Optimización de Comunicaciones Industriales: Niveles, Normas y Protocolos

Niveles de la Pirámide de Comunicaciones Industriales (CIM)

La pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) representa los diferentes niveles de automatización y comunicación en un entorno industrial. Cada nivel tiene funciones y tecnologías específicas:

Nivel 1: Campo

Engloba los dispositivos de campo que interactúan directamente con el proceso productivo. Aquí encontramos:

• Sensores (temperatura, presión, nivel, etc.)
• Actuadores (electroválvulas, motores, etc.)

Nivel 2: Célula

Abarca el control y supervisión de grupos de máquinas o celdas de producción. Incluye:

• PLC's (Controladores Lógicos Programables)
• HMI's (Interfaces Hombre-Máquina)
• Variadores de frecuencia
• Robots

Nivel 3: Planta

Se encarga de la supervisión y control global de la planta de producción. Utiliza:

• Sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)
• PLC's de alta gama

Nivel 4: Oficina

Comprende la gestión empresarial y la planificación de la producción. Se basa en:

• Ordenadores (tanto a nivel de oficina como de producción)
• Sistemas ERP (Enterprise Resource Planning)
• Sistemas MES (Manufacturing Execution System)

Dispositivos y Velocidad de Respuesta en la Pirámide CIM

El nivel de campo es el que contiene un mayor número de dispositivos, dado que incluye todos los sensores y actuadores que interactúan directamente con el proceso. La velocidad de respuesta en este nivel debe ser muy rápida (tiempo real) para garantizar la correcta operación y seguridad de los procesos.

Uso de Ethernet en el Nivel 1

No se recomienda utilizar una red Ethernet estándar en el nivel 1 (campo) debido a:

• Susceptibilidad a interferencias electromagnéticas (EMI): El entorno industrial suele tener altos niveles de EMI que pueden afectar la fiabilidad de la comunicación Ethernet.
• Falta de determinismo: Ethernet estándar no garantiza tiempos de respuesta deterministas, lo cual es crucial para el control en tiempo real de los procesos industriales.
• Alternativas más adecuadas: Los buses de campo como PROFIBUS, Modbus RTU, o CANopen están diseñados específicamente para entornos industriales y ofrecen mayor robustez y determinismo.

Es posible tener diferentes redes de comunicación en un mismo equipo. Por ejemplo, un PLC puede usar PROFIBUS para comunicarse con los dispositivos de campo y Ethernet para la supervisión y comunicación con niveles superiores.

Organismos de Normalización en Comunicaciones Industriales

Los organismos que generan normas sobre comunicaciones se dividen según su ámbito geográfico:

• Internacional: ISO (International Organization for Standardization), IEC (International Electrotechnical Commission)
• Regional: IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) en EE.UU., ETSI (European Telecommunications Standards Institute) en Europa, CENELEC en Europa.
• Nacional: AENOR (Asociación Española de Normalización y Certificación) en España, ANSI (American National Standards Institute) en EE.UU., BSI (British Standards Institution) en Reino Unido.

Tipos de Normas

Existen dos tipos principales de normas:

• De Facto: Establecidas por empresas o grupos industriales y que se convierten en estándares debido a su amplia adopción en el mercado.
• De Iure (o De Jure): Establecidas por organismos de normalización oficiales y reconocidos.

Niveles OSI en Comunicaciones Industriales

En las comunicaciones industriales, se utilizan varios niveles del modelo OSI (Open Systems Interconnection):

• Nivel Físico: Define las características físicas del medio de transmisión (cables, conectores, señales eléctricas/ópticas).
• Nivel de Enlace de Datos: Controla el acceso al medio, la detección y corrección de errores, y el control de flujo.
• Nivel de Red: Se encarga del enrutamiento de los datos entre diferentes redes.
• Nivel de Transporte: Proporciona una comunicación fiable y ordenada entre los nodos finales.
• Nivel de Sesión: Establece, mantiene y finaliza las sesiones de comunicación entre aplicaciones.
• Nivel de Presentación: Se encarga de la representación de los datos (codificación, compresión, cifrado).
• Nivel de Aplicación: Proporciona los servicios de red a las aplicaciones (transferencia de archivos, correo electrónico, acceso remoto).

El control de la velocidad de transmisión se gestiona principalmente en los niveles de Transporte y Enlace de Datos. La codificación y decodificación de datos (binario, hexadecimal, ASCII) se realiza en el Nivel de Presentación.

Ejemplo Práctico: Comunicación en una Fábrica

En una fábrica con 5 máquinas gobernadas por PLCs, para implementar un sistema de comunicaciones que recoja información de producción, se podría utilizar:

• Norma física: RS-485 o Ethernet Industrial (como Profinet o Modbus TCP). La elección depende de la distancia entre los PLCs y el sistema de supervisión, la velocidad de transmisión requerida y el presupuesto. RS-485 es una opción robusta y económica para distancias cortas y medias, mientras que Ethernet Industrial ofrece mayor velocidad y flexibilidad, pero puede ser más costosa.