AEI 518 - Comunicaciones industriales: la propuesta para los estándares y protocolos de la nueva era

Las comunicaciones para la transferencia de datos entre todos los elementos del ecosistema productivo industrial son la base del nuevo paradigma Industria 4.0. Se comunican los controladores o PLCs entre sí, con entradas o salidas digitales o analógicas distribuidas, con el sistema de supervisión... También, aguas abajo, con instrumentos y sensores y, aguas arriba, con sistemas de gestión, con bases de datos masivas y con la nube. El propio producto que se fabrica es parte del ecosistema y también se comunica con él, trazando desde el inicio toda la genética de su vida útil. Y por último pero no por ello menos importante, el hombre, que se incorpora como herramienta inteligente, escasa pero necesaria en los procesos de producción.

Es por esta enorme demanda de datos entre elementos que son necesarias diferentes formas e interfaces de comunicación. A veces, se necesitan enlaces con enormes anchos de banda que permitan comunicar en tiempos muy cortos, gran cantidad de datos. Otras, necesitamos enlaces "sin cables" para elementos móviles o alejados. Y las hay, en las prima el bajo consumo del elemento comunicador. En fin, y resumiendo, el mercado industrial ha generado infinitas formas, caminos y lenguajes de comunicación entre elementos que dificultan mucho la comprensión, elección y mantenimiento de una planta productiva.

Por ello hemos querido preguntar al sector y este informe recoge las opiniones de ocho profesionales de otras tantas compañías: Beckhoff Automation, Schneider Electric, Delta, Omron, Murrelektronik, Weidmüller, Emerson y Rockwell Automation.

La conectividad digital industrial, factor clave en la fábrica del futuro (Siemens)

"Los mercados han cambiado. Las industrias deben adaptarse continuamente a los requisitos del cliente, el programa de producción se expande y la volatilidad se incrementa. En este nuevo entorno, la conectividad digital industrial resulta ser una excelente solución. Los objetos de fabricación relevantes, a través de distintos métodos, pasan a tener capacidades de comunicación digital. Para ello, es necesario contar con una red de comunicaciones fiable, nuevas formas de producción y plataformas IT. Las fábricas del futuro están basadas en la conectividad digital. La producción digital incrementa la calidad y eficiencia de la producción y procesos productivos", explica José Luis Doñoro Ayuso, responsable de Comunicaciones Industriales en Siemens, en el artículo 'La conectividad digital industrial, factor clave en la fábrica del futuro'.

En el estado del arte actual, ¿se pueden resolver todas las comunicaciones de una planta industrial con un solo estándar?

En general, las opiniones de los diferentes fabricantes consultados vienen a coincidir en lo fundamental y es en afirmar que no existe ese estándar de comunicación que resuelva hoy en día todas las necesidades necesarias para los diferentes elementos que forman el ecosistema de la planta industrial del presente.

Así, Pere Roura, responsable de producto en Delta, alude a la guerra comercial entre fabricantes y clama por un estándar para todo: "En estos momentos es difícil encontrar un solo estándar, más que nada por la batalla de buses de campo que tuvieron las diferentes marcas líderes durante la época de los 90, y que se alargó en los 2000 con los buses de campo basados en ethernet. Aun así, creemos que, aunque es posible que todo comunique con todo, pero no con la eficacia necesaria…En resumen, es necesario un estándar".

Por su parte, Omron, a través de José Baena, su director de marketing regional, confirma y explica por qué diferentes tipos de producto o aplicación demandan protocolos de características diferentes: "No se puede resolver actualmente con un solo estándar porque cada área de una fábrica tiene un protocolo específico. Por ejemplo, temas de Motion (Servomotores y Drives) necesitas un protocolo de alta velocidad (milisegundos) como es EtherCat, pero este mismo protocolo no sirve para una zona donde se necesitan compartir muchos datos. En esta segunda zona se utilizaría un protocolo como Ethernet/IP; o si por ejemplo queremos tener información en la nube a nivel de sensor, para lo cual está pensado IO-Link por ejemplo".

En el caso de Jon Ander Muxica, consultor tecnológico en Rockwell Automation, repasa la evolución de diferentes protocolos en función también de las diferentes necesidades entre niveles: "No ha pasado mucho tiempo desde que en una pequeña máquina eran necesarios varios buses de campo para comunicar distintos dispositivos con el controlador de la máquina y una red…Con el paso de los años, se ha popularizado, y prácticamente impuesto, el uso de redes Ethernet, gracias a mejoras tecnológicas y un abaratamiento de los elementos necesario… Hoy en día existen múltiples redes basadas en Ethernet que son capaces de realizar tareas de comunicación para diferentes aplicaciones requeridas para el control de una máquina o línea, además de las que ya eran habituales como transmisión de datos hacia niveles superiores. Recientemente se han añadido nuevas tareas para estas redes de comunicación, ya que hemos entrado de lleno en una nueva revolución industrial, con una estrategia de digitalización a la que se ha bautizado con diferentes nombres: Empresa Conectada, Industria 4.0...”

