Redes Industriales: que son, principales tipos y su utilidad

Descubre en este artículo todo sobre las redes industriales utilizadas por la industria. Continúa leyendo y conoce:

• ¿Qué son las redes industriales?
• ¿Cómo funcionan estas estructuras?
• Ventajas del uso de redes industriales
• Capas de las redes industriales
• Aplicaciones comunes de redes industriales
• Principales tipos de redes industriales
• ¿Cuál es su importancia en la industria 4.0 y el IIoT?

Las redes industriales son estructuras de comunicación automatizada que gestionan procesos industriales que involucran actuadores, computadoras, máquinas, sensores, interfaces, radios de comunicación, fibra óptica, redes inalámbricas industriales y robots.

Transmiten y comparten datos entre sí, garantizando un funcionamiento eficiente de los procesos productivos. Cada empresa y fábrica tendrá su configuración de red industrial de acuerdo a sus necesidades. Las principales tecnologías son:

• PROFINET
• SensorBus
• DeviceBus
• FieldBus
• PROFIBUS
• EtherNet/IP
• DeviceNet
• CANopen
• EtherCAT
• Modbus
• ASI interface
• ControlNet

A continuación, explicaremos mejor cómo funcionan y daremos ejemplos de algunas de las más utilizadas en el mercado.

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Existen dos formas de recopilar datos en una planta industrial. La primera implica un modelo poco utilizado en la actualidad, en el que había un medio físico para la activación: las fábricas solían contar con varios cables para activar cada dispositivo.

Es fácil ver cómo este modelo tiene cuellos de botella y desafíos: cuantos más cables, mayor es la complejidad organizativa del sistema. Por ello, se desarrolló un segundo tipo de recolección, con una red de comunicación con menos cables necesarios para la activación, donde un único medio físico maneja varias variables de comunicación.

Las redes industriales están presentes en todos los niveles de las organizaciones, desde el suelo de la fábrica hasta los sectores administrativos.

TI VERSUS TO

La TI (tecnología de la información) se ocupa de la entrega de información cuando un profesional la solicita. Por otro lado, la TO (tecnología operacional) trabaja con la entrega de información en un momento específico bajo una determinada condición.

En la práctica, esto significa que la TO (u OT en inglés) trabaja con comandos específicos que fluyen a través de un sistema que debe interpretar los datos y controlar el progreso de diversos procesos siguiendo un orden lógico preprogramado, lo que puede involucrar movimientos finos y actividades de precisión.

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La comunicación en red facilita la transmisión de información sin errores, reduce costos y aumenta la confiabilidad en todas las etapas del proceso productivo. Además, también ofrecen:

• Diagnóstico de problemas en tiempo real;
• Reducción de tiempos de inactividad y paradas;
• Reducción de gastos en energía e instalaciones eléctricas;
• Gestión remota;
• Aumento de la productividad y calidad en la fabricación.

Otro beneficio extremadamente valioso para las industrias es el aumento de la seguridad, ya que las actividades complejas son realizadas por máquinas y equipos automatizados, liberando a los trabajadores para tareas más ergonómicas, seguras y valiosas para la línea.

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Normalmente, las industrias están compuestas por diferentes departamentos que gestionan varios aspectos del negocio, en algunos casos dispersos en diferentes ubicaciones.

Por ejemplo, puede haber fábricas con hardware especializado, así como departamentos de operaciones, ventas, marketing, etc.

Todos estos departamentos tienen necesidades propias, pero al mismo tiempo necesitan comunicarse entre sí. Esto se logra mediante el uso de diferentes capas que permiten el uso de tecnologías optimizadas y protocolos en cada nivel, al tiempo que también posibilitan la comunicación entre diferentes capas.

A continuación, algunos ejemplos de usos de redes industriales en diferentes situaciones.

1. REDES INDUSTRIALES EN EMPRESAS

Las redes industriales en empresas ayudan a conectar varias computadoras en diferentes departamentos para transferir datos, reducir protocolos de comunicación y aumentar la accesibilidad de los datos de manera eficiente. También se conocen como redes empresariales o redes corporativas.

El propósito principal de las redes industriales en este caso es ofrecer una comunicación eficiente entre diferentes computadoras y prevenir el acceso no autorizado por parte de computadoras.

Normalmente, incluyen redes LAN y WAN. Una red empresarial puede conectar todos los sistemas independientemente de sus sistemas operativos.

2. REDES INDUSTRIALES EN OPERACIONES DE NEGOCIOS

Las redes empresariales están limitadas a una única infraestructura (edificio, fábrica, etc.). Se considera una empresa que quiere conectar todos sus sistemas en diferentes edificios y ubicaciones. Ahí es donde se utilizan las redes industriales en operaciones de negocios.

También se conocen como redes de negocios y se utilizan para conectar computadoras en diversas ubicaciones.

3. Redes de supervisión

Las redes de supervisión son otro nivel de redes industriales. Sin embargo, se diferencian de otras redes en este sentido, ya que se utilizan para conectar varias computadoras para supervisar a otras computadoras y sistemas. Normalmente se usan en manufactura.

