Protocolos de comunicación industrial

¿Qué es un protocolo de comunicación?

Se conoce como protocolo de comunicación a un grupo de condiciones o reglas que permiten el intercambio de información entre dispositivos, esta interacción permite la existencia de lo que conocemos como red de comunicaciones, la cual es de vital importancia pues facilita las operaciones de control a los operarios.

A nivel industrial, este concepto se aplica de una forma similar, pues, como revisamos anteriormente, en la pirámide de automatización existe una comunicación directa desde el dispositivo de campo más básico hasta el nivel gerencial de la empresa, por lo tanto, el uso de diversos protocolos es de vital importancia pues garantiza una correcta transferencia de información entre actuadores y controladores. En pocas palabras, un protocolo industrial es la forma en que se conecta un dispositivo de campo al PLC y cómo éste se lo indica a los niveles de supervisión y los que están más arriba.

Fig. 1: Ejemplo de una red de comunicación industrial.

¿Qué tipos de protocolos existen?

Si bien se ha tratado de homogeneizar y normalizar el uso de tecnologías para los autómatas programables, aún no se ha conseguido una tecnología que cubra absolutamente todas y cada una de las necesidades de los ambientes industriales pues, al ser un sector tan grande a escala global, resulta imposible tener los mismos problemas por resolver. Como consecuencia de esto es que existen una amplia variedad de protocolos y si bien algunos suelen ser más comunes por su robustez, siempre puede existir la posibilidad de adoptar tecnologías nuevas con otro tipo de protocolos y estándares.

Dentro de los protocolos más comunes o más utilizados aparecen los siguientes:
• HART

Nuevamente, su uso depende del tipo de tecnología con que se cuente, es decir, la compra de un dispositivo de campo que funcione con el protocolo HART, dependerá de que el PLC tenga un puerto que permita su conexión. Esto puede ser mitigado (hasta cierto punto) con los controladores modulares pues permiten la expansión de la red con el módulo adecuado, mientras que, de forma contraria, un PLC integrado no puede expandirse de esta forma. A pesar de eso, podemos destacar a Ethernet IP que desde su llegada al nivel industrial en 2009.

Abordar cada uno de los protocolos mencionados haría que esta entrada sea demasiado extensa y que resulte aburrida a usted como lector, por lo tanto, haré una agrupación de aquellas tecnologías que suelen complementarse y las desarrollaré en las próximas entradas. Por ahora, es posible empezar con el protocolo HART debido a su constante uso en el sector industrial de América.

Protocolo HART

Fig. 2: Logotipo del protocolo HART.


HART es un conjunto de siglas que significan “Highway Addressable Remote Transducer”, es decir, “transductor remoto direccionable de carretera”. Éste fue desarrollado por Rosemount inc. (una filial de Emerson Electric) en la década de 1980 y liberándose al público en general en 1990.

Su importancia reside en que introdujo el estándar 4-20 [mA] para señales analógicas que, como mencionamos en otra entrada, tiene varias ventajas sobre el uso de señales basadas en voltaje. Sus principales características son las siguientes:

• Control por conteo de Bytes
• Transmisión asincrónica FDX/HDX, punto a punto y multipunto
• Carácter básico de 1 bit de arranque, 8 de información, 1 de paridad impar y 1 de paro
• Control de hasta 15 unidades remotas
• Operación normal en modo de respuesta
• Distancia máxima: hasta 3000[m] con par trenzado apantallado calibre 24, hasta 1500[m] con cable multipar calibre AWG 20
• Modulación FSK a 1.2 [kbps] con Módems Bell 202
• Medio de transmisión: par trenzado y el lazo de corriente de 4-20 [mA]
• Interfaces asociadas: RS-232D y RS-485

Fig. 3: Conectores típicos para el protocolo HART.

Si bien la mayoría de sus especificaciones se entiende a la perfección, creo que es necesario explicar sus tipos de transmisión y modulación pues estos nos llevarán a poder establecer nuestra red de comunicaciones.

Transmisión asíncrona

En este proceso los datos transmitidos se codifican con bits de inicio y de paro, que especifican el principio y el final de cada carácter. Estos bits adicionales proporcionan temporización o sincronización a la conexión e indican cuándo se ha enviado o recibido un carácter completo. Si aparecen huecos en las transmisiones, la línea asíncrona cambia a lo que se conoce como estado de marca. Una marca es un 1 binario (o un voltaje negativo) que se envía durante los períodos de inactividad de la línea

Las siglas FDX y HDX significan Full-Duplex y Half-Duplex, es decir, que la transferencia de datos puede darse utilizando la totalidad del par trensado o solo uno de sus hilos.

Fig. 4: Codificación de bytes en la transmisión asíncrona.


Transmisión punto a punto.

Son aquellas arquitecturas de red en las que cada canal de datos se usa para comunicar únicamente dos nodos. En el caso de HART, dicha señal se utiliza a la par del estándar 4-20 [mA] y puede ser empleada para monitoreo o control de los equipos pues esta información se transmite de forma digital y no interfiere con los valores de señales analógicas. Esto también otorga acceso a variables secundarias utilizadas para propósitos de operación, mantenimiento y diagnóstico.

Transmisión multipunto.

Son redes en las cuales cada canal de datos se puede usar para comunicarse con diversos nodos pues solo existe una línea compartida por todas las terminales de la red. El modo multipunto requiere solamente un par trenzado y el lazo de control puede incluir barreras de seguridad y fuentes de poder auxiliares para hasta 15 unidades remotas o módulos de campo. Todos los valores de proceso son transmitidos como señales digitales.

Fig.. 5: Transmisión punto a punto y multipunto.


Modulación FSK

Es un tipo de modulación de frecuencia cuya señal modulante es un tren de pulsos que varía entre valores predeterminados. En los sistemas de modulación por salto de frecuencia, la señal moduladora hace variar la frecuencia de la portadora, de modo que la señal modulada resultante codifica la información asociándola a valores de frecuencia diferentes. FSK significa "modulación por desplazamiento de frecuencia" o "frequency shift keying".

Fig. 6: Modulación FSK.

Dispositivos que manejan el protocolo HART

Debido al uso de terminales estándar bajo las interfaces RS-232D y RS-485, es muy sencillo lograr la conexión entre los dispositivos de campo y nuestros controladores. En el caso de Rockwell, se cuenta con módulos de seriados como 1756-IF8H, 1756-IF8IH, 1756-IF16H, 1756-IF16IH, 1756-OF8H o 1756-OF8IH; donde la H al final de cada uno indica el uso del protocolo HART, mientras que la I u O al principio indican si es un módulo de entradas o salidas, además se indica el número de canales de comunicación que dispone. 

Respecto a los dispositivos de campo, podemos encontrar una gran variedad de sensores y transmisores pues, al valerse del estándar 4-20 [mA], facilita el poder adquirir un dispositivo que cumpla con nuestras necesidades. 

Fig. 7: Módulo de entradas HART de Rockwell y sensores de campo que manejan dicho protocolo.


Conclusiones

Si bien hemos dado unos cuantos detalles del protocolo HART, considero que son los mínimos para conocer el funcionamiento de las redes que lo maneja y aún más, del porqué es tan relevante en el ambiente industrial, siendo que al manejar el estándar 4-20 [mA], facilitan el tránsito de información de manera confiable y segura.

-AHN

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