Vivimos en un mundo globalmente conectado, en el cual hasta el detalle más mínimo de nuestra vida puede ser convertido a data y transformarse en información para algún algoritmo de IA. Para llegar a esto han sido décadas de desarrollo tecnológico, entendimiento de las formas de comunicación entre humanos y maquinas y adaptación a las distintas exigencias del entorno, cual si se tratara de la evolución de una especie.
Podríamos escribir biblias completas poniendo como tema central las comunicaciones a través de la electrónica, en el post de hoy nos centraremos en las comunicaciones enfocadas a ambientes industriales: origen, los protocolos más conocidos a día de hoy y la evolución que están presentando.
Se entiende como protocolo de comunicaciones industriales al conjunto de reglas, que permiten el intercambio de información entre diferentes equipos industriales, las cuales pueden referirse al software, hardware o una combinación de ambos. Estas reglas están diseñadas para atender a condiciones específicas de la industria (distancias, ruido electromagnético, temperatura, etc), por ello no es posible implementa cualquier protocolo como un protocolo industrial.
Origen
En el año 1968 la empresa Bedford Associates crea el primer sistema PLC llamado Modular Digital Controller o MODICON siendo el MODICON 084 el primer PLC comercial de la historia, luego en los años 70 se desarrollo la masificación industrial de los PLC.
El origen de las comunicaciones en la industria se da con la necesidad principal de reducir las grandes cantidades de cables que atravesaban una planta para poder transmitir señales digitales y análogas desde y hacia los PLC.
Como resultado de lo anterior, en el año 1979 se creo el primer protocolo de comunicaciones industriales llamado Modbus (MODICON Bus), el cual es un protocolo que comunica los datos en forma serial con arquitectura maestro-esclavo: en la arquitectura maestro-esclavo, la comunicación inicia como solicitud del maestro hacia cada esclavo y el esclavo solo se limita a responder cuando el maestro consulta. Debido a su sencillez y fácil implementación Modbus se convirtió en el protocolo estandar de comunicación industrial, no obstante con el desarrollo de la tecnología y de otras marcas de PLC, en los años 80 hasta mediados de los 90 se crea una suerte de guerra de las comunicaciones, por convertirse en el protocolo de facto para la industria, resultando algunos diferentes protocolos
- MAP/TOP (Manufacturing Automotion Protocol/Technical and Office Protocol). Creado en el año 1980, Impulsado por General Motors.
- CAN (Controller Area Network), creado en 1985, desarrollado por la empresa alemana Robert Bosh
- HART (Highway Adressable Remote Transducer), creado en el año 1987 por la empresa Rosemount
- Interbus, creado en el año 1987 por la empresa Phoenix contact
- SERCOS (SErial Real-time COntrol System), creado a partir de 1987 por VDW y ZVEI
- Profibus (PROcess FIeld BUS), creado en el año 1987, desarrollado por las empresas alemanas Bosch, Klöckner Möller y Siemens, y por otras como ABB, AEG, Honeywell, Landis & Gyr, Phoenix Contact, Rheinmetall, RMP, Sauter-cumulus y Schneider.
- AS-I (Actuator Sensor Interface), creado en el año 1990 por distintas empresas de origen alemán.
- DeviceNet, creado en el año 1993, impulsado por Allen Bradley
- Fieldbus Foundation, creado en el año 1994 por WorldFIP North America
- ControlNet, creado en el año 1995, impulsado por Allen Bradley.
- CC-Link, creado en 1996 por Mitsubishi Electric
Estos son solo algunos de los protocolos industriales que se crearon, algunos de estos fueron inscritos como tal años después del que se menciona debido a la estandarización o cumplimiento de distintas normativas.
Una lista más completa puede ser vista en
Evolución
Luego de la carrera por crear un protocolo que se considere el estándar de comunicaciones industriales, rápidamente los distintos fabricantes fueron implementando mejoras en los respectivos protocolos: mejoras en capacidad de datos, manejo de los bloques o mensajes de información, compatibilidad y seguridad
Capacidad de datos: Las CPU de DCS y PLC son elementos cada vez más potentes desde su origen, capaces de manejar altas tasas de datos y/o señales., por tanto es imprescindible mejorar la capacidad de manejo de datos.
Bloques o mensajes de información: Respecto a la misma capacidad de datos, los protocolos han debido evolucionar para que los bloques de datos lleven tal cantidad de información y por otra parte establecer reglas que detecten colisión, falta de paquetes o la integridad de los mismos.
Compatibilidad: Así como los nuevos equipos se adaptan a los protocolos existentes, también los protocolos han evolucionado para adaptarse a los requerimientos de las nuevas tecnologías, implementar diagnósticos en el bus, los tiempos que se manejan en el envío/recepción, entre otros.
Seguridad: Con la masificación de los datos y la conexión de los distintos sistemas de control a la nube, un punto clave es la seguridad del propio bus y como puede ayudarnos a proteger nuestro sistema, esta es una características que esta en constante mejora por parte de los desarrolladores de protocolos de comunicación.
En la evolución de los protocolos, hemos visto que desde finales de los 90 y principios del 2000, los desarrolladores de protocolo han dirigido sus esfuerzos a migrar sus protocolos hacia Ethernet, esto debido a la masificación de ethernet y las capacidades que tiene (y sigue mejorando) respecto a tecnologías de comunicación serial u otras en las cuales se basaron los primeros protocolos de comunicación industrial.
De esta forma han surgido protocolos como:
- Modbus TCP
- Ethernet/IP
- Profinet
- Ethercat
- HSE (High Speed Ethernet)
- CC-Link IE
Los protocolos basados en Ethernet han llegado para quedarse¡
Tomando la piramide de automatización, los protocolos industriales basados en Ethernet, han cubierto los niveles desde PLC AND SCADA hasta el nivel de campo o MACHINES, incluyendo la mayoría sencilla integración en Sistemas MES y ERP y. En cuanto al nivel de campo aun queda mucho camino para estos protocolos, pero día a día suman más equipos.
Según empresas de Profinet, fue hasta el año 2016 cuando Profinet superó en ventas de dispositivos a Profibus, eso demuestra el crecimiento de las redes industriales basadas en Ethernet en detrimento de los protocolos conocidos como Fieldbuses. Hasta el año 2019 las cuotas de mercado eran las siguientes:
La transición hacia el Ethernet industrial continuará impulsada por la necesidad del alto rendimiento que ofrece, la necesidad de la industria en la integración TI y el desarrollo de la IIoT(Industrial Internet of Things). Por su parte los buses de campo tradicional verán disminuyendo su cuota de mercado hasta quedar encuadrados en aplicaciones especificas o industrias resistentes al cambio.
También se aprecia la segmentación de las redes Ethernet en distintas cuotas de mercado, lo cual indica que no se prevé un protocolo estándar para toda la industria, debido en gran parte a que distintos protocolos tienen su nicho especifico de aplicación.
Por último es interesante el crecimiento de las redes Wireless, las cuales poco a poco van ganando mercado, como opinión personal una vez se cree un protocolo inalámbrico lo suficientemente robusto para la industria, estos protocolos podrían tener su boom.
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