1.8. Redes en anillo y árbol

1. Funcionamiento lógico del anillo industrial

Las redes industriales basadas en topología de anillo se emplean cuando la disponibilidad del sistema es crítica y no se puede permitir que un fallo físico deje incomunicada una parte de la planta. A diferencia de una estrella convencional, donde cada enlace es independiente pero existe un punto único de fallo, el anillo crea un camino redundante que permite que los datos circulen por dos rutas alternativas. Esta redundancia introduce un problema fundamental: el bucle físico.

En Ethernet estándar, un bucle provoca que las tramas se repliquen indefinidamente, generando una tormenta de broadcast que puede saturar toda la red en cuestión de segundos. Para evitarlo, los protocolos industriales de redundancia implementan un mecanismo de apertura lógica del anillo. Aunque físicamente el anillo está cerrado, lógicamente se mantiene un punto abierto, de modo que el tráfico circula como si fuera una línea. Este punto abierto es gestionado por un dispositivo especial: el Manager (MRM en Profinet MRP).

El Manager monitoriza continuamente el estado del anillo mediante tramas de supervisión. Si detecta que el enlace que mantiene abierto el anillo se ha roto, cierra inmediatamente el punto lógico, permitiendo que el tráfico fluya por el otro lado del anillo. Este proceso ocurre en tiempos del orden de 10 a 200 ms en MRP, y en 0 ms en protocolos avanzados como HSR o PRP, utilizados en subestaciones eléctricas y sistemas de misión crítica.

1.1 Secuencia de funcionamiento del anillo

• El Manager mantiene un enlace bloqueado para evitar bucles.
• Los switches del anillo intercambian tramas de supervisión.
• Si un tramo se rompe, el Manager detecta la pérdida de supervisión.
• El Manager cierra el punto lógico y restablece la continuidad del tráfico.
• Los nodos actualizan sus tablas MAC para redirigir las tramas.

Este mecanismo garantiza que la red siga funcionando incluso ante fallos físicos, sin intervención humana y sin detener la producción. Es uno de los pilares de la alta disponibilidad en automatización industrial.

2. Protocolos de redundancia: MRP, HSR y PRP

En el ámbito industrial existen varios protocolos diseñados para gestionar anillos o redundancias paralelas. Cada uno ofrece un nivel distinto de disponibilidad y complejidad.

2.1 MRP (Media Redundancy Protocol)

MRP es el protocolo de redundancia más extendido en redes Profinet. Está diseñado para anillos Ethernet industriales y ofrece tiempos de recuperación típicos entre 10 y 200 ms. La arquitectura se basa en un Manager (MRM) y múltiples Clients (MRC). Es adecuado para líneas de producción, robots, celdas y maquinaria general.

2.2 HSR (High-availability Seamless Redundancy)

HSR elimina completamente el tiempo de recuperación. Cada trama se envía por dos caminos simultáneamente, de modo que si uno falla, la otra copia llega sin interrupción. Es ideal para sistemas eléctricos, ferroviarios o procesos continuos donde no se puede tolerar ni un solo milisegundo de caída.

2.3 PRP (Parallel Redundancy Protocol)

PRP utiliza dos redes físicas independientes. Los dispositivos envían tramas duplicadas por ambas redes. Si una falla, la otra continúa sin interrupción. Es muy utilizado en subestaciones eléctricas y entornos de misión crítica.

3. Diseño jerárquico en árbol

La topología en árbol es la estructura lógica más utilizada en plantas industriales modernas. A diferencia del anillo, que se centra en la disponibilidad, el árbol se centra en la organización y escalabilidad. En una planta con múltiples líneas, robots, estaciones de montaje y sistemas SCADA, es necesario dividir la red en zonas, células y niveles.

3.1 Niveles típicos de una red industrial

• Nivel Core: switches de alto rendimiento que conectan la red de control con la red corporativa o con servidores SCADA.
• Nivel de Distribución: switches que agrupan líneas o áreas funcionales (robotización, envasado, logística interna).
• Nivel de Célula o Campo: switches cercanos a la máquina, conectando PLCs, variadores, E/S remotas y HMIs.

Esta estructura permite limitar el tráfico broadcast a zonas concretas, aislar fallos locales sin afectar a toda la planta, facilitar ampliaciones futuras sin rediseñar toda la red y aplicar políticas de seguridad OT por segmentos.

4. Arquitectura híbrida: anillo + árbol

En instalaciones modernas, lo habitual no es elegir entre anillo o árbol, sino combinarlos. El backbone o nivel de distribución puede estar formado por un anillo de fibra óptica redundante. De cada switch del anillo “cuelgan” estrellas de cobre que conectan los dispositivos finales. Las celdas se organizan en forma de árbol, con jerarquía clara y segmentación lógica.

Esta arquitectura híbrida ofrece:

• Alta disponibilidad en el backbone.
• Escalabilidad y orden en las celdas.
• Reducción de tráfico innecesario.
• Mantenimiento más sencillo.
• Integración natural con VLAN, QoS y seguridad OT.

5. Tiempo de recuperación y criterios de diseño

El tiempo de recuperación es un parámetro crítico. En procesos donde un robot debe detenerse en menos de 50 ms ante una pérdida de comunicación, un anillo MRP puede ser suficiente. En procesos continuos (químicos, eléctricos, ferroviarios), solo HSR o PRP garantizan recuperación cero.

Los criterios principales son:

• Crítica del proceso: ¿se puede detener la producción?
• Distancia y medio físico: fibra para backbone, cobre para celdas.
• Número de nodos: demasiados nodos en un anillo aumentan el recovery.
• Compatibilidad del fabricante: no todos los switches soportan los mismos protocolos.
• Diagnóstico: los anillos permiten detectar fallos de forma muy precisa.

6. Conclusión técnica

La combinación de anillo redundante y árbol jerárquico es la arquitectura más robusta y escalable para redes industriales modernas. Permite garantizar disponibilidad, segmentación, seguridad y crecimiento ordenado, cumpliendo los requisitos del certificado ELEM0110 y de la UF1793.

Lámina técnica: Redundancia en Anillo + Jerarquía en Árbol

📝 Práctica: Redundancia y Jerarquía

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