Single Pair Ethernet: por qué Ethernet está llegando hasta el sensor y el actuador

Ethernet lleva años formando parte de la automatización industrial. Es habitual encontrarlo en PLC, controladores, sistemas de supervisión, ordenadores industriales y equipos que necesitan intercambiar información dentro de una infraestructura de red.

Sin embargo, cuanto más cerca se encuentra un dispositivo del proceso físico, más habitual ha sido utilizar otras tecnologías de comunicación. Sensores, actuadores, módulos de entradas y salidas y numerosos equipos distribuidos se han conectado tradicionalmente mediante interfaces y buses como RS-485, CAN u otras soluciones diseñadas para este tipo de aplicaciones.

Esta separación ha respondido a razones técnicas y prácticas. Las necesidades de un sensor que transmite unas pocas medidas no son las mismas que las de un ordenador industrial conectado a una red. El coste, el cableado, el número de dispositivos y la arquitectura de la instalación también han influido en la elección de la tecnología.

Pero esta frontera empieza a cambiar.

La evolución de las comunicaciones industriales busca conectar un número cada vez mayor de dispositivos y facilitar el intercambio de información entre diferentes niveles de una instalación.

En este contexto, los datos ya no se quedan necesariamente en el dispositivo que los genera. Una medida obtenida por un sensor puede utilizarse para controlar un proceso, supervisar el estado de una máquina, generar información de diagnóstico o integrarse posteriormente en otros sistemas.

Por este motivo está impulsando el interés por arquitecturas capaces de acercar las tecnologías de red a dispositivos que tradicionalmente utilizaban buses independientes.

No todos los dispositivos necesitan Ethernet convencional

El objetivo no es que todos los sensores y actuadores necesiten una conexión Ethernet convencional. En muchos casos, seguir utilizando una tecnología más sencilla puede continuar siendo la mejor decisión.

La cuestión es que los nuevos productos cuentan ahora con más alternativas para definir su arquitectura de comunicaciones.

Single Pair Ethernet, o SPE, forma parte de esta evolución.

Su interés está en extender las posibilidades de Ethernet hacia dispositivos distribuidos utilizando una infraestructura física adaptada a nuevas necesidades de cableado y conectividad.

Resulta especialmente relevante en productos donde se busca reducir la separación entre las redes utilizadas por los sistemas de control y los dispositivos situados más cerca del proceso.

Del controlador al dispositivo de campo

Podemos visualizar esta evolución como un acercamiento progresivo de Ethernet hacia el nivel de campo.

Tradicionalmente, una arquitectura podía incluir una red Ethernet para conectar sistemas de nivel superior y, a partir de determinados equipos, utilizar otros buses para comunicarse con los dispositivos distribuidos.

Con la aparición de nuevas variantes de Ethernet, es posible plantear arquitecturas diferentes desde el inicio.

Sin embargo, no elimina automáticamente la necesidad de RS-485, CAN u otras tecnologías. De hecho, estas interfaces siguen teniendo un ecosistema muy consolidado y continúan siendo adecuadas para numerosos productos.

Lo que cambia es el número de opciones disponibles.

Para quien está desarrollando un nuevo equipo electrónico, la pregunta ya no es únicamente qué bus tradicional debe utilizar. También puede ser necesario analizar si una arquitectura basada en Ethernet puede aportar ventajas reales hasta el propio nivel del sensor, el actuador o el nodo distribuido.

Single Pair Ethernet es una familia de tecnologías Ethernet que utiliza un único par de conductores para transmitir los datos.

Esta característica es una de sus principales diferencias respecto a muchas implementaciones Ethernet convencionales, que utilizan varios pares de conductores dependiendo de la tecnología empleada.

Pero reducir el número de conductores no es, por sí solo, el objetivo de SPE.

Su desarrollo está orientado a ampliar el uso de Ethernet hacia aplicaciones donde el cableado, el tamaño de los dispositivos y la distribución de los nodos hacen especialmente interesante disponer de alternativas adaptadas a este tipo de arquitectura.

Por eso, Single Pair Ethernet puede tener sentido en aplicaciones como:

• Sensores industriales y dispositivos de medida.
• Actuadores y equipos de campo.
• Módulos distribuidos de entradas y salidas.
• Sistemas de automatización de edificios.
• Equipos de monitorización y gestión energética.
• Nuevos productos electrónicos con arquitecturas distribuidas.

No es una única tecnología

Es importante entender que SPE no define una única interfaz con unas características idénticas para todas las aplicaciones.

Bajo el concepto de Single Pair Ethernet existen diferentes tecnologías y variantes, diseñadas para responder a necesidades concretas de velocidad, distancia, topología y tipo de dispositivo.

Por tanto, hablar simplemente de “utilizar SPE” no es suficiente para definir la arquitectura de un producto. Es necesario determinar qué variante responde mejor a los requisitos concretos de la aplicación.

