Protocols de Comunicacions Industrials¶

Introducció¶

Què són els protocols industrials?¶

Un protocol de comunicació industrial és un conjunt de regles que defineixen com els dispositius d'un sistema d'automatització (PLCs, sensors, actuadors, HMIs, SCADA) intercanvien informació. A diferència dels protocols IT convencionals, els protocols industrials han de garantir:

Determinisme: Les dades han d'arribar en un temps que es pugui predir.
Fiabilitat: Tolerància a soroll elèctric i condicions adverses.
Temps real: Resposta dins de terminis estrictes (mil·lisegons o microsegons)
Disponibilitat: Funcionament continu 24/7

Evolució històrica¶

1970s          1980s-90s           2000s              2010s-Actualitat
  │               │                  │                      │
  ▼               ▼                  ▼                      ▼
┌─────┐      ┌─────────┐      ┌────────────┐      ┌─────────────────┐
│Sèrie│  →   │Fieldbus │  →   │ Ethernet   │  →   │ IIoT / Indústria│
│RS232│      │Profibus │      │ Industrial │      │      4.0        │
│RS485│      │DeviceNet│      │EtherNet/IP │      │   OPC UA + TSN  │
└─────┘      │Modbus   │      │PROFINET    │      │   MQTT + Cloud  │
             └─────────┘      └────────────┘      └─────────────────┘

Comunicació sèrie (1970s): Connexions punt a punt amb RS-232/RS-485. Simples però limitades en distància i nombre de dispositius.

Fieldbus (1980s-90s): Xarxes industrials dedicades (Profibus, DeviceNet, Modbus RTU). Permetien connectar múltiples dispositius en un bus compartit.

Ethernet Industrial (2000s): Adaptació d'Ethernet estàndard per entorns industrials. Aprofita infraestructura IT existent i permet velocitats més altes.

IIoT i Indústria 4.0 (2010s-actualitat): Convergència IT/OT, connectivitat al núvol, i estàndards com OPC UA amb TSN per temps real sobre Ethernet estàndard.

Model de capes en protocols industrials¶

Els protocols industrials s'organitzen sobre el model OSI, però amb adaptacions específiques:

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  Capa 7 - Aplicació                                             │
│  ┌─────────┐ ┌─────────┐ ┌──────┐ ┌────────┐ ┌────────────────┐ │
│  │ Modbus  │ │  FINS   │ │ CIP  │ │ OPC UA │ │ S7 (Siemens)   │ │
│  └─────────┘ └─────────┘ └──────┘ └────────┘ └────────────────┘ │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  Capa 4 - Transport                                             │
│  ┌─────────────────────┐  ┌─────────────────────┐               │
│  │        TCP          │  │        UDP          │               │
│  └─────────────────────┘  └─────────────────────┘               │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  Capa 3 - Xarxa                                                 │
│  ┌─────────────────────────────────────────────┐                │
│  │                    IP                       │                │
│  └─────────────────────────────────────────────┘                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  Capa 2 - Enllaç                                                │
│  ┌─────────────────────┐  ┌─────────────────────┐               │
│  │  Ethernet estàndard │  │  PROFINET IRT/TSN   │               │
│  └─────────────────────┘  └─────────────────────┘               │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  Capa 1 - Física                                                │
│  ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌───────────┐ ┌──────────────────┐ │
│  │ 100BASE-TX│ │1000BASE-T │ │   Fibra   │ │ Industrial (M12) │ │
│  └───────────┘ └───────────┘ └───────────┘ └──────────────────┘ │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Diferències entre IT i OT¶

Aspecte	IT (Tecnologies Informació)	OT (Tecnologies Operació)
Prioritat	Confidencialitat	Disponibilitat
Latència	Tolerable (ms-s)	Crítica (µs-ms)
Cicle de vida	3-5 anys	15-20 anys
Actualitzacions	Freqüents	Poc freqüents
Fallades	Reinici acceptable	Inacceptable (seguretat)
Protocols	HTTP, SQL, REST	Modbus, OPC UA, PROFINET

Conceptes clau¶

Temps real vs Determinisme¶

Aquests dos conceptes estan molt relacionats però no són sinònims:

Concepte	Definició	Pregunta clau
Temps real	El sistema respon dins d'un termini definit (deadline)	Quan ha d'arribar la resposta?
Determinisme	El comportament del sistema és predictible i repetible	Com de predictible és el temps de resposta?

