En este artículo explicamos las diferentes topologías de conexión disponibles bajo tecnología EtherCAT.
Si trabaja en automatización industrial, control de maquinaria o integración de sistemas, probablemente haya tenido contacto con el protocolo EtherCAT. Este puede configurarse en topologías en anillo, línea o estrella, según la aplicación. Si alguna vez ha dudado sobre el funcionamiento de estas estructuras de red EtherCAT o qué factores determinan su configuración, este artículo desentraña los principios topológicos subyacentes y expone las diversas arquitecturas que EtherCAT puede adoptar.
¿Qué es EtherCAT?
EtherCAT (Ethernet para Tecnología de Control y Automatización) es un protocolo de comunicación industrial Ethernet de alta velocidad, determinista y de baja latencia. Está concebido para el control de automatización en tiempo real y se emplea ampliamente en el control de movimiento, robótica, herramientas de maquinaria y automatización de procesos, ámbitos en los que la precisión en la sincronización y la rapidez en la respuesta son esenciales.
EtherCAT fue desarrollado por Beckhoff y está estandarizado bajo la norma IEC 61158. Los tramas EtherCAT se encapsulan dentro de tramas Ethernet estándar y se identifican por el EtherType 0x88A4. Aunque EtherCAT sigue el estándar IEEE 802.3 para la capa física y el formato de tramas, su carga útil emplea un protocolo EtherCAT dedicado, en lugar de TCP/IP o UDP.
Simplemente, EtherCAT opera sobre hardware Ethernet, utilizando interfaces y cables estándar, pero se comunica mediante un protocolo optimizado propio que combina la familiaridad del Ethernet con el rendimiento determinista exigido en la automatización industrial.
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Arquitectura Maestro-Esclavo: La Base Fundamental de las Redes EtherCAT
Antes de adentrarnos en las topologías de red EtherCAT, es esencial comprender cómo funciona la comunicación EtherCAT.
Primordialmente, EtherCAT emplea una arquitectura maestro-esclavo. El dispositivo maestro envía un único paquete Ethernet que atraviesa secuencialmente cada dispositivo esclavo. Cada esclavo lee los datos dirigidos a él, inserta su respuesta y retransmite el mismo paquete al siguiente dispositivo esclavo, todo ello con una velocidad excepcional. Este mecanismo singular de EtherCAT evita retardos provocados por el procesamiento de tramas o retransmisiones, logrando una utilización de ancho de banda cercana al 100% y tiempos de respuesta en el orden de microsegundos.
Además de los esclavos estándar, las redes EtherCAT pueden integrar terminales esclavos tipo junction, que desempeñan un papel distintivo. La mayoría de los esclavos EtherCAT cuentan únicamente con dos puertos — uno de entrada y otro de salida — lo que limita la topología a estructuras lineales simples. Sin embargo, los esclavos junction ofrecen múltiples puertos de salida, lo que permite la configuración de topologías en estrella, árbol o híbridas, favoreciendo diseños de red más flexibles y escalables.
Diagrama 1. Utilice esclavos de conexión EtherCAT para construir diversas topologías de red
En resumen, dentro de un sistema EtherCAT:
El maestro es el único dispositivo autorizado para iniciar la comunicación en el segmento de red.
Los esclavos pueden leer y escribir en los cuadros que atraviesan, pero no están autorizados a generar ni enviar cuadros de manera autónoma.
Mientras que los esclavos estándar forman cadenas lineales, los esclavos de interconexión permiten topologías EtherCAT complejas y ramificadas sin sacrificar el rendimiento en tiempo real.
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Topologías de Redes EtherCAT Explicadas
Con los esclavos junctores EtherCAT y el soporte del protocolo subyacente, las redes EtherCAT pueden adoptar una amplia variedad de topologías. Esta versatilidad permite diseñar arquitecturas eficientes y escalables que se adaptan a distintos esquemas de instalación y requisitos de redundancia.
Topología lógica en anillo de EtherCAT
Aunque una red EtherCAT puede disponerse físicamente en configuraciones lineales, estelares o en anillo, su comunicación de datos interna siempre sigue una topología lógica en anillo.
Cómo funciona el Anillo Lógico
Flujo bidireccional de datos: La información EtherCAT se transmite desde el dispositivo maestro a través de un único par trenzado dentro del cable EtherCAT. El marco de datos recorre todos los dispositivos esclavos y, al llegar al último, retorna al maestro mediante el segundo par trenzado del mismo cable. Esto genera un anillo lógico dentro del cable, aunque no se forme un lazo físico real.
Cuando el marco de datos atraviesa cada esclavo, el intercambio de datos ocurre únicamente al entrar por el puerto IN y salir por el puerto OUT. Por lo tanto:
A medida que la trama avanza río abajo desde el maestro, cada esclavo lee y actualiza los datos asignados dentro de la misma.
Cuando el paquete alcanza el último esclavo y retorna corriente arriba hacia el maestro, atraviesa nuevamente a todos los esclavos sin sufrir ninguna modificación.
Diagrama 2. Topología lógica en anillo EtherCAT
Topología Lineal y en Bus de EtherCAT
La topología en línea EtherCAT, también conocida como topología de bus o cadena en margarita, representa la estructura de red más sencilla.
En esta configuración, todos los dispositivos (esclavos) se conectan secuencialmente a lo largo de una única línea de comunicación, con el maestro ubicado en un extremo y el último esclavo en el opuesto. Los marcos de datos se transmiten desde el puerto OUT del maestro y, al llegar al último esclavo, este detecta la ausencia de una conexión descendente, deshabilita su puerto posterior y devuelve el marco al maestro.
