Qué son las redes de comunicación industrial

Las redes de comunicación industrial son la columna vertebral de cualquier arquitectura de sistemas de automatización, ya que ha proporcionado un poderoso medio de intercambio de datos, controlabilidad de datos y flexibilidad para conectar varios dispositivos.

Con el uso de redes de comunicación digital propietarias en las industrias, en la última década se ha logrado mejorar la precisión e integridad de la señal digital de extremo a extremo.

Espero que este post te ayude a resolver tus dudas y obtengas una mejor visión de este tipo de comunicaciones en la industria.

¿Qué son las comunicaciones industriales?

En primer lugar, se considera comunicación al intercambio de información entre dos o más partes. Para ello, la información se transfiere de un tercero a otro, que la recibe, la procesa y la almacena/descarta en función de su relevancia. Cuando se añade el componente industrial, se puede hablar de «comunicación industrial».

La definición se hace considerablemente más difícil cuando el objetivo, es decir, la transmisión de datos entre los dispositivos de un sistema, se formula claramente desde el principio. Para conocer qué es una red y un protocolo industrial va a ser necesario enumerar las funciones de esta comunicación a lo largo de este artículo, debido a sus numerosas configuraciones y variantes.

Ventajas del uso de redes de comunicación industrial

La ventaja de utilizar redes de comunicación industrial, en comparación con el cableado anterior, es  fácil de analizar: el avance tecnológico permite ahorrar cantidades considerables de dinero y reducir los costes.

Además, la comunicación a través de unidades industriales tiene ventajas para la funcionalidad. Sin embargo, los medios que se utilizan en el campo de la «comunicación industrial» difieren mucho según la ubicación.

Como tal, la comunicación interna de la oficina funciona principalmente con sistemas basados en el estándar Ethernet TCP/IP, mientras que la tecnología de automatización utiliza muchos sistemas de comunicación que, sin embargo, son compatibles entre sí.

Sin embargo, en los últimos años se ha producido un aumento de las redes industriales que se emplean, independientemente del campo particular que requiere una comunicación rápida y sin trabas.

Debido a la expansión de la industria automovilística, los componentes de Ethernet Industrial muestran una tendencia al alza. En campos controlados por tecnología altamente eficiente, la comunicación industrial se encuentra en sectores como la construcción de máquinas en serie.

A pesar de todas las modernizaciones y especificaciones, es principalmente el bus de campo el que, en el campo de la comunicación industrial, representa un eslabón importante.

En base a la información relativa a las tendencias en 2010, se registró un crecimiento del 50 % (en comparación con los valores del año anterior). El desarrollo también se puede observar en Ethernet industrial y en los buses de campo.

En el caso de las redes, fueron principalmente ModBus-TCP, EtherCat, EtherNet/IP y PROFINET los que indicaron un notable crecimiento.

Para buses de campo, PROFIBUS, CC-Link y DeviceNet, también mostraron un crecimiento en las estadísticas. Esta tendencia no ha parado en los últimos dos años, a pesar de que la transición de los nodos de bus de campo instalados a Ethernet que se preveía en los años 90, se está produciendo a un ritmo mucho más lento de lo esperado inicialmente.

Como tal, la gama de aplicaciones relacionadas con el medio de la «comunicación industrial» aún tiene que ir más lejos y tiene mucho espacio que recorrer para la expansión total en la industria. Después de todo, la modernización de las redes trae consigo funciones adicionales.

Estas redes, que pueden ser LAN (Local Area Network, que se utiliza en un área limitada) o WAN (Wide Area Network, que se utiliza como sistema global), permiten comunicar grandes cantidades de datos utilizando un número limitado de canales.

Las redes industriales también han llevado al origen de la implementación de varios protocolos de comunicación entre controladores digitales, dispositivos de campo, varias herramientas de software relacionadas con la automatización y también los sistemas externos.

A medida que los sistemas de automatización industrial se vuelven complejos y grandes con más dispositivos de automatización en la zona de control, hoy en día, la tendencia es hacia estándares de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) que permiten interconectar y comunicar cualquier par de dispositivos de automatización de manera confiable, independientemente del fabricante.

Con los avances en la tecnología digital, la tecnología de bus de campo está dominando ahora el campo de la automatización, ya que proporciona una facilidad de comunicación multipunto que resulta rentable y ahorra cable de comunicación.

Características de una red de comunicación industrial

La comunicación de datos se refiere a la transformación de información o datos, principalmente en formato digital, de un transmisor a un receptor a través de un enlace (que puede ser de alambre de cobre, cable coaxial, fibra óptica o cualquier otro medio) que conecte estos dos.

