Introducción
La disponibilidad de las plantas productivas es un requisito cada vez más extendido. Si antes los sistemas de alta disponibilidad se concentraban en la industria de procesos, hoy también se aplican en la manufactura y en proyectos de infraestructura como túneles y aeropuertos [1]. PROFINET responde a esta necesidad con un conjunto escalable de mecanismos de redundancia, que van desde cerrar una línea para formar un anillo hasta duplicar prácticamente todos los componentes del sistema de automatización [1]. Este artículo describe los tipos de redundancia disponibles, sus requisitos y los beneficios que cada uno ofrece.
Disponibilidad y redundancia
La disponibilidad (V) de un equipo o sistema se expresa como la relación entre el tiempo medio hasta la falla (Mean Time To Failure, MTTF) y la suma de este con el tiempo medio de recuperación (Mean Time To Recover, MTTR): V = MTTF / (MTTF + MTTR) [1]. Una alta disponibilidad exige, por tanto, componentes confiables y recuperaciones rápidas. La redundancia actúa sobre ambos factores: el sistema sigue operando ante una falla y la reparación puede realizarse sin detener el proceso.
En las topologías de línea, estrella y árbol sin redundancia, la falla de un switch, de un equipo con switch integrado o de un cable interrumpe la comunicación con todos los nodos situados aguas abajo [1]. PROFINET ofrece dos niveles de redundancia para evitarlo: la redundancia de medios, que protege el camino de comunicación, y la redundancia de sistema, que protege la relación entre controladores y dispositivos [1], [2].
Al evaluar cada mecanismo conviene considerar su tiempo de conmutación. La guía de planificación de PI distingue entre conmutación sin interrupción (bumpless), en la que no se pierden datos, y conmutación con interrupción, en la que puede producirse una pérdida transitoria [1].
Redundancia de medios
La redundancia de medios se basa en topologías de anillo. En Ethernet convencional un anillo provocaría la circulación indefinida de tramas, por lo que PROFINET utiliza protocolos que separan lógicamente el anillo durante la operación normal y lo reconfiguran ante una falla [1].
MRP: Media Redundancy Protocol
El protocolo de redundancia de medios (Media Redundancy Protocol, MRP) está normalizado en IEC 62439-2 [3]. En cada anillo, un único nodo cumple el rol de gestor (Media Redundancy Manager, MRM) y los demás actúan como clientes (Media Redundancy Client, MRC) [1]. El MRM envía tramas de prueba por sus dos puertos de anillo; mientras las recibe de vuelta, el anillo está intacto y el gestor bloquea uno de sus puertos para todo el tráfico restante, convirtiendo el anillo en una línea [2]. Si se interrumpe un cable o falla un nodo, el MRM habilita el puerto bloqueado y todos los participantes vuelven a ser alcanzables por el camino alternativo [1].
El tiempo de reconfiguración típico es inferior a 200 ms y aplica a tramas TCP/IP y de tiempo real [2]. Para cumplir este valor, la guía de planificación recomienda no superar 50 dispositivos por anillo, con un límite final que depende de las especificaciones del fabricante [1]. Existe también la función de gestor automático (Media Redundancy Auto-manager, MRA), que determina el MRM de forma dinámica y transfiere su rol si el gestor activo falla [1].
Sus beneficios son claros: bajo esfuerzo de configuración, tolerancia a una falla con un costo adicional de cableado reducido y diagnóstico integrado. Cuando se pierde la redundancia, los dispositivos señalan un estado de mantenimiento requerido, aunque todos los nodos sigan comunicándose, lo que permite reparar antes de que ocurra una segunda falla [2].
Para su aplicación se requiere que todos los nodos del anillo soporten MRP, que el protocolo se active en la ingeniería, que se utilicen los puertos de anillo configurados con enlaces full dúplex de al menos 100 Mbit/s y que el tramo de retorno siga una ruta física distinta, para que un mismo evento no dañe ambos caminos [1].
MRPD: Media Redundancy for Planned Duplication
Para aplicaciones con comunicación isócrona en tiempo real (Isochronous Real-Time, IRT), IEC 61158 define la redundancia de medios con duplicación planificada (Media Redundancy for Planned Duplication, MRPD), que funciona en conjunto con MRP [2]. El IO-Controller envía los datos de E/S simultáneamente en ambos sentidos del anillo; el receptor utiliza la primera trama recibida y descarta la duplicada [1], [2]. Como los dos caminos están planificados de antemano, la falla de cualquier nodo no genera tiempo de reconfiguración y la conmutación es prácticamente sin interrupción [1].
MRPD requiere una red conforme a la clase de conformidad CC-C y que todos los dispositivos del anillo soporten la función; no se admiten en el mismo anillo equipos que solo soporten MRP, y no es posible el acoplamiento redundante entre anillos MRPD [1]. Su beneficio principal es la continuidad del control de movimiento y de otras aplicaciones isócronas ante una falla de red.
