Dimensionamiento de red Ethernet-APL
En una red Ethernet-APL con field switches alimentados localmente, lo que se dimensiona es cada spur — longitud por la categoría del cable, compatibilidad entre las clases de potencia del puerto y del dispositivo y la tensión que llega al dispositivo con el cable caliente —, los puertos y el consumo de cada field switch y la carga cíclica de red. Esta página muestra los cálculos y los límites del Ethernet-APL Engineering Guideline.
Cuándo usar
Al proyectar la red de instrumentos PROFINET, EtherNet/IP o HART-IP sobre Ethernet-APL, al elegir el cable de los spurs, al dimensionar la fuente auxiliar de los gabinetes de field switches y al preparar el documento descriptivo 2-WISE de una instalación en área clasificada.
Qué se dimensiona en una red Ethernet-APL
En la estructura que se vende hoy, la red de control llega en Ethernet industrial — cobre o fibra — a field switches instalados en gabinete o caja de conexión y alimentados por una fuente local. De cada field switch sale un spur APL por dispositivo — caudalímetro, transmisor de presión diferencial o medidor de nivel por radar: un único par que lleva datos a 10 Mbit/s y energía, la misma idea a dos hilos de un segmento PROFIBUS PA, pero con Ethernet hasta el instrumento. El dimensionamiento tiene tres partes: los spurs, los field switches y la carga de red.
El spur: longitud, clase y tensión
La longitud máxima depende de la categoría del cable — hasta 200 m en cable nuevo tipo A. Pero el spur también debe entregar energía: el puerto garantiza una tensión mínima con la corriente máxima de la clase, en el cable cae I × R, y en el dispositivo debe quedar la tensión mínima de operación. En clase A ese margen es de solo 0,6 V; con 55,56 mA caben cerca de 10,6 Ω de lazo. Por eso, con cable fino y caliente, el límite del spur es la tensión y no los 200 m.
La clase de potencia del puerto debe ser compatible con la del dispositivo: un puerto C alimenta dispositivos A y C, un puerto A solo alimenta dispositivos A.
El field switch: puertos y alimentación
Cada field switch tiene un número fijo de puertos, y conviene dejar reserva. El consumo en la fuente auxiliar es una parte fija más una parte por puerto usado, mayor en los puertos clase C. Sumando los switches de un gabinete se obtiene la potencia de la fuente de 24 V; el alimentador que sale de esa fuente es un problema de dimensionamiento de cables CC en sí mismo, y una fuente que debe mantenerse durante los cortes de energía se respalda con un banco de baterías. Del lado de la sala de control, los switches de Ethernet industrial y los distribuidores ópticos que alimentan a los field switches van en un rack 19”.
Área clasificada
Con 2-WISE el spur es intrínsecamente seguro sin cálculo de parámetros de entidad, siempre que fuente, carga y auxiliares sean 2-WISE y el cable esté dentro de los rangos de resistencia, inductancia y capacitancia. El nivel de protección del segmento es el del puerto menos exigente, y la documentación exigida es un documento descriptivo — la guía trae un modelo en la Tabla 10-1.
Lo que esta herramienta no cubre
El trunk APL alimentado, en el que el propio trunk lleva energía a los field switches, queda fuera: el Engineering Guideline v1.14 declara que no hay esquema de cálculo publicado para él y remite al fabricante.
Fórmulas y fundamentos
U = U_PS(mín) − I_clase × R_lazo,20 × [1 + α20 (θ − 20)] × L ≥ U_PL(mín) El puerto fuente garantiza U_PS(mín) con la corriente máxima de la clase de la carga; el cable cae I × R y en el dispositivo debe quedar U_PL(mín). α20 = 3,93×10⁻³/K, θ es la temperatura máxima del cable.
L_máx = [U_PS(mín) − U_PL(mín)] / [I_clase × R_lazo(θ)] La longitud en que el margen llega a cero. El spur máximo final es el menor entre este valor y el límite de la categoría del cable (50 a 200 m).
P = P_fija + P_puerto × puertos usados Potencia tomada de la fuente auxiliar. En las hojas de los rail field switches FieldConnex la parte fija ronda 10 W y cada puerto clase A usado cuesta cerca de 1 W.
carga = n × (payload + 42 bytes) × 8 / (ciclo × tasa) Ec. 10-1/10-6 del guideline. Con el payload mínimo de 46 bytes cada trama tiene 88 bytes. Debajo de 20 %, nada que hacer; de 20 a 50 %, verificar; encima de 50 %, reducir.
