El uso de tecnologías inalámbricas se alza como uno de los habilitadores clave de las fábricas digitales

Actualmente, el uso de tecnologías inalámbricas es, sin duda, uno de los habilitadores clave en el entorno de una Smart Factory. La hiperconectividad necesaria para que ‘todo conecte con todo’ abre la puerta a múltiples redes de características muy diferentes adecuadas a las necesidades de cada uso. La deseada llegada de una única red que unifique cualquier aplicación se hace de esperar o no llegará nunca. En el siguiente artículo, hablamos con los líderes de sus desarrollos estratégicos al respecto.

PREGUNTAS

1. ¿Cuáles son, desde el punto de vista de su empresa, las mejores soluciones para la conexión sin cables de equipos en plantas industriales?

2. ¿Son posibles las ‘fábricas sin cables’?

3. ¿Llegaremos a desarrollar un único estándar de características múltiples que sea capaz de dar respuesta a cualquier caso de uso?

4. ¿Es el 5G el mejor acercamiento para ello o está lejos de convertirse en una solución de uso industrial?

5. Describa brevemente cuál es la apuesta tecnológica de su compañía a este respecto. 

1. Existen ciertas soluciones y tecnologías inalámbricas muy implantadas en industria como Trusted Wireless, Wifi o Bluetooth; también Lora, Zigbee, Enocean más todo lo resuelto con la infraestructura de radiotelefonía móvil (GPRS,3G,4G y ahora 5G). Todas ellas tienen sus virtudes y sus desventajas. La realidad es que, para todas las aplicaciones que resolvemos desde Phoenix Contact, siempre es necesario responder a las mismas preguntas:

• ¿Qué tipo de cable de comunicación vamos a sustituir (cable de señal discreta, de bus de campo basado en serie o en Ethernet)? 
• ¿Es una aplicación para instalación interior o exterior? 
• ¿Número de nodos a comunicar? 
• ¿Hay visibilidad directa entre los diferentes puntos? 

La tecnología que da una combinación buena de alcance, baja latencia y un ancho de banda tan grande sería sin duda la 5G. Pero, también sin duda, el coste de los puntos a conectar y de la infraestructura 5G va a ser superior a ninguna otra para aprovechar todas sus ventajas y aún no está suficientemente desarrollada a nivel de mercado. Por otra parte, estaríamos hablando de sustituir con 5G cable de comunicación Ethernet, para lo que en otro tipo de cable de señal o bus serie necesitaríamos pasarelas o multiplexores intermedios.

En el caso de Phoenix Contact, como solución exterior para sustituir cables de señal digital o analógica o cables de comunicación serie, tenemos Trusted Wireless para todo tipo de topologías, como la que existe en la mayor red Wireless de Europa, hecha en España en una refinería, con la que podemos conectar nodos dispersos a kilómetros y transmitir varios miles de señales permitiendo hacer redes privadas en bandas ISM libres con encriptación y una gran versatilidad en cuanto a topología. Sin embargo, no estaría habilitada para ultrabaja latencia y en muchas otras aplicaciones no tendría cabida como solución fiable. Por esta razón, para otras aplicaciones de conectividad en interior, tenemos equipos con tecnología WIFI o Bluetooth, ya que tienen mejor comportamiento a la hora de sustituir cables de bus basado en Ethernet, donde se necesitan tiempos de respuesta más bajos.

2. A día de hoy, si somos rigurosos, no. Seguimos necesitando cables para alimentar muchos equipos que actúan durante largos procesos de tiempo porque no es posible usar baterías, y también desde el punto de vista de la estabilidad de las comunicaciones es difícil sustituirlos en ciertas aplicaciones. Sin embargo, en los conceptos de nuevas fábricas, sí es posible tener cada vez una mayor presencia de tecnologías Wireless y, por tanto, menos cantidad de cable: estas tecnologías ya están muy contrastadas y es conocido que funcionan correctamente en ciertos tipos de aplicaciones de comunicación entre máquinas o AGV, otorgando mayor flexibilidad en la operación y no solamente el ahorro de cables.

