Conectividad en las industrias manufactureras: protocolos de comunicación de PLCs
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Los PLC (controladores lógicos programables) se desarrollaron en la década de 1960 en los Estados Unidos para reemplazar los sistemas de control basados en relés electromecánicos. Este último fue muy utilizado en la industria del automóvil. Sin embargo, la necesidad de un mantenimiento frecuente y la complejidad de las interconexiones fueron puntos de inflexión para el desarrollo de nuevas tecnologías. En este contexto, General Motors fue la primera empresa en implementar el sistema PLC, buscando una solución más flexible y menos propensa a fallos. Históricamente, el primer PLC disponible comercialmente fue el Modicon 084, que permitía a los ingenieros modificar la lógica de control sin cambiar su estructura. Desde entonces, estos controladores se han mejorado significativamente, actualizándose en hardware y software para satisfacer las crecientes demandas de la automatización industrial.
La principal característica del PLC es su programabilidad, permitiendo ajustes rápidos debido a su lógica de funcionamiento definida por un programa informático. Entre sus componentes principales se encuentra la CPU, que se encarga de ejecutar las instrucciones del programa almacenadas en la memoria. Debido a esto, tiene una alta capacidad para procesar y ejecutar tareas complejas rápidamente. Además, los módulos de entrada y salida PLC facilitan la recopilación simultánea de datos y permiten un control preciso de dispositivos externos. También cuenta con fuentes de alimentación que garantizan un funcionamiento continuo y fiable, incluso en condiciones adversas. Por último, sus diferentes interfaces de comunicación soportan la integración de múltiples dispositivos y sistemas, aumentando la flexibilidad y la escalabilidad.
Por último, aunque comúnmente se asocia solo con la automatización industrial, esta tecnología también se utiliza en otros ámbitos. Los PLC pueden ayudar en el control de la iluminación en edificios, sistemas de riego agrícola e incluso en atracciones de parques temáticos.
Diversidad de máquinas y protocolos en la industria manufacturera
La capacidad de comunicarse con varios protocolos de comunicación es crucial para las fábricas que utilizan una variedad de máquinas y, en consecuencia, PLC. Esta diversidad se debe a varias razones, una de ellas es la evolución tecnológica. Es posible que las nuevas máquinas adquiridas para la línea de producción vengan con protocolos más modernos, como OPC-UA o MQTT, por ejemplo. Estos tipos de protocolo ofrecen una mayor flexibilidad y capacidad de integración que los modelos más antiguos, como Modbus o RS232.
El uso de maquinaria especializada es también otra causa de esta diversidad. Diferentes máquinas, que están diseñadas para realizar tareas específicas, pueden ser optimizadas con los protocolos que mejor se adapten a sus necesidades. Como ejemplo, están las máquinas de precisión, que pueden utilizar protocolos como el CNC de Fanuc, para garantizar la precisión y el control. Además, algunos fabricantes desarrollan sus propios protocolos para garantizar la compatibilidad con sus productos, como Mitsubishi Melsec.
Sin embargo, en la misma planta industrial, diferentes máquinas deben comunicarse, incluso si a menudo utilizan diferentes protocolos. Entre las ventajas de la flexibilidad de comunicación se encuentran:
- Interoperabilidad: Las fábricas pueden elegir el mejor equipo para sus necesidades específicas sin tener problemas de compatibilidad;
- Expansión de sistemas: Permite la implementación de nuevos dispositivos sin necesidad de grandes reconfiguraciones, haciendo que los sistemas sean más escalables;
- Adaptación a las nuevas tecnologías: Permite la integración de nuevas tecnologías y dispositivos IoT, facilitando la continua evolución de los sistemas industriales;
- Integración con sistemas corporativos: La integración con los sistemas Historian, por ejemplo, mejora la eficiencia operativa y de gestión;
- Seguridad: La diversidad de protocolos incluye características de seguridad avanzadas, que garantizan la protección de datos y la integridad de las operaciones industriales;
¿Cómo se produce en la práctica la comunicación con el PLC?
