Miércoles , Agosto 23 2017
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De un entorno M2M a IIoT

Los protocolos industriales continúan su desarrollo para triunfar ante la creciente demanda de las comunicaciones en el sector de la automatización.

Hoy en día es complicado hablar sobre dispositivos conectados sin hacer referencia a Internet of Things (IoT). Pero mucho antes de que IoT fuese siquiera concebido, los dispositivos de entornos industriales ya se comunicaban. Según fueron aumentando las comunicaciones, esa tendencia a la conexión dio lugar a la era M2M (máquina a máquina). Esas comunicaciones que en principio eran punto a punto fueron evolucionando, acercando las zonas de producción y las áreas más puramente administrativas, comunicadas todas entre sí utilizando una red común. Esto es lo que actualmente se conoce con el nombre de Industria 4.0 y, ahora que esas plantas de producción son mucho más accesibles desde cualquier punto y en cualquier momento, es cuando el término Industrial IoT (IIoT) ha quedado plenamente establecido. Esta evolución natural no sólo refleja cómo está aumentando exponencialmente la recogida y transferencia de datos sino también cómo IIoT va a permitir que el control incremente del mismo modo. Para implementar IIoT, la confianza en las comunicaciones a todos los niveles es vital. La mayoría de los requisitos subyacentes ya están implementados, pero aún hay algunos que están empezando a aflorar. Desde el punto de vista de la ingeniería, conseguir toda esa interconexión bajo un factor de forma robusto y asequible representa el desafío clave y es lo que en realidad motiva a los desarrolladores.

Requisitos de red

Al afectar a múltiples sectores industriales, el IoT en general se está abordando desde diversos ángulos, pero lo que parece claro es que su implementación necesitará una cierta jerarquización. Internet ofrece la estructura perfecta para la transferencia masiva de datos, pero no es lo ideal para control en tiempo real, ya que sus protocolos incluyen grandes periodos de latencia. Por poner un ejemplo sencillo, en un hogar conectado, todos los electrodomésticos podrían estar comunicados y ser controlados utilizando una red local. Del mismo modo, se podría acceder a ellos a través de Internet, aunque no sería lo más práctico ya que, por ejemplo, podríamos tardar varios segundos en apagar una luz o cambiar de canal en la televisión. Como consecuencia de esto, el término “dispositivo avatar” está ganando importancia y lo que viene a significar es que cada dispositivo tiene su versión virtual en la nube. Localmente, los dispositivos se controlan directamente a través de una red local pero el control remoto se puede realizar mediante Internet, donde hay “avatars” que son los que reciben las instrucciones y las envían a los objetos reales. Esta duplicidad de objetos podría parecer innecesaria pero supera las limitaciones que tiene usar una red no determinista para controlar objetos localmente. En un entorno industrial, el desafío está en la necesidad de control en tiempo real, donde los dispositivos envían/reciben pequeños paquetes de datos. El requisito esencial es que los paquetes se transmitan de forma fiable en un tiempo determinado. Los primeros protocolos industriales han evolucionado en cuanto a los tiempos de entrega, como por ejemplo el protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer). Este protocolo tiene la característica de utilizar las anteriores conexiones punto a punto de 2-4 mA pero soportando ahora señales analógicas y digitales en un único par de cables. El interfaz físico utiliza FSK (Frequency Shifting Key), en el que un “1” lógico (mark) es una señal sinusoidal con una frecuencia de 1.2 kHz y un “0” lógico (space) es una señal sinusoidal con una frecuencia de 2.2 kHz. Estas representaciones digitales se pueden modular con el nivel de corriente analógica en un rango de 4 a 20 mA, haciendo de éste un protocolo muy versátil para aplicaciones industriales. Además, el protocolo se puede implementar utilizando un microcontrolador (MCU) con un módem HART adecuado que proporciona el interfaz físico, como por ejemplo el A5191HRTPG-XTD de ON Semiconductor. Esto también se puede realizar utilizando un conversor DAC/ADC si el microcontrolador tiene una ALU capaz de ejecutar el algorit mo necesario para generar y reconocer las frecuencias FSK. Aunque el protocolo HART se puede utilizar también en configuraciones multipunto, puede no ser adecuado para todo tipo de aplicaciones industriales y, definitivamente, no se puede utilizar para conexiones con Internet. La mezcla de diferentes protocolos es endémica en el sector industrial y por lo que parece no es algo que vaya a cambiar en un futuro inmediato.

