La guía definitiva sobre PROFINET con IIoT

Aunque 4–20 mA y HART siguen siendo ampliamente utilizados, las redes digitales están ganando cada vez más terreno en el entorno industrial, ya que se ajustan mejor a las iniciativas de digitalización. En este sentido, es habitual debatir sobre la relevancia actual de los sistemas analógicos, ya que son robustos y sencillos de usar, lo que facilita las operaciones sobre el terreno. Sin embargo, la pregunta sigue siendo: ¿cómo lograr una conectividad transparente entre el campo y los sistemas de control?

Los controladores y equipos modernos generan grandes cantidades de datos, lo que requiere protocolos de comunicación avanzados como Modbus RS485, OPC y PROFIBUS DP. Además, tecnologías como FOUNDATION Fieldbus H1, PROFIBUS PA y PROFINET proporcionan capacidades de integración aún mayores. Estas redes industriales conectan los equipos de campo con los controladores, permitiendo un diagnóstico, una configuración y unas funciones avanzadas mucho más allá de lo que ofrece la tecnología analógica tradicional.

A pesar de estos avances, la señal 4-20 mA sigue predominando en el campo, principalmente debido a la brecha entre los conceptos de los proveedores y las necesidades reales de los usuarios, así como a la complejidad de las redes digitales, que retrasa la sustitución de las analógicas. Sin embargo, el auge del IIoT y la inteligencia artificial está acelerando la digitalización, haciendo que los protocolos basados en Ethernet y la comunicación inalámbrica sean cada vez más frecuentes en los nuevos proyectos. La tendencia es evidente: se esperan más soluciones digitales, y debemos estar preparados para adoptarlas.

Al instalar un router o cualquier equipo conectado a Internet, es probable que se haya encontrado con un cable Ethernet. Muchas personas piensan que 'Ethernet' se refiere únicamente al cable, cuando en realidad este solo representa la capa física de una red Ethernet.

Ethernet admite múltiples protocolos de comunicación a través de estos cables. Algunos ejemplos habituales son el Protocolo de Internet (IP) y el Protocolo de Control de Transmisión (TCP), ampliamente utilizados en aplicaciones estándar. Sin embargo, los entornos industriales requieren protocolos adicionales para dar respuesta a las demandas más complejas.

En la planta, los controladores deben acceder a los datos de las unidades, las E/S y las estaciones de trabajo con tiempos de respuesta muy rápidos, mientras que la red debe ser capaz de soportar condiciones exigentes, como abrasión, humedad y fluctuaciones de temperatura. Para satisfacer estas demandas, los expertos en automatización desarrollaron Industrial Ethernet y, sobre esta base, surgió PROFINET como un protocolo robusto basado en Ethernet para aplicaciones industriales.

PROFINET es un protocolo de comunicación industrial basado en Ethernet que conecta equipos de proceso, como sensores y actuadores, a sistemas de control. Ha sido desarrollado por la organización PROFIBUS y PROFINET International (PI) en colaboración con múltiples socios del sector.

El protocolo cumple la norma Ethernet IEEE 802 y está definido en las normas IEC 61158 e IEC 61784, lo que permite integrar sin problemas diversos equipos en la misma red. Por ejemplo, una impresora y un caudalímetro pueden coexistir en una misma infraestructura. A diferencia de las redes domésticas típicas, PROFINET ofrece unos tiempos de ciclo extremadamente rápidos —a menudo en el rango de los submilisegundos—, lo que lo convierte en una opción idónea para la automatización industrial.

Para comprender su estructura, podemos remitirnos al modelo ISO/OSI, que define siete capas para la comunicación en red. Ethernet suele utilizar cuatro capas:

• Ethernet para el enlace físico y de datos
• IP para la red
• TCP o UDP para el transporte
• Otrosprotocolos para funciones específicas

En general, PROFINET sigue este modelo, pero puede omitir ciertas capas en algunas aplicaciones. Por ejemplo, PROFINET en tiempo real (RT) omite las capas de red y transporte para acelerar la comunicación.

