Tecnología Ethernet-APL en la Industria 4.0

Introducción

Ethernet-APL (capa física avanzada) es una de las tecnologías de comunicación más importantes que impulsan la transformación digital de los sistemas de automatización de procesos.

Tecnologías de bus de campo industriales tradicionales como:

• HART
• PROFIBUS PA
• Fundación Fieldbus

se diseñaron originalmente para entornos de comunicación industrial de bajo ancho de banda. Aunque estas tecnologías proporcionaron una comunicación de procesos fiable durante muchos años, cada vez tienen más dificultades para satisfacer los requisitos de datos de las arquitecturas modernas de la Industria 4.0.

El verdadero valor de la tecnología Ethernet-APL reside en cómo permite la comunicación Ethernet industrial de alta velocidad:

• Acceso a datos industriales en tiempo real
• Comunicación de campo de gran ancho de banda
• Integración inteligente de dispositivos
• Diagnóstico avanzado
• Computación de borde
• Conectividad en la nube
• Comunicación segura entre sensores y controladores

La instrumentación industrial moderna ya no se limita a transmitir simples variables de proceso. Ethernet-APL transforma los dispositivos de campo en nodos de datos industriales inteligentes capaces de soportar sistemas de automatización digital avanzados.

Ethernet-APL es una pieza del rompecabezas de una red convergente de este tipo, compatible con varios protocolos en tiempo real como PROFINET, EtherNet/IP, HART-IP, así como el protocolo de middleware OPC UA.

1. Historia y desarrollo de la tecnología Ethernet-APL

El desarrollo de la tecnología Ethernet-APL se vio impulsado por la creciente necesidad de llevar Ethernet industrial directamente a entornos de automatización de procesos peligrosos.

Las tecnologías Ethernet tradicionales se enfrentaban a varias limitaciones en las industrias de procesos porque la infraestructura Ethernet estándar no estaba diseñada para ello:

• Largas distancias de cable
• Entornos intrínsecamente seguros
• Instrumentación de campo a dos hilos
• Duras condiciones industriales

A medida que evolucionaban las arquitecturas de la Industria 4.0, los sistemas de automatización industrial requerían muchos más datos de los dispositivos de campo de los que podían proporcionar los sistemas de bus de campo tradicionales.

Para hacer frente a estas limitaciones, en 2018 se creó “The APL Project”.

El acuerdo para desarrollar la tecnología Ethernet-APL bajo “The APL Project” se estableció en 2018 y está respaldado por las principales organizaciones de desarrollo de estándares (SDO) de la industria:

• Grupo FieldComm
• ODVA
• Fundación OPC
• PROFIBUS y PROFINET Internacional

El proyecto también contó con el apoyo de importantes empresas de automatización industrial, como:

• ABB
• Emerson
• Endress+Hauser
• Krohne
• Pepperl+Fuchs
• Contacto en Phoenix
• R. Stahl
• Rockwell Automation
• Sansón
• Siemens
• VEGA
• Yokogawa

Ethernet-APL se diseñó específicamente para incorporar la capacidad Ethernet a la instrumentación de campo de procesos, manteniendo al mismo tiempo:

• Seguridad intrínseca
• Comunicación a larga distancia
• Funcionamiento a dos hilos
• Integración de energía y comunicaciones

En la actualidad, Ethernet-APL se está convirtiendo en una de las tecnologías clave para la automatización de procesos digitales.

2. Principio técnico básico de Ethernet-APL

Ethernet-APL se basa en la tecnología Single Pair Ethernet (SPE) optimizada para entornos de automatización de procesos.

La tecnología permite:

• Entrega de potencia
• Comunicación Ethernet
• Transmisión a larga distancia

a través de un único cable de dos hilos.

