El largo camino hacia Ethernet-APL (I)

La versión en idioma Inglés de este artículo se encuentra disponible aquí.

La tecnología Ethernet-APL ya está lista.

Estas últimas semanas, mientras investigaba y recopilaba información sobre el estado de la tecnología Ethernet-Ethernet-APL, algunas ideas y conclusiones pasaron por mi mente, así que decidí ponerlas por escrito antes de que se pierdan en la rutina del trabajo diario.?

Empecemos: la sigla Ethernet-APL es el acrónimo de Advanced Physical Layer (Capa Física Avanzada), la cual es una de las ideas más disruptivas que han aparecido en los últimos 10 a?os de avance tecnológico en el área de la Instrumentación y Control (I&C), especialmente en el campo de la Automatización de Procesos.

La tecnología Ethernet-Ethernet-APL permite a los usuarios I&C conectar sus dispositivos de campo al sistema de control usando redes Ethernet y al mismo tiempo manteniendo la compatibilidad del cableado con las instalaciones de redes de bus de campo tipo H1 basadas en el estándar 61158-2 es decir Foundation Fieldbus (FF) y Profibus PA (PA).

De este modo, Ethernet Ethernet-APL provee a la industria de proceso con una solución que permite adoptar los modelos de digitalización propuestos por los conceptos Internet Industrial de las Cosas (Industrial Internet of Things o IIoT) e Industria 4.0 (Industry 4.0). La capacidad de llegar al campo con comunicaciones Ethernet nativas ofrece numerosas ventajas (es un tema tan amplio que requiere de un artículo específico, el cual reservo para otro día) y abre a los usuarios finales una variedad de caminos de actualización para lograr la digitalización de sus instalaciones existentes.

Bien, quizás no para algunos usuarios, pero regresaré más adelante sobre ese detalle.

Un poco de historia.

Una de las desventajas de las redes de bus de campo basadas en el estándar IEC 61158-2 consistía en que las mismas eran solo una parte de un sistema completo. Conocidas como redes H1, fueron dise?adas para ser usadas en el campo y debían trabajar en combinación con otras redes troncales de alta velocidad denominadas H2, las cuales estarían basadas en el estándar RS-485.

Esta característica particular de las redes de bus de campo implicaba la necesidad de una conversión de medios físicos y una traducción de protocolos para poder integrar el bus de campo con los niveles superiores de la jerarquía de automatización. Estas operaciones requerían del uso de un dispositivo de enlace (linking-device) que actuara como un gateway especializado, permitiendo el intercambio de datos entre las redes IEC 61158-2 y las redes de nivel superior a través de dos capas físicas distintas, mientras entregaban alimentación eléctrica a los dispositivos de campo de manera simultánea.

Un complejo requisito adicional

Una de las demandas que presenta la Industria de Proceso consiste en la posibilidad de la existencia de atmósferas potencialmente explosivas debidas a la presencia de sustancias inflamables tales como gases inflamables, nieblas o polvos en suspensión.

Este requerimiento podía cumplirse si el estándar de bus de campo IEC 61158-2 permitiera que el sistema fuera instalado usando métodos de protección contra explosión tales como cajas antiexplosivas o, preferentemente, haciendo que el bus de campo trabajara dentro de los parámetros compatibles con el método de protección conocido como seguridad intrínseca.

Aunque el mercado norteamericano muestre una tendencia a preferir las soluciones de tipo antiexplosivo, la mayor parte del mundo prefiere las soluciones basadas en la seguridad intrínseca.

La seguridad intrínseca es el método de protección contra explosión más seguro en existencia, y como su nombre mismo implica, es inherentemente seguro debido a que está dise?ado para trabajar con niveles de energía inferiores que los necesarios para causar la ignición de la atmósfera explosiva presente. La base de la seguridad intrínseca consiste en la limitación de la energía disponible en el campo. Esto se logra mediante el uso de un dispositivo de limitación de energía, comúnmente conocido como “barrera”. Inicialmente, parecía que la ubicación natural de este dispositivo limitador era el dispositivo de enlace (linking device). Esto significaba que todo el bus de campo pasaba a ser intrínsecamente seguro, pero al mismo tiempo limitaba de manera drástica la energía disponible para los dispositivos de campo.

