• Mejora de la inmunidad al ruido de la red de movimiento

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La mayoría de los sistemas de control de movimiento modernos emplean redes basadas en Ethernet para transmitir datos entre los diferentes componentes eléctricos y electrónicos. La inmunidad al ruido eléctrico de estas redes es básico para su funcionamiento, como lo son los métodos empleados para hacer frente a las interrupciones en la transmisión de datos debido al ruido eléctrico y otros factores.

El banco de pruebas y demostraciones que se muestra en esta foto es capaz de probar hasta 32 ejes con servocontrol sobre la red MECHATROLINK-III. Cortesía de: Yaskawa America Inc.


Los diseñadores de sistemas de control de movimiento en tiempo real esperan que las redes de movimiento basadas en Ethernet transporten órdenes cíclicas y datos de retroalimentación a intervalos especificados preservando perfectamente la integridad de los datos. La selección que realiza el diseñador de las ganancias y las trayectorias del sistema de control de movimiento se basa en esta premisa fundamental.

Pero en muchas aplicaciones industriales, el cableado Ethernet debe estar ubicado en presencia de ruido eléctrico causado por aparamenta eléctrica, grandes motores u otros equipos que normalmente generan mucho ruido eléctrico. Si dicho ruido interfiere con la red y provoca la pérdida de datos, los supuestos del diseño no serán válidos y el sistema no se comportará del modo previsto. Pueden aparecer problemas como inestabilidad en el bucle de control y errores de seguimiento, entre otras dificultades operativas.

Para optimizar el rendimiento del sistema cuando sea preciso utilizar redes Ethernet en tiempo real en entornos eléctricamente ruidosos, es necesario definir las posibles pérdidas de datos debidas al ruido y tenerlas en cuenta en el diseño del sistema.

Una estrategia para reducir la pérdida de datos es usar un protocolo de red que incorpore reintentos, que son un mecanismo de retransmisión automática de los datos dañados o incompletos dentro del mismo ciclo de transmisión. Si los reintentos están integrados en el hardware de red, no se requiere ninguna acción explícita por parte del maestro o el esclavo para detectar errores o activar la retransmisión de datos.

En este artículo se cuantifica la contribución de los reintentos a la hora de mejorar la inmunidad al ruido. Para ello se ha probado el rendimiento de inmunidad al ruido de dos protocolos Ethernet industriales en tiempo real y se han comparado los resultados. Los dos protocolos Ethernet industriales en tiempo real son Mechatrolink-III, que incluye reintentos, y la red X, que no nos incluye. Aunque en este artículo no se especifica el nombre comercial de la red X, el rendimiento de su inmunidad al ruido es similar al de otras redes de control de movimiento basadas en Ethernet que no incorporan reintentos.

Factores de diseño

Los factores que influyen en la inmunidad al ruido en una red de movimiento incluyen:

  • La inmunidad al ruido de la capa física. Los factores de diseño relevantes incluyen las propiedades del cableado de la red (apantallamiento), el esquema de señalización (sin diferencial frente a diferencial) y detalles de los circuitos de transmisión y recepción (aislamiento, impedancia, filtrado, etc.).
  • La inmunidad al ruido del protocolo de comunicación. Los factores de diseño relevantes incluyen los mecanismos de detección y corrección de errores del protocolo.

La mayoría de los protocolos Ethernet industriales en tiempo real utilizan la misma capa física, específicamente Ethernet 100Base-T. Para las redes basadas en hardware 100Base-T similar, la capa física no es un factor diferenciador en lo referido a las diferencias encontradas en la eficacia de la inmunidad al ruido. Sin embargo, debido a que Mechatrolink-III y los nodos de la red X se implementan en diferentes circuitos integrados específicos para una aplicación (ASIC), no ha sido posible probar ambas redes en idéntico hardware.

A efectos de este estudio, algunas de las diferencias entre las implementaciones de la capa física de Ethernet para las redes con Mechatrolink-III y red X probadas consisten en:

  • Diferentes conectores y cables Ethernet
  • Diferentes diseños de tarjetas de circuito impreso y circuitos de capa física Ethernet
  • Diferentes ASIC de comunicación Ethernet.