Temps real no significa "molt ràpid". Un sistema pot tenir un deadline d'1 segon i ser temps real si sempre compleix aquest termini. El que importa és la garantia de complir el termini, no la velocitat absoluta.

Determinisme és la propietat que permet aconseguir temps real. Un sistema determinista té un temps de resposta amb variació mínima (baixa jitter). Sense determinisme, no pots garantir deadlines.

              Temps de resposta (latència)

No determinista (Ethernet estàndard):
    ├──────────────────────────────────────────────────────►
    │    ○      ○  ○       ○           ○    ○        ○
    │  (variació alta - no pots garantir deadline)

Determinista (PROFINET IRT, EtherCAT):
    ├──────────────────────────────────────────────────────►
    │         ○○○○○○○○
    │       (variació mínima - pots garantir deadline)
              ▲
              └── Latència consistent

Relació pràctica:

Per tenir temps real, necessites determinisme
Pots tenir determinisme sense requisits de temps real (sistema predictible però sense deadlines estrictes)
Ethernet estàndard no és determinista perquè el temps d'accés al medi varia (col·lisions, congestió)

Tipus de temps real¶

Tipus	Comportament si falla el deadline	Exemple
Hard Real-Time	Fallada catastròfica del sistema	Control de moviment, airbag
Firm Real-Time	El resultat ja no és útil, però no és catastròfic	Vídeo en streaming
Soft Real-Time	Degradació acceptable de qualitat	Monitorització SCADA

Com s'aconsegueix determinisme en Ethernet?¶

Ethernet estàndard no és determinista. Les solucions industrials modifiquen el comportament:

Tecnologia	Mètode	Capa OSI
PROFINET IRT	Reserves de temps (time slots) a capa 2	Capa 2
EtherCAT	Processament "on the fly" sense store-and-forward	Capa 2
TSN	IEEE 802.1 - Prioritats, time-aware shaping	Capa 2
EtherNet/IP amb CIP Sync	Sincronització de rellotges (IEEE 1588 PTP)	Capa 3-4

Piràmide d'automatització i protocols¶

                    ┌───────────────┐
         Nivell 4   │   ERP/MES     │  ── HTTP, REST, SQL
                    │   (Gestió)    │
                    └───────┬───────┘
                            │ OPC UA, MQTT
                    ┌───────┴───────┐
         Nivell 3   │    SCADA      │  ── OPC UA, Modbus TCP
                    │  (Supervisió) │
                    └───────┬───────┘
                            │ EtherNet/IP, PROFINET
                    ┌───────┴───────┐
         Nivell 2   │  PLC / DCS    │  ── PROFINET, EtherNet/IP
                    │   (Control)   │
                    └───────┬───────┘
                            │ PROFINET, EtherCAT, IO-Link
                    ┌───────┴───────┐
         Nivell 1   │   I/O remota  │  ── Fieldbus, IO-Link
                    │  (Dispositius)│
                    └───────┬───────┘
                            │ Senyals elèctrics
                    ┌───────┴───────┐
         Nivell 0   │Sensors/Actuad.│  ── 4-20mA, 0-10V, Digital
                    │   (Camp)      │
                    └───────────────┘

Comparativa ràpida¶

Protocol	Capa	Port	Temps real	Seguretat	Complexitat
Modbus TCP	Aplicació/TCP	502	No	Baixa	Baixa
EtherNet/IP	Aplicació/TCP-UDP	44818, 2222	Sí (CIP Sync)	Mitjana	Mitjana
FINS	Aplicació/TCP-UDP	9600	No	Baixa	Baixa
OPC UA	Aplicació/TCP	4840	Sí (TSN)	Alta	Alta
PROFINET	Capa 2 + TCP/IP	-	Sí (IRT)	Mitjana	Alta

Modbus TCP¶

Protocol obert basat en l'arquitectura client/servidor. És l'evolució del Modbus RTU (sèrie) cap a Ethernet.