Roberto Iraola, delegado en el área centro en Beckhoff, incide también en la evolución necesaria que han tenido que implementar los diferentes estándares de comunicación para adaptarse al incremento de características técnicas requeridas por los equipos en su evolución tecnológica: “Estas necesidades de comunicación entre los distintos niveles de una planta industrial hacen muy difícil que un único estándar resuelva todas las necesidades. Aunque las comunicaciones transversales entre los distintos elementos de una planta están cobrando una notable importancia en el ecosistema de la industria 4.0 (por ejemplo, sensores que se comunican directamente con la capa de análisis) siguen existiendo niveles de comunicación con necesidades muy diferenciadas para dar funcionalidad a las distintas capas lógicas como control, monitorización, adquisición y análisis de datos. Iraola introduce también un concepto interesante al entender que un estándar de comunicación debe ser “un conjunto de protocolos dentro de un grupo de estandarización".

La necesidad de estructurar y segmentar las redes de acuerdos a estándares de ciberseguridad es uno de los temas que subraya Alfonso Ramón, especialista técnico en redes de información de Emerson, en su respuesta: “Un estándar como el IEC 62443 con una apropiada definición de zonas y conductos puede garantizar los más altos niveles de confiabilidad y seguridad a la hora de monitorizar y asegurar el apropiado trasiego de datos entre distintos niveles de red". Y coincide con la mayoría de participantes en que "resulta complicado gobernar todas las comunicaciones con un solo estándar”.

Finalmente, Jordi Fernández, arquitecto de soluciones para la industria en Schneider Electric, explica que los diversos requerimientos en materia de comunicaciones precisan diferentes estándares simultáneos en la planta: “Un convertidor de frecuencia para accionamiento de motores enlazado a un autómata programable no necesita el mismo modelo de comunicación que un controlador que está comandando varios servomotores con ejes interpolados… Por lo tanto, hoy en día, en plantas e instalaciones de cierta entidad, no es concebible que todas las comunicaciones puedan resolverse con un único estándar”.

MQTT, el nuevo modelo de comunicación para la industria 4.0 (Optomation Systems)

"La tecnología MQTT se define a sí misma como un modelo de comunicaciones basadas en publicación/suscripción, extremadamente simple y liviana. Fue desarrollado para IBM en el año 1999 por el Dr. Andy Standford-Clark y Arien Nipper. MQTT es acrónimo de MQ Telemetry Transport donde MQ es el nombre de una serie de productos de la anteriormente mencionada, IBM", así comienza el resumen de la ponencia desarrollada por George Mitchell, director general de Optomation Systems, promovida por la International Society of Automation (ISA), a finales del año pasado y que se recoge en el artículo 'MQTT, el nuevo modelo de comunicación para la industria 4.0'.

Desde su punto de vista como fabricante de tecnología para el sector industrial, ¿cuál es o cuales son los estándares necesarios recomendables o imprescindibles?

Muxica (Rockwell) apuesta claramente por Ethernet como capa física imprescindible: "Primero sería necesaria una red que siga los estándares más básicos de Ethernet (IEEE 802...)". Por encima de Ethernet propone diferentes estándares para cubrir las diferentes características necesarias y ya comentadas: "Que sirvan para atender todas las tareas necesarias de automatización y comunicación hacia niveles superiores. El tipo de datos será diferente en uno y otro caso, ya que en el primero se requiere una comunicación en tiempo real de un volumen de datos relativamente pequeño, mientras que en el segundo el volumen de datos es muy superior, pero no es tan crítico el factor tiempo como en el primer caso. Las tareas que necesitan atenderse son entre otras las siguientes: control de E/S, Motion, Safety (seguridad para riesgos físicos), Security (ciberseguridad), sincronización de relojes, etc. Para la transmisión de grandes volúmenes de datos a niveles superiores y al cloud, cada vez se utilizan más protocolos como pueden ser OPC UA y MQTT. La red utilizada debe permitir el uso simultaneo de todos estos protocolos en las capas más altas. Por ejemplo, una red Ethernet puede utilizar protocolos CIP de Ethernet/IP para todas las tareas de automatización (CIP Sync, CIP Motion, CIP Safety, CIP Security), coexistiendo con protocolos más habituales como HTTP, FTP, etc, además de OPC UA y MQTT".

Jesús Vizoso, System Sales en Murrelektronik, apoya lo anterior: "El estándar puede ser cualquiera de los denominados ‘abiertos’ basados en Ethernet, ya que en general se puede realizar soluciones con diferentes fabricantes con cualquiera de estos".