3. Hoy día, es difícil decirlo porque, además de los estándares internacionales que se hacen para cada tecnología, encontramos diferentes regulaciones y bandas de uso libre por todo el mundo. Reunir en una sola tecnología, de forma eficiente, todas las ventajas o bondades de las ya existentes suprimiendo las desventajas de coste, alcances, latencias, compatibilidad geográfica y ciberseguridad, hace que sea muy improbable a corto-medio plazo que pueda llegar un estándar así.

4. El 5G puede ser un buen acercamiento desde un punto vista técnico pero, a día de hoy, sigue muy lejos de convertirse en una solución masiva para la industria y se ve como algo que pueda interconectar a nivel superior fábricas o edificios con una gran cantidad de datos pero a nivel de campo y, sustituir cada comunicación presente en la planta, implicaría una gran cantidad de nodos y un aumento considerable de la inversión en infraestructura y de los costes de los sensores, instrumentos o equipos para realizar funciones que ya hacen algunos equipos en el mercado con otras tecnologías más económicas como por ejemplo WLAN o Bluetooth LE.

5. Desde hace más de 20 años, Phoenix Contact siempre apuesta por diseñar diferentes soluciones y equipos inalámbricos conforme a lo estándares más comunes que permitan resolver retos de comunicación inalámbrica, incluso desarrollando sus propias tecnologías en bandas de frecuencia libre. Algunas de ellas muy conocidas o incluso premiadas, como Trusted Wireless para aplicaciones exteriores con participantes a kilómetros de distancia, o NearFI para aplicaciones de interior Plug’nPlay a corta distancia con comunicación y alimentación, suprimiendo costes de conectores especiales con gran cantidad de pines. En 2020 desarrollamos, junto con Ericsson y Quectel, el primer router industrial 5G del mundo y a día de hoy, con nuestro nuevo TC ROUTER 5004T-5G EU resolvemos aplicaciones en Europa, África, Oriente Medio e incluso Brasil, tanto en redes privadas como en redes públicas 5G con cualquier SIM de un operador. Pero sin ninguna duda, una de las últimas y mejores apuestas Wireless de Phoenix Contact ha sido el desarrollo en 2021 del FL WLAN 2010 con la tecnología WLAN Mesh. De esta forma, combinamos en un formato compacto, que se puede usar tanto en el exterior fijado en vehículos como en el interior del armario eléctrico, la funcionalidad de Access Point, Cliente y Repetidor en el estándar 802.11 a/b/g/n, generando una topología de red mallada en lugar de una configuración clásica en estrella. Cada FL WLAN 2010 dispone de 2 entradas de antena para alcanzar una mejor comunicación mediante la tecnología MiMO.

Una red WLAN mallada es una red ad hoc autónoma y autoorganizada con la que se reducen los tiempos de latencia en la comunicación Ethernet inalámbrica al no ser necesario siempre pasar a través de un único punto de acceso, lo que nos hace ganar más flexibilidad y fiabilidad en la comunicación entre diferentes partes móviles en una fábrica.

1. Las mejores soluciones de conexión sin cables de equipos en plantas industriales son aquéllas que, para la aplicación que se destinen, aseguren la correcta comunicación ininterrumpida de forma segura. A qué nos referimos con esto: comunicación ininterrumpida significa que se den los cambios que se den dentro de la industria, la comunicación no se debe ver alterada. Es habitual que en plantas industriales, donde un día comunica de forma adecuada un sistema, se realice una modificación en una máquina o parte de la planta, se instalen equipos que añadan ruido electromagnético a la misma y tengamos cortes de comunicación. Por ello, es muy importante asegurar con la mayor robustez posible una comunicación inalámbrica en el momento que se instala. Cierto es que es imposible que sepamos qué tipo de ruido electromagnético nos van a emitir en futuras modificaciones pero, si cuando instalamos la comunicación inalámbrica ya estamos al límite de estabilidad, cualquier pequeña perturbación externa tirará abajo la comunicación. En segundo lugar, a qué nos referimos cuando decimos una comunicación segura: la comunicación inalámbrica permite que cualquier individuo que esté en el rango de alcance de cobertura de nuestra red inalámbrica tenga acceso a ella. Eso le da una vulnerabilidad muy elevada, por lo tanto, tenemos que asegurar que la comunicación únicamente se dé entre interlocutores permitidos. Es vital que dicha comunicación esté certificada en todos los interlocutores y, si algún interlocutor externo que no disponga del certificado pertinente intente acceder, no le sea permitido y, además, que dicha comunicación esté cifrada.

