Tecnologies wireless en entorns industrials

La tecnologia sense fils va fer la seva entrada, primer, a les nostres llars, a través dels productes d'electrònica de consum, però ha arribat l'hora d'aplicar-la en el camp de l'automatització industrial, un procés que està donant els seus primers passos i que, cada dia que passa, deixa més clar el potencial del wireless a l'hora de donar resposta a les necessitats de la indústria.

La indústria de procés amb múltiples senyals repartides en àrees molt extenses és un clar exemple de necessitat de solucions sense fils.

Les tecnologies de ràdio sense fils ens permeten salvar obstacles difícils, recollir senyals en plantes molt extenses, en aplicacions mòbils com a alternativa a costosos sistemes de transmissió tipus cadenes portacables, anells rozantes, etc. o, simplement, resulta la millor opció quan el cable és més car. Però no totes les tecnologies sense fils són iguals i ara com ara cap d'elles dóna resposta a totes les necessitats. El tipus d'informació a manejar, la distància a la qual aquesta hagi de viatjar o la mobilitat dels autòmats en la planta, són elements a considerar a l'hora d'optar per una o una altra tecnologia. En aquest reportatge els expliquem les característiques de cadascuna d'elles i tractarem d'aclarir el panorama actual, marcat per la confusió davant la incessant pluja de sigles. Tots somiem amb un futur sense cables, però no es facin il·lusions; sí, el wireless és imparable, però es perfila com una opció de complement al cablejat convencional. Una planta industrial lliure de fils és, en aquests moments, una utopia; al cable li queda corda per a estona…

Les tecnologies de ràdio sense fils es vénen utilitzant en l'àmbit domèstic des de primers del nou segle, però la seva aplicació en els processos industrials es va produir amb posterioritat.

La major part de les tecnologies sense fils que s'utilitzen en l'entorn domèstic treballa a 433 megahertz; és, per exemple, la tecnologia que s'usa en els comandaments a distància o en els portones dels garatges. Es tracta de freqüències baixes, molt susceptibles a les interferències, sobretot quan hi ha molts equips operant en un espai reduït, com és el cas del sector industrial. A manera il·lustrativa val citar, que qualsevol dels elements de la soldadura per arc produiria interferències. Així doncs, aquestes tecnologies no resultaven vàlides per a l'entorn industrial.

Aquestes tecnologies tenen molt a aportar quan intervé el factor mobilitat. A les plantes industrials els autòmats van, vénen, rotan, pugen, baixen, els robots estan soldant i les pinces fan moviments a tot arreu

Des de fa no més de tres anys les tecnologies sense fils van començar a introduir-se en l'entorn industrial a través de la banda de freqüència ISM (sigles en anglès de Industrial Científica i Mèdica), de 2,4 gigahertzs i d'ús lliure a tot el món. Treballa en una freqüència molt elevada en la qual és molt difícil introduir interferències, element imprescindible quan parlem de processos en què intervinguin, per exemple, forns d'inducció o soldadura per arc.

Però ha estat la introducció massiva de les tecnologies sense fils tant en el sector domèstic com en les oficines, el que ha fet posbile l'aparició de solucions inalàmbriques avançades a preus reduïts. Aquesta evidència, al costat de l'estandardització promoguda per les empreses del sector de les telecomunicacions en l'àmbit de les comunicacions sense fils de curt abast (802.11, Bluetooth, ZigBee (1), RFID) ha permès una incipient penetració d'aquestes en els processos industrials .

Després del pas de la tecnologia analògica a la digital, la indústria té davant seu una nova revolució, un salt tecnològic que portarà de la tecnologia digital cablejada a la tecnologia wireless. ¿Donarà la indústria el pas definitiu? I, el més important, fer el pas comporta riscos, o són tot avantatges? Jutgin vostès.

(1) ZigBee és el nom de l'especificació d'un conjunt de protocols d'alt nivell de comunicació sense fil per utilitzar amb ràdios digitals de baix consum, basada en l'estàndard IEEE 802.15.4 de xarxes sense fils d'àrea personal (wireless personal area network , WPAN). El seu objectiu són les aplicacions que requereixen comunicacions segures amb baixa taxa d'enviament de dades i maximització de la vida útil de les seves bateries.

En principi, l'àmbit on es preveu que aquesta tecnologia cobri més força és en domòtica causa de diverses característiques que el diferencien d'altres tecnologies, com el seu baix consum, la seva topologia de xarxa en malla i la seva fàcil integració (es poden fabricar nodes amb molt poca electrònica).