Característiques¶

Port: 502 (TCP)
Model: Client (Master) / Servidor (Slave)
Adreçament: Unit ID (0-255) + Registres (0-65535)
Format dades: Big-endian

Funcions principals¶

Codi	Funció	Descripció
01	Read Coils	Llegir sortides digitals
02	Read Discrete Inputs	Llegir entrades digitals
03	Read Holding Registers	Llegir registres de 16 bits
04	Read Input Registers	Llegir registres d'entrada
05	Write Single Coil	Escriure una sortida
06	Write Single Register	Escriure un registre
15	Write Multiple Coils	Escriure múltiples sortides
16	Write Multiple Registers	Escriure múltiples registres

Llibreries disponibles¶

Llibreria	Llenguatge	Rol	Llicència
pymodbus	Python	Client i Server	BSD
modbus-serial	Node.js	Client	ISC
jsmodbus	Node.js	Client i Server	MIT

Exemples complets amb Python i Node.js

Avantatges i inconvenients¶

Simple d'implementar
Àmpliament suportat
Obert i sense llicències
Sense seguretat integrada
No és temps real
Limitat a 65536 registres per tipus

EtherNet/IP (CIP)¶

Protocol industrial desenvolupat per ODVA. Utilitza CIP (Common Industrial Protocol) sobre TCP/IP i UDP/IP.

Característiques¶

Ports: 44818 (TCP), 2222 (UDP per I/O implícit)
Model: Productor/Consumidor i Client/Servidor
Suport: Allen-Bradley (Rockwell), Omron Sysmac, altres

Tipus de comunicació¶

Explicit Messaging (TCP): Peticions tipus request/response per configuració i diagnòstic
Implicit Messaging (UDP): Comunicació cíclica en temps real per I/O

Conceptes clau¶

Tag-based: Accés per nom de variable, no per adreça de memòria
Assemblies: Agrupacions de dades per comunicació eficient
CIP Objects: Model orientat a objectes (Identity, Connection Manager, etc.)

Llibreries disponibles¶

Llibreria	Llenguatge	PLCs suportats	Llicència
pycomm3	Python	Allen-Bradley	MIT
libplctag	C, Python, .NET	Allen-Bradley, Omron	LGPL/MPL
ethernet-ip	Node.js	Allen-Bradley	MIT
Kepware	Multi	Multi-fabricant	Comercial

Exemples complets amb Python i Node.js

FINS (Factory Interface Network Service)¶

Protocol propietari d'Omron per comunicació amb PLCs de la sèrie CS, CJ, CP i NX/NJ.

Característiques¶

Ports: 9600 (TCP/UDP)
Model: Client/Servidor
Adreçament: Àrees de memòria (D, W, H, A, E, etc.)

Comandes principals¶

Codi	Descripció
0101	Memory Area Read
0102	Memory Area Write
0501	Controller Data Read
0601	Controller Status Read
0401	Run/Stop

Àrees de memòria Omron¶

Codi	Àrea	Descripció
82	D	Data Memory
B0	W	Work Area
B1	H	Holding Area
00	CIO	Core I/O

Llibreries disponibles¶

Llibreria	Llenguatge	Llicència
omron-fins	Node.js	MIT
Socket raw	Python	-

📖 Exemples complets amb Python i Node.js

OPC UA (Unified Architecture)¶

Estàndard internacional (IEC 62541) per interoperabilitat industrial. Successor d'OPC Classic (COM/DCOM).

Característiques¶

Port: 4840 (per defecte)
Model: Client/Servidor i Pub/Sub
Seguretat: Certificats X.509, xifrat, autenticació

Arquitectura¶

┌─────────────────────────────────────────┐
│           OPC UA Application            │
├─────────────────────────────────────────┤
│     Information Model (Address Space)   │
├─────────────────────────────────────────┤
│  Services (Read, Write, Subscribe...)   │
├─────────────────────────────────────────┤
│   Security (Authentication, Encryption) │
├─────────────────────────────────────────┤
│        Transport (TCP, HTTPS, WSS)      │
└─────────────────────────────────────────┘

Address Space¶

Els nodes s'organitzen en un espai d'adreces jeràrquic:

Objects: Contenidors de variables i mètodes
Variables: Valors llegibles/escrivibles
Methods: Funcions executables
Views: Vistes filtrades de l'espai d'adreces

NodeId¶

Identificador únic de cada node:

ns=2;s=MyDevice.Temperature    (String)
ns=2;i=1234                     (Numeric)

Exemple amb Python (opcua-asyncio)¶

from asyncua import Client
import asyncio

async def main():
    async with Client("opc.tcp://192.168.1.100:4840") as client:
        # Llegir un node
        node = client.get_node("ns=2;s=Temperature")
        value = await node.read_value()
        print(f"Temperatura: {value}")

