La comunicación de datos entre varios dispositivos es esencial en muchos aspectos de la vida cotidiana. La proliferación de dispositivos y el aumento drástico de los volúmenes de datos impulsados por la digitalización y la Industria 4.0 están forzando los cambios en el panorama de la comunicación. En este artículo, conozca en profundidad el estándar 10BASE-T1L para el Ethernet Industrial de dos hilos incluida la conectividad, el hardware, la potencia y mucho más.
Introducción
La comunicación de datos cumple una función mucho más grande no solo en el sector industrial, si no que también en la automatización de procesos. Las aplicaciones anteriores de 4 mA a 20 mA o las de Fieldbus están alcanzando sus límites debido a los volúmenes incipientes de datos, por lo que Ethernet está en proceso de cristalización como el estándar de comunicación. La solución de 4 hilos de Ethernet estándar ha evolucionado a la solución de 2 hilos conocida como 10BASE-T1L, el cual consiste en un par de cables enredados o en un Ethernet de par único (SPE). Por encima de la capa física, el estándar 10BASE-T1L es compatible con tecnologías de Ethernet industrial ya existentes con 100 Mbps o 1000 Mbps, por lo que actúa como complemento.
10BASE-T1L está en proceso de estandarización, sobre todo en la automatización de procesos, y posee el potencial de efectuar cambios radicales en esta área. En concreto, aquí hasta el momento, los sensores y actuadores, por lo general, se conectan vía una interfaz analógica de 4 mA a 20 mA o a un Fieldbus. En la automatización de procesos, a diferencia de la ingeniería mecánica o la automatización de plantas, estos sensores y actuadores suelen estar a distancia del sistema de control o de los sistemas de E/S remotos. Las distancias de 200 m a 1000 m y de más son comunes.
¿Qué significa 10BASE-T1L?
El nombre 10BASE-T1L explica a grandes rasgos su significado. Aquí se utilizan las abreviaturas del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE).
El “10” en el tipo medio hace referencia a un rango de transmisión de 10 Mbps. “BASE” hace referencia a las señales de banda base, lo que significa que solo se pueden transportar señales de Ethernet a través del medio. La “T” significa “par trenzado”. El dígito “1” significa 1 km de alcance. En este caso es seguido por una “L” para “largo alcance” lo que quiere decir que es posible la longitud de segmentos de 1 km y de más.
¿Qué clase de dispositivos y maquinas se pueden utilizar con el estándar 10BASE-T1L y ¿en qué medida se puede utilizar la infraestructura existente con ella?
El estándar 10BASE-T1L está diseñado para reemplazar las señales estandarizadas de 4 mA a 20 mA en muchas, si no que en la mayoría, de las aplicaciones de automatización de procesos. Sin embargo, esto no significa que los antiguos instrumentos de campo conectados a través de bucles de corriente de 4 mA a 20 mA tengan que sustituirse por instrumentos de campo compatibles con 10BASE-T1L. Estos dispositivos convencionales pueden conectarse a través de módulos de E/S configurables por software (SWIO), mientras que las E/S remotas sirven como punto de recogida para la conexión al PLC con un enlace ascendente de Ethernet de 10 Mbps.
Los módulos de E/S configurables por software poseen canales de módulos reconfigurables, lo que les permiten trabajar de manera sencilla, rápida y remota sin la necesidad de un recableado extenso. Los canales se pueden configurar como entrada o salida, tanto para corrientes como para tensiones o digitales y analógicas.
En algunos casos, se requiere que tanto la potencia de los dispositivos y sus datos se proporcionen a través de 10BASE-T1L, que se define como parte del estándar. 10BASE-T1L admite dos modos de amplitud: 2,4 V para longitudes del cable de hasta 1000 m y 1 V para distancias más cortas de hasta 200 m. Gracias al modo de amplitud de pico a pico de 1,0 V, esta tecnología también se puede utilizar en entornos protegidos contra explosiones (zonas peligrosas) y cumple los estrictos requerimientos de consumo máximo de energía aplicables en esos lugares.
¿Cuáles son las ventajas de 10BASE-T1L?
Los dispositivos convencionales de 4 mA a 20 mA con el protocolo HART® y bus de campo tienen un ancho de banda de datos limitado de solo unos pocos kbps. Con 10BASE-T1L, se pueden alcanzar velocidades de hasta 10 Mbps. Esto hace posible transmitir no solo el valor del proceso, también parámetros adicionales de dispositivos, tales como la información de configuración y parametrización. En el futuro, las posibles actualizaciones de software de los sensores, cada vez más complejos, así como el diagnóstico de fallas de la red, como los cortocircuitos en la línea del sensor, se realizarán con relativa rapidez a través de la línea de datos. La configuración también es más fácil porque ya no se necesitan compuertas de enlace y convertidores con 10BASE-T1L. Mediante la eliminación de las puertas de enlace, los costos y la complejidad de estas antiguas instalaciones se reducen en gran medida y se barren las islas de datos que ellas crearon.
Además se pueden transmitir potencias más grandes a través de la línea de datos. Por ejemplo, se pueden transmitir 500 mW en zonas intrínsecamente seguras (zonas peligrosas) e incluso hasta 60 W en áreas no intrínsecamente seguras.
Los estándares de Ethernet, como PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, OPC UA o ModbusTCP, y los protocolos de IoT, como MQTT, pueden permitir la conexión sencilla y potente de los dispositivos de campo a una nube.
¿10BASE-T1L también funciona con módulos de conmutadores?
Al igual que con la Ethernet estándar, con 10BASE-T1L hay puentes que facilitan la conexión de varios segmentos y dispositivos de la red. Se pueden realizar diferentes topologías de red y utilizarlas para suministrar energía a los dispositivos conectados. En la automatización de procesos, los conmutadores suelen estar conectados a los controladores, a los sistemas HMI y a la nube. Los conmutadores permiten la redundancia de medios en forma de topologías de anillo para aumentar la disponibilidad.
En la automatización de procesos, las conexiones a los dispositivos, sensores y actuadores también se denominan espurias, mientras que las conexiones entre los conmutadores y el funcionamiento del sistema de control se denominan troncales.
¿También se puede implementar el suministro de energía a los dispositivos a través de los “dos cables”?
El estándar 10BASE-T1L no solo ofrece comunicación de datos desde los sensores y actuadores, si no que también proporciona la posibilidad de suministrarles energía a través de las líneas de señal. En concreto, 10BASE-T1L puede suministrar hasta 60 W de potencia en zonas no intrínsecamente seguras. En zonas protegidas contra explosiones (intrínsecamente seguras), la potencia se limita a 500 mW; en este caso, la amplitud de la señal también se reduce con respecto a la de las aplicaciones estándar de 2,4 V a 1 V para cumplir con los estrictos requisitos de energía máxima aplicables allí. Sin embargo, como resultado, solo son posibles distancias de transmisión reducidas en áreas seguras de forma intrínseca.
Conclusión
10BASE-T1L proporciona un estándar de comunicación relativamente robusto para la automatización de procesos que ofrece numerosas ventajas sobre las aplicaciones convencionales de 4 mA a 20 mA, incluida la posibilidad de reutilizar la infraestructura existente.