Sincronización horaria y rendimiento en tiempo real en las soluciones Ethernet
Ethernet ofrece un mayor nivel de ancho de banda y más actualizaciones de la capa física para las redes digitales que ya soportan las conexiones RS-485, RS-422 y RS-232 en los sistemas de bus de campo, como Modbus® RTU y DeviceNet. En este sentido, la transición del bus de campo a Ethernet fue más factible que la transición anterior (y en algunos casos en curso) de las conexiones analógicas punto a punto de 4mA a 20mA al bus de campo. Sin embargo, el indeterminismo de Ethernet seguía siendo un obstáculo.
En los años 90, la industria de la automatización empezó a explorar formas de sortear este obstáculo central mediante el desarrollo de protocolos de Ethernet industrial como Modbus TCP y EtherNet/IP®. Estas soluciones incorporan la capa física de Ethernet, así como una pila TCP/IP, que en conjunto pueden transportar datos organizados de una manera estándar definida por el protocolo de nivel de aplicación concreto.1
Por ejemplo, EtherNet/IP utiliza el fiable protocolo industrial común que comparten DeviceNet, ControlNet y CompoNet sobre una infraestructura Ethernet estándar para facilitar el determinismo, además de permitir una fácil conexión desde la planta de producción hasta los departamentos de TI de las empresas.2 Además, puede implementarse en los niveles de información y control en una arquitectura de automatización multinivel, como se explica en un libro blanco de Rockwell Automation.3
La sincronización horaria ha sido una preocupación secundaria en muchas redes informáticas hasta hace poco. Muchos otros protocolos de automatización basados en Ethernet, así como adiciones a la norma IEEE 802.1, como la pasarela de audio-vídeo, han surgido de años de trabajo de adaptación de Ethernet a contextos industriales y de automoción. Todavía queda trabajo por hacer para sentar las bases del emergente Internet Industrial de las Cosas y su uso continuado en la industria de la automatización general.
Regreso al futuro: cómo la vieja cuestión del tiempo será vital para la nueva IIoT
Como se señaló en un tutorial sobre Ethernet determinista presentado por Michael Johas Teener, de Broadcom, las redes informáticas se han diseñado durante mucho tiempo para transportar la mayor cantidad de información posible, y la sincronización del tiempo es sólo una preocupación secundaria.4 La especificación de la red carecía de mecanismos para rastrear eventos en dispositivos remotos, a menos que se utilizaran soluciones fuera de banda, como las basadas en receptores GPS.
Hasta ahora, la solución ha sido generalmente confiar en el intercambio de paquetes en protocolos heredados, como el Protocolo de Tiempo de Red (recientemente en las noticias por su explotación en ataques de denegación de servicio). Sin embargo, este enfoque tiene sus inconvenientes. En el caso de NTP, en particular, lo ideal es un evento de software del kernel/driver lo más cercano posible al hardware, pero no está bien controlado; sólo es posible una precisión de milisegundos.
Es preferible un evento en la capa física de Ethernet; en este caso se podría conseguir una precisión de sub-microsegundos. El Protocolo de Tiempo de Precisión IEEE 1588 se propuso originalmente en gran medida para superar las deficiencias del NTP y del Protocolo de Tiempo Simple, así como la costosa gestión del OOB. La optimización para las redes Ethernet TCP/IP también fue una especificación importante para el PTP.
El Instituto Nacional de Normas y Tecnología señaló la necesidad de contar con señales de sincronización superiores para apoyar la interconexión de más dispositivos en el Internet de las Cosas. Un informe del NIST de febrero de 2015 describió los problemas asociados al enfoque tradicional de la transferencia de datos frente a la sincronización estricta.5
"Una nueva economía basada en el crecimiento masivo de puntos finales en Internet requerirá una sincronización precisa y verificable de una manera que los sistemas actuales no admiten", dice el resumen ejecutivo del informe. "Las aplicaciones, los ordenadores y los sistemas de comunicación se han desarrollado con módulos y capas que optimizan el procesamiento de los datos pero degradan la precisión de la sincronización"
El PTP puede lograr una temporización de menos de 100 nanosegundos si la arquitectura de la red es totalmente compatible con el IEEE 1588. El cumplimiento implica un conmutador Ethernet, un esclavo PTP y un gran maestro PTP equipado con GPS. Utilizando un satélite GPS, el gran maestro puede resolver con precisión las marcas de tiempo y también controlar un oscilador local que sirve como reloj de referencia para el hardware dedicado en la red.6
La incorporación del PTP a los protocolos de Ethernet industrial ya está en marcha:
- EtherNet/IP incluye CIP Sync, una extensión CIP que ayuda a EtherNet/IP a manejar secuencias de eventos exigentes en aplicaciones de movimiento7
- PROFINET® facilita la eficiencia del ancho de banda mediante un sistema de reloj distribuido y sincronizado que cumple la norma IEEE 1588
Otros protocolos como EtherCAT® tienen sus propios mecanismos de sincronización que consiguen resultados similares al PTP. En el futuro, el PTP y sus similares serán esenciales para garantizar que los sistemas de automatización y control puedan proporcionar tanto un rendimiento en tiempo real como una sincronización precisa para las aplicaciones críticas.
Referencias
1 "módulos de E/S de Ethernet Industrial 10/100M con Modbus." Acromag, 2005.
2 "Comprender la velocidad y el determinismo de Ethernet." Mundo de la Automatización, 2011.
3 Paul Brooks. "EtherNet/IP: Libro Blanco del Protocolo Industrial." Rockwell Automation, 2001.
4 "Ethernet determinista." IEEE, 2012.
5 Marc A. Weiss, John Eidson, Charles Barry, David Broman, Bob Iannucci, Edward A. Lee, Kevin Stanton, Sr, y Leon Goldin. "Aplicaciones sensibles al tiempo, ordenadores y sistemas de comunicación (TAACCS)." Publicaciones del NIST, 2015.
6 Michael Korreng, "Sincronización del protocolo de sincronización de precisión IEEE-1588" Libro de Ethernet Industrialnúmero 78, 2013.
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