Redes inalámbricas para las fábricas del futuro

Ya sea entre ellos, entre dispositivos móviles locales o la nube, o una combinación de los tres, existe una necesidad creciente de conectar dispositivos industriales en entornos de fabricación. Y, aunque los enfoques de cableado dominan actualmente, los beneficios de la conveniencia, la flexibilidad y la implementación rápida de arquitecturas nuevas e innovadoras están alimentando un fuerte aumento en la demanda de soluciones inalámbricas. De hecho, se estima que, en el sector de redes industriales, las tecnologías inalámbricas, que actualmente representan alrededor del 6% del mercado, crecen a una tasa interanual de alrededor del 32%. Y es probable que este crecimiento continúe a medida que avanzamos hacia un mundo de Industria 4.0 habilitado por IIoT, donde la transferencia segura y fiable de datos en áreas de trabajo industriales nunca ha sido tan importante.

Los estándares inalámbricos que se implementan en las fábricas actuales para acceder a servicios o conectar equipos y accesorios incluyen Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth de baja energía, ZigBee y Near-Field Communication (NFC). Cada uno de estos estándares tiene varias ventajas y limitaciones, que tienden a definir los tipos de roles a los que son adecuados.

Peter Lieberwirth, Vice President, Toshiba Electronics Europe.

Como era de esperar, el Wi-Fi es el más frecuente, sobre todo porque puede usarse para conectar grandes cantidades de dispositivos en la misma red y cubre hasta varias decenas de metros desde cada punto de acceso. La velocidad máxima de datos es de 54 Mbps para IEEE 802.11g, 72 Mbps hasta un máximo teórico de 600 Mbps para IEEE 802.11n, o de aproximadamente 500 Mbps a más de 1 Gbps con IEEE 802.11ac en la banda de 5 GHz. El uso no está medido, el acceso es generalmente gratuito y la configuración de una red Wi-Fi privada es fácil. Algunas desventajas son que se necesita una contraseña para unirse a una red Wi-Fi segura, mientras que las redes no seguras son vulnerables al acceso no autorizado. Todos los datos pasan por el punto de acceso, que por lo tanto representa un posible punto único de fallo, y los dispositivos conectados a la red no pueden comunicarse entre sí directamente.

Además, aunque el rendimiento nominal de datos es alto, lo que hace que el Wi-Fi sea una opción sólida para tareas que requieren gran cantidad de datos, como compartir archivos grandes o contenido multimedia, el rendimiento efectivo puede ser menor dependiendo de la cantidad de dispositivos conectados en la red. Además, el alto consumo de energía significa que el Wi-Fi no es ideal para dispositivos alimentados por baterías con energía limitada que están en el corazón del IoT, particularmente cuando solo se deben intercambiar pequeñas cantidades de datos.

Cuando se trata de tecnologías inalámbricas de corto alcance, las dos tecnologías que destacan son ZigBee y Bluetooth. ZigBee ha visto su aceptación en el ámbito industrial, sobre todo debido a su bajo coste y la capacidad de ofrecer comunicaciones ‘malla’ o de muchos a muchos (m2m). Sin embargo, la evolución actual del estándar Bluetooth más ubicuo, que incluye, ahora la capacidad de Bluetooth para admitir implementaciones de malla, implica que las implementaciones Bluetooth y, en particular, Bluetooth Low Energy (BLE) están ganando adeptos. Entre los beneficios que los seguidores de Bluetooth mencionan son velocidades de transmisión y eficiencia de codificación superiores, la capacidad de implementar soluciones de menor potencia y una mayor capacidad de recuperación en entornos RF ‘ruidosos’.

El estándar Bluetooth tiene un alcance inalámbrico de aproximadamente 10 metros y está diseñado para permitir la comunicación directa punto a punto entre dispositivos o enlaces de punto a multipunto. Sin embargo, la velocidad de los datos está limitada a 1 Mbps, y los dispositivos deben emparejarse antes de poder autorizar la comunicación. El intercambio de datos a través de Bluetooth requiere menos energía que el Wi-Fi, mientras que BLE, que está diseñado para conectar dispositivos pequeños como los puntos finales IoT, tiene un consumo de energía aún menor y un alcance mayor.

Bluetooth Mesh es una capacidad de comunicación m2m que está optimizada para redes de dispositivos a gran escala. Según el grupo Bluetooth Special Interest Group (SIG), la automatización de fábricas representa una gran oportunidad para las redes de malla inalámbrica ya que puede proporcionar soluciones de calidad industrial que abordan los problemas clave de fiabilidad, escalabilidad y seguridad. La fiabilidad radica en el hecho de que las redes de malla son inherentemente autocicables y no tienen puntos de fallo únicos, mientras que la escalabilidad está asegurada ya que miles de nodos pueden ser compatibles con el rendimiento a nivel industrial. Y las redes de malla pueden proporcionar seguridad de grado industrial contra todos los ataques conocidos.

Las redes de malla de Bluetooth pueden ampliar el alcance de comunicación efectivo y abordar el desafío de la comunicación a través de barreras físicas, mientras se mantiene bajo el consumo de energía en los nodos de los dispositivos individuales. Anteriormente, las transmisiones de alta potencia eran la principal técnica utilizada para abordar problemas tales como la interferencia de radio en un entorno de fábrica o la transmisión de señales a través de barreras tales como muros de hormigón gruesos. Este enfoque tenía limitaciones severas, y ha demostrado ser ineficaz para dispositivos alimentados por batería con restricciones de energía, así como entornos RF poco amigables.

