Índice
1. Introducción
2.1. WiFi & Ethernet
2.2. RS232 & RS485
2.3. I2C
2.4. GPRS
3. Protocolos
3.1. HTTPS & HTTPS
3.2. MQTT
3.3. Modbus
Modbus TCP/IP
Modbus RTU
1. Introducción
En este post, conocerás las principales comunicaciones de automatización industrial disponibles en los PLCs de Industrial Shields y los tipos de protocolos de red industrial con los que funcionan.
2. Comunicaciones
2.1. WiFi & Ethernet
En un controlador PLC industrial como los de la familia Arduino, el Wi-Fi utiliza varias partes de la familia de protocolos IEEE 802 y está diseñado para trabajar sin problemas junto a su homólogo por cable, Ethernet.
Los dispositivos compatibles pueden conectarse de forma inalámbrica a través de puntos de acceso, lo que permite la comunicación entre sí, así como con dispositivos cableados e Internet. Las distintas versiones de Wi-Fi están definidas por diferentes normas de protocolo IEEE 802.11, que sirven como protocolos de redes inalámbricas industriales.
Las tecnologías de radio utilizadas determinan las bandas de frecuencia, los alcances máximos y las velocidades alcanzables. Las bandas de frecuencia más utilizadas por Wi-Fi son 2,4 gigahercios (120 mm) UHF y 5 gigahercios (60 mm) SHF ISM, ambas divididas a su vez en múltiples canales. Aunque los canales pueden compartirse entre redes, sólo un transmisor puede emitir localmente en un canal en un momento dado.
Ethernet es la tecnología más utilizada en redes de área local (LAN) y redes de área extensa (WAN). La comunicación Ethernet utiliza el protocolo LAN, que técnicamente se conoce como protocolo IEEE 802.3. Este protocolo de red industrial ha evolucionado y mejorado con el tiempo hasta transferir datos a una velocidad de un gigabit por segundo.
Los PLC de la familia Industrial Shields M-Duino incorporan el circuito integrado W5500 IC. El W5500 es un controlador Ethernet embebido TCP/IP cableado que facilita la conexión de sistemas embebidos a Internet. Este chip permite a los usuarios disponer de conectividad a Internet en sus aplicaciones utilizando un único chip que integra la pila TCP/IP, la MAC Ethernet 10/100 y la PHY.
El chip W5500 incorpora un buffer de memoria interna de 32 Kb para procesar paquetes Ethernet. Con este chip, los usuarios pueden implementar la aplicación Ethernet mediante programación por socket. El bus SPI (Serial Peripheral Interface) se proporciona para facilitar la transferencia de datos con el microcontrolador externo.
Ethernet utiliza diferentes protocolos industriales para comunicarse. Algunos de ellos son los protocolos HTTP, HTTPS, MQTT y Modbus.
2.2. RS-232 & RS-485
El RS-485 también conocido como TIA/EIA-485, es una norma que define las características eléctricas de controladores y receptores para su uso en sistemas de comunicaciones serie. La señalización eléctrica es equilibrada y admite sistemas multipunto. La norma está publicada conjuntamente por la Asociación de la Industria de Telecomunicaciones y la Alianza de Industrias Electrónicas (TIA/EIA).
Las redes de comunicaciones digitales que aplican la norma pueden utilizarse eficazmente a grandes distancias y en entornos eléctricamente ruidosos. A una red de este tipo pueden conectarse varios receptores en un bus lineal multipunto. Estas características hacen que RS-485 sea útil en sistemas de control industrial y aplicaciones similares.
RS-485
Los PLCs industriales basados en Arduino incluyen el circuito integrado MAX485. MAX485 es un transceptor de baja potencia y slew rate limitado que se utiliza para la comunicación RS-485. Funciona con una sola fuente de alimentación de +5 V y la corriente nominal es de 300 μA. Al adoptar la comunicación Half-Duplex para implementar la función de conversión del nivel TTL al nivel RS-485, puede alcanzar una velocidad máxima de transmisión de 2,5Mbps.
El transceptor MAX485 consume una corriente de alimentación de entre 120μA y 500μA en condiciones de descarga completa o carga completa cuando el controlador está apagado.
RS-232
RS-232 (Norma recomendada 232) es una norma para la transmisión de datos por comunicación serie. Define formalmente las señales de conexión entre un DTE (Data Terminal Equipment), como un terminal de ordenador, y un DCE (Data Circuit-Terminating Equipment o Data Communication Equipment), como un módem.
La norma define las características eléctricas y la temporización de las señales, el significado de las señales y el tamaño físico y la disposición de las patillas de los conectores. La versión actual de la norma es TIA-232-F Interface Between a DTE and a DCE Employing Serial Binary Data Interchange. La norma RS-232 se ha utilizado habitualmente en los puertos serie de los ordenadores y se sigue utilizando ampliamente en los dispositivos de comunicación industrial..
Los PLC industriales basados en Arduino de Industrial Shields incorporan el circuito integrado MAX232. El MAX232 convierte las señales del puerto serie TIA-232 (RS-232) en señales adecuadas para su uso en circuitos lógicos digitales compatibles con TTL. El MAX232 es un transmisor dual/receptor dual utilizado para convertir señales RX, TX, CTS, RTS.
2.3. I2C
El I2C (Inter-Integrated Circuit), pronunciado I-squared-C, es un bus informático serie asíncrono, multimaestro, multiesclavo, de conmutación de paquetes, de un solo extremo y multimaestro. Se utiliza ampliamente para conectar circuitos integrados periféricos de baja velocidad a procesadores y microcontroladores para comunicaciones intraplaca de corta distancia.