La apuesta de Roura (Delta) confirma también a Ethernet y añade diferentes protocolos "Ethernet/IP, Modbus TCP/IP y por supuesto el estándar IEC 62541 que define para la arquitectura OPC UA. Por otro lado, también es imprescindible Ethercat en lo que respecta a Motion". También añade un bus de nueva generación, no basado en Ethernet pero con interesantes prestaciones para sensórica e instrumentación y muy apoyado por fabricantes diversos: "Recomendamos IO-Link para lo que respecta a los sensores, aunque este estándar todavía no está totalmente unificado”.

Omron, según indica Baena, apuesta por diferentes protocolos en función del nivel de comunicación "A nivel de sensórica, hemos apostado por IO-Link que nos permite no solamente que se reconfigure automáticamente un sensor cuando se instala, sino que además posibilita tener información de mantenimiento predictivo gestionable desde la nube. A nivel de máquina, apostamos por EtherCAT, por el elevado número de proveedores que lo soportan, y especialmente por el determinismo que ofrece y por ser una de las soluciones en ethernet más rápidas y eficaces a nivel de máquina del mercado. Y a nivel de intercambio de datos entre máquina, apostamos por Ethernet/IP; que además de tener un altísimo reconocimiento en el mercado y estar muy extendido, está diseñado para mover grandes volúmenes de información eficientemente, y sin afectar el nivel de máquina en el que normalmente necesitamos funcionamiento en tiempo real o determinista. Y a nivel de intercambio de datos a un sistema de gestión de información (MES, etc.) nos hemos decantado por OPC UA, pues presenta una de las soluciones más extendidas, sólidas, seguras y eficientes del mercado".

Para Ramón (Emerson), las necesidades de comunicación en la industria han evolucionado desde la "fiabilidad de la comunicación" hacia "comunicaciones seguras, versátiles y adaptativas". Menciona a OPC UA o WirelessHart, de los que destacar están “diseñados para cumplir tanto las necesidades de robustez y fiabilidad como para satisfacer los nevos retos de ciberseguridad de la industria 4.0”.

Fernández (Schneider Electric) introduce aquí la necesidad de protocolos específicos para la automatización de subestaciones eléctricas, como el IEC 61850: “Un modelo de datos interoperable, un conjunto de funcionalidades y una suite de protocolos que permiten cubrir a la perfección las necesidades de control y adquisición de datos". Y también es muy interesante su aportación para redes de área extensa: "EC 60870-5-104/101 y DNP3 abstraen a la capa de comunicaciones de la diversidad de protocolos de transporte, protocolos de red y medios físicos subyacentes. Por ello resultan útiles en especial en entornos muy distribuidos. No debemos olvidar que en la actualidad se emplean instrumentos muy específicos para ciertas aplicaciones, desde complejas centrales meteorológicas a pequeños captadores autónomos, en estos casos un estándar simple y ligero como Modbus sigue siendo el preferente”.

Mientras que Iraola (Beckhoff), continuando con su argumentación en la respuesta anterior, subraya aquí que “estándares como Ethercat, OPC UA y MQTT son altamente recomendables e imprescindibles para acometer cualquier proyecto de automatización en el mundo de la industria 4.0”.

La integración, clave ante el crecimiento de las redes industriales (ER-Soft)

"Durante los últimos años, y en especial, durante el último lustro, hemos asistido a un cambio de preferencias en cuanto al uso de las diferentes redes de comunicación que se utilizan en la industria. Una comunicación que además ha dado el salto a otros ámbitos, como en el sector de la edificación, con los edificios inteligentes, pero también, un paso más allá, en la creación de smart cities", señala Alejandro Nacarino, responsable comercial ER-Soft, en el artículo que encontrará en el artículo 'La integración, clave ante el crecimiento de las redes industriales'.

¿Se conseguirá una estandarización de la comunicación entre diferentes fabricantes?

Como respuesta a esta pregunta, parece que existe una cierta unanimidad en cuanto a la dificultad de alcanzar esa estandarización. Sin embargo, leyendo entre líneas, descubrimos una cierta homogeneidad en las respuestas en cuanto a la necesidad de diferentes estándares en función de las características necesarias en la comunicación y, también cierta unanimidad, en relación a los estándares de mayor uso y que son comunes entre muchos.

