Planificación eficiente de la red de planta industrial mediante simulación

Hoy en día, rara vez se puede ir a una feria o conferencia y no escuchar discutirse el mismo tema: Industria 4.0 y Big Data. Aquí, el por qué.

siemens big data industry

Mucho se habla acerca de la digitalización y los datos en la nube, pero ¿quién está pensando lo que realmente significa para el funcionamiento de una planta? ¿No es mejor detectar posibles problemas en la fase de planificación y así evitar que surjan posteriormente?

Planificación eficiente de la red de planta industrial mediante simulación

Hoy en día, rara vez se puede ir a una feria o conferencia y no escuchar discutirse el mismo tema: Industrie 4.0 y Big Data. Mucho se habla acerca de la digitalización y los datos en la nube, pero ¿quién está pensando lo que realmente significa para el funcionamiento de una planta? ¿No es mejor detectar posibles problemas en la fase de planificación y así evitar que surjan posteriormente?

 

El desafío

Cada vez más aplicaciones transmiten datos sobre la red de planta. Estos datos suelen incluir imágenes de video de alta resolución para los procesos de monitoreo, datos de calidad que deben ser reportados por ley, o copias de seguridad de los sistemas de PC. El hecho es que, junto con los datos de proceso en tiempo real, se están transmitiendo cada vez más datos Ethernet estándar, es decir, datos no en tiempo real, lo cual tiene un impacto considerable en las redes de comunicación. No solo son más heterogéneos, sino que, en el peor de los casos, pueden alcanzar los límites de su capacidad.

Industrie 4.0 se ha convertido en una realidad en la producción, al menos en términos de los datos. La complejidad de las redes industriales continúa creciendo porque se requiere conectividad de todo, desde sensores a la nube. La otra cara de la moneda: las redes mal planificadas pueden alcanzar rápidamente sus límites si nadie ha considerado el volumen de datos en la fase de planificación. En el peor de los casos, los cuellos de botella de tráfico de datos pueden incluso provocar errores en los nodos y segmentos, lo que afecta a grandes sectores de producción. Una de las principales tareas de la planificación predictiva de la red es evaluar correctamente los recursos de red existentes, para que se puedan tomar decisiones acertadas sobre cómo proceder.

Precondición para la fábrica digital

Una red de control determinístico como Profinet tiene como ventaja que puede transmitir no sólo datos IO, sino también comunicaciones Ethernet estándar en un solo cable. Esto es una precondición importante para la fábrica digital. Todos los datos necesarios se pueden transmitir rápida y fiablemente sin costos adicionales por ejemplo si se tuvieran que tender redes separadas.

En la comunicación de Profinet, los datos IO como datos de proceso y alarmas, se transmiten siempre en tiempo real. La posible carga de red que esto impone ya ha sido considerada en la ingeniería del sistema de control, para asegurar un funcionamiento fiable de la planta. Sin embargo, además de estos datos en tiempo real, se transmiten cada vez más datos extensos en Ethernet estándar, tales como datos TCP/IP, en sistemas de automatización. En el caso más simple, estos pueden ser datos de imagen de estaciones de operador (sistemas HMI). Incluso si se prioriza la comunicación en tiempo real o se reserva el ancho de banda, todavía tiene sentido considerar el dimensionamiento total de la red y ser capaz de estimar y juzgar la carga de la red correctamente.

La comunicación en tiempo no real es cada vez más importante para el funcionamiento de la Planta y ahora es, en muchos casos, relevante para el proceso. Por ejemplo, el proceso de producción se detiene si los datos de calidad, a veces legalmente requeridos, no se pueden transportar a un servidor de la red de nivel superior y almacenarlos allí. En este caso, la comunicación que no ha sido crítica en el pasado ahora tiene un impacto muy importante en el comportamiento de la planta.

 

Sinetplan pantalla de simulación e ingeniería de la arquitectura de una red de control industrial

 

 

Congestión de tráfico de datos en la Ethernet – ¿Cómo surgen los cuellos de botella?

Al evaluar el dimensionamiento de la red, es importante considerar no sólo la velocidad media de datos, sino también la utilización de los puertos de los switches.

La velocidad de datos indica la cantidad de datos que se transmiten en promedio a través del cable Ethernet. Por ejemplo, una carga del 20% en un cable para 100 Mbps, es una carga media de 20 Mega bits por segundo. Este valor no es todo lo que necesita saber porque no le indica cómo se distribuyen los datos durante un segundo. La distribución puede ser igual que para los datos IO, pero también puede venir en ráfagas. Dichas ráfagas se pueden producir, por ejemplo, por aplicaciones de PC o de cámaras. En ambos casos, la velocidad media de datos es de 36 Mbps. Los datos de ráfaga pueden dar lugar a situaciones críticas en la red de la planta.