Les experiències més primerenques del wireless en l'entorn industrial es van dur a terme fa aproximadament entre 5 i 6 anys, i al principi, es van utilitzar equips domèstics. El primer sector a adoptar les tecnologies sense fils va ser la indústria de l'automòbil i, en l'actualitat, les indústries més interessades en adoptar aquestes tecnologies estan sent les dels sectors petroquímics i del gas, la indústria química i la de pasta i paper, així com la de tractament d'aigües i aigües residuals. Així mateix, s'ha demostrat que les aplicacions wireless resulten molt interessants en la supervisió remota de pous de bombament de gas i petroli, estacions de gasoductes i plataformes de producció.

Les aplicacions sense fils són útils en qualsevol sector industrial i qualsevol tipus de planta, però, sobretot, resol un problema, fins ara insalvable, en el cas que hi hagi la necessitat de portar un senyal d'un costat a un altre i no sigui possible tirar un cap, en aquest sentit refineries de petroli, estacions de bombament o depuradores d'aigua, exemplifiquen l'espectacular aportació de les tecnologies sense fils.

D'altra banda, aquestes tecnologies tenen molt a aportar quan intervé el factor mobilitat. En les plantes industrials els autòmats van, vénen, roten, pugen, baixen, els robots van soldant i les pinces realitzen moviments a tot arreu, entre tant cal recollir els senyals i enviar-amb fiabilitat i precisió al sistema que controla tot el procés. Eliminar, per exemple, un cable de senyals que està permanentment en moviment i veient sotmès a desgast i trencament, constitueix un enorme avantatge. Com veiem, no és només una qüestió d'eliminar fils, sinó que la transmissió d'informacions procedents de dispositius de camp augmenta la fiabilitat de les instal·lacions i obre un vast camp a l'hora de dissenyar maquinària amb parts mòbils.

Pel que fa al tipus de dades a manejar, podríem classificar els requeriments de la indústria en tres nivells. La funció més simple serien els senyals punt a punt, que serveix per saber des d'un punt, si alguna cosa està activat o no en un altre punt a distància.

Després trobem la integració de senyals d'entrada i sortida sense fils integrades en un bus de camp; poder posar aparells que recullin els senyals de les parts mòbils de les màquines i les enviïn sense fils a l'estació central, augmenta la comoditat, la fiabilitat i la precisió en la mobilitat d'aquests dispositius mòbils. A l'estadi més complex es situaria la transmissió de dades, com ara càmeres de vigilància sobre Ethernet, autòmats comunicant-se entre ells o algú programant un autòmat des d'un portàtil.

En general els sistemes wireless són senzills d'implementar, ja que no requereixen programació i la configuració és mínima; estalvien temps, ja que la seva instal lació és molt més ràpida que la del cablejat convencional, estalvia diners, ja que evita la costosa obra del cablejat convencional així com equips i materials d'instal lació, i no tenen manteniment.

Un dels avantatges que la indústria de processos pot obtenir de les comunicacions wireless és la facilitat que aquestes ofereixen per a les tasques de diagnòstic, poder reunir informació de qualsevol punt del procés sense el cost dels cables i de la infraestructura que aquests necessiten, a més dels freqüents canvis que requereix la instal lació de cablejat, constitueix un dels majors beneficis. Un altre element significatiu és que, com els sistemes wireless no necessiten d'instal lació, prendre la decisió d'invertir-hi resulta més fàcil, ja que és possible implementar progressivament un sol transmissor wireless en diferents entorns i aplicacions. En aquest sentit cal comentar que una estació base wireless pot suportar 42 dispositius diferents per mesurar i monitoritzar variables com temperatures i pressions.

L'estàndard Bluetooth és una opció idònia per a les plantes de producció.

Un dels problemes més importants amb què es troben les empreses en el sector industrial és la cobertura fiable, ràpida i segura en grans extensions com magatzems i els seus voltants. En aquests entorns cablejar és difícil, ia més es requereix una solució que respongui de manera fiable a la reflexió dels materials com ara, obstacles en moviment o prestatgeries metàl·liques. A més, en molts casos és necessari estendre les comunicacions als voltants dels edificis o magatzems per poder accedir a les comunicacions a l'exterior. Tot això, sense duplicar infraestructures i amb el mateix sistema de gestió intuïtiu. La solució per estendre la cobertura en grans extensions disminuint el cablejat és mitjançant mallat, ja que només cal que tinguin connexió a cable un reduït nombre de punts d'accés. No obstant això, l'ample de banda, i per tant la velocitat a la qual els usuaris es comuniquen, es pot veure afectada per cada "salt" en aquesta topologia. Les empreses proveïdores de solucions sense fils ja s'estan ocupant de solucionar aquests inconvenients. Un altre aspecte en el qual els proveïdors treballen és en la millora de la fiabilitat en les comunicacions, especialment en entorns hostils, com obstacles i metalls, mitjançant complexos mecanismes de combinació de senyals que potencien la recepció i l'emissió en les comunicacions.

