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Entendiendo las redes industriales: Bus de campo y -20mA en la era del IoT

Conozca por qué las comunicaciones de bus de campo y 4-20 mA siguen siendo relevantes a pesar de la proliferación de comunicaciones basadas en Ethernet en medio de la transformación digital de la industria.

Fieldbus 4 20m A

Por James Koelsch

¿Cuál será el destino del bus de campo y las comunicaciones de red de 4-20 mA frente al creciente uso de Ethernet en las redes industriales? Esta es una pregunta que muchos se hacen a medida que Ethernet industrial reemplaza rápidamente las tecnologías heredadas que alguna vez dominaron las redes industriales.

En las industrias de fabricación discreta, por ejemplo, la transición de bus de campo a Ethernet industrial está muy avanzada. “Ha estado ocurriendo rápidamente durante la última década y no parece estar desacelerándose”, informa Michael Bowne, director ejecutivo de PI North America (la organización que apoya a Profibus y Profinet).

Como evidencia de su punto sobre el uso cada vez mayor de Ethernet, Bowne señala los recuentos anuales de nodos que PI realiza para los dispositivos Profinet y Profibus utilizados en la automatización de fábricas. “Había 8,5 millones de dispositivos Profinet (Ethernet industrial) instalados en 2021, la cifra anual más grande hasta ahora”, dice. Por el contrario, se instalaron 1,5 millones de dispositivos Profibus (fieldbus). Esto equivale a casi seis dispositivos Profinet instalados por cada dispositivo Profibus.

No fue hace mucho tiempo cuando sucedió lo contrario. “2016 fue el primer año en que se instalaron más dispositivos Profinet que Profibus”, señala Bowne. “En 2007, se vendió un dispositivo Profinet por cada 15 dispositivos Profibus”.

A pesar de tales avances en la fabricación discreta, la transición a Ethernet se ha desarrollado mucho más lentamente en las industrias de procesos. Bowne informa que la transición de bus de campo y 4-20 mA a Ethernet industrial apenas está comenzando.

Una de las principales razones del lento comienzo ha sido la seguridad, una preocupación aliviada recientemente por el desarrollo de Ethernet-APL (capa física avanzada), una versión de Ethernet diseñada para entornos peligrosos. “Con Ethernet-APL, ahora existe una capa física intrínsecamente segura para Ethernet que permite la conexión directa a instrumentos en áreas potencialmente explosivas”, explica Bowne. “Ethernet-APL está destinado a ser un cambio de paso significativo en las capacidades de las redes de automatización de procesos, un cambio que hace mucho que se debió”.

Ethernet-APL es una extensión de la especificación para Ethernet de un solo par (SPE) basada en 10BASET-1L. No solo es compatible con todos los protocolos basados ​​en Ethernet, sino que también proporciona alimentación y comunicaciones a través de cables IEC 61158-2 Tipo A que pueden tener una longitud de hasta 1000 metros. Para la protección intrínseca contra ignición, los dispositivos Ethernet-APL siguen los parámetros eléctricos definidos en IEC TS 60079-47, la especificación técnica Ethernet intrínsecamente segura (2-WISE).

Por lo tanto, los usuarios de las industrias discreta y de procesos pueden beneficiarse de la mayor velocidad y ancho de banda que ofrece Ethernet industrial. Esta mayor velocidad y capacidad puede optimizar tanto la conectividad como el flujo de cada vez más datos de diagnóstico y pronóstico. “Cuando se aprovecha adecuadamente, esta información adicional puede generar ganancias significativas en el rendimiento, la calidad y la reducción de costos”, señala Steve Fales, director de marketing de ODVA (el grupo que respalda EtherNet/IP, DeviceNet y el Protocolo Industrial Común).

Por estas razones, Fales y otros ven que las comunicaciones de bus de campo y 4-20 mA dan paso a Ethernet industrial en la mayoría de las instalaciones nuevas. “La balanza generalmente se inclinará hacia Ethernet industrial para una nueva línea de fabricación discreta o una isla de automatización en una instalación de proceso”, dice Fales.

En respuesta, las organizaciones de estándares de bus de campo se han pasado a Ethernet. “Las topologías en serie de numerosas organizaciones se han vuelto basadas en Ethernet”, observa Arnold Offner, gerente de marketing estratégico, infraestructura de automatización de Phoenix Contact. Señala la adición de FieldComm Group de HART-IP, PI y Profinet (mencionado anteriormente), y el mayor enfoque de ODVA en EtherNet/IP.

