Tres opciones de protocolo de comunicación para la interfaz HMI de las grúas puente: Profinet, EtherCAT o Modbus TCP
📌 Selección del protocolo de comunicación para la interfaz HMI de las grúas puente: para las grúas puente con PLC de Siemens, la opción preferida es Profinet IRT (ciclo de 250 μs a 1 ms); para las grúas puente con PLC de Huichuan/ Beckhoff, la opción preferida es EtherCAT (retardo mínimo ≤ 100 μs); para la modernización de grúas con PLC ya instalados, se recomienda Modbus TCP (el más versátil y sin costes de configuración).Los tres protocolos son compatibles con el sistema KR-HMI de Krud Heavy Industry, lo que permite cambiar de protocolo de comunicación con un solo clic en la interfaz de configuración de la HMI para adaptarse a diferentes marcas de PLC.
El protocolo de comunicación entre la interfaz hombre-máquina (HMI) de una grúa y el PLC es un factor clave que determina la velocidad de respuesta de la HMI y la frecuencia de actualización de los datos. La elección de un protocolo inadecuado puede provocar retrasos en la actualización de la HMI, desincronización de los datos o incluso la interrupción de la comunicación. Profinet, EtherCAT y Modbus TCP son los tres protocolos Ethernet más habituales en el ámbito de la automatización industrial, pero cada uno presenta ventajas e inconvenientes en el contexto de las grúas. En este artículo se realiza una comparación desde cinco perspectivas —ciclo de trabajo, mecanismo de transmisión, estructura topológica, coste de hardware y compatibilidad con la HMI— y se ofrecen recomendaciones para la selección del protocolo de comunicación de la HMI de las grúas.
1. Profinet IRT: la mejor opción para el ecosistema de Siemens
Profinet es el estándar de Ethernet industrial impulsado por Siemens, y el IRT (Isochronous Real-Time, modo isócrono) es su nivel más alto de tiempo real. El IRT logra una sincronización cíclica precisa mediante mecanismos de hardware: todos los dispositivos IRT envían y reciben datos siguiendo estrictamente una tabla de secuencias temporales durante un ciclo de comunicación, con una fluctuación cíclica inferior a 1 μs. Cuando la HMI de la grúa se comunica con el PLC S7-1200/1500 de Siemens a través de Profinet, el ciclo de actualización de datos de la HMI puede configurarse en 1 ms (sincronizado con el ciclo OB1 del PLC), lo que permite una actualización ”sin retardo” de parámetros clave como la carga, la altura y la velocidad en la HMI.
2. EtherCAT: la red Ethernet industrial con menor retardo
EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology), desarrollado por Beckhoff Automation, utiliza la tecnología de ”lectura y escritura sobre la marcha” (processing on the fly): cuando un paquete de datos pasa por cada estación esclava, esta lee o escribe los datos correspondientes en cuestión de microsegundos y lo reenvía a la siguiente estación. El ciclo de EtherCAT puede reducirse hasta los 100 μs (muy por debajo del límite mínimo de 250 μs de Profinet IRT), pero en el contexto de las HMI de grúas, la frecuencia de actualización de la HMI suele fijarse entre 1 y 5 ms (el límite de percepción del ojo humano respecto a los cambios en los datos de la HMI es de aproximadamente 16 ms/60 fps), la ventaja del bajo retardo de EtherCAT se manifiesta más en el bucle de control de los variadores de frecuencia que en las comunicaciones de la IHM.
3. Modbus TCP: la opción preferida para la modernización de las grúas existentes
Modbus TCP es, sin lugar a dudas, el protocolo de comunicación industrial más extendido a nivel mundial, y casi todos los PLC e HMI industriales lo admiten de forma nativa. Su ciclo de repetición oscila entre 5 y 50 ms (dependiendo del número de puntos de datos sondeados por la HMI y del tiempo de respuesta del PLC), lo que resulta más que suficiente para las necesidades de actualización de la HMI (a partir de 16 ms). La principal ventaja de Modbus TCP es su versatilidad y su configuración nula: en el caso de la modernización de grúas ya existentes, no es necesario añadir ningún hardware de comunicación ni bibliotecas de software en el PLC, ya que la HMI puede leer directamente las direcciones de los registros internos del PLC a través de Ethernet. Configuración predeterminada del sistema KR-HMI de Krude Heavy Industry en modo Modbus TCP: 50 puntos de datos de sondeo, ciclo de actualización de 20 ms y detección automática de la asignación de direcciones de los registros del PLC por parte de la HMI.