El protocolo Mechatrolink-III incluye mecanismos de suma de comprobación y vigilancia para detectar datos cíclicos dañados e incompletos, así como un mecanismo de reintento para la retransmisión automática de datos dañados o incompletos dentro del mismo ciclo de transmisión. Cuando se activan, los reintentos son una característica completamente automática incorporada en el hardware Mechatrolink-III, por lo que no es necesaria ninguna acción explícita por parte del maestro o del esclavo para detectar errores o activar la retransmisión de datos (ver Figura 1).


Figura 1: Este diagrama muestra el formato de datos del ciclo de transmisión de MECHATROLINK-III. Cortesía de: Yaskawa America Inc.

El protocolo de la red X utiliza sumas de comprobación para detectar datos dañados, pero no incorpora ningún mecanismo de retransmisión automática o reintento dentro del mismo período de actualización cíclica. Si un paquete de datos cíclico está incompleto o dañado, el maestro o el esclavo deben continuar sin sus datos de órdenes o de respuesta hasta que el siguiente paquete de datos cíclicos llegue correctamente.

Esta falta de reintentos es una diferencia fundamental entre protocolos de red Ethernet industriales en tiempo real. En el caso de Mechatrolink-III, hay intervalos de tiempo específicas para cada nodo, lo que hace factibles los reintentos por nodo. Por el contrario, muchos otros protocolos basados en Ethernet priorizan el rendimiento sobre la asignación de ancho de banda a un mecanismo de reintentos, por lo que la implementación de un mecanismo de reintentos no es viable.

Método de la prueba

Se configuraron redes de movimiento Mechatrolink-III y red X en un laboratorio de pruebas de ruido. Se utilizó un simulador de ruido para inyectar ruido eléctrico en el cableado de la red de movimiento mientras las redes funcionaban. Durante las pruebas se hizo un seguimiento tanto del maestro como de los esclavos para localizar indicios de pérdida de datos en la red de movimiento. El objetivo general de la prueba fue determinar la menor magnitud (positiva y negativa) de voltaje de ruido que daba lugar a pérdida de datos en cada configuración de red.

Figura 2: Este diagrama muestra la configuración de las pruebas para ambas redes de movimiento, compuestas por un maestro que controla dos servoamplificadores. Cortesía de: Yaskawa America Inc.


El ruido simulado que se utilizó en este estudio se denomina ruido de impulso. Este método de generación de ruido se usa comúnmente para simular el ruido existente en entornos industriales. Entre las normas industriales relacionadas se incluyen las directrices TR-28 de la Nippon Electric Control Equipment Industries Association y la directriz JEM-TR177 de la Japan Electrical Manufacturers' Association.

La ejecución de las pruebas consistió en inyectar ruido durante 10 minutos o hasta que se observó una pérdida de datos (ver Tabla 1). La configuración de las pruebas para ambas redes de movimiento consistía en un maestro que controla dos servoamplificadores (ver Figura 2). El maestro enviaba los datos a los amplificadores con una tasa de actualización cíclica de 4 kHz. Las conexiones de la fuente de alimentación, E/S y toma de tierra, tanto para el hardware del amplificador como para el maestro, se realizaron de acuerdo con las instrucciones de instalación del fabricante. En el cableado de la red de movimiento no se utilizaron dispositivos de filtrado de ruido secundarios, como núcleos de ferrita.

Cortesía de: Yaskawa America Inc.

En las tablas 2 y 3, respectivamente, se muestra la configuración de las redes de movimiento Mechatrolink-III y red X probadas.

Se probaron distintas configuraciones del maestro de Mechatrolink-III. En la primera configuración se desactivaron los reintentos. Con esta configuración los paquetes de datos cíclicos perdidos no se vuelven a enviar. En la segunda configuración se activaron los reintentos. En esta configuración el maestro activa el reenvío de hasta un paquete de datos cíclico perdido por ciclo de transmisión. 

Cortesía de: Yaskawa America Inc.

Cortesía de: Yaskawa America Inc.