Con el transcurso del tiempo se presentaron diversas alternativas para resolver esta limitación, las cuales son tan variadas que serán el tema de un artículo futuro. Para los propósitos de esta nota, resulta suficiente saber que existen numerosos métodos de instalación que evitan la necesidad de contar con un dispositivo de enlace intrínsecamente seguro, si bien esta opción aún se encuentra disponible en las líneas de productos de algunos proveedores.

El camino de Foundation Fieldbus

En Foundation Fieldbus (FF), el nivel de red H2 fue descartado en los inicios del proyecto de desarrollo, por lo que el dispositivo de enlace se dise?ó para entregar alimentación y permitir el intercambio de datos a los segmentos de bus de campo H1, lo cual se logró hacer usando la codificación Manchester Bus Powered (MBP). Este método permite transmitir datos mediante una onda cuadrada modulada sober un valor de tensión de corriente continua. Los segmentos H1 se comunican con la red HSE (High Speed Ethernet), la cual transporta el protocolo FF sobre una capa física Ethernet en tiempo real para habilitar toda la funcionalidad originalmente planeada en su concepción, como ser el Control en el Campo (Control In the Field o CIF), interoperabilidad, dispositivos multivariable, la capa de usuario en la que se podían ejecutar bloques de función y un comportamiento determinístico.

Pero Foundation Fieldbus era una tecnología desarrollada por usuarios y para los usuarios. La Fieldbus Foundation era una organización sin fines de lucro que había creado una tecnología revolucionaria que ninguno de los principales proveedores de sistemas de control tenía interés real en soportar. La promesa de implementar HSE de modo complete nunca se cumplió, puesto que la adopción de dicha tecnología habría hecho que los protocolos propietarios Ethernet de tiempo real usados por los proveedores de sistemas de control fueran innecesarios.

Y el uso de protocolos de red en tiempo real de tipo propietario es uno de los factores clave que estas empresas emplean tanto para diferenciarse entre sí y como para su base de usuarios.

Foundation Fieldbus entra en un callejón sin salida.

Las cosas parecían marchar muy bien para la Fieldbus Foundation hasta los inicios de la década del 2010s, un periodo durante el cual presento algunos desarrollos técnico muy interesantes, tales como los proyectos HSE-RIO (Remote Input/Output) y Foundation for ROM (Remote Operations Management).

Pero súbitamente la Fieldbus Foundation perdió el impulso. Existen diversas razones que explican este hecho: los proveedores de sistemas de control se enfocaron en las tecnologías de marshalling inteligente (Smart Marshalling o Smart I/O) dejando de lado la interfaces de bus de campo, la entonces creciente industria del petróleo y gas, la cual era unos de los principales soportes financieros de la Fieldbus Foundation, vio como el precio del petróleo se derrumbaba por la sobreproducción, a los proveedores de sistemas de control no les gustaba depender de los proveedores de componentes de infraestructura para redes de bus de campo, era más redituable para estas empresas el uso de sus propios sistemas de E/S (I/O), etc. ??

El efecto acumulativo de todos estos factores hizo que, para el a?o 2015, el interés del mercado en Foundation Fieldbus prácticamente se desvaneciera.

El enemigo de mi enemigo…

Como una medida de supervivencia, la Fieldbus Foundation se unió con la HART Foundation y entre ambas entidades crearon el Fieldcomm Group, una nueva organización dedicada al desarrollo de la tecnología HART-IP (HART sobre Ethernet) y de tecnologías orientadas a la presentación de la información, tales como FDI (Field Device Interface). El Fieldcomm Group es también miembro del equipo de desarrollo de Ethernet-Ethernet-APL.