A diferencia de las arquitecturas Ethernet tradicionales, que requieren varios pares de hilos y distancias de cable relativamente cortas, Ethernet-APL está optimizada para:

• Largas tiradas de cable industrial
• Zonas peligrosas
• Instalaciones intrínsecamente seguras
• Instrumentación de campo

La velocidad de comunicación de Ethernet-APL es:

$10Mbit/s$

Esta velocidad de transmisión de datos representa un gran salto tecnológico en comparación con las tecnologías tradicionales de bus de campo de procesos.

3. Por qué Ethernet-APL es una importante actualización tecnológica

Los sistemas de bus de campo de proceso tradicionales se diseñaron principalmente para transmitir variables de proceso básicas como:

• Presión
• Temperatura
• Nivel
• Flujo

Sin embargo, los sistemas modernos de la Industria 4.0 requieren cada vez más:

• Diagnóstico de alta resolución
• Control de la salud de los dispositivos
• Datos de mantenimiento predictivo
• Análisis avanzados
• Configuración remota
• Supervisión de activos en tiempo real

Las tecnologías tradicionales de bus de campo de baja velocidad tienen dificultades para satisfacer estos requisitos avanzados.

4. Ethernet-APL frente a PROFIBUS PA y HART

Según Toni Mertala en:

ETHERNET APL -TEKNIIKAN KÄYTTÖÖNOTTO 800XA-JÄRJESTELMÄSSÄ JA PA-LAITTEIDEN INTEGROIMINEN-THESEUS

Ethernet APL:n está disponible a 10 mbit/s y a 300 kbit/s en Profibus PA:n y HART:n.

Desde el punto de vista de la automatización de procesos, se trata de un gran avance tecnológico.

Los sistemas HART y PROFIBUS PA tradicionales nunca se diseñaron para transmitir grandes cantidades de datos de diagnóstico y funcionamiento de forma continua.

El ancho de banda significativamente mayor de Ethernet-APL permite transmitir a los dispositivos de campo:

• Diagnóstico avanzado
• Información sobre el estado del dispositivo
• Análisis de procesos
• Datos de forma de onda
• Información sobre mantenimiento predictivo
• Actualizaciones de mediciones de alta frecuencia

en tiempo real.

La tesis afirma además:

“Ethernet APL:n nopean tiedonsiirron ansiosta kenttälaitteilta saadaan entistä enemmän tietoa, jota voidaan hyödyntää”.”

Esto refleja una de las principales ventajas de la tecnología Ethernet-APL:

La instrumentación de campo ya no se limita a la simple transmisión de medidas. Los dispositivos se convierten en fuentes de información industrial inteligente.

El artículo también afirma:

“Prosessiteollisuudessa tällä hetkellä käytettävät Profibus PA -kenttälaitteet eivät mahdollista tämän lisätiedon hyödyntämistä”.”

Esto pone de manifiesto una importante limitación de los sistemas de bus de campo tradicionales en entornos de Industria 4.0.

Por último, la tesis concluye:

“La tecnología Ethernet APL es compatible con Profibus PA y puede utilizarse en cualquier lugar”.”

Desde el punto de vista de la evolución tecnológica, Ethernet-APL representa la transición de:

• Comunicación tradicional sobre el terreno
• Instrumentación de bajo ancho de banda
• Redes de procesos aislados

hacia:

• Arquitecturas Ethernet unificadas
• Plantas digitales inteligentes
• Ecosistemas de datos industriales en tiempo real

5. Compatibilidad con protocolos industriales en tiempo real

Uno de los puntos fuertes más importantes de Ethernet-APL es la capacidad de convergencia de protocolos.

Ethernet-APL admite varios protocolos de comunicación industrial simultáneamente, entre ellos:

• PROFINET
• EtherNet/IP
• HART-IP
• OPC UA

Esto permite a las plantas de proceso construir infraestructuras Ethernet industriales unificadas capaces de integrarse:

• Instrumentación de campo
• Controladores
• Sistemas SCADA
• Plataformas en nube
• Dispositivos Edge
• Sistemas de gestión de activos

La compatibilidad con OPC UA es especialmente importante porque permite:

• Interoperabilidad industrial normalizada
• Intercambio seguro de datos
• Integración escalable de la IIoT
• Comunicación multiplataforma

6. Retos de ciberseguridad en las redes Ethernet-APL

Dado que Ethernet-APL conecta directamente los dispositivos de campo a las redes de planta basadas en Ethernet, la ciberseguridad adquiere cada vez más importancia.

