Protocolos de Comunicación Industrial: Fundamentos y Aplicaciones Esenciales

Introducción a los Protocolos de Comunicación Industrial

Los protocolos de comunicación industrial son la columna vertebral de la automatización moderna, permitiendo la interconexión y el intercambio de datos entre una vasta gama de dispositivos en entornos de fabricación y control. Se clasifican comúnmente en dos categorías principales según su nivel de operación y aplicación:

Clasificación de Protocolos Industriales

Protocolos de Bajo Nivel

Estos protocolos están diseñados para la comunicación directa y eficiente con sensores y actuadores, a menudo con requisitos estrictos de tiempo real y simplicidad en la implementación:

• MAP (Manufacturing Automation Protocol)
• TOP (Technical Office Protocol)
• Interbus
• HART (Highway Addressable Remote Transducer)
• AS-i (Actuator Sensor Interface)
• CANopen/DeviceNet

Protocolos de Alto Nivel

Estos protocolos ofrecen mayor complejidad, capacidad y flexibilidad, siendo adecuados para la comunicación entre controladores, sistemas de supervisión (SCADA) y la integración con redes empresariales:

• Profibus (Process Field Bus)
• Modbus
• Ethernet Industrial
• Profinet
• EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)
• OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture)

Requisitos Esenciales de los Protocolos de Comunicación Industrial

Para garantizar un rendimiento óptimo y una operación fiable en entornos industriales, los protocolos de comunicación deben cumplir con una serie de características fundamentales:

• Integración de Datos: Capacidad para unificar y gestionar información proveniente de diversas fuentes y sistemas.
• Integración de Dispositivos: Facilidad para conectar y comunicar con una amplia gama de equipos y fabricantes.
• Tiempo Real: Habilidad crítica para garantizar la entrega de datos dentro de plazos estrictos, indispensable para el control de procesos y la respuesta rápida.
• Eficiencia del Protocolo: Uso optimizado del ancho de banda y los recursos de red para maximizar el rendimiento.
• Seguridad: Implementación de mecanismos robustos para proteger contra accesos no autorizados, manipulación de datos y ciberataques.
• Ampliabilidad: Posibilidad de escalar la red y añadir nuevos dispositivos o segmentos sin interrupciones significativas en la operación.
• Diagnosticabilidad: Provisión de herramientas y funcionalidades para la monitorización, identificación y resolución rápida de problemas de red.
• Disponibilidad: Alta fiabilidad y resistencia a fallos para asegurar la operación continua y minimizar el tiempo de inactividad.

Detalle de Protocolos de Bajo Nivel

A continuación, se describen en detalle algunos de los protocolos de comunicación de bajo nivel más relevantes en la automatización industrial:

MAP (Manufacturing Automation Protocol)

• Desarrollado por General Motors en la década de 1980.
• Utiliza modulación FSK (Frequency Shift Keying).
• Soporta métodos de comunicación de banda ancha (10 Mbit/s) y banda base (5 Mbit/s).
• En la capa de aplicación, integra protocolos como FTAM (File Transfer, Access and Management), MMS (Manufacturing Message Specification) y ACSE (Association Control Service Element).

TOP (Technical Office Protocol)

• Impulsado por Boeing y muy similar a MAP en su concepción.
• Emplea tecnologías como Token-bus, Token-ring y Ethernet.
• Ofrece soporte para FTAM, ACSE y servicios de correo electrónico (CCITT X.400).

Interbus

• Opera bajo una topología de anillo activo, permitiendo la conexión de un maestro con hasta 512 esclavos.
• Soporta diversos medios físicos, incluyendo RS-485+Vcc (con un alcance de hasta 400 m) y fibra óptica (hasta 3.6 km).
• Alcanza una velocidad de 500 Kbit/s.
• Se caracteriza por su ciclo fijo y determinismo, crucial para aplicaciones de control.

HART (Highway Addressable Remote Transducer)

• Basado en la infraestructura de cables de instrumentación de 4-20 mA.
• Utiliza modulación FSK de ±0,5 mA, lo que permite la comunicación digital sobre la señal analógica existente y soporta hasta 15 dispositivos en un mismo lazo.
• Opera en modos maestro-esclavo y difusión (broadcast).

AS-i (Actuator Sensor Interface)

• Protocolo optimizado para la comunicación con sensores y actuadores binarios (1 bit por elemento).
• Utiliza un cable de dos hilos sin trenzar para alimentación y datos.
• Permite conectar un máximo de 31 esclavos y ofrece una topología de red flexible.

CANopen (Controller Area Network Open)

• Funciona en modo de difusión (broadcast), sin necesidad de un maestro central.
• Maneja paquetes de hasta 8 bytes y alcanza velocidades de hasta 1 Mbit/s.
• Los medios físicos comunes incluyen par trenzado con resistencias terminadoras de 120 Ω.
• Es ampliamente utilizado en sectores como el transporte, la automoción y el control industrial.

