Habilitación de Ethernet transparente en el campo con conectividad 10BASE-T1L

10BASE-T1L (IEEE 802.3cg-2019) es un nuevo estándar de capa física de Ethernet que fue aprobado dentro del IEEE el 7 de noviembre de 2019. Cambiará drásticamente la industria de automatización de procesos al mejorar en gran medida la eficiencia operativa de la planta con Ethernet a nivel de campo sin un puntada conectividad. dispositivos (sensores y actuadores). 10BASE-T1L resuelve los desafíos que, hasta ahora, han limitado el uso de Ethernet al área de automatización de procesos. Estos desafíos incluyen energía, ancho de banda, cableado, distancia, islas de datos y aplicaciones de Zona 0 (áreas peligrosas) intrínsecamente seguras. Al resolver estos desafíos tanto para actualizaciones de reacondicionamiento como para instalaciones completamente nuevas, 10BASE-T1L permitirá que nueva información que antes no estaba disponible, como variables de proceso, parámetros secundarios, información de estado de activos, se combine y se comunique de manera transparente a la capa de control y la nube. . Esta nueva información abrirá nuevas posibilidades para el análisis de datos, conocimientos operativos y productividad mejorada a través de una red Ethernet entre el campo y la nube (consulte la Figura 1).

Para reemplazar comunicación de 4 mA a 20 mA o bus de campo (Foundation Fieldbus o PROFIBUS^® PA) con Ethernet en aplicaciones de automatización de procesos, la alimentación y los datos deben suministrarse a los sensores o actuadores a través de un cable de par trenzado único blindado. Los cables de un solo par trenzado tienen la ventaja de ser más económicos, de menor tamaño y más fáciles de instalar en comparación con cables más complejos. La distancia entre los dispositivos de nivel de campo ha sido un desafío importante en las aplicaciones de automatización de procesos y las tecnologías de capa física de Industrial Ethernet actualmente están limitadas a 100 m. Con distancias de hasta 1 km requeridas en aplicaciones de automatización de procesos, junto con la necesidad de dispositivos de campo robustos y de muy baja potencia adecuados para su uso en aplicaciones de Zona 0 (intrínsecamente seguras), un nuevo enfoque para la tecnología de capa física Lograr Ethernet para la automatización de procesos. de viaje. . Este nuevo enfoque es 10BASE-T1L.

La capacidad básica de 10BASE-T1L es un esquema de comunicación punto a punto de CC balanceado y dúplex completo con modulación PAM 3 a una velocidad de símbolo de 7,5 MBd con codificación 4B3T. Admite dos modos de amplitud: 2,4 V pico a pico hasta 1000 m de cable y 1,0 V pico a pico a una distancia reducida. El modo de amplitud de pico a pico de 1,0 V significa que esta nueva tecnología de capa física también se puede utilizar en el entorno de sistemas a prueba de explosiones (a prueba de explosiones) y cumple con las limitaciones máximas de potencia máxima. Permite la transmisión de larga distancia a través de tecnología de 2 hilos con energía y datos a través de un solo cable de par trenzado y pertenece a la familia de medios Single Pair Ethernet (SPE).

10BASE-T1L permite un suministro de energía mucho mayor a los dispositivos de campo; hasta 500 mW en aplicaciones de Zona 0 (intrínsecamente seguras). Esto se compara con alrededor de 36mW con dispositivos de 4mA a 20mA. En aplicaciones que no son intrínsecamente seguras, es posible obtener hasta 60 W de potencia según el cable utilizado. Con mucha más potencia disponible en el borde de la red, se pueden habilitar nuevos dispositivos de campo con características y funciones mejoradas porque los límites de potencia y bus de campo de 4 mA a 20 mA ya no están en vigor. Por ejemplo, ahora es posible obtener métricas de mayor rendimiento y un mejor procesamiento de datos perimetrales con la potencia adicional. Esto desbloqueará valiosos conocimientos modificables del proceso a los que ahora se podrá acceder a través de un servidor web que se ejecuta en los dispositivos de campo (activos de campo), lo que en última instancia conducirá a mejoras y optimización del flujo de procesos y la gestión de activos.

Aprovechar el rico conjunto de datos que contiene esta valiosa información nueva requiere un enlace de comunicación de mayor ancho de banda para entregar el conjunto de datos desde los dispositivos de campo en toda la planta de proceso, a la infraestructura en la fábrica o a la nube para su procesamiento. 10BASE-T1L elimina la necesidad de puertas de enlace complejas que consumen mucha energía y permite la convergencia de redes Ethernet en redes de tecnología de la información (TI) y tecnología de operaciones (OT). Esta red convergente ofrece una instalación simplificada, un fácil reemplazo de dispositivos y un aprovisionamiento y configuración de red más rápidos. Esto da como resultado actualizaciones de software más rápidas con análisis de causa raíz simplificados y mantenimiento de dispositivos a nivel de campo.

