En las dos últimas décadas se ha producido un gran cambio en la forma de comunicarse de los sistemas industriales. Las empresas han pasado de los sistemas basados en buses de campo a los sistemas de comunicación basados en Ethernet. Se espera que el fuerte crecimiento de las comunicaciones industriales basadas en Ethernet continúe a un ritmo acelerado, ya que el último estudio del analista MarketsandMarkets ha descubierto que se prevé que el mercado global de Ethernet industrial aumente de 9.200 millones de dólares en 2020 a 13.700 millones de dólares en 2026, una CAGR del 7,3% durante el periodo de la investigación.
No es ninguna sorpresa que Ethernet Industrial haya alcanzado tal cuota de mercado en ese periodo de tiempo relativamente corto. Aunque se han introducido mejoras en los sistemas basados en bus de campo, siguen teniendo algunas limitaciones. Son ideales para una funcionalidad de control sencilla, pero con un mayor número de fabricantes trabajando en la implementación de una estrategia de Industria 4.0, estas limitaciones se vuelven difíciles de superar. La limitación más evidente es la velocidad, especialmente cuando se trata de aplicaciones que necesitan un control muy complejo y preciso, como la robótica.
Una implementación basada en Ethernet es una alternativa obvia. Ethernet tiene suficiente ancho de banda para hacer frente a la gran mayoría de los casos de uso industrial, incluso para las aplicaciones más exigentes de la Industria 4.0. Es un estándar bien entendido, rentable y utilizado en todo el mundo. Es flexible y puede utilizarse para muchas aplicaciones diferentes, especialmente porque las ramas de bus de campo más antiguas pueden incorporarse fácilmente y a bajo coste a la red troncal de Ethernet. Para la implementación y el mantenimiento, no faltan ingenieros que hayan trabajado con la tecnología Ethernet y la entiendan. La Industria 4.0 requiere un fuerte vínculo entre las operaciones industriales y las TI, por lo que tiene sentido contar con sistemas de comunicaciones que se basen en el mismo estándar. Sin embargo, la Ethernet que se encuentra en los sistemas de TI no es determinista, y ese es uno de los requisitos más importantes para los sistemas de control.
Esta carencia ha llevado a varios fabricantes y organizaciones a desarrollar un estándar basado en Ethernet que sea adecuado para el uso industrial. Los más populares de estos nuevos estándares son Ethernet TSN, EtherNet/IP, PROFINET y EtherCAT. Desde su desarrollo inicial, cada uno de estos protocolos y otros sistemas más pequeños o propietarios han encontrado su propio nicho geográfico o técnico.
Todos los protocolos tienen sus propias ventajas e inconvenientes. En general, toman el concepto de Ethernet tal y como se encuentra en la informática y lo adaptan para ofrecer un funcionamiento en tiempo real. Una de las implementaciones de Ethernet industrial hace las cosas de forma un poco diferente: EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology) mantiene la capa física estándar de Ethernet y construye un protocolo determinista completamente nuevo sobre ella. El protocolo utiliza un controlador de host, que es el único dispositivo que puede crear la trama EtherCAT. La trama tiene siempre la misma longitud, y cada nodo de dispositivo de la red tiene un área direccionable de la trama dedicada a él. A medida que la trama se desplaza por la red, cada nodo recoge los datos de control y deja la información de respuesta en su espacio asignado a medida que pasa, sin retrasar la trama más que el retardo de propagación del hardware y ofreciendo una velocidad de datos efectiva máxima cercana a la velocidad de línea de 100Mbit/sg.
En otras implementaciones de Ethernet Industrial, llevar a cabo la comprobación de la trama, realizar una comprobación CRC y pasar por la pila puede llevar cientos de microsegundos. EtherCAT está diseñado para realizar el proceso completo en sólo 125µs. Esa mayor velocidad hace que el sistema tenga una mayor capacidad de respuesta, lo que, a su vez, hace que toda la aplicación de control sea más eficiente y segura. El nodo del dispositivo EtherCAT también es mucho más sencillo que otras implementaciones de Ethernet industrial, ya que sólo requiere un código de pila (SSC) que se ejecuta en un modesto microcontrolador, lo que también reduce la complejidad y el coste del sistema.
Sin embargo, la implementación de EtherCAT no es lo más fácil de conseguir. La barrera más difícil para los diseñadores es cumplir los requisitos de tiempo de ciclo. Muchos fabricantes, especialmente los que utilizan motores, desean implementar algoritmos de control a 8000 ciclos por segundo, lo que supone un tiempo de ciclo de 125 µs. Aunque los sistemas EtherCAT deberían alcanzar fácilmente esta cifra, conseguirlo en la práctica ha resultado difícil y suele requerir mucha escritura y optimización del software. Además, puede resultar caro: un controlador EtherCAT de carril DIN para colocar junto a un controlador de motor puede costar cientos de euros. Sin embargo, se puede conseguir un diseño personalizado por casi diez veces menos.
