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, son 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?
- 1 ¿Qué son las redes de comunicación industrial?
- 2 ¿Cuál es la función de las redes de comunicación industrial?
- 3 ¿Cómo se realizan las redes de comunicación industrial?
- 4 Qué son los niveles de comunicación en una red industrial
- 5
- 6 Tipos de Protocolo en Comunicaciones Industriales
- 7 Topologías de red industrial: qué son, tipos y características
- 8 ¿Cuál es el futuro de las redes de comunicación industrial?
- 9 Beneficios del uso de redes de comunicación industrial
- 10 Conclusiones
- 11 ¿Necesitas instalar redes de comunicación industrial en tu empresa?
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, 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:
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.
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:
