Protocolos utilizados en Sistemas de Control Industrial: Desde sus inicios hasta la Raspberry Pi (Parte 1 de 2)

Desde mediados del Siglo XVIII, época en la que dio comienzo la revolución industrial, el ser humano ha basado gran parte de su economía en la industria. Con la llegada de las máquinas de vapor y los nuevos avances se logró optimizar la producción en el campo y desarrollar maquinas como los barcos de vapor o el ferrocarril para prescindir del esfuerzo de los trabajadores. 

Figura 1: Protocolos utilizados en Sistemas de Control Industrial:
Desde sus inicios hasta la Raspberry Pi (Parte 1 de 2)

Años después aparecieron los motores de combustión interna y la energía eléctrica, con la que se iluminaron las calles y lo que supuso un antes y un después en la historia de la humanidad. Sin embargo, no sería hasta 1908 cuando llegaría el invento que revolucionaria la industria parta siempre, la cadena de montaje. 

Figura 2: Cadena de montaje en Ford

Con este nuevo sistema de producción diseñado por Henry Ford (basado en ideas Tayloristas) se logró reducir los costes y acelerar la producción del Ford modelo T. Aunque este nuevo proceso de producción no tardase en dar lugar a numerosas huelgas por las condiciones y los salarios de los trabajadores ha ido evolucionando hasta la actualidad llegando a convertirse en la piedra angular de distintos sectores de la industria. 

Figura 3: Jerarquía de control de sistemas

Durante los comienzos de la industria las máquinas utilizadas en las cadenas de producción estaban basadas en la mecánica y la neumática. Gracias a los grandes avances del ultimo siglo, sobre todo en el campo de la electrónica, informática y robótica ahora es posible automatizar la inmensa mayoría de estos procesos de producción. Aquí es donde entran los protocolos de comunicación industrial, a continuación, os explicaremos que son, cómo funcionan y en qué consisten algunos de los protocolos de comunicación más utilizados en la actualidad. 

Protocolos de Comunicación Industrial 

Los protocolos de comunicación son esencia un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que forman parte de una red. Y estos son un punto fundamental en la seguridad de todo el proceso, y por eso es tan importante entender bien cómo se auditan y fortifican en sistemas de control industrial e infraestructuras críticas, como hemos visto en el caso de Ripple20.

Figura 4: Libro Infraestructuras Críticas y Sistemas Industriales:
Auditoría de Seguridad y Fortificación de Juan Francisco Bolivar

Al igual que las cadenas de producción estos protocolos han ido evolucionando con los años y con la llegada de microprocesadores cada vez más potentes. Una practica bastante común entre las empresas de nuestro país es el uso de células de trabajo individuales (sin comunicación entre sí). Cada una de estas células tiene una función concreta, pero forman parte de un mismo proceso de producción, esto hace imprescindible que haya un sistema de comunicación con el que coordinar el trabajo de las distintas células.

Figura 5: Estructura de una red de control con PLCs, actuadores y sensores

En la escala mas baja de este sistema de comunicación podemos encontrar los buses de campo, estos son sistemas de comunicación (o control) que simplifican enormemente los procesos de instalación y operación de máquinas y otros equipos como PLC´s, transductores, actuadores y sensores utilizados habitualmente en los distintos procesos de producción.

Desde hace varios años se ha trabajado en el desarrollo de un sistema de comunicación industrial universal con el que sea posible controlar todos estos dispositivos, sin embargo, no ha sido posible hasta la fecha. Los protocolos de control industrial mas conocidos son los siguientes:

Protocolo HART

Este protocolo se caracteriza por reunir información en formato digital a través de una señal analógica comprendida entre los 4 y los 20 miliamperios en corriente continua. La señal digital utiliza las frecuencias individuales de 1200 y 2200 hertzios que se asocian a los dígitos 1 y 0 (sistema binario) y que en conjunto crean una onda sinusoidal que se superpone al flujo de la corriente.

Como la seña promedio de este tipo de ondas es 0 no existe ningún elemento que interfiera con la señal analógica de 4-20 mA y es posible seguir utilizando la variación analógica para controlar el proceso.

Protocolo MODBUS:

Este es probablemente el protocolo más conocido de los que os hablaremos hoy, permite el control y supervisión de procesos SCADA (con control centralizado). Es capaz de recoger datos e información de distintos dispositivos como sensores de presión o humedad y comunicar los resultados a un ordenador. Cada dispositivo de la red cuenta con una dirección única para facilitar su identificación, a pesar de que en la red Modbus cualquier dispositivo pueda enviar ordenes lo habitual es que haya un dispositivo maestro que se encarga de dirigir a los demás dispositivos enviándoles ordenes concretas. 

Figura 6: Protocolo Modbus

Existen distintas versiones de este protocolo para puerto serie y ethernet (Modbus/TCP) y existe una gran variedad de módems compatibles con este protocolo además de algunas implementaciones para realizar conexiones Wireless (como en el caso de la Raspberry Pi, caso practico del que os hablaremos en la segunda parte de esta serie de artículos).

PROFIBUS (Process Field Bus):

En este caso no encontramos frente a un estándar de comunicaciones de alta velocidad para bus de campo, fue desarrollado por varias empresas alemanas a finales de los 80 (entre las que se encuentras Bosch o Siemens). Este protocolo cuenta con tres variantes:

+Profibus DP-V0: enfocado a sensores o actuadores que están conectados a un procesador o terminal. 

+Profibus DP-V1: enfocado la comunicación acíclica de datos, orientada a transferencia de parámetros, es muy utilizado en la industria química.

+Profibus DP-V2: enfocado a la comunicación entre aplicaciones mas complejas, como las células de proceso o dispositivos de automatización.

FF (Foundation Fieldbus):

Este es un protocolo de comunicación digital y de dos vías enfocado a la automatización de procesos y cuenta con dos variaciones:

+Fieldbus H1: proporciona alimentación y comunicación entre el host y los instrumentos de campo a través de cableado. Trabaja a una velocidad de 31,25 kbit/seg.

+Fieldbus HSE: Proporciona únicamente comunicación a sistemas que utilizan cableado ethernet estándar. Trabaja a una velocidad de 100 kbit/seg.

Figura 7: FieldBus

DEVICENET:

Por último os hablamos de Devicenet, este protocolo se utiliza habitualmente en el sector de la automatización para el intercambio de información entre dispositivos de control. A pesar de estar diseñado para conectar dispositivos en una red de bajo nivel también puede utilizarse para conectar algunos controladores o PLC´s de alto nivel. Su característica principal es que proporciona información adicional acerca del estado de la red en la que está desplegado (al igual que el sistema CAN Bus).

Ahora que ya sabes un poco mas acerca de los protocolos de control industrial te invitamos a que sigas la segunda parte de esta serie de artículos en la que explicaremos cómo es posible implementar algunos de estos protocolos en algunos dispositivos como la Raspberry Pi. Nos vemos en la segunda parte.

Autor: Sergio Sancho Azcoitia, Security Researcher en el equipo de Ideas Locas de CDCO