Cableado PROFINET: Visión general y consideraciones para implementación

Versión en español de un paper escrito por Nelly Ayllon para PI Norteamérica y publicado en Profinews en Abril de 2018.
Publicado con autorización de PI Norteamérica
Introducción

Las redes PROFINET están construidas en base al estándar Ethernet IEEE 802.3. Aun cuando los puntos de acceso inalámbricos están ganando popularidad, la mayor parte de las conexiones de red actuales usan cables de cobre y requieren del correspondiente cableado. Los fabricantes de cable PROFINET ofrecen un amplio rango de tipos y clases de cables adecuados para diferentes aplicaciones, incluyendo aquellas que requieren propiedades especiales. Estos cables están disponibles en dos clases: cobre y fibras ópticas. Este documento presenta una visión general de ambas clases, su uso adecuado y su implementación.

Cables de cobre PROFINET

Un cable PROFINET típico tiene un núcleo mallado de 4 hilos de cobre (star quad), mientras que los cables de 8 hilos están especificados para uso en aplicaciones de alta velocidad de transferencia de datos (1000 Mbit/s). Las distintas clases de cables varían en la estructura de los hilos (núcleo sólido, cable multifilar trenzado para aplicaciones fijas/flexibles y en diferentes combinaciones de funda y tipo de construcción). La siguiente presenta una lista de los requerimientos mínimos para una capa física basada en cables de cobre, si bien un nodo PROFINET particular puede implementar protocolos adicionales los cuales pueden requerir características adicionales.

Característica de capa física

Los núcleos del cable siempre están codificados por color. En un cable de 4 hilos, el par 1 está formado por el hilo amarillo y el naranja, mientras que el par 2 está formado por el hilo azul y el blanco. La figura 1 muestra un esquema de cable PROFINET típico, con los núcleos en cada par de hilos dispuestos de manera diametralmente opuesta dentro del cable.

Los cables PROFINET de 8 hilos consisten en 4 pares de hilos: verde, azul, naranja y marrón más un cable blanco correspondiente para cada uno.

Al igual que en las aplicaciones Ethernet estándar, la distancia máxima posible entre dos puntos de comunicación es de 100 m si se usa cable de cobre

Tipos de cable de cobre PROFINET

Existen tres tipos de cable de cobre PROFINET principales, estando diferenciados principalmente por la aplicación para la que fueron diseñados:

Tipo A: Cables diseñados para instalaciones fijas, no deben estar sujetos a movimientos después de la instalación.

Tipo B: Cables diseñados para instalaciones flexibles. Este tipo de cable puede estar expuesto a movimientos ocasionales o vibración.

Tipo C: Cables diseñados para aplicaciones especiales. Los cables Tipo C pueden soportar ambientes dinámicos y con movimiento, como por ejemplo máquinas rotatorias o aplicaciones con porta cables flexibles.

Adicionalmente, se dispone de diversas clases de cables especiales para PROFINET. Los cables especiales más comunes se listan a continuación junto con su respectiva aplicación.

Cables PE: Áreas sometidas a humedad constante.

Cables enterrados: Comunicación subterránea

Cables con funda no corrosiva retardante de llama: Adecuado para instalaciones en áreas sujetas a regulaciones de seguridad o protección, por ejemplo, salones y espacios públicos

Cables de arrastre: Partes móviles en máquinas

Cable tipo festón: Grúas y sistemas de cableado tipo festón

Cable para aplicaciones navales: Aplicaciones en barcos y plataformas offshore

Los cables de fibra óptica PROFINET

Los cables de fibra óptica ofrecen beneficios específicos sobre el cobre. Generalmente se emplean en áreas con presencia de interferencias electromagnéticas o diferencias de potencial de puesta a tierra significativas.

Las conexiones realizadas mediante fibra óptica pueden eliminar completamente los problemas causados por interferencia electromagnética y el flujo de corrientes de ecualización de potencial por el mallado de los cables de cobre.

Algunos de los beneficios que ofrecen las fibras ópticas:

Los cables de fibra óptica permiten cubrir distancias más grandes que los cables de cobre (hasta dos órdenes de magnitud).

Los cables de fibra óptica permiten contar con aislación eléctrica total entre diferentes áreas de una planta.

Los cables de fibra óptica son totalmente inmunes a la interferencia electromagnética.