• TCP/IP para la configuración, los ajustes y operaciones cíclicas de lectura y escritura
• Tiempo real (RT) para tareas de automatización con unos tiempos de ciclo de entre 1 y 10 milisegundos
• Tiempo Real Isócrono (IRT) para una comunicación sincronizada de alta precisión mediante conmutación programada

Este enfoque por capas garantiza la flexibilidad, velocidad y fiabilidad, lo que convierte a PROFINET en la piedra angular de la automatización industrial moderna y la integración IIoT.

PROFINET funciona según un modelo de proveedor-consumidor para el intercambio de datos, que sustituye al enfoque tradicional de maestro-esclavo utilizado por PROFIBUS. Los dispositivos de un sistema PROFINET suelen organizarse en tres categorías:

• Controlador: suele ser un controlador lógico programable (PLC) o un sistema de control distribuido (DCS) que ejecuta el programa de automatización. El controlador envía salidas a los dispositivos de E/S y recibe entradas de ellos, de forma similar a un maestro de clase 1 en PROFIBUS.
• Equipos: componentes de campo como sensores y actuadores que se comunican con el controlador a través de conexiones Ethernet de forma similar a los esclavos en PROFIBUS.
• Supervisor: sistemas como PC, HMI o herramientas de diagnóstico utilizados para la monitorización, la puesta en marcha y la localización y resolución de fallos, comparables a los maestros PROFIBUS de clase 2.

Un sistema PROFINET de E/S requiere al menos un controlador y un equipo, si bien las configuraciones pueden variar considerablemente: varios controladores para un único equipo, un controlador para múltiples equipos o incluso varios controladores gestionando varios dispositivos simultáneamente. Los supervisores suelen utilizarse temporalmente durante la puesta en marcha o el diagnóstico.

Además de estos elementos, una red PROFINET incluye también otros componentes, como, por ejemplo, conmutadores y puntos de acceso inalámbricos. Algunos de estos componentes también pueden actuar como equipos de E/S y proporcionar unas capacidades de diagnóstico mejoradas.

Para configurar un dispositivo de E/S PROFINET, son esenciales dos elementos: una herramienta de ingeniería y un archivo GSD (General Station Description). El archivo GSD, proporcionado por el proveedor del equipo, es similar a los utilizados en PROFIBUS, pero sigue un formato basado en XML conocido como GSDML.

Una vez finalizada la configuración, el archivo GSDML se descarga en el controlador, estableciéndose la comunicación con los equipos conectados. A partir de este punto, los datos cíclicos —como entradas y salidas— fluyen de manera continua entre el controlador y los equipos, mientras que los datos acíclicos, incluida la información de diagnóstico, se intercambian únicamente cuando es necesario.

La elección entre PROFIBUS y PROFINET depende de los requisitos específicos de su aplicación. PROFIBUS es un protocolo digital consolidado basado en un bus de comunicación serie, mientras que PROFINET es un protocolo moderno construido sobre Ethernet Industrial. PROFINET ofrece un ancho de banda significativamente mayor y ciclos de comunicación más rápidos, lo que permite transferir paquetes de datos más grandes.

Aquí encontrará un resumen de las diferencias entre PROFIBUS y PROFINET:

Otra ventaja que ofrece PROFINET es su compatibilidad con las tecnologías inalámbricas. Como norma basada en Ethernet, puede integrarse con Wi-Fi o Bluetooth cuando es necesario, lo que aporta una mayor flexibilidad para la conectividad móvil y remota.

La conectividad y la apertura son fundamentales para crear sistemas IIoT eficientes. Obtener datos de campo precisos es fundamental para generar información útil. PROFINET actúa como un enlace fiable y transparente entre los equipos de campo y los ecosistemas IIoT, como Netilion de Endress+Hauser.

Uno de los puntos fuertes de PROFINET es su capacidad para coexistir con otros protocolos, lo que permite a los operadores avanzar hacia la era digital sin renunciar a su infraestructura. Además, los datos pueden exportarse desde el campo a sistemas de nivel superior mediante estándares abiertos como OPC UA, que trabaja en conjunto con PROFINET para facilitar una integración fluida con bases de datos en la nube.

PROFINET ya es un habilitador fundamental del IIoT, y su importancia seguirá aumentando en los próximos años.