¿Cuáles son los estándares inalámbricos que hacen funcionar la Industria 4.0? | Revista Española de Electrónica
martes , agosto 4 2020
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¿Cuáles son los estándares inalámbricos que hacen funcionar la Industria 4.0?

Como consecuencia de la implementación de Industry 4.0 (Industria 4.0), más allá de las líneas Gigabit, la tecnología inalámbrica aumentará su protagonismo en los entornos industriales. La pregunta ya no es si, sino cómo y cuándo la tecnología inalámbrica tomará el control. Aquí están las respuestas más importantes.

Los estándares para la transmisión inalámbrica de los datos de medida y control se han desarrollado muchísimo, lo que está provocando que incluso los más críticos reconsideren sus posturas de “nuestro sistema debe operar – la tecnología wireless no es lo suficientemente segura”. Pero decidir qué estándar es el más apropiado depende de la aplicación.

Nivel de campo I: cerca de la pieza de trabajo, pero debe ser flexible, autosuficiente y sin mantenimiento

En las líneas de producción más recientes, uno se sorprende al observar los primeros sensores y actuadores que se gestionan sin cables ni contactos deslizantes. Ofrecen flexibilidad de instalación y, por lo tanto, permiten unas secuencias de movimiento totalmente nuevas en los procesos de fabricación. Anteriormente, una batería plana, que provoca una interrupción de la producción, ha sido la razón citada más a menudo para no instalar tales soluciones. Pero ahora los sensores y actuadores autoalimentados resisten el paso del tiempo. Con sus módulos de acumulación de energía, son capaces de convertir la luz ambiental o las diferencias de calor en la energía eléctrica suficiente para poder enviar paquetes de datos sobre conexiones inalámbricas de corto alcance, hasta unos pocos cientos de metros. Una unidad de almacenamiento de energía local garantiza una funcionalidad sin fallos durante semanas, si en cualquier momento no es posible recopilar la suficiente energía del entorno. Además del protocolo EnOcean Sub Ghz, también se encuentran disponibles Bluetooth 5 y ZigBee 3.0 en la banda de 2,4 Ghz para conectar en red los sensores y actuadores. La ZigBee Alliance parece haber aprendido de los errores del pasado. Así, la versión 3.0 está demostrando su popularidad no sólo en dispositivos como Amazon Echo, Philips Hue, Ikea Trådfri y Osram Lightfy, sino también – debido a sus especificaciones – en el sector industrial. Una combinación del módulo EnOcean compatible se encarga de la acumulación de energía con ZigBee.

La unidad inalámbrica – como la pila inalámbrica – se basa en un semiconductor suministrado por Nordic Semiconductor. Para las conexiones P2P directas o la interacción con un teléfono inteligente, tableta o portátil (laptop), Bluetooth se puede usar de igual modo y es totalmente autoalimentado. Si se requiere un mayor alcance o si, debido al plan de frecuencia, no es posible usar la banda de 2,4 Ghz in situ, el protocolo EnOcean de la EnOcean Alliance ofrece una alternativa probada. También despliega módulos EnOcean para tareas de conversión de energía y comunicación inalámbrica. Como distribuidor, Rutronik está trabajando estrechamente con EnOcean GmbH y la EnOcean Alliance, así como con Nordic Semiconductor. Esto significa que los desarrolladores del sector pueden encontrar una solución, incluso para adaptaciones específicas de software y problemas más complejos.