El FL ComServer UNI 232/422/485 de Phoenix Contact convierte una interfaz serial 232/422/485 heredada a Ethernet.El FL ComServer UNI 232/422/485 de Phoenix Contact convierte una interfaz serial 232/422/485 heredada a Ethernet.Foto cortesía de Phoenix Contact

Reemplazado, pero no borrado

¿Significa esto que los dispositivos Ethernet eventualmente reemplazarán las redes de bus de campo y de 4-20 mA? “Sí, pero los proveedores y los usuarios finales tardarán un tiempo en sincronizar el reemplazo de la tecnología existente porque la base instalada es muy grande”, predice Tom Burke, director de estándares globales de CC-Link Partner Association Americas. “Ha habido mucha inversión [en estas tecnologías heredadas], por lo que tiene que haber un retorno de la inversión significativo para justificar su reemplazo”.

“Aunque la diferencia de costos entre las tecnologías heredadas y las nuevas es nominal, es difícil justificar la eliminación y el reemplazo de los dispositivos de automatización industrial existentes”, agrega Fales. Comprar nuevos dispositivos para reemplazar los existentes que están haciendo el trabajo y luego cerrar la producción el tiempo suficiente para hacer el cambio no tiene mucho sentido económico, especialmente cuando los presupuestos de capital son limitados.

 

En las industrias de procesos, otro factor limitante es la novedad de Ethernet-APL. Tendrá que pasar algún tiempo antes de que suficientes fabricantes de dispositivos incorporen la nueva capa física Ethernet-APL en sus productos. “Un número significativo de proveedores debe hacer esto para crear un ecosistema de productos que permita a los usuarios finales construir plantas y redes”, explica Bowne.

Otro salvavidas para las comunicaciones de bus de campo y 4-20 mA ha sido el desarrollo de puertas de enlace y traductores capaces de enviar datos a redes Ethernet. Estos dispositivos permiten extraer datos de redes heredadas y, al mismo tiempo, enviar esos datos al borde o a la nube para su monitoreo y análisis. “Ayudan a mantener las instalaciones existentes integradas en la red de control más amplia y, por lo tanto, permiten que estas redes heredadas permanezcan en servicio siempre que los proveedores estén dispuestos a fabricar repuestos para los dispositivos”, dice Fales.

Offner, de Phoenix Contact, cree que los proveedores de automatización seguirán admitiendo la tecnología de bus de campo y de 4-20 mA con repuestos y servicios durante bastante tiempo. “Todavía tenemos aplicaciones que usan neumática que fueron reemplazadas por los circuitos de bucle de 4-20 mA hechos con transistores”, señala.

Desatando datos varados

Irónicamente, la evolución de la tecnología de automatización podría ayudar a prolongar la vida útil de las tecnologías de bus de campo y de 4-20 mA. “Ellas [las redes heredadas] seguirán encontrando uso ya que los dispositivos digitales más nuevos que usan Ethernet incluyen su capacidad”, predice Offner.

Por tales razones, Ted Masters, presidente y CEO de FieldComm Group, piensa que el bus de campo tradicional y 4-20mA siempre tendrán un lugar en las redes industriales. “Incluso en esta era de digitalización, los usuarios finales no están extrayendo dispositivos de campo”, dice. “En cambio, están protegiendo sus inversiones al encontrar formas de liberar los valiosos datos varados dentro de estos dispositivos”.

Para Masters, el desafío es hacer esto de manera que apoye la digitalización. Además de utilizar puertas de enlace y traductores, otro método consiste en actualizar señales de 4-20 mA con el protocolo HART. “Los enfoques digitales de mayor velocidad para acceder a datos de 4-20 mA pueden utilizar tecnologías como HART-IP y WirelessHART”, dice Masters.

Debido a que el protocolo HART puede superponerse al cableado existente de 4-20 mA, no es necesario realizar cambios en la infraestructura de conectividad. Además, muchos instrumentos y sistemas host ya son compatibles con HART de forma nativa, y aquellos que no lo son pueden agregar la funcionalidad HART con adaptadores y otros dispositivos. “Esto hace que sea más fácil y rentable unir estos datos a aplicaciones que están en las instalaciones o basadas en la nube para crear valor”, señala Masters.

 

Otra forma de ayudar a la tecnología de bus de campo y de 4-20 mA a respaldar la digitalización es simplificar la integración de los dispositivos de campo. Debido a que las redes industriales continúan incluyendo una variedad de capas físicas que abordan Ethernet, así como bus de campo y cableado de 4-20 mA, FieldComm Group está colaborando con FDT Group, PI y OPC Foundation para desarrollar una nueva tecnología de integración de dispositivos de campo (FDI).

FDI proporciona un enfoque común para integrar información de dispositivos de campo inteligentes en sistemas de control/automatización y gestión de activos de nivel superior para configuración, puesta en servicio, diagnóstico, calibración y otras tareas. Para estar abierto para su uso en diferentes protocolos y tipos de red, también incluye parte del modelo de arquitectura abierta NAMUR y admite protocolos de automatización nuevos y existentes. “La tecnología FDI ha sido un hito importante para simplificar el acceso a los datos de los dispositivos de campo de forma estándar, independientemente del protocolo de comunicación”, señala Masters.