Las redes industriales tradicionales se utilizan para permitir la comunicación de datos entre ordenadores, ordenadores y sus periféricos y otros dispositivos. Por otro lado, la red de comunicación industrial es un tipo especial de red hecha para manejar el control en tiempo real y la integridad de los datos en entornos difíciles sobre grandes instalaciones.

Las comunicaciones industriales, por lo general, utilizan Ethernet, DeviceNet, Modbus, ControlNet, etc.

Los tres mecanismos de control significativos utilizados en el campo de la automatización industrial incluyen Controladores Lógicos Programables (PLC), Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA) y Sistema de Control Distribuido (DCS).

Todos estos elementos se refieren a instrumentos de campo, dispositivos de campo inteligentes, PC de control de supervisión, controladores de E/S distribuidos y pantallas HMI.

Para proporcionar una interconexión entre estos dispositivos y también para permitir la comunicación entre ellos, se necesita una red o esquema de comunicación más potente y eficaz. Difieren considerablemente de las redes empresariales tradicionales.

Estas redes industriales forman una vía de comunicación entre dispositivos de campo, controladores y ordenadores.

Los medios de transmisión para pasar los datos y las señales de control pueden ser por cable o inalámbricos. En caso de transmisión por cable, se utiliza un cable que puede ser de par trenzado, coaxial o de fibra óptica.

Cada cable de red tiene sus propias características eléctricas que pueden ser más o menos adecuadas para un tipo de red o entorno específico. En el caso de la transmisión inalámbrica, la comunicación se realiza a través de ondas de radio.

Un bus de campo es otra red de área de control local utilizada para sistemas de control distribuidos en tiempo real para sistemas industriales automatizados complejos. Es un enlace de comunicación digital bidireccional y multipunto entre controladores y dispositivos de campo inteligentes como sensores/actuadores/transductores inteligentes.

Reemplaza al sistema de comunicación punto a punto convencional que consiste en tantos pares de cables como dispositivos de campo.

En el caso del sistema de bus de campo, dos hilos son suficientes para muchos dispositivos que pertenecen al mismo segmento. Este resultado, que supone un enorme ahorro de cable, es rentable. Profibus y Foundation Field Bus son las dos tecnologías de bus de campo más utilizadas en el campo de la automatización de procesos.

Arquitectura de una red de comunicación industrial

En una industria de fabricación o de procesos, la información o los datos fluyen del nivel de campo al nivel de empresa (de abajo hacia arriba) y viceversa.

Por lo tanto, es obvio que no existe una única dirección de red de comunicación que satisfaga las necesidades de cada nivel. Es por ello, que  los diferentes niveles pueden utilizar diferentes redes en función de las necesidades, tales como el volumen de datos, la transmisión de datos, la seguridad de los datos, etc.

Basándose en la funcionalidad, las redes de comunicación industrial se clasifican en tres niveles generales que se desarrollan a continuación.

Nivel de dispositivo:

Este nivel más bajo consiste en dispositivos de campo tales como sensores y actuadores de procesos y máquinas. La tarea de este nivel es transferir la información entre estos dispositivos y elementos técnicos de proceso como los PLC. La transferencia de información puede ser digital, analógica o híbrida. Los valores medidos pueden permanecer durante más tiempo o durante un período corto.

Con el fin de proporcionar comunicación a nivel de campo, se utilizan con frecuencia los métodos de comunicación serie punto a punto, con un bucle de corriente de 4-20 mA. Estas redes están formadas por cables multihilo en paralelo como medio de transmisión.

Los estándares de protocolo de comunicación serie comunes utilizados en este nivel incluyen RS232, RS422 y RS485. Hay muchas otras redes de comunicación disponibles a nivel de campo que se caracterizan por diferentes factores como el tiempo de respuesta, el tamaño de los mensajes, etc.

Hoy en día, la tecnología de bus de campo es la red de comunicación más sofisticada utilizada a nivel de campo, ya que facilita el control distribuido entre varios dispositivos de campo inteligentes y controladores.

Se trata de un sistema de comunicación bidireccional en el que muchas variables son atendidas por una sola transmisión. Los diferentes tipos de buses de campo incluyen HART, ControlNet, DeviceNet, CAN Bus, Profibus y Foundation Field Bus.

Nivel de control:

Este nivel consiste en controladores industriales tales como PLCs, unidades de control distribuidas y sistemas informáticos. Las tareas de este nivel incluyen la configuración de dispositivos de automatización, la carga de datos de programa y datos de variables de proceso, el ajuste de variables de set, la supervisión de control, la visualización de datos de variables en HMI, el archivo histórico, etc.

Por lo tanto, este nivel requiere características como tiempo de respuesta corto, transmisión a alta velocidad, longitudes de datos cortas, sincronización de máquinas, uso constante de datos críticos, etc.

