OPC UA, EtherNet/IP y Modbus TCP.

Accesorios para conectores SPE destinados al nivel de campo

Para conectar el interruptor gestionado BEETLE SPE Lite a los dispositivos de campo se necesitan conectores para montaje en panel que cumplan con las interfaces de las normas IEC 63171-6 e IEC 63171-7. El conector seleccionado también debe ajustarse al grado de protección IP, al tamaño de la rosca y a la orientación de montaje de la instalación. Lumberg Automation ofrece tornillos de montaje en pared SPE compatibles con conectores de los tamaños M8 y M12, así como con configuraciones de montaje tanto en el panel trasero como en el delantero.

Tornillo de montaje en pared trasera M8 SPE: Este conector M8 con bloqueo por tornillo está diseñado para el montaje en el panel trasero y es compatible con paneles de 7 mm de espesor. La carcasa niquelada cumple con los grados de protección IP65 e IP67 cuando se monta y se bloquea junto con un conector compatible de Hirschmann o Lumberg Automation, y el conector cuenta con la certificación UL 2238.

En la figura 4 se muestra el perfil del conector GKMH1X7L y sus especificaciones principales. En el caso de instalaciones con paredes de paneles más gruesas, las variantes GKMH1X8L y GKMH1X9L ofrecen la misma interfaz para paneles de 8 mm y 9 mm de grosor, respectivamente.

Figura 4: Tornillo de fijación a la pared trasera M8 SPE (GKMH1X7L) para paneles de 7 mm de espesor, con acoplamiento de bloqueo por tornillo y carcasa IP65/IP67. (Fuente de la imagen: Belden)

Tornillo de fijación a la pared trasera M12 SPE: Este conector cuenta con una rosca M12 x 1 y una carcasa niquelada, y admite tanto el acoplamiento por tornillo como el acoplamiento a presión, lo que lo hace adecuado para instalaciones en las que los técnicos de campo deben realizar conexiones y desconexiones en espacios reducidos. El conector alcanza su grado de protección IP cuando se monta y se bloquea junto con un conector compatible de Hirschmann o Lumberg Automation. La figura 5 muestra la interfaz M12 del GK2F6XZB y las opciones de acoplamiento.

Figura 5: Tornillo de fijación a la pared trasera M12 SPE (GK2F6XZB) con opciones de bloqueo por tornillo y acoplamiento "a presión". (Fuente de la imagen: Belden)

Tornillo de fijación a la pared frontal M12 SPE: El modelo GK2H6XZB utiliza la misma rosca M12 x 1 y la misma estructura niquelada que el modelo GK2F6XZB, y admite tanto el acoplamiento por tornillo como el acoplamiento de empuje y tracción. Esta variante está configurada para su montaje en el panel frontal, lo que resulta adecuado para instalaciones en las que no se dispone de acceso al panel trasero durante el mantenimiento, incluidas las cabinas de máquinas cerradas con paneles traseros fijos.

La orientación frontal permite acceder al conector desde la parte delantera de la caja sin necesidad de retirar el panel. El conector alcanza su grado de protección IP cuando se monta y se bloquea junto con un conector compatible de Hirschmann o Lumberg Automation. La figura 6 muestra el perfil de montaje frontal.

Figura 6: Tornillo de fijación a la pared frontal M12 SPE (GK2H6XZB) diseñado para el acceso al panel frontal, con opciones de bloqueo por tornillo y acoplamiento "a presión". (Fuente de la imagen: Belden)

Conclusión

Las redes de fabricación discreta han incorporado una capa de pasarela que convierte las señales de bus de campo a Ethernet a nivel de panel. Cada pasarela supone una carga adicional en cuanto a configuración y mantenimiento, así como un punto de fallo en la ruta de datos de los dispositivos de campo.

El interruptor gestionado BEETLE SPE Lite elimina esa capa en el perímetro de la red. Sus ocho puertos de enlace descendente 10BASE-T1L conectan los dispositivos de campo directamente a distancias de hasta 1 km y la tecnología PoDL suministra alimentación a través del mismo par, lo que elimina la necesidad de un cable de alimentación independiente. La segmentación en VLAN, la seguridad de puertos y el filtrado mediante listas de control de acceso (ACL) basadas en direcciones MAC controlan el tráfico a nivel de los puertos del interruptor sin necesidad de un cortafuegos específico. Los tornillos de fijación completan la conexión de la capa física para las instalaciones de dispositivos de campo M8 y M12.