¿Puede Gigabit Ethernet mejorar el rendimiento de control de una red industrial?

Publicado por Marcos Fernández el día 20.5.12

¿Estás frustrado con el rendimiento de tu Plataforma Ethernet Industrial?  ¿Ofrece Gigabit Ethernet una alternativa mejor?, ¿O simplemente ignora la causa real de sus problemas?

En estos días muchos fabricantes de maquinaria e integradores pueden utilizar uno o más sistemas de bus basados ​​en el estándar Ethernet . En la actualidad, la mayoría si no todos ellos usan la velocidad de la línea a 100 Mbit/s, o "Fast Ethernet". Según el protocolo, algunos usuarios pueden encontrar que el rendimiento y la velocidad de entrega es un poco menor de lo previsto.

¿Ha sido la red Ethernet a 100 Mbit  eclipsada en el rendimiento, velocidad, precisión, por las promesas de Gigabit Ethernet? ¿Hay costos adicionales o limitaciones de implantación impuestas por mudarse a Gigabit Ethernet? ¿Tiene sentido utilizar Gigabit Ethernet y Ethernet de 100 Mbits en campo hoy en día?

Gigabit Ethernet tiene algunas limitaciones de costos y tecnológicas cuando se utiliza en aplicaciones industriales. Redes Ethernet de 100 Mbit  están disponibles hoy para evitar los inconvenientes actuales de Gigabit Ethernet. Examinaremos los beneficios y desafíos asociados con Gigabit Ethernet y Ethernet de 100 Mbit cuando se utiliza en el ámbito del control de máquinas y automatización industrial. Así como  las consideraciones técnicas que nos ayudarán a decidir cuál es el enfoque más apropiado para los sistemas de hoy en día.


¿Asimetría?

No hay duda de que el uso de Ethernet como bus de campo en los sistemas de control industrial ha ido ganando terreno en los últimos 10 años y se ha convertido en una práctica generalizada. Estos sistemas permiten integrar muchas de las ventajas que los usuarios de la red de oficina han disfrutado durante años: la capacidad  de utilizar cables estándar y los dispositivos de interconexión, componentes estándar de infraestructura y, sobre todo, la promesa de una gran velocidad. Para algunos sistemas industriales, esto se traduce en velocidad por debajo de milisegundos a miles de dispositivos, incluyendo los controladores de E/S, unidades de disco, los sensores, y mucho más. Además, el mismo know-how del departamento de TI puede utilizar para administrar los dispositivos de automatización. Sin embargo, la aplicación estándar de Ethernet, que percibimos como muy rápido en un entorno de oficina, no puede funcionar muy bien cuando se comunica a los dispositivos industriales, dependiendo del enfoque.


Hay que considerar que Ethernet se diseñó originalmente para mover grandes cantidades de datos, como páginas web de hipertexto o archivos en una LAN. Aquí es precisamente donde Ethernet es más eficiente, cuando cada cuadro se mueve una cantidad considerable de datos. Desafortunadamente, en un sistema industrial basado en nodos, la mayoría de los dispositivos de automatización de manejar sólo una pequeña cantidad de datos por dispositivo, tales como unidades de disco, dispositivos I / O, codificadores, o transductores. Estos por lo general pasan sólo unos pocos bytes de datos o menos. De acuerdo con la norma IEEE (IEEE 802.3) cada trama Ethernet rápido debe ser al menos 84 bytes, ya que normalmente requiere dos tramas para completar el sondeo y la respuesta de cada dispositivo (un trama para enviar datos de salida desde el controlador en el dispositivo, y uno para recibir datos de entrada al controlador . Como resultado, la mayoría del ancho de banda del sistema es consumido por la sobrecarga del mecanismo que mueve los datos alrededor del propio sistema. Este método de aplicación de Ethernet para la industria es simplemente ineficaz debido a la propia arquitectura y el enfoque de la transferencia de datos.

¿Gigabit Ethernet al rescate?

