Cómo el Ethernet industrial impulsa el IoT industrial en entornos fabriles

¿Qué ocurre cuando se utilizan equipos Ethernet normales en las fábricas? Falla rápido en entornos de fábrica. Las fábricas funcionan a temperaturas extremas, que oscilan entre -40 °C y +75 °C, sufren vibraciones constantes y están expuestas a productos químicos agresivos. Cuando las redes industriales fallan, la producción se detiene y se producen pérdidas económicas.

Este artículo muestra las diferencias entre Ethernet industrial y las redes de oficina tradicionales. Explica cómo unos componentes especiales permiten que las máquinas se comuniquen entre sí de forma fiable. El debate abarca tres partes principales: interruptores de red reforzados, cables de calidad industrial y paneles de conexión protegidos que crean redes capaces de soportar las duras condiciones de las fábricas.

Limitaciones de rendimiento en entornos industriales

El Internet industrial de las cosas (IIoT) funciona en condiciones que inutilizan rápidamente los equipos informáticos estándar. Los suelos de las fábricas generan polvo que obstruye los sistemas de refrigeración, mientras que la humedad del procesado de alimentos provoca cortocircuitos y corrosión. Las temperaturas extremas, las vibraciones constantes y las interferencias electromagnéticas de los motores ponen en peligro los componentes habituales de las redes, provocando fallos y costosos tiempos de inactividad.

A diferencia de las redes de oficina, donde los retrasos ocasionales son aceptables, las redes industriales deben ser deterministas, garantizando que los eventos se produzcan dentro de un marco temporal predecible. Ethernet estándar es un protocolo probabilístico (best-effort) sin tiempos de entrega garantizados. Las aplicaciones industriales exigen compatibilidad y determinismo, sobre todo en operaciones como el control de movimiento, donde los retrasos de milisegundos pueden dañar los equipos.

Mantener la compatibilidad y el determinismo

Los protocolos industriales operan en la Capa 7 del modelo de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) utilizando redes basadas en PROFINET, como se muestra en la Figura 1. PROFINET puede dividirse en PROFINET RT y PROFINET IRT ("Isochronous Real-Time"). La RT omite el procesamiento TCP/IP normal para reducir la latencia, mientras que la IRT modifica las reglas de conmutación del tráfico Ethernet para dar prioridad a los intercambios de datos en los que el tiempo es un factor crítico.

Figura 1: El modelo OSI ilustra el funcionamiento de los protocolos industriales en las distintas capas de red. (Fuente de la imagen: Eaton)

Dado que PROFINET opera sobre Ethernet estándar en las capas físicas (1-2), las redes industriales pueden conectarse con equipos Ethernet normales y, al mismo tiempo, ofrecer sincronización exacta para el control de máquinas, flexibilidad de protocolos y capacidad de ampliación de la red.

Componentes del sistema de automatización IIoT y desafíos operativos

El interruptor Ethernet industrial, el cable y los paneles de conexión son componentes esenciales del Internet Industrial de las Cosas (IIoT) en la automatización de fábricas. Hay una lista de desafíos comunes y únicos para cada uno de los tres componentes.

Desafíos comunes: todos los componentes deben proteger contra las interferencias electromagnéticas de la maquinaria de la fábrica. Para ello, los interruptores y los paneles de conexión necesitan carcasas blindadas, mientras que los cables se fabrican con cable trenzado blindado (STP) o cable trenzado con lámina (F/UTP). Los interruptores cuentan con carcasas reforzadas para resistir los golpes, los cables resisten las vibraciones y los esfuerzos mecánicos, y los paneles de conexión utilizan materiales resistentes, como el acero laminado en frío de calibre 14.

Desafíos únicos:

Interruptores Ethernet industriales

• Deben funcionar de forma fiable a temperaturas extremas (de -40 °C a +75 °C).
• Requieren entradas de alimentación de CC redundantes y relés de alarma para la alimentación industrial inestable.
• Necesidad de protocolos de calidad de servicio (QoS) para dar prioridad a los flujos de datos industriales críticos.