Ventajas de una solución basada en Ethernet

Al converger a Ethernet como el método de comunicación en la empresa, el control y el nivel de campo en la automatización de procesos, se eliminó la necesidad de puertas de enlace complejas y que consumen mucha energía. También facilita la migración desde la infraestructura de bus de campo altamente fragmentada que ha creado islas de datos donde el acceso a los datos en los dispositivos de campo es limitado. Al eliminar estas puertas de enlace, el costo y la complejidad de estas instalaciones heredadas se reducen considerablemente y se eliminan las islas de datos que crearon.

Hasta ahora, las aplicaciones de automatización de procesos han utilizado los estándares de comunicación heredados que se muestran en la Tabla 1, que tienen algunas limitaciones que supera el nuevo estándar 10BASE-T1L. También existe un desafío de base de conocimientos en la automatización de procesos. A través de la jubilación, los técnicos e ingenieros dejan la fuerza laboral y se llevan consigo conocimientos detallados sobre cómo implementar, depurar y mantener instalaciones de 4 mA a 20 mA con HART.^® o sistemas de comunicación de bus de campo. Los graduados universitarios no están familiarizados con estas tecnologías heredadas, pero están muy familiarizados con la tecnología basada en Ethernet y pueden implementar rápidamente soluciones de red basadas en Ethernet.

Los estándares de Ethernet garantizan que todas las capas de protocolo superiores funcionen con 10BASE-T1L exactamente igual que con 10BASE-T, 100BASE-TX y 1000BASE-T, lo que elimina la necesidad de puertas de enlace complejas. IEEE 802.3 es donde se definen todas las capas físicas del modelo ISO de 7 capas para Ethernet: 10BASE-T1L (consulte la Figura 2). Esto significa que los dispositivos ahora pueden usar PROFINET^®ethernet^™/IP, HART/IP, OPCUA^™o MODBUS^®/TCP y admite protocolos IoT como MQTT, que proporciona una forma simple pero poderosa de conectar un dispositivo de campo a la nube. Ethernet permite actualizaciones de software simples y controladas de forma centralizada para puntos finales, lo que facilita una puesta en servicio de la red más rápida.

Para comunicarse con un dispositivo compatible con 10BASE-T1L, se requiere un procesador host con control de acceso a medios (MAC) integrado, un convertidor de medios pasivo o un conmutador con puertos 10BASE-T1L. No se requiere software adicional, pilas TCP/IP personalizadas ni controladores especiales (consulte la Figura 3). Esto se traduce en claras ventajas para los dispositivos 10BASE-T1L:

• Aunque se requiere un convertidor de medios para la conexión 10BASE-T1L, solo cambia la codificación física, no el contenido del paquete Ethernet. En términos de software y protocolos de comunicación, es transparente.
• Con conectividad Ethernet, los sensores se pueden configurar con una computadora portátil o un teléfono móvil, ya sea que el sensor esté en el escritorio o implementado en una planta de fabricación. Por ejemplo, un transmisor de temperatura hoy en día tiene una interfaz adicional (por ejemplo, en forma de USB), para ser capaz de configurar el convertidor. Según el fabricante, hay más de 100 opciones de ajuste. Estos parámetros solo están disponibles a través de 4 mA a 20 mA en la actualidad. HART permite el acceso, pero a menudo no está disponible por razones de costo. Por lo tanto, si se cometió un error durante la configuración en la oficina, será necesario reconfigurar un sensor de 4 mA a 20 mA después de la instalación de campo. Se puede acceder a un sensor conectado a 10BASE-T1L a través de la red y se puede actualizar de forma remota en cualquier lugar y en cualquier momento.
• Los dispositivos de 4 mA a 20 mA pueden transmitir solo un valor de proceso. Ethernet proporciona acceso directo no solo a los valores de procesamiento, sino también a todos los parámetros del dispositivo, como la gestión de activos, la gestión del ciclo de vida, el mantenimiento predictivo, la configuración y la parametrización.
• Los sensores son cada vez más complejos y la probabilidad de actualizaciones de software es cada vez mayor. Esto ahora es posible dentro de marcos de tiempo realistas a través de una conexión Ethernet rápida, en cualquier lugar y en cualquier momento.
• Acceso a herramientas avanzadas de diagnóstico de red Ethernet para simplificar el análisis de causa raíz.