Criterios de la prueba

Durante cada prueba se efectuó un seguimiento del maestro y los esclavos de la red de movimiento para detectar indicios de pérdida de datos. Para Mechatrolink-III se comprobaron los siguientes indicadores de pérdida de datos:

Maestro:

  1. 1. Alarmas o avisos del controlador relacionados con la pérdida o recepción inesperada de datos de Mechatrolink.

Esclavo:

  1. 1. Alarmas o avisos del controlador relacionados con la omisión o recepción inesperada de datos de Mechatrolink
  2. 2. Interrupciones del movimiento.

Debido a que el maestro y los esclavos de Mechatrolink-III sometidos a las pruebas están diseñados para emitir una alarma cuando se detecta una pérdida de datos cíclicos, las alarmas de la unidad y el controlador son indicaciones suficientes de pérdida de datos en la red de movimiento.

Para la red X se comprobaron los siguientes indicadores de pérdida de datos:

Maestro:

  1. 1. Contadores de errores de comprobación de redundancia cíclica (recuento de incidencias de corrupción de datos en la red)
  2. 2. Contadores de tramas perdidas (recuento de tramas de datos Ethernet perdidas)
  3. 3. Contadores de errores de transmisión/recepción (recuento de errores al comunicarse con el adaptador Ethernet del PC).

Esclavo:

  1. 1. Alarmas o avisos del controlador relacionados con la omisión o recepción inesperada de datos
  2. 2. Interrupciones del movimiento.

Es preciso tener en cuenta que, a diferencia de lo que sucede en la red Mechatrolink-III probada, en la red X el diseñador debe adoptar medidas explícitas para supervisar los contadores de errores. De lo contrario, pueden producirse pérdidas de datos inadvertidas.

Resultados  y conclusiones

La red Mechatrolink-III se probó con los reintentos desactivados y activados, que es la configuración más habitual. Se produjo pérdida de datos con los reintentos desactivados a -2.500 V y a +2.000 V. Con los reintentos activados, la pérdida de datos tenía lugar a -3.000 V y +3.000 V (ver Tabla 4). Esto indica que los reintentos mejoran hasta en 1.000 V la inmunidad al ruido de MECHATROLINK-III.

Cortesía de: Yaskawa America Inc.

Cortesía de: Yaskawa America Inc.

Por defecto, los esclavos Mechatrolink-III probados generan alarmas si se producen pérdidas de datos que no puede corregir el mecanismo de reintentos. En ausencia de esas alarmas, el ingeniero de la aplicación debe asegurarse de que no se produzca ninguna pérdida de datos.

En la red X se observó pérdida de datos a -2.000 V y +1.500 V (ver Tabla 5). Los esclavos de la red X probados no generan alarmas por defecto en caso de pérdida de datos. Para esclavos de este tipo, el ingeniero de la aplicación debe bien cambiar los parámetros de configuración o bien implementar un software de controlador para supervisor los contadores internos y determinar si se ha producido alguna pérdida de datos.

Por lo tanto, la implementación de la red Mechatrolink-III que se probó en este estudio alcanzó el doble del rango de amplitud de ruido sin pérdida de datos en comparación con la red X (véase la Figura 3) cuando se configuró para utilizar reintentos.

Figura 3: Este gráfico compara los resultados de las pruebas de la red MECHATROLINK-III y la red X en cuanto a pérdida de datos cuando fueron sometidas a diversas amplitudes de ruido eléctrico. Cortesía de: Yaskawa America Inc.


Las redes de control de movimiento basadas en Ethernet diseñadas para incorporar reintentos presentan un rendimiento significativamente superior a la hora de transmitir datos en los tipos de entornos con mucho ruido eléctrico habituales en plantas e instalaciones industriales. Dicho rendimiento superior se ofrece a un precio básico similar al de las redes que no incorporan ninguna función de reintentos.

Derek Lee es ingeniero de productos de movimiento de Yaskawa America Inc., puesto que ocupa desde hace ocho años. Trabaja en la sede de Yaskawa en Waukegan, Illinois (Estados Unidos) y es representante de la rama estadounidense de la MECHATROLINK Members Association.

Ted Phares es director de desarrollo de sistemas integrados de Yaskawa America Inc. desde hace seis años. Trabaja en la oficina de desarrollo de Yaskawa en San Francisco y cuenta con 15 años de experiencia en el sector.
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