Sistemas de Cableado para Ethernet Industrial (parte 1) por Tomás Girao, Arnaldo C. Castro S.A. Ethernet Industrial Definición: Es el nombre dado al uso del protocolo Ethernet en redes dentro de un entorno industrial para sistemas de automatismo, control y transporte de información. Durante las últimas décadas los sistemas de automatización, instrumentos y PLCs se comunicaban mediante protocolos generalmente propietarios sobre plataformas seriales (RS 232, 422, 485) o de bus de campo de mayor o menor grado de complejidad en su arquitectura (DevicetNet, Modbus, Profibus, CAN). Actualmente se ha incrementado el interés por el uso de Ethernet como protocolo de comunicación tanto para aplicaciones de información o control, entre otros factores, por la posibilidad de obtener mayor velocidad (1Gbit por seg y 10 Gbps), mayores distancias de conexión, mayor performance de la totalidad del sistema, reemplazando arquitecturas de conexión Maestro – Esclavo por estructuras Peer to Peer, Multicast o Unicast con infraestructura variable soportando múltiples modos en función de las necesidades, Cables Cat5E, Cat 6, Wireless 802.11(a, b ó g) y Fibra óptica entre los más populares. La implementación de una red industrial permitirá la conexión y disponibilidad del sistema para dispositivos complementarios, ajenos a los sistemas de control o automatización, pero de gran utilidad, como cámaras de video IP, sistemas inalámbricos para equipamiento wifi, notebooks, hand helds, lectores de código de barra e impresoras industriales, aplicaciones de control de acceso, telefonía IP, etc. A este respecto desarrollaremos las ventajas de un Sistema de Cableado para Ethernet Industrial, teniendo el mismo una serie de consideraciones que difieren considerablemente de los clásicos Sistemas de Cableado Estructurado para Edificios de Oficinas. Características esenciales para componentes de Sistemas de Cableado para Ethernet Industrial Todos los componentes de un Sistema de Cableado Ethernet Industrial son de uso y aplicación específica para ambientes con exigencias industriales de resistencia al ingreso de polvo, humedad, agentes químicos e interferencias como elementos más destacados, sin restringir su aplicación a ningún tipo de industria. Siendo ésta la única manera de garantizar la performance, estabilidad y disponibilidad de la infraestructura del sistema. Generalmente, las instalaciones en ambientes industriales están expuestas a residuos sólidos, ambientes con altos niveles de humedad constantes y variaciones de temperatura significativas, uso de productos químicos, bien para procesos o para limpieza, gran concentración de equipamiento y exposición del cableado a algún tipo de abrasión. Cada uno de esos ítems está vinculado directamente a las necesidades especiales de protección que deben presentar los productos sobre tipos de ambientes y su estandarización al instalarse, descritas en la norma IEC 60529 y el draft de la norma ANSI/EIA/TIA 1005

(Telecommunications Infrastructure Standard for Industrial Premises-To be published as TIA-1005) similar al estándar ANSI/TIA-568 pero específico para ambientes industriales. La mayoría de los componentes y productos comerciales de Ethernet no son compatibles con aplicaciones industriales, básicamente por sus características constructivas, por ejemplo, degradación de la performance causada por la temperatura y/o la humedad, incompatibilidad con productos químicos, susceptibilidad a ruidos eléctricos, fallas por vibración o daños por golpes o torsiones y otras agresiones típicas del entorno. Esto no quita que en casos donde se puedan respetar las recomendaciones de los fabricantes (ambientes de oficinas en planta, libres de polvo, por ejemplo) los equipos tradicionales tengan un perfecto desempeño en aplicaciones de Ethernet estándar. Clasificación MICE De un modo general, la clasificación de los productos se realiza a través de una tabla, que servirá como guía y que debe atender un determinado tipo de ambiente. Esta tabla de clasificación se denomina MICE, donde cada letra representa una característica y presenta

tres niveles.