| Dimensiones de comparación | Profinet IRT | EtherCAT | Modbus TCP |
|---|---|---|---|
| Elaboración de normas | PI (PROFIBUS International) | Grupo Técnico de EtherCAT (ETG) | Organización Modbus |
| Velocidad de transmisión | 100 Mbps | 100 Mbps | 100 Mbps |
| Ciclo mínimo | 250 μs | ≤100 μs | 5 ms (típico) |
| Frecuencia de actualización típica de una HMI | 1 ms | 1 ms | 20 ms |
| Número máximo de estaciones secundarias | 256 | 65,535 | 247 (restricción de IP) |
| Coste del hardware de la HMI | Medio (requiere un chip Profinet) | Bajo (chip de esclavo EtherCAT: 30 ¥) | Mínimo (puerto Ethernet estándar) |
| Complejidad de la configuración | Alto (archivo GSD + configuración de secuencias) | Chino (archivo ESI + configuración del servidor principal) | Bajo (basta con la dirección del registro) |
| Gama de marcas de PLC | Con Siemens como principal proveedor | Beckhoff/Yukawa/Omron | Casi todas las marcas |
Proceso de toma de decisiones para la selección de modelos:El primer paso es confirmar la marca y el modelo del PLC de la grúa; el segundo, verificar la lista de protocolos Ethernet compatibles con el PLC; y el tercero, seleccionar según el principio de ”prioridad de compatibilidad con la marca del PLC”: los PLC de Siemens se combinan con Profinet, los de Huichuan/Beckhoff con EtherCAT, y las demás marcas o las adaptaciones de equipos existentes con Modbus TCP. El sistema KR-HMI de Krude Heavy Industry es compatible con los tres protocolos y permite su activación simultánea en una misma plataforma de hardware (la HMI cuenta con dos puertos Ethernet independientes: uno conectado a la red de control Profinet/EtherCAT y otro a la red de información Modbus TCP, utilizada para la recopilación de datos en la plataforma de big data). Para obtener más información sobre la combinación de protocolos de comunicación y control remoto, consulteSolución integral para la plataforma de control remoto de grúas puente。
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1 ms
Frecuencia de actualización de la HMI de Profinet
Sincronizado con el PLC OB1, fluctuación < 1 μs
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100 μs
Ciclo mínimo de EtherCAT
Tratamiento por etapas a lo largo de la red de tuberías
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20 ms
Frecuencia de actualización de la HMI Modbus
50 puntos de sondeo, remodelación de la infraestructura existente sin coste alguno
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100%
Cobertura de marcas de PLC
El KR-HMI de Krude es compatible con tres protocolos
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Dos puertos de red
Red de control HMI + red de información
Una red conectada al PLC y otra a la plataforma de big data
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1 día
Plazo de ejecución de la adaptación a Modbus
Instalación de la interfaz hombre-máquina (HMI) + configuración de las comunicaciones + puesta a punto
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4. Cambio de protocolo y soluciones de redes mixtas
En la práctica, puede darse el caso de que, dentro de una misma estación, las diferentes grúas utilicen PLC de distintas marcas (a medida que se van sustituyendo las grúas existentes). El sistema KR-HMI de Krude Heavy Industry admite la conexión simultánea de una sola HMI a dos protocolos diferentes, lo que se consigue mediante una configuración con dos puertos de red: el puerto 1 se conecta a la red de control Profinet/EtherCAT para la comunicación en tiempo real con el PLC, mientras que el puerto 2 se conecta a la red de información Modbus TCP para la integración con la plataforma de big data. La HMI incorpora un motor de conversión de protocolos que unifica los datos procedentes de diferentes PLC en un formato de etiquetas interno, de modo que la visualización en la interfaz no se ve afectada por los protocolos subyacentes. Diferencias en el retraso de los datos entre los distintos protocolos: el retraso de los datos de la HMI en el canal Profinet/EtherCAT es inferior a 5 ms, mientras que en el canal Modbus TCP oscila entre 20 y 50 ms (para datos no en tiempo real, como el número acumulado de elevaciones o las estadísticas de consumo energético, un retraso de 50 ms es totalmente aceptable).
