Las grandes redes de comunicaciones industriales en tiempo real plantean graves problemas a sus operadores. A medida que el número de nodos crece, también lo hace la complejidad y el costo de la ingeniería involucrada. Estos desafíos se ven frecuentemente agravados por la necesidad de integrar un panorama de protocolos heterogéneos. La ampliación de la norma Ethernet conocida como "Time-Sensitive Networking" (TSN) en combinación con el OPC UA promete una mejora sustancial. Varios bancos de prueba están actualmente en marcha probando la implementación de la OPC UA TSN.

Durante una década y media, la fabricación industrial ha dependido de una variedad de protocolos de Ethernet Industrial patentados para una comunicación rápida y fiable. Durante este tiempo, los operadores de plantas y maquinaria se han enfrentado con demasiada frecuencia a la tarea de integrar un batiburrillo de protocolos en una red integral. "Es una empresa que requiere mucho tiempo y dinero", dice Sebastian Sachse, director de tecnología para la automatización abierta en B&R. "Sería mucho más fácil si todas las máquinas simplemente hablaran el mismo idioma."

Además de los protocolos dispares, los productores también deben hacer frente a un número cada vez mayor de nodos de la red. Configurar una gran red en tiempo real es un proceso laborioso que puede llevar rápidamente las herramientas de ingeniería a sus límites. A medida que empecemos a ver la implantación de la Internet Industrial de las Cosas (IIoT), las redes con cientos de nodos a nivel de bus de campo serán cada vez más comunes.

El Consorcio de Internet Industrial

En marzo de 2014, cinco empresas - AT&T, Cisco, General Electric, Intel e IBM - se unieron para formar el Industrial Internet Consortium (IIC). Entre sus objetivos está la definición de arquitecturas y marcos de referencia que hagan posible la interoperabilidad.

Uno de los principales temas tratados por la CII es la Internet Industrial de las Cosas. Otras áreas incluyen el cuidado de la salud, el transporte y las finanzas. En lugar de desarrollar normas propias, la CII coopera con organizaciones como el IEEE, la IETF, la Alianza AVNU y la Fundación OPC.

Numerosas empresas ya se han unido para avanzar en el desarrollo de la OPC UA TSN.

El banco de pruebas de la TSN

"En cuanto a la IoT lndustrial, hay un aspecto de la IIC que es particularmente interesante: el banco de pruebas TSN", señala Sachse. "Lo que necesitamos es una tecnología que haga las redes de máquinas y plantas más modulares, flexibles y fáciles de trabajar - y el mercado es en gran medida unánime en que la OPC UA TSN es esa tecnología." Mientras que el desarrollo de la OPC UA es impulsado por la Fundación OPC, el CII está muy involucrado en la implementación de la TSN.

B&R reconoció el potencial de la TSN desde el principio, lo que les llevó a unirse a los esfuerzos del IIC. "El consorcio fue la primera organización en comenzar a probar la TSN en condiciones reales", explica Sachse. Desde entonces, el especialista en automatización ha ayudado al avance de la tecnología mediante su participación en el banco de pruebas de la TSN, evaluando la interoperabilidad de sus prototipos de la OPC UA TSN con los de otros miembros. A partir de mayo de 2017, eso incluye: B&R, Bosch Rexroth, Schneider Electric, National Instruments, Kuka, Sick, Cisco, Intel, Belden/Hirschmann, Hilscher, Renesas Electronics, Analog Devices, TTTech y Xilinx. Otros participantes son: Calnex, Ixia, ISW Stuttgart University y Phoenix Contact.

Pruebas sucesivas de las capacidades centrales de la TSN

TSN es una extensión del estándar de Ethernet y trae una serie de mejoras que le darán a Ethernet capacidad en tiempo real. Los miembros del banco de pruebas probaron sucesivamente tres capacidades básicas en particular: la sincronización del tiempo, la programación del tráfico (envío de paquetes y tramas de datos en un tiempo preciso) y la configuración del sistema automatizado con un configurador de red central (CNC).

Un requisito fundamental para el uso de la TSN en las comunicaciones industriales en tiempo real es la sincronización horaria de conformidad con la norma 802.1AS-Rev. Esta norma de la TSN incluye definiciones del Protocolo de Tiempo de Precisión (PTP), que sincroniza los relojes de todos los dispositivos de la red. En las configuraciones de la prueba, el PTP superó las expectativas al lograr una precisión de menos de 100 nanosegundos.

La capacidad del segundo núcleo de TSN evaluada en las pruebas de enchufe del banco de pruebas fue la transmisión programada de paquetes y tramas de datos como se indica en IEEE 802.1 Qbv. Un planificador de tiempo asegura que los datos críticos para el tiempo siempre se prioricen para que no sean bloqueados por el tráfico general de la red.

OPC UA TSN hace que las redes de máquinas y plantas sean más modulares, flexibles y fáciles de trabajar.

Configuración dinámica

La red utilizada en las primeras pruebas de enchufe tenía una configuración estática. Las pruebas actuales están examinando la configuración dinámica. Cuando se añade un nuevo dispositivo a la red, éste se registra en el configurador central de la red, que establece una conexión con otros dispositivos y reconfigura la red en consecuencia. El objetivo de estas pruebas es implementar eventualmente el IEEE 802.1 Qcc en todo el sistema.

Los elementos individuales de la TSN funcionan perfectamente juntos - no sólo en la teoría sino también en las pruebas del mundo real - y permitirán la comunicación en tiempo real utilizando componentes estándar de Ethernet. El banco de pruebas de TSN consta actualmente de dos instalaciones, una situada en National Instruments en Austin, Texas, y la otra en Bosch Rexroth en Erbach, Alemania. En abril de 2017, la asociación alemana Labs Network Industrie 4.0 (LNI 4.0) anunció planes para establecer su propio banco de pruebas TSN en cooperación con el centro de competencia Mittelstand 4.0 en Augsburgo. Mittelstand 4.0 es una iniciativa alemana creada para apoyar la transformación digital de las pequeñas y medianas empresas de Alemania.

El equipo prevé una demostración móvil que puede ser transportada en camión. Aunque sus enfoques difieren, el IIC y el LNI 4.0 comparten un objetivo común: 100% de interoperabilidad. La colaboración entre las dos iniciativas ya se está planificando. B&R también participará en el banco de pruebas del LNI.

Conectar y fabricar

"El banco de pruebas de la CII demuestra claramente cómo los ciclos de innovación se están acortando", dice Sachse. Los preparativos para el banco de pruebas comenzaron hace sólo dos años, y las primeras capacidades básicas ya han alcanzado la madurez tecnológica. "Para una tecnología completamente nueva que es asombrosamente rápida."

El mercado está experimentando un cambio fundamental. Tradicionalmente, los proveedores de sistemas de control han tratado de diferenciarse por medio de su tecnología de comunicaciones. "Esos días se han ido", dice Sachse. OPC UA TSN servirá como un estándar uniforme para una comunicación fluida por encima del nivel del controlador.

Con la recién obtenida interoperabilidad, la puesta en marcha implicará poco más que simplemente conectar el cable de la red. "Bienvenido a la era del "conectar y fabricar"", sonríe Sachse.

Sebastian Sachse

Director de Tecnología - Automatización Abierta, B&R

"En cuanto a la IoT Industrial, hay un aspecto de la IIC que es particularmente interesante: el banco de pruebas de TSN. Lo que necesitamos es una tecnología que haga las redes de máquinas y plantas más modulares, flexibles y fáciles de trabajar - y el mercado es en gran parte unánime en que la OPC UA TSN es esa tecnología".

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