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Grandes, duros y conectados

Los avances de compatibilidad electromagnética en Ethernet transforman los vehículos industriales.

El coche autónomo ha atraído mucha atención y resulta prometedor de cara al futuro, pero no es el único tipo de vehículo que se automatiza. Los vehículos industriales y los camiones también esperar verse beneficiados con una mayor autonomía. Los vehículos industriales, como los utilizados en construcción, agricultura y transporte, suponen un gran reto para las tecnologías de comunicación desarrolladas actualmente para el coche, principalmente en cuanto al tamaño. Tanto por lo que respecta a la longitud o al perímetro, el cable de comunicaciones es mucho más largo que el coche. Para complicar aún más las cosas, una mayor longitud del cable implica un mayor potencial de verse expuesto a ruido medioambiental, lo cual afecta negativamente a su respuesta desde el punto de vista de la compatibilidad electromagnética (electromagnetic compatibility, EMC).

Autonomía de los vehículos industriales

Seguridad y eficiencia son dos ventajas que surgen de la autonomía en los vehículos de construcción. La seguridad se puede mejorar integrando sistemas de visión mediante cámaras que proporcionan visión en tiempo real de 360º en una excavación, por ejemplo, de forma que se reduce la interacción entre hombre y máquina. El control remoto de vehículos industriales es otra ventaja de la automatización para la seguridad. Un ejemplo sería la implementación de control remoto en la obra. Al retirar al operario del vehículo se elimina el riesgo sobre la persona. Otro incremento de la eficiencia tiene su origen en la integración de sistemas GNSS (Global Navigation Satellite Systems) con sensores de posición de las palas y sensores inerciales que pueden automatizar los trabajos sobre el terreno y agilizar su finalización. La eficiencia también es el objetivo de la autonomía en los vehículos agrícolas. Al combinar sistemas de cámaras y control de dirección se reduce la cantidad de cultivos dañados por los neumáticos.

Ello también permite aumentar la velocidad del vehículo debido a la precisión con la cual puede posicionar el vehículo, incrementando así el rendimiento de las cosechas y reduciendo el tiempo para realizar el trabajo. Finalmente, los camiones con remolque están integrando automatización. El año pasado se hicieron pruebas con un camión totalmente autónomo para entregar cerveza. Gracias a la integración de cámaras, LIDAR (Light Detection and Ranging) y otros sensores, el camión pudo conducir de forma autónoma a través de varios estados del oeste de EE.UU. que permiten la circulación de vehículos autónomos. Esta tecnología promete un enorme ahorro en los costes energéticos, mayor protección y un mayor aprovechamiento del vehículo. Para implementar estos avances de protección y eficiencia hacen falta comunicaciones en todo el vehículo y para largas distancias del cable. Examinemos las tecnologías más utilizadas en automatización y su compatibilidad con estos enormes vehículos industriales.

Tecnologías de comunicación

Para conectar los diversos subsistemas de vídeo, audio, sensores y telemática en los vehículos autónomos existen varias opciones a tener en cuenta actualmente; CAN, CAN- FD, LVDS, MOST® y Ethernet son los más destacados. Como hemos visto, hay que evaluar la longitud del cable para cada tecnología y su ancho de banda relacionado debido al enorme tamaño de estos vehículos. La Tabla 1 describe la velocidad de transmisión de las tecnologías de comunicación frente a la longitud de transmisión para su máximo ancho de banda. Si bien son adecuadas para datos se sensores localizados, las velocidades de transmisión de CAN y CAN-FD son demasiado bajas para transmitir vídeo. El vídeo comprimido 4k puede consumir más de 12 Mbps, considerablemente superior a CAN-FD. A medida que se añade más cámaras hace falta más ancho de banda. Un camión con remolque en EE.UU. puede medir hasta 18 metros de largo. Esto descartaría LVDS y 802.3bw (100Base-T1) como tecnologías que pueden transmitir vídeo sin repetidores o conmutadores. Esto solo deja dos opciones de comunicación capaces de alcanzar velocidades de transmisión elevadas a largas distancias: MOST y Ethernet con tecnología Quiet-WIRE®.