Cableado de automatización de procesos e implementación de redes

En la automatización de procesos, a diferencia de la construcción de maquinaria o la automatización de fábricas, los sensores y actuadores (flujo, nivel, presión y temperatura) no están ubicados cerca del controlador. Las distancias de 200 m entre los sensores y las E/S no son infrecuentes y desde allí puede haber hasta 1000 m entre los interruptores de campo. La automatización de procesos utiliza un cable de bus de campo de tipo A, como ya se utiliza actualmente para las instalaciones de PROFIBUS PA y Foundation Fieldbus.

El estándar 10BASE-T1L no define un medio de transmisión específico (cable); más bien, define un modelo de canal (requisitos de pérdida de retorno y pérdida de inserción). El modelo de canal 10BASE-T1L se adapta bien al cable de bus de campo tipo A, por lo que algunos cables instalados de 4 mA a 20 mA se pueden reutilizar con 10BASE-T1L, lo que crea importantes oportunidades para actualizar las instalaciones de automatización de procesos.

Debido a que 10BASE-T1L permite que el voltaje de amplitud de la señal se reduzca a 1 V en líneas de hasta 200 m, 10BASE-T1L puede usarse en el entorno de sistemas a prueba de explosiones y cumplir con las estrictas restricciones de energía máxima en áreas peligrosas hasta. 500 mW de potencia.

Con el aumento significativo en la potencia de 4 mA a 20 mA (500 mW frente a ~36 mW), los dispositivos de 4 hilos de hoy en día que requieren alimentación externa debido a la potencia limitada de 4 mA a 20 mA ahora se pueden reemplazar con dispositivos de 2 hilos habilitados para 10BASE-T1L. , proporcionando una mayor flexibilidad de instalación para nuevos dispositivos al eliminar la necesidad de una fuente de alimentación externa.

La Figura 4 muestra la topología de red propuesta para la industria de procesos, conocida como topología de red troncal y de sucursales. Los cables troncales pueden tener una longitud de hasta 1 km con un PHY de 2,4 V de pico a pico y residir en la Zona 1, División 2. Los cables de derivación pueden tener una longitud de hasta 200 m con un PHY de 1,0 V de pico a pico y reside en la Zona 0, División 1. Un interruptor de alimentación reside en el nivel de control, proporciona la funcionalidad de transferencia Ethernet y suministra energía al cable (en las líneas de datos). Los interruptores de campo residen a nivel del suelo en el área peligrosa y son alimentados por el cable. Los conmutadores de campo brindan la funcionalidad de un conmutador Ethernet que conecta los dispositivos de nivel de campo en las líneas secundarias al troncal y pasa la energía a los dispositivos de nivel de campo. Los conmutadores de rango múltiple están conectados en un cable troncal para proporcionar la gran cantidad de dispositivos de nivel de campo que se conectarán a la red.

Los switches de campo se pueden conectar en una topología de anillo para proporcionar redundancia. En el perímetro, hasta 10 Mbps son excelentes para la mayoría de las aplicaciones que anteriormente estaban limitadas a velocidades de datos por debajo de 30 kbps. Dado que Ethernet ahora se usa para conectar dispositivos de nodo final a nivel de campo, TI y OT convergieron con éxito en una red Ethernet transparente, lo que permite la direccionabilidad IP a cualquier dispositivo de nodo final desde cualquier lugar del mundo.

Ethernet-APL con 10BASE-T1L

Ethernet-APL (Advanced Physical Layer) detalla la implementación de la comunicación Ethernet en sensores y actuadores para la industria de procesos y se publicará bajo IEC. Se basa en el estándar de capa física Ethernet 10BASE-T1L y especifica métodos de implementación y protección contra explosiones para uso en áreas peligrosas. Empresas líderes en automatización de procesos trabajan juntas bajo el paraguas de PROFIBUS y PROFINET International (PI), ODVA, Inc. y FieldComm Group^® para hacer que Ethernet-APL funcione en los protocolos de Ethernet industrial y acelerar su implementación.

Automatización de procesos: Transición a la conectividad Ethernet continua del futuro

La conexión de 4 mA a 20 mA con HART se ha utilizado con éxito en aplicaciones de automatización de procesos durante muchos años y es una solución comprobada y sólida que no desaparecerá de la noche a la mañana. Ya existe una gran base de instalación de 4 mA a 20 mA con instrumentos compatibles con HART y Analog Devices está invirtiendo en E/S configurables por software, lo que permite una mayor flexibilidad de instalación para estos dispositivos actuales al tener acceso a cualquier función de E/S industrial en cualquier pin, lo que permite canales para ser configurados en cualquier momento en aplicaciones de E/S remotas. Esto significa que la personalización se puede realizar en el momento de la instalación, lo que da como resultado un tiempo de comercialización más rápido, menos recursos de diseño y productos universales que se pueden aprovechar ampliamente entre proyectos y clientes. Ejemplos de circuitos de E/S programables por software de Analog Devices son AD74413 y AD4110-1.