La mejor opción para el trabajo

Otra razón por la que las comunicaciones de bus de campo y de 4-20 mA seguirán siendo relevantes durante mucho tiempo es que siguen siendo suficientes para algunos trabajos. Un ejemplo es una báscula de pesaje simple que informa solo el peso a través del bus de campo. En tales casos, la capacidad de Ethernet para acomodar comunicaciones de múltiples dispositivos en un solo cable es innecesaria. “Las conexiones punto a punto simples son más que suficientes”, señala Burke. “Proporcionan suficiente ancho de banda para que los dispositivos funcionen”.

El acoplador de bus de campo EtherNet/IP 750-366 de Wago detecta todos los módulos de E/S conectados y crea una imagen de proceso local. Dos interfaces Ethernet y un conmutador integrado permiten conectar el bus de campo en una topología de línea, lo que elimina la necesidad de dispositivos de red adicionales, como conmutadores o concentradores.El acoplador de bus de campo EtherNet/IP 750-366 de Wago detecta todos los módulos de E/S conectados y crea una imagen de proceso local. Dos interfaces Ethernet y un conmutador integrado permiten conectar el bus de campo en una topología de línea, lo que elimina la necesidad de dispositivos de red adicionales, como conmutadores o concentradores.Foto cortesía Wago

Por lo general, los usuarios que desean extraer más información de los dispositivos de la planta enviarán datos a un PLC y los almacenarán en la memoria. De esta manera, el “PLC sirve como una especie de federación de datos porque agrega datos de todos estos dispositivos diferentes”, dice Burke.

Los estándares abiertos también han ayudado a transferir datos de bus de campo a aplicaciones de nivel superior en la red. “En 1995, OPC básicamente resolvió el problema de poder capturar datos de todos estos dispositivos diferentes y enviarlos a aplicaciones cliente, como los típicos sistemas HMI a pequeña escala o incluso Microsoft Excel”, explica Burke. Desde entonces, las empresas usuarias y los consorcios de la industria han desarrollado modelos de datos y convenciones de nomenclatura para acceder a los datos desde dispositivos dispares en la red.

Estas arquitecturas punto a punto proporcionan a muchas instalaciones de fabricación la conectividad que necesitan. “Por lo tanto, siempre que puedan agregar los datos y conectarse a algo para sacar los datos, no ven ningún valor significativo en reemplazar su red actual”, dice Burke.

De hecho, muchas de estas instalaciones, especialmente las más pequeñas, desconfían de buscar tecnologías que impulsen la transformación digital. Una de las razones es que no saben cómo evaluar el valor de convertir los datos en información procesable para justificar la remodelación de sus instalaciones existentes. Otra razón es que a menudo no tienen la experiencia técnica ni la comprensión interna. “Sin embargo, con el tiempo, las personas comenzarán a comprender los beneficios de usar [mayores niveles de] información y aprovechar los historiadores en muchas de estas pequeñas instalaciones de fabricación”, dice Burke.

Más allá de estas razones, existen al menos dos tipos de casos de uso que seguirán favoreciendo las comunicaciones de bus de campo y de 4-20 mA. La primera es cuando el trabajo requiere un dispositivo específico que aún no está disponible con una interfaz Ethernet industrial. “Si bien casi todos los proveedores de dispositivos en 2022 ofrecen dispositivos con opciones de interfaz de bus de campo y Ethernet industrial, algunos todavía solo tienen comunicaciones analógicas o de bus de campo”, observa Bowne. Aquí, los usuarios que deseen conectar estos dispositivos a redes Ethernet deberán implementar puertas de enlace para traducir los datos.

PI ha llevado esto un paso más allá con un concepto de proxy. “Los proxies son como puertas de enlace en el sentido de que conectan redes dispares”, explica Bowne. “Pero a diferencia de las puertas de enlace, el mapeo de datos se define en una especificación”. Debido a que los datos se traducen de acuerdo con la especificación del proxy, los datos siempre tienen el mismo aspecto, incluso si ingresan a Profinet desde Profibus o algún otro bus de campo heredado. Este concepto permite migrar a Profinet de forma gradual e instalar una nueva red Profinet sin perder el acceso a los datos de los sistemas heredados.

El segundo caso de uso para continuar instalando bus de campo o 4-20mA ocurre en el mercado de automatización de procesos cuando la aplicación requiere seguridad intrínseca. Aquí, un bus de campo suele ser la solución preferida. Sin embargo, a medida que Ethernet-APL esté más disponible, Bowne espera que reemplace lentamente a los buses de campo en tales casos.