2. Si pensamos en el punto de vista de potencia de alimentación de los equipos, no es viable. Aunque hay subsistemas como los AGV que funcionan con baterías, comunican con tecnología Wireless y ya no necesitan de cables, extender esa composición al resto de máquinas actualmente no es viable. Si pensamos desde el punto de vista de comunicación para producción, en mi opinión, también me costaría creer que fuera viable. Cada día son más los datos que comunicamos entre sí, aumentan exponencialmente los paquetes de datos que enviamos al sistema ERP, entre equipos, recetas cruzadas… asegurar toda esa comunicación con la latencia y la estabilidad necesarias para controlar la totalidad de la planta, complicaría mucho la solución. Las tecnologías sin cables tienen sentido cuando nos ofrecen ventajas de costes o complejidad respecto a la tecnología cableada. Realizar una planta totalmente sin cables, dotaría a la planta de una complejidad que en un % muy elevado de los casos se desestimaría por el ROI de la inversión. Y, finalmente, si pensamos en un sistema de monitorización, sí cobra sentido realizarlo con un sistema sin cables. En muchas ocasiones, los sistemas de monitorización se instalan en plantas ya existentes donde montar una arquitectura de comunicación adicional supone un coste muy elevado. Es por ello por lo que ayudarnos de tecnologías sin cables nos permite reducir la complejidad y abaratar costes.

3. Creo que será complejo. Igual que no existe la capa física ideal para todas las comunicaciones, es muy complicado pensar que habrá una única tecnología inalámbrica que solucione todas las aplicaciones. Por ejemplo, dos tecnologías que se comercializan por operadores móviles, que podríamos pensar que por qué se han creado y no se desarrolla una única; por qué conviven NBIoT y 5G. Dos tecnologías bastante recientes y que los operadores comercializan de forma independiente. Pues porque cada una aporta unas ventajas y desventajas sobre la otra. Podríamos decir que NB-IoT es peor que 5G, ¡pues no! NB-IoT necesita menos energía para comunicar, con lo que no pensaríamos en realizar un sistema 5G en un proyecto donde el consumo de energía es limitado. NB-IoT tiene mejor cobertura en interiores, eso hace que no necesitemos tantos repetidores de señal. Sin embargo, 5G nos da mucha más velocidad de datos y un ancho de banda mucho mayor. Nadie realizaría una conexión VPN para actualizar el firmware de un dispositivo mediante NB-IoT si puede utilizar 5G.

4. 5G es una tecnología que va a tener muchas aplicaciones en el uso industrial y nos va a permitir solucionar aplicaciones que actualmente son complicadas o más lentas de realizar. Pero la tecnología no se va a quedar aquí, de hecho, ya se habla del 6G y del 7G. En el mundo industrial se tiene que ser cauto y las tecnologías acaban llegando siempre años después de ser implantadas en otros sectores. Hasta que no se comprueba la robustez y fiabilidad de una tecnología, el sector industrial es muy conservador y no se puede permitir perder horas de producción por implantar nuevas soluciones.

5. En Weidmüller, no estamos desarrollando una única tecnología inalámbrica porque, como hemos relatado anteriormente, por el momento, no existe una tecnología única que soluciones todas las aplicaciones del ámbito de actuación de nuestros clientes. Los últimos equipos desarrollados en la empresa cuentan con tecnología Wifi, Bluetooth, LORA y NB-IoT. La digitalización es el pilar sobre el cual estamos desarrollando muchas aplicaciones con nuestros clientes y estas tecnologías inalámbricas nos permiten dar multitud de soluciones en dichas aplicaciones.

En la SPS de Nuremberg de este año, vamos a presentar dos nuevas soluciones con 5G: un router y un dispositivo Edge. Con el dispositivo Edge y aprovechando todo el potencial del 5G, podremos realizar infinidad de soluciones de Edge Computing dentro del ámbito del IIoT. Pero no nos quedamos ahí, este año hemos desarrollado el primer sensor de Weidmüller con tecnología Bluetooth. Es un sensor de vibraciones inalámbrico, desarrollado para dar soluciones de mantenimiento predictivo en motores.

