redes de comunicación industrial qué son y para qué sirven

Redes de comunicación industrial: todo lo que necesitas saber

En el entorno de la automatización de procesos industriales, las redes de comunicación industrial entre los dispositivos que intervienen en el control de estos sistemas, es una cuestión clave para permitir no sólo un correcto funcionamiento, sino también la supervisión y control de estos procesos.

Nos encontramos en un mundo interconectado en el que la maquinaria industrial con capacidad de comunicación puede funcionar de forma autónoma o con una mínima interacción humana.

La columna vertebral de la interconectividad son las avanzadas redes de comunicación industrial que utilizan protocolos de comunicación que han evolucionado con el tiempo.

La arquitectura de los sistemas de automatización industrial debe basarse en estas sólidas redes de comunicación para lograr una mayor transformación digital de los procesos de la planta de producción.

Son necesarias para el intercambio de datos, el control de datos y la flexibilidad para conectar dispositivos o máquinas de diferentes fabricantes en la misma instalación.

En este artículo vas a conocer con todo detalle lo que necesitas saber sobre este tipo de red de comunicación entre dispositivos y su importancia en la distribución de datos en un sistema de automatización industrial.

¿Qué son las redes de comunicación industrial?

En primer lugar, se considera que la comunicación es el intercambio de información entre dos o más partes. Para ello, la información se transfiere de una parte a otra, que la recibe, la procesa y la almacena/desecha en función de su relevancia.

Cuando se añade el componente industrial, se puede hablar de "comunicación industrial". La definición se vuelve bastante más compleja y extensa de explicar cuando el objetivo, es decir, la comunicación de datos entre los dispositivos de un sistema, se realiza desde el principio.

La comunicación de datos es la conversión y transmisión de información, a menudo en formato digital, desde un transmisor a un receptor a través de un enlace (cable de cobre, cable coaxial, fibra óptica o inalámbrico).

Las redes de comunicación industrial están diseñadas y construidas para manejar el control en tiempo real y la integridad de los datos a la vez que se instalan en grandes plantas que pueden operar en entornos difíciles.

Con independencia del tipo de enlace (cobre, coaxial, fibra o inalámbrico), estas redes permiten el intercambio de grandes cantidades de datos utilizando un ancho de banda limitado.

Hay varias formas de implementar una estructura de comunicación en función de los protocolos de comunicación necesarios en los controladores digitales, los dispositivos de campo, el software de automatización utilizado y los sistemas externos.

Por lo tanto, es necesario mantener la conectividad y la fiabilidad del sistema en general; los estándares de interconexión de sistemas abiertos (OSI) se están convirtiendo en la nueva tendencia en las redes de comunicación industrial.

¿Cuál es la función de las redes de comunicación industrial?

Las redes de comunicación industrial pueden utilizarse en los sistemas de control para pasar datos entre los dispositivos de campo y los PLC, entre diferentes PLC, o entre los PLC y los ordenadores personales utilizados para la interfaz del operario, el procesamiento y almacenamiento de datos o la información de gestión.

Algunos de los controladores más comunes utilizados en la arquitectura de la automatización industrial son: PLC (controladores lógicos programables), SCADA (control de supervisión y adquisición de datos) y DCS (sistema de control distribuido). Sobre todo conectan y controlan dispositivos de campo, sistemas/controladores de E/S distribuidos, HMI y PC de supervisión.

Aunque un sistema de comunicaciones puede incluir sólo dos equipos con un cableado entre ellos, el término red suele referirse a la conexión de muchos dispositivos para permitir el intercambio de datos entre ellos a través de un circuito único (o redundante).

Los datos se transmiten a través de una red utilizando la comunicación en serie, en la que los datos llamados bytes, que consisten en ceros y unos lógicos individuales (bits), se transmiten secuencialmente de un dispositivo a otro.

El conjunto de datos en una sola transmisión suele llamarse paquete. La velocidad a la que pueden transmitirse los datos por una red se define en bits por segundo o bps, pero suele expresarse en miles (Kbps) o millones (Mbps).

¿Cómo se realizan las redes de comunicación industrial?

Las comunicaciones entre dispositivos se realizan mediante el uso de diferentes protocolos de comunicaciones industriales. Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permite la transferencia e intercambio de datos entre los dispositivos a comunicar.