Interferències i fenòmens atmosfèrics

Determinats fenòmens atmosfèrics influeixen en el senyal, com és el cas de la pluja, una pluja copiosa, d'aproximadament 50l per m_ / h, es correspon amb una atenuació 0,02 dB / km. Un altre exemple és el vent. El vent fort no influeix sobre el senyal de ràdio però sí que pot tenir un efecte mecànic sobre les antenes. Un petit desplaçament d'aquestes d'uns pocs cm pot suposar la pèrdua de l'enllaç de ràdio ja que aquest desplaçament es tradueix en metres a diversos quilòmetres de distància.

Perquè en diuen WiFi quan volen dir WLAN

En realitat, Wi-Fi és una marca de la Wi-Fi Alliance (anteriorment la WECA: Wireless Ethernet Compatibility Alliance), l'organització comercial que adopta, prova i certifica que els equips compleixen els estàndards 802.11. Wi-Fi és un segell que serveix per certificar que un producte compleix amb els estàndards 802.11. WiFi fa referència al sistema de comunicació WLAN, l'alternativa sense fil a les xarxes LAN cablejades, en definitiva a una xarxa sense fils d'àrea local.

Bluetooth s'ha convertit en una tecnologia ideal per al sector fabril, ja que ofereix fiabilitat, rapidesa i seguretat de les dades, que viatgen encriptades, i treballa en distàncies mitjanes i curtes fins a 500 metres. Es tracta d'una tecnologia molt robusta, que suporta interferències perquè va saltant d'un canal a un altre constantment (1.600 vegades per segon), entre els 79 de què disposa, això permet que en un entorn molt petit puguin treballar simultàniament molts aparells. L'inconvenient de Bluetooth és que va ser dissenyat per a l'àmbit domèstic (es va idear per eliminar els cables entre els telèfons mòbils, ordinadors portàtils i altres dispositius informàtics i de comunicació dins d'un radi de 10 metres) i emet a una potència molt baixa, a 100 milivatios, que és el màxim permès a Espanya. Així mateix, la seva eficiència depèn de l'aparell així com de les condicions ambientals. D'altra banda, l'ample de banda en Bluetooth no és molt elevat, així de dur dades a 1 megabit per segon, com a màxim, és suficient per a la comunicació punt a punt o en bus de camp, però quan es necessita ample de banda aquesta tecnologia no és la més recomanable.

Sabia que ...

El nom de Bluetooth ve de Harald Bluetooth, un Víking i rei de Dinamarca entre els anys 940-981, que va unir Dinamarca i Noruega, i que va ser reconegut per la seva capacitat d'ajudar a la gent a comunicar-se?

El WLAN, o xarxa d'àrea local sense fils, popularment anomenada Wi-Fi, té com a major avantatge la seva gran ample de banda, el que permet donar cobertura a xarxes molt àmplies, ideal quan es requereix itinerància (2) o roaming, com en el control de carretons amb palets, per exemple. Treballa en una banda de freqüència de 4 gigahertzs, però només té 13 canals, enfront dels 79 de Bluetooth, encara que es tracta de canals molt grans. Quan un aparell transmet via WLAN es queda dins del mateix canal (les dades viatgen en tot moment a través d'un únic canal), de manera que quan hi ha una interferència s'espatlla una seqüència del senyal. A més, WLAN només permet l'ús de tres canals de manera simultània.

(2) La itinerància (en anglès, i popularment, roaming) és un concepte utilitzat en comunicacions sense fils que està relacionat amb la capacitat d'un dispositiu per moure's d'una zona de cobertura a una altra. El concepte de roaming o itinerància, quan és utilitzat en les xarxes Wi-Fi, significa que el dispositiu Wi-Fi client pot desplaçar i anar registrant en diferents bases o punts d'accés.

Bluetooth

Característiques

El Bluetooth és un sistema amb un estàndard ben establert (estandarditzat segons IEEE 802.15.1), treballa en una banda de freqüència de 2.4 GHz i poden usar-se globalment gratuïtament i sense llicència. Es tracta d'una tecnologia de transmissió ràpida FHSS, amb 79 canals i 1.600 salts de freqüència per segon, el que fa d'ell un sistema molt fiable en entorns industrials.

L'estàndard Bluetooth ofereix un alt grau de seguretat de les dades (encriptació de 128 bits, autentificació i aparells ocults). Així mateix, treballa amb regulació automàtica de potència de transmissió i disposa de correcció d'errors integrada (FEC), al voltant d'un 1.2% BER (taxa d'error de bits), de manera que la necessitat de repetició de paquets està virtualment eliminada.