El sistema KR-HMI de Krude Heavy Industry viene configurado de fábrica con el protocolo Profinet por defecto; al encenderlo por primera vez, se puede cambiar a EtherCAT o Modbus TCP a través de la interfaz de configuración. El proceso de cambio no requiere sustituir ningún componente de hardware, sino que basta con modificar la configuración del controlador de comunicaciones en el software de ingeniería de la HMI y volver a descargarlo para completarlo. Para obtener más información sobre el diseño de la interfaz HMI, consulteTres consejos para optimizar el diseño de la interfaz HMI de las grúas puente。
Ejemplo de configuración de Profinet en un entorno de grúas puente
Pasos para la configuración de Profinet tomando como ejemplo un PLC Siemens S7-1200 con KR-HMI: ① Crear un proyecto en TIA Portal → Añadir una CPU S7-1200 → Configurar la interfaz Profinet (dirección IP 192.168.1.10, máscara de subred 255.255.255.0, nombre del dispositivo ”kr-hmi-01”); ② Instalar el archivo de descripción del dispositivo GSD de la KR-HMI a partir del archivo GSDML → arrastrar la HMI a la vista de red → asignarle un nombre de dispositivo que coincida con la dirección IP; ③ Crear un bloque de base de datos (DB) en el PLC (por ejemplo, ”DB_HMI_Data») y definir las variables que la HMI necesita leer y escribir (carga, altura, velocidad, corriente, temperatura, estado de alarma, etc., unas 50 variables); ④ Seleccionar el controlador Profinet en el software de ingeniería de la HMI → importar la lista de variables exportada desde TIA → generar automáticamente la asignación de variables. Una vez completada la configuración, la frecuencia de actualización de la HMI es, por defecto, de 1 ms (coincide con el ciclo de sincronización OB85 del PLC), y el retardo de actualización de las variables medido es inferior a 3 ms. Un ingeniero con experiencia tarda aproximadamente 2 horas en completar todo el proceso de configuración (TIA Portal + software de HMI).
Ejemplo de configuración de EtherCAT en un entorno de grúas puente
Pasos para la configuración de EtherCAT tomando como ejemplo un PLC de la serie AC800 de Huichuan con KR-HMI: ① Crear un proyecto en AutoShop → Configurar el maestro EtherCAT (dirección IP 192.168.2.10, máscara de subred 255.255.255.0); ② Instalar el archivo de descripción del esclavo EtherCAT de la KR-HMI a partir del archivo ESI → Añadir la HMI como esclavo EtherCAT (la dirección del esclavo se asigna automáticamente); ③ Crear la asignación de PDO (objetos de datos de proceso): en la dirección de lectura del HMI, se leen datos de entrada de aproximadamente 100 bytes, como la carga, la altura, la velocidad, la corriente y la temperatura de la grúa; en la dirección de escritura del HMI, se envían datos de salida de aproximadamente 50 bytes, como el estado de los botones, el cambio de modo y los valores de configuración de los parámetros; ④ Seleccionar el controlador EtherCAT en el software de ingeniería de la HMI → configurar la tabla de mapeo de variables PDO. La principal ventaja de la configuración de EtherCAT es que no es necesario configurar por separado los intervalos de comunicación: el maestro EtherCAT realiza automáticamente la sincronización cíclica, y el ciclo de actualización de datos de la HMI coincide con el ciclo del bus EtherCAT (configuración típica de 1 ms). Krude Heavy Industry proporciona plantillas de configuración KR-HMI para los dos PLC mencionados (archivos de proyecto de TIA Portal + archivos de proyecto de AutoShop), que los ingenieros de los clientes pueden importar directamente para su uso, lo que reduce el tiempo de configuración inicial de 2 horas a 15 minutos. Las plantillas de configuración se pueden descargar en la página de documentación técnica de KR-HMI.
Práctica de modernización de una grúa puente existente con Modbus TCP: tabla de configuración de 50 puntos de datos
A la hora de adaptar la interfaz HMI de una grúa puente existente a Modbus TCP, la configuración de los 50 puntos de datos más habituales es la siguiente: carga (registro de retención 40001, unidad 0,1 t), altura de elevación (40002, unidad 0,1 m), posición del carro (40003-40004, unidad: mm, 32 bits), posición del carro (40005-40006, 32 bits), velocidad de elevación (40007, unidad: m/min), velocidad del carro principal (40008), velocidad del carro secundario (40009), corriente del motor en la fase U (40010, unidad: A), corriente del motor en la fase V (40011), corriente del motor en la fase W (40012), temperatura del motor (40013, unidad: °C), temperatura del aceite del reductor (40014), estado del freno (40015, bit 0 = freno izquierdo activado, bit 1 = freno derecho activado, bit 2 = desgaste del freno izquierdo fuera de límite, bit 3 = desgaste del freno derecho fuera de límite), estado del limitador de sobrecarga (40016, bit 0 = aviso 110%, bit 1 = parada 125%), tiempo de funcionamiento acumulado (40017~40018, 32 bits, unidad: minutos), número acumulado de elevaciones (40019~40020, 32 bits), consumo energético diario (40021, en kWh), códigos de fallo (40022), etc. No se necesita ningún programa de comunicación adicional en el PLC: la HMI puede leer directamente las direcciones de los registros internos del PLC. Krud Heavy Industry proporciona una plantilla de Excel con una tabla de mapeo de 50 direcciones Modbus (que cubre los datos habituales del PLC de la grúa 90%); el cliente solo tiene que introducir en la plantilla la dirección inicial de los registros de su propio PLC para completar la configuración en 15 minutos.
Preguntas frecuentes (FAQ)
Pregunta: ¿Es suficiente una frecuencia de actualización de 20 ms para Modbus TCP?