Una de estas variantes, 10BASE-T1S resulta especialmente interesante para el contexto de los dispositivos industriales distribuidos, ya que permite plantear arquitecturas en las que varios nodos comparten el mismo medio físico.

Esta característica lo diferencia de la idea tradicional que muchos diseñadores asocian con Ethernet: una conexión individual entre cada dispositivo y un switch.

Más adelante veremos con detalle cómo funciona 10BASE-T1S y por qué su capacidad para trabajar con varios nodos es uno de los aspectos más relevantes de esta tecnología.

La diferencia más visible entre Ethernet convencional y Single Pair Ethernet se encuentra en el medio físico utilizado para transportar la comunicación.

Los datos se transmiten utilizando un único par de conductores. Lo que puede ayudar a simplificar determinadas instalaciones y reducir el cableado necesario en equipos distribuidos.

Sin embargo, la diferencia importante no debería reducirse únicamente al número de cables.

SPE abre la posibilidad de utilizar tecnologías Ethernet en aplicaciones con requisitos diferentes a los de una red informática o industrial convencional. Esto incluye dispositivos más pequeños, nodos distribuidos y equipos situados en niveles de la arquitectura donde históricamente han predominado otras interfaces.

Comparación entre Ethernet y Single Pair Ethernet

Factor	Ethernet convencional	Single Pair Ethernet
Medio físico	Utiliza diferentes configuraciones según la tecnología.	Utiliza un único par de conductores.
Aplicaciones habituales	Redes de equipos, controladores y sistemas conectados.	Dispositivos distribuidos, sensores y equipos de campo, entre otras aplicaciones.
Cableado	Depende de la implementación utilizada.	Puede simplificarse en determinadas arquitecturas.
Velocidad	Existen múltiples estándares y velocidades.	Existen diferentes variantes SPE según la aplicación.
Topología	Depende del estándar y de la arquitectura de red.	Depende de la variante SPE utilizada.
Objetivo principal	Conectar equipos dentro de una infraestructura Ethernet.	Extender las posibilidades de Ethernet hacia nuevos tipos de dispositivos y aplicaciones.

La tabla muestra una diferencia importante: no debe entenderse Single Pair Ethernet como una alternativa genérica a todo Ethernet convencional.

Su función es ampliar las posibilidades de las tecnologías Ethernet en escenarios donde las necesidades de los dispositivos son diferentes. La variante adecuada dependerá de factores como el número de nodos, la distancia, la cantidad de información que debe transmitirse y la arquitectura completa del producto.

Este último punto será especialmente importante al analizar 10BASE-T1S, una de las tecnologías que está despertando mayor interés para conectar sensores, actuadores y otros dispositivos distribuidos dentro de una arquitectura Ethernet.

Dentro de las diferentes tecnologías Single Pair Ethernet, 10BASE-T1S destaca por estar orientada a aplicaciones con dispositivos distribuidos y por permitir que varios nodos compartan el mismo medio físico de comunicación.

Su nombre ya aporta algunas pistas sobre sus características. Se trata de una tecnología Ethernet con una velocidad de transmisión de 10 Mbps, diseñada para utilizar un único par de conductores.

Sin embargo, su principal interés para muchas aplicaciones industriales no está únicamente en la velocidad ni en la reducción del número de conductores. La característica que realmente puede cambiar la forma de plantear determinadas arquitecturas es la posibilidad de crear redes con varios dispositivos conectados sobre un mismo segmento.

Una arquitectura diferente a la Ethernet convencional

Cuando pensamos en una red Ethernet, es habitual imaginar una arquitectura en la que cada equipo dispone de una conexión individual hacia un switch.

Por ejemplo, una instalación con cinco dispositivos podría utilizar cinco conexiones independientes:

Esta arquitectura sigue siendo adecuada para una enorme cantidad de aplicaciones. Sin embargo, puede no ser la única opción cuando se trata de conectar numerosos dispositivos pequeños y distribuidos.

Con 10BASE-T1S es posible plantear una arquitectura diferente, en la que varios nodos comparten un mismo medio de comunicación:

CONTROLADOR ─── SENSOR ─── MÓDULO E/S ─── ACTUADOR ─── SENSOR

De esta forma, los dispositivos pueden formar parte de un mismo segmento sin que sea necesario establecer una conexión Ethernet individual desde cada nodo hasta un switch.

Esta capacidad es uno de los motivos por los que 10BASE-T1S resulta especialmente interesante para sensores, actuadores y equipos distribuidos.

¿Por qué puede ser útil conectar varios nodos sobre el mismo medio?

En determinadas aplicaciones, un sistema puede incluir numerosos dispositivos repartidos a lo largo de una máquina, instalación o proceso.

Si cada nodo necesita una conexión individual, la arquitectura puede requerir más cableado, más puertos y una infraestructura de red diseñada específicamente para concentrar todas esas conexiones.