4. Redes de control de processos

Las redes de control de procesos son redes industriales utilizadas para transmitir datos y transferirlos entre varias unidades de control y medición. Poseen buenas técnicas de resolución de problemas, baja sensibilidad a ondas electromagnéticas o de inducción y técnicas de conexión prioritaria.

Cada red industrial tiene un tipo de protocolo para el transporte de datos y características específicas. Por eso, se utilizan en diferentes situaciones. A continuación, explicamos mejor las más utilizadas en México.

1. Sensorbus

La función principal del sensorbus es conectar redes de sensores digitales y actuadores. El protocolo transmite datos de tamaño pequeño a la red, lo que requiere un menor procesamiento de los sensores.

El sensorbus no cubre largas distancias, ya que el objetivo es reducir los costos de conexión, lo que también se traduce en equipos más simples.

En resumen, esta red industrial lleva la información de los sensores conectados a las tarjetas de entrada y salida al PLC (Controlador Lógico Programable), una computadora industrial diseñada para controlar y monitorear procesos.

Las redes sensorbus más utilizadas son las llamadas red Asi y red Interbus.

2. Devicebus

El devicebus intermedia la transmisión de datos entre el sensorbus y el fieldbus. La idea es que los datos en señales analógicas, como los de los transmisores y los digitales, lleven datos del suelo de la fábrica al PLC.

El control de lazos y capas se refiere a las variables de proceso, como presión, nivel, flujo, temperatura y otras. También son muy comunes con servomotores.

El devicebus tiene un alcance de hasta 500 metros y tiene la capacidad de transferir datos más rápido.

Es común que las industrias utilicen devicebus como Modbus, Profibus DP y Devicenet.

3. Fieldbus

Esta red industrial se utiliza para el comando del rendimiento de la comunicación. Es decir, permite que las señales de los transmisores, posicionadores y analizadores lleguen al PLC para realizar la lógica de las malas en los procesos.

Este sistema de comunicación del fieldbus permite que varios instrumentos se comuniquen en red y puedan realizar tareas de control y monitoreo de procesos y estaciones de operación: sus parámetros y programas conectan más equipos y a distancias mayores que otras redes industriales.

La ventaja del fieldbus es el bajo costo de implementación, ya que no requiere mucha mano de obra ni materiales de montaje. Los fieldbus más utilizados son Foundation Fieldbus y Profibus PA para procesos continuos como los de las industrias petroquímica y minera.

4. Rede Ethernet

La red Ethernet se utiliza mucho debido a su simplicidad, eficiencia y bajo costo, además de su capacidad para trabajar con varios protocolos de comunicación.

Se utiliza no solo en la industria, sino también en el ámbito doméstico, ya que envía y recibe paquetes de datos. Para llevar a cabo sus operaciones, depende de componentes como switches, gateways, firewalls y otros. Una ventaja es que está en constante evolución y mejora.

HISTORIA DE LA RED ETHERNET EN LA INDUSTRIA

A finales de los años 90 y principios de los 2000, el fieldbus se utilizaba en la mayoría de los proyectos de automatización industrial en todo el mundo. Sin embargo, las redes Ethernet se inventaron en 1973 en Xerox PARC, con Robert Metcalfe, David Boggs, Chuck Thacker y Butler Lampson como inventores registrados en la patente.

Con el tiempo, Ethernet, cuyo nombre proviene de la palabra "éter", que para los griegos representaba una sustancia mística que impregnaba todo el universo, se convirtió en el estándar mundial para la intercomunicación de datos en red.

Pero este crecimiento no fue en vano. Ethernet destaca sobre otras redes porque:

• Tiene una implementación más simple;
• Tiene costos reducidos;
• Permite el uso de varios protocolos en un entorno industrial;
• Sigue en constante evolución y mejora;
• Se puede aplicar en cualquier espacio;
• Es interoperable y escalable para las demandas.

Ethernet también dio origen a otras redes derivadas, que se utilizan en algunas industrias y operaciones, siendo la principal la que describiremos a continuación.

5. Redes TCP/IP

Las redes TCP (Protocolo de Control de Transmisión) e IP (Protocolo de Internet) forman un conjunto de protocolos para la comunicación entre computadoras y sistemas automatizados, y sus principales ventajas son:

• Red estandarizada;
• Interconectividad;
• Permite enrutamiento;
• Conexión a internet;
• Robusta;
• Modbus/TCP.

6. PROFINET

PROFINET es una solución de Ethernet Industrial abierta basada en estándares internacionales. Es un protocolo de comunicación desarrollado para intercambiar datos entre controladores y dispositivos en un sector automatizado. Se introdujo a principios de los años 2000 y es la solución de Ethernet Industrial más utilizada.

Dado que PROFINET es de estándar abierto, cientos de fabricantes han desarrollado productos PROFINET, incluidos PLC, PAC, drives, robots, proxies, I/O y herramientas de diagnóstico.