Las redes de área local (LAN) se utilizan como redes de comunicación a este nivel para lograr las características deseadas. Ethernet con protocolo TCP/IP se utiliza principalmente como red de nivel de control para conectar unidades de control a ordenadores.

Además, esta red actúa como un bus de control para coordinar y sincronizar entre varias unidades de control. Algunos buses de campo también se utilizan en este nivel como buses de control como Profibus y ControlNet.

Nivel de información:

Es el nivel superior del sistema de automatización industrial el que recoge la información de su nivel inferior, es decir, el nivel de control. Se trata de grandes volúmenes de datos que no se utilizan constantemente y que no son críticos en cuanto al tiempo.

Existen redes a gran escala a este nivel. Por lo tanto, las WAN Ethernet se utilizan comúnmente como redes de nivel de información para la planificación de fábricas y el intercambio de información de gestión. A veces, estas redes pueden conectarse a otras redes industriales a través de pasarelas.

Tipos de redes y sistemas de comunicación industrial

Existen varios tipos de redes de comunicación industrial diseñadas para interconectar dispositivos de campo industrial y varios módulos de E/S. Éstos se describen sobre la base de determinados protocolos. Un protocolo es un conjunto de reglas utilizadas en la comunicación entre dos o más dispositivos.

Basándose en estos protocolos, las redes de comunicación se clasifican en muchos tipos. A continuación se describen algunos estándares de comunicación comunes y populares de la industria.

Comunicación Serial

La comunicación serie es el sistema de comunicación básico que se proporciona para cada controlador o PLC. Esta comunicación se implementa utilizando estándares de protocolo como RS232, RS422 y RS485. El acrónimo RS significa Estándar Recomendado, que especifica las características de comunicación en serie en términos de características eléctricas, mecánicas y funcionales.

Las interfaces de comunicación serie están incorporadas en la CPU o en el módulo de proceso  o pueden ser un módulo de comunicación separado. Estas interfaces RS se utilizan principalmente para transferir datos a una alta velocidad de transmisión de datos entre un PLC y el dispositivo remoto.

Un ejemplo de estos interfaces son los lectores de códigos de barras, los terminales de operador y los sistemas de visión.

La comunicación serie RS-232 está diseñada para soportar un transmisor y un receptor y por lo tanto ofrece comunicación entre un controlador y una CPU. La longitud máxima del cable debe ser de hasta 15 metros. Los estándares de comunicación serie RS 422 (1Tx, 10 Rx) y RS485 (32Tx, 32 Rx) están diseñados para comunicarse entre una CPU y muchos controladores.

Estos estándares están limitados a longitudes de 500 metros (en el caso de RS422) y 200 metros (en el caso de RS485).

Este sistema es la única red de comunicación industrial que facilita tanto la comunicación analógica como la digital bidireccional al mismo tiempo por el mismo cableado, y por lo tanto estas redes también se denominan redes híbridas. Esta señal digital se denomina señal HART y contiene información de diagnóstico, configuración del dispositivo, calibración y otras mediciones de proceso adicionales.

Las redes HART funcionan tanto en modo punto a punto como en modo multipunto. En el modo punto a punto, se utiliza una señal de corriente de 4-20 mA para controlar el proceso mientras que la señal HART permanece inalterada. Las redes HART multipunto se utilizan cuando los dispositivos están ampliamente espaciados. Los dispositivos de campo inteligente multivariables compatibles con HART son ampliamente utilizados en muchas industrias.

La red de comunicación HART se utiliza principalmente en aplicaciones de Sistemas SCADA.

DeviceNet

Se trata de una red de nivel de dispositivo abierto basada en tecnología CAN. Está diseñada para interconectar dispositivos de nivel de campo (tales como sensores, interruptores, lectores de códigos de barras, pantallas de panel, etc.) con controladores de nivel superior (tales como un PLC) con una adopción única del protocolo CAN básico. Puede soportar hasta 64 nodos y 2048 dispositivos en total.

Reduce el coste de la red al integrar todos los dispositivos en un cable de cuatro hilos que transporta tanto datos como conductores de energía. La alimentación de la red permite que los dispositivos se alimenten directamente desde la red y, por lo tanto, reduce los puntos de conexión físicos.

Esta red es popularmente usada en las industrias automotriz y de semiconductores.

ControlNet

Se trata de una red de control abierta, que utiliza el protocolo industrial común (CIP) para combinar la funcionalidad de una red peer-to-peer  (red de pares) y una red de E/S, proporcionando un rendimiento de alta velocidad.

Esta red es la combinación de Data Highway Plus (DH+) y E/S remotas. Se utiliza para la transferencia de datos en tiempo real de datos críticos para el tiempo, así como de datos no críticos para el tiempo, entre E/S o procesadores de la misma red.