Según:

Niemann, Karl-Heinz, y Simon Merklin. 2022.
“Requisitos de seguridad OT para dispositivos de campo EthernetAPL : El cambio tecnológico puede mejorar la protección”.”
atp Magazin 63 (5).

el documento demostró que los dispositivos de campo Ethernet-APL están sujetos a posibles ataques.

El documento afirma:

“La estructura plana de la red ofrece a los atacantes un acceso relativamente fácil a los dispositivos, ya que están conectados directamente a la red de la planta”.”

A diferencia de los sistemas de bus de campo tradicionales aislados, los dispositivos Ethernet-APL funcionan dentro de infraestructuras Ethernet industriales altamente conectadas.

Esto aumenta enormemente la importancia de:

• Segmentación de la red
• Autenticación
• Cifrado
• Protección de la integridad de los dispositivos
• Protocolos de comunicación seguros

Requisitos para una comunicación segura

El documento explica además:

“Por tanto, se necesitarán comunicaciones seguras para los dispositivos Ethernet-APL”.”

y:

“Los requisitos de seguridad para componentes de automatización descritos en la norma IEC 62443-4-2 también se aplican a los dispositivos APL”.”

Esto significa que los dispositivos de campo Ethernet-APL deben tratarse de forma similar a:

• Controladores
• Sistemas de E/S remotas
• Infraestructura de red industrial

en lugar de simples instrumentos de campo pasivos.

Integridad de los datos entre sensores y controladores

Una de las ventajas tecnológicas más importantes de Ethernet-APL es la capacidad de comunicación segura de extremo a extremo.

El documento afirma:

“Al utilizar un protocolo de comunicación seguro, es posible por primera vez proteger la integridad y autenticidad de los valores de los sensores desde el sensor hasta el controlador, lo que actualmente no es posible con HART o PROFIBUS PA.”

Esto representa un importante avance de la Industria 4.0, ya que ahora los valores de medición de los procesos pueden verificarse de forma segura en toda la arquitectura de automatización.

Esto es cada vez más importante para:

• Procesos críticos para la seguridad
• Fabricación farmacéutica
• Producción química
• Sistemas energéticos
• Entornos de gemelos digitales

Arquitectura de defensa en profundidad

El documento también recomienda:

“Debe utilizarse un concepto de defensa en profundidad para proteger la zona de la planta contra ataques desde el exterior”.”

Las modernas arquitecturas Ethernet-APL requieren cada vez más:

• Cortafuegos
• Pasarelas seguras
• Segmentación VLAN
• Detección de intrusos
• Comunicación cifrada
• Autenticación segura de dispositivos

para proteger la infraestructura de automatización industrial.

Integración de seguridad de hardware

El documento recomienda además que los fabricantes

“reservar recursos suficientes en sus dispositivos (memoria, potencia de cálculo, posiblemente un elemento seguro como un módulo de plataforma de confianza o similar)”.”

Esto refleja una importante evolución tecnológica en la instrumentación industrial.

Se espera que los futuros dispositivos de campo se integren cada vez más:

• Módulos de seguridad de hardware
• Módulos de plataforma de confianza (TPM)
• Arquitecturas de arranque seguras
• Procesadores criptográficos integrados

directamente en el interior de los instrumentos industriales.

7. Cómo Ethernet-APL mejora las funciones de los instrumentos

Ethernet-APL cambia radicalmente las capacidades de los dispositivos industriales de campo.