Una nueva solución
Microchip ha participado en el mercado de EtherCAT desde 2012. La empresa presentó su primer controlador de dispositivos EtherCAT (ESC), el LAN9252, en 2015. Esa entrada en el mercado resultó ser un éxito, y también permitió a la empresa recopilar información sobre dónde estaban los puntos de tensión en el mercado. Descubrió que los usuarios querían una forma más fácil de cumplir los requisitos de tiempo de ciclo y una serie de funciones que les permitieran añadir valor a sus implementaciones y les dieran una mejor visión del funcionamiento de EtherCAT.
La información recibida llevó a Microchip a desarrollar su segunda generación de soluciones ESC, que se lanzaron en septiembre de 2020. Los dispositivos LAN9253 y LAN9254 son ESCs de 3 puertos que cuentan con PHYs Ethernet duales integrados con un transceptor 100BASE-TX full-duplex y funcionamiento a 100Mbps.
La mejora más importante que introdujo la empresa en los nuevos ESC fue adaptar el diseño para que los diseñadores pudieran cumplir los objetivos de tiempo de ciclo con muy poca optimización de software. Los nuevos dispositivos también han simplificado la implementación de los nodos EtherCAT al reducir el tiempo de diseño y la lista de materiales necesaria. Las implementaciones normales de EtherCAT utilizan un ESC, un microcontrolador y una EEPROM, y la EEPROM aloja la configuración para el ESC. Microchip ha desarrollado una técnica que emula eficazmente la EEPROM. El ESC utiliza una llamada de función para obtener instrucciones directamente del microcontrolador anfitrión sin afectar al rendimiento, haciendo innecesaria la EEPROM física.
Los nuevos circuitos integrados también se han diseñado con una función que reduce la cantidad de cristales necesarios para la sincronización. Muchos diseños industriales utilizan controladores multieje para aplicaciones como la robótica. Estos diseños pueden requerir hasta seis circuitos de control diferentes para hacer funcionar un brazo robótico multieje. Antes, cada uno de esos circuitos necesitaba su propio cristal para la sincronización. Los nuevos circuitos integrados incluyen un método para replicar con precisión el sistema de sincronización y el atenuador de fluctuaciones para los seis circuitos utilizando un solo cristal, lo que elimina la necesidad de cinco cristales adicionales y reduce aún más el coste del sistema.
Los dos dispositivos también ofrecen otras características que facilitan la implantación y el funcionamiento de los sistemas EtherCAT. El protocolo EtherCAT se diseñó sin diagnósticos en la capa física, por lo que los usuarios sólo se enteraban de los fallos, como la degradación del cable, cuando empezaban a tener errores de CRC y otros problemas. Microchip diseñó la capacidad de supervisar el estado de los cables en cualquier momento, lo que permite a los usuarios ver los fallos antes de que se conviertan en un problema, un principio clave de la Industria 4.0.
El LAN9253 está alojado en un encapsulado QFN, replicando en lo posible la disposición de los pines del encapsulado del LAN9252 para que los clientes puedan aprovechar las mejoras que ofrece el diseño con un rediseño mínimo. El LAN9254 tiene 16 pines de E/S adicionales que permiten que el ESC funcione como un simple controlador sin necesidad de un microcontrolador. Dado que se conoce el área de la trama que utiliza el nodo del dispositivo y el retardo de propagación, los bits del ESC pueden asignarse a desplazamientos en la trama y a las 32 líneas de E/S para permitir que el equipo de campo se conecte directamente a la red EtherCAT.
Muchos clientes nos pidieron que incluyéramos un controlador para ofrecer una solución ESC todo en uno. Este año, Microchip ha lanzado el LAN9255 que añade un microcontrolador Cortex-M4F. El MCU tiene suficiente velocidad para ocuparse de los requisitos de EtherCAT, a la vez que actúa como procesador de aplicaciones para el sistema de control. La unidad de punto flotante del procesador ayuda con algoritmos más complejos, como los necesarios para el control de motores. También se han añadido zócalos Ethernet con soporte de código para la versión 3 de SNMP, para que los diseñadores tengan más flexibilidad a la hora de vincular la tecnología operativa con los sistemas informáticos.
Conclusión
Los circuitos integrados LAN9253 y LAN9254 de Microchip han facilitado la implementación y el mantenimiento de los nodos EtherCAT, reduciendo el tiempo y los costes al eliminar la necesidad de algunos componentes de soporte, facilitar el proceso de optimización del software y añadir la capacidad de analizar la red. El nuevo CI LAN9255 lleva esta tendencia un paso más allá al eliminar la necesidad de un controlador de host externo y proporcionar a los desarrolladores un nodo EtherCAT y una solución de control de campo en un único paquete. El uso del marco de trabajo Microchip MPLAB X Harmony acelera aún más el tiempo de comercialización al permitir que el software para la comunicación y el control se escriba y optimice en un entorno de usuario único y fácil de usar.
Todos los dispositivos descritos en este artículo ya están disponibles, se envían en volúmenes de producción y cuentan con el apoyo de los servicios de verificación de diseño de Microchip.
Por Ian Saturley, Director de Marketing Estratégico, Grupo de USB y Redes – Microchip Technology