Algunos expertos en el sector de la automatización y los controles han comenzado a promover Gigabit Ethernet como la solución ideal en el corto plazo para estos desafíos estándar Ethernet. La razón frecuente que para pasar de 100 Mbit Ethernet a Gigabit Ethernet a menudo se divide en dos categorías principales:

1. Muchos protocolos de Ethernet de 100 Mbit base se caracterizan por ser lentos e ineficientes. Desafortunadamente, varios de los protocolos se han encontrado para ofrecer velocidades de actualización muy pobres (algunos en el orden de 10 de milisegundos o superior), una capacidad muy limitada para llevar a cabo, incluso el más trivial de las tareas de sincronización, y son por lo general un desempeño deficiente en comparación con ciertas promesas que se han hecho y lo que el sentido común dictaría. Es muy sencillo hablar, ¿qué debe hacer si usted quiere algo que vaya más rápido? Usted sólo tiene que añadir un motor más grande, ¿verdad? Esta es la pregunta principal que se someterá a los distintos proveedores de tecnología de 100 Mbit Ethernet industrial: "Cuando se mueve el protocolo Gigabit Ethernet?" Muchos piensan que gigabit es el motor más grande que va a resolver los problemas de Ethernet industrial hoy en día.

2. Adición de velocidad de la línea es la solución para los sistemas ineficientes. Gigabit se ofrece como una panacea para los sistemas ineficientes, pero esto no soluciona los problemas fundamentales que hacen lento en el primer lugar. Debido a que el rendimiento de entrega se ha quedado corto de las promesas en muchos casos, en el pensamiento típico de más es mejor, la primera reacción es sugerir simplemente un paso a otro protocolo de Ethernet más rápido, de 100 Mbit a Gigabit, por ejemplo. Sin embargo, volviendo a la analogía del automóvil, esto puede ser similar a poner un motor más grande en un coche con ruedas cuadradas. Se puede conducir un poco más rápido, pero la causa subyacente de la falta de velocidad y de los problemas más importantes con la eficiencia no se abordaron. La pregunta que debe plantearse no puede ser, ¿Debo ir a gigabit? pero, ¿Por qué es esta implementación demasiado lento si está supuestamente basada en una implementación muy rápida de 100 Mbit?



¿Gigabit Ethernet listo para los sistemas actuales?

Los avances tecnológicos logrados por los proveedores de sistemas relacionados con Gigabit Ethernet ciertamente tienen su lugar en multitud de aplicaciones, pero hay argumentos convincentes de por qué podría no estar listo aún para la automatización industrial y la aplicación de control. Estas son algunas de las consideraciones basadas en la tecnología gigabit:

1. La mayoría de los protocolos de Ethernet industriales sufren de problemas que el paso a gigabit no puede resolver, tales como los retrasos de la pila y los retrasos de la infraestructura. Varios de los buses de campo basados ​​en Ethernet son simplemente una implementación de un protocolo de Internet (IP) de la pila con otro protocolo subyacente, como Modbus / TCP o EtherNet / IP como ejemplos. Estos sistemas requieren una CPU ejecuta una pila de protocolos en cada nodo esclavo, junto con los componentes de infraestructura de activos (conmutadores), que son un lastre para el rendimiento y aumentar el costo total del sistema.



Tal vez lo más lamentable de este tipo de sistemas es que sufren más retrasos y demoras de la pila de infraestructura (switches, routers, etc) que pueden ser acomodados a una velocidad de línea más rápido. En el pasado, la información publicada por un proyecto de bus de campo Ethernet gigabit, que posteriormente ha sido cancelada antes de su finalización, llevó a muchos de los que leen la información para suponer que la versión de gigabit de este protocolo sería 10 veces más rápido que la versión de 100 Mbits. Una vez que las demoras reales de la pila y la infraestructura fueron calculados y contabilizados, el resultado final era más que una mejora del 30% en el tiempo de exploración, y la red era todavía más lento que muchos buses de campo existentes en serie basados ​​en. El punto principal aquí es que el factor limitante no es siempre la velocidad de la capa física, más a menudo los cuellos de botella en el sistema son los eslabones débiles.

