Tecnología SPE (Single Pair Ethernet) en la automatización industrial

Introducción

SPE (Single Pair Ethernet) es una de las tecnologías de comunicación industrial de próxima generación más importantes que permite la convergencia de las arquitecturas Industrial Ethernet, Industrial IoT (IIoT) e Industria 4.0.

Los sistemas Ethernet tradicionales suelen requerir varios pares de hilos trenzados para la comunicación. Sin embargo, a medida que los sistemas de automatización industrial evolucionan hacia:

• Dispositivos más pequeños
• Sensores distribuidos
• Instrumentación de campo inteligente
• Computación de borde
• Redes industriales en tiempo real

El cableado Ethernet tradicional es cada vez más complejo, voluminoso y caro.

El verdadero valor de la tecnología SPE reside en cómo la comunicación Ethernet a través de un único par trenzado simplifica las redes industriales al tiempo que mantiene la interoperabilidad Ethernet.

SPE lo permite:

• Comunicación Ethernet a través de un par trenzado
• Reducción del tamaño del cableado
• Instalación simplificada
• Cableado industrial ligero
• Comunicación a larga distancia
• Instrumentación de campo basada en Ethernet
• Integración perfecta de TI/OT

Los dispositivos industriales modernos ya no son componentes de campo aislados. SPE permite que sensores, actuadores, controladores e instrumentos inteligentes se conviertan en nodos Ethernet totalmente integrados dentro de los ecosistemas de la Industria 4.0.

Historia y desarrollo de la tecnología SPE

La tecnología Single Pair Ethernet tiene su origen en la creciente necesidad de comunicaciones Ethernet ligeras en sistemas industriales y de automoción.

Las tecnologías Ethernet tradicionales se diseñaron originalmente para entornos informáticos de oficina y normalmente requerían:

• Cuatro pares de hilos
• Conectores grandes
• Instalaciones a corta distancia

Estas arquitecturas no eran ideales para:

• Sistemas de automoción
• Sensores industriales
• Dispositivos de automatización compactos
• Largas tiradas de cable industrial

A medida que los sistemas industriales y de automoción se digitalizaban cada vez más, crecía la demanda de una arquitectura Ethernet más pequeña y sencilla capaz de soportar:

• Comunicación en tiempo real
• Redes de sensores
• Dispositivos de campo inteligentes
• Automatización basada en Ethernet

Esto condujo al desarrollo de tecnologías SPE como:

• 100BASE-T1
• 1000BASE-T1
• 10BASE-T1L
• 10BASE-T1S

Una descripción de ingeniería comúnmente referenciada afirma:

“Generalmente se denomina BASE-T1”.”

En la actualidad, las industrias automovilística e industrial están adoptando rápidamente arquitecturas SPE.

Un debate sobre ingeniería resumió esta evolución así:

“Todo el mundo del automóvil va a SPE y sustituye a CAN”.”

Otro ingeniero declaró:

“Automotive Ethernet es monopar para 100M/1G ...”

Esto refleja una importante transición tecnológica desde los buses industriales tradicionales hacia arquitecturas basadas en Ethernet.

Principio técnico básico del SPE

En Ethernet monopar, se utiliza un único par trenzado dentro del cable para la comunicación Ethernet y, opcionalmente, para el suministro eléctrico.

A diferencia de los sistemas Ethernet tradicionales, que requieren varios pares de cables, SPE simplifica drásticamente la infraestructura de cableado.

La tecnología admite velocidades de comunicación que oscilan entre:

10 Mbit/s → 10 Gbit/s

en función de la norma SPE y de la configuración del cable.

Esto permite:

• Arquitecturas Ethernet ligeras
• Conectores más pequeños
• Diámetro de cable reducido
• Menor coste de instalación
• Enrutamiento simplificado

La arquitectura simplificada del cableado es especialmente valiosa para:

• Sensores industriales
• Robótica
• Sistemas de automoción
• Automatización de edificios
• Automatización de procesos

Normas y variantes SPE

Se han desarrollado varias normas SPE para diferentes requisitos industriales.

10BASE-T1L

10BASE-T1L es una de las normas SPE más importantes para la automatización industrial.

Una discusión sobre ingeniería explicada:

“Existe un estándar de par trenzado único llamado 10BASE-T1L, pero sólo es de 10 Mb/s”.”