Nivel de campo II: siempre en recepción – entrelazando el interior de las instalaciones de la fábrica

En redes más grandes y complejas, donde las conexiones hacen uso de los sensores o los actuadores entre el gateway, el hub o un Edge computer, que parece la solución perfecta – porque es libre de mantenimiento y autosuficiente – pronto se alcanzarán sus límites. En particular con las topologías malladas (mesh) no sincronizadas, cada nodo inalámbrico debe estar permanentemente en modo “re cepción” con la misión de recibir los paquetes de datos entrantes y asegurar que se procesan de manera inmediata. Esto requiere el suministro permanente de energía más intensa. En el caso de los nodos inalámbricos estacionarios, se encuentran disponibles fuentes de alimentación cableadas, en tanto que para los nodos inalámbricos “flotantes”, la tecnología de carga Airfuel es la alternativa móvil que permite bastante más movimiento que la tecnología Qi. La mejor solución para cumplir los diferentes requisitos suele ser una batería tradicional. Muchos estándares inalámbricos, como Bluetooth Mesh, WiFi Mesh y ANT Blaze, tienen una historia basada en una topología en estrella y, durante unos pocos años, también se han suministrado en topologías malladas. ZigBee, Threat y algunos otros fueron diseñados desde el principio para una comunicación de red mesh. Aunque WiFi Mesh trabaja con una alimentación casi cero, el resto de sistemas mallados puede operar durante meses tras una recarga de batería. Al contrario de lo que sucede en aplicaciones en el hogar, donde ZigBee controla las fuentes de iluminación LED, parece evidente que Bluetooth Mesh sin enrutar establece el estándar para sistemas de iluminación industrial en almacenes, naves de producción, oficinas de plan abierto y auditorios. A diferencia del método convencional de dirigir específicamente los paquetes de datos, el flujo de datos asegura una reacción y un rendimiento particularmente rápidos.

A pesar de ello, los teléfonos inteligentes y dispositivos similares se pueden integrar en la red, proporcionando una gran ventaja con respecto a otros estándares inalámbricos que tienen que encontrar su camino al equipo TI vía el router. Bluetooth Mesh es una capa intermedia que, en teoría, se puede colocar en cualquier hardware Bluetooth 4.0. No obstante, debido al último sistema de fijación de precios establecido por el Bluetooth Special Interest Group, al diseñar un nuevo sistema, resulta una buena idea usar más hardware Bluetooth 5 o 5.1 actualizado. Rutronik suministra semiconductores con las pilas relevantes de STMicroelectronics, Redpine Signals, Nordic Semiconductor y Toshiba. Si usted prefiere una solución con circuitería de elevada frecuencia integral y certificación, puede elegir los módulos Bluetooth Mesh de Insight SiP, Garmin, Panasonic, Murata, Telit, Fujitsu, Minew y Redpine Signal.

Nivel de campo III: fuera del alcance visual, pero estrechamente conectado

En los puntos de transbordo como centros logísticos, estaciones ferroviarias y puertos, la tecnología wireless de largo alcance es el método preferido. De las tecnologías que usan bandas ISM públicas y libres de licencia, LoRa se ha consolidado en la mayoría de países de Europa Central. Francia y Países Bajos han confiado principalmente en Sigfox por su buena expansión de red. Sin embargo, en 2019 se produjo un cambio de tendencia: los estándares 4G Cat M1 y Cat NB1 para IoT de banda estrecha experimentaron un fuerte crecimiento, dependiendo de la región y la aplicación. Las fases de test iniciales ya se han mudado a la producción en serie. Aunque LTE-M se encuentra disponible para aplicaciones de rastreo con carga de celda, LTE NB1 usa todavía menos energía. No obstante, en muchos países la red se encuentra en un periodo de expansión y se está desplegando la tecnología wireless móvil de bajo consumo. Los proveedores alemanes de tecnología inalámbrica móvil se están concentrando en el mercado del metering. Como un contador de consumo eléctrico, gas o agua instalado permanece fijo, no existe necesidad de cambiar las celdas inalámbricas móviles durante una conexión. Los proveedores de otros países prefieren optar por aplicaciones de seguimiento para objetos en movimiento y han puesto el foco en la categoría M1 en expansión. Muchos fabricantes de módulos inalámbricos móviles soportan ambas redes; Rutronik dispone de las soluciones de Telit, Nordic Semiconductor, Murata, Telic, Advantech y, en breve, de otros franchise partners. Al igual que los módulos 2G, 3G y 4G convencionales, los transceptores LTE M1 también se suelen combinar con un sistema global de navegación por satélite (GNSS – Global Navigation Satellite System) en una misma cubierta porque están destinados a rastrear y monitorizar la posición y el movimiento de contenedores, vehículos, productos de gama alta, personas y animales.

