AEI 518 - Comunicaciones industriales: avanzando hacia el modelo 4.0

La comunicación entre equipos industriales se inicia en la década de los 80. Por entonces, los protocolos eran propietarios de cada fabricante, lo que dificultaba la comunicación entre los mismos.

En los años 90 se avanzó mucho, tanto en la estandarización de protocolos, como en el desarrollo del modelo ISA-95 de 5 niveles de la pirámide industrial. El estándar ISA-95 tenía (y tiene) como objetivo facilitar la integración de los sistemas de control de planta OT con los sistemas de información IT. Los diferentes protocolos estandarizados aportaban las funcionalidades que se demandaban en cada nivel de la pirámide industrial: DeviceNet, Hart, FF, ASI…, en el nivel de dispositivos; ControlNet, Modbus, Profibus DP, en el nivel de control...

La década de los 2000 supuso una nueva etapa en el campo de las comunicaciones industriales gracias a la aparición de Ethernet Industrial.

La década de los 2000 supuso una nueva etapa en el campo de las comunicaciones industriales gracias a la aparición de Ethernet Industrial (Modbus TCP se creó en 1999). Las ventajas fundamentales eran la unificación del medio físico de transporte y la velocidad. Sin embargo, no garantizaba que los paquetes de datos llegaran a tiempo a su destino.

Una de las dudas era si Ethernet sería aceptado en todos los niveles como un estándar. Para que esto fuera posible los fabricantes de equipos deberían adoptar este protocolo a nivel de control y de dispositivo. Como ocurre siempre, no es blanco ni negro. Ethernet Industrial ha crecido hasta posicionarse en torno al 60% de los protocolos usados en buses de campo. Principalmente Ethernet IP (Industrial Protocol) y ProfiNet, con crecimientos anuales del 20% frente a un 6% de los protocolos tradicionales.

La seguridad en los protocolos está siendo una de las grandes preocupaciones, junto con la estandarización.

En los últimos años están surgiendo nuevas necesidades de captura, almacenamiento y explotación del dato. La nueva revolución industrial 4.0 y el IoT están logrando un crecimiento exponencial en el número de equipos conectados. Se estima que este año el número de dispositivos conectados llegará a los 50.000 millones.

También se está consiguiendo mayor conectividad entre planta y el Cloud, uniendo la parte operacional con el entorno empresarial. El uso del Cloud presenta muchas oportunidades a la hora de explotar los datos gracias al uso del Gemelo Digital, la IA o el Machine Learning. Como desventaja de enviar los datos fuera de planta, la seguridad en los protocolos está siendo una de las grandes preocupaciones, junto con la estandarización.

Para cumplir con las nuevas demandas han aparecido nuevos protocolos y han evolucionado los que ya existían. Tanto el protocolo OPC UA, que empezó en un nivel de control y visualización, como MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), surgen para facilitar el transporte y uso de los datos, desde el sensor hasta la nube o el Edge de forma segura.

MQTT está teniendo un recorrido con ciertas similitudes respecto a la aparición de Ethernet.

Curiosamente, MQTT está teniendo un recorrido con ciertas similitudes respecto a la aparición de Ethernet. Aunque bien conocido y utilizado desde hace años en el sector informático, su falta de garantías en la entrega de mensajes no permitía su uso en el sector industrial. Sin embargo, tras la incorporación del protocolo Sparkplug, se presenta como un modelo fiable de comunicaciones para la transmisión masiva de datos en tiempo real.

En cuanto a la seguridad, MQTT dispone de diferentes medidas para proteger las comunicaciones. Esto incluye el estándar de seguridad SSL/TLS a nivel de transporte y autenticación de cliente/servidor mediante certificado. OPC UA también incorpora medidas de seguridad como la encriptación de mensajes o la autenticación de aplicaciones.

Otra gran demanda es la mejora en las comunicaciones inalámbricas, que están creciendo a un ritmo del 30%. Se necesitan protocolos industriales específicos con necesidades ínfimas de consumo y, por supuesto, sin ningún cable físico, como es el caso del protocolo LoRaWan o Zigbee. Si bien el porcentaje de comunicaciones wireless todavía es inferior al 10% respecto al conjunto de protocolos.

Las comunicaciones inalámbricas están creciendo a un ritmo del 30%.

Este nuevo escenario lleva a una revisión del modelo de pirámide industrial. Probablemente a una estructura de niveles mucho más plana donde las diferentes capas del modelo ISA-95 ya no están tan definidas. Dispositivos de campo que toman sus propias decisiones y reportan la información directamente al Cloud o Edge sin pasar necesariamente por un nivel de control. Una estructura menos jerárquica de las comunicaciones facilita la rapidez y la flexibilidad que la producción demanda hoy en día.

Y en ese momento nos encontramos. ¿Será posible una estandarización total para las comunicaciones industriales? ¿Qué nuevos protocolos aparecerán para cumplir con los nuevos requerimientos? ¿Cómo influirá el 5G? Pronto lo veremos.

David Jiménez Baraja
Regional Sales Manager en Rittal
Miembro Grupo Industria Conectada 4.0 en ISA Sección Española