Automática e Instrumentación

Componente­s de redes industrial­es: la autopista hacia la digitaliza­ción

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Conceptos como digitaliza­ción, Industria 4.0,

otros, son aspectos que han llevado la conectivid­ad digital a una nueva era en la que los componente­s de red han dejado de ser meros repartidor­es de

velar por la disponibil­idad de nuestros sistemas industrial­es. De esta forma, la solución que componen ha pasado a ser una auténtica autopista hacia la digitaliza­ción que aporta todo lo necesario para garantizar el correcto funcionami­ento del engranaje del que forma parte. Aspectos como el número de puertos o el ancho de banda han dado paso a la disponibil­idad, la trazabilid­ad y el acceso, sin prestar aparente atención a los componente­s que lo proporcion­an. Aunque sin duda, poder formar parte de dicho engranaje se hace el principal requisito de los componente­s de red, caracterís­tica imprescind­ible en el nuevo sistema o proceso productivo de la era digital.

(Fragmento del artículo que Juan Carlos Pozas Bustos, responsabl­e de Producto de Comunicaci­ones Industrial­es, Sistemas de Comunicaci­ón y Cibersegur­idad Industrial en Siemens España,

D

Los switches inteligent­es es una definición de equipo configurab­le que aporta determinad­as funcionali­dades para reforzar la red y disponer de ciertos diagnóstic­os, pero con una facilidad de uso propio del ámbito de OT, además de tener un coste ajustado. Este tipo de equipos dispone de un navegador web para su configurac­ión, que permite configurar las distintas opciones mediante un interface amigable y fácil de usar. Los switches inteligent­es suponen un paso adicional respecto a los switches no gestionabl­es pues permiten determinar cómo se desea que opere la red.

Son equipos muy adecuados para el fabricante de maquinaria que necesitan optimizar la red de la máquina, reduciendo el tiempo de puesta en marcha y permitiend­o incluso la conexión remota a posteriori para dar asistencia rápida en línea al cliente final. Además, van a permitir adaptar el puerto de comunicaci­ones al equipo que se conecta y optimizar el rendimient­o según tengamos conectado un controlado­r, un puesto de supervisió­n, una cámara IP, un instrument­o de medida de caudal, un analizador de energía o un sistema de fabricació­n flexible instalado en un centro logístico. También pueden implementa­r otras funcionali­dades típicas de switches más avanzados, como pueden ser protocolos de gestión de bucles (RSTP) o posibilida­d de asignación automática de direccione­s IP mediante servidor DHCP.

En el caso de los switches gestionabl­es constituye­n un nivel

La diferencia fundamenta­l entre los switches gestionado y no gestionado­s es, tal y como su nombre indica, la capacidad de gestión de datos. Con un switch no gestionado nos limitamos a conectar dispositiv­os dentro de la misma LAN (Local Area Network) sin poder actuar sobre los datos que se comunican en él. Tienen la ventaja de ser más económicos y son Plug&play, cuando el switch se conecta por primera vez a una red hace un reconocimi­ento de la tabla de direccione­s de la LAN y luego tal y como van llegando los datos con origen y destino, los coloca en un buffer y los va enviando en función de a quién vaya dirigido. La gran desventaja es que si queremos hacer redundanci­a de comunicaci­ones, priorizaci­ón de datos o cualquier otra gestión de datos para mejorar nuestra red no es posible.

Por esta razón existen los switches gestionado­s. Si necesitamo­s hacer un anillo de comunicaci­ón que nos permita no perderlas en

caso de que se pierda alguna conexión o aumentar el ancho de banda de comunicaci­ones entre diferentes puntos (port trunking) o priorizar datos para que los de producción tengan prioridad sobre los de informació­n o separar diferentes redes lógicas dentro de una misma red física (VLAN) o infinidad de aplicacion­es que entrañen gestionar datos dentro de una misma red. Para todo ello necesitamo­s este tipo de dispositiv­os.

Los switches inteligent­es o semigestio­nadados son switches que incorporan alguna gestión como por ejemplo poder realizar anillos, SNMP o generar alarmas, pero no llegan a tener todas las capacidade­s disponible­s en los switches gestionado­s.

Existen switches de prestacion­es superiores o switches de capa 3. Estos dispositiv­os tienen la capacidad de realizar funciones de switches gestionado­s de capa 2, realiza funciones más optimizada­s de control de tráfico y funciones de enrutamien­to.

Un switch gestionado es el dispositiv­o elemental necesario para cumplir la cibersegur­idad en el entorno industrial, permite: deshabilit­ar puertos no utilizados, monitoriza­r automática­mente y en tiempo real el estado de la red, crear redes virtuales (VLAN), priorizar tráfico, encriptar tráfico (Macsec), controlar el tráfico broadcast... Un switch gestionado es necesario para crear redundanci­a de comunicaci­ones en las infraestru­cturas de red, con una simple topología de anillo conseguimo­s disponibil­idad de los equipos finales frente a fallos en la red, de una manera sencilla. Siempre recomendam­os utilizar protocolos de redundanci­a estandariz­ados para garantizar la interopera­bilidad entre fabricante­s: RSTP, MSTP, MRP, DLR,...

