Parece que hoy en día todo el mundo habla de OPC UA y TSN. No obstante, para muchos fabricantes de maquinaria y operarios de plantas de fabricación, no queda claro qué ventajas específicas pueden obtenerse al usar estas tecnologías en sus propios equipos e instalaciones.
Para aclarar un poco el asunto, hemos solicitado al especialista en conexiones de red Stefan Bina que responda algunas de las preguntas más importantes acerca de OPC UA sobre TSN y de su papel en el futuro de la comunicación IoT industrial.
Conectividad y la IoT industrial
OPC UA sobre TSN es respaldado por todos principales proveedores de automatización Garantiza una interoperabilidad independiente del proveedor para todos los casos de uso industrial relevantes, actuales y futuros.
OPC UA sobre TSN permite unos conceptos de máquinas modulares seguras por diseño y arquitecturas de producción flexibles en el taller. Con ello se ayudará a los usuarios a racionalizar sus máquinas y plantas para lograr una producción económica incluso en lotes de una unidad. Además, ofrece una visión segura de los procesos de fabricación para conseguir una optimización continua del rendimiento y el mantenimiento predictivo, sin afectar al funcionamiento de la maquinaria.
OPC UA sobre TSN es totalmente abierto y notablemente más rápido y seguro. Puede aumentar la capacidad de innovar, maximizar la eficacia general del equipo, reducir el coste total de propiedad y agilizar las operaciones de puesta en marcha y mantenimiento.
Los sistemas de bus de campo patentados actuales se comunican utilizando datos brutos, solo ceros y unos. Sin las tablas correspondientes, los dispositivos en la red no saben cómo interpretar esos datos. Por ello, resulta imposible lograr el tipo de comunicación fluida que se requiere en la Internet Industrial de las Cosas (IIoT).
Con su modelo de información, OPC UA enriquece los datos brutos con descripciones semánticas. Todo ello le da contexto y significado, por lo que cualquier dispositivo o persona que reciba la información puede interpretarla correctamente sin más explicaciones.
OPC UA ofrece los llamados “métodos” que permiten una interacción directa con los recursos. Las máquinas pueden consultarse entre sí para averiguar qué tipo de servicios, interfaces y funcionalidades ofrecen, lo que les permite interactuar de una forma más eficiente y autónoma.
Para más información acerca del modelo de información OPC UA y por qué necesitamos semántica, consulte página web de OPC Foundation.
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La determinística de TSN permite que la comunicación OPC UA de máquina a máquina sincronice mejor una planta de múltiples proveedores. Lo mismo puede decirse de la comunicación a nivel de dispositivo dentro de las propias máquinas.
OPC UA ofrece una forma estandarizada de estructurar datos. Añade semántica para cualquier tipo de recurso y la ofrece de manera segura. TSN es la infraestructura, la autopista por la que OPC UA conduce de manera determinística.
Sin la interoperabilidad que ofrece OPC UA sobre TSN, estas comunicaciones de múltiples proveedores tendrían que estar codificadas, añadiendo unos exorbitantes costes de desarrollo y anulando cualquier ganancia en flexibilidad. Además de todo ello, OPC UA sobre TSN garantiza una visión continua sin perturbar el funcionamiento de la maquinaria.
Las aplicaciones de la IoT industrial se basan en datos: la información es su elemento vital. OPC UA sobre TSN añade una amplia gama de sensores, actuadores y otros dispositivos de automatización al conjunto de información disponible extendiendo la autodescripción semántica del modelo de información OPC UA hasta el nivel de campo.
La IoT industrial nos garantiza la capacidad de diseñar unos procesos de producción eficientes y efectivos que sean al mismo tiempo más baratos y más fáciles de poner en marcha y mantener. También garantiza una personalización a gran escala y rentable de los productos.
Para lograr estas aspiraciones, las líneas de producción actuales deberán transformarse en unidades de producción flexibles que permitan una visión continua de su funcionamiento interno. Esta información, combinada con algoritmos inteligentes e incluso con inteligencia artificial, será el combustible que impulsará las actuales optimizaciones de rendimiento y el mantenimiento predictivo.
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Interoperabilidad
Es cierto que hemos llegado muy lejos sin ella. Sin embargo, para aumentar el nivel de la automatización, con el intercambio de información, la digitalización de la fabricación y el auge de las fábricas inteligentes y las operaciones autónomas, la interoperabilidad es un trampolín esencial.
La interoperabilidad aporta velocidad, flexibilidad y rentabilidad adicionales, sin las cuales es imposible implementar la adquisición avanzada de datos, el análisis y la optimización necesarios para el IoT industrial.
Como marco para pensar en los sistemas de comunicación, el modelo de referencia OSI los divide en siete capas conceptuales, desde los conectores y cables hasta la interfaz de usuario.
Para garantizar una interoperabilidad perfecta en una red, se necesita una plena interoperabilidad en cada una de estas siete capas. OPC UA ofrece una interoperabilidad de información segura en las capas 5 a 7, lo que permite una comunicación vertical segura desde el sensor hasta la nube. La interoperabilidad en las capas 3 y 4 está garantizada a través de los estándares de TI más comunes. La capa 1 está cubierta por el estándar Ethernet.
