EtherNet/IP y CIP: mensajes, conexiones y diseño

Respuesta corta

EtherNet/IP (la sigla IP significa Industrial Protocol) adapta el protocolo industrial común (CIP) a Ethernet estándar. ODVA, la organización que lo mantiene, define cómo viaja CIP sobre Ethernet, IP, TCP y UDP. El mismo CIP sirve de base a DeviceNet, ControlNet y CompoNet. Con EtherNet/IP, un controlador intercambia datos de entradas y salidas con módulos, variadores y otros equipos, y puede configurarlos y diagnosticarlos por la misma red.

Dos tipos de mensaje

Los mensajes explícitos llevan en su contenido qué objeto y qué atributo se consulta. Los implícitos se llaman así porque el significado de los datos está acordado de antemano al abrir la conexión: el paquete lleva datos de proceso, sin dirección de objeto en cada envío. Esto los hace livianos y adecuados para ciclos cortos.

Modelo productor-consumidor

En las conexiones de E/S, un dispositivo produce datos y otros los consumen. El mismo dato puede ser consumido por varios nodos sin que el productor lo repita. Las conexiones pueden ser unicast, multicast o broadcast; en E/S cíclicas es habitual el multicast, que ahorra ancho de banda cuando varios controladores o pantallas leen el mismo dato, pero exige una red que gestione bien ese tráfico.

Objetos y perfiles

CIP organiza cada dispositivo como un conjunto de objetos con atributos y servicios: el objeto de identidad (fabricante, tipo de producto, versión), el de conexión, el de ensamblaje (agrupa datos de E/S en un bloque) y los propios del tipo de equipo. Los fabricantes siguen perfiles por tipo de dispositivo (por ejemplo, variador de CA, E/S discreta), de modo que equipos de marcas distintas se comportan de forma parecida. Según la documentación abierta de ODVA, la especificación completa se obtiene con acuerdo, pero su resumen es de acceso libre; por eso en este texto se describe solo lo general.

RPI: el tiempo de actualización

Al abrir una conexión de E/S se acuerda el intervalo de paquete solicitado (RPI, requested packet interval): cada cuánto el productor envía el dato. El RPI no es el tiempo de respuesta total del lazo; a él se suman el ciclo del programa del controlador, el procesamiento del módulo y el retardo de la red.

Reglas de criterio:

• Un RPI más corto aumenta la carga del controlador, del módulo y de la red; no siempre mejora el proceso.
• Datos que cambian despacio (temperaturas) no necesitan el mismo RPI que un lazo de velocidad.
• La suma de todas las conexiones, con su RPI y el tamaño de cada paquete, debe caber dentro de la capacidad del controlador y de los enlaces.

Ejemplo ilustrativo de carga de red

Los números son ilustrativos. Un controlador tiene 40 conexiones de E/S a módulos remotos. Cada una intercambia en promedio 50 bytes de datos de proceso cada 20 ms, y el paquete completo en la red, con encabezados, llega a unos 120 bytes.

• Paquetes por segundo por conexión: 1 / 0,020 s = 50.
• Con 40 conexiones: 2000 paquetes por segundo en un sentido; si el dispositivo también produce, son otros 2000 en el otro.
• Bytes por segundo en un sentido: 2000 × 120 = 240 000 B/s, cerca de 1,9 Mbit/s.

Para un enlace de 100 Mbit/s es una fracción pequeña. El límite real suele estar antes: el número de conexiones que el controlador o cada módulo aceptan, y el procesamiento de paquetes en equipos pequeños. Si el mismo diseño pasa a un RPI de 2 ms, la cifra se multiplica por diez y el criterio deja de ser la red: pasa a ser la CPU del controlador.

