Modelo OSI y Arquitectura de Redes Industriales: Fundamentos y Protocolos

Introducción al Modelo OSI

A principios de los años 80, existió un enorme crecimiento en el número y tamaño de las redes. Cada empresa desarrollaba tecnologías propietarias y privadas, lo que generaba un problema de imposibilidad de interoperar entre distintas redes. Por esto, la ISO (International Organization for Standardization) investigó diferentes modelos de red, a fin de encontrar un conjunto de reglas generales, y lanzó en 1984 el modelo OSI (Open System Interconnection).

El modelo OSI define una estructura en 7 capas. Su objetivo es permitir la comunicación entre aplicaciones que se ejecutan en diferentes equipos, sin importar las diferencias que existan entre ellos. Además, establece los servicios que debe proporcionar cada capa a la superior y las relaciones existentes entre ellas.

Niveles del Modelo OSI

Cada nivel desempeña una función bien definida según un protocolo (conjunto de reglas) e intercambia datos (virtualmente) con su nivel par del sistema remoto (comunicación entre pares). Los niveles definidos en el modelo son:

• Nivel físico: Procura la transmisión binaria transparente a través del medio físico y detalla sus especificaciones eléctricas y mecánicas.
• Nivel de enlace: Garantiza la fiabilidad binaria de la transmisión de datos entre equipos unidos por el mismo medio físico y la accesibilidad al mismo.
• Nivel de red: Responsable del encaminamiento de paquetes a través de una red de nodos intermedios.
• Nivel de transporte: Proporciona una comunicación de paquetes fiable extremo a extremo.
• Nivel de sesión: Establece los mecanismos necesarios para el control y sincronización de la comunicación entre aplicaciones de distintos equipos.
• Nivel de presentación: Se ocupa de la representación (formato) de los datos transmitidos. Garantiza el “entendimiento” entre las aplicaciones de los equipos comunicantes.
• Nivel de aplicación: Proporciona servicios y funciones para que los procesos de aplicación tengan acceso al entorno OSI.

No todos los protocolos implementan todos los niveles, siendo necesarios como mínimo los niveles físico y de aplicación.

Jerarquía en la Automatización Industrial

1. Nivel actuador-sensor

• Constituido por elementos que proporcionan información del proceso y efectúan la actuación (sensores, actuadores y pequeños sistemas de control).
• Gobernados por un “maestro” de niveles superiores.
• Volumen de datos pequeño con respuesta casi instantánea.
• Protocolos: AS-i y Modbus.

2. Nivel de campo

• Integrado por componentes inteligentes que intervienen directamente en el proceso (PCs industriales, robots, máquinas de control numérico, HMI).
• Representa el nexo entre las instalaciones y los equipos de automatización.
• Protocolos: Profibus y Profinet.

3. Nivel de célula

• Constituido por ordenadores con aplicaciones específicas para el control del proceso (estaciones de trabajo, PCs industriales).
• Interconexión de PLCs, PCs y equipos de visualización.
• Protocolos: Profinet y Ethernet industrial.

4. Nivel de control central o gestión

• Constituido por ordenadores de oficina y de ingeniería (servidores, estaciones de trabajo principales).
• Tareas de gestión: memorización de valores, optimización, planificación y control de la producción.
• Protocolo: Ethernet industrial.

Estándar PROFIBUS (PROcess FIeld BUS)

Es un estándar de bus de campo abierto diseñado para que dispositivos de automatización de diferentes fabricantes puedan integrarse en la misma red, desarrollado sobre el modelo OSI. Es uno de los buses con mayor implantación mundial en redes de célula y campo.

Ventajas principales

• Cubre necesidades de tiempo real.
• Versatilidad para comunicaciones complejas.
• Gran compatibilidad electromagnética y fácil configuración.
• Costes de conexión y cableado reducidos.

Arquitectura de comunicación

• Maestros (estaciones activas): Determinan la comunicación y pueden iniciar mensajes.
• Esclavos (estaciones pasivas): Elementos de periferia (E/S, transmisores) que responden a las peticiones del maestro.
• Acceso al medio híbrido: Utiliza paso de testigo entre maestros y comunicación maestro-esclavo.