Protocolos industriales y domóticos

Después de comentar en entradas anteriores las formas de interactuar física e inalámbrica, vamos a describir los protocolos más importantes para comunicar sistemas industriales o domóticos. Nos centraremos únicamente en los estandars ya que existen miles de protocolos propietarios que únicamente sirven para interactuar entre dispositivos del mismo fabricante.

TCP/IP

El protocolo más conocido y extendido, cada máquina se le asigna una IP que viene a ser como su propio numero de teléfono, cuando un ordenador quiere comunicarse con otro elemento llama a esa IP, generalmente se usan con protocolos ethernet o wifi. Nos permite tener todos los ordenadores de una industria, autómatas y controladores en una misma red, lo que puede ocasionar problemas de seguridad si es muy amplia o disponemos de red wifi. Para conocer un poco más como funciona pueden ver un articulo anterior aquí. No quiero extenderme demasiado sobre este modelo puesto que es el más conocido y existe gran cantidad de información sobre internet.

CONEXIONES ANALOGICAS

no es un protocolo de comunicaciones propiamente dicho pero muchos sensores utilizan una salida estandarizada de 4-20mA o de 0-10V, que podemos leer e interpolar para conocer la medida real. El caso de usar 4mA en lugar de 0mA es sencillo si tenemos una intensidad nula el dispositivo no esta conectado. Mencionar que existe un protocolo llamado HART que introduce una señal digital dentro de la analógica para tener cierto control sobre el dispositivo.

MODBUS

Si hablamos de industria y protocolos tenemos que comentar el modbus, es una comunicación entre un maestro y uno o varios esclavos. Vamos a suponer que tenemos un autómata que controla un proceso y recibe mediciones de diversos sensores modbus, pero también permite activar electroválvulas, cada uno de estos dispositivos tiene una dirección modbus (255 dispositivos cuando el programa del PLC indica a un dispositivo que le de una medición, le llama por su nombre modbus. El protocolo básicamente permite hacer dos cosas, leer un registro del dispositivo (puede tener varias medidas, un sensor de temperatura y humedad) o forzar un registro de la memoria (en un actualizador le indica si abre o cierra o el porcentaje de apertura). Con lo cual el mensaje que va por Modbus básicamente es, a quien va dirigido, si es lectura o escritura y de que registro. La conexion de los dispositivos Modbus es mediante protocolo RS-285.

Trama Mobus
Trama Modbus

 

Quiero poner un segundo ejemplo, imaginemos un local domótizado y se decide cablear desde un web server, que hace de puerta entre internet y el inmueble, un cableado modbus para controlar el aire acondicionado. Entramos en nuestra web para controlar nuestro negocio y queremos saber la temperatura, el web server pregunta por modbus al aire acondicionado que lectura de temperatura tiene, y recibimos 14 grados, lo cual nos parece poco y decidimos subirla, entonces el web server le dice al aire acondicionado que debe mantener la temperatura a 21. El aire acondicionado tiene registros que nos interesa leer y otros que nos interesa actuar, no solo es un sensor o un actuador es la dos cosas y por supuesto tiene mas registros que nos puede interesar, como potencia del ventilador o modo inviero o verano. Todos estos registros podemos verlos en cualquier datasheet de un componente.

Modbus es un protocolo sin encriptación por lo tanto en muchas aplicaciones no es seguro. En el caso del aire acondicionado suele ser suficiente, ya que, enviamos un cable directo Modbus del PLC a cada split o fan oil, cada uno tendría una dirección distinta y la aplicación de seguridad seria la red ethernet o wifi  e internet. Lo mismo sucede en la industria donde un autómata que gestiona una máquina y su cableado RS-485 es independiente del resto de la red. Pero existen comunicaciones industriales mejores en seguridad informática como veremos más adelante.

Como aclaración recordaremos que solo el master puede pedir servicios a los esclavos, estos nunca inician una comunación están «calladitos» esperando que les den una orden, solo puede haber un máster, por cada esclavo, es importante porque

MODBUS/IP

El modbus clásico es un protocolo para periféricos de un autómata, pero surgía un problema. Imaginemos una planta industrial y una automatización que contarla diversos procesos con sensores y actuadores alejados. Usando la red ethernet o wifi y con el protocolo IP podemos llegar a cada dispositivo, este sistema vamos a suponer que controla dos o mas zonas alejadas, cada una tiene una pasarela IP a modbus y controlamos el proceso desde un PC situado en las oficinas. El operario desea saber la temperatura que esta en la zona 1 que tiene una IP, ya configurada por nosotros estática en nuestra LAN, entonces el PC manda un mensaje a esa dirección IP-1, en esa parte tenemos varios sensores de temperatura cada uno con una dirección modbus que leeremos sus resgistros y varias válvulas que actuaremos sobre ellas. Por otro lado ahora estamos interesados en conocer parte del proceso de la zona 2, el PC le manda el mensaje Modbus a la IP2 y este la convierte directamente al estándar modbus. Igualmente la trama modbus no esta encriptada pero si hay opción y por supuesto recomendable siempre de ocultar lo mejor posible el mensaje mientras este circule por la red LAN de la planta, donde cualquiera podría entrar y modificar datos o sabotearnos.