Esta desafortunada cadena de eventos ha dejado a los usuarios de Foundation Fieldbus sin un camino de actualización claro Hacia la tecnología Ethernet-Ethernet-APL. No parece probable que el Fieldcomm Group vaya a invertir recursos en un mayor desarrollo de la tecnología FF puesto que la falta de aceptación del pun estado de virtual orfandad.

El camino de Profibus PA

En la implementación Profibus del estándar IEC 61158-2 denominada Profibus PA, los usuarios enfrentan una situación mucho más clara. Profibus PA se creó para llegar al campo usando tecnología Profibus. Por lo tanto, el modelo de comunicaciones empleado era el de Maestro + esclavos en vez del modelo Publicador – Subscriptor usado en Foundation Fieldbus. Este hecho hacía imposible la ejecución de bloques de control en los dispositivos y por lo tanto la funcionalidad de Control en el Campo. Pero la ventaja de este hecho consistía en que no se podían presentar problemas de interoperabilidad, creados ya sea por la disponibilidad o la ausencia de funciones de control en los dispositivos, puesto que todos los bloques de función se ejecutan en el controlador.

Este acercamiento conservador hizo que Profibus PA fuera más simple de configurar y más conveniente económicamente, ya que el número de dispositivos de campo que se pueden conectar por segmento era típicamente mayor que en Foundation Fieldbus.

Una breve historia de dos acopladores

Los dispositivos de enlace (linking devices) usados en Profibus PA reciben el nombre genérico de acopladores, si bien cada fabricante emplea su propia variante del término. Mi opinion personal es que durante la redacción del estándar IEC 61158-2 se creó un problema, al incluirse la definición de un dispositivo de enlace entre Profibus PA (el lado H1 de la red Profibus, usando codificación MBP) y Profibus DP (el lado H2 de la red, basado en RS-485) pero sin detallar como se suponía que dicho equipo debía funcionar.

Este hecho originó una zona gris en el mercado, la cual fue cubierta por un par de proveedores que desarrollaron su propia visión de cómo debía funcionar un acoplador de segmentos (el término habitual usado para los dispositivos de enlace en Profibus). Y este evento, debido a los rápidos cambios en los requerimientos de la industria, pronto evolucionó en dos métodos diferentes para realizar el intercambio de información entre el campo y la sala de control. Eran, de hecho, dos filosofías de dise?o que se diferenciaron cada vez más con el pasar del tiempo.

El método empleado por Siemens se basa en el uso de un dispositivo conocido como DP/PA Link, el cual es un acoplador de segmento que funciona de un modo más similar a un Sistema RIO para dispositivos Profibus PA que a un gateway, pero al tener un costo relativamente bajo se desempe?a de modo adecuado en redes Profibus PA grandes con dispositivos simples.

Esta característica dio origen a una oportunidad en el mercado, se requería una solución para redes extensas de dispositivos complejos. En estas aplicaciones los DP/PA Links presentaban limitaciones. La empresa alemana Pepperl+Fuchs tomó la iniciativa de tomar ventaja de esta oportunidad mediante el desarrollo de su tecnología de acopladores de segmento transparentes, la cual hacía qué el Gateway funcionara como un proxy de red entre DP y PA.

Posdata?

Este artículo abarca la primera parte de esta historia, el segundo estará disponible la próxima semana, y describirá como la aparición de Ethernet Industrial fue un evento disruptivo.

Podrán encontrar más información sobre acopladores de segmento en este artículo de 2016. Resulta interesante, además, ver el estado de las cosas hace 5 a?os.

Mirko Torrez Contreras?es un consultor y capacitador especializado en la automatización de procesos, que quedó fascinado con las redes industriales desde que descubrió que existían. Un geek desde su nacimiento, se divierte particularmente con la curiosa combinación de tecnologías empleadas en ese tipo de redes. Las personas que lo conocen personalmente han dejado de intentar curarlo de su TOC inducido por la tecnología. Pero él no parece estar muy preocupado al respecto.

Este artículo cuenta con el auspicio de Phoenix Contact. Las opiniones expresadas en este artículo son estrictamente personales. Toda la información empleada en este artículo es de conocimiento público.