Bluetooth Mesh es una capacidad de comunicación m2m que está optimizada para redes de dispositivos a gran escala.

Al proporcionar soporte para el nuevo estándar Bluetooth Mesh, los productos BLE pueden retransmitir, de manera privada y segura, mensajes a través de una red de malla en lugar de requerir una conexión punto a punto entre dispositivos. Esto aumenta el alcance y la fiabilidad de la comunicación BLE sin aumentar los requisitos de potencia.

Bluetooth también posee la clave para ‘balizas’, otra solución de comunicación inalámbrica cada vez más implementada en entornos industriales.

Las balizas Bluetooth aprovechan el bajo consumo de energía y la ubicuidad mundial de la tecnología BLE para funcionar de forma autónoma durante largos períodos de tiempo y transmitir pequeñas cantidades de información a dispositivos móviles u otras balizas en sus proximidades. Normalmente, la carga útil del mensaje es muy pequeña, suficiente para compartir una URL o ubicación. Una baliza Bluetooth se puede colocar en casi cualquier lugar y transmitir su presencia e identidad a dispositivos Bluetooth cercanos. Los datos pueden incluirse en la transmisión, lo que puede permitir que el dispositivo receptor, generalmente un teléfono inteligente o tablet, responda de varias maneras. Esto puede incluir la captura de información como unos pocos bytes de datos de un sensor contenidos en el mensaje de la baliza, o el inicio de una aplicación residente en el dispositivo receptor. El equipo receptor también puede tomar decisiones sobre cómo reaccionar, basándose en mediciones como la intensidad de la señal recibida. Un dispositivo móvil puede priorizar mensajes de varias balizas de acuerdo con la proximidad, por ejemplo, o un pequeño robot móvil puede usar indicaciones de intensidad de la señal para ayudarlo a navegar.

Es probable que la tecnología de balizas se emplee de varias maneras en la automatización de fábricas y entornos industriales. Los vehículos autónomos, por ejemplo, pueden moverse a través de las fábricas siguiendo las señales de las balizas, eliminando la dependencia de caras pistas o sensores de visión incorporados y un software de guía complejo. Una baliza conectada a activos tales como herramientas caras, permite que esos artículos se puedan encontrar dentro de un área de hasta 100 metros usando una aplicación de teléfono móvil, o puede ser la base para hacer sonar una alarma si la distancia excede un umbral preestablecido. Cuando se trata de almacenamiento y logística, se pueden conectar balizas para almacenar artículos o paquetes en un camión de reparto, lo que permite al personal identificar a cada uno individualmente mediante un dispositivo móvil.

NFC utiliza tecnologías desarrolladas originalmente para sistemas RFID destinados a escenarios tales como la gestión de la cadena de suministro, y opera en la banda de frecuencia de 13.56 MHz. El rango de comunicación es extremadamente corto (solo unos pocos centímetros) y el dispositivo de lectura responde solo a la tarjeta cercana durante el tiempo que está dentro del alcance. Como no se necesita emparejar, los enlaces pueden configurarse rápidamente sin interacción previa.

Se pueden obtener ventajas adicionales en lo referente a la seguridad exigida en los entornos industriales cuando se utilizan conjuntamente Bluetooth y NFC. El emparejamiento fuera de banda (OoB), por ejemplo, combina la seguridad inherente de NFC para establecer la conexión inicial y las comunicaciones abiertas de baja potencia de Bluetooth para admitir la transferencia de datos. Esto evita la posibilidad de escenarios de espionaje ‘man-in-the-middle’ e impide la conexión de dispositivos no deseados sin el conocimiento o permiso del usuario.

Ya sea Wi-Fi, Bluetooth, NFC o una combinación de protocolos, las comunicaciones inalámbricas industriales pueden ofrecer una serie de beneficios. Establecer conexiones entre piezas móviles, por ejemplo, es mucho más fácil sin cables, mientras que la comunicación a través de barreras como paredes o ventanas de observación también es más simple. Al mismo tiempo, el gran volumen de nodos que necesitan comunicarse en futuras arquitecturas Industria 4.0 hace que el cableado de todos y cada uno de los dispositivos sea cada vez menos práctico.

La buena noticia es que la implementación de diseños inalámbricos industriales se simplifica en gran medida por la disponibilidad de semiconductores que se han diseñado específicamente para ofrecer la funcionalidad que exige Internet industrial de las Cosas (IIoT). Muchos de los últimos CIs Bluetooth de baja energía, por ejemplo, incluidos los que admiten el estándar 5.0 más reciente, ya incorporan soporte para redes malladas, mientras que los dispositivos que combinan funcionalidad Bluetooth y NFC en un solo chip también están disponibles. El diseño rápido de balizas se puede lograr eligiendo soluciones altamente integradas que reúnan bloques RF y banda base BLE, núcleos de CPU ARM y periféricos en un solo dispositivo. Y, en la mayoría de los casos, esta tecnología de semiconductores está respaldada por la disponibilidad de software de aplicación, diseños de referencia y kits de desarrollo que aceleran aún más el diseño y la implementación.

"Ya sea Wi-Fi, Bluetooth, NFC o una combinación de protocolos, las comunicaciones inalámbricas industriales pueden ofrecer una serie de beneficios. Establecer conexiones entre piezas móviles, por ejemplo, es mucho más fácil sin cables, mientras que la comunicación a través de barreras como paredes o ventanas de observación también es más simple. Al mismo tiempo, el gran volumen de nodos que necesitan comunicarse en futuras arquitecturas Industria 4.0 hace que el cableado de todos y cada uno de los dispositivos sea cada vez menos práctico"