PROFINET define la comunicación cíclica y acíclica entre componentes, incluidos diagnósticos, seguridad funcional, alarmas e información adicional. Para conectar todos estos componentes, PROFINET utiliza Ethernet estándar como su medio de comunicación.

Los cables Ethernet conectan los componentes PROFINET a una red, lo que permite que otros protocolos Ethernet coexistan en la misma infraestructura. Además de PROFINET, también puedes utilizar otros protocolos basados en Ethernet para completar tu red, como OPC UA, SNMP, MQTT o HTTP.

7. PROFIBUS

PROFIBUS es una red digital que proporciona comunicación entre sensores de campo y controladores. La idea original durante su desarrollo era implementar soluciones PROFIBUS en industrias de automatización fabril, luego en industrias de proceso, manufactura, etc.

Al principio, el grupo desarrolló el PROFIBUS FMS (Fieldbus Message Specification). Este era un protocolo complejo que ya no se usa en la actualidad. Después de eso, los desarrolladores trabajaron en la creación del protocolo PROFIBUS DP (Decentralised Peripherals) y, en 1998, se lanzó al mercado el PROFIBUS PA (Process Automation).

8. EtherCAT

EtherCAT significa "Ethernet para Control de Automatización Tecnológica", y es un protocolo que lleva más potencia informática y flexibilidad de Ethernet a la automatización industrial, al control de movimientos, a los sistemas de control en tiempo real y a los sistemas de adquisición de datos.

El protocolo EtherCAT es mantenido por el EtherCAT Technology Group (ETG) y se estandarizó bajo el IEC 61158.

La tecnología fue desarrollada originalmente por Beckhoff Automation, un fabricante de PLC (Programadores de Control Lógico) utilizados en la automatización industrial y sistemas de control en tiempo real.

Originalmente habían desarrollado su propia versión de Fieldbus, llamada "Lightbus" a finales de los años 1980, para abordar los problemas de ancho de banda de otras interfaces. El trabajo adicional en este protocolo eventualmente resultó en la invención de EtherCAT.

Beckhoff presentó EtherCAT al mundo en 2003. Y en 2004, cedió los derechos al ETG, que es responsable de promover este estándar de red industrial.

9. ControlNet

ControlNet utiliza el Protocolo Industrial Común (CIP) para las capas superiores de Sistemas de Interconexión Abiertos (modelo OSI) que consta de siete capas: física, enlace de datos, red, transporte, sesión, presentación y aplicación.

Los desarrolladores de ControlNet adaptaron las capas CIP de transporte, red, enlace de datos y física para satisfacer las necesidades de la red ControlNet.

Esta tecnología se desarrolló para ofrecer un control confiable y de alta velocidad y una transferencia de datos I/O al utilizar una programación que establece la lógica para un momento específico en la red industrial.

ControlNet también garantiza que los mensajes críticos que no dependen del tiempo se ejecuten sin interferir en la transferencia de datos de control y I/O.

Los principales dispositivos que se conectan a ControlNet son los PLC, HMI, computadoras personales, drives, robots y chasis I/O.

Esta red industrial se utiliza normalmente para aplicaciones redundantes o aplicaciones que funcionan mejor con comunicaciones programadas.

La Industria 4.0 se refiere a la cuarta revolución industrial, un conjunto de prácticas de producción orientadas y conectadas al entorno digital en el que la información se comparte entre usuarios y máquinas.

Estos datos fluyen a través de toda la organización de manera horizontal y vertical, con la interoperabilidad de los procesos realizados.

Para que esto ocurra, se requiere una infraestructura de comunicación que abarque todas las máquinas, computadoras, robots y equipos dentro de las fábricas. Esto solo es posible con la Internet Industrial de las Cosas (IIoT) unida al Big Data.

Estos conceptos, ya bastante difundidos entre los profesionales, se tratan de prácticas para conectar todas las herramientas de producción a los sistemas de comunicación utilizados, especialmente Ethernet e Internet.

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Con la Industria 4.0, el trabajo remoto se vuelve más viable.

Un ejemplo de esto son los cobots, robots colaborativos utilizados en industrias de todo el mundo para la automatización de diversas tareas, especialmente aquellas que son poco ergonómicas, monótonas y repetitivas realizadas por la fuerza laboral humana.

Los cobots asumen estas operaciones y liberan a los trabajadores para tareas de mayor valor agregado en la línea, todo esto gracias a sus beneficios directos como flexibilidad, fácil implementación, poco espacio en el suelo de la fábrica y facilidad de programación.

Los sistemas nativos de un robot colaborativo, como los de Universal Robots, también se pueden ampliar y optimizar con otros software y hardware de nuestro ecosistema, el UR+. En él, puedes encontrar soluciones que aumentan la conectividad del cobot a las redes industriales disponibles, lo que garantiza un mejor intercambio de información sobre rendimiento, posibles desafíos de producción e incluso ofrece un diagnóstico de mantenimiento predictivo.

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