Modbus/IP
Modbus/IP

 

Una diferencia importante con modbus normal, es que modbus/IP permite tener varios maestros, esto no es del todo cierto, el autentico maestro es la pasarela modbus/IP, que es la que envía las peticiones a los esclavos, como la pasarela esta abierta a ciertas IP dentro de la LAN cualquiera que pueda acceder podrá ser un «maestro virtual».

DALI

Es un protocolo inteligente para sistemas dómoticos de iluminación consiste en cinco cables, tres serán los de potencia y toma tierra obligatorios por normativa y dos adicionales para comunicaciones, sin importar la polaridad. Controlas los balastos electrónicos y estos almacenan en su memoria los resultados, la curva de respuesta es logarítmica más acorde a la percepción del ojo humano. Podemos decir que es similar al modbus en que un controlador hace de maestro y las luminarias de esclavo.

Sistema DALI para iluminación inteligente
Sistema DALI para iluminación inteligente

PTZ

Son protocolos asociados al movimiento de cámaras de CCTV, tanto analógicas como digitales, se usan para el movimiento, enfoque o zoom, tanto automático (movimiento, calor, sonido… ) como a través de un grabador (DVR) o plataforma web. No son protocolos abiertos cada marca suele contener el suyo propio. En las cámaras analógicas se realiza por RS-485 mientras que en las cámaras IP por conexión la propia conexión TCP/IP.

 

KNX y LONWORKS

Los dos protocolos domóticos en la actualidad son KNX y Lonworks (o simplemente Lon), el primero más implantado en Europa mientras que el segundo más en Estados Unidos. Los he englobado en uno solo para comparar ambos, y estudiar cual puede ser mejor para cada aplicación.

 

KNX lon
FUENTE DE ALIMENTACION  Una por línea No necesita
CONFIGURACIÓN DISPOSITIVOS Manual e individual, tipo modbus, debemos previamente decir a cada componente su dirección Cada dispositivo dispone de una pegatina con su ID y que es posible leer con un código de barras.
TOPOLOGÍA DEL CABLEADO Es libre pero no permite hacer bucles, si por error conectamos en bucle tendríamos un error. Es libre y permite realizar bucles proporcionándonos conexión incluso si es cortado un tramo del cableado.
TIPO DE CABLEADO Existe un cable homologado apantallado sin llevar a tierra. Existen diversos tipos de cable pero si se usa apantallado hay que llevar a tierra.
AUTENTIFICACIÓN/ENCRIPTACIÓN No dispone. Es posible realizar autentificación aunque consume ancho de banda.
SOFTWARE DE CONFIGURACIÓN Usa el ETS lonmaker y lonscaner…
VELOCIDAD 9600bps 72000bps
TECNOLOGIA DE ACCESO AL MEDIO CSMA-CD CSMA-CD
DISTRIBUCIONES Y EXPANSIÓN KNX ocupa el mercado europeo practicamente. Fabricantes y marcas norteamericanas.
PRESENTE Y FUTURO Dómotica/inmótica inmótica/smartcities.

BACNET

BACnet es un prototocolo que poco a poco se va extendiendo en sistemas domóticos. Mientras que KNX y Lonworks son protocolos descentralizados, es decir, no requieren de un controlador que gestione la red, BACnet es centralizado se usa para grandes instalaciones de edificios inteligentes.

PROTOCOLOS BASADOS EN RS-485

El modbus es el más expandido de los protocolos con conexión RS-485 pero con el paso del tiempo han salido cada vez más comunicaciones que se basan en este medio, cada una con sus ventajas y desventajas, las enumeraremos en forma de tabla para realizar la comparativa. En modbus habiamos visto que un maestro controla varios esclavos, pues existen protocolos multimaestro, varos PLCs requieren mirar la misma presión de un sensor.