La herramienta adecuada para cada caso

La utilización de protocolos específicos para comunicaciones con Internet en el sector industrial tiene muchas limitaciones, por ejemplo la latencia. Puede que en un entorno industrial se necesiten registros de tiempo, algo que no soportan los protocolos de red más comunes como TCP/IP. Ethernet es la “cara pública” de Internet, ya que la mayoría lo usa como interfaz. Sí que es cierto que los protocolos de Internet sobre Ethernet no sirven para control en tiempo real pero también es cierto que Ethernet puede proporcionar una infraestructura de red industrial fiable y robusta si se usan los protocolos adecuados. Existe un gran número de protocolos específicos para la industria que utilizan Ethernet como interfaz. Quizás el más notable sea EtherCAT, protocolo basado en Ethernet que forma parte de la familia Fieldbus definida por el estándar IEC 61158. Utiliza el mismo interfaz físico que Ethernet, por lo que puede ser implementado utilizando un microcontrolador que tenga una MAC Ethernet, como por ejemplo el XMC4500 de Infineon. La familia XMC4000 de Infineon se basa en un ARM Cortex-M y ofrece el XMC4800 y XMC4300 que son los primeros microcontroladores industriales que integran EtherCAT en un MCU ARM Cortex-M con Flash integrada y capacidad de señal mixta. En una topología de red industrial, los elementos que llevan el peso de la acción (motores, calentadores, bombas, actuadores…) han estado tradicionalmente controlados por PLC (controladores lógicos programables). La tendencia en IIoT es conectar los PLC a una red utilizando protocolos de tiempo real y baja latencia, como por ejemplo los de la familia Fieldbus. A pesar de los años de esfuerzo, todavía no hay un estándar Fieldbus propiamente dicho y muchos de los protocolos que hacen referencia a Fieldbus no son necesariamente compatibles entre ellos. Por ello, los PLC necesitan soportar múltiples protocolos para poder funcionar en un entorno industrial. Quizás el protocolo Fieldbus con mayor desarrollo es PROFIBUS, pero hay muchos otros como PROFINET, CAN y Modbus. Muchos microcontroladores integran interfaces CAN mientras que Modbus se puede desarrollar a través de una UART e implementando el protocolo en el MCU.

Software

Mientras que la mayoría de los protocolos de control desarrollados en IIoT son relativamente sencillos de implementar incluso en MCU de bajo coste, parece razonable esperar que lleguemos a un alto nivel de consolidación. Se utilizarán MCU de más capacidad para manipular una amplia gama de protocolos en una topología de red. En este punto, el uso de un sistema operativo (y en el caso del control industrial, un sistema operativo de tiempo real o RTOS) es más que beneficioso. Un sistema operativo de tiempo real funcionando en un MCU impone ciertos requisitos al hardware, lo que se ha reflejado en el giro hacia arquitecturas de 32 bits como por ejemplo la familia ARM Cortex. Es habitual ver a los fabricantes de MCU y procesadores trabajar junto a los proveedores de RTOS para asegurar que las pilas de protocolos de comunicación y los núcleos de tiempo real funcionan de manera eficiente en el hardware. Un ejemplo de esto es el de Analog Devices y Micrium. Los procesadores Blackfin 16/32bit de Analog Devices tienen el soporte total del sistema operativo de tiempo real Micrium’s μC/OS, con características de software intermedio (middleware) para TCP/IP, USB, CAN bus y Modbus, por ejemplo. La necesidad de que estos protocolos industriales funcionen en procesadores con alto nivel de integración se refleja en el hecho de que un gran número de proveedores de RTOS ofrecen hoy en día pilas de protocolos para control industrial como software intermedio para su integración en esta tecnología.

Conclusión

Crear una red industrial que proporcione control remoto y mantenga el control en tiempo real requiere una mezcla de protocolos de comunicación. Afortunadamente, los fabricantes de semiconductores han entendido esto perfectamente y ofrecen hoy en día una amplia gama de dispositivos capaces de proporcionar los interfaces de hardware y la potencia de procesado necesarios para hacer del IIoT una realidad. Y claramente, los protocolos que actualmente se usan en el entorno industrial han encontrado su sitio en el mundo IIoT.



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