MECHANICAL: PROTECCIÓN TOTAL CONTRA ABRASIVIDAD Una de las propiedades de resistencia mecánica presentada por un cable LAN metálico o de fibra óptica debe ser la referente a la

abrasión. Pero, ¿por qué protección contra abrasión? Sabemos que en algunos ambientes es imposible que la instalación del cableado se realice totalmente en ductos o canaletas, permitiendo

que el cable quede expuesto, sin protección. Cuando el material usado no es apropiado para este tipo de instalación, ocurren hendiduras, aunque sean pequeñas, en el revestimiento

del cable, causando daños en su desempeño eléctrico, aumentando los costos de mantenimiento y las pérdidas causadas por la parada

no-programada. De esa forma, el cable para una instalación industrial debe ofrecer una resistencia mecánica superior, basada en doble

revestimiento y diferentes opciones de materiales, donde cada una presente características adecuadas al tipo de ambiente en el cual se

instalarán. Existen, por ejemplo, variedades de revestimiento en TPU (poliuretano) o en PVC 105º (PVC con propiedades especiales, diferente del

PVC utilizado en cables LAN comunes). Generalmente, los cables con el segundo revestimiento en TPU cumplen el grado de flamabilidad CMX y los cables con el segundo

revestimiento en PVC 105º cumplen el grado de flamabilidad CM. INGRESS: PROTECCIÓN CONTRA LÍQUIDOS Y SÓLIDOS La principal característica de este tipo de sistemas es la protección IP67 que deben ofrecer sus accesorios, según el Código IP (Índice de Protección IEC 60529), conocido sistema de codificación para indicar los grados de protección proporcionados a un objeto contra el acceso a partes peligrosas, contra la entrada de cuerpos extraños (residuos sólidos, polvo) y contra la penetración de agua. Este código está formado por dos números, ubicados inmediatamente después de las letras IP. El número que está en primer lugar, también denominado “primera cifra característica” está graduado desde 0 (cero) hasta 6 (seis) e indica la protección contra el acceso a partes peligrosas (típicamente para productos de alta tensión o piezas en movimiento que no sean rotativos) y garantizando simultáneamente, la protección del equipo contra la entrada de cuerpos sólidos. En la medida que aumenta el número, su protección es superior. El número que está en segundo lugar, normalmente denominado “segunda cifra característica”, indica la protección en el interior del equipo contra los efectos perjudiciales debidos a la penetración del agua. Está graduado desde 0 (cero) hasta 8 (ocho) y en la medida en que aumenta, su protección es superior. Por lo tanto, entendemos que una protección IP67 permite un grado de protección contra cuerpos sólidos de 6 (Estanqueidad total al

polvo – “Ninguna entrada de polvo”) y contra penetración de Agua de 7 (Protegido contra los efectos de inmersión “Al sumergir el equipo con presión adecuada hasta 1 metro y con duración hasta 30 minutos, no deberá permitir la entrada de agua en su interior en

cantidades perjudiciales.”) CHEMICAL/CLIMATIC: CORROSIÓN Y CALOR BAJO CONTROL Tanto los accesorios como los cables de una instalación industrial deben ofrecen protección adicional contra el ataque de algunos elementos químicos. Siguiendo la misma construcción respecto a la protección mecánica, los cables pueden presentar opciones de materiales con diferentes resistencias químicas a Ácidos/Bases Fuertes, Aceites y Solventes Orgánicos. Los accesorios generalmente son fabricados en material termoplástico especial, el PBT (Polybutylene Terephthalate), usado

comúnmente en aisladores en industrias electro-electrónicas, con alta resistencia mecánica (poca deformación, soportan temperaturas

hasta 150ºC) y química (solventes orgánicos y aceites), permitiendo utilizarse también en ambientes externos; es uno de los preferidos

por los fabricantes. ELECTROMAGNETIC: INTERFERENCIAS En ambientes con gran concentración de equipos es inevitable el efecto causado por la interferencia electromagnética en los cables LAN

metálicos instalados. Se consideran fuentes de ruidos: los transformadores eléctricos, generadores, motores, equipos de Rayos-X,

soldadoras y transmisores de radio o radar. Para este tipo de ambiente, que exige robustez, confiabilidad y protección mayor contra pérdida de EMI (Inducción Electromagnética) y

RFI (Interferencia por Radio Frecuencia), la solución industrial debe ofrecer cables LAN metálicos y accesorios con blindaje, que cumplen la norma EIA/TIA 568-B.2.

