El IIoT es la base de las denominadas fábricas inteligentes, las nuevas unidades de fabricación avanzada de la Cuarta Revolución Industrial. Sensores inteligentes, conectividad ultrarrápida y algoritmos de inteligencia artificial son los pilares de esta nueva perspectiva de la electrónica industrial. Los protocolos de comunicación son los elementos clave que permiten el intercambio de información entre dispositivos inteligentes o entre dispositivos y servidores (y, en ocasiones, servicios en la nube). Aquí proporcionamos una descripción general de los protocolos más utilizados y un análisis para ayudarlo a comprender cuál adoptar sobre otro.
Un protocolo de comunicación es un grupo de dispositivos con capacidades de procesamiento a través de un medio físico de comunicación (sistema alámbrico o inalámbrico) y forma la base de las redes informáticas que pueden intercambiar datos e información de forma remota.
El organismo internacional de normas ISO ha adoptado el modelo OSI (Interconexión de sistemas abiertos), ahora conocido como modelo ISO/OSI, para definir las capas que componen la pila de red.
modelo ISO/OSI
Este modelo está diseñado para permitir el intercambio de datos entre dos nodos en una red informática mediante la conmutación de paquetes. La arquitectura del modelo ISO/OSI es una pila de siete capas lógicas, cada nivel se ocupa de resolver un problema de comunicación específico. De esta manera, la tarea de cada capa está claramente definida, y los paquetes de la capa constituyen la carga útil de información de la capa muy superior, agregando encabezados de metadatos esenciales para realizar su función.
Las capas del modelo ISO/OSI, de menor a mayor, son:
1 – Nivel Físico: Define el medio físico de comunicación, niveles de voltaje y forma de onda de la señal transmitida.
2 – Capa de enlace de datos: Capaz de enviar flujos de datos sincronizados y verificar (y posiblemente resolver) errores para proporcionar un canal de transmisión confiable a la siguiente capa.
3 – Nivel de red: Hace que los canales de datos estén disponibles independientemente del medio de transmisión utilizado y es responsable de las funciones de direccionamiento y enrutamiento.
4 – Capa de Transporte: Permite la transferencia de datos transparente y confiable, establece y mantiene conexiones.
5 – Nivel de Sesión: Mantiene conexiones entre aplicaciones.
6 – Nivel de presentación: se ocupa de estandarizar la comunicación entre aplicaciones y brinda servicios como el cifrado y la compresión de datos.
7 – Nivel de aplicación: permite que las aplicaciones del usuario interactúen con los flujos de red.
Figura 1: capa del modelo ISO/OSI (Fuente: Wikipedia)
autobús de campo
La industria ha utilizado durante mucho tiempo los llamados buses de campo o líneas de comunicación por cable. Están específicamente diseñados para el intercambio de datos entre sensores, actuadores y sistemas inteligentes en redes industriales.
En 2020, HMS Industrial Networks estima que habrá un aumento del 30% en los dispositivos que utilizan este tipo de comunicación.
Uno de los buses de campo más famosos y comúnmente utilizados es PROFIBUS (Process Fieldbus) que fue creado a finales de los años 80. Siemens es una de las empresas que participan en el desarrollo de esta tecnología. Esta tecnología fue posteriormente publicada y estandarizada en IEC 61158. PROFIBUS es un bus de campo multiesclavo de maestro único y su especificación incluye un enlace de datos físico y una capa de aplicación. La capa física puede ser un bus RS485 estándar (impedancia de 150 ohmios, tasa de baudios de 9,6 kbps a 12 Mbps, apto para distancias de hasta 1200 m), bus Manchester o fibra óptica (en cuyo caso la distancia de conexión es de hasta 15 km) , datos La capa de enlace debe utilizar un protocolo Token Ring Maestro/Esclavo.
Durante el mismo período, Bosch diseñó e implementó CANBUS (bus de red de área de controlador), un protocolo sólido basado en el intercambio de mensajes. CANBUS fue creado para su uso en el sector de la automoción donde es necesario reducir el cableado y obtener una comunicación libre de interferencias eléctricas. La línea física es un bus diferencial y el acceso simultáneo está protegido por un mecanismo de prioridad de dirección (todos los nodos escuchan el canal mientras transmiten al mismo tiempo. Si notan que hay un mensaje de prioridad en un canal superior, suspenden inmediatamente el canal) . CANBUS especifica una capa física (ISO 11898), una capa de transporte y una capa de aplicación (que detalla el filtrado y el procesamiento de mensajes).