Incluso con una velocidad de datos promedio baja en la red, tales ráfagas de datos pueden llegar a puertos diferentes en un switch y luego tienen que ser reenviados por el mismo puerto. Este comportamiento se puede ilustrar pensando en una unión de autopista. Durante la hora pico, muchos vehículos vienen de dos direcciones, pero todos quieren continuar en la misma dirección. Esto funciona bien en el tráfico promedio durante el día, pero deriva en un atasco durante la hora pico, esto es, una ráfaga.

El comportamiento del switch tiene la ventaja de que los datos que llegan al puerto de entrada se ordenan en el switch en colas de acuerdo con la prioridad, se almacenan en búfer y se reenvían, de nuevo basándose en la prioridad. Esto hace posible garantizar el derecho de paso de los telegramas en tiempo real de los datos IO (datos RT) y, por lo tanto, garantizar la comunicación en tiempo real a pesar del gran volumen de datos. Los datos TCP/IP estándar (datos no en tiempo real = NRT, por su sigla en inglés) se almacenan en las colas del switch y se envían después de los datos RT. La cantidad de datos a almacenar en búfer es la carga en el puerto.

Si llegan más datos en una ráfaga grande de lo que pueden ser almacenados en las colas, pueden ocurrir perturbaciones de la red y, en el peor de los casos, el rechazo de los telegramas TCP/IP.

¡Proactivo, no reactivo!

Para evitar un fallo de la planta por causa de datos retrasados o perdidos, se debe asegurar una comunicación fiable. Esto puede lograrse mediante la validación de la red después de la construcción de la planta. Pero la cuestión es si tiene sentido buscar y rectificar problemas en la planta después del hecho. Es más eficiente seleccionar posibles problemas en la fase de planificación y evitarlos desde el principio.

El Siemens Network Planner (Sinetplan) soporta la planificación y dimensionamiento de redes Profinet, especialmente si se lleva a cabo un gran volumen de la llamada comunicación en tiempo no real (NRT), además de la comunicación RT o IRT. Esto se hace más rápidamente importando directamente uno o más proyectos de ingeniería existentes, lo que ahorra tiempo y evita errores. La herramienta calcula y simula la carga de la red y revela puntos críticos en los que la carga de la red es demasiado alta. Para ello, la herramienta simula la carga de la red compuesta por los datos en tiempo real (comunicación en tiempo real) y la comunicación en tiempo no real causada por nodos Ethernet estándar. Se muestra al usuario una visión general de la velocidad media de datos de todas las conexiones y la carga de las colas de cada puerto de todos los dispositivos. El usuario puede ver los detalles de los datos que se transmitirán para cada conexión y cada puerto con un solo clic.

Esto proporciona una visión general y una transparencia sobre la carga de red de la planta planificada antes de la instalación y la puesta en marcha. Si Sinetplan revela algunas secciones de red críticas, es fácil rediseñar (por ejemplo, modificando la topología) e iniciar de nuevo la simulación. Una vez que la planta ha sido planificada de forma óptima, se puede generar un extenso informe para la documentación y la prueba, que contiene toda la información de una lista de equipos, la red y cargas de puerto, a una visión general de la topología.

La herramienta también permite la validación basada en la planta planificada o exploración en línea de la topología de una planta existente y el análisis basado en registros de Wireshark. Después del análisis, los diferentes flujos de datos se pueden almacenar como plantillas en un catálogo para futuras simulaciones.

Conclusión

Herramientas como Sinetplan ofrecen nuevas opciones para la planificación de redes. Soporta el planificador de planta para la optimización de la red planificada, utilizando los recursos de la red de la mejor manera posible y la generación de copia de seguridad. Proporciona una manera eficiente de asegurar que los problemas se detecten de forma temprana, antes de que aparezcan durante la puesta en marcha o incluso durante la operación productiva. Esto aumenta la disponibilidad de la producción, mejora la fiabilidad y se beneficia con la ventaja de Profinet: “Un cable para todos”.

El uso de Sinetplan como una herramienta de planificación es, por lo tanto, una gran ayuda con los crecientes requisitos de la era digital. Le permite ver durante la fase de planificación si es probable que ocurran problemas en la red de comunicación y si la red está idealmente planeada para todos los datos desde el nivel de campo hasta la nube.

Ventajas de una herramienta de planificación de red eficiente

  • Ahorro de costos gracias a la transparencia antes de la puesta en servicio.

Cálculo de las asignaciones del peor escenario de cola de los puertos y las conexiones.

Eficiente debido a la importación y simulación de proyectos STEP 7 existentes.

Uso optimizado de los recursos de red disponibles.

Validación del cumplimiento de las especificaciones de planificación.

Aumento de la disponibilidad de producción y prevención de paradas debido a fallas en la red.

Más Información: www.siemens.com