Diseño de la red

• Multicast y IGMP: sin filtrado, el multicast se inunda por todos los puertos. Los switches administrables con IGMP snooping y un consultor (querier) limitan el tráfico a quien lo pidió.
• Segmentación: las redes de control se separan por células o por línea, con límites claros hacia la red de planta; ver IEC 62443 en subestaciones para el criterio de zonas.
• Topología: estrella, línea o anillo. En anillo existen mecanismos de redundancia a nivel de dispositivo (como el anillo a nivel de dispositivo, DLR, de ODVA) o de switch (RSTP, descrito en RSTP y redundancia Ethernet); el diseño elige uno y lo aplica a toda la red.
• Direccionamiento IP: un plan fijo por célula evita duplicados. Los dispositivos que dependen de DHCP pierden conexión si el servidor falla.
• Cableado: cable y conectores industriales para vibración, polvo y humedad.

Diagnóstico

Errores frecuentes

• Poner el RPI más corto posible «por si acaso».
• Dejar el multicast sin gestionar en una red con muchos dispositivos.
• Mezclar tráfico de oficina y de control en los mismos switches y VLAN.
• Reemplazar un módulo por otro con revisión distinta sin comprobar la compatibilidad electrónica de la conexión.
• No documentar el plan de direcciones IP.
• Mezclar mecanismos de redundancia en el mismo anillo.

Lista de verificación

• Se conoce el tipo de mensaje de cada flujo (explícito o implícito).
• Cada conexión de E/S tiene un RPI justificado por el proceso.
• Se calculó la carga de red y el número de conexiones por controlador y por módulo.
• Los switches filtran el multicast, con un consultor definido.
• Hay un plan de direcciones IP y está documentado.
• Los archivos EDS corresponden a las revisiones instaladas.
• La red de control está segmentada de la de planta.
• El mecanismo de redundancia es único y está probado con una desconexión real.
• Existe respaldo del proyecto del controlador y de la configuración de los dispositivos.

Relación con otros protocolos

EtherNet/IP convive con otros protocolos sobre la misma infraestructura Ethernet. En una planta es común ver controladores que hablan EtherNet/IP hacia módulos y variadores, Modbus TCP hacia medidores y un servidor OPC UA hacia la supervisión. Eso exige que la red tenga capacidad y reglas claras: qué tráfico es de control, cuál es de supervisión y cuál es de administración. Cuando el mismo variador ofrece varios protocolos, el criterio es usar el nativo del controlador para el control cíclico y dejar los demás para lectura y diagnóstico, de modo que no compitan por las mismas funciones.

También hay una frontera de seguridad. Un controlador accesible desde toda la red de planta permite que cualquier equipo pida o cambie parámetros por mensajes explícitos. El diseño debe decidir qué estaciones pueden hacerlo, limitarlo con cortafuegos industriales y registrar los cambios. Esas reglas forman parte de la segmentación de la red de control y se documentan igual que la lista de señales.

Puesta en servicio de una red de E/S

Al comisionar, se verifica cada conexión: que el dispositivo esté en línea, que la revisión de firmware coincida con la configurada y que los datos de proceso lleguen al lugar correcto del programa. Se fuerza una entrada en campo y se observa en el controlador; se activa una salida desde el programa y se confirma el efecto en el equipo. Se prueba también el comportamiento ante falla: qué hace cada salida cuando se pierde la conexión con el controlador, qué ocurre con el controlador cuando un módulo no responde y cómo se restablece todo al volver la red. Los resultados se anotan por dispositivo, junto con el RPI configurado y las estadísticas de los puertos, para tener una línea base frente a la cual comparar en el mantenimiento.

Cómo le ayudamos

La arquitectura de la red de un controlador con muchos módulos, la selección de switches y el plan de direcciones se deciden al principio y cuestan mucho si se corrigen después. En Tiza Group hacemos ese diseño dentro del servicio de diseño de ingeniería y estudios y comprobamos el sistema con pruebas y puesta en servicio.

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Referencias

• ODVA, descripción pública de EtherNet/IP y CIP (acceso a la especificación completa con acuerdo).
• Wikipedia, «EtherNet/IP» (capas, tipos de mensaje y puertos).
• IEC 61158 y IEC 61784, redes de campo (normas de pago).

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