Aunque la velocidad de transmisión de datos es relativamente baja en comparación con Ethernet de alta velocidad, 10BASE-T1L se optimizó específicamente para:

• Comunicación a larga distancia
• Bajo consumo de energía
• Instrumentación industrial de campo
• Automatización de procesos

10BASE-T1L es actualmente una de las tecnologías fundamentales de los sistemas Ethernet-APL.

100BASE-T1 y 1000BASE-T1

Normas SPE de mayor velocidad como:

• 100BASE-T1
• 1000BASE-T1

se utilizan habitualmente en:

• Ethernet para automoción
• Robótica
• Automatización de máquinas
• Redes industriales de alta velocidad

Estas normas admiten un ancho de banda significativamente mayor para los modernos sistemas inteligentes.

Rendimiento y alcance de la comunicación

Una de las principales ventajas técnicas del SPE es el equilibrio entre velocidad de comunicación y distancia del cable.

Las discusiones de ingeniería suelen decir:

“Deberías poder conseguir 100mbit hasta unos 500 metros”.”

Otra referencia de ingeniería afirma:

“T1L ethernet debería alcanzar los 500m”

Esta capacidad de larga distancia es especialmente importante en entornos industriales como:

• Plantas de proceso
• Instalaciones petrolíferas y de gas
• Plantas químicas
• Grandes fábricas
• Sistemas de infraestructuras

donde los sensores y dispositivos de campo pueden estar distribuidos por amplias zonas.

SPE frente a la comunicación RS485 tradicional

SPE introduce importantes diferencias arquitectónicas en comparación con los sistemas industriales tradicionales basados en RS485.

Explicó un ingeniero:

“La otra diferencia obvia entre SPE y RS485 es la complejidad del software”.”

A diferencia de los sistemas RS485, que suelen requerir protocolos industriales especializados, SPE está totalmente basado en Ethernet.

El mismo ingeniero declaró:

“SPE es ethernet, por lo que es mucho más complejo, pero lo bueno es que al software no le importa ni necesita saber si es SPE o ethernet normal, por lo que las librerías ethernet/redes/TCPIP existentes funcionarán con él”.”

Esto representa una de las mayores ventajas tecnológicas de SPE:

Las pilas de software Ethernet estándar pueden funcionar directamente en redes SPE.

Esto permite aprovechar los sistemas industriales:

• Pilas TCP/IP existentes
• Herramientas Ethernet
• Infraestructura de red
• Protocolos informáticos
• Conectividad en la nube

sin necesidad de arquitecturas de comunicación totalmente nuevas.

Por qué el SPE se está convirtiendo en una tecnología importante

A medida que los sistemas industriales se digitalizan cada vez más, sigue aumentando la demanda de un mayor ancho de banda de comunicación.

Una discusión de ingeniería lo explicó:

“Una sería el rendimiento, como has dicho, con todo cada vez más digitalizado...”.”

El mismo ingeniero declaró además:

“Otra sería sin duda la pila IP y la pila UDP y TCP, ya probadas en batalla”.”

Esto pone de relieve una de las principales ventajas tecnológicas de SPE:

En lugar de depender de buses industriales heredados con estructuras de paquetes limitadas, SPE permite a los sistemas industriales utilizar plenamente las modernas arquitecturas Ethernet.

El debate se explica con más detalle:

“Si en lugar de utilizar una pasarela CAN tuviéramos simplemente un router, sería mucho mejor, ya que ahora los buses de datos del tren motriz, de conveniencia, de diagnóstico, etc. podrían convertirse simplemente en una subred en lugar de tener que ordenar los paquetes CAN a través de la pasarela”.”

Esto demuestra cómo SPE simplifica la arquitectura del sistema al permitir una comunicación Ethernet unificada.

SPE y evolución de Ethernet industrial

Según el sitio web de investigación industrial ARC Advisory Group SPE Artículo, SPE está ayudando a acelerar la migración hacia la tecnología operativa (OT) basada en Ethernet.

El artículo explica que SPE:

• Amplía las capacidades del IoT industrial
• Admite la migración OT basada en Ethernet
• Permite la compatibilidad con redes informáticas más amplias
• Admite arquitecturas de comunicación industrial de extremo a extremo

El artículo subraya además que la SPE permite:

• Integración de interruptores
• Conectividad de los sensores
• Protocolos de comunicación unificados
• Convergencia de OT e IT

Esto refleja uno de los principales objetivos de la Industria 4.0:

Creación de arquitecturas de comunicación Ethernet unificadas desde los sistemas empresariales hasta los dispositivos de campo.