A medida que el desarrollo tecnológico en el campo de la electrónica ha progresado, el control automatizado de los procesos industriales se ha impuesto a los métodos de producción tradicionales.

En las primeras etapas de la introducción de esta tecnología en la industria, la automatización se limitaba al control local de determinadas máquinas o líneas de producción, lo que daba lugar a sistemas automáticos aislados entre sí, que no podían compartir información para optimizar el desarrollo del trabajo a mayor escala.

Por este motivo, el siguiente paso en el camino hacia una industria totalmente automatizada fue interconectar estos sistemas aislados. Este paso ha permitido, además de una gestión más eficiente de los procesos de producción, una mejor disponibilidad de la información de los dispositivos de campo, de forma centralizada a nivel de planta.

El último avance en este campo se dio gracias a la necesidad presentada por las grandes entidades del sector de la producción industrial y consistió en la integración de la información entre plantas y fábricas del mismo grupo.

La integración de estos sistemas suele realizarse distribuyendo las comunicaciones en varias capas:

  • Buses de campo
  • Redes LAN
  • Redes LAN-WAN

Hoy en día se utilizan muchos protocolos de redes de comunicación industrial, algunos de ellos impulsados por fabricantes específicos, y muchos otros definidos como estándares abiertos.

Históricamente, ha existido un gran problema en la industria a la hora de conectar dispositivos de distintos fabricantes, que utilizaban protocolos diferentes, por lo que la planificación a la hora de diseñar una red de comunicaciones que compatibilizara la información existente en todos los sistemas se convertía en un gran rompecabezas.

Esto suponía que era complejo y costoso tener toda la información unificada, lo que permitiría una visión global del negocio por parte de la directiva. En este sentido, varios fabricantes y entidades han realizado intentos de imponer un estándar que permita simplificar y unificar las comunicaciones industriales, una apuesta que a día de hoy sigue desarrollándose sin haber alcanzado aún un compromiso pleno por parte de la industria.

Qué son los niveles de comunicación en una red industrial

Los sistemas de automatización industrial pueden ser muy complejos y suelen estar estructurados en varios niveles jerárquicos. Cada uno de estos niveles tiene un nivel de comunicación apropiado, que plantea diferentes exigencias al sistema de comunicación de cada nivel.

Según la jerarquía de los sistemas de automatización y control industrial, el flujo de datos e información se establece en dirección horizontal y vertical.

Mientras que el flujo horizontal se establece de forma local entre los dispositivos de campo utilizando buses de datos como la comunicación por bus de campo, el vertical garantiza la comunicación a través de redes para la planificación, visualización y gestión de la producción.

En realidad, los puntos finales se conectan a la red conectándose a algunos de los nodos de la red. Si asumimos que todos los enlaces de la red son bidireccionales, entonces, cada nodo puede recibir o reenviar datos por cualquiera de los enlaces conectados.

Un nodo puede recibir datos de un punto final o de otro nodo. De forma equivalente, un nodo puede reenviar información a un punto final o a otro nodo.

El medio físico utilizado para realizar los enlaces puede ser por cable o inalámbrico.

La comunicación inalámbrica es más fiable desde diferentes puntos de vista, sobre todo desde el punto de vista de los costes y del espacio, ya que es posible desplazar las máquinas y realizar una optimización de los costes al disponerlas de forma que se reduzcan los desplazamientos (economía de movimiento).

Además, cada uno de los enlaces puede tener una capacidad diferente que se mide por la tasa de bits máxima proporcionada

La siguiente figura muestra los distintos niveles de comunicaciones de red en un sistema de automatización industrial:

 

Niveles de comunicación de un sistema de automatización industrial
Niveles de comunicación de un sistema de automatización industrial

 

Los sistemas de redes de comunicación industrial se pueden clasificar en diferentes categorías basadas en la funcionalidad:

  • Redes a nivel de campo
  • Redes a nivel de control
  • Redes a nivel de información

Nivel de Campo

Como nivel más bajo, este nivel contiene los dispositivos distribuidos, como sensores (entrada) y actuadores (salida), módulos de E/S y unidades de accionamiento de las máquinas / plantas de una empresa de fabricación que se comunican con los sistemas de automatización a través de un sistema de comunicación en tiempo real.