Cable Ethernet industrial

• Se enfrentan a una exposición ambiental directa, lo que requiere conectores con clasificación IP68 para la protección contra el polvo y los líquidos.
• Utilizan conectores M12 especializados con roscas de bloqueo para evitar la desconexión inducida por vibraciones.
• Disponen de tapones en ángulo recto para su instalación en espacios reducidos alrededor de la maquinaria.

Paneles de conexión industriales

• Deben organizar muchos tendidos de cables en un espacio limitado con diseños de alta densidad.
• Incorporan barras de alivio de tensión para mantener la integridad de la conexión a largo plazo.
• Utilizan puertos en ángulo descendente de 90 grados para facilitar el acceso en bastidores abarrotados.

Eaton ofrece una amplia gama de soluciones Ethernet industriales, incluidos interruptores Ethernet industriales, cables y paneles de conexión, que abordan los desafíos mencionados anteriormente en entornos de fábrica.

Interruptores Ethernet industriales

Los interruptores de la serie NGI de Eaton conectan dispositivos en redes industriales. Hay de distintos tamaños: pequeños, con cinco puertos, y grandes, con 16. Los pequeños interruptores gestionan hasta 14 Gbps de datos. Los grandes interruptores gestionan hasta 32 Gbps. Todos los puertos RJ45 pueden funcionar a tres velocidades: 10 Mbps, 100 Mbps o 1000 Mbps. La figura 2 ilustra las imágenes de producto de los componentes clave de los modelos NGI-U08A y NGI-U05C2POE4.

Figura 2: Componentes clave de los interruptores Ethernet industriales de la serie NGI de Eaton. (Fuente de la imagen: device.report)

El interruptor de red NGI-U05POE4 cuenta con una carcasa metálica resistente que soporta vibraciones y golpes y puede funcionar a temperaturas de entre -10 °C y +60 °C. Su característica clave son sus cuatro puertos PoE+ que pueden suministrar hasta 30 W de potencia cada uno (con un presupuesto total de 120 W). Así se resuelve el problema de alimentar dispositivos como cámaras y sensores en zonas donde no hay tomas de corriente.

Para mejorar las funciones, el interruptor de red NGI-U08A es una buena opción, ya que ofrece un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, de -40 °C a +75 °C, y una carcasa sólida para soportar vibraciones. La función de redundancia de potencia de este modelo es especialmente útil durante la inestabilidad energética. Cuenta con Ethernet/IP QoSe (EIP QoS), que ayuda a priorizar los flujos de datos industriales para obtener mejores niveles de rendimiento.

Cable Ethernet industrial

Los cables Ethernet industriales de Eaton presentan una construcción blindada (STP o F/UTP) para proteger las señales de las interferencias generadas por motores y maquinaria pesada. Los cables están diseñados para resistir el polvo, la humedad y los elementos corrosivos gracias a características como los conectores con clasificación IP68 y las cubiertas con clasificación CMX para exteriores.

Para evitar que las conexiones fallen debido a las constantes vibraciones, los cables utilizan sólidos conectores circulares M12 con rosca de bloqueo de 12 mm para una fijación segura. Muchos cables admiten alimentación a través de Ethernet (PoE), lo que les permite suministrar energía y datos a través de una sola línea a dispositivos como sensores y cámaras donde no hay tomas de corriente.

El N206-PC23-IND (Figura 3) tiene una clasificación IP68, lo que indica que sus conectores están protegidos contra el polvo y pueden soportar la inmersión en 1.5 metros de agua durante un máximo de 60 minutos. Gracias a su cubierta con clasificación CMX, es adecuado para uso al aire libre. Está fabricado para funcionar a temperaturas extremas de -20 °C a +80 °C.

Figura 3: Cable Ethernet industrial Cat5e/Cat6 STP de Eaton con conectores RJ45 (Modelo N206-PC23-IND). (Fuente de la imagen: Eaton)

La construcción blindada del cable ayuda a proteger contra el ruido de línea EMI/RFI procedente de fuentes como maquinaria pesada, incluidos motores eléctricos y equipos de soldadura. Admite PoE para alimentar dispositivos compatibles, como cámaras de seguridad y teléfonos VoIP.