Una arquitectura multidrop permite estudiar otras posibilidades.

Por ejemplo, varios dispositivos situados próximos entre sí podrían compartir un mismo segmento de comunicación. ayudando a simplificar determinadas arquitecturas y reducir algunos elementos asociados a la conectividad.

Entre las posibles ventajas se encuentran:

• La conexión de varios dispositivos sobre un mismo medio físico.
• La posibilidad de reducir el número de conexiones individuales hacia un equipo central.
• Una arquitectura potencialmente más adecuada para nodos pequeños y distribuidos.
• La incorporación de Ethernet en aplicaciones donde tradicionalmente se han utilizado buses compartidos.

Estas ventajas dependerán siempre de la aplicación. Una arquitectura multidrop no será automáticamente mejor que una red basada en conexiones individuales, pero ofrece una alternativa que puede resultar interesante cuando se diseña un producto desde cero.

10 Mbps puede ser más que suficiente para muchos dispositivos de campo

Frente a velocidades Ethernet habituales de 100 Mbps, 1 Gbps o superiores, los 10 Mbps de 10BASE-T1S pueden parecer modestos.

Pero la velocidad necesaria depende completamente del tipo de dispositivo.

Un sensor que transmite periódicamente valores de temperatura, presión, posición o estado puede necesitar una cantidad de datos relativamente pequeña. Lo mismo ocurre con numerosos actuadores o módulos de entradas y salidas, donde la información intercambiada consiste principalmente en variables de proceso, comandos y datos de diagnóstico.

En estos casos, utilizar una interfaz capaz de transmitir grandes cantidades de información no implica necesariamente una ventaja práctica.

La cuestión no es disponer de la mayor velocidad posible, sino contar con una capacidad de comunicación suficiente para el funcionamiento previsto del sistema.

Además, una arquitectura basada en Ethernet puede aportar otras posibilidades de integración que van más allá del ancho de banda. Esto es especialmente relevante cuando los datos generados por los dispositivos deben formar parte de una arquitectura de comunicaciones más amplia.

No se trata simplemente de sustituir un bus por Ethernet

El interés de 10BASE-T1S no debería interpretarse como la sustitución directa de cualquier bus industrial existente.

RS-485, CAN y otras tecnologías siguen resolviendo eficazmente numerosas necesidades y cuentan con ecosistemas muy consolidados.

La diferencia es que 10BASE-T1S permite plantear una alternativa basada en Ethernet para determinadas arquitecturas donde hasta ahora las opciones más habituales eran precisamente esos buses compartidos.

Para un nuevo producto, se abre una pregunta interesante durante la fase de definición:

¿Tiene más sentido mantener una arquitectura basada en un bus tradicional o puede aportar ventajas utilizar Ethernet directamente hasta los dispositivos distribuidos?

La respuesta dependerá del número de nodos, la cantidad de información, las distancias, la infraestructura existente y las necesidades de evolución del producto.

También dependerá de un aspecto fundamental: cómo se gestiona el acceso al medio cuando varios dispositivos comparten la misma línea de comunicación.

Ahí entra en juego una de las características más interesantes de 10BASE-T1S: PLCA, un mecanismo diseñado para coordinar el acceso de los distintos nodos al medio compartido.

Cuando varios dispositivos comparten un mismo medio físico de comunicación aparece una cuestión fundamental: ¿cómo se evita que varios nodos intenten transmitir al mismo tiempo?

En una red con conexiones Ethernet independientes hacia un switch, cada enlace físico se gestiona de forma separada. En una arquitectura multidrop, varios dispositivos comparten el mismo segmento, por lo que es necesario establecer un mecanismo que permita organizar el acceso al medio.

En esta arquitectura, la coordinación puede realizarse mediante PLCA, Physical Layer Collision Avoidance.

El problema de compartir una misma línea

Imaginemos una red formada por varios sensores, un módulo de entradas y salidas y un controlador. Todos están conectados al mismo segmento físico.

En un momento determinado, uno de los sensores puede necesitar transmitir una nueva medida mientras otro dispositivo quiere enviar información de estado. Si ambos intentaran utilizar el medio simultáneamente sin ningún tipo de coordinación, podrían producirse conflictos en la comunicación.

Este es uno de los principales retos de cualquier arquitectura en la que varios nodos comparten un mismo canal.

PLCA se ha desarrollado precisamente para coordinar el acceso de los distintos dispositivos al medio compartido y hacer que este comportamiento sea más predecible.

Un acceso organizado entre los nodos

De forma simplificada, puede imaginarse PLCA como un sistema que organiza turnos de acceso.

Cada nodo participa en un ciclo de comunicación y dispone de oportunidades definidas para transmitir. Cuando un dispositivo tiene información pendiente, puede utilizar su oportunidad de acceso sin tener que competir de forma imprevisible con todos los demás nodos conectados al mismo segmento.

