Comparación de protocolos inalámbricos para la automatización industrial

La cuarta revolución industrial (Industria 4.0) ha dotado a las máquinas de más inteligencia y a las instalaciones automatizadas de más eficiencia y flexibilidad. Estos sistemas cada vez más complejos han impulsado la adopción de las comunicaciones inalámbricas en entornos industriales. Al fin y al cabo, las máquinas inteligentes de la Industria 4.0 y la automatización modular se definen por:

• Conectividad de control segura y adaptable
• Recogida y ajuste continuo de los valores del proceso de producción
• Monitorización del estado de la maquinaria para rutinas de mantenimiento predictivo
• Conexión en red para las capacidades de análisis de grandes datos

Las tecnologías inalámbricas que soportan estas funciones se basan en estándares y protocolos celulares, Wi-Fi, Bluetooth y IEEE 802.15.4. Esto se debe, en parte, a que los ingenieros de diseño esperan la compatibilidad de los componentes de diferentes proveedores, lo que, por definición, requiere la conectividad a través de interfaces estándar de la industria y no de interfaces propietarias. De hecho, la interoperabilidad es solo un aspecto de la Industria 4.0.

Figura 1: La conectividad inalámbrica es clave para coordinar la manipulación de materiales y las tareas robóticas de colaboración. (Fuente de la imagen: Getty Images)

Los dispositivos individuales que incorporan comunicación inalámbrica suelen ser más costosos que las redes cableadas. Sin embargo, este mayor costo inicial se compensa de varias maneras... y los dispositivos inalámbricos suelen resultar la opción más rentable a largo plazo. Esto se debe a que el costo de pasar el cableado por una zona de producción puede ser considerable. Se necesita un esfuerzo para planificar el tendido de los cables y sus conectores. Además, los cables requieren la protección y el soporte físico de bandejas o soportes para cables... y necesitan cajas de conexión y otros accesorios. La planificación, el pedido y la instalación de todo este hardware relacionado con los cables alarga el tiempo de implantación de una red.

Normas basadas en Wi-Fi para la automatización

El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) publicó en 1997 la norma 802.11, que define la implementación inalámbrica estándar de las redes de área local (LAN). Para garantizar que el mercado aprovechara al máximo esta norma, pronto se creó el consorcio industrial Wi-Fi Alliance, dirigido por empresas de dispositivos inalámbricos interesadas en establecer programas de pruebas y certificación para mantener la interoperabilidad de los productos entre proveedores. En la actualidad, el estándar Wi-Fi definido por el IEEE 802.11 se complementa con la estandarización adicional de la Wi-Fi Alliance para lograr una compatibilidad excepcionalmente fiable de los dispositivos que se adhieren a los requisitos.

Figura 2: La Industria 4.0 (también llamada Internet industrial de las cosas o IIoT) está inextricablemente ligada a la adopción de tecnologías inalámbricas. Estas tecnologías inalámbricas, que emplean interfaces estandarizadas para permitir la conectividad entre varios dispositivos y sistemas informáticos, incluyen dispositivos móviles utilizados como HMI (como se muestra aquí), así como otros innumerables componentes de campo inalámbricos que comunican el estado de la máquina. (Fuente de la imagen: Getty Images)

Aunque el Wi-Fi es bastante útil para supervisar aplicaciones y conectar máquinas a sistemas de nivel empresarial, los problemas de velocidad, latencia y estabilidad de la conexión del Wi-Fi han limitado su aplicación en las exigentes aplicaciones de automatización industrial relacionadas con el control de máquinas. Esto significa que el Wi-Fi en las aplicaciones industriales hoy en día está restringido a usos que tienen requisitos bastante indulgentes. Entre ellos se incluyen:

• Escáneres de códigos de barras que comunican los datos a los sistemas de ejecución de la fabricación (MES) y que perdonan uno o dos segundos de retraso
• Sensores de movimiento que no intervienen en las funciones de control en tiempo real
• Supervisión del estado de las máquinas a largo plazo con sensores como acelerómetros (para seguir la generación de vibraciones a lo largo del tiempo), así como sensores de temperatura, presión, humedad y concentración de gases para supervisar la eficiencia y el estado de los equipos

Figura 3: Aunque no es adecuado para el control de máquinas, el Wi-Fi es útil para aplicaciones de supervisión de máquinas y para conectar las plantas de producción con los sistemas de la empresa. (Fuente de la imagen: The Wi-Fi Alliance)

Ha habido varios intentos de adaptar el Wi-Fi a las aplicaciones de control industrial, pero han tenido un éxito limitado. Un protocolo de excepción que está teniendo cierta adopción exitosa de la IIoT es la Red Inalámbrica para la Automatización Industrial y la Automatización de Procesos (WIA-PA), un estándar chino de comunicación industrial inalámbrica.