CONECTIVIDAD - MEDIOS FISICOS Este tipo de sistemas basados en Ethernet permiten diseñar redes de arquitectura muy simples o de gran complejidad, dependiendo de

las necesidades; es posible conectar miles de puntos en una instalación o acceder a información de múltiples sitios remotos y

compartirla con otras aplicaciones administrativas de la compañía (ERP, Stock, Logística, Producción, etc.) Cableado Horizontal: WO (Workstation Outlet) CAJAS EXTERIORES Las Cajas Estanco aparentes permiten la fijación de múltiples conectores de uno a cuatro (Jacks) RJ45 industriales con diferentes

sistemas de encastre o rosca que garantizan un nivel IP67 en su interior donde los contactos y cables tienen exposición total. La Construcción es en acero inoxidable y tiene diseños de bordes de encastre entre tapa y cuerpo de la caja. En algunos fabricantes se

incluyen juntas de aislación, prensacables de entrada y tapas ciegas.

FACEPLATES Construidos en Acero Inoxidable con juntas especiales, soportan exposición a chorros de agua sin causar daños a las conexiones;

versiones para uno y dos tomas.

Permiten la instalación en sistemas de canalización embutidos, con cajas estándar o en sistemas de cañería industrial (conduits) estanco.

Es necesario para garantizar la integridad de la instalación de todos los componentes instalados, conduits, conectores y cajas del tipo

estanco. CONECTOR RJ-45 HEMBRA Conector con tapa de protección que cumple IP67, impidiendo que el polvo o agua dañe la conexión. Es fundamental que estas tapas permanezcan cerradas en todo momento cuando el toma se encuentre sin conexión.

El conjunto del conector RJ45 incluye un Sistema de Traba que ajusta con el conector macho RJ45 Industrial, soportando fuertes chorros de agua. Existen opciones para cables UTP y FTP en Categorías 6 y 5E PATCHCORD INDUSTRIAL El cable de conexión entre la WO y el equipamiento o instrumental en piso de planta es fundamental que también reúna las características de protección para mantener la performance del conjunto de la solución. El cable de red debe ser resistente a rayos UV y aceites. Los conectores deben encajar en el sistema de enclavamiento de los jacks o conectores RJ45, permitiendo, en el peor de los casos, una inmersión temporaria por 30 minutos hasta un metro de profundidad.

Existen versiones con conectores estanco en ambos lados, o del tipo híbrido, que aseguran la conexión estanco del lado del WO y terminan en una ficha estándar del lado del equipamiento, ya que éstos pueden contar con un encapsulamiento o protección propia. Los conectores pueden ser del tipo UTP o FTP dependiendo del sistema instalado, tanto para Cat 5E como Cat6.

