Evolucionando la comunicación en la industria

Publicado el 29/10/2015, por INCIBE
Cable de comunicación

Los comienzos

Los protocolos industriales aparecieron más o menos a la vez que los elementos de control. El primer dispositivo programable de control apareció en 1968 y con él las comunicaciones con los sensores y actuadores.

Al inicio de 1970 ya existían buses de campo, no normalizados, y en 1979 surge ModBus para permitir la comunicación entre diferentes dispositivos y crear la primera red de comunicaciones industriales, permitiendo a los usuarios interactuar mediante ordenadores con los controladores.

En 1999 se creó la especificación Modbus/TCP, el primer protocolo que utilizaba TCP a nivel de transporte, IP a nivel de red y Ethernet para las capas inferiores.

Los 80, la época dorada de los protocolos

Los años 80 fueron el periodo de mayor expansión de los sistemas de control. Durante estos años se definieron numerosos protocolos.

Algunos de ellos eran propietarios, lo que hacía que las especificaciones fueran cerradas y solamente el fabricante o creador la conociese y, por tanto, la utilizase. En algunos casos se creaban chips específicos con la especificación del protocolo para que fuesen utilizados por otros fabricantes o socios, como Modbus Plus.

Protocolos aparecidos en los 80

- Protocolos industriales -

La aparición de tantos protocolos trajo la necesidad de crear pasarelas de conversión de información de unos protocolos a otros, de manera que la información pudiese ser entendida por los diferentes dispositivos que componían la red e interaccionar entre sí. Las pasarelas se encargaban de traducir la información de los protocolos de nivel inferior utilizados en campo a protocolos de nivel superior utilizados a nivel de planta.

Las pasarelas permiten la interconexión de redes que utilizaban diferentes protocolos y también redes que utilizan diferentes medios de comunicación, como son las pasarelas RS-485/RS-232.

La explosión del número de protocolos de comunicación industrial no vino acompañada de una adecuación del nivel de seguridad en la misma magnitud. Así toda la seguridad que se les exigía a los protocolos se relacionada con el medio físico con el objetivo principal de soportar condiciones adversas del entorno sin perder información.

El paso de las comunicaciones serie a Ethernet

Originalmente los protocolos en las comunicaciones industriales funcionaban en modo punto a punto a través de comunicaciones serie estándar, par de hilos de cobre u otros medios propietarios. En los casos que utilizaban serie se utilizaba la especificación RS-232, como el protocolo Modbus. Posteriormente, en los 80, y con la aparición de sensores basados en microprocesadores, los requisitos de comunicación aumentaron, la comunicación punto a punto se hizo punto – multipunto mediante comunicación RS-422 y RS-485, creando los a los buses de campo, como Profibus.

Una torre de Babel de especificaciones

Además de las comunicaciones basadas en las especificaciones serie, muchos fabricantes desarrollan especificaciones propias tanto a nivel de soporte físico como de comunicaciones. Así, por ejemplo, el protocolo FieldBus H1 se basa en la especificación IEC 1158-2, al igual que muchos otros protocolos, como Profibus; etc.

cable profibus PA

- Cable específico para el protocolo Profibus PA según el estándar IEC 1158-2 -

La variedad de protocolos y cables hacía muy difícil la integración de diferentes dispositivos hablando distintos protocolos en una misma instalación, además de hacer necesario el uso de múltiples protocolos específicos para cada nivel de la pirámide ISA-95.

Un paso hacia la unificación: Ethernet

Ethernet ya había surgido unos cuantos años antes, y parecía que podía solucionar los problemas de falta de unificación práctica en las capas física y de enlace utilizada en los buses de campo provenientes de diferentes fabricantes.

La utilización de Ethernet suponía algunas ventajas iniciales tanto para los fabricantes como para los clientes, como la unificación del medio físico, lo que se traduce en un ahorro de costes; mejora en la gestión, ya que no se necesita un técnico para cada uno de los protocolos propietarios; o la posibilidad de llegar a un mercado más amplio, al poder desarrollar aplicaciones sobre protocolos superiores más estandarizadas.