        # Subscripció a canvis
        handler = SubHandler()
        sub = await client.create_subscription(500, handler)
        await sub.subscribe_data_change(node)

        await asyncio.sleep(60)

class SubHandler:
    def datachange_notification(self, node, val, data):
        print(f"Canvi: {node} = {val}")

asyncio.run(main())

Eines útils¶

UaExpert - Client gràfic gratuït per explorar servidors
opcua-asyncio - Llibreria Python
node-opcua - Llibreria Node.js
open62541 - Implementació C open source

Avantatges i inconvenients¶

Seguretat integrada (certificats, xifrat)
Interoperabilitat multi-fabricant
Model de dades ric i extensible
Companion Specifications per sectors
Major complexitat d'implementació
Requereix més recursos computacionals

PROFINET¶

Protocol de Siemens basat en Ethernet industrial. Estàndard IEC 61158/61784.

Classes de comunicació¶

Classe	Nom	Cicle	Ús
CC-A	RT	10-100 ms	Automatització estàndard
CC-B	RT	1-10 ms	Aplicacions ràpides
CC-C	IRT	< 1 ms	Motion control, sincronització

Característiques¶

Capa 2 (IRT): Accés directe a Ethernet per temps real
TCP/IP (RT): Compatible amb infraestructura IT estàndard
GSD/GSDML: Fitxers de descripció de dispositius

Diferències amb EtherNet/IP¶

Aspecte	PROFINET	EtherNet/IP
Origen	Siemens	Rockwell/ODVA
Temps real	IRT (Capa 2)	CIP Sync
Configuració	GSDML (XML)	EDS
Adopció	Europa	Amèrica

Altres protocols¶

BACnet/IP¶

Protocol per automatització d'edificis (HVAC, il·luminació). - Port UDP 47808

DNP3¶

Protocol per sistemes SCADA en utilities (electricitat, aigua). - Port TCP 20000

MQTT¶

Protocol lleuger pub/sub per IoT. Molt usat per connectar dispositius industrials amb el núvol. - Port TCP 1883 (sense TLS), 8883 (amb TLS)

CoAP¶

Protocol REST-like per dispositius amb recursos limitats. - Port UDP 5683

Seguretat en protocols industrials¶

Consideracions¶

Segmentació de xarxa: Separar OT de IT amb firewalls i DMZ
Xifratge: Utilitzar TLS quan sigui possible (OPC UA, MQTT)
Autenticació: Implementar control d'accés
Monitorització: Detectar anomalies en el tràfic
Actualitzacions: Mantenir firmware i software actualitzats

Protocols i seguretat nativa¶

Protocol	Xifratge	Autenticació
Modbus TCP	No	No
EtherNet/IP	CIP Security	Opcional
FINS	No	No
OPC UA	TLS	Certificats
PROFINET	Classe 4	Opcional

Protocols de Comunicacions Industrials¶

Introducció¶

Què són els protocols industrials?¶

Evolució històrica¶

Model de capes en protocols industrials¶

Diferències entre IT i OT¶

Conceptes clau¶

Temps real vs Determinisme¶

Tipus de temps real¶

Com s'aconsegueix determinisme en Ethernet?¶

Piràmide d'automatització i protocols¶

Comparativa ràpida¶

Modbus TCP¶

Característiques¶

Funcions principals¶

Llibreries disponibles¶

Avantatges i inconvenients¶

EtherNet/IP (CIP)¶

Característiques¶

Tipus de comunicació¶

Conceptes clau¶

Llibreries disponibles¶

FINS (Factory Interface Network Service)¶

Característiques¶

Comandes principals¶

Àrees de memòria Omron¶

Llibreries disponibles¶

OPC UA (Unified Architecture)¶

Característiques¶

Arquitectura¶

Address Space¶

NodeId¶

Exemple amb Python (opcua-asyncio)¶

Eines útils¶

Avantatges i inconvenients¶

PROFINET¶

Classes de comunicació¶

Característiques¶

Diferències amb EtherNet/IP¶

Altres protocols¶

BACnet/IP¶

DNP3¶

MQTT¶

CoAP¶

Seguretat en protocols industrials¶

Consideracions¶

Protocols i seguretat nativa¶

Referències¶