La comunicación de alta velocidad permite diagnósticos avanzados

El mayor ancho de banda permite que los dispositivos de campo proporcionen:

• Diagnóstico en tiempo real
• Control de la salud de los dispositivos
• Análisis avanzado de formas de onda
• Datos de mantenimiento predictivo
• Análisis operativos detallados

Esto mejora significativamente la visibilidad de la planta y la inteligencia operativa.

La arquitectura Ethernet unificada simplifica la integración

Ethernet-APL permite que los dispositivos de campo se integren directamente en sistemas industriales basados en Ethernet.

Esto simplifica:

• Arquitectura de la red de plantas
• Integración de datos
• Acceso a distancia
• Conectividad en la nube
• Comunicación SCADA

Los datos en tiempo real mejoran la capacidad de automatización

Mejora la comunicación de campo de alta velocidad:

• Capacidad de respuesta del proceso
• Precisión de automatización
• Optimización en tiempo real
• Control avanzado de procesos

Esto permite sistemas de automatización industrial más inteligentes.

8. Industria 4.0 Evolución de Ethernet-APL

Ethernet-APL es una de las tecnologías fundamentales para las arquitecturas de automatización de procesos de la Industria 4.0.

Los sistemas Ethernet-APL modernos son cada vez más compatibles:

• Conectividad en la nube
• Computación de borde
• Análisis basados en IA
• Mantenimiento predictivo
• Gemelos digitales
• Supervisión remota de la planta
• Gestión inteligente de activos

La instrumentación de campo está pasando de ser dispositivos de medición aislados a nodos de redes industriales inteligentes.

Integración Edge y Cloud

Ethernet-APL permite la integración directa entre:

• Dispositivos de campo
• Plataformas Edge Computing
• Sistemas de análisis en la nube
• Aplicaciones industriales de la IA

Esto mejora significativamente la accesibilidad de los datos industriales.

Integración de Digital Twin

Los modernos sistemas de gemelos digitales requieren cada vez más:

• Datos del dispositivo en tiempo real
• Diagnóstico continuo
• Actualizaciones de procesos de alta frecuencia

Ethernet-APL proporciona el ancho de banda y la interoperabilidad necesarios para soportar estas arquitecturas avanzadas.

9. Tendencias de desarrollo futuro de Ethernet-APL

Se espera que las futuras tecnologías Ethernet-APL evolucionen hacia:

• Mayor integración de la ciberseguridad
• Diagnóstico de redes asistido por IA
• Gestión autónoma de dispositivos
• Comunicación industrial nativa
• Plantas Ethernet totalmente convergentes
• Redes industriales definidas por software

Los futuros dispositivos industriales de campo podrán integrar cada vez más:

• Procesadores de IA integrados
• Elementos de hardware seguros
• Arquitecturas de autodiagnóstico
• Algoritmos de optimización autónomos

Se espera que Ethernet-APL se convierta en una de las infraestructuras de comunicación dominantes para los sistemas de automatización de procesos de próxima generación.

Conclusión

La tecnología Ethernet-APL representa uno de los avances de comunicación más importantes en la automatización de procesos moderna.

El verdadero valor de Ethernet-APL reside en cómo la comunicación Ethernet industrial de alta velocidad transforma la instrumentación de campo en dispositivos de automatización digital inteligentes capaces de dar soporte:

• Comunicación industrial en tiempo real
• Diagnóstico avanzado
• Transferencia segura de datos del sensor al controlador
• Integración de la Industria 4.0
• Conectividad en la nube
• Análisis basados en IA

En comparación con los sistemas de bus de campo tradicionales, como HART y PROFIBUS PA, Ethernet-APL proporciona un ancho de banda de comunicación mucho mayor, al tiempo que permite arquitecturas de Ethernet industrial seguras, escalables y unificadas.

A medida que las tecnologías de la Industria 4.0 sigan evolucionando, se espera que Ethernet-APL se convierta en una de las tecnologías de comunicación fundamentales de los sistemas inteligentes de automatización de procesos.