La transmisión de los datos es cíclica y se caracteriza por un ciclo de bus corto. La duración real del ciclo de bus depende de la aplicación. Varía desde la décima de microsegundo hasta cientos de milisegundos.

Aquí, sólo se transmiten unos pocos bytes al mismo tiempo, por ejemplo, para controlar un actuador o para recibir una señal de un sensor. Sin embargo, al mismo tiempo se producen grandes exigencias en cuanto a la latencia máxima: para poder controlar los procesos de manera correcta, las señales de control deben transmitirse en unos pocos milisegundos.

Profibus DP y Profinet IO cumplen estos criterios y ofrecen las soluciones universales tanto para la automatización de fábricas como para la automatización de procesos.

Nivel de Control

A nivel de planta, los controladores programables (PLC), se comunican entre sí y con los sistemas informáticos de la oficina técnica o de ingeniería utilizando estándares como Ethernet TCP/IP, Intranet e Internet.

Dentro del nivel de control se encuentran todos los sistemas informáticos de automatización (función) que controlan el proceso.

Los controladores están conectados a los sensores/actuadores del nivel de campo y cada uno controla una parte del sistema. Los controladores también están conectados entre sí y con el nivel superior.

En este nivel, la información se transfiere con un tamaño que va de unos pocos bytes a unos pocos kilobytes. La latencia es de una fracción de segundo.

Este flujo de información requiere paquetes de datos y una serie de protocolos de comunicación. Al igual que Profibus, Profinet, basado en Ethernet, ofrece una solución que está siendo bastante utilizada por las empresas para este fin.

Nivel de Información

El nivel de información es el nivel superior de una planta o de un sistema de automatización industrial. El controlador del nivel de planta reúne la información de gestión de los niveles de área y gestiona todo el sistema de automatización mediante el Sistema MES y ERP.

El sistema MES está conectado de forma directa con el nivel de control y los datos de producción actuales. En definitiva, hacen un seguimiento de los detalles de los productos y los pedidos en la planta, recopilan las transacciones para informar a los sistemas financieros y de planificación, y envían de forma electrónica los pedidos y las instrucciones de fabricación al personal de la planta.

Por otro lado, el ERP permite recopilar y organizar los datos empresariales a través de un paquete de software integrado. El software ERP contiene aplicaciones que automatizan funciones empresariales como la producción, la cotización de ventas, la contabilidad, etc.

En este nivel, existen redes a gran escala, por ejemplo, las WAN Ethernet para la planificación de la fábrica y el intercambio de información de gestión. Los datos se transfieren desde unos pocos megabytes hasta gigabytes. La latencia es de varios segundos.

La siguiente imagen muestra un ejemplo de la disposición jerárquica de las redes de comunicación en un sistema de automatización industrial.

 

Arquitectura de las redes de comunicación industrial
Arquitectura básica de las redes de comunicación industrial

Tipos de Protocolo en Comunicaciones Industriales

Un protocolo es un conjunto de normas para la comunicación entre dispositivos en red. Entre los protocolos más comunes utilizados en el ámbito industrial se encuentran:

  • Modbus RTU
  • EtherNet/IP
  • Ethernet TCP/IP
  • Modbus TCP/IP
  • Profinet
  • Profibus

Quizá el protocolo de comunicación industrial más común sea Modbus RTU, desarrollado por Modicon, suele funcionar en una red RS-485.

Este y otros protocolos serie populares son compatibles con una gran variedad de proveedores, y son bastante conocidos por un amplio grupo de profesionales de la automatización.

Pero el rendimiento es limitado, lo que hace que los protocolos serie sean una mala elección para aplicaciones de alta velocidad y otras más exigentes.

Debido al rendimiento y a otras ventajas, Ethernet ha surgido como el estándar dominante para la capa física de muchos protocolos industriales, como EtherNet/IP, Ethernet TCP/IP, Modbus TCP/IP y Profinet.

Utilizando Ethernet, no es demasiado difícil conectar varios dispositivos, como PLC, HMI, E/S de campo y bancos de válvulas.

Además, la comunicación sigue siendo rápida mientras se habla con varios dispositivos distintos en el mismo cable, debido a la altísima velocidad de Ethernet en comparación con las antiguas redes en serie.