Normas y métodos
- Ethernet-APL Engineering Guideline v1.14 (FieldComm Group, ODVA, OPC Foundation, PI)
- Ethernet-APL Port Profile Specification — clases de potencia
- IEEE 802.3cg (10BASE-T1L)
- IEC TS 60079-47 — 2-WISE
- IEC 60228 — resistencia de conductores
Valores típicos de referencia
| Magnitud | Rango típico | Observación |
|---|---|---|
| Clase A — U_PS(mín) / I / U_PL(mín) | 9,6 V / 55,56 mA / 9,0 V | — |
| Clase C — U_PS(mín) / I / U_PL(mín) | 11,61 V / 95 mA / 10,6 V | — |
| Fuente → carga permitidas | A → A · C → A y C | — |
| Spur máximo por categoría de cable | I 50 m · II 100 m · III 150 m · IV 200 m | — |
| Auxiliares / inserciones en el spur | hasta 2 / hasta 4 | — |
| Cable 2-WISE | lazo 15–150 Ω/km · 0,4–1 mH/km · 45–200 nF/km | spur de hasta 200 m, hasta 2 auxiliares |
| Cable fieldbus tipo A (0,8 mm²) | lazo ≈ 44 Ω/km | hoja de datos del fabricante |
Ejemplo resuelto
Spur largo en cable fino
Datos de entrada
- Cable
- 0,75 mm² (IEC 60228)
- Temperatura máxima del cable
- 55 °C
- Puerto y dispositivo
- clase A —
- Spur
- 200 m
Resultados
- Resistencia de lazo a 55 °C
- 11,15 Ω
- Tensión en el dispositivo
- 8,98 V (mínimo 9,0 V)
- Spur máximo con 0,75 mm²
- 194 m
- Sección que cumple
- 1 mm²
El spur de 200 m está dentro del límite de la categoría IV, pero la tensión no cierra: llegan 8,98 V para un mínimo de 9,0 V. Hay tres salidas: acortar a 193,7 m como máximo, pasar a 1,0 mm² (los 200 m entregan entonces 9,14 V) o usar un cable cuya resistencia de lazo real, según la hoja de datos, sea menor que el máximo de la IEC 60228.
Errores comunes
- Mirar solo la longitud. 200 m es el límite de la categoría IV, pero la tensión puede fallar antes: con 0,75 mm² a 55 °C el spur clase A termina en 193,7 m.
- Calcular con el cable frío. La resistencia crece cerca de 14 % entre 20 °C y 55 °C; el spur que pasa en la oficina falla en el pipe rack al sol.
- Conectar un dispositivo clase C en un puerto clase A. El puerto A no garantiza la tensión ni la corriente que necesita; la combinación está prohibida por la Tabla 4-5.
- Dimensionar la fuente del gabinete por el consumo del switch vacío. Cada puerto usado suma de 1 a 2 W; con 24 puertos la diferencia supera 20 W.
- En área clasificada, olvidar que el nivel del segmento es el del puerto menos exigente. Un dispositivo Ex ia en puerto Ex ic da un segmento Ex ic.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la longitud máxima de un spur Ethernet-APL?
Hasta 200 m en cable de categoría IV, menos en categorías inferiores (50, 100 y 150 m). Pero el límite puede ser la tensión y no la longitud: con cable fino y caliente el spur termina antes de 200 m.
¿Qué diferencia hay entre las clases A y C?
La clase C entrega más potencia al dispositivo (11,61 V y 95 mA garantizados en el puerto, contra 9,6 V y 55,56 mA de la clase A). Un puerto C alimenta dispositivos A y C; un puerto A solo alimenta dispositivos A.
¿Y el trunk APL alimentado?
El Engineering Guideline v1.14 declara que no hay esquema de cálculo publicado para el trunk alimentado y remite al fabricante. Esta herramienta cubre la estructura que se vende hoy: Ethernet industrial hasta field switches con alimentación local.
¿La carga de red APL suele ser un problema?
Rara vez en aplicaciones de proceso. Según el ejemplo del guideline, 50 sensores a 200 ms ocupan 1,76 % de un enlace de 10 Mbit/s. Lo que pesa es un ciclo muy corto o un payload grande.
¿Qué es el 2-WISE?
El concepto de seguridad intrínseca de la IEC TS 60079-47 para spurs Ethernet-APL. Con fuente, carga y auxiliares 2-WISE y cable dentro de los rangos de R, L y C, el spur es intrínsecamente seguro sin cálculo de parámetros de entidad — basta el documento descriptivo.
Glosario
- Spur
- Enlace punto a punto entre un puerto del field switch y un dispositivo de campo, hasta 200 m.
- Field switch
- Switch de campo que convierte Ethernet industrial en puertos APL y alimenta los dispositivos por los propios spurs.
- Clase de potencia
- Rango de tensión y corriente que un puerto APL garantiza (fuente) o exige (carga), como A y C.
- 2-WISE
- Concepto de seguridad intrínseca de la IEC TS 60079-47 para spurs Ethernet-APL.
- 10BASE-T1L
- Capa física IEEE 802.3cg — 10 Mbit/s full duplex en un único par, hasta 1 000 m.