1. Los procesos industriales demandan una fiabilidad y eficiencia en los sistemas de comunicación considerablemente superiores a los estándares comunes del entorno doméstico. Esta exigencia impulsa el desarrollo de tecnologías de comunicación inalámbrica ad-hoc, específicamente diseñadas para entornos industriales. Las técnicas de FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) permiten saltar de frecuencia para evitar interferencias con otros sistemas inalámbricos. Las aplicaciones que presentan riesgo de rotura o desconexión en cables y conectores son candidatas ideales para una conexión inalámbrica. Del mismo modo, los pasos de comunicación a través de juntas rotativas o cambios de herramientas, donde la confiabilidad de la comunicación resulta clave para un funcionamiento óptimo de la maquinaria.

2. La comunicación inalámbrica representa una alternativa significativa a las tecnologías cableadas, especialmente en situaciones donde surgen problemas de fiabilidad, movilidad y costos excesivos. Sin embargo, aún queda camino por recorrer para disponer de un conjunto completo de alternativas inalámbricas para cada componente industrial. Aunque la tendencia hacia lo inalámbrico es innegable y existen soluciones tecnológicas, todavía falta tiempo para que podamos vislumbrar el reemplazo total de los cables. Imaginar una fábrica sin cables sería equiparable a concebir una empresa sin sistemas neumáticos o hidráulicos, donde todo fuese eléctrico. Cada tecnología debe adaptarse e incorporarse en aquellos puntos o máquinas donde resulte más adecuada. Es esencial encontrar un equilibrio entre la tecnología, los costes y las prestaciones. Es ahí donde, en muchos puntos, la tecnología inalámbrica prevalecerá ofreciendo ventajas en diversos aspectos.

3. Es uno de los retos de la tecnología inalámbrica. Hoy en día, pueden encontrarse estándares como IO-Link en comunicación wireless, pero es cierto que aún queda un largo trecho por recorrer. Es posible que, en un primer paso, sea complicado establecer un estándar único debido a que las necesidades en términos de volumen de paquetes de comunicación, número de nodos conectables, tiempos de refresco, determinismo…, son muy diferentes en las distintas aplicaciones industriales, pero es un camino en el que es necesario avanzar. Con el transcurso del tiempo, se verá si los diferentes fabricantes logran converger hacia un estándar común. No obstante, como ocurre con todas las tecnologías, es probable que primero debamos atravesar una fase de desarrollo con múltiples sistemas propietarios antes de encontrar un punto común que nos lleve a una estandarización que maximice los beneficios de esta tecnología en el entorno industrial.

4. Aún es temprano, puesto que ha de generarse un ecosistema de soluciones que aproveche al máximo todas las capacidades de esta tecnología. Aunque su baja latencia, su posibilidad de conectividad masiva de dispositivos y una mejor confiabilidad de la conexión representan un avance significativo en la buena dirección.

5. Los sistemas inalámbricos de SMC EXW1 / EX600-W están especialmente diseñados para entornos industriales, donde aspectos como la convivencia con otras redes inalámbricas, la ciberseguridad, la fiabilidad y la robustez de la comunicación son innegociables. Estos sistemas proporcionan una solución efectiva para la transferencia de datos en una variedad de dispositivos, incluyendo garras robóticas, sistemas móviles y mesas rotatorias. En entornos donde el uso de cables tradicionales puede generar problemas como interrupciones debido a roturas de cables, desconexiones o costos excesivos en cableados especializados, esta tecnología inalámbrica resulta indispensable. Además, se destaca como la opción ideal para la recolección de datos en todo el recorrido de la instalación de aire comprimido, facilitando así la implementación de plataformas de digitalización como el sistema de gestión eficiente del aire AMS.

La evolución del ecosistema inalámbrico a través de los innovadores productos de SMC está fomentando la integración de esta tecnología en un creciente número de componentes dentro de las instalaciones industriales. Esta integración se produce de manera segura y confiable, permitiendo la convivencia con otras redes inalámbricas. La buena aceptación de estos productos inalámbricos debido a su fiabilidad impulsa a SMC a continuar avanzando en la dirección correcta para mejorar la calidad, productividad y mantenimiento de las instalaciones de sus clientes.

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Este artículo aparece publicado en el nº 550 de Automática e Instrumentación págs. 52 a 57.