Posteriormente, I2C fue adoptado gradualmente por otros fabricantes hasta convertirse en un estándar del mercado. El bus I2C sólo requiere dos cables para su funcionamiento, uno para la señal de reloj (CLK) y otro para el envío de datos (SDA), lo que supone una ventaja frente al bus SPI. Por otro lado, su funcionamiento es algo más complejo, al igual que la electrónica necesaria para implementarlo.
2.4. GPRS
General Packet Radio Services (GPRS) es un servicio industrial de comunicación inalámbrica por paquetes que promete velocidades de transmisión de datos de 56 a 114 Kbps y conectividad continua a Internet para usuarios de teléfonos móviles y ordenadores. GPRS se basa en el Sistema Global de Comunicaciones Móviles (GSM) y complementa servicios ya existentes como las conexiones de telefonía celular con conmutación de circuitos y el Servicio de Mensajes Cortos (SMS).
Los PLCs Industriales basados en Arduino con GPRS son ideales para monitorización remota, registro de datos y acceso remoto, diagnóstico y control, a través de mensajes cortos de texto (SMS). Puedes configurar los mensajes para que se envíen desde un dispositivo con contenido estático (texto) o dinámico (texto y valores).
También contiene varios puertos de comunicación que proporcionan más flexibilidad y control. La familia GPRS/GSM ofrece la posibilidad de ampliar hasta 127 módulos vía I2C, lo que significa que puede tener hasta 7100 Entradas/Salidas en conexiones Maestro-Esclavo, además de sensores, etc.
3. Protocolos
3.1. HTTP & HTTPS
HTTP son las siglas de Hypertext Transfer Protocol (Protocolo de transferencia de hipertexto). Al introducir http:// en la barra de direcciones delante del dominio, se indica al navegador que se conecte a través de HTTP.
HTTP utiliza TCP (Protocolo de Control de Transmisión), normalmente a través del puerto 80, para enviar y recibir paquetes de datos a través de la web.
HTTPS son las siglas de Hypertext Transfer Protocol Secure (también conocido como HTTP sobre TLS o HTTP sobre SSL). Cuando se introduce https:// en la barra de direcciones delante del dominio, se indica al navegador que se conecte a través de HTTPS. Por lo general, los sitios que operan a través de HTTPS tendrán una redirección en su lugar, por lo que incluso si escribe http:// será redirigido a entregar a través de una conexión segura. HTTPS también utiliza TCP (Transmission Control Protocol) para enviar y recibir paquetes de datos, pero lo hace a través del puerto 443, dentro de una conexión cifrada Transport Layer Security (TLS).
HTTP y HTTPS pueden funcionar con WiFi, Ethernet y GPRS.
3.2. MQTT
MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) es un protocolo de red ligero de estándar abierto OASIS e ISO (ISO/IEC 20922) de publicación-suscripción que transporta mensajes entre dispositivos. Este protocolo de comunicación de automatización se ejecuta normalmente sobre TCP/IP; sin embargo, cualquier protocolo de red que proporcione conexiones ordenadas, sin pérdidas y bidireccionales puede soportar MQTT. Está diseñado para conexiones con ubicaciones remotas en las que se requiere una "huella de código pequeña" o el ancho de banda de la red es limitado.
MQTT puede funcionar con WiFi, Ethernet y GPRS.
3.3. Modbus
Modbus es un estándar abierto y un protocolo de red industrial que permite comunicaciones Maestro-Esclavo/Cliente-Servidor entre dispositivos. Fue desarrollado por Modicon y se utiliza ampliamente en el entorno de fabricación industrial para transferir E/S discretas/analógicas y datos de registro entre dispositivos de control. Modbus tiene muchas opciones de protocolo, pero las más comunes son Modbus RTU (Unidad Terminal Remota) y Modbus TCP/IP (Protocolo de Control de Transmisión).
En Modbus, el nodo maestro inicia sólo una transacción cada vez y los nodos esclavos sólo responden a las peticiones del nodo maestro. Modbus RTU es la implementación más popular, pero Modbus TCP/IP está ganando popularidad y puede que pronto la supere.
Modbus RTU
El modo Modbus RTU es la implementación más común; utiliza codificación binaria y comprobación de errores CRC. El protocolo RTU es un protocolo binario eficiente en el que cada ocho bits (un byte) de un mensaje contiene dos caracteres hexadecimales de cuatro bits. Cada mensaje debe transmitirse en un flujo continuo. El formato de cada byte (11 bits) en modo RTU es Sistema de codificación: binario de 8 bits, Bits por Byte: 1 bit de inicio, 8 bits de datos, el bit menos significativo se envía primero, 1 bit para completar la paridad, 1 bit de parada. Los paquetes Modbus RTU sólo sirven para enviar datos; no tienen la capacidad de enviar parámetros, como el nombre del punto, la resolución, las unidades, etc.
RTU es muy popular para las redes de control industrial, ya que existe desde hace mucho tiempo y hay mucho hardware y software que lo soporta.
Modbus RTU se utiliza habitualmente en la comunicación RS-485, pero también puede funcionar con RS-232.
Modbus TCP
Modbus TCP/IP es básicamente el protocolo Modbus RTU usando la interfaz TCP en una red Ethernet. La estructura de datos Modbus se define utilizando la capa de aplicación usada en el protocolo TCP/IP. El TCP, o protocolo de transporte, se utiliza para garantizar que los datos se reciben y envían correctamente, y el IP es la dirección y la información de enrutamiento.
Esencialmente, el comando Modbus TCP/IP es un comando Modbus RTU encerrado en una envoltura Ethernet TCP/IP. La ventaja de utilizar Modbus TCP/IP es el uso de equipos de red Ethernet existentes que están ampliamente disponibles y son rentables.
Comunicaciones y protocolos en la automatización industrial