2. En realidad la migración de aplicaciones industriales para Gigabit Ethernet podría requerir de nuevas versiones de los protocolos de bus de campo, que, a menos que se maneja adecuadamente, podrían causar problemas con la normalización, la compatibilidad hacia atrás, y el control de versiones. Al igual que una gota de agua que caen sobre un estanque en calma envía ondas en todas direcciones, cualquier cambio a un nivel de bus de campo de protocolo hace que muchas olas de cambio que pueden ser difíciles de manejar toda la comunidad de proveedores de dispositivos, usuarios, proveedores de maestros, y todos los demás involucrados .

Como ejemplo, imagine que usted es un proveedor que suministra unidades basadas en un determinado protocolo de la versión 1.0 del bus de campo. Vas a través de la formación necesaria y desarrollar la nueva unidad basada en el nuevo protocolo, tal vez incluso desarrollar placas de circuitos basados ​​en las propiedades específicas que se necesitan por el protocolo y el software asociado. Cuando una nueva versión del protocolo que sale, que no puede ser compatible con el protocolo, se podría llamar 2,0 o incluso 1,1. Ahora se le exige, dentro de una cierta cantidad de tiempo, para que todos sus productos actuales disponibles en la nueva norma. La disponibilidad de la versión anterior, y las versiones antiguas con el tiempo múltiples, es por lo general sólo para piezas de repuesto para los proyectos de los clientes ya existentes. Ahora los nuevos circuitos, nuevo software y nuevas versiones de firmware se deben desarrollar, controlar y probar.



Por supuesto, estos esfuerzos no son diferentes de las requeridas para el desarrollo de nuevos productos para cualquier nuevo protocolo de bus de campo. Sin embargo, debe haber una razón de peso y una solución real resultante con el fin de hacer este esfuerzo práctico, especialmente si el cambio es un gigabit "upgrade" a un sistema existente Ethernet industrial.

Solución de problemas prácticos

Si bien hay algunas limitaciones a la tecnología Gigabit Ethernet hoy que todavía en gran medida evitar su aplicación con éxito en el campo de la automatización y los controles, no se descarta. Estas son algunas de las consideraciones prácticas que primero deben ser abordados:

1. Dispositivos Gigabit de hoy suelen consumir hasta seis veces la potencia de 100 Mbit dispositivos. El consumo de energía genera calor que debe ser disipada. Esto exige técnicas de gestión de calor y / o dispositivos más caros debido a  que se requiere una mayor refirgeración (activa o pasiva).

Esta consecuencia del aumento de la velocidad de comunicación de dispositivos industriales se suele pasar por alto. Cuando se carga un pequeño recinto lleno de Fast Ethernet de E / S en comparación con Gigabit Ethernet de E/S, la diferencia en la gestión del calor para esos dispositivos serán muy importantes. Consideraciones de calor será importante para el fabricante del dispositivo, que debe diseñar el nuevo dispositivo para trabajar en las especificaciones de temperatura que para los de funcionamiento más frío dispositivo de 100 Mbit. Esto sin duda requerirá algunas modificaciones importantes en el diseño, ya sea directamente en forma de propiedades térmicas y físicas de los diseños o los que tienen mayores requerimientos de espacio para instalar los componentes más separados para aliviar la acumulación de calor en esos dispositivos.



2. Cableado Gigabit requiere cuatro pares de cables en lugar de dos pares de 100 Mbits, lo que añade complejidad del cableado. Los cables se vuelven más difíciles de terminar, las nuevas herramientas se requieren, y aumenta el tiempo de instalación. Para los cables Ethernet estándar, que representan un porcentaje mucho mayor de soluciones de cableado para la interconexión de dispositivos de Ethernet industriales que la fibra óptica, el número de conductores necesarios para Gigabit se duplicó en comparación con los 100 Mbit. El 100 Mbit cables (100BASE-TX de la capa física) requiere dos pares de conductores. Los cables Gigabit, por otro lado, requieren cuatro pares de conductores. Aunque no es un impedimento, esto hace que las terminaciones en campo un poco más complicado y otra cosa a considerar al evaluar el cambio a una tecnología más reciente.

