La carrera por la nueva conectividad de la industria 4.0

Las soluciones cableadas prevalecen todavía en el ámbito industrial, debido principalmente a que varios estándares han alcanzado un alto grado de madurez, en su mayoría basados en sistemas Ethernet industriales, como Profinet, Ethernet/IP o EtherCAT. De hecho, aún resulta habitual encontrar activos buses de comunicación digitales (canales a través de los cuales se transmite información entre diferentes dispositivos o componentes en un sistema) más antiguos aún, como Profibus, CANbus o Modbus. Estas tecnologías maduras se mantienen porque se consideran más seguras y confiables, lo cual es clave en algunos dominios industriales.

Actualmente, las tecnologías inalámbricas se aplican sobre todo en la industria en aplicaciones no críticas, es decir, aquellas que implican tareas de monitorización, alerta o registro de datos. En esos casos, los posibles fallos no tienen implicaciones graves para la seguridad ni generan grandes pérdidas económicas. El punto de controversia se da en el caso de las aplicaciones críticas. 

Las plantas industriales suelen estar repletas de maquinaria, equipos y materiales que generan interferencias electromagnéticas y pueden interrumpir las señales inalámbricas, lo que provoca pérdida de datos, errores de paquetes o una calidad de comunicación degradada. Incluyen también, por lo general, grandes estructuras metálicas, paredes de hormigón y otros obstáculos que atenúan las señales inalámbricas. Son entornos con una alta densidad de equipos, que hacen que muchos dispositivos inalámbricos, desde sensores a etiquetas RFID y terminales portátiles, operen simultáneamente y puedan provocar retrasos y reducción del rendimiento. 

Por todo ello, en comparación con los sistemas cableados, la comunicación inalámbrica puede presentar problemas de latencia, que afectan a la capacidad de respuesta de los procesos