Los protocolos de comunicación permiten que los PLC se conecten con una variedad de dispositivos y sistemas, como actuadores, interfaces hombre-máquina (HMI) y otros PLC. Funcionan como un conjunto de reglas que definen cómo se transmiten y reciben los datos entre dispositivos. Los pasos de esta comunicación son:
- Selección del protocolo: En primer lugar, la industria debe elegir el protocolo de comunicación adecuado para la aplicación. Los más comunes incluyen Modbus, Profibus, Ethernet/IP, entre otros;
- Configuración del PLC: El PLC está configurado para utilizar el protocolo elegido. Esto puede implicar la instalación de módulos de comunicación específicos y la configuración de parámetros en el software del PLC;
- Lectura de sensores: El PLC recopila datos de los sensores y dispositivos de entrada conectados a él. Estos datos pueden incluir información como temperatura, presión, posición, etc;
- Procesamiento de datos: La CPU del PLC procesa estos datos de acuerdo con el programa instalado, tomando decisiones basadas en la lógica de control definida;
- Formato de datos: Los datos procesados se organizan de acuerdo con las especificaciones del protocolo de comunicación. Esto garantiza que los datos sean comprensibles para otros dispositivos de la red;
- Transmisión: Los datos se transmiten a través del módulo de comunicación del PLC a la red o directamente a otros dispositivos. En una red Ethernet, por ejemplo, los datos se pueden enviar a un servidor SCADA o a un sistema Historian;
- Recepción de comandos: El PLC también puede recibir comandos de otros dispositivos o sistemas de control. Estos comandos pueden instruir al PLC para que cambie la lógica de control, ajuste los parámetros o realice acciones específicas;
- Actualización: El PLC actualiza sus estados internos y también los estados de los dispositivos conectados en función de los comentarios recibidos;
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Comunicación y recopilación de datos en diferentes sectores de la industria
La conexión de todas las máquinas en el mismo sitio industrial es esencial para realizar análisis completos de OEE, por ejemplo. A pesar de su notable importancia, llevar a cabo este proceso sigue siendo un reto. Por ello, la implementación de soluciones que integren datos de todas las fuentes es esencial para los fabricantes que se integran a la última era tecnológica. Dentro de cada sector de la industria manufacturera, existen modelos de PLC más comunes, elegidos de acuerdo con algunos requisitos como el entorno operativo, la complejidad y el costo. Los más utilizados en cada uno de ellos son:
Automotor
- CANopen (Controller Area Network): Se utilizan por su baja latencia y alta fiabilidad, que son esenciales para los sistemas de control en tiempo real como frenos y motores;
- DeviceNet: Utiliza la estructura CAN, recomendada para conectar dispositivos industriales en sistemas de control de máquinas;
Alimentos y bebidas
- Ethernet/IP: Protocolo basado en Ethernet, permite una comunicación rápida y eficiente, esencial para procesos que requieren alta velocidad de datos;
- Profinet: Se utiliza para la comunicación en tiempo real, lo que garantiza una sincronización precisa de los procesos críticos;
Químico
- Profibus: Se utiliza para la comunicación en los procesos de control de plantas químicas, debido a su robustez y fiabilidad. También son resistentes a entornos hostiles e interferencias electromagnéticas;
- Modbus: Es ideal para la comunicación entre sensores y controladores en entornos industriales por su sencillez y robustez;
Farmacéutico
- Modbus: Se utiliza para la comunicación entre los equipos de laboratorio y los sistemas de control de procesos;
- Ethernet/IP: Permite la integración de sistemas de control y monitoreo en tiempo real, esenciales para garantizar la calidad y el cumplimiento del producto;
Celulosa y papel
- Profinet: Se utiliza para la comunicación en tiempo real, esencial para la sincronización de los procesos de producción;
- Profibus: Su robustez es ideal para entornos con condiciones desafiantes, como fábricas de celulosa y papel;
Conectividad aplicada en la práctica
Para ejemplificar la importancia de estos protocolos, considere una industria en el sector automotriz. Una fábrica de automóviles, al igual que otras industrias, tiene una línea de producción compleja que incluye varios equipos y sistemas de control. En este caso, es posible que cada pieza de maquinaria utilice un protocolo de comunicación diferente. Por ejemplo, los robots de montaje pueden utilizar el protocolo EtherCAT para la comunicación. Sensores de temperatura y presión, Modbus, mientras que los controladores de motor utilizan CAN. Por último, están los sistemas de inspección de calidad, que utilizan el protocolo Profibus.
Dentro de este escenario, la industria necesita hardware que admita múltiples protocolos de comunicación. Este dispositivo está instalado y configurado para comunicarse con todas estas máquinas mencionadas. Después de eso, comienza la recopilación de datos de los dispositivos en tiempo real, independientemente del protocolo utilizado. Posteriormente, todos los datos se centralizan en un sistema de gestión de la producción. Esto permite una visión completa de la línea de producción y la identificación de problemas como desviaciones de temperatura o fallos en los robots de montaje.
De esta manera, la fábrica puede tomar acciones correctivas basadas en los datos analizados, como el ajuste de los controladores de motor y el mantenimiento predictivo. Este ejemplo deja claro cómo la flexibilidad en cuanto a los protocolos de comunicación es un diferencial, lo que se traduce en muchos beneficios.
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Importancia de la compatibilidad con varios protocolos
Los diversos protocolos de comunicación que existen en la industria permiten que los PLC se conecten y se comuniquen con sensores, interfaz hombre-máquina (HMI) y otros dispositivos. Esto es indispensable para la integración e interoperabilidad de los sistemas de automatización.
Esta conectividad es importante, ya que los datos generados por la maquinaria pueden revelar información valiosa sobre las operaciones diarias de la industria. Además de la monitorización de la producción en tiempo real, ampliamente utilizada en análisis como el rendimiento y la productividad, también es indispensable el almacenamiento de datos históricos. Gracias a esta visibilidad, es posible desbloquear numerosos resultados para la industria, tales como:
- Mejora de la eficiencia operativa: El acceso a los datos permite optimizar el uso de los recursos, reducir el tiempo de inactividad y aumentar la productividad;
- Mantenimiento predictivo: ayuda a prevenir el tiempo de inactividad no planificado, reduce los costos de reparación y aumenta la vida útil del equipo;
- Aumento de la calidad del producto: Reduce el número de productos defectuosos y mejora la satisfacción del cliente;
- Reducción de costos: El análisis de los datos recopilados ayuda a identificar áreas donde se pueden reducir los costos, como el consumo de energía y el uso de materias primas;
- Toma de decisiones asertiva: Mejora la capacidad de respuesta a los cambios en las condiciones de operación;
La tendencia para el futuro es que los protocolos basados en Ethernet ganen aún más popularidad debido a su alta velocidad y capacidades de comunicación simultánea. Esto, combinado con la integración con soluciones de IoT, que permiten un almacenamiento de datos escalable en la nube, puede dar forma al panorama industrial en los próximos años. Estas innovaciones aumentan la eficiencia, la seguridad y la capacidad de responder rápidamente a los ajustes de operación. Conoce más sobre nosotros.