La Figura 5 muestra la transición de los instrumentos conectados de 4 mA a 20 mA más antiguos a una red Ethernet fuera de servicio, donde los nuevos instrumentos compatibles con 10BASE-T1L acompañarán a los instrumentos de 4 mA a 20 mA más antiguos. La E/S configurada por software conecta estos instrumentos heredados donde la E/S remota proporciona el punto de agregación a una conexión Ethernet de 10 Mb al PLC.

Con la tecnología 10BASE-T1L se logrará una conectividad fluida del borde a la nube en la automatización de procesos. 10BASE-T1L elimina la necesidad de puertas de enlace y E/S, al tiempo que permite la conectividad Ethernet desde los dispositivos de campo hasta la capa de control y, en última instancia, hasta la nube. El desbloqueo de dispositivos de campo dará como resultado conjuntos de datos ricos para análisis de datos avanzados.

Aplicaciones 10BASE-T1L sobre automatización de procesos

10BASE-T1L ahora está avanzando en la automatización de edificios, la automatización de la construcción, las fábricas, el suministro de energía, la vigilancia, la automatización de acuíferos y el tratamiento de aguas residuales y, finalmente, los ascensores. Todas estas aplicaciones comparten los requisitos de mayor ancho de banda, conectividad Ethernet transparente (sin puertas) al sensor, a través de un solo cable de par trenzado que admite alimentación y datos. La Tabla 2 compara 10BASE-T1L con las tecnologías de cableado heredadas que se utilizan en la actualidad. Los ejemplos de aplicación incluyen el RS-485 utilizado en la automatización de edificios y la conexión de E/S utilizada en la automatización de fábricas.

Los dispositivos 10BASE-T1L crean información procesable para optimizar los procesos

Para agregar productos de capa física 10BASE-T1L a Analog Devices^™ cartera de soluciones de Ethernet industrial, ADI permitirá la transición a instalaciones de automatización de procesos conectados desde el campo a la nube, incluidas ubicaciones peligrosas para instalaciones de alimentos y bebidas, farmacéuticas, de petróleo y gas. El nuevo transceptor de capa física 10BASE-T1L, el ADIN1100, proporcionará la interfaz de capa física para desbloquear los muchos beneficios de una fábrica de conexiones Ethernet. Con 10BASE-T1L, los paquetes de Ethernet pasan del nivel de campo al nivel de control y finalmente a la nube, sin puertas de enlace, logrando los objetivos de una red unificada de TI/TO Industria 4.0. Con una potencia significativamente mayor disponible, se pueden habilitar nuevos tipos de dispositivos de campo con características y funciones mejoradas aprovechando ADI MAC PHY (ADIN1110). La direccionabilidad IP transparente de todos los dispositivos de nivel de campo simplificará en gran medida la instalación, configuración y mantenimiento de los instrumentos conectados 10BASE-T1L. 10BASE-T1L desbloqueará nuevos dispositivos de campo, ricos conjuntos de datos para computación en la nube y análisis de datos avanzados. El acceso a información procesable de sus procesos aumentará la eficiencia operativa de la planta, acelerando el uso de instalaciones de producción de automatización de procesos más complejas en el futuro.

Qué soluciones están disponibles hoy

ADI ha ampliado su cartera ADI Chronous con nuevas ofertas que brindan conectividad Ethernet 10BASE-T1L robusta y de largo alcance para aplicaciones de procesamiento y automatización de edificios. Las nuevas soluciones Industrial Ethernet están disponibles en dos opciones flexibles, MAC PHY (ADIN1110) y PHY (ADIN1100). El ADIN1110 permite el diseño de sistema de menor potencia en la industria, lo que simplifica las actualizaciones de Ethernet en instrumentos de campo, sensores o actuadores, y preserva las inversiones existentes en software y tecnología de procesador. La exclusiva tecnología MAC-PHY de ADI proporciona una interfaz SPI para procesadores de ultra bajo consumo sin un MAC integrado, para permitir un menor consumo general de energía del sistema. El ADIN1100 proporciona interfaces Ethernet estándar y admite el uso en diseños más complejos, como desarrollos de conmutadores de campo. Las soluciones ADIN1100 y ADIN1110 10BASE-T1L de ADI pueden transferir datos a lo largo de 1,7 km de cables de un solo par trenzado con un consumo de energía de solo 39 mW y 43 mW, respectivamente. Power over Ethernet (SPoE) de par único o soluciones de energía diseñadas combinadas con 10BASE-T1L PHY o MAC-PHY brindan energía y datos a través de un solo cable de par trenzado.

Para obtener más información sobre la cartera de soluciones Industrial Ethernet de ADI Chronous y cómo están acelerando la transición a verdaderas redes Industrial Ethernet, visite analog.com/chronous.