Como pieza final del rompecabezas, las redes sensibles al tiempo (TSN) aportan interoperabilidad a la capa 2, la capa de línea de datos. De esta forma se puede utilizar OPC UA para aplicaciones precisas en tiempo real en redes OT/IT convergentes con un rendimiento sin precedentes.
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Ecosistema y estandarización
OPC UA en sí está desarrollado y estandarizado por la Fundación OPC. Los estándares TSN son responsabilidad del grupo de trabajo IEEE 802.1. Para garantizar un enfoque coherente y abierto para la implementación de OPC UA junto con TSN y los perfiles de aplicación asociados, la Fundación OPC ha lanzado la nueva iniciativa de Comunicaciones a Nivel de Campo. El el director de la iniciativa de trabajo es Peter Lutz, quién dirigirá e impulsará el desarrollo de la iniciativa y las especificaciones.
La tecnología aportará la interoperabilidad integral e independiente del proveedor en los dispositivos de nivel de campo utilizados en todas las áreas de la automatización industrial. La integración de dispositivos de campo y la planta de producción consolidará aún más el papel de la Fundación OPC como impulsor de un estándar mundial de interoperabilidad industrial. Las tareas de estandarización para la funcionalidad unificada que actualmente se están realizando en la Fundación OPC incluyen aplicaciones de seguridad, movimiento y E/S.
El comité directivo de la OPC Foundation para las comunicaciones sobre el terreno está integrado por 24 proveedores líderes de tecnología de la industria de la automatización, incluyendo ABB, Beckhoff, Bosch-Rexroth, B&R, Cisco, Hilscher, Hirschmann, Huawei, Intel, Kalycito, KUKA, Mitsubishi Electric, Molex, Omron, Phoenix Contact, Pilz, Rockwell Automation, Schneider Electric, Siemens, TTTech, Wago y Yokogawa. Cada vez más empresas se unen todo el tiempo, con adiciones recientes que incluyen Moxa y Murr Elektronik.
  Fuente de las imágenes: Fundación OPC |
La comunicación en tiempo real es vital para las funcionalidades de la automatización industrial, como por ejemplo el control a nivel de dispositivo, el control de movimiento, la visión artificial y el control de máquina a máquina (de control a control). No obstante, la Ethernet estándar nunca se diseñó para ser una red determinística, por lo que los sistemas de bus de campo patentados implementaron sus propios mecanismos para lograr un comportamiento determinístico. TSN ahora ha ampliado Ethernet IEEE 802 para que incluya la comunicación en tiempo real, ofreciendo un estándar unificado que cumple con los requisitos de la automatización industrial.
TSN también ofrece la posibilidad de utilizar redes convergentes, permitiendo que la misma red gestione tanto las comunicaciones de TI no determinísticas como las comunicaciones de OT determinísticas, tales como el control de la máquina y la seguridad. En el futuro, el estándar TSN será una característica estándar de los chips Ethernet convencionales.
Para más información, consulte Wikipedia y el sitio web de IEEE.
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Rendimiento
La tecnología es capaz de abordar más de 10.000 nodos de red, escalables desde 10 megabits hasta 10 gigabits y más. Las pruebas realizadas por B&R lograron unos tiempos de ciclo inferiores a 50 microsegundos, con una fluctuación de fase inferior a ±100 nanosegundos en una red de 200 acopladores de bus de E/S remotos y con un total de 10.000 puntos de E/S. Ello concuerda con las afirmaciones de que OPC UA sobre TSN es "18 veces más rápida que la solución más rápida existente en la actualidad".
Este nivel de rendimiento hace que las redes de bus de campo patentadas sean obsoletas. OPC UA sobre TSN permite el tráfico de control de movimiento de alto rendimiento y el tráfico de TI en ancho de banda intenso a través de un solo cable y sin interferencias mutuas.
En el sitio web de B&R puede un descargarse detallado documento técnico acerca de la implementación de OPC UA sobre TSN.
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Ciberseguridad y migración
El diseño de OPC UA se creó para comunicarse con los sistemas de TI. OPC UA sobre TSN le permitirá hacer converger las redes OT e IT sin que ello perturbe el funcionamiento de las máquinas. Todo ello gracias a TSN y al uso de los mecanismos de seguridad OPC UA que ya utilizan habitualmente los departamentos de TI, incluida la autorización y autenticación de usuarios, la codificación y la gestión de certificados.
Las principales ventajas son trabajar con un sistema abierto, una semántica consistente, la seguridad y el rendimiento. Los aspectos de rendimiento incluyen un gran ancho de banda y la comunicación en tiempo real garantizada.
Mientras que en cualquier otro caso los fabricantes de maquinaria deberían ofrecer soporte para todos los principales buses de campo a través de TSN, la combinación de OPC UA con mecanismos de TSN para la comunicación a nivel de campo en tiempo real le ofrece una única red y un protocolo independientes del proveedor, desde el sensor hasta la nube.