Este esquema es ampliamente empleado en sistemas de automatización lineales compactos. La topología en línea EtherCAT se caracteriza por su cableado simple, menor uso de cables y costos de instalación reducidos. Asimismo, resulta sencillo planificarla y mantenerla. No obstante, si alguna conexión intermedia o segmento de cable falla, la comunicación completa se interrumpe.
Topología en Estrella de EtherCAT
En una topología EtherCAT en estrella, un conmutador EtherCAT (habitualmente un esclavo conmutador EtherCAT) funciona como un concentrador que distribuye los datos desde un único puerto de entrada hacia múltiples puertos de salida. Cada puerto de salida se conecta a una línea independiente de dispositivos esclavos, configurando así una estructura de red con forma de estrella.
Esta disposición permite que múltiples subsistemas operen de manera simultánea, manteniéndose integrados dentro de la misma red EtherCAT.
Toplogía EtherCAT en árbol
La topología en árbol es una extensión del diseño lineal que emplea los junctions EtherCAT como puntos de ramificación. El maestro se conecta a un junction, el cual dispone de múltiples puertos de salida. Cada puerto puede conectar con un dispositivo esclavo único o, más comúnmente, con su propio segmento en cadena. Estas ramificaciones conforman una estructura arbórea, con el maestro como raíz, los junctions como troncos y las líneas de dispositivos como ramas.
A diferencia de la topología en estrella, que puede considerarse un árbol de una sola capa, la topología en árbol permite múltiples niveles de ramificación, brindando una mayor flexibilidad y escalabilidad. Una de sus principales ventajas es el aislamiento de fallos: si un cable o dispositivo falla en una rama, el resto de la red permanece operativo. Además, su diseño facilita la localización de problemas, reduciendo significativamente el tiempo de mantenimiento. Esta topología también admite una expansión modulable, posibilitando la incorporación de nuevos dispositivos sin interrumpir la red existente.
Diagrama 3. Topologías EtherCAT: Línea, Estrella, Árbol
Topología en anillo EtherCAT
La topología en anillo amplía el diseño lineal al conectar el último esclavo con el puerto de redundancia del maestro, formando un circuito cerrado. Esta disposición proporciona redundancia en el cableado, garantizando una comunicación ininterrumpida incluso ante la falla de un segmento de cable.
Funcionamiento Normal:
En condiciones normales, el puerto principal envía tramas en sentido descendente a través de los puertos IN y OUT de cada esclavo, donde se intercambian datos. Simultáneamente, el puerto de redundancia transmite tramas en dirección opuesta (de OUT a IN), pero estas no participan en el intercambio de información, como se mencionó anteriormente.
Cuando ocurre una falla en el cable
Frame from Main Port: IN → OUT
La trama procedente del puerto principal se transmite desde el puerto de entrada hasta el puerto de salida de cada dispositivo esclavo. Cada dispositivo intercambia datos con el marco hasta llegar al último esclavo antes de la interrupción del cable, tras lo cual la trama retorna al maestro, tal como ocurre en una topología lineal.
Frame from Redundant Port: OUT → IN
El puerto redundante también emite una trama quee viaja desde el puerto de salida hasta el puerto de entrada de cada dispositivo esclavo, recorriendo el cable hasta que este se interrumpe y retorna. Durante este proceso de retorno, los datos se intercambian al pasar de cada puerto de entrada al puerto de salida de los dispositivos.
Diagrama 4. Topología en anillo EtherCAT
Ventaja Principal
La topología en anillo EtherCAT ofrece tolerancia a fallos simples; la comunicación continúa sin interrupciones incluso si se produce una avería en un cable o dispositivo, lo que la convierte en una opción idónea para aplicaciones que exigen alta fiabilidad y un tiempo mínimo de inactividad.
Integración de Múltiples Topologías
Como se mencionó anteriormente, las redes EtherCAT no se limitan a una única topología, sino que ofrecen una flexibilidad excepcional en el diseño del sistema. En aplicaciones industriales reales, es habitual combinar diversas configuraciones—línea, estrella, árbol y anillo—dentro de una misma red para adaptarse a variados entornos de instalación y requerimientos operativos.
Al integrar diferentes estructuras, se logra un equilibrio óptimo entre rendimiento, escalabilidad y fiabilidad. Por ejemplo, una columna vertebral en forma de árbol puede enlazar varios subsistemas con configuración estrellada, mientras que una conexión en anillo aporta redundancia y tolerancia a fallos en segmentos críticos. Este enfoque de topología híbrida potencia la robustez global de la red, facilita la expansión del sistema y garantiza que las redes EtherCAT se adapten con precisión a arquitecturas de automatización complejas.
Diagrama 5. Integración de Múltiples Topologías en EtherCAT
Más información de protocolos: What is ERPS (Ethernet Ring Protection Switching) and How Does It Work
Conclusión
La arquitectura flexible y la comunicación determinista de alta velocidad de EtherCAT lo posicionan como una de las tecnologías de Ethernet industrial más eficientes disponibles en la actualidad. Al admitir múltiples topologías —línea, estrella, árbol, anillo o cualquier combinación híbrida—, EtherCAT permite a los ingenieros de automatización diseñar redes que se adaptan perfectamente a diversas aplicaciones.
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