Una máquina podría funcionar con el Ethernet de oficina, hasta el momento en que tiene que detenerse a tiempo. Los buses de campo y los protocolos de Ethernet industrial existen porque una línea de producción necesita garantías que una red pensada para el correo electrónico nunca tuvo que dar.

Cada pocos meses un comprador nos hace una pregunta razonable: ¿por qué necesita una máquina PROFINET, EtherNet/IP o EtherCAT, si la planta ya tiene una red Ethernet perfectamente válida y todos los dispositivos del mercado llevan un conector RJ45? Los cables parecen iguales, los conectores a menudo también, y el precio de un switch industrial frente a uno de oficina invita a sospechar que alguien está pagando por una etiqueta. La respuesta honesta es que el cable es la parte menos importante de la historia. Lo que vende un protocolo industrial no es velocidad ni ancho de banda. Es una promesa sobre el tiempo, y un conjunto de reglas sobre lo que ocurre cuando algo falla.

Antes de las redes: un par de hilos por señal

Para entender por qué existen los protocolos, conviene empezar por lo que sustituyeron. Hasta finales de los años ochenta una máquina se cableaba en paralelo: cada final de carrera, cada bobina de válvula y cada sensor analógico tenía su propio par de conductores hasta el controlador, una señal de 24 V para encendido y apagado, un lazo de 4–20 mA para una medida. Era sencillo y totalmente determinista —la señal estaba ahí en el instante en que el contacto se cerraba—, pero no escalaba. Una línea mediana podía llevar miles de conductores, cada uno una terminación que hacer, una etiqueta que mantener y una avería que buscar cuando un hilo se rompía dentro de una cadena portacables. El cableado costaba más que el controlador, y la documentación siempre iba una modificación por detrás.

Los buses de campo como PROFIBUS, que data de finales de los años ochenta, DeviceNet y Modbus, que es aún más antiguo, reunieron esos mazos en un único cable. Las estaciones de periferia descentralizada se colocaban junto a los sensores, y el controlador intercambiaba todos sus datos a través de un par trenzado en un ciclo fijo. Esa fue la primera promesa de una red industrial: cada dispositivo se leería y se escribiría dentro de un tiempo conocido y repetible. Las redes de oficina nunca tuvieron que hacer esa promesa, porque una página web que carga cuarenta milisegundos tarde no aplasta la mano de nadie.

Por qué el Ethernet normal no basta

Ethernet acabó imponiéndose en la planta por las mismas razones que en todas partes: es rápido, barato, universal y todos los ingenieros ya lo conocen. Pero el Ethernet estándar con TCP/IP se basa en el mejor esfuerzo. Una trama se entrega cuando los switches tienen hueco para ella, un paquete perdido se retransmite cuando la pila lo detecta, y el sistema operativo de cada extremo hace el trabajo cuando le llega el turno. En promedio es rápido. En el peor momento es impredecible, y un eje de movimiento o una función de seguridad se juzga por su peor momento, no por su promedio. Un accionamiento que recibe su consigna dos milisegundos tarde en uno de cada diez mil ciclos dejará una marca en la pieza, y nadie será capaz de reproducirla.

Los protocolos de Ethernet industrial conservan la capa física y sustituyen la parte que nunca se diseñó para este trabajo. PROFINET, mantenido por PROFIBUS & PROFINET International y normalizado en IEC 61158 e IEC 61784, es un buen ejemplo porque muestra abiertamente su estructura por capas. La configuración, el acceso a parámetros y el diagnóstico viajan por TCP/IP convencional, donde unos milisegundos de incertidumbre no importan. Los datos cíclicos de proceso viajan como PROFINET RT: tramas con su propio EtherType que evitan por completo la pila TCP/IP, se priorizan en los switches y llegan con tiempos de actualización de pocos milisegundos. Para el control de movimiento existe IRT, tiempo real isócrono, en el que el hardware de red reserva una ventana de tiempo en cada ciclo, de modo que se mantienen ciclos muy por debajo del milisegundo con una fluctuación del orden de microsegundos, sea cual sea el resto del tráfico que comparte el cable.

Qué define realmente un protocolo

El comportamiento temporal es solo la mitad. El mayor valor de un protocolo como PROFINET es que define cómo se describen los dispositivos, cómo se encuentran y cómo informan de los problemas. Cada dispositivo se entrega con un archivo GSDML, una descripción en XML de sus módulos, parámetros y mensajes de diagnóstico, que la herramienta de ingeniería importa para que el controlador sepa exactamente con qué está hablando. Los dispositivos se direccionan por un nombre en lugar de por un número que alguien ajustó en un panel frontal, y el controlador asigna la dirección IP a ese nombre durante el arranque. A partir de la clase de conformidad B, cada dispositivo conoce además a sus vecinos, de modo que el controlador dispone de un mapa de la topología real. El resultado práctico es una de las funciones más infravaloradas de la automatización: un electricista puede sustituir un módulo de E/S averiado por uno nuevo recién sacado de la caja, y el controlador reconoce el puerto en el que está conectado y lo configura, sin portátil y sin programador en el turno de noche.