Respuesta: Es más que suficiente. El límite de percepción del ojo humano respecto a los cambios numéricos en la pantalla de la IHM es de unos 60 ms (16 fps), por lo que una frecuencia de actualización de 20 ms triplica ese límite. El cuello de botella de Modbus TCP en el contexto de una HMI para grúas puente no radica en la frecuencia de actualización, sino en el tiempo de respuesta del PLC: si el ciclo de exploración del programa del PLC es largo (por ejemplo, entre 50 y 100 ms), no servirá de nada configurar un sondeo rápido en la HMI. Se recomienda comprobar primero el ciclo OB1 del PLC antes de configurar la frecuencia de actualización de la HMI. El KR-HMI de Krude Heavy Industry tiene un ciclo de actualización predeterminado de 20 ms en modo Modbus TCP, lo que se adapta al PLC de la grúa 80% (ciclo OB1 típico de 10 a 50 ms).
Pregunta: ¿Se pueden utilizar conjuntamente EtherCAT y Profinet?
Respuesta: No se pueden utilizar ambos protocolos en el mismo cable de red (aunque ambos se basan en Ethernet, el formato de las tramas de datos y el mecanismo MAC son diferentes). Sin embargo, es posible configurar dos puertos Ethernet independientes en un mismo HMI para conectarlos, respectivamente, a los segmentos de red EtherCAT y Profinet. El KR-HMI de Krud Heavy Industry admite esta configuración, pero es necesario crear dos instancias independientes del controlador de comunicaciones en el software de ingeniería del HMI. Cabe señalar que no es posible intercambiar datos directamente entre los segmentos de red EtherCAT y Profinet (a menos que se utilice la asignación de etiquetas interna de la HMI); este diseño de aislamiento cumple además con los requisitos de seguridad de la red, es decir, el aislamiento físico entre la red de control y la red de información.
Pregunta: ¿Qué protocolos admite el PLC Mitsubishi FX5U?
Respuesta: Los PLC de la serie FX5U de Mitsubishi incorporan un puerto Ethernet y son compatibles de forma nativa con el protocolo SLMP (Seamless Message Protocol) y el protocolo MC específico de Mitsubishi; además, son compatibles con Modbus TCP (a través del bloque de funciones MB/TCP integrado). La frecuencia de actualización del SLMP es de aproximadamente 5 a 10 ms; su rendimiento es superior al de Modbus TCP, pero se limita a la comunicación entre dispositivos de Mitsubishi. El KR-HMI de Krude Heavy Industry se comunica con el FX5U a través de Modbus TCP. El proceso de configuración es el siguiente: Activar la función de servidor Modbus TCP en el FX5U → Configurar el número de puerto 502 → Crear el controlador Modbus TCP en el HMI → Configurar la asignación de direcciones de registros (los registros D de Mitsubishi se corresponden con los registros de retención de Modbus a partir de la dirección 400001).
Pregunta: ¿Qué ocurre si se interrumpe la comunicación con la HMI?
Respuesta: Cuando se interrumpe la comunicación con el KR-HMI, todos los controles de datos muestran ”—“ (sin valor numérico, para evitar que el operador lo interprete erróneamente como un 0), y el indicador de comunicación de la barra de estado superior del HMI cambia de verde a rojo y parpadea. La memoria local del HMI conserva los últimos datos válidos. Tras 5 segundos de desconexión, la HMI intenta automáticamente volver a conectarse (reintentando cada 2 segundos), al tiempo que aparece un cuadro de aviso de ”Interrupción de la comunicación” (no bloqueante; el operador puede hacer clic para cerrarlo y seguir consultando otras páginas). Una vez restablecida la comunicación, la HMI sincroniza automáticamente todos los datos desde el PLC (la actualización completa requiere entre 2 y 5 ciclos de actualización). Los protocolos Profinet y EtherCAT admiten la función ”Watchdog” (perro guardián); el PLC también puede supervisar el estado de la comunicación con la HMI y, en caso de anomalía en la HMI, mantener automáticamente el estado actual de la grúa en lugar de detenerla. El principio de diseño es que ”la HMI es solo una ventana de supervisión y no participa en los enclavamientos de seguridad”.
La selección del protocolo de comunicación para las HMI de grúas debe seguir el principio de ”prioridad a la compatibilidad con la marca del PLC”. El sistema KR-HMI de Krude Heavy Industry es totalmente compatible con los tres protocolos Profinet, EtherCAT y Modbus TCP, lo que permite que una sola HMI se conecte simultáneamente a la red de control y a la red de información. Si necesita la lista de compatibilidad de protocolos del KR-HMI (que incluye plantillas de configuración de comunicación para más de 30 marcas de PLC) o asesoramiento para la selección, póngase en contacto con el equipo técnico de Krude Heavy Industry.