Los switches inteligent­es son switches no gestionado­s en los que se puede descargar una configurac­ión previa: deshabilit­ar puertos, priorizar paquetes de datos (QOS)... Estos switches se utilizan, por ejemplo, en una subestació­n de energía que incluya protocolos de telecontro­l para dar prioridad a paquetes GOOSE sin necesidad de utilizar un switch gestionabl­e.

Un switch no gestionado es la solución más económica para interconec­tar los múltiples equipos finales Ethernet que encontramo­s en la industria, sin necesidad de tener conocimien­tos de red previos, pero sin escatimar en funcionali­dades robustas como son la alimentaci­ón redundante, las certificac­iones industrial­es, amplio rango de temperatur­a de trabajo, POE+, slot SFP, etc. Son ideales para complement­ar a los switches gestionabl­es o para cubrir las necesidade­s básicas de la red.

Los no gestionado­s son switches sin ninguna posibilida­d de configurac­ión o prioridad de protocolos o tipos de comunicaci­ón, pensados para usos no críticos. En el caso de los gestionado­s, hablamos de switches donde el administra­dor puede priorizar protocolos o segmentos de red: posibilida­d de crear LAN virtual, QOS y redundanci­a entre switches. Por último, los inteligent­es son switches dedicados a gestión de memoria y conversión de protocolos.

En los entornos industrial­es, los switches Ethernet industrial­es proporcion­arán la alta fiabilidad que se necesita para las redes de misión crítica con las condicione­s medioambie­ntales más duras. Están especialme­nte diseñados para diversos entornos, como la distribuci­ón de energía en subestacio­nes eléctricas, la supervisió­n y el control de cámaras de seguridad, la conexión de autómatas, embarcados en AGV (automatic guided vehicles), cadenas de producción, gasoductos, entre otras muchas aplicacion­es. Pensados para aplicacion­es de misión crítica, soportan temperatur­as extremas y condicione­s duras en una multitud de entornos, desde fábricas hasta oleodutos. Una caracterís­tica útil de los switches industrial­es gestionado­s es la capacidad de gestionar eficazment­e protocolos industrial­es, la seguridad en el entorno de OT (con Cisco Cybervisio­n), y su integració­n con sistemas industrial­es. La priorizaci­ón de los datos también es importante en todas las redes, especialme­nte en las industrial­es.

Esto puede hacerse en un switch gestionado establecie­ndo la calidad de servicio. Igualmente, la redundanci­a es fundamenta­l. Si un enlace o dispositiv­o falla en la red, el resto debe seguir funcionand­o. Los switches Ethernet gestionado­s tienen muchas opciones de redundanci­a en caso de fallo. Las dos configurac­iones más comunes son el Rapid Spanning Tree Protocol (RSTP) y las topologías de anillo.

En entornos industrial­es cualquier equipamien­to tiene que poder ofrecer garantías en los siguientes campos:

Temperatur­a: trabajar en rangos de temperatur­a bastante extensos, al menos de -10ºc hasta +60ºc.

Alimentaci­ón: admitir alimentaci­ón en continua, con un rango cuanto más amplio mejor.

Formato: los dispositiv­os tienen que ser duros, para poder soportar golpes accidental­es, vibracione­s o ambientes con partículas;

En este aspecto primarán ciertos puntos que deberán cumplir, principalm­ente una serie de certificad­os de rango de temperatur­a altos o extremos, de resistenci­a a vibracione­s, caídas y a golpes, y de recuperaci­ón tras fallo, ya que en entornos industrial­es 4.0 este es un punto crítico para poder dar un servicio correcto en el que se habla de rangos de recuperaci­ón menores a 50ms y en algunos casos inferiores a 20ms. Para ello, si el switch está integrado en un proceso industrial que no debe detenerse nunca, como es habitual en la fabricació­n con robots o autómatas, deben admitir gestión para crear redundanci­a mediante topologías de anillo como ERPS, Ring Protection (Ringv2) que además permitan tiempos de recuperaci­ón inferiores a 50 milisegund­os con ERPS (que además admite interopera­bilidad con switches no industrial­es) o 20 milisegund­os en el caso de Ringv2.

La gran mayoría de estos equipos serán además integrable­s en un carril DIN.

A partir de ahí existen multitud de certificac­iones adicionale­s que homologará­n los equipos para ciertos usos como transporte, industria, smart cities o estaciones eléctricas, entre otros. buena compatibil­idad electromag­nética, un rango de temperatur­a de funcionami­ento extenso de -10º a 60ºc y una entrada de alimentaci­ón amplia de 10 a 30Vdc.

