Buses de Comunicación en Entornos Industriales: Tipos, Topologías y Recomendaciones de Instalación

Los buses de comunicación industrial facilitan el intercambio de información entre dispositivos en fábricas, plantas de producción y otros entornos industriales. Los buses como Profibus, Modbus y Profinet permiten la integración de sensores, actuadores y controladores de forma eficiente y fiable, asegurando la transmisión de datos en tiempo real. En este artículo, hablaremos sobre los tipos de buses de comunicación más usados en la industria, sus topologías, recomendaciones de instalación, y una reflexión sobre el futuro de la comunicación inalámbrica en estos sistemas.

Tipos de Buses de Comunicación

1. Modbus RTU y Modbus TCP/IP: Modbus es uno de los protocolos más utilizados y existe en versión serial (RTU) y Ethernet (TCP/IP). Es un protocolo abierto y de bajo coste que permite la comunicación entre diversos equipos en un mismo sistema. Sin embargo, en Modbus RTU, la velocidad de transmisión es limitada (normalmente 9600-115200 bps) y no está diseñado para redes de gran escala.
2. Profibus: Desarrollado por Siemens, Profibus es un protocolo ampliamente usado en Europa. Profibus DP es ideal para redes de automatización rápidas (hasta 12 Mbps) y puede manejar longitudes de hasta 1200 metros con cables de alta calidad. Profibus PA, en cambio, se utiliza en áreas clasificadas y proporciona alimentación a los dispositivos conectados.
3. Profinet: Este protocolo de Siemens está basado en Ethernet y permite velocidades de transmisión superiores a 100 Mbps. Con características como la redundancia y la topología en anillo, Profinet es ideal para aplicaciones críticas donde la disponibilidad de la red es esencial.
4. EtherCAT: EtherCAT, un protocolo basado en Ethernet, destaca por su baja latencia y velocidad (hasta 100 Mbps), siendo ideal para aplicaciones de control de movimiento en tiempo real.
5. CANopen: Basado en el protocolo CAN (Controller Area Network), es común en la industria automotriz y en aplicaciones industriales. Permite una velocidad máxima de hasta 1 Mbps y es ideal para redes pequeñas debido a su simplicidad y bajo coste.

Topologías de Red

1. Topología en Bus: La topología en bus es la configuración preferida en buses de campo, como Modbus y Profibus, debido a su sencillez y eficiencia. Es especialmente útil para evitar rebotes de paquetes y problemas de sincronización. En este esquema, los dispositivos se conectan en serie y requieren terminadores en los extremos para evitar reflexiones de señal.
2. Topología en Estrella: Común en redes basadas en Ethernet, como Profinet y Modbus TCP/IP, la topología en estrella se centra en un switch o router que facilita la conexión de los dispositivos. Aunque no es la configuración más eficiente en términos de cableado, facilita el diagnóstico y la expansión.
3. Topología en Anillo: Utilizada en redes industriales basadas en Ethernet como Profinet y Ethernet/IP, esta topología permite una alta redundancia. En caso de fallo en un tramo del anillo, el sistema redirige automáticamente el tráfico, minimizando el tiempo de inactividad.
4. Topología en Malla: En entornos industriales que requieren una alta redundancia y conectividad inalámbrica, como redes WirelessHART o ISA100.11a, la topología en malla permite que cada nodo actúe como repetidor. Esto asegura una cobertura amplia y confiable, especialmente en áreas de difícil acceso.

Recomendaciones de Instalación

1. Gestión de Longitudes y Cableado:

• Longitud Máxima y Sección del Cable: Mantén las longitudes dentro de los límites recomendados por el protocolo (100 metros en Ethernet sin repetidores y 1200 metros en Profibus). Utiliza repetidores o amplificadores en redes largas y selecciona una sección de cable adecuada para evitar caídas de voltaje.
• En comunicaciones Modbus, utiliza Cable de pares trenzados apantallado. Longitud máxima 1200 metros. Resistencia final de línea de 120 Ohmios. Topología en bus con distancia en derivaciones máximas de 30 cm. Evitar configuraciones en estrella.