WLAN

Característiques

Estandarditzat segons IEEE 802.11, el WLAN és també un sistema estable, que treballa en bandes de freqüència de 2.4 GHz i 5 GHz i, com en el cas del Bluetooth, pot usar-se globalment gratuïtament i sense llicència. Amb tecnologia de transmissió DSSS, compta amb entre 11 i 13 canals, 3 dels quals no es solapen.

El WLAN ofereix un molt alt grau de seguretat de dades, gràcies als mecanismes d'encriptació i autenticació, una transmissió transparent de protocols IP, i un gran ample de banda, fins a 54 Mbps (aproximadament 25 Mbps net).

Així, veiem que la idoneïtat d'aquestes tecnologies ve determinada pel tipus d'aplicació. En aquest sentit Jordi Forn, gerent de Forn Valls, SA ens posa com a exemple l'enllaç d'un interruptor de posició o un interruptor de pedal, que "sol fer-ens explica-mitjançant Bluetooth, de manera compacte, econòmic i pel baix consum de l'emissor". Per la seva banda Álvaro García-Sampedro, cap de producte de Phoenix Contact, exposa sobre WLAN que "es tracta d'una tecnologia que funciona molt bé per enviar grans volums de dades, però per manejar petits paquets d'informació no val la pena malgastar un canal tan ample. "

I què hi ha de WiMax?

WiMax significa Worldwide Interoperability for Microwave Access, (Interoperabilitat Mundial per Accés per Microones). És un estàndard de transmissió sense fil de dades (802.16 MAN) que proporciona accessos concurrents en àrees de fins a 48 km de radi ia velocitats de fins a 70 Mbps, utilitzant tecnologia que no requereix visió directa amb les estacions base.

WiMax és un concepte semblant a Wi-Fi però amb major cobertura i ample de banda. Wi-Fi va ser dissenyat per a ambients sense fil interns com una alternativa al cablejat estructurat de xarxes i amb capacitat sense línia de vista de molt pocs metres. WiMax, per contra, va ser dissenyat com una solució d'última milla en xarxes metropolitanes (MAN) per a prestar serveis a nivell comercial.

Tecnologia d'Identificació per Radiofreqüència

Encara que la tecnologia d'identificació per radiofreqüència RFID ja està sent implantada en entorns industrials, especialment en aplicacions com el control de la cadena de subministrament i producció, el seu ús s'ha estès també als controls de seguretat gràcies a les possibilitats que ofereix. Les funcionalitats d'ubicació aplicades a la tecnologia RFID permeten emetre alarmes i saber el punt exacte on s'han produït. Aquesta facilitat pot aplicar tant a la protecció de persones com a les tasques de manteniment. Una de les aplicacions amb més èxit consisteix en la implementació de RFID actiu per al control de maquinària mòbil o per garantir que no es produeixen pèrdues d'inventari valuós. Si un actiu sobrepassa un límit, es pot enviar una alarma i prendre acció en aquest precís moment. De la mateixa manera, pot ubicar maquinària mòbil evitant recerques innecessàries.

Aplicació wireless a la planta de Volkswagen a Pamplona.

Els anuncis continus de millores en les tecnologies sense fils, com l'augment de velocitat de WLAN fins a arribar a les prestacions de WiMax, o l'increment en la velocitat de dades de Bluetooth, que s'integrarà en el rang Gigabit, provoquen certa confusió i això paralitza l'abordar la decisió d'incorporar un canvi tecnològic en un sector com el de processos industrials, de per si, conservador. No obstant això, no n'hi ha prou amb llançar al mercat una tecnologia millorada sinó en l'adopció de les tecnologies per part dels usuaris, o el que és el mateix, en el poder de mercat de les empreses que ofereixen aquestes tecnologies i en les aliances estratègies associades.

En aquest sentit, WLAN i Bluetooth estan molt bé posicionades, es tracta de tecnologies amb estàndards estables i sòlidament establerts, que s'han imposat en el mercat a través de l'electrònica de consum i en l'empresa, requisits necessaris perquè una tecnologia s'adopti en l'automatització industrial. Només una vegada garantida la viabilitat de la tecnologia i la seva disponibilitat a baix cost és que aquesta tecnologia entra a la indústria. Perquè una tecnologia sigui adoptada, doncs, per sector industrial ha de tenir la garantia d'un estàndard estable, haver demostrat la seva efectivitat després d'haver estat posada a madurar en el mercat del gran consum i estar prou amortitzada per disposar-ne a preus raonables.

Avui s'estan duent a terme nombroses investigacions amb nous sistemes sense fil, però a aquests encara els queda per resoldre gran nombre de qüestions reguladores, demostrar les seves prestacions en el terreny pràctic i solucionar els problemes que sorgeixen d'operar en la mateixa banda de freqüència que altres sistemes sense fil, de manera que no val la pena esperar que arribin, al cap ia la fi, està clar que WLAN i Bluetooth han arribat per quedar-se.