Compatibilidad electromagnética (EMC)

Para ser grande y duro hay que ser robusto en entornos adversos, lo cual significa ignorar la presencia de energía electromagnética en las proximidades. Y lo que es aún más importante, no se generan problemas correspondientes de EMC y pérdida de comunicaciones. Todas las tecnologías citadas son robustas; después de todo, por eso fueron seleccionadas para su uso en el automóvil. La Tabla 2 muestra los métodos de señalización con los que se añade robustez al cableado de cada tecnología. La tecnología Ethernet está en auge dentro de los vehículos industriales frente a otras tecnologías gracias a su respuesta de EMC, que es apreciable y bien conocida, a su elevado ancho de banda y, lo que es más importante, es una tecnología basada en estándares. Veamos cómo se ve afectada la respuesta de Ethernet ante EMC. Los componentes de EMC, emisiones y susceptibilidad, pueden provocar pérdidas de paquetes, es decir, la errónea transmisión de los datos o bien que no sean comprendidas por los nodos o enlaces. El origen de las emisiones podría estar en los circuitos electrónicos cercanos o los motores eléctricos que provocan ruido en los conductores de Ethernet. Para reducir la sensibilidad a esas emisiones, tecnologías como Quiet-WIRE mejoran la sensibilidad y el filtrado en el circuito receptor que incorpora el dispositivo, además de reducir la emisión de ruido en el transmisor. La técnica de inyección de corriente BCI (Bulk Current Injection) es un método que se utiliza a menudo para evaluar la inmunidad al ruido. La Figura 1 muestra las prestaciones de los receptores basados en Quiet-WIRE al utilizar el método BCI. Los datos confirman que para los receptores Quiet-WIRE las transmisiones están libres de ruido cuando se inyecta una corriente de ruido de 200 mA para todo el rango de frecuencia de 1 MHz a 400 MHz, superando así los límites de los fabricantes OEM. En cambio, los receptores que no utilizan la tecnología Quiet-WIRE sufren una significativa degradación de la recepción de señal de 9dBm, por lo que su repuesta es 10 veces peor. Otra ventaja de la tecnología Quiet-WIRE es el Indicador de Calidad de Señal, un valor numérico cercano a la relación señal/ruido y una medida de la longitud del cable, la calidad del cable y el ruido ambiental acoplado. Se puede supervisar en tiempo real y se puede utilizar para predecir un fallo de conexión o para asegurar que se cumplan los estándares de prestaciones para un funcionamiento muy fiable y seguro.

Conmutadores y capa física de Quiet-WIRE®

Se puede implementar una red Quiet-WIRE completa utilizado el dis positivo para la capa física KSZ8061 y el conmutador KSZ8567 de Microchip Technology. La Figura 2 muestra un diagrama de bloques para un vehículo industrial realizado con estos componentes. El KSZ8061 y el KSZ8567 tienen una patilla opcional de conexión que activa Quiet-WIRE durante su fabricación sin necesidad de software. No obstante, el filtrado se puede desactivar por software si se desea. Otra ventaja de la tecnología Quiet- WIRE es su compatibilidad con los dispositivos Ethernet estándar. Por ejemplo, se puede emplear un dispositivo Ethernet estándar como una herramienta de diagnóstico con el conmutador Quiet-WIRE y demostrar sus mejores prestaciones frente a Ethernet estándar por sí solo. Microchip dispone de 24 productos para Ethernet con tecnología Quiet-WIRE, entre ellos productos con homologación AEC-Q100 para temperaturas de hasta 105ºC.

Más duros

Ahora es posible conseguir un funcionamiento robusto y fiable en las aplicaciones más grandes y duras, como construcción, agricultura y camiones con remolque. Gracias al completo catálogo de productos de Quiet-WIRE que afrontan los principales aspectos relacionados con el diseño, como la longitud del cable, la velocidad de transmisión de los datos y EMC, se está llevando a cabo la integración de funciones autónomas en los vehículos. Quiet-WIRE y su respuesta hasta 10 veces mejor de EMC para una longitud del cable de hasta 80 metros será fundamental para abrir una nueva era de vehículos industriales más seguros y productivos.

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