MODBUS es otro bus de campo más antiguo (y en cierto modo limitado), un protocolo mono-maestro multiesclavo creado a finales de los años 70 para aplicaciones industriales que utilizan PLC. En la especificación MODBUS, las salidas físicas son bobinas (llamadas bobinas en los relés) y las entradas son componentes discretos o contactos. Con el tiempo, se agregaron entradas y salidas virtuales (registros), pero la simplicidad de su implementación hace que MODBUS sea uno de los buses más utilizados en la industria. Cuando hablamos de MODBUS, nos referimos a un protocolo que ha sido portado a muchos buses físicos y tiene varias implementaciones. El más común es MODBUS RTU, que se basa en un bus RS485, con velocidades de transmisión que van desde 4800 bps hasta 115200 bps, y se puede implementar con un microcontrolador simple con una línea de comunicación en serie.
Figura 2: Ejemplo de Modbus RTU (Fuente: Control Global)
red industrial
Industrial Ethernet (IE) es el uso de protocolos Ethernet en entornos industriales. Los dispositivos que utilizan esta tecnología implementan la capa Ethernet agregando funciones adecuadas para entornos industriales y de procesos, como componentes adecuados para las necesidades mecánicas y de temperatura, y protocolos de baja latencia (en tiempo real). El uso de Ethernet industrial está creciendo rápidamente y sigue quitando cuota de mercado a los buses de campo.
PROFINET (Process Field Network), una tecnología estandarizada por IEC 61158 en 2002, es una implementación de PROFIBUS basada en Ethernet. El sistema consta de IO-Controller (responsable de la automatización), IO-Devices (dispositivos actuadores y sensores) y, opcionalmente, IO-Supervisor (software de gestión del sistema).
Figura 3: Conector Ethernet industrial (Fuente: Lutze Inc)
Otro competidor basado en Industrial Ethernet, Ethernet/IP (Protocolo Industrial) adapta el Protocolo Industrial Común (CIP) al protocolo Ethernet. Ethernet/IP implementa los niveles 5, 6 y 7 del modelo ISO/OSI y utiliza el modelo de objetos CIP para procesos automatizados, interoperabilidad entre diferentes dispositivos y procesamiento de datos en tiempo real. Además, Ethernet/IP utiliza de forma inteligente tanto TCP/IP (protocolo de conexión) como UDP (protocolo sin conexión) para optimizar los recursos y la sincronización de activación y detección.
Similar a MODBUS RTU, MODBUS TCP (estandarizado en IEC 61158 en 2007) se usa para comunicarse con dispositivos de campo, pero se usa Industrial Ethernet. Esta tecnología resuelve muchos de los problemas asociados con las limitaciones del predecesor de RS485, como la velocidad de comunicación, la cantidad máxima de nodos esclavos en la red y la capacidad de informar excepciones de protocolo. A pesar de estas mejoras, MODBUS TCP conserva la simplicidad de su predecesor, lo que lo convierte en uno de los protocolos de comunicación más utilizados en la industria.
Comunicación inalámbrica
En los últimos años, la comunicación inalámbrica estructurada ha surgido en la industria. Hay muchas tecnologías de este tipo: ZigBee clásico (utilizado durante mucho tiempo en aplicaciones de redes de sensores), LoRa y LoRaWAN (capas físicas y superiores), Bluetooth y BLE (posiblemente con redes de malla), 6LowPan, DUST, NB-IoT, Thread son solo Algunos ejemplos.
Todas estas tecnologías se pueden usar principalmente para la conectividad entre dispositivos inteligentes IIoT o entre puertas de enlace y dispositivos en el campo. Cuando se trata de comunicación de área amplia, también están disponibles tecnologías inalámbricas como LTE y el nuevo 5G.
Conclusión
El mercado puede ofrecer muchas formas de conectar dispositivos industriales para mejorar la configuración, el control y la gestión. Los ingenieros simplemente eligen la mejor tecnología para diferentes casos de uso para permitir el rápido desarrollo de soluciones industriales de vanguardia, escalables y orientadas al futuro.