Aplicaciones industriales de SPE

La tecnología SPE se utiliza cada vez más en todo el mundo:

• Sensores industriales
• Robótica
• Automatización de edificios
• Sistemas energéticos sostenibles
• Automatización de procesos
• Ethernet para automoción
• Fábricas inteligentes

SPE proporciona conectividad Ethernet segura y sin fisuras para dispositivos industriales altamente distribuidos.

Cómo la SPE mejora las funciones de los instrumentos

La tecnología SPE cambia radicalmente la forma en que los dispositivos industriales se comunican y funcionan.

Instrumentos más pequeños y sencillos

Como SPE sólo utiliza un par trenzado, los dispositivos industriales pueden utilizar:

• Conectores más pequeños
• Reducción del tamaño del cable
• Estructuras de dispositivos compactas

Esto mejora la flexibilidad de la instalación y reduce la complejidad del cableado.

Conectividad Ethernet directamente en el sensor

Los sensores industriales tradicionales requerían a menudo convertidores de protocolo o pasarelas.

SPE permite que los sensores se conviertan en dispositivos Ethernet nativos capaces de soportar directamente:

• Comunicación TCP/IP
• OPC UA
• MQTT
• Ethernet-APL
• Conectividad en la nube

Un mayor caudal de datos permite dispositivos más inteligentes

En comparación con muchos sistemas de bus de campo heredados, SPE proporciona un ancho de banda de comunicación significativamente mayor.

Esto permite a los dispositivos transmitir:

• Diagnóstico
• Datos de mantenimiento predictivo
• Análisis de ondas
• Información sobre la salud del dispositivo
• Datos operativos en tiempo real

Industria 4.0 Evolución de SPE

SPE se está convirtiendo en una de las tecnologías clave de las arquitecturas Ethernet de campo de la Industria 4.0.

Los sistemas modernos de la Industria 4.0 requieren cada vez más:

• Sensores inteligentes
• Dispositivos periféricos distribuidos
• Recogida de datos en tiempo real
• Comunicación Ethernet unificada
• Integración en la nube

SPE permite que la comunicación Ethernet se extienda directamente a la instrumentación de campo.

SPE y Ethernet-APL

Uno de los avances más importantes de la Industria 4.0 es la relación entre SPE y Ethernet-APL.

Ethernet-APL se basa en la tecnología SPE y amplía la comunicación Ethernet a entornos de automatización de procesos peligrosos.

Esto permite:

• Ethernet de seguridad intrínseca a larga distancia
• Comunicación de campo de alta velocidad
• Instrumentación de proceso conectada a Ethernet

Convergencia de OT e IT

SPE ayuda a unificar:

• Tecnología operativa (OT)
• Tecnología de la información (TI)

mediante arquitecturas de comunicación Ethernet normalizadas.

Esto mejora significativamente:

• Interoperabilidad industrial
• Integración en la nube
• Diagnóstico a distancia
• Acceso a los datos de la empresa

Tendencias de desarrollo futuro de la SPE

Se espera que las futuras tecnologías SPE evolucionen hacia:

• Ethernet de campo con mayor ancho de banda
• Conectores industriales más pequeños
• Comunicación industrial nativa
• Redes industriales con IA
• Ecosistemas de sensores basados en Ethernet
• Arquitecturas de Ethernet industrial totalmente unificadas

Es posible que los futuros sistemas industriales eliminen cada vez más las tecnologías tradicionales de bus de campo en favor de infraestructuras de comunicación basadas en Ethernet.

Conclusión

Single Pair Ethernet (SPE) representa una de las evoluciones más importantes de la comunicación en la automatización industrial moderna.

El verdadero valor de SPE reside en la simplificación que permite la comunicación Ethernet:

• Redes industriales ligeras
• Arquitecturas de dispositivos más pequeñas
• Comunicación de campo a larga distancia
• Sensores Ethernet nativos
• Comunicación TI/OT unificada
• Integración de la Industria 4.0

A medida que la automatización industrial siga evolucionando hacia arquitecturas distribuidas inteligentes, se espera que SPE se convierta en una de las tecnologías fundamentales que permitan la próxima generación de sistemas industriales basados en Ethernet.