La idea puede representarse de forma sencilla:

Esto no significa que cada dispositivo tenga que transmitir obligatoriamente una gran cantidad de datos en cada turno. Si un nodo no tiene información pendiente, el mecanismo permite que la comunicación continúe.

Lo importante es que los dispositivos comparten una organización común para acceder al medio.

¿Por qué es importante en aplicaciones industriales?

En muchas aplicaciones industriales no basta con que los datos lleguen finalmente a su destino. También puede ser importante conocer cómo se comportará la comunicación cuando aumenta el número de nodos y varios dispositivos necesitan transmitir información.

La coordinación del acceso al medio permite reducir la incertidumbre asociada a una red compartida y facilita un comportamiento más predecible.

Esto puede resultar especialmente interesante en sistemas formados por numerosos dispositivos distribuidos, donde la comunicación debe gestionarse de forma ordenada.

Los aspectos que aporta esta arquitectura son:

• Forma coordinada de gestionar el acceso de varios nodos al medio compartido.
• Comportamiento de comunicación más predecible que un acceso basado únicamente en la competencia por transmitir.
• Posibilidad de utilizar una arquitectura multidrop basada en Ethernet.
• Solución orientada a redes con sensores, actuadores y otros dispositivos distribuidos.

PLCA no convierte automáticamente cualquier aplicación en tiempo real

Es importante no confundir un acceso más organizado y predecible al medio con la garantía automática de que cualquier sistema cumplirá todos los requisitos de tiempo real.

La idoneidad de 10BASE-T1S y PLCA dependerá de los tiempos de respuesta necesarios, el número de nodos, la cantidad de información transmitida y el comportamiento completo de la aplicación.

Por eso, al diseñar un producto no basta con comprobar que una tecnología incorpora PLCA. Es necesario analizar si la arquitectura completa puede responder a los requisitos de comunicación del sistema.

El interés de PLCA está en proporcionar un mecanismo que hace viable y más predecible el uso de un medio Ethernet compartido por varios dispositivos. Esta es precisamente una de las características que permite plantear 10BASE-T1S como una alternativa interesante para determinadas arquitecturas de sensores, actuadores y nodos distribuidos.

Una vez entendido cómo puede organizarse la comunicación entre varios equipos, la siguiente cuestión es inevitable: ¿en qué casos puede aportar esta arquitectura ventajas frente a una solución basada en RS-485?

La aparición de Single Pair Ethernet no significa que RS-485 vaya a dejar de utilizarse en nuevos equipos industriales. RS-485 continúa siendo una tecnología madura, ampliamente implantada y especialmente adecuada para numerosas aplicaciones de comunicación entre dispositivos.

Sin embargo, en determinados productos, tecnologías como 10BASE-T1S permiten plantear una arquitectura diferente.

La cuestión, por tanto, no es si Single Pair Ethernet es técnicamente más moderno que RS-485, sino qué ventajas concretas puede aportar al sistema que se está diseñando.

Cuando una arquitectura basada en SPE puede resultar interesante

Single Pair Ethernet puede ser especialmente interesante cuando se desarrolla un producto con varios dispositivos distribuidos y existe una razón para integrar esos nodos dentro de una arquitectura basada en Ethernet.

Por ejemplo, puede tener sentido analizar esta opción cuando:

• Se desea extender una arquitectura Ethernet hasta sensores, actuadores o módulos de campo.
• Varios nodos pueden compartir un mismo segmento de comunicación.
• La integración con otras redes o sistemas Ethernet forma parte de la arquitectura prevista.
• Se quiere reducir la separación entre la red de control y los dispositivos situados en el nivel de campo.
• El producto está siendo diseñado desde cero y existe margen para definir una nueva arquitectura de comunicaciones.
• Las necesidades de evolución hacen interesante utilizar tecnologías basadas en el ecosistema Ethernet.

En estos casos, la principal ventaja no está necesariamente en la velocidad de transmisión. Para muchos sensores y actuadores, 10 Mbps puede ser más que suficiente.

El interés puede estar en utilizar una tecnología Ethernet en una parte de la arquitectura donde hasta ahora era habitual recurrir a buses diferentes.

RS-485 sigue teniendo ventajas importantes

En muchos proyectos, adoptar Single Pair Ethernet no aportará una mejora suficiente para justificar el cambio.

RS-485 sigue siendo una opción muy sólida cuando el producto debe comunicarse con una infraestructura existente o utilizar protocolos ampliamente implantados, como Modbus RTU.

También puede resultar más adecuada cuando los requisitos de comunicación son sencillos y no existe una necesidad real de integrar el dispositivo dentro de una arquitectura Ethernet.