El esquema de la fibra óptica PROFINET correspondiente a la figura 2 muestra la estructura general del mismo, el cual consiste en dos cables paralelos. Los cables están listos para el armado directo de los conectores.

El cable naranja cuenta con flechas direccionales impresas para facilitar la asignación de hilos a las conexiones de transmisión y recepción. Los requerimientos de las interfaces de fibra óptica son distintos a los de una interface de cobre. Se deben seguir los requerimientos del estándar correspondiente a la transmisión Full Duplex 100Base FX.

Tipos y parámetros de fibras ópticas PROFINET

La selección de tipo de fibra óptica debe basarse en los requerimientos determinados por el proyecto de automatización. En general, existen dos tipos de cable de fibra óptica: Tipo B y Tipo C. El Tipo B está especificado para uso estacionario o flexible. El Tipo C está especificado para aplicaciones especiales, como por ejemplo aplicaciones con movimiento permanente, vibración y/o torsión.

Existen cuatro clases diferentes de fibras ópticas usadas en PROFINET:

Estas cuatro clases son: Fibra óptica de plástico (POF), fibra óptica de vidrio multi modo (multi-mode), fibra óptica de vidrio mono modo (single-mode), y fibra óptica de vidrio con funda plástica (fibra con cobertura de silicio (HCF) o fibra con cobertura plástica (PCF)).

La siguiente tabla ofrece un resumen de los requerimientos:

Consideraciones para la instalación de cableado de Fibra vs Cobre

Los cables de cobre se empezaron a usar en el siglo 19, y su uso se difundió con el desarrollo de la industria de telecomunicaciones. Hoy en día, los cables de cobre siguen siendo la opción más común para uso en redes industriales, pero los cables de fibra óptica son la elección adecuada en determinadas aplicaciones.

Los siguientes ítems deben tenerse en cuenta durante la selección.

Distancia

Dependiendo del medio ambiente presente en la planta, una red puede necesitar cableados sobre distancias cortas o largas entre las diferentes secciones de la planta. Puesto que los segmentos de cobre están limitados a 100 m, las distancias mayores pueden ser cubiertas añadiendo un switch. Los segmentos de fibra óptica pueden ser tendidos sobre distancias mayores, que pueden llegar hasta los 2 km mediante el uso de fibras ópticas multi modo.

Costo

El costo del cable varía en función del tipo y de las características especiales, pero el costo por metro no es el único factor a tener en cuenta. Durante la instalación, cada cable requiere equipamiento de testeo, conectores y adaptadores (debe tratarse de minimizar el número de transiciones entre distintos tipos de cableado). Asimismo, diferentes tipos de cables pueden requerir métodos de instalación y entrenamiento específicos.

Medio ambiente

El cobre y la fibra emplean distintos tipos de clasificación (Tipo A, Tipo B, y Tipo C) que permiten asegurar el funcionamiento apropiado y disminuyen el riesgo de fallas. Siempre debe elegirse el tipo adecuado en función del medio ambiente y del tipo de aplicación: instalaciones fijas, flexibles o dinámicas.

Ancho de banda

Aunque el cobre es el material adecuado para la mayoría de las aplicaciones, la fibra óptica generalmente ofrece un mayor ancho de banda. El ancho de banda también dependerá de los distintos tipos de cable utilizados. Inicialmente el cobre estaba limitado a 10 Mbps, pero en hoy en día generalmente ofrecen un ancho de banda de 1 Gigabit.

Aplicaciones especiales

En las secciones previas, hemos descrito cables para aplicaciones especiales. Las aplicaciones especiales más comunes se han enumerado anteriormente, pero no todas. Aunque algunas soluciones especializadas pueden estar dirigidas a nichos de mercado, otras están dirigidas a entornos de fabricación específicos.

Conclusión

PROFINET se basa en Ethernet estándar no modificada, lo que brinda la oportunidad de aprovechar las nuevas tecnologías, como las mejoras en la capa física. Los cables PROFINET de cobre y fibra tienen una clasificación específica para permitir el funcionamiento adecuado y grupos especiales para aplicaciones específicas. Dependiendo de la complejidad de la red, es posible que necesite cables de cobre y fibra, y además varios tipos de cada uno. Todos los cables PROFINET pueden interactuar sin problemas en una red y proporcionar beneficios adicionales gracias a sus múltiples funciones.

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