El Wi-Fi funciona, por supuesto, a 2.4 o 5 GHz. Las frecuencias más altas permiten una transferencia de datos más rápida, pero el alcance es menor debido a que las frecuencias más altas se disipan más fácilmente al atravesar paredes y otros objetos sólidos. Las normas especializadas utilizan otras bandas de frecuencia. Por ejemplo, el Wi-Fi IEEE 802.11ah de datos bajos (HaLow Wi-Fi) funciona en torno a los 900 MHz, y suele emplearse en sensores que necesitan un mayor alcance y un consumo de energía muy bajo. En el otro extremo, el Wi-Fi IEEE 802.11ad (WiGig) funciona a unos 60 GHz para proporcionar una transferencia de datos muy rápida.

Estándares inalámbricos basados en IEEE 802.15.4

Otras opciones inalámbricas son las redes de área personal inalámbricas de baja velocidad o LR-WPAN, definidas por la norma IEEE 802.15.4. Las tecnologías LR-WPAN priorizan el bajo costo y el bajo consumo sobre la velocidad y el alcance. Con la especificación básica que permite velocidades de transferencia de datos de hasta 250 kbit/seg y alcances de hasta 10 m, las tecnologías que emplean las comunicaciones LR-WPAN están pensadas para permitir la comunicación entre dispositivos de bajo costo sin ninguna infraestructura de comunicaciones adicional. Los protocolos basados en el estándar IEEE 802.15.4, como 6LoWPAN, WirelessHART y ZigBee, se están convirtiendo rápidamente en los protocolos preferidos de la IIoT.

1. WirelessHART: Un protocolo basado en 802.15.4 apoyado por la Fundación de Comunicaciones HART, ABB, Siemens y otros se llama WirelessHART. Se trata de un estándar sólido y bien respaldado para las aplicaciones de automatización industrial. La fiabilidad de la red se mantiene mediante una red mallada de salto de frecuencia con sincronización de tiempo. En cambio, la mayoría de los protocolos de comunicación inalámbrica basados en tecnologías Wi-Fi y celulares utilizan una topología de red en estrella menos resistente que requiere que todos los dispositivos se conecten a un dispositivo central. Todas las comunicaciones se encriptan con AES de 128 bits, y el acceso de los usuarios puede controlarse de forma estricta.

Figura 4: El administrador de red LTP5903-WHR SmartMesh es compatible con las pasarelas WirelessHART alimentadas por línea para que los ingenieros puedan integrar una red de sensores inalámbricos basada en estándares para lograr comunicaciones bidireccionales escalables. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

Dado que WirelessHART utiliza una topología en malla, los datos pueden dirigirse directamente entre los dispositivos. Esto puede ampliar el alcance de la red y formar vías de comunicación redundantes. De este modo, si una ruta falla, el emisor cambia automáticamente a una ruta redundante. El salto de frecuencia también permite a WirelessHART evitar problemas de interferencias.

2. 6LoWPAN: IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (comúnmente llamado 6LoWPAN) es un protocolo que permite transmitir paquetes IPv6 a través de una red basada en IEEE 802.15.4. Esto significa que los dispositivos de muy baja potencia pueden conectarse a Internet, lo que lo hace muy adecuado para los sensores del IoT y otros dispositivos de baja potencia.

3. ZigBee: Mantenido por la Zigbee Alliance y más utilizado en aplicaciones de domótica y automatización de edificios, ZigBee es quizás el protocolo más consolidado basado en el IEEE 802.15.4. Permite que los nodos permanezcan en modo de reposo la mayor parte del tiempo para prolongar en gran medida la duración de la batería. ZigBee suele operar en la banda de 2.4 GHz y tiene una velocidad de transferencia de datos fija de 250 kbit/seg. Puede soportar varias topologías de red, como estrella, árbol y malla. Las topologías de árbol y malla amplían el alcance de la red.

Figura 5: Zigbee es útil para (entre otras aplicaciones) sensores de movimiento, vibración, humedad, temperatura y presencia en entornos industriales. (Fuente de la imagen: Zigbee Alliance)

Bluetooth LE e IoT celular en la automatización industrial

Bluetooth Low Energy (BLE) es una alternativa a IEEE 802.15.4 en la que el bajo costo y el bajo consumo son las principales prioridades, y la velocidad, así como el alcance, pueden sacrificarse. Funciona en la misma frecuencia de 2.4 GHz que el Bluetooth estándar. La principal ventaja de Bluetooth LE es que es compatible de forma nativa con sistemas operativos móviles como Android de la Open Handset Alliance, iOS de Apple y varias permutaciones de Windows de Microsoft. Esto, sumado al hecho de que los grandes proveedores de electrónica, como Logitech Corp., son los que más han invertido en I+D, hace que no sea de extrañar que Bluetooth LE siga siendo principalmente una opción de conectividad inalámbrica para los dispositivos de consumo. Esto contrasta con WirelessHART, que ha estado y sigue estando centrado principalmente en las aplicaciones IIoT.