La ubicación tiene que ser definida y transmitida a través de la red inalámbrica móvil. Hace algunos años, GPS era un sistema de navegación que prácticamente no tenía competencia. Pero las alternativas GNSS aparecieron en forma de los sistemas Glonass (Rusia) y Beidou (China), sin estar todavía a la altura del sistema estadounidense. En 2019, el sistema europeo Galileo se abrió camino y ya está funcionando exitosamente en millones de teléfonos móviles desde hace un tiempo. A mediados de dicho año, se tomó la decisión de aumentar la precisión de rastreo disponible sin coste, por lo que Galileo ahora se encuentra por delante de GPS en cuestión del uso gratuito de datos de capa 1. Además, Galileo es el único sistema en proporcionar una función de autenticación. Esto asegura que las señales recibidas actualmente provienen de Galileo y no de una estación de transmisión “falsa”. Y Galileo también es el único sistema civil que opera dentro de un país democrático. Aun así, se recomienda a casi todos los usuarios que instalen tantos sistemas en paralelo como sea posible. Y como cada vez se utilizan más satélites, los receptores multi-GNNS más modernos pueden trabajar de manera más rápida, eficiente y precisa. Sin embargo, deberíamos estar preparados para futuros cambios y poder reaccionar si uno de los sistemas fallara. El módem NB1 o M1 disponible en el módulo se puede usar para modificar los parámetros del firmware. Para aquellas aplicaciones que usan GNSS con LoRa, Sigfox, WiFi o Bluetooth, es necesario contar con la correspondiente opción para acceder al nodo operativo de la unidad GNSS en el controlador host. Normalmente, resulta suficiente crear un comando de control NMEA y decir al receptor qué sistemas debería usar e ignorar. Esta funcionalidad remota siempre tiene que implementarse manualmente y, en el peor de casos, podría resultar desastroso para la aplicación, pero también podría ser un salvavidas o un protector del negocio.

Nivel de proceso: bienvenido a la WiFi de sexta generación

A nivel de procesamiento, todos los datos de las estaciones de trabajo individuales se recopilan juntos. A menudo, los datos recogidos en el sensor a nivel de campo no están del todo listos. Para obtener información de ellos, al menos, tiene lugar un procesamiento preliminar de los datos. En muchas aplicaciones es una ventaja poder usar esto para comparar varios datos de campo recibidos en paralelo. Se pueden configurar algoritmos de coincidencia de patrones que no sólo se comparan con patrones estáticos, sino que también necesitan ajustar constantemente su referencia. Para hacer frente a esto y con tareas informáticas intensivas similares, como norma general, se usan sistemas basados en x86 más fuertes. Aquí, la tendencia se dirige hacia la interconexión y en la dirección de nivel de sistema a tecnologías inalámbricas. No obstante, la sexta generación de WiFi no sólo es más rápida que las anteriores, sino que también se distingue por una mejor gestión de la conexión para los abonados, que resulta muy útil en escenarios de instalación profesional. Otro punto a su favor es la asignación de frecuencia mejorada con la red 5G en plena fase de lanzamiento. Con Intel como socio tecnológico, Rutronik ha podido suministrar a sus clientes soluciones WiFi 6 listas para el mercado desde el principio. En particular, hubo gran demanda de las tarjetas de PC m.2 para PC industriales, Panel PC y NUC. Nivel de sistema: está debajo de la localización La elección de la tecnología a nivel de sistema depende en gran medida de la complejidad y las circunstancias locales, como la extensión de la factoría o el plan de frecuencia operativa. Para operaciones dinámicas de menor tamaño, WiFi 6 puede ser una solución, mientras que para compañías de gran tamaño con instalaciones muy estáticas, una solución cableada – todavía – sería la mejor alternativa. En cuanto 5G se encuentre disponible y sea económico, también será necesario replantearse estas instalaciones.