Detalle de Protocolos de Alto Nivel

Los protocolos de alto nivel son fundamentales para la integración de sistemas complejos y la comunicación a nivel de planta y empresa:

Profibus (Process Field Bus)

• Originado en 1989, cumple con las normas EN50170 e IEC61158.
• Se divide en tres perfiles principales:
  • FMS (Fieldbus Message Specification): Basado en la capa 7 del modelo OSI, para comunicación compleja.
  • DP (Decentralized Periphery): El más común, basado en RS-485, para comunicación rápida con periferia descentralizada.
  • PA (Process Automation): Diseñado para zonas intrínsecamente seguras en entornos de proceso.
• Alcanza velocidades de hasta 12 Mbps en distancias de hasta 100 m.
• Define dos tipos de dispositivos maestros (DPM1 y DPM2) y dispositivos esclavos (DP-Slave).

Modbus

• Considerado un estándar abierto de facto en la industria.
• Opera en dos modos principales:
  • ASCII: Utiliza un chequeo de redundancia longitudinal (LRC).
  • RTU (Remote Terminal Unit): Más eficiente, utiliza un chequeo de redundancia cíclica (CRC).
• Modbus/TCP: Extiende la funcionalidad de RTU sobre redes TCP/IP, permitiendo la comunicación a través de Ethernet.
• Define rangos de memoria específicos para diferentes tipos de datos:
  • 1-10000: Salidas Digitales (DO - Discrete Outputs)
  • 10001-20000: Entradas Digitales (DI - Discrete Inputs)
  • 30001-40000: Entradas Analógicas (AI - Analog Inputs)
  • 40001-50000: Salidas Analógicas (AO - Analog Outputs)

Ethernet Industrial

• Representa una mejora de la tecnología Ethernet estándar para satisfacer las exigencias de las aplicaciones industriales.
• Soporta diversos medios físicos, incluyendo 10Base5 (Ethernet grueso), 10Base2 (Ethernet fino), 10BaseT (par trenzado no apantallado - UTP) y 10BaseF (fibra óptica).
• Aborda los desafíos de determinismo inherentes a CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) mediante el uso de comunicación full-duplex y switches de red, que eliminan las colisiones.

Profinet

• Es la evolución de Profibus, completamente basado en la tecnología Ethernet.
• Ofrece tres modos de comunicación para adaptarse a diferentes requisitos de tiempo real:
  • NRT (Non-Real Time): Comunicación estándar sin prioridad, utilizando TCP/IP. Adecuado para datos no críticos.
  • RT (Real Time): Comunicación cíclica con prioridad, sin utilizar TCP/IP, para aplicaciones con requisitos de tiempo real moderados.
  • IRT (Isochronous Real Time): Comunicación isócrona que requiere hardware de red específico para garantizar la máxima precisión y determinismo, ideal para aplicaciones de control de movimiento.

EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology)

• Protocolo optimizado para aplicaciones de tiempo real extremadamente rápidas y deterministas, estandarizado bajo IEC 61158.
• Utiliza un principio de multiplexado temporal y permite la transmisión de datos en un "tren de datos" (processing on the fly), donde los datos se procesan mientras el telegrama pasa por cada nodo, sin necesidad de que cada nodo lo lea completamente y lo reenvíe.

OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture)

• Un estándar abierto e interoperable para la comunicación segura y fiable en la automatización industrial.
• Basado en una arquitectura orientada a servicios (SOA - Service-Oriented Architecture), facilita la comunicación cliente-servidor y la integración de datos desde el nivel de campo hasta la nube.
• Incorpora seguridad integrada robusta, incluyendo el uso de certificados X.509 para autenticación y cifrado.

Resumen de Aplicaciones y Características Clave

La siguiente tabla resume las principales aplicaciones y características distintivas de cada protocolo:

• AS-i: Ideal para la conexión de sensores y actuadores binarios en el nivel de campo más bajo.
• CANopen: Ampliamente utilizado en automoción, control de tráfico y sistemas embarcados en vehículos.
• Profibus: Fundamental para la comunicación con periferia descentralizada y la automatización general en la industria de procesos y fabricación.
• Modbus: Un estándar de facto para la integración entre dispositivos de diferentes fabricantes, común en una multitud de industrias.
• Ethernet Industrial: Extiende las capacidades de las redes de oficina a entornos industriales, mejorando la velocidad y la capacidad de datos.
• Profinet: Permite una comunicación rápida y eficiente con nodos en redes Ethernet, facilitando también el acceso remoto y la integración vertical.
• EtherCAT: Destaca por su comunicación extremadamente rápida y precisa en tiempo real, ideal para aplicaciones de control de movimiento y robótica.
• OPC UA: Clave para la integración y comunicación segura y escalable en el contexto de la Industria 4.0 y el Internet Industrial de las Cosas (IIoT).