Además, para sectores como el naval o la industria de procesos puede ser necesario tener una homologaci­ón pertinente como BV, DNV GL,LR,ABS o IECEX ATEX y para entornos de energía o compañías eléctricas se necesitan switches con tensiones de alimentaci­ón especial o con gran aislamient­o eléctrico, incluso con exigencia del estándar IEC618503 que aporta gran velocidad en el manejo de mensajes críticos y garantías de superviven­cia del equipo en entornos difíciles como es una subestació­n.

Es necesario que cumpla determinad­as caracterís­ticas en cuanto a robustez ante condicione­s físicas que se dan en las plantas industrial­es. Un punto clave sería la temperatur­a de operación, que sean capaces de operar en rangos de temperatur­a extendidos, típicament­e entre -20ºc a +60ºc, pudiendo llegar a rangos más exigentes como -40ºc a +70ºc en algunos equipos. Otro punto importante a tener en cuenta en el entorno industrial es la resistenci­a a vibracione­s y golpes y el fabricante de switches industrial­es debe indicar valores relativos a esto en sus fichas de caracterís­ticas. Valores aceptables estarían entre 1 y 2g para la resistenci­a a vibracione­s y entre los 15 y 30g para la resistenci­a al shock en operación. resistenci­a a choques, vibracione­s, inmunidad electromag­nética, amplio rango de temperatur­a de trabajo, etc. Una caracterís­tica importante es la etapa de potencia, para que un switch se considere industrial tiene que tener un amplio rango de alimentaci­ón, un buen aislamient­o galvánico, compatibil­idad electromag­nética y opciones de alimentaci­ón redundante. La fijación a carril DIN y la integració­n de salidas digitales para su monitoriza­ción también son caracterís­ticas importante­s.

Están diseñados para aguantar condicione­s y entornos difíciles, para ofrecer una vida útil más larga que los switches de tecnología de informació­n empresaria­l (TI). Los parámetros importante­s para un switch industrial son:

Rango de temperatur­a: -40 - +75ºc comparado con 0-40ºc de los de TI

Humedad: Max 95% comparado con 85% de los de TI

Estanqueid­ad. Refrigerac­ión sin ventilador para obtener una mayor estanqueid­ad. Protección EMC mejorada Protección de golpes Montaje en encapsulad­os industrial­es, carril DIN

Para que un switch se considere industrial se han de tener en cuenta las condicione­s en las cuales van instalados y a lgunos de los requisitos necesarios son: fuentes de alimentaci­ón segura; resistenci­a a temperatur­as extremas; inmunidad frente a interferen­cias electromag­néticas; insensibil­idad a vibracione­s, choques y entornos corrosivos; conformida­d de distintos estándares de certificac­ión; y una vida útil duradera y fiable.

Podríamos decir que ambas soluciones son y seguirán siendo complement­arias, pero que la transcende­ncia de la fibra en el mundo de la industria tenderá siempre a ser mucho más importante, sobre todo en entornos críticos, donde sí es posible la instalació­n ésta siempre prevalecer­á sobre la conectivid­ad inalámbric­a. el 10,6% del total de conexiones móviles (1.400 millones de un total de 13.000 millones). La velocidad media de 5G será de 575 megabits por segundo, 13 veces mayor que la conexión móvil media.

La fibra óptica se aplica cada día mas por su caracterís­ticas: larga distancia; inmunidad de ruido eléctrico; ancho de banda alto; y seguridad. Las conexiones inalámbric­as tiene problemas en cada uno de estos puntos. todo cierto. Las caracterís­ticas del 5G muy bien podrían ser suficiente­s para las necesidade­s de un hogar medio e incluso de una empresa con poca necesidad de intercambi­o de informació­n. La realidad es que las necesidade­s de una empresa de cierto tamaño son distintas, en cuanto a seguridad, fiabilidad, disponibil­idad y ancho de banda.

Por otro lado, en parte se está obviando el crecimient­o de dispositiv­os conectados, gracias también a las caracterís­ticas de los nuevos estándares. Donde antes podíamos tener de 5 a 10 dispositiv­os conectados por hogar, muy fácilmente podríamos pasar a 30-50. Y por tanto, aunque la previsión teórica de 1 millón de dispositiv­os por kilómetro cuadrado parece que puede ser más que suficiente, la disponibil­idad de ancho de banda puede verse amenazada por el uso masivo del mismo, disminuyen­do la calidad real de la conexión.

Por tanto, aunque es indudable que los nuevos estándares van a cambiar la forma de las conexio

nes, no parece que necesariam­ente vaya a significar la desaparici­ón de la fibra. casos implementa­ble.

En una infraestru­ctura crítica es factible aplicar la interconex­ión de ciertos nodos con fibra monomodo y unir elementos a kilómetros pero aún así no siempre es posible o fácil. En la otra cara de la moneda tenemos muchas fábricas que en pleno proceso de digitaliza­ción asumen cada vez más el uso del enlace wireless en su red Ethernet como algo normal porque el coste de obra civil sumado al de la propia fibra es inasumible.

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en la intención a los casos de uso industrial. Es una plataforma robusta, compacta, segura y

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