3. Gigabit podría ser más susceptible al ruido (EDS, EMC) en entornos industriales. Debido a Gigabit Ethernet (1000BASE-T) utiliza más conductores y más niveles de señal que 100BASE-TX, un cuidado especial se debe dar en el diseño de dispositivos y cableado de campo para asegurar la transmisión libre de ruidos. Esto requiere diligencia por parte de los vendedores para crear dispositivos que efectivamente puede canalizar cualquier ruido EMC a tierra. También la selección de cable, terminaciones y conectores que se especifica y se utiliza con más precaución y cuidado para evitar el ruido eléctrico de causar problemas de rendimiento con las comunicaciones Gigabit.

Así que, si Gigabit Ethernet industrial tiene algunos desafíos que superar antes de que pueda ofrecer resultados reales a los ingenieros de control. Como se dijo antes, hay plataformas de bus de campo rápidas y eficientes disponibles en la actualidad sobre la base de 100 Mbit Ethernet, que superan los requisitos y las capacidades de velocidad de exploración, la sincronización y la eficiencia de ancho de banda para la mayoría de los usuarios. Entonces, ¿qué debe un proveedor o un usuario para ver en una rápida capacidad de bus de campo Ethernet?

1. Eficiencia. El ancho de banda de la capa física de 100 Mbit ofrece una excelente capacidad de velocidad si se aplican de manera eficiente. El uso de pilas estándar de protocolo IP, por ejemplo, aunque aparentemente invitando debido a la familiaridad con la comunidad de TI, son en realidad un obstáculo cuando se implementa en un bus de campo debido a la mala utilización del ancho de banda disponible. Cualquier sistema que requiere una trama Ethernet separados y completos para comunicar a cada nodo de la red realiza muy ineficiente, típicamente en menos de 5% de la velocidad de datos posible que la capa física se podría comunicar.

2. La eliminación de los cuellos de botella en el sistema. Una vez más, no puede haber muchos cuellos de botella en un sistema basado en Ethernet. Las áreas típicas en la comunicación Ethernet puede hacerse más lento son: pilas de software en los dispositivos esclavos, switches, hubs o routers. 

3. La comunicación del hardware. Consideremos una alternativa a la manipulación de la red de bus de campo a través de una pila de software que se ejecuta en una CPU caro con una gran cantidad de memoria RAM. Puede reemplazar los datos de manejo con un bajo costo ASIC o FPGA. De esta manera, la velocidad de la red no está determinada por una aplicación esclavo malo o lenta. Además, el hardware pueden manejar la pila de protocolos mucho más rápido que una implementación de software.



Tecnología para el uso hoy en día.

Ciertamente, habrá un tiempo cuando la tecnología ogigabit desarrollará suficientemente que pueda ser aplicado efectivamente para todos los protocolos de bus de campo basados ​​en Ethernet. Pero por ahora, la mayor parte de los retos de gigabit aún no se han resuelto, incluyendo la disipación del calor, la complejidad del cableado y la falta de rendimiento que se requiere para aprovechar al máximo de estas tecnologías en aplicaciones industriales. Tiene más sentido elegir uno de los eficientes y rentables, los sistemas basados ​​en tecnología de 100 Mbit de hoy. Un ejemplo de ello es  EtherCAT de 100 Mbit basado en el sistema industrial de Ethernet que ofrece la posibilidad de actualizar cientos de ejes servo en menos de una milésima de segundo, y no porque rompe las reglas de la norma IEEE 802.3, pero de manera eficiente, utiliza el 100 Mbits de ancho de banda para comunicarse con muchos nodos con un marco, en lugar de utilizar el ineficiente basado en nodos de comunicación en el que se basa el protocolo de Internet.

Este sistema se puede comunicar con 1.000 puntos E/S distribuidas en 30 microsegundos (ms), implementar una red de tamaño casi ilimitado, y garantizar la integración vertical óptima, ya que aún utiliza las tecnologías de Ethernet e Internet. También puede reemplazar la costosa topología Ethernet  en estrella con una simple línea o árbol. Todos los tipos de dispositivos Ethernet se pueden integrar a través de un switch o un puerto del switch. Los concentradores y conmutadores pueden ser eliminadas y las direcciones IP no son necesarias en cualquiera de los dispositivos en una red EtherCAT.  Con este nivel de velocidad, rendimiento y precisión disponible a partir de una inherentemente eficiente red de 100 Mbit, en el caso de la utilización de la tecnología Gigabit hoy en día es menos convincente.