Los buses y protocolos industriales integran los mundos IT y OT

En la actualidad, una serie de megatendencias como el cambio climático, la individualización, la globalización y la digitalización están redefiniendo el comportamiento del consumidor y teniendo un profundo impacto en la industria. Estos cambios han llevado a la necesidad de adoptar nuevas estrategias y tecnologías para mantenerse competitivos en un entorno empresarial en constante evolución. En el siguiente artículo, analizaremos cómo se han adaptado los buses y protocolos industriales.

Los buses y protocolos industriales han surgido como elementos fundamentales para mejorar y optimizar la productividad, la eficiencia y la conectividad con otros sistemas en la industria. Estas soluciones tecnológicas permiten una comunicación eficiente y segura entre los diferentes dispositivos y equipos dentro de una planta de producción.

Además, los buses y protocolos industriales desempeñan un papel crucial en la ciberseguridad, ya que ofrecen mecanismos de protección y control para salvaguardar los sistemas y los datos empresariales de posibles amenazas.
 

La individualización de productos y servicios ha sido posible gracias a la flexibilidad que brindan los buses y protocolos industriales. Estas soluciones tecnológicas permiten una producción más flexible e individualizada, lo que implica una capacidad para adaptar rápidamente las líneas de producción.

Para conseguir superar estos retos, se debe considerar el disponer de buses de campo actuales, potentes, funcionales y flexibles a nivel OT (tecnologías operacionales), así como comunicaciones y protocolos apropiados para la interconectividad de los datos de producción OT con los sistemas de gestión de la producción y de planificación de recursos de la empresa a nivel IT (tecnologías de la información).
 

En el estudio mostrado en la siguiente imagen se indica la evolución en los últimos 5 años de las comunicaciones industriales: basadas en Ethernet, en la nube, en la comunicación OPC UA y en las comunicaciones inalámbricas.
 

También se observa la proporción de utilización de los diferentes buses de campo basados en Ethernet a nivel mundial, donde se aprecia que los buses líderes son PROFINET, principalmente en Europa, y EtherNet/IP, principalmente en América.

Centrándonos en PROFINET como bus de comunicación industrial mayoritario a nivel europeo, se trata de un protocolo de comunicación abierto desarrollado y promovido por la asociación Profinet Internacional constituida por numerosos fabricantes eléctricos y de automatización. PROFINET continúa con el éxito durante décadas del bus de campo PROFIBUS e incrementa el número de nodos utilizados a nivel mundial de forma exponencial, llegando a cifras próximas a los 40 millones de nodos en 2021.

Las principales ventajas de PROFINET son:

• Protocolo basado en el estándar Ethernet (IEEE802.3) compatible con tráfico TCP/IP garantizando comunicación rápida en tiempo real para los datos de producción con tiempos de ciclo realmente bajos.
• Topología flexible y modular con diferentes configuraciones de topología de red (línea, estrella, anillo, redundancia S2 y R1) utilizando diferentes medios físicos (cable Ethernet, fibra óptica, comunicación inalámbrica industrial IWLAN).
• Permite la utilización de perfiles como PROFIsafe para aplicaciones de seguridad hasta Cat 4/SIL3/PLe, PROFIdrive para la comunicación entre accionamientos o PROFIenergy para el ahorro de energía.
• Puede coexistir con otros protocolos de comunicación basados en TCP/IP y que permiten la integración entre dispositivos a nivel horizontal en OT y a nivel vertical con IT (Modbus TCP, OPC UA, MQTT, HTTP, etc.). En continuo desarrollo, p. ej. futuros estándares como PROFINET over TSN.

Para la convergencia e integración de OT con IT, que es otro de los factores fundamentales en la tendencia actual de las empresas, existen otra serie de protocolos y soluciones que nos permiten recopilar, filtrar y adaptar los datos para su integración en los sistemas de nivel superior (MES/MOM, ERP, Cloud), utilizando interfaces de comunicación estandarizados y abiertos a nivel de Industria 4.0.

Y aquí es donde entran en juego esos protocolos de comunicación como OPC UA y MQTT.

OPC UA (OPC Unified Architecture) es un estándar de comunicación abierto y escalable que se ha convertido en un elemento clave en la Industria 4.0. Fue diseñado para superar las limitaciones de los sistemas de comunicación heredados. A diferencia de sus predecesores, OPC UA es independiente de la plataforma y el sistema operativo, lo que le permite funcionar en diversas configuraciones y dispositivos. Este estándar se basa en tecnologías web, como HTTP y XML, y utiliza una arquitectura cliente/servidor.

Principales características de OPC UA:

• Permite la interoperabilidad entre sistemas de control y dispositivos de campo de diferentes fabricantes y con distintos protocolos de comunicación.
• Aborda las necesidades de seguridad de la industria 4.0. Proporciona autenticación robusta, cifrado de datos y firmado digital para garantizar la integridad y confidencialidad de la información transmitida.
• Ofrece un modelo de información escalable y extensible que permite representar y describir una amplia gama de datos y objetos en un entorno industrial. Esto lo que permite el intercambio de información entre sensores, controladores y sistemas MES o ERP.
• OPC UA no solo se limita al acceso a datos en tiempo real, sino que también permite acceder a datos históricos almacenados en sistemas de información histórica. Esto es esencial para realizar análisis retrospectivos, generar informes y la toma de decisiones basada en datos.
• Se adapta a una amplia variedad de entornos industriales y puede integrarse con diferentes tecnologías y estándares, como MQTT para la conectividad IoT.

OPC UA incorpora distintas funcionalidades de acceso como la suscripción que reduce la carga para la supervisión de variables periódicamente o la especificación de compañía que permite la modelización de la información publicada como base fundamental para la estandarización en aplicaciones industriales. Muchos de los estándares más importantes de automatización como OMAC PackML o EUROMAP tienen desarrollados perfiles de OPC UA basados en “Especificaciones de Compañía” para estandarizar y facilitar la integración de máquinas.

En cuanto al protocolo MQTT, se trata de un protocolo de mensajería estándar para Internet de las cosas (IoT), utilizado a día de hoy en gran variedad de industrias (automotriz, manufactura, telecomunicaciones, petróleo y gas, etc.) y que está basado en la publicación/suscripción de información.
 

Las principales características de MQTT son:

• Protocolo extremadamente ligero y eficiente ideal para dispositivos remotos con poca memoria y redes con bajo ancho de banda
• Comunicaciones bidireccionales entre dispositivos y la nube
• Gran escalabilidad, para la conexión de muchísimos dispositivos IoT.
• Confiabilidad en la entrega de mensajes gracias a diferentes niveles de calidad de servicio definidos.
• Seguridad habilitada, facilitando el cifrado de mensajes mediante TLS y la autenticación de clientes mediante protocolos de autenticación modernos, como OAuth.

En el caso de Siemens ofrecemos equipos y dispositivos para la utilización en campo como PLC’s de la familia S7-1200/1500 con conexión directa a la nube mediante librerías para protocolos MQTT, OPC UA, etc. así como dispositivos Industrial Edge / IIoT y sistemas SCADA para la convergencia entre OT e IT que las empresas actuales y de futuro están demandando.

José Antonio Moreno

Responsable de producto de Controladores SIMATIC 

Sergio Collar

Responsable de producto Periferia Descentralizada SIMATIC ET 200 

Siemens España

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Este artículo aparece publicado en el nº 548 de Automática e Instrumentación págs. 60 a 62.