Algunos escenarios donde RS-485 puede continuar siendo una elección especialmente lógica son:

• Equipos que deben mantener compatibilidad con instalaciones existentes.
• Productos destinados a sistemas basados en RS-485 o Modbus RTU.
• Aplicaciones donde la cantidad de datos y las necesidades de integración están claramente definidas.
• Desarrollos donde una nueva arquitectura Ethernet no aporta una ventaja práctica suficiente.
• Productos que priorizan aprovechar un ecosistema ya conocido y ampliamente implantado.

Por este motivo, no tendría sentido presentar SPE como un sustituto universal.

La diferencia está en la arquitectura que se quiere construir

RS-485 y 10BASE-T1S pueden resolver necesidades similares en algunos sistemas, como conectar varios dispositivos distribuidos. Pero la forma de integrar esos dispositivos dentro de la arquitectura es diferente.

Usando RS-485, el diseño parte habitualmente de una interfaz física compartida sobre la que se implementa el protocolo de comunicación elegido. El producto se integra así dentro de un ecosistema de buses y protocolos ya establecido.

Con 10BASE-T1S, es posible plantear una red multidrop basada en Ethernet, acercando esta tecnología hasta nodos que tradicionalmente podían estar conectados mediante otros buses.

Esta diferencia puede ser importante cuando la conectividad forma parte de la evolución prevista del producto.

Por ejemplo, un fabricante que desarrolla una nueva familia de sensores y módulos distribuidos puede preguntarse si tiene sentido crear una arquitectura independiente para los dispositivos de campo y otra basada en Ethernet para los niveles superiores.

Para determinados proyectos, puede resultar más interesante analizar si una arquitectura SPE permite simplificar esa separación.

No se trata de elegir la tecnología más reciente

Durante el desarrollo de un nuevo equipo es fácil caer en la tentación de incorporar una tecnología porque representa una evolución respecto a la utilizada anteriormente.

Pero una nueva tecnología solo aporta valor cuando resuelve una necesidad concreta.

Si el producto debe integrarse durante años en instalaciones basadas en RS-485 y Modbus RTU, mantener esta interfaz puede ser la decisión más adecuada. Si, por el contrario, se está definiendo una nueva arquitectura con numerosos nodos distribuidos y una clara integración con Ethernet, SPE puede merecer un análisis más profundo.

La decisión debe partir de los requisitos del producto, no de la antigüedad o modernidad de la tecnología.

Para profundizar en esta elección desde una perspectiva más general, puedes consultar nuestro artículo sobre Ethernet vs RS-485: qué comunicación elegir para un nuevo equipo electrónico industrial.

La comparación entre tecnologías es importante, pero todavía queda una cuestión fundamental: ¿en qué aplicaciones concretas puede aportar Single Pair Ethernet ventajas reales?

El interés de Single Pair Ethernet depende en gran medida del tipo de dispositivo y de la arquitectura que se quiere construir. No todos los equipos industriales necesitan SPE, pero existen aplicaciones donde extender Ethernet hasta dispositivos distribuidos puede resultar especialmente interesante.

Sensores industriales y dispositivos de medida

Los sensores son uno de los ejemplos más claros. En una instalación industrial puede existir un gran número de dispositivos distribuidos que generan medidas de temperatura, presión, posición, caudal, nivel u otras variables de proceso.

Tradicionalmente, estos equipos pueden utilizar diferentes interfaces y protocolos según la instalación. SPE abre la posibilidad de incorporar determinados sensores dentro de una arquitectura Ethernet desde el propio nivel de campo.

Pudiendo resultar interesante cuando, además de transmitir la medida principal, el dispositivo necesita intercambiar información adicional, como datos de configuración, estado o diagnóstico.

La ventaja no consiste necesariamente en enviar más datos a mayor velocidad. En muchos casos, el valor está en integrar el sensor dentro de una arquitectura de comunicaciones más amplia sin recurrir a una tecnología diferente en cada nivel del sistema.

Módulos distribuidos de entradas y salidas

Los módulos de E/S son otra aplicación especialmente adecuada para analizar las posibilidades de una arquitectura SPE.

En una máquina o instalación pueden existir módulos distribuidos para recoger señales digitales y analógicas o controlar diferentes salidas. Estos equipos pueden encontrarse a cierta distancia del controlador principal y repartidos por distintas zonas del sistema.

Cuando varios nodos deben comunicarse dentro de una arquitectura distribuida, la posibilidad de utilizar un medio compartido puede resultar interesante.

Una red basada en 10BASE-T1S permite plantear la conexión de varios módulos sobre un mismo segmento, siempre que la arquitectura, el número de dispositivos y los requisitos de comunicación sean adecuados.

Esto puede ofrecer una alternativa a las arquitecturas donde cada equipo necesita una conexión individual hacia un punto central o donde se utiliza otro bus de campo independiente.

Actuadores y dispositivos de campo

Los actuadores también pueden formar parte de este tipo de arquitectura.