Figura 6: El estándar Bluetooth Low Energy (BLE) tiene un perfil de puerto serie que los sistemas reconocen como una interfaz serie completa, útil para sustituir los dispositivos con cable por actualizaciones conectadas por BLE. (Fuente de la imagen: Grupo de Interés Especial de Bluetooth)

Dicho esto, en los últimos años hemos visto una serie de sensores, mandos a distancia, cerraduras y dispositivos de mano que emplean Bluetooth LE para tareas de automatización industrial. Es probable que esta tendencia aumente en los próximos años.

A diferencia de los protocolos basados en BLE e IEEE 802.15.4 para comunicaciones de baja potencia y corto alcance, las tecnologías celulares son comunicaciones inalámbricas de largo alcance. El protocolo celular 2G GSM ha sido sustituido en su mayor parte por los protocolos celulares de alta velocidad 3G y 4G, tan comunes en los teléfonos móviles y los dispositivos IoT. Es decir, las comunicaciones celulares consumen mucha energía, por lo que en las aplicaciones industriales (sobre todo para este tipo de conectividad en las máquinas) el sistema se conecta a una fuente de alimentación con cableado permanente. Las categorías de LTE celular indican la máxima velocidad de transferencia de datos, aunque a costa de un mayor consumo de energía. La conectividad LTE Cat-0 y Cat-1 es adecuada para los dispositivos IoT. En cambio, LTE-M es un protocolo celular de baja potencia diseñado específicamente para aplicaciones máquina a máquina e IoT.

En contraste con su uso relativamente extendido en los teléfonos móviles, las aplicaciones industriales del 5G están menos maduras. Esto se debe a que los consumidores priorizan las velocidades de descarga (por lo que se han apresurado a adoptar los dispositivos 5G de introducción) y los ingenieros de los sistemas IIoT priorizan la baja latencia y la cobertura ubicua. De hecho, la baja latencia es de máxima importancia en la automatización industrial. Es cierto que las primeras redes 5G mantienen la latencia por debajo de los 30 mseg, pero se está tratando de rebajar aún más la latencia hasta solo 1 mseg. Es lo suficientemente rápido para las exigentes aplicaciones de control industrial en tiempo real (no sólo de supervisión), como la transmisión de señales de retroalimentación en máquinas herramienta, por ejemplo.

Una de las formas de reducir la latencia en la 5G es la fragmentación de la red. Esta técnica de red divide el ancho de banda de una red en diferentes carriles virtuales que se gestionan individualmente. Algunos carriles están reservados para las transmisiones de baja latencia, y la mayor parte del tráfico tiene prohibido utilizarlos. Entonces, solo las aplicaciones de control industrial que necesiten la transmisión más rápida podrán utilizar estos carriles rápidos reservados.

El auge del protocolo inalámbrico LoRA

La modulación de red de área amplia de largo alcance (LoRA) es el protocolo inalámbrico de bajo costo preferido para las aplicaciones remotas y en alta mar de las industrias de energías renovables, minería y logística. Se trata de una tecnología inalámbrica de bajo consumo que puede comunicarse a distancias muy largas -incluso más allá de los 10 km- con una sola batería durante un máximo de 10 años. En resumen, LoRA es una tecnología no celular que opera en bandas de frecuencia sin licencia. Emplea bandas de frecuencias subgigáricas, como 433 y 915 MHz, y una modulación de espectro ensanchado basada en la modulación de espectro ensanchado chirp (CSS). Esto hace que sea muy adecuado para los dispositivos IoT situados en lugares remotos que solo necesitan velocidades de transferencia de datos modestas. LoRA también cuenta con encriptación de 128 bits y controles de autenticación. Otra característica útil (especialmente para los sensores en aplicaciones IIoT) es la geolocalización mediante la trilateración entre dispositivos.

LoRA utiliza tecnologías propias desarrolladas por Semtech Corp, pero cuenta con una amplia gama de elementos de código abierto. Cuenta con el apoyo (y la interoperabilidad de los dispositivos está garantizada) de la Alianza LoRa, una gran asociación que incluye a IBM, Cisco, TATA, Bosch, Swisscom y Semtech.

Conclusión:

Abundan los protocolos inalámbricos para la automatización industrial. Cada uno de ellos es adecuado para determinadas aplicaciones. Los usos que exigen un bajo consumo de energía y aceptan transmisiones de corto alcance suelen beneficiarse de la inclusión de la conectividad ZigBee y Bluetooth LE. Las aplicaciones industriales más exigentes que necesiten solidez en las comunicaciones pueden requerir dispositivos con conexiones inalámbricas WirelessHART. Los usos que exigen una transmisión de largo alcance y altas tasas de transferencia de datos necesitan el celular. Aquí, la 5G está preparada para transformar las comunicaciones inalámbricas. La comunicación de datos a muy largo alcance (y con un consumo mínimo de energía) suele ser mejor a través de LoRa.