 

PROFIBUS_rgb
logo_devicenet
Longitud 1000 m 500 m
Velocidad 9.6 kbit/s a 12Mbit/s 500 kbit/s
Estaciones 32 64
Mercado Europeo Norteamerica
Multimaestro Si No
Autentificación Si No

 

La tabla muestra los valores mas favorables, aquellos protocolos con distintas configuraciones pueden modificar sus parámetros, por ejemplo la longitud es menor si aumentamos la velocidad.

 

PROTOCOLOS BASADOS EN ETHERNET

Otra opción para instalar periferia distribuida es utilizar cables ethernet de la fabrica, generalmente para aquellos sensores cercanos se suele usar RS-485 y en caso de tener periferia alejada del controlador usaremos estos protocolos. Muchos de ellos han consistido en implementar comunicaciones ya existentes en RS-485 a tecnología IP.

 

 PROTOCOLO EXPANSIÓN  DESCRIPCIÓN
profinet Europa fundamentalmente Es la versión IP de Profibus, vienen a ser similares, p0r lo demás es el mismo protocolo. Exactamente igual que Modbus y Modbus/TCP. Por ello no nos alargaremos mucho.
ETHERNET/IP  Estados Unidos Ethernet/IP (Industrial Protocool) combina el propio protocolo Ethernet con CIP (Commom Industrial Protocool), al que pertenece DeviceNet, por lo que este protocolo igual que el anterior es una combinación de ambos.
SERCOS Sistemas en movimiento: CNC, robótica, impresoras, cortadoras… Actualmente están por la tercera versión SERCOS III, es un protocolo usado para sistemas en movimiento, por lo que mas prima es su jitter bajo y su alta velocidad.

GATEWAYS O PASARELAS

Mencionar que existen multitud de pasarelas que convierten un protocolo en otro, incluso entre medios físicos. Imaginemos un sistema de control antiguo basado en Modbus al que debemos cambiar el PLC por un problema de desgaste y trabajamos con u Profibus, necesitaremos un conversoe que entienda ambas magnitudes. De igual forma los ya hablados anteriormente puertas TCP/IP a Modbus, Profibus y Devicenet. Por otro lado si tenemos dos partes de la fábrica y debemos comunicar sus dos redes con fibra óptica, usaremos una pasarela de Ethernet a Fibra. Los propios Routers realizan esta función comunicando internet con PPP (Point to Point Protocool), Ethernet y Wifi.

También para edificios inteligentes donde queremos atacar un aire acondicionado y podemos seleccionar entre distintas tarjetas para acceder a el (Modbus, KNX, Lon, Ethernet…), aunque otros fabricantes lo traen de serie y debemos incorporar alguna pasarela también, muchos dispositivos traen varios protocolos que se pueden utilizar. Quizás en un futuro exista una estandarización como ya existe en las redes LAN (Ethernet o Wifi), pero la industria estos temas son más complicados cada empresa lucha por su sistema y suelen existir tres frentes Norteamérica, Europa y asía (aquí no se han comentado protocolos japoneses). Quizás el mas extendido y el abuelo de todos ellos sea Modbus, es el más estandarizado, hay que tener esto en cuenta porque puede ser el «común» entre dos protocolos menos conocidos.

Pasarela Modbus KNX
Pasarela Modbus KNX

 

DPN3

DPN

En sistemas SCADAs con RTU se suele usar protocolos como DPN3 (Norteamerica) o IEC-60870 101 y IEC-60870 104 (Europa), con este sistema de comunicación inteligente y su importancia y diferencia de los anteriores es que está orientado a eventos, es decir, no se realiza la comunicación de no existir un suceso que la active. Por otro lado, las medidas van acompañadas de la hora que fueron tomadas para enviar varios datos juntos. Dispone de mecanismos de autentificación haciendolo más seguro. Es ampliamente usado en la industria de transmisión eléctrica norteamericana (Estados Unidos y Canada).

OPC

OPC (OLE for Process Control) es un sistema de control basado en tecnologías Microsoft, es una plataforma abierta en contra posición a los drivers propietarios. En un principio estaba unicamente ligado a sistemas operativos Windows (OPC DA) en la actualidad existe una fundación OPC (Open Platform Comunications, fijarse que es diferente) que estandariza el OPC UA, creando un sistema abierto y más seguro que tiene todas las papeletas para ser un estándar en el futuro.

opc

 

OPC DA OPC UA
Basado en DCOM Basado en SOA
No protegido Seguridad Inegrada
Arquitectura Local Friendly Firewall
Windows Multiplataforma
Uso Muy definido Uso en constante expansión
Independiente de Marcas

 

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