Dependiendo de la aplicación, un dispositivo de campo puede necesitar recibir comandos, transmitir información de estado y proporcionar datos de diagnóstico. En productos más avanzados también pueden ser necesarias funciones de configuración o mantenimiento.

SPE permite estudiar una arquitectura en la que estos dispositivos formen parte de una red basada en Ethernet junto con otros nodos distribuidos.

Esto no significa que cualquier actuador deba incorporar una interfaz SPE. En equipos sencillos, el coste y la complejidad adicional pueden no estar justificados.

Pero en productos donde la conectividad y la integración forman parte de su propuesta de valor, puede ser una alternativa que merece analizarse durante la definición de la arquitectura.

Automatización de edificios

Las posibilidades de SPE no se limitan a la industria.

Los edificios pueden incorporar una gran cantidad de dispositivos distribuidos, como sensores ambientales, equipos de control, actuadores, sistemas de iluminación o módulos de monitorización.

En este tipo de instalaciones también puede resultar interesante reducir la cantidad de tecnologías de comunicación utilizadas y analizar arquitecturas que permitan integrar más dispositivos dentro de un mismo ecosistema de red.

La elección dependerá, de nuevo, de los requisitos concretos y de las tecnologías ya presentes en la instalación. SPE no sustituye automáticamente a los protocolos y buses utilizados habitualmente en automatización de edificios, pero amplía las opciones disponibles para nuevos desarrollos.

Monitorización y gestión energética

Los sistemas de monitorización energética pueden incluir contadores, analizadores, sensores y otros equipos distribuidos que deben recopilar y transmitir información de forma periódica.

Actualmente, muchos proyectos, estos dispositivos se integran mediante tecnologías consolidadas como RS-485 y Modbus RTU, especialmente cuando deben conectarse con instalaciones existentes.

Sin embargo, en una arquitectura diseñada desde cero, también puede resultar interesante analizar SPE cuando se busca integrar los nodos dentro de una infraestructura basada en Ethernet.

Este escenario es especialmente representativo de la filosofía que hay detrás de esta tecnología: no sustituir una solución existente simplemente por ser más reciente, sino disponer de una alternativa para diseñar nuevas arquitecturas cuando sus características aportan una ventaja real.

Nuevos equipos electrónicos con arquitecturas distribuidas

Quizá una de las aplicaciones más interesantes para una empresa de diseño electrónico sea el desarrollo de nuevos productos.

Cuando un fabricante comienza una nueva familia de equipos, todavía existe margen para decidir cómo se conectarán los diferentes dispositivos, qué información intercambiarán y cómo evolucionará la arquitectura en futuras versiones.

En esta fase es posible analizar SPE junto con otras alternativas antes de que las decisiones de hardware y software condicionen el proyecto.

Algunas preguntas que pueden ayudar a identificar si merece la pena estudiar esta tecnología son:

• ¿El producto estará formado por varios nodos distribuidos?
• ¿Existe una razón para integrar esos nodos dentro de una arquitectura Ethernet?
• ¿Puede resultar útil que varios dispositivos compartan un mismo segmento de comunicación?
• ¿Qué necesidades de configuración, diagnóstico y evolución tendrá el producto?
• ¿La tecnología elegida ofrece una ventaja real frente a RS-485, CAN u otras alternativas?

SPE resulta especialmente interesante precisamente en este punto: amplía las opciones disponibles cuando todavía se está definiendo la arquitectura de un nuevo producto.

Pero incorporar una nueva tecnología de comunicaciones no consiste únicamente en elegir un estándar. También tiene consecuencias directas sobre el hardware que debe desarrollarse, desde la selección de los componentes hasta el diseño del PCB, las protecciones y la validación final del equipo.

Incorporar SPE en un producto no consiste únicamente en añadir un nuevo conector o sustituir un transceptor por otro.

La tecnología elegida puede afectar a diferentes decisiones de hardware y software, desde la selección de componentes hasta el diseño físico de la placa y la forma en que se integrará el equipo dentro del sistema.

Por este motivo, antes de incorporar una variante SPE conviene analizar la arquitectura completa del producto y no únicamente las características de la interfaz de comunicaciones.

La selección del PHY forma parte de la arquitectura

Uno de los primeros elementos que debe definirse es el componente encargado de implementar la interfaz física compatible con la variante SPE elegida.

La selección del PHY condicionará aspectos como la conexión con el procesador o microcontrolador, la arquitectura de comunicaciones y determinados requisitos del diseño electrónico.

No todos los dispositivos utilizan las mismas interfaces internas ni ofrecen las mismas funciones. Por eso, la elección debe realizarse teniendo en cuenta el conjunto del producto y no únicamente la disponibilidad de un componente compatible.