Topologías de red industrial: qué son, tipos y características

Una topología de red es una representación gráfica de cómo están conectados los dispositivos entre sí. En pocas palabras, es la disposición de los distintos elementos (enlaces, nodos, etc.) de las redes de comunicación industrial. Es la estructura topológica de una red, y pueden definir tanto el aspecto físico como el lógico de la red.

La topología física se refiere a la colocación de los distintos componentes de la red, incluida la ubicación de los dispositivos y la instalación de los cables, mientras que la topología lógica muestra cómo fluyen los datos dentro de una red, con independencia de su diseño físico.

Tanto la topología lógica como la física pueden ser iguales o diferentes en una misma red.

En las redes industriales se dan con mayor frecuencia los siguientes tipos de topologías:

 

topología de red industrial punto a punto

Redes punto a punto

La conexión más sencilla es una comunicación punto a punto entre dos dispositivos. Por ejemplo, una conexión entre un PLC y un PC.

Una de las principales desventajas es que si un dispositivo tiene que comunicarse con otros dispositivos, hay que establecer una conexión distinta para cada uno de ellos.

topología de bus en comunicación industrial

Topología de bus

La conexión de dispositivos en serie para formar una topología de línea también se denomina topología de bus. Todos los dispositivos están conectados a un medio de transmisión. Los sistemas de bus de campo clásicos, como Profibus presentan este tipo de topología.

topología de estrella en comunicaciones industriales

Topología de estrella

Con una topología en estrella, se requiere un componente de distribución que forme el centro de la estrella, en la que todos los nodos están conectados de forma individual al punto de conexión central, como un hub o un switch. Esta topología requiere más cables que, por ejemplo, un bus, pero la ventaja es que si un cable falla, sólo se cae un nodo.

topología de árbol en una red industrial

Topología de árbol

Un topología de árbol tiene varios componentes de distribución, en función de su tamaño, por lo que puede considerarse una estrella expandida. Un ejemplo de ello es la típica red ethernet en una oficina que utiliza switches como componente de distribución.

¿Cuál es el futuro de las redes de comunicación industrial?

Los fabricantes están invirtiendo cada vez más en maquinaria con datos optimizados que recibe información unificada de casi todas las áreas para mejorar el rendimiento y la eficiencia de toda la empresa.

Los directivos de planificación y gestión de la producción se están dando cuenta de los beneficios de una toma de decisiones oportuna desde la planta de producción y en toda la instalación para una visibilidad integral.

En consecuencia, la tendencia a combinar la tecnología de la información (TI) con la tecnología de las operaciones (TO) está creando una nueva clase de fabricante inteligente.

La tecnología de producción está generado más oportunidades de automatización, lo que a su vez ha impulsado el desarrollo de plataformas de comunicaciones unificadas como servicio (UCaaS) que dirigen automáticamente las notificaciones de la máquina al operario para mantener un flujo de trabajo óptimo.

Por definición, la fabricación inteligente es una combinación de procesos y maquinaria autocontrolados con la automatización y la recopilación de datos.

Por otro lado, los sensores desempeñan un papel fundamental en la telemetría como fuente de entrada de datos.

Actualmente, se encuentran en desarrollo nuevos periféricos de sensores que mejorarán la utilidad de los dispositivos inteligentes y pondrán cientos de dispositivos de campo en juego con el Internet Industrial de las Cosas (IIoT), permitiendo las recogida de muchos y mejores datos (Big Data) para la toma de decisiones inteligentes y eficientes en la planta de producción.

Si se utilizan redes 5G u otras redes inalámbricas, ya no será necesario mantener módems/routers Wi-Fi para los servicios críticos, y para otros servicios bastará con comunicaciones de corto alcance que hablen directamente con el dispositivo inteligente del usuario. Esto podría reducir mucho la complejidad y el coste de los sensores.

Los servicios de banda ancha móvil 5G son el último grito. Esta red celular inalámbrica de alta velocidad y baja latencia desempeñará un papel importante en la conexión de grandes cantidades de sensores, dispositivos y equipos inteligentes.