2. Protección frente a Interferencias Electromagnéticas (EMI):

• Apantallamiento y Conexión a Tierra: Usa cables apantallados y conéctalos a tierra en un solo extremo para evitar bucles de tierra. Esto es especialmente importante en entornos con alta EMI.
• Distancia de Separación: Mantén los cables de comunicación al menos a 30-50 cm de los cables de potencia y dispositivos generadores de EMI.
• Uso de Ferritas: Instala ferritas en los extremos de los cables para bloquear interferencias de alta frecuencia en entornos industriales complejos.

3. Conectores y Conexiones:

• Conectores de Alta Calidad: Utiliza conectores de calidad industrial con grados de protección IP65 o IP67 para entornos expuestos a polvo, humedad o vibraciones.
• Evitar Empalmes: Limita los empalmes en el cableado para reducir pérdidas de señal. En caso de ser necesario, usa conectores específicos para buses de comunicación.
• Etiquetado y Organización de Cables: Etiqueta claramente los cables para facilitar el diagnóstico y el mantenimiento, especialmente en redes grandes.

4. Protección frente a Sobretensiones:

• Supresores de Sobretensión (SPD): Instala dispositivos de protección de sobretensión en el cuadro eléctrico y en equipos clave. Utiliza SPD tipo 1 para protección principal y tipo 2 o 3 en áreas críticas.
• Filtro de Sobretensiones Transitorias (TVS): Emplea diodos TVS en líneas de datos sensibles, y descargadores de gas en zonas expuestas a picos de voltaje extremos, como instalaciones exteriores o expuestas a rayos.
• Puesta a Tierra y Apantallamiento Eficaz: Asegura una correcta conexión a tierra de todos los dispositivos de protección y el apantallamiento, lo que permite la descarga segura de sobretensiones.

5. Redundancia en Redes Críticas:

• Redundancia en Anillo: Implementa configuraciones en anillo en redes Ethernet industriales con switches que permitan conmutación rápida (como RSTP o ERPS).
• Configuración de Dispositivos Redundantes: Para aplicaciones críticas, instala dispositivos redundantes en puntos clave, asegurando que la comunicación no se vea interrumpida en caso de fallo.

6. Mantenimiento y Diagnóstico:

• Dispositivos de Monitoreo en Línea: Utiliza analizadores de red para monitorizar parámetros críticos en tiempo real, detectando caídas de señal o errores de transmisión.
• Puntos de Acceso de Prueba: Añade puntos de prueba para realizar diagnósticos sin necesidad de desmontar tramos de cableado, facilitando el mantenimiento y resolución de problemas.

Conclusión:

Una buena planificación de tu red de comunicaciones en entornos industriales, es clave para garantizar un buen servicio y un funcionamiento correcto del conjunto, de igual forma que se estudian y definen redes hidráulicas o redes eléctricas.

Prácticamente en todas las aplicaciones que nos encontramos día a día, existe un bus de comunicación de mayor o menor escala, y cada día será más importante que éste opere de forma eficiente y fiable, para garantizar la supervisión y poder hacer frente a posibles fallos o mantenimientos que se necesiten.

Con la llegada de tecnologías inalámbricas como WirelessHART y ISA100.11a, se prevé que en el futuro los sistemas de comunicación industrial sean cada vez más flexibles, seguros y fáciles de instalar. Estos protocolos permiten una topología en malla, donde cada dispositivo puede actuar como repetidor, ampliando la cobertura y simplificando las instalaciones. La tecnología inalámbrica mejorará significativamente la conectividad de los equipos, reduciendo el coste y tiempo de implementación en entornos de difícil acceso o con movilidad de dispositivos. A medida que las redes inalámbricas avancen, el mantenimiento predictivo y la gestión remota serán aún más accesibles, impulsando la eficiencia y conectividad en la industria del futuro.

Elaborado por: Manuel García Jiménez