En un nuevo desarrollo conviene analizar cuestiones como:

• Qué variante de Single Pair Ethernet necesita realmente el producto.
• Cómo se conectará el PHY con el microcontrolador o procesador.
• Qué funciones de diagnóstico o gestión pueden ser necesarias.
• Qué disponibilidad y ciclo de vida se espera de los componentes seleccionados.
• Cómo puede afectar esta decisión a futuras versiones del producto.

El microcontrolador también debe formar parte de la decisión

La incorporación de SPE puede influir en la elección del microcontrolador o procesador.

Dependiendo de la arquitectura, será necesario analizar qué interfaces dispone el dispositivo, qué capacidad de procesamiento requiere la aplicación y cómo se integrará la pila de comunicaciones dentro del firmware.

En algunos casos, un componente puede incorporar funciones Ethernet que simplifiquen la arquitectura. En otros, puede ser necesario utilizar interfaces externas o seleccionar una combinación específica de procesador y PHY.

Además, la comunicación no será necesariamente la única función del equipo.

Un sensor inteligente, un módulo de E/S o un controlador distribuido puede necesitar simultáneamente gestionar medidas, controlar señales, ejecutar algoritmos, almacenar parámetros y mantener las comunicaciones.

La selección del procesador debe considerar, por tanto, el funcionamiento completo del producto.

La pregunta no debería ser únicamente qué microcontrolador permite utilizar SPE, sino qué arquitectura ofrece el equilibrio adecuado entre comunicaciones, procesamiento, coste y evolución futura.

El diseño del PCB sigue siendo un aspecto crítico

Aunque Single Pair Ethernet utiliza un único par de conductores, esto no significa que el diseño de la placa pueda tratarse como una conexión convencional sin requisitos específicos.

Las señales de comunicación, los componentes asociados al PHY y la conexión con el exterior deben integrarse teniendo en cuenta las recomendaciones aplicables a la tecnología y a los componentes seleccionados.

Aspectos como la disposición física de los componentes, el recorrido de las señales y la referencia de retorno pueden influir en el comportamiento final de la interfaz.

También es importante considerar el entorno donde funcionará el producto.

Una placa destinada a un laboratorio no se enfrenta necesariamente a las mismas condiciones que un equipo instalado cerca de maquinaria, motores, contactores u otros elementos capaces de generar perturbaciones eléctricas.

Por eso, el diseño debe contemplar desde el inicio tanto los requisitos de la interfaz como las condiciones reales de funcionamiento del producto.

Protección eléctrica y compatibilidad electromagnética

En aplicaciones industriales, la conexión de comunicaciones suele ser uno de los puntos por los que el equipo puede quedar expuesto a perturbaciones procedentes del exterior.

La estrategia de protección dependerá del entorno, la instalación, el cableado y los requisitos de inmunidad previstos para el producto.

No existe una única combinación de componentes de protección válida para todos los equipos. Es necesario analizar qué riesgos existen realmente y cómo se integrarán las protecciones dentro de la arquitectura.

También debe tenerse en cuenta que añadir componentes de protección no consiste simplemente en colocarlos junto al conector.

Su ubicación, conexión y relación con el resto del diseño pueden ser tan importantes como la elección del propio componente.

El objetivo debe ser desarrollar una interfaz que responda tanto a las necesidades de comunicación como a las condiciones eléctricas y electromagnéticas previstas durante la vida útil del producto.

Cableado y conectores también forman parte del diseño

La elección del cable y del conector no debería dejarse para las últimas fases del proyecto.

En un equipo industrial, estos elementos pueden afectar a la instalación, la fiabilidad mecánica, la compatibilidad con otros equipos y la experiencia de uso del producto.

Además, la arquitectura de cableado puede influir directamente en una de las ventajas que se pretenden obtener con SPE: simplificar determinadas conexiones en sistemas distribuidos.

Por este motivo, conviene definir desde el principio:

• Cómo se conectará físicamente cada dispositivo.
• Qué tipo de cable utilizará la instalación.
• Cuántos equipos compartirán cada segmento cuando la arquitectura lo permita.
• Qué requisitos mecánicos tendrá el conector.
• Cómo se realizará la instalación y el mantenimiento del sistema.

Estas decisiones no deben analizarse de forma independiente al hardware. Forman parte de la arquitectura completa del producto.

Diseñar la interfaz es diseñar parte del producto

Cuando se incorpora una nueva tecnología de comunicaciones, es fácil centrarse únicamente en conseguir que los dispositivos intercambien datos.

Pero un producto industrial debe ir más allá de una demostración funcional.

La solución debe poder fabricarse, probarse, instalarse y mantenerse de forma fiable. También debe responder a los requisitos reales del mercado al que se dirige.

Por eso, incorporar Single Pair Ethernet requiere analizar conjuntamente el PHY, el procesador, el PCB, las protecciones, el cableado y la integración prevista del producto.

La tecnología puede abrir nuevas posibilidades de arquitectura, pero solo aportará una ventaja real si todo el diseño está preparado para aprovecharlas.