Ya se vislumbra en el horizonte la sexta generación de tecnología móvil (6G), que se convertirá en parte integrante de las redes de comunicación industrial con el uso cada vez mayor de la inteligencia artificial (IA), los robots colaborativos (cobots), la automatización de vehículos, etc.

Beneficios del uso de redes de comunicación industrial

Los modernos sistemas de control y de gestión empresarial requieren comunicaciones abiertas y digitales. Las redes de comunicación industrial sustituyen el cableado convencional punto a punto RS-232, RS-485 y 4-20 mA entre los dispositivos de medición y los sistemas de automatización existentes por una red de comunicación bidireccional totalmente digital.

La tecnología de redes industriales ofrece varias mejoras importantes con respecto a los sistemas existentes. Con las redes estándar de la industria, podemos seleccionar el instrumento y el sistema adecuado para el trabajo, con independencia del fabricante del sistema de control.

Otras ventajas significativas de las redes de comunicación industrial son:

  • Reducción del cableado: lo que se traduce en menores costes generales de instalación y mantenimiento.
  • Dispositivos inteligentes: que permiten un mayor rendimiento y una mayor funcionalidad, como el diagnóstico avanzado.
  • Control distribuido: con dispositivos inteligentes que proporcionan la flexibilidad de aplicar el control de forma centralizada o distribuida para mejorar el rendimiento y la fiabilidad.
  • Cableado simplificado de una nueva instalación: lo que se traduce en menos planos y en una reducción general de los costes de ingeniería del sistema de control.
  • Reducción de los costes de instalación del cableado, de las cajas de derivación y de las cajas de conexión.

Conclusiones

Las redes de comunicación industrial estándar ofrecen la capacidad de satisfacer las crecientes necesidades de las operaciones de fabricación de todos los tamaños.

A medida que crecen nuestras necesidades de sistemas de medición y automatización, las redes de comunicación industrial ofrecen una infraestructura abierta y estándar para añadir nuevas capacidades que satisfagan las crecientes necesidades de fabricación y producción.

Por una inversión inicial relativamente baja, podemos instalar pequeños sistemas de medición y automatización asistidos por ordenadores que son compatibles con los sistemas de control de planta y de la empresa a gran escala y a largo plazo.

El éxito de las redes de comunicación industrial depende de cómo los fabricantes interpreten el pasado, se adapten en el presente y se preparen para el futuro.

¿Necesitas instalar redes de comunicación industrial en tu empresa?

Si buscas un equipo de confianza para la instalación de redes de comunicación industrial en tu empresa, SICMA21 tiene a tu disposición un equipo de ingenieros y técnicos especializados en automatización Industrial que se encargarán del diseño, desarrollo e implementación de las redes de comunicación industrial que tu proyecto necesite mediante Ethernet, MPI, Profibus, Profinet, Serie, etc.

Nos hemos especializado en la interconexión de los dispositivos existentes entre los niveles de la Piramide CIM de la planta de producción como:

  • ERP
  • MES,
  • PLC (Controladores Lógicos Programables),
  • SCADA (Control de Supervisión y Adquisición de Datos)
  • DCS (Sistema de Control Distribuido).

A la vez, que instalamos y configuramos en tu sistema de automatización industrial los diversos dispositivos de campo, sistemas/controladores de IoT distribuidos, HMI, CPU de supervisión, entre otros más dispositivos que sean necesarios para llevar a cabo tu proyecto.

Entre los trabajos que realizamos destacan:

  • Diseño de drivers.
  • Integración de protocolos.
  • Instalación de Redes industriales.

Contacta con nuestro experto Frederic Gil en el correo electrónico: fgil@sicma21.com. También, nos puedes dejar un mensaje en el icono de WhatsApp de abajo a la derecha y explícanos que podemos hacer por tu empresa.

Además, si buscas un centro donde estudiar y aprender sobre comunicaciones industriales para ti o para tus empleados, tenemos a vuestra disposición una División de Formación llamada aula21 en la que realizamos cursos específicos sobre redes industriales, Profinet, Profibus, Ethernet y sobre sistemas SCADA, HMI, MES, autómatas programables, entre otros.

Los cursos de formación técnica están dirigidos al personal técnico que opera en la industria con el objetivo principal de ampliar y mejorar sus capacidades tecnológicas en las áreas requeridas.

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