Sin embargo, la introducción inicial de Ethernet en las comunicaciones industriales también generó críticas, entre ellas destacan las siguientes:

  • Falta de robustez para entorno agresivo.
  • Falta de adecuación a estándares de determinados sectores industriales.
  • Cambios de especificación demasiado rápido comparado con el ciclo de vida de los dispositivos industriales.
  • Imposibilidad de asegurar los tiempos de llegada de los paquetes.
  • Imposibilidad de alimentación de dispositivos finales.
  • Falta de seguridad tanto en electrónica de red como en dispositivo final debido a la funcionalidad “plug&play” que permite comunicar a cualquier dispositivo nada más conectarse.

Ethernet en el sistema industrial

Para ser plenamente aceptado por la industria, Ethernet ha sufrido numerosas mejoras para ir haciendo frente a las peculiaridades de estos sistemas. Estas modificaciones han desembocado en lo que se conoce como Ethernet Industrial, que presenta las siguientes características:

  • Evolución física, que permite a los elementos trabajar en condiciones extremas (humedad, temperatura, etc.).
  • Aumento del tiempo medio entre fallos (MTBF - Mean Time Between Failures), multiplicando por cuatro los tiempos típicos de dispositivos ofimáticos.
  • Uso de fuentes de alimentación redundante, con posibilidad de uso de electricidad continua y alterna y uso de electricidad sobre Ethernet (PoE -  Power on Ethernet).
  • Evolución de las topologías hacia la alta disponibilidad mediante protocolos redundantes, estandarizados en la norma IEC 62439-3.
  • Requerimientos temporales mejorados gracias a la nueva electrónica de red, llegando a niveles de determinismo mejores incluso que las antiguas redes industriales.
  • Seguridad de red utilizando medidas integradas como la protección de los puertos por MAC, la protección ante ataques de denegación de servicio o por inundación de paquetes, etc.
  • Añadir al interfaz hombre-máquina las condiciones de la red, indicando los dispositivos de red como elementos de la red SCADA; recogiendo la información a través de los protocolos habituales (SNMP) o específicos (OPC).
  • Integración en sistemas de control y supervisión (ModBus/TCP, Ethernet/IP, ProfiNET) mediante perfiles de usuario que permiten a los dispositivos finales anunciarse en la red y ser reconocidos de forma automática.

Conector M12 para Ethernet industrial

- Conector M12 para Ethernet industrial -

Los protocolos actuales

Los protocolos que se usan en la industria provienen, por un lado, de la evolución de los antiguos protocolos basados en comunicaciones serie, y, por otro, de la creación de nuevos estándares basados en nuevas tecnologías.

Como ejemplo de evolución de los antiguos protocolos se pueden citar Modbus/TCP, DNP3, Profinet, etc. Estos protocolos se aprovechan de las ventajas funcionales y de seguridad que ofrecen tanto Ethernet como TCP/IP para ofrecer mejores capacidades de trasferencia de información en los sistemas de control. Así, la mayoría de ellos se basan en encajar la parte de datos del protocolo original en la parte de datos de una trama Ethernet.

Otros medios de transmisión

Además de los protocolos sobre Ethernet, otros protocolos industriales de nueva generación aparecen en escena tomando como base de transmisión medios inalámbricos o físicos, como la comunicación a través de cables electricos (PLC).

Como ejemplos de protocolos inálambricos podemos citar WirelessHART, una evolución de HART, que se  utiliza sobre medios inalámbricos, o ZigBee, protocolo de nueva genación. Como protocolos PLC existen Lonworks o G3PLC.

El sector de la energía, gracias a la explotación de las redes inteligentes, también ha traido la aparición varios protocolos de nueva generación, como PRIME, DLMS/COSEM, etc; aparte su propia evolción de protolos serie a Ethernet, como IEC-101 a IEC-104.

Protocolos modernos

- Protocolos industriales actuales -

Estos nuevos protocolos, asentados casi por completo sobre TCP/IP, incorporan medidas de seguridad de las que carecían sus predecesores. Entre las medidas de seguridad, aparte de las que ya ofrece Ethernet, destacan la autenticación y el cifrado de la información.

A pesar de que la inclusión de Ethernet en la industria parecía que iba a desembocar en la utilización de un único protocolo, lo cierto es que hoy en día siguen existiendo un gran número de protocolos, de ahí que soluciones como OPC, sigan siendo necesarias para la homogeinización de las comunicacines en los sistemas de control.