Un usuario final puede estar interesado en las redes convergentes, por ejemplo, y debe tener la posibilidad de utilizar OPC UA para conectarse a la nube a través de MQTT. Las plataformas Cloud, ERP y DCS admiten actualmente un conector OPC UA, lo que simplifica la comunicación. Sea cual sea el fabricante de una máquina, las especificaciones complementarias de OPC UA permiten que las máquinas se describan a sí mismas de manera coherente y utilizando una semántica estandarizada. La especificación complementaria del robot VDMA, por ejemplo, ofrece un modelo de información estandarizado que presenta toda la información y funcionalidades relacionadas con el robot sea cual sea el fabricante o la ubicación, todo ello de una manera uniforme.
El ARC Advisory Group ha publicado un resumen informativo sobre el tema.
La Fundación OPC tiene un buen historial de miembros que ofrecen compatibilidad con OPC UA. Esta es una de las razones por las que los proveedores participantes eligieron la Fundación OPC para desarrollar OPC UA para la comunicación determinística que utilizase TSN.
Esas 24 empresas comparten una visión común y participan en un comité directivo para la iniciativa de Comunicaciones a nivel de campo, dedicada a extender OPC UA para las comunicaciones a nivel de campo sobre TSN y lograr una perfecta comunicación OPC UA desde el sensor hasta la nube.
Con su clara posición de apoyo a esta visión, la previsión es que las 24 empresas lancen productos de automatización con OPC UA sobre TSN en los próximos años, y se espera que los primeros productos puedan adquirirse en 2020. Este enorme impulso convencerá a otros proveedores e integradores para que sigan la tendencia del mercado de buscar una solución de comunicación unificada y contribuyan al mayor ecosistema de soluciones conectadas de automatización industrial de la historia.
Todas las topologías utilizadas habitualmente en las redes industriales son compatibles, incluyendo las lineales, en estrella, en árbol y en anillo. TSN incluye un mecanismo estándar para conseguir una redundancia continua en tiempo real implementado a través de redundancias de cable, topologías de anillo o de malla.
El paquete de desarrollo del proveedor ofrecerá todo lo necesario para que la configuración se realice de forma sencilla y automatizada. Para aquellos que elijan no usar las herramientas del proveedor, las interfaces de configuración necesarias son estándares abiertos y pueden utilizarse herramientas de red adicionales de otros fabricantes.
Sí, porque TSN es una evolución de la Ethernet estándar. TSN simplemente mejora la Ethernet estándar con funcionalidades en tiempo real, por lo que es posible tener dispositivos Ethernet estándar y dispositivos TSN trabajando conjuntamente en la misma red.
Los dispositivos Ethernet estándar no necesitarían ninguna interfaz ni puerta de enlace para conectarse a una red TSN. No obstante, solo los dispositivos con capacidad TSN podrán comunicarse en tiempo real.
Sí, podrán sincronizarse los dispositivos OPC UA sobre TSN y POWERLINK en los sistemas de B&R.
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B&R siempre ha seguido una estrategia de producto sostenible que garantiza la disponibilidad a largo plazo de productos y tecnologías. Ello no cambiará con la introducción en el mercado de OPC UA sobre TSN. B&R ofrecerá compatibilidad con POWERLINK además de con OPC UA sobre TSN en su extensa cartera de productos. Los clientes podrán seleccionar la mejor solución de comunicación para adaptarse a sus necesidades.
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La funcionalidad de TSN ya está integrada en la mayoría de los nuevos Automation PC de B&R y será compatible con todos los nuevos PLC futuros. El puerto TSN y Ethernet serán el mismo.
TSN en combinación con los buses de campo existentes
Los protocolos de bus de campo antiguos compartirían una red TSN común, pero los dispositivos no serían interoperables como lo serían los dispositivos OPC UA. Estos protocolos tampoco disponen de la semántica ni de los métodos que ofrece OPC UA. OPC UA dispone de seguridad integrada y es un estándar internacional reconocido para la comunicación desde el sensor a la nube, con nuevos desarrollos que se van incorporando continuamente.
La principal diferencia es la interoperabilidad del sistema: sin ella, el usuario queda limitado a un proveedor y a una solución de automatización, sin posibilidad de comunicarse ni de sincronizarse con otros sistemas. En una planta de múltiples proveedores, ello significa que no puede garantizarse la comunicación e implementar funcionalidades avanzadas tales como la monitorización del estado, el equilibrado de líneas de producción, el mantenimiento predictivo, la optimización de las máquinas y la conexión, puesta en marcha y realización del mantenimiento. Como fabricante de maquinaria, ello implica que siempre se está limitado por el nivel de innovación que ofrezca el proveedor elegido.
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Disponibilidad
Los proveedores presentarán los primeros productos a finales de 2019 y estarán disponibles a principios de 2020. Póngase en contacto con sus proveedores habituales para más información acerca de sus planes de comercialización.
Manténgase informado
Suscríbase a la newsletter de la OPC Foundation newsletter de la OPC foundation o pregunte a su representante de B&R. Para participar y respuestas directas, también puede ponerse en contacto con Peter Lutz:
Peter Lutz, Director de Comunicaciones a Nivel de Campo
Fundación OPC
Peter.Lutz@OPCfoundation.org