Puede comunicar hasta un máximo de 99 nodos con una velocidad de transferencia de datos de cinco millones de bits por segundo. Fue diseñado para ser utilizado tanto a nivel de dispositivo como de campo en sistemas de automatización industrial. Proporciona redundancia de medios y comunicación en todos los nodos de la red.

Modbus

Es un protocolo de sistema abierto que puede funcionar en una variedad de capas físicas. Es el protocolo más utilizado en aplicaciones de control industrial. Es una técnica de comunicación en serie que proporciona una relación maestro/esclavo para la comunicación entre dispositivos conectados en red. Puede ser implementado en cualquier medio de transmisión, pero más comúnmente utilizado con RS232 y RS485.

El Modbus serial con RS232 o RS485 (como capas físicas) facilita la conexión de dispositivos Modbus al controlador (como un PLC) en una estructura de bus. Puede comunicarse entre un maestro y varios esclavos, hasta 247 con una velocidad de transmisión de datos de 19,2 kbits/s.

Una nueva versión de Modbus TCP/IP utiliza Ethernet como capa física que facilita el intercambio de datos entre los PLC en diferentes redes. Con independencia del tipo de red física, facilita un método de acceso y control de un dispositivo por otro.

Profibus

Es una de las redes de campo abierto más conocidas y ampliamente implementadas. Estas redes se utilizan principalmente en los campos de la automatización de procesos y de la automatización de fábricas.

Es más adecuado para tareas de comunicación complejas y aplicaciones en las que el tiempo es un factor crítico. Existen tres versiones diferentes de Profibus: Profibus-DP (Periferia Descentralizada), Profibus-PA (Automatización de Procesos) y Profibus-FMS (Especificación de Mensajes de Bus de Campo).

• Profibus-DP es un estándar de comunicación de bus de campo abierto que utiliza la comunicación maestro/esclavo entre dispositivos de red. Utiliza tecnologías de transmisión RS485 o de fibra óptica como medio de capa física. Se utiliza principalmente para proporcionar comunicación entre controladores y E/S distribuidas a nivel de dispositivo.
• Profibus-PA está especialmente diseñado para la automatización de procesos. Se recomienda utilizar las redes Profibus-PA en áreas intrínsecamente seguras. Estas redes permiten que los sensores, actuadores y controladores se conecten a un único bus común, que proporciona comunicación de datos y alimentación a través del bus. Estas redes utilizan la capa física Manchester Bus Powered (MBP) basada en la norma internacional IEC 61158-2.
• Profibus-FMS es un formato de mensajería multimaster o peer-to-peer que permite a las unidades maestras comunicarse entre sí. Es una solución de propósito general que realiza tareas de comunicación en el nivel de control, especialmente en el subnivel de celda para facilitar la comunicación entre PCs maestros.

Lo más común es que FMS y DP se utilicen simultáneamente en el modo COMBI en situaciones en las que se utiliza un PLC junto con un PC. En este caso, el maestro primario se comunica con el maestro secundario a través del FMS, mientras que el DP transfiere los datos de control de la misma red a los dispositivos de E/S.

Bus de campo – Fieldbus Foundation

Es un estándar de bus de campo abierto diseñado especialmente para satisfacer las exigencias de misión crítica en entornos intrínsecamente seguros. Es un tipo de LAN para instrumentos y controladores compatibles con Fielbus Foundation que se utilizan en las industrias de fabricación y procesos. Es un protocolo digital bidireccional estándar definido por la capa física intrínsecamente segura IEC 61158-2 (para FF H1) y compatible con equipos Ethernet.

Conclusión

El campo de las redes de comunicación industrial es tan amplio y diverso como el término general de tecnología que implica. La particularidad de esta forma de comunicación, ilustrada por una clara expansión, especialmente en relación con la necesaria modernización de muchos sectores de la industria, es el retorno de técnicas probadas y comprobadas con el fin de lograr la especificación y el progreso.

En todos sus aspectos, la comunicación industrial ya utiliza normas específicas. A través de la optimización, se encuentra la capacidad de establecer nuevos y mejores estándares en el campo de la tecnología de la comunicación. El uso de esta norma crea una base sobre la que realizar redes potentes para la transmisión de datos, que pueden demostrar este rendimiento de forma consistente.

Esto aporta la ventaja decisiva de la minimización de costes, ya que todos los dispositivos pueden comunicarse entre sí mediante la conexión de un solo sensor y, como en el pasado, no se necesitan cables individuales para realizar un proceso de trabajo.

Esto también facilita el registro de todos los datos dentro de un sistema, de modo que finalmente, la comunicación industrial trae la ventaja de integrar todas las partes a todos los sectores tecnológicos de una empresa.