Antes de decidir si SPE debe formar parte de un nuevo equipo, todavía conviene dar un paso atrás y responder a una pregunta más importante: ¿qué requisitos debe cumplir realmente la arquitectura de comunicaciones del producto?

Antes de incorporar Single Pair Ethernet: qué conviene valorar

Antes de incorporar Single Pair Ethernet en un nuevo producto, conviene analizar si realmente aporta una ventaja frente a las alternativas disponibles.

Las principales cuestiones son:

• Qué dispositivos deberán conectarse y cuántos nodos formarán parte de la arquitectura.
• Qué distancias, distribución física y necesidades de cableado tendrá el sistema.
• Qué cantidad de datos y tiempos de respuesta necesita realmente la aplicación.
• Si el producto debe mantener compatibilidad con sistemas existentes.
• Qué ventaja concreta aporta SPE frente a RS-485, CAN u otras tecnologías.
• Cómo puede afectar la elección a la evolución futura del producto.

La clave no está en incorporar SPE por ser una tecnología más reciente. Debe existir una razón concreta para utilizar una arquitectura basada en Ethernet hasta los sensores, actuadores o nodos distribuidos.

Si esa arquitectura aporta ventajas reales al producto, Single Pair Ethernet puede ser una alternativa interesante. Si no las aporta, una tecnología consolidada puede seguir siendo la decisión más adecuada.

Single Pair Ethernet no sustituye automáticamente a RS-485, CAN ni a otros buses industriales. Su interés está en ofrecer una nueva alternativa para aplicaciones donde puede resultar útil extender una arquitectura Ethernet hasta sensores, actuadores y otros nodos distribuidos.

Tecnologías como 10BASE-T1S permiten plantear redes multidrop basadas en Ethernet utilizando un único par de conductores, mientras que mecanismos como PLCA ayudan a organizar el acceso de varios dispositivos al medio compartido.

Para determinados nuevos productos puede abrir posibilidades interesantes de integración y simplificación de la arquitectura. Sin embargo, su adopción solo tiene sentido cuando responde a una necesidad concreta del sistema.

La principal evolución no consiste simplemente en sustituir un bus tradicional por Ethernet, sino en disponer de nuevas opciones para decidir cómo se conectarán los dispositivos desde las primeras fases del diseño.

En Kenso Circuits ayudamos a definir y desarrollar la arquitectura electrónica de nuevos productos, analizando aspectos como las comunicaciones, la selección de componentes, el diseño del hardware y las necesidades de fabricación.

Si estás valorando la arquitectura de un nuevo equipo industrial, podemos ayudarte a analizar qué tecnologías de comunicación encajan mejor con los requisitos de tu proyecto.

Preguntas frecuentes sobre Single Pair Ethernet y 10BASE-T1S

¿Qué es Single Pair Ethernet?

Single Pair Ethernet, o SPE, es una familia de tecnologías Ethernet que utiliza un único par de conductores para transmitir datos. Su objetivo es ampliar el uso de Ethernet hacia dispositivos y aplicaciones donde pueden ser importantes factores como el cableado, el tamaño de los nodos o la distribución de los equipos.

¿Qué es 10BASE-T1S?

10BASE-T1S es una variante de Single Pair Ethernet diseñada para comunicaciones de 10 Mbps mediante un único par de conductores. Una de sus características más interesantes es que permite conectar varios dispositivos sobre un mismo segmento físico.

¿Puede 10BASE-T1S conectar varios dispositivos?

Sí. 10BASE-T1S permite crear arquitecturas multidrop en las que varios nodos comparten el mismo medio de comunicación. Para organizar el acceso de los dispositivos al medio compartido puede utilizarse PLCA.

¿Qué es PLCA?

PLCA, Physical Layer Collision Avoidance, es un mecanismo utilizado para organizar el acceso de varios dispositivos a un medio compartido en 10BASE-T1S. Su objetivo es hacer más predecible la comunicación entre los diferentes nodos de la red.

¿Puede Single Pair Ethernet sustituir a RS-485?

En determinadas aplicaciones puede ser una alternativa, pero no sustituye automáticamente a RS-485. La elección depende de la arquitectura del producto, la compatibilidad con sistemas existentes y las ventajas concretas que aporte cada tecnología.

¿En qué aplicaciones puede utilizarse Single Pair Ethernet?

Puede resultar interesante en sensores, actuadores, módulos distribuidos de entradas y salidas, sistemas de automatización de edificios, equipos de monitorización y otros productos con nodos distribuidos.

¿Qué hay que tener en cuenta al diseñar un equipo con SPE?

Es necesario analizar la variante SPE adecuada, la selección del PHY y del procesador, el diseño del PCB, las protecciones, el cableado, los conectores y las condiciones reales donde funcionará el producto. La interfaz de comunicaciones debe formar parte de la arquitectura completa del equipo.