El diagnóstico sigue la misma lógica. Un hilo roto, un cortocircuito en una salida, un módulo extraído con tensión o un cable con demasiados errores de transmisión se notifican como una alarma estructurada asociada a un dispositivo, un slot y un canal. La HMI puede indicar qué sensor de qué estación ha fallado, en lugar de que la máquina simplemente se pare y alguien tenga que recorrer la línea con un polímetro. Para un director de planta, ese es el verdadero retorno del protocolo. PROFINET no hizo las máquinas mucho más rápidas que los buses de campo anteriores. Las hizo capaces de dar explicaciones.

La misma estructura por capas transporta la seguridad. PROFIsafe funciona sobre el canal PROFINET estándar y lo trata como un canal no fiable: cada telegrama de seguridad lleva su propio número de secuencia, tiempo de vigilancia y suma de verificación, de modo que el receptor detecta un mensaje retrasado, repetido, corrupto o mal dirigido y la máquina pasa a un estado seguro. Ese principio de canal negro es lo que permite que una parada de emergencia, una cortina fotoeléctrica y un interruptor de puerta de protección compartan cable con la E/S normal y aun así alcancen SIL 3 según IEC 61508 y PL e según ISO 13849. La alternativa —un circuito de seguridad cableado aparte que recorre cada estación— es precisamente el tipo de cableado que los protocolos se inventaron para eliminar.

Por qué hay más de uno

Si el problema es común, la siguiente pregunta lógica es por qué la industria nunca se puso de acuerdo en una sola respuesta. En parte es ingeniería. EtherCAT, desarrollado por Beckhoff y gestionado hoy por el EtherCAT Technology Group, procesa una única trama al vuelo mientras pasa por cada dispositivo, lo que lo hace excepcionalmente rápido para movimientos estrechamente sincronizados. EtherNet/IP, respaldado por ODVA, transporta el modelo de objetos CIP sobre TCP y UDP estándar y encaja de forma natural en redes que ya gestiona el departamento de TI. CC-Link IE, POWERLINK y Modbus TCP eligieron cada uno un equilibrio distinto entre velocidad, coste y sencillez. Pero la mayor parte es historia y geografía. Un protocolo viaja con su plataforma de control: PROFINET domina donde dominan los controladores Siemens, lo que incluye buena parte de Europa y Turquía; EtherNet/IP es la opción por defecto en plantas construidas en torno a equipos Rockwell en Norteamérica; CC-Link es habitual en cadenas de suministro dirigidas desde Japón.

Para un fabricante de maquinaria, eso significa que el protocolo rara vez es una elección libre. Sigue el estándar de planta del cliente final, y una máquina que se envía a una planta de automoción alemana y su máquina hermana para una norteamericana pueden necesitar redes distintas alrededor de una mecánica idéntica. Por eso también OPC UA, que a menudo se presenta como un sustituto, se entiende mejor como otra capa. OPC UA es excelente para llevar información estructurada de la máquina a los sistemas MES y a la nube, y el trabajo que se desarrolla bajo el nombre OPC UA FX, junto con las redes sensibles al tiempo (TSN), busca llevarlo hasta el nivel de campo. Hoy, el lazo cíclico rápido dentro de una máquina lo sigue gestionando un protocolo de bus de campo, y OPC UA se sitúa por encima.

Qué significa al montar un cuadro

Un protocolo de red vive o muere en el armario de control, que es donde empiezan la mayoría de los problemas que luego nos piden encontrar. PROFINET funciona a 100 Mbit/s sobre cable apantallado de cuatro hilos, con conectores RJ45 dentro del armario y conectores M12 con codificación D en campo, y los segmentos de cobre están limitados a 100 metros. Las reglas son poco vistosas y decisivas: pantallas conectadas en ambos extremos y unidas a una barra equipotencial limpia, cables de red tendidos lejos de los cables de motor, topologías en línea lo bastante cortas como para que un dispositivo averiado no aísle media máquina, y un anillo con Media Redundancy Protocol allí donde la máquina no puede permitirse parar por un solo cable roto.

Tratamos la red como una parte dibujada de la máquina y no como algo que se añade al final. Los nombres de dispositivo, los rangos IP, las conexiones puerto a puerto y la ubicación de los switches pertenecen al modelo EPLAN, junto a la distribución de potencia, y el ensayo al final del montaje de un cuadro incluye la red: cada dispositivo encontrado con su nombre previsto, la topología coincidente con el plano y ningún error de transmisión bajo carga. Cuando la máquina se pone en marcha en la planta del cliente, ese registro es lo que convierte un fallo de comunicación impreciso en un puerto concreto de un switch concreto.

Así que la respuesta corta a la pregunta del comprador es esta. El Ethernet normal mueve datos. Un protocolo industrial mueve datos a tiempo, sabe qué es cada dispositivo de la red, dice con precisión qué ha fallado y transporta la seguridad por el mismo cable sin fiarse de él. Eso es lo que paga el sobrecoste de un switch industrial y de un cable verde, y en una línea que pierde dinero cada minuto que está parada, suele ser la parte más barata de toda la máquina.

— Equipo de ingeniería de GANI Engineering