Vizoso (Murrelektronik) explica que se está produciendo justamente en los niveles frontera,” hacia arriba como el OPC-UA y hacia los periféricos, el IO Link”. Por su parte, Roura (Delta) argumenta que "por mucho que los fabricantes busquen retrasarlo para favorecer sus intereses comerciales, al final el mercado y la demanda manda". Baena (Omron) también insiste en la guerra por los estándares ha existido siempre: “Comenzó en los años 80 con la guerra de los buses de campo, y aunque se ha avanzado mucho tras la estandarización del medio físico a través de Ethernet, será difícil conseguir una estandarización plena entre todos los fabricantes que hay en el mercado y la gran diversidad de requerimientos a cubrir que por otro lado tiene el mercado”.

Muxica (Rockwell) explica así la complejidad del objetivo: “Es difícil llegar a un único estándar, ya que la base instalada de dispositivos de diferentes fabricantes utilizando distintas redes es muy grande. A nivel de automatización sí parece que dos redes se han impuesto sobre otras, pero hay fabricantes que siguen optando por sus propias redes. Hay una dificultad añadida, y es que algunas de las redes no hacen uso de los estándares más básicos de Ethernet, sino que los modifican para resolver ciertas tareas, por lo que necesitan un hardware especial. Esto hace que no sea posible aprovechar ciertas infraestructuras de red para el uso por otras redes”.

Por su parte, Ramón (Emerson) subraya que "muchos activos se presentan en planta con vida útil suficientemente larga como plantear una transición dulce a nuevos protocolos". Al tiempo que Sergio Muiña, responsable de automatización de Weidmüller España y Portugal, responde: "Es una tarea que todos los fabricantes tenemos pendiente y creo que será muy complicado hacer una estandarización única de los protocolos de comunicación. Hay diferentes asociaciones que intentan que su estandarización sea la que tenga mayor repercusión, pero al final siempre hay un fabricante detrás que la pilota con lo que el resto de fabricantes solo se acogen a ella si el mercado se la demanda".

Y Fernández (Schneider Electric) expone: "Es difícil concebir un único estándar con capacidad para resolver todos los requerimientos, aunque afortunadamente tecnologías como TSN están permitiendo dar respuesta a casos de uso que hasta ahora han requerido múltiples equipos".

Comunicaciones industriales del Siglo XX en la industria del siglo XXI (SIDE)

César Ricón Bada, Product manager en tecnologías IIoT en SIDE, en el artículo 'Comunicaciones industriales del Siglo XX en la industria del siglo XXI' analiza la actualidad de las comunicaciones industriales, alguno de los estándares que las implementan para dar respuesta a las exigencias de la Industria 4.0 y cómo podemos coexistir con los protocolos más antiguos. "¿Seremos capaces de responder a las exigencias de los estándares de comunicación de la Industria 4.0?", pregunta.

¿Con cuantos estándares se puede resolver la comunicación en una hipotética planta industrial futura?

En este sentido, Iraola (Beckhoff Automation) insiste en Ethercat, OPC UA y MQTT. “Con estos tres estándares a día de hoy serían suficientes para dar soluciones robustas y flexibles a cualquier proyecto de automatización con un gran ciclo de vida. Baena (Omron) añade algún protocolo adicional a los comentados: "Con 4 protocolos se puedan resolver todos los retos de comunicaciones industriales: IO-Link, EtherCAT, Ethernet/IP, OPC UA. Mientras que Roura (Delta) apuesta por "OPC UA, conjuntamente con la tecnología TSN para el motion, acabe siendo el estándar en cualquier dispositivo de la planta". Coincide en esto Fernández (Schneider Electric), que expone: "Infraestructura de nueva generación basada en TSN y con la flexibilidad de SDN es posible que acaben consolidándose como la base de toda estrategia de red".

Sobre esta cuestión Muxika (Rockwell Automation) responde: "Las tecnologías Ethernet han evolucionado en gran medida en los últimos años y siguen haciéndolo a un ritmo muy fuerte. Las redes basadas en Ethernet se aprovechan de esta evolución para dar un mejor servicio. Lo interesante sería que estos avances tengan un reflejo inmediato en las redes de comunicación. Para ello es importante que se sigan los estándares de Ethernet sin hacer ninguna modificación, como lo hace Ethernet/IP. Un ejemplo muy sencillo sería una evolución en Ethernet que nos permita subir el ancho de banda de una troncal. Si la red empleada respeta los estándares Ethernet, los dispositivos a ella conectados podrían aprovechar inmediatamente el aumento del ancho de banda de la troncal. Si la red modifica las capas inferiores, necesitará el desarrollo de nuevo hardware propietario".

En fin, y como conclusión final, parece que estamos lejos en cuanto a una unanimidad de criterios que permitan estructurar nuestras redes industriales con estándares comunes entre fabricantes. Las opiniones y desarrollos siguen siendo todavía dispares, de modo que para el usuario final la selección de la arquitectura de redes más adecuada depende todavía muy mucho de la marca del fabricante del o de los diferentes sistemas de control.