Nivel operativo: aquí, la generación anterior todavía es una opción

Cuando se comunica entre diferentes plantas, la información está tan condensada de antemano que LTE es más que suficiente para lidiar con los requisitos de rendimiento de datos y periodos de latencia – incluso en empresas internacionales. Aquellas organizaciones que desean garantizar sus conexiones cableadas a internet in situ ya pueden trasmitir datos operativos claves con tecnología inalámbrica móvil a través de un router LTE. Donde los usuarios optan por un nivel de campo o se trata de datos de sensor individual, generalmente para las categorías LTE inferiores, es posible, a nivel operativo, elegir LTE categoría 6 o superior. El consumo de energía y el precio del módem están descuidados porque los ordenadores siempre rinden desde la red eléctrica y sólo se usan unos pocos módems LTE o routers LTE. Telit, Telic y Advantech suministran productos como tarjetas de PC, módems externos y routers. Por ejemplo, una solución total individual podría combinarlos con un servidor Intel o Asus, configurado con un módem LTE de Telit y una tarjeta WiFi 6 de Intel.

Más tendencias inalámbricas en automatización

A raíz de su éxito en teléfonos inteligentes para el consumidor final, una tecnología más está avanzando en los entornos industriales. La tecnología de 13,56 Mhz permite intercambios seguros entre un lector activo y un transpondedor pasivo, así como entre dos lectores activos. Dado que es compatible con la práctica totalidad de tabletas y teléfonos inteligentes modernos, hay hardware estándar económico; a menudo, no existe necesidad de desplegar dispositivos especiales más caros como una pistola RFID. Aparte del coste de hardware, esta alternativa también aporta beneficios de programación de software. Quien quiera usar RFID para distancias superiores o examinar varios transpondedores a la vez necesita utilizar otra frecuencia o echar un vistazo a los sistemas activos. En este caso, los transpondedores no se alimentan desde el campo electromagnético del lector, comunicando a través del acoplamiento de carga, pero tienen su propia fuente (normalmente, una batería o una fuente solar) y rinden en la banda de 2,4 Ghz basada en Bluetooth o en un protocolo inalámbrico similar. En proyectos donde no hay opción de emplear cableado fijo o acumulación de energía e incluso conexiones inalámbricas económicas como Bluetooth Low Energy, las baterías se agotan demasiado rápido, incrementando así el número de aplicaciones industriales que se decantan por el protocolo ANT. Por ejemplo, los primero sensores Time-of-Flight (ToF) estarán próximamente disponibles para cumplir los requisitos de creación de mapas de distancia de alta precisión, que necesitan muy poca energía. Además, ANT se encuentra disponible de fábrica en muchos teléfonos inteligentes Android y, con las soluciones SoC multiprotocolo, puede transmitir tráfico de datos en redes Bluetooth sin incurrir en más gastos de hardware.

“ Innovación en Automatización” Usando la última tecnología inalámbrica

La serie “Innovation in Automation – Innovación en Automatización” de seminarios online ofrece vídeos informativos bajo demanda de los principales fabricantes de componentes electrónicos para la Industria 4.0. Muestran soluciones para las plantas industriales del futuro; los subtemas son inteligencia artificial, robótica y redes. Los seminarios también incluyen una presentación de Telit, proveedor de productos inalámbricos móviles, solucioneWs SIM M2M, sistemas de gestión de dispositivos IoT y tecnología inalámbrica de corto alcance, e Intel, fabricante de soluciones WiFi 6. Sólo hay que registrarse en www.rutronik.com/iia para ver los vídeos del seminario.



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