Los cables industriales NM12-6A4-01M-BL (Figura 4) y NM12-602-02M-BL tienen conectores M12 y cuentan con la certificación IP68 de resistencia al polvo y al agua. Los modelos admiten PoE de 60 W de alta potencia y conectan un conector M12 X-Code macho a un conector RJ45 macho.

Figura 4: NM12-6A4-01M-BL de Eaton, un cable industrial blindado Cat6a 10G con un conector M12 en ángulo recto y soporte PoE de 60 W. (Fuente de la imagen: Eaton)

El NM12-6A4-01M-BL tiene una ventaja sobre el NM12-602-02M-BL, ya que ofrece una mayor velocidad de red de 10 Gbps y un blindaje general de lámina (F/UTP) para proteger contra interferencias en aplicaciones de alta velocidad. También incorpora un conector M12 especial en ángulo recto, como se muestra en la figura 4, para aliviar la tensión del cable y facilitar las conexiones en espacios reducidos. Sin embargo, si solo se necesitan conectores M12 rectos con una longitud de cable mayor (6.6 ft) y velocidades de red inferiores (1 Gbps), entonces NM12-602-02M-BL cumple su función.

Paneles de conexión industriales

Los paneles de conexión industriales cuentan con puertos RJ45 totalmente blindados, que proporcionan una protección esencial contra las interferencias electromagnéticas habituales en los entornos de fabricación. Este diseño blindado evita que la EMI y la RFI corrompan los datos, lo que reduce la pérdida de paquetes y los requisitos de retransmisión. Las opciones de ahorro de espacio incluyen modelos estándar de 1U y variantes de 0.5U que ahorran espacio, lo que permite una mayor densidad de puertos en espacios de rack limitados.

Como se muestra en la Figura 5, el modelo N254-024-SH-D cuenta con puertos RJ45 orientados hacia abajo en un ángulo de 90 grados (C), lo que facilita una mejor gestión del cableado en espacios industriales reducidos y reduce la tensión en cables y conectores. El cable de conexión a tierra específico (D) garantiza una conexión a tierra eléctrica adecuada del blindaje, maximizando la protección EMI/RFI en entornos industriales eléctricamente ruidosos.

Figura 5: Panel de conexión industrial de Eaton (Modelo N254-024-SH-D) que destaca las características industriales clave. (Fuente de la imagen: Eaton)

Estrategias de integración para optimizar la fiabilidad de las redes industriales

Al integrar componentes de Ethernet industrial, adapte las especificaciones a los desafíos medioambientales. Las instalaciones de procesamiento de alimentos requieren una mayor protección contra la humedad que los almacenes polvorientos, mientras que las zonas con equipos de soldadura requieren un mayor blindaje contra interferencias electromagnéticas (EMI).

Planifique el crecimiento seleccionando componentes con capacidad de ampliación, como armarios con capacidad adicional, cableado de mayor ancho de banda e interruptores con puertos de repuesto. Garantizar la interoperabilidad manteniendo especificaciones de rendimiento coherentes en toda la infraestructura. Si los interruptores admiten 10 Gbps, utilice cableado capaz del mismo ancho de banda.

Tenga en cuenta tanto la latencia como la fluctuación a la hora de diseñar aplicaciones sensibles al tiempo. Resuelva las limitaciones físicas con armarios montados en muro para espacios limitados y amplíe la longitud de los cables para llegar a las ubicaciones óptimas de los dispositivos.

Conclusión

Las redes industriales funcionan de forma fiable allí donde fallan los equipos estándar. Reduce el tiempo de inactividad y disminuye los costos de mantenimiento. También proporciona datos coherentes para los análisis. Cuando los fabricantes combinan Ethernet estándar con protocolos industriales, se obtienen enormes ventajas. Esta combinación proporciona una conectividad universal y un control preciso del tiempo. Los gemelos digitales y el mantenimiento predictivo necesitan este control temporal.

A medida que las fábricas adoptan IoT, la infraestructura reforzada marca la diferencia. Las empresas que invierten en una Ethernet industrial adecuada obtienen beneficios operativos inmediatos. Esta inversión también prepara a las empresas para los avances de la Industria 4.0. Estos avances requieren una red fiable en todas las instalaciones de fabricación.