Redundancia de sistema
La redundancia de sistema protege la comunicación entre controladores redundantes y dispositivos. PI define cuatro configuraciones con una nomenclatura sistemática: la letra indica si el nodo dispone de un único punto de acceso a la red (Network Access Point, NAP), designado con S, o de puntos de acceso redundantes, designados con R; el número indica cuántas AR admite el nodo en cada NAP [1].
- S1: un módulo de interfaz y una AR con un único controlador. Es la conexión básica y no aporta redundancia [1].
- S2: un módulo de interfaz que establece una AR con cada uno de los dos controladores del par redundante. Una AR transporta los datos (primaria) y la otra permanece en espera (respaldo); ante la falla del controlador activo o de su conexión, la conmutación es prácticamente sin interrupción [1].
- R1: dos módulos de interfaz, cada uno conectado a una red PROFINET independiente y con una AR hacia uno de los controladores. Tolera la falla de un módulo de interfaz, de una red completa o de un enlace [1].
- R2: dos módulos de interfaz, cada uno con dos AR hacia ambos controladores, lo que suma cuatro AR. Ante una falla, el sistema conmuta a la AR de respaldo más conveniente; solo la falla completa del par de controladores o de ambos módulos de interfaz del dispositivo interrumpe el sistema [1].
La redundancia de sistema es independiente de la topología elegida, pero exige dispositivos compatibles con la configuración deseada y una infraestructura conforme a CC-B [1]. En la industria de procesos, la clase CC-B(PA) incorpora esta función como estándar, lo que permite soluciones con controladores redundantes de distintos fabricantes [4].
Combinación de mecanismos
Los niveles de redundancia son complementarios. Un sistema S2 puede operar sobre un anillo MRP, con lo que tolera tanto la falla de un controlador como la interrupción de un tramo de red [1]. En un sistema R1, cada una de las dos redes puede implementarse como anillo MRP, lo que permite manejar en cierta medida más de una falla [2]. Además, mediante un switch en Y es posible conectar dispositivos S2 a un sistema R1, incorporando equipos sin interfaz redundante a una arquitectura de mayor disponibilidad [2].
| Mecanismo | Nivel | Tiempo de conmutación | Requisitos principales |
|---|---|---|---|
| MRP | Medios | Típico inferior a 200 ms | Topología de anillo, todos los nodos con MRP |
| MRPD | Medios | Prácticamente sin interrupción | Anillo CC-C, todos los nodos con MRPD |
| S2 | Sistema | Prácticamente sin interrupción | Controlador redundante, dispositivo con S2 |
| R1 / R2 | Sistema | Prácticamente sin interrupción | Dos redes, dispositivo con dos módulos de interfaz |
Criterios de planificación
La guía de PI recomienda verificar, antes de definir la arquitectura, que todos los componentes soporten la función de redundancia elegida, que no se supere la cantidad máxima de dispositivos admitida y que el tiempo de conmutación sea aceptable para el proceso [1]. La elección depende del costo de una detención: un anillo MRP es una opción eficiente para aumentar la disponibilidad con poco cableado adicional, mientras que las configuraciones R1 y R2 se reservan para procesos continuos en los que una detención tiene consecuencias económicas, de seguridad o ambientales significativas [1], [2]. Para mayor detalle, PI publica las guías específicas de redundancia de medios y de alta disponibilidad [5], [6].
Conclusión
PROFINET ofrece una redundancia escalable que se ajusta a los requisitos de cada aplicación. La redundancia de medios, mediante MRP y MRPD, protege el camino de comunicación con un esfuerzo de configuración acotado; la redundancia de sistema, mediante las configuraciones S2, R1 y R2, extiende la protección a controladores, interfaces y redes completas. Combinados de forma adecuada, ambos niveles permiten diseñar sistemas tolerantes a fallas, mantener la producción durante reparaciones y elevar la disponibilidad de la planta en sectores como minería, celulosa, alimentos y servicios básicos.
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Este artículo es parte de nuestra guía de comunicaciones industriales.
Referencias
[1] PROFIBUS & PROFINET International. PROFINET Planning Guideline Redundancy. Versión 1.00, n.º de pedido 8.132, mayo de 2023.
[2] PROFIBUS & PROFINET International. PROFINET System Description – Technology and Application. N.º de pedido 4.132, noviembre de 2018.
[3] IEC 62439-2:2020. Industrial communication networks – High availability automation networks – Part 2: Media Redundancy Protocol (MRP). International Electrotechnical Commission.
[4] PROFIBUS & PROFINET International. PROFINET IO Conformance Classes – Guideline for PROFINET IO. Versión 1.1, n.º de pedido 7.042, marzo de 2011.
[5] PROFIBUS & PROFINET International. High Availability Guideline for PROFINET. Versión 1.2, n.º de pedido 7.242, abril de 2020.
[6] PROFIBUS & PROFINET International. Media Redundancy Guideline for PROFINET. Versión 1.03, n.º de pedido 7.212, abril de 2018.