Es sumamente importante conocer y respetar los tipos de sistemas instalados, ya que en una conexión FTP la totalidad de los componentes (cables, jacks y fichas) deben mantener la continuidad de la conexión al sistema de tierra para evitar efectos reversos que pueden ser sumamente perjudiciales. CABLES INDUSTRIALES LAN Por definición, entendemos que son los cables requeridos para Sistemas de Cableado Estructurado Industrial para transmisión de voz, datos e imágenes, según los requisitos de la norma ANSI/TIA/EIA-568B.2 e ISO 11801, Categoría 5E ó ANSI/TIA/EIA-568B.2 para Cat 6, para cableado horizontal o secundario entre los paneles de distribución (Patch Panel) y los conectores industriales IP67 en el sitio de trabajo. Consideremos a los cables Cat5e como el estándar mínimo actual, con una capacidad de frecuencia máxima de transmisión de 100MHz y certificación de un ancho de banda de hasta 1Gbps; se recomienda para ampliación de redes existentes ya que la validez de las mismas se estima en unos cinco años. En la actualidad, para instalaciones nuevas o upgrade de existentes, es importante considerar la aplicación de sistemas en Cat6 (ya existe la Cat 6A y la Cat 7) que permiten una frecuencia máxima de 250MHz y certificar un ancho de banda de hasta 10Gbps. Los cables, de cuatro pares trenzados 23 ó 24AWG, pueden ser del tipo UTP (Unshilded Twisted Pair) o F UTP (Foiled Twisted Pair o Screnned Twister Pair) dependiendo de si cuentan o no con una cinta de blindaje helicoidal metálico que apantalla los cuatro pares juntos. Existe también un cable F FTP que apantalla cada par de forma individual y luego un blindaje global, pero no es muy solicitado. El blindaje es muy útil como protección adicional contra el ingreso y egreso de inducciones electromagnéticas (EMI) e interferencias por radio frecuencia (RFI). Es recomendable el uso de cables que cumplan con los requerimientos de la directiva europea de Restricción de Uso de Sustancias Nocivas (Restriction of Hazardous Substances RoHS) en su proceso de fabricación y considerar también la posibilidad de incluir en la especificación el uso de cables del tipo LSZH (Low Smoke Zero Halogen) de baja emisión de humos y Cero Generación de Halógenos. La doble cubierta de los cables LAN industriales es lo que garantiza su resistencia a los ambientes agresivos externos. Generalmente, es posible distinguir dos tipos de opciones: cubiertas en TPU y DC-PVC. Las cubiertas exteriores compuestas de TPU son utilizadas en ambientes donde se necesita mayor resistencia mecánica y protección contra abrasión. Posee grado de flamabilidad CMX. Las cubiertas exteriores basadas en DC-PVC son las preferidas para soportar ambientes de polvo o que impliquen mayor resistencia química que un cable convencional, con grado de flamabilidad CM. Recordemos que los cables metálicos pueden ser clasificados en función de su capacidad de retardar la llama de la siguiente forma: CMP Plenum/Aplicación horizontal con flujo de aire forzado, en sitios cerrados. CMR Raiser/Instalaciones entre pisos (3 o más pisos) CM Aplicación genérica/con gran concentración de cables y flujo de aire forzado (Cableado Horizontal) CMX Instalaciones con baja concentración de cables, sin flujo de aire forzado. (Residencial) En este orden se observa de arriba hacia abajo la disminución de la resistencia a la llama en función de las características de la instalación y los cables. En instalaciones de cableado estructurado, es frecuente la necesidad de conexión entre el edificio y portería o con ambientes donde es necesario instalar un cable para interconexión de edificaciones a través de un camino externo. Lo más recomendado es la instalación de cables ópticos, que no son susceptibles a descargas atmosféricas, poseen pocas limitaciones de distancia y tienen excelentes tasas de transmisión. Sin embargo, el uso del cable metálico aún prevalece en la mayoría de las instalaciones, por ese motivo hoy en día se pueden encontrar productos con las siguientes características: - Cables metálicos para uso externo que fueron desarrollados para exceder los límites establecidos en las normas internacionales, permitiendo así, que su utilización en estos ambientes facilite la ampliación actual de su red y que sea utilizado en instalaciones temporarias o para interconexión de salas, por medio de postes o de redes de tubos enterrados. - Esos cables son ofrecidos en U/UTP (Unshielded Twisted Pair) o S/UTP (Shielded Twisted Pair) y siguen las mismas normas y limitaciones de longitud de canal (90 metros) previstas en las normas EIA/TIA, ISO/IEC. - Se distinguen tres posibles aplicaciones (indoor, outdoor e indoor/outdoor) y diversos tipos de cables para los diferentes ambientes de instalación de cables de datos. - Los cables outdoor pueden ser producidos con cubierta simple y son recomendados para aplicación aérea o en bandejas. Su cubierta, siempre en el color negro, es resistente a rayos UV y presenta grado de flamabilidad CM cuando son usados en ambientes internos.

- Los cables indoor/outdoor, producidos con doble cubierta, son recomendados para uso en instalaciones aéreas o en conductos sujetos a inundación temporaria. Poseen grado de flamabilidad CM, cumpliendo los requisitos de la norma UL 1581- Vertical Tray Section 1160. En la próxima edición vamos a concluir con las recomendaciones para los puntos de concentración de los elementos activos (routers, switches, etc) y del cableado vertical en un ambiente industrial. Tomás Girao Bodeant Gerente División Infraestructura Arnaldo C. Castro S.A. Sistemas de Cableado para Ethernet Industrial (parte 2) por Tomás Girao, Arnaldo C. Castro S.A. Siguiendo con el tema ya iniciado en la edición anterior vamos a continuar con las recomendaciones para los puntos de concentración de los elementos activos (routers, switches, etc) y del cableado vertical en un ambiente industrial. PUNTOS DE CONCENTRACIÓN En ambientes industriales, los puntos de concentración deben ser montados en gabinetes o tableros estancos para proteger el equipamiento en su interior. Se dimensionarán considerando la distribución y disipación de los componentes activos (fuentes, controladores, conversores de medio, switches, etc.) y la distribución de los elementos pasivos (patchpanels, distribuidores ópticos, etc.) considerando sobre todo, los radios de curvatura de los cables y las acometidas de los mismos.

Fig 1: posible ubicación de puntos de concentración en una planta industrial Todos los cables ingresarán mediante prensacables o conectores del tipo bulkhead, evitando el ingreso de vapores, humedad, polvo y otros. Vale destacar que las puertas de los gabinetes deben permanecer siempre cerradas. En su interior se podrán montar los patchpanels, realizar las cruzadas (cross connect) con patchcords estándar o de cable industrial, montar los protectores de línea, media converters y otros accesorios.

Figura 2: Ejemplo de un diagrama de sistema SWITCHES Los switches industriales han sido diseñados para aplicaciones de ambiente industrial, por este motivo es imprescindible considerar los mismos en el diseño de cualquier conexión. Diferentes fabricantes con distintas configuraciones y modelos nos permiten adecuar las configuraciones a las necesidades de la red, con variedad de cantidades de puertos para UTP (10 y 100BaseT), Uplinks o conexiones en fibra óptica (100Base-FX) y Gigabit (dependiendo el medio son diferentes los puertos, FO Monomodo, Multimodo, etc.) o conexiones de backbone en UTP a Gigabit, incluso ya hay modelos disponibles con conexiones en 10GB. Es deseable que la fuente sea independiente, aunque se puede utilizar la del PLC si su capacidad lo permite. Cableado Vertical: El concepto de cableado Vertical o Backbone es claro en un edificio, donde se unen todos los distribuidores o puntos de concentración del cableado horizontal (Puntos de Concentración) a una columna vertebral, a la hora de diseñar una red industrial son válidos los mismos conceptos por más que generalmente se trabaje sobre un único plano horizontal. La planificación de una red implica, en primera instancia, determinar la conectividad al backbone, considerando el modelo de la arquitectura, los medios físicos de conexión, cantidad de puntos, distancias de conexión entre los mismos, entre otros. El grado de complejidad generalmente se desprende del layout y la distribución en piso de los Puntos de Concentración. Es posible planificar redes con arquitectura de estrella, anillo o anillos con estrellas combinadas. Lo ideal, a los efectos de mantenimiento y administración, es que la estructura sea lo más sencilla posible, considerando posibilidades de expansión y otras previsiones a futuro. La estructura de anillo, con enlaces en fibra óptica entre los diferentes nodos, es la arquitectura preferida ya que permite trabajar con modelos casi perimetrales y asegura la conectividad en caso de que caiga uno de los segmentos, pero no es necesariamente la única arquitectura posible en sistemas industriales. Los cableados de fibra óptica en el backbone nos permiten manejar distancias importantes entre puntos de concentración, anchos de banda de hasta 10GB y la posibilidad de utilizar distintos hilos de fibra de un mismo cable para diferentes aplicaciones. Es el elemento de transmisión ideal por excelencia para ambientes industriales, por su inmunidad a ruidos eléctricos es posible tenderla junto a cables de alta, media y baja tensión. La versatilidad que presenta a la hora del tendido permite compartir bandejas de conductores eléctricos, instalaciones aéreas, subterráneas, de intemperie o interiores, protecciones anti roedores, entre otras tantas ventajas. Es muy importante para que la instalación sea confiable, estable y duradera, que se respeten varios pasos en el proceso de instalación. Generalmente los cables de fibra óptica de buena calidad, ya sean con armadura de protección o no, tienen cierta resistencia mecánica que hace que puedan ser manipulados con practicidad por personal experiente, de todas formas deben observarse detalles como la identificación del cable por medio de etiquetas o cartelería específica, ya que pueden ser confundidos con cables de cobre después de instalados, respetar los radios de curvatura, evitar torsiones, quiebres o presiones puntuales sobre el cable, respetar los márgenes de tensión y esfuerzo lineal a la hora de enhebrar, entre otros.

Figura 3 La terminación de los cables de fibra óptica, en ambos extremos, siempre debe ser realizada con un Distribuidor óptico; este elemento permite asegurar de forma confiable la conexión de terminación de la fibra. No es raro ver instalaciones de Fibra Óptica en la industria en las que se pega un conector al hilo de fibra y este se conecta directamente al equipo. Error!!! Los hilos de fibra óptica no fueron diseñados para soportar esa movilidad y seguramente se terminen quebrando, despegando el conector o moviéndose el hilo de fibra en su interior causando fallas de transmisión. Una instalación apropiada debe implicar, la selección apropiada del conector de fibra óptica y en lo posible, manejar un único estándar para toda la planta. El método más eficiente y confiable de conectorización es unir al cable de fibra un pigtail conectorizado de fábrica mediante una fusión térmica. Esto asegura que el pulido del extremo está garantizado por el fabricante y que la soldadura de la fibra implicará la menor atenuación o pérdida de señal. Esta operación es además mucho más rápida que otros métodos de conectorización obsoletos. La soldadura y los sobrantes de hilo de fibra son acondicionados y asegurados dentro del distribuidor óptico evitando roturas y contacto con ellos. El conector se acopla a la cupla del Distribuidor Óptico y queda disponible la conexión. Cuando sea necesario conectar el enlace, ya sea a un switch, un elemento activo o equipo en campo, bastará con conseguir un simple patchcord de fibra óptica con los conectores apropiados en cada extremo. El cable de este cordón de conexión está diseñado para darle alta flexibilidad y resistencia y en caso de rotura o daño bastará con reemplazarlo, habiendo conservado la integridad del cable de fibra, de conexión, del segmento o del enlace. SEGURIDAD Como en cualquier otra red Ethernet es necesario incluir en el diseño un Firewall para la protección de la red a ataques externos o internos, de esta manera se puede aislar, por ejemplo, la red corporativa de la red industrial o permitir accesos desde el exterior por Internet, mediante VPNs al personal o proveedores autorizados. Conclusión Estas han sido tan solo algunas recomendaciones y buenas prácticas considerando la importancia que revisten hoy en día los sistemas de información en los ambientes de producción. Sin duda que cada proyecto es particular y resulta más que difícil generalizar conceptos o procedimientos. Como siempre, es importante contar con el respaldo o la asistencia de especialistas certificados y experientes para implementar o diseñar sistemas de cualquier complejidad a los efectos de aprovechar al máximo la capacidad de inversión y sobre todo, anteponer criterios de alta disponibilidad, escalabilidad y aseguramiento de la performance para evitar los costosos tiempos de parada y la pérdida de información. El Sr. Tomás Girao Bodeant es Gerente de la División Infraestructura de Arnaldo C. Castro S.A. Consultas: tomas.girao@arnaldocastro.com.uy