SPE: La tendencia en la transmisión de datos industriales

Desde hace tiempo venimos escuchando el concepto SPE (Single Pair Ethernet), un nuevo estándar de comunicación enfocado a infraestructura de IIoT y la Industria 4.0, del sensor al cloud. Para poder comprender las aplicaciones y ventajas de reducir el cableado de datos a un único par de hilos, vamos a explicar la historia de Ethernet y de la automatización industrial.

Como protocolo de software no estandarizado, Ethernet se desarrolló en los años 70 para la transmisión interna y localmente limitada de paquetes de datos en redes de ordenadores por cable (LAN - Local Area Network). El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) definió el protocolo de software y la capa física (incluyendo interfaces físicos como conectores y cables) en las dos décadas siguientes y sentó las bases para el Internet moderno con la introducción de varios protocolos como el 802.4 (Token Bus), el 802.5 (Token Ring) y finalmente el 802.11 (WLAN).

Lenguaje común

Paralelamente, la tecnología de bus de campo se desarrolló en los años 80, impulsada por el uso creciente de la tecnología de automatización. La idea básica era la misma: los diferentes participantes en la comunicación deben comunicarse entre sí de manera ordenada y en un sistema común. Sin embargo, los distintos protocolos de buses de campo, como Interbus, DeviceNet y Profibus, no se utilizaron para conectar en red ordenadores a nivel de empresa, sino para la conexión en serie o en paralelo de sensores y actuadores al nivel de gestión y de control.

Finalmente, el desarrollo paralelo de los dos protocolos de transmisión estableció la estructura de la pirámide de automatización que sigue siendo válida hoy en día. Los niveles más altos representan redes informáticas limitadas localmente que se utilizan para la planificación de la producción detallada y global. Los niveles inferiores comprenden la transmisión de señales, datos y potencia para el registro, control y regulación del proceso físico de producción.

La forma de la pirámide se debe principalmente a la disposición jerárquico-lógica de los diferentes niveles. Sin embargo, también representa las condiciones marco previamente válidas para la transmisión de datos industriales: Altas velocidades de transmisión y distancias cortas a través de Ethernet, bajas velocidades de transmisión y largas distancias a través del bus de campo.

Revolucionando

Ethernet industrial y en especial Single Pair Ethernet están revolucionando esta pirámide de automatización. Con el desarrollo de protocolos basados en Ethernet como EtherNet/IP, Profinet o EtherCAT, se introdujo la transmisión de datos en tiempo real desde el nivel de la empresa hasta el nivel de campo.

Los interfaces físicos se hicieron más potentes, pero también más complejos en términos eléctricos, ya que había que proteger la transmisión de datos de elementos como la suciedad, las vibraciones y la radiación electromagnética. Por ello, los fabricantes de la tecnología de conexión desarrollaron interfaces Ethernet especiales con protección IP6x para cumplir con estos requisitos cada vez mayores a nivel de campo. Para la cúspide de la pirámide de automatización, tanto a nivel empresarial como operativo, las soluciones IP20 seguían siendo suficientes.

Transmisión de datos “al cuadrado”

Hasta ahora, los esfuerzos de estandarización se han limitado a velocidades de datos cada vez más altas y a mayores exigencias en la tecnología del cableado. Estos requisitos fueron definidos por clases de rendimiento cada vez más altas en el cableado basado en cobre - las Categorías (Cat).

El Single Pair Ethernet no define de nuevo anchos de banda o distancias de transmisión mayores, sino que constituye el marco normativo para un cableado reducido que se adapte a la aplicación. Las normas IEC 63171-2 (IP20) e IEC 63171-5 (IP67) se centran en velocidades de transmisión más bajas de 10 a 100 Mbps. Sin embargo, el cableado de datos con un único par de hilos permite distancias de transmisión de hasta 1000 metros. Así, por primera vez, el SPE se puede usar en áreas de aplicación y aplicaciones en las que el Ethernet convencional no se ha podido usar hasta la fecha, por ejemplo en la tecnología de procesos .

La ventaja para los operadores de la planta: el cableado de datos puede realizarse de forma continua en base al protocolo Ethernet, por ejemplo, en diferentes entornos se pueden utilizar interfaces y caras enchufables de los conectores idénticos.

Otra ventaja es que los interfaces de un único par son considerablemente más compactos que los conectores de dispositivos de dos o cuatro pares y que los conectores para cable. De este modo,el SPE apoya la tendencia continua hacia dispositivos compactos y descentralizados en la automatización industrial, la industria de procesos, la automatización de edificios y las aplicaciones de telecomunicaciones e infraestructura. De este modo, el SPE se puede convertir en el ADN del Internet industrial de las cosas (IIoT).

Interface del conector, de reconocida fiabilidad

Para asegurar la compatibilidad consistente de todos los interfaces, el IEEE ha formado grupos de trabajo para la descripción normativa de diferentes aplicaciones con velocidades de transmisión de 10, 100 y 1000 Mbps. Ya se han adoptado las normas para 100-Base-T1 y 1000-Base-T1, y se espera que las normas 10-Base-T1 sigan en el tercer trimestre de 2019.

Phoenix Contact es uno de los principales impulsores de la estandarización de los interfaces correspondientes. Junto con los socios de mercado Reichle & De-Massari y Weidmüller, el especialista en tecnología de conexión desarrolla los interfaces de los conectores protegidos y no protegidos para cables de un sólo par y de cuatro pares. El modelo MICE describe su robustez mecánica (M1 o M2/3), protección IP (I1 o I2/3), resistencia química y climática (C1 o C2/3) y seguridad electromagnética (E1 o E2/3).

Los conectores compactos son ideales para el cableado eficiente de los numerosos participantes de la comunicación, ya sea a través de un sólo par de cables o a través de cuatro pares de cables para cuatro participantes que comparten una línea y un interface común. Gracias al interface común, se pueden mezclar conceptos de cableado de uno y cuatro pares, así como soluciones IP20 e IP6x. Las posibles aplicaciones son la división de los conceptos de cableado de ocho hilos en cuatro pares SPE individuales para cuatro participantes de comunicación diferentes, o el dimensionado de pares individuales dentro de las interfaces de dispositivos de ocho hilos. La tecnología de dos hilos también permite la alimentación de dispositivos terminales con salidas de hasta 60 vatios a través del mismo par de hilos (Power over Data Line - PoDL).

El futuro de la tecnología de la comunicación

El SPE no puede considerarse una mega tendencia en la transmisión de datos industriales independiente de otros esfuerzos de normalización. El marco básico para el futuro de la tecnología de la comunicación industrial se está creando paralelamente en varios comités y proyectos. Los nuevos estándares de comunicación, como el Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA), Time-Sensitive Networking (TSN) y el 5G forman la base para una conexión continua a la red desde el sensor, pasando por la máquina y los sistemas de nivel superior hasta la nube.

Los nuevos estándares superarán a los protocolos e interfaces existentes en términos de coste, rendimiento de datos y latencia. Como líder tecnológico con más de 30 años de experiencia en comunicación industrial, Phoenix Contact participa activamente en todos los comités de normalización relevantes. El objetivo: nada menos que un nuevo estándar de comunicación para la automatización independiente del fabricante.

Hoy en día, OPC UA ya sirve como un estándar de comunicación superpuesto en las plantas. El OPC UA se está ampliando ahora con perfiles de aplicación estandarizados en el campo, por ejemplo, para aplicaciones de E/S, seguridad o accionamiento. Además, se definen modelos de equipos estandarizados para una configuración y diagnóstico uniformes de los equipos de la red.

Murrelektronik cree que la conexión de dos cables a través de Ethernet de par único ofrece ventajas decisivas. "La conexión electrónica en máquinas y sistemas se está volviendo más económica y eficiente. Al incorporar la tecnología SPE en el mundo relevante de estándares y la transmisión simultánea de energía y datos, esta tecnología tiene el potencial de convertirse en la columna vertebral de la Internet de las Cosas Industrial en el futuro ", explica Jürgen Zeltwanger,Director Gerente de Murrelektronik, 

Visión de Murrelektronik y Phoenix Contact sobre SPE

Murrelektronik como Phoenix Contact son dos empresas líderes en tecnologías de conexionado industrial, les hemos preguntado por su visión sobre Single Pair Ethernet (SPE)

¿Qué es Single Pair Ethernet (SPE) interface?

(Murrelektronik) Es la conexión física prevista para la infraestructura de IIoT y la Industria 4.0, del sensor al cloud. Consiste en la transmisión de Ethernet en un solo par de conductores en vez de los actuales 2 pares (Fast Ethernet) o 4 pares (Gigabit Ethernet)

(Phoenix Contact) Single Pair Ethernet (SPE) es el nuevo estándar de comunicación para redes inteligentes que permite la transmisión de datos y energía a través de Ethernet mediante un solo par de cables (Power over Data Line).

¿Que ventajas puede aportar esta solución en las comunicaciones Automatizacion Industrial?

(Murrelektronik) Está enfocado a optimizar el cableado a nivel de sensores y actuadores, los cuales se incrementan en número y en prestaciones de comunicación para las aplicaciones IIoT/I4.0 que los cableados actuales no van a poder solucionar. 

Murrelektronik ve la tendencia de que SPE tiene el potencial de convertirse en la plataforma física para conceptos de instalación de vanguardia con los protocolos de bus de campo basados ​​en Ethernet de la actualidad como PROFINET, Ethernet / IP (y los futuros como OPC UA TSN-FLC) . La atención se centra en el factor costo-beneficio claramente visible.

(Phoenix Contact) Son varias las ventajas:  Cableado más simple: un solo par de Ethernet permite una comunicación uniforme, basada en Ethernet, desde el sensor a la nube además de ser una conexión apta para el futuro: tecnología clave para la Industria 4.0 y el IIoT (Industrial Internet of things) . Permite longitudes de hasta 1.000 m y propiedades de transmisión de hasta 1 Gbps

¿Es posible migrar las instalaciones con cableado normal de Ethernet a Single Pair Ethernet (SPE) interface?

(Murrelektronik) El SPE no va a poder sustituir las instalaciones de Gigabit actuales que se dan en longitudes de 100m. SPE puede abarcar hasta 40m. Realmente donde se va a implantar el SPE es en aquellas aplicaciones en las que la densidad o el peso del cableado sea indispensable sustituir las líneas de 8 conductores a 2, como por ejemplo aplicaciones de ferrocarril.

(Phoenix Contact) Las estructuras de cableado existentes pueden convivir con las nuevas con SPE, sin embargo el objetivo principal no es la migración del cableado actual de Ethernet, sino la creación de nuevos sistemas de cableado reducido que se adapten a la aplicación.

¿Qué previsión de futura implantación de Single Pair Ethernet (SPE) interface se estima en la industria?

(Murrelektronik) Ya existen soluciones para implementar el SPE y una organización en la que Murrelektronik es co-fundadora www.single-pair-ethernet.com que valida las iniciativas en esta tecnología. Está por ver si el mercado acepta esta solución lo cual dependerá en gran medida del retorno en negocio que implique su implantación

(Phoenix Contact) Ahora mismo el SPE es una megatendencia. Las áreas de aplicación en la industria del SPE son enormes, desde la automatización industrial hasta la industria ferroviaria. El SPE facilita la expansión del IIot y hace posible el conexionado desde los PCs de oficina, hasta los sensores/actuadores en campo, pasando por los sistemas de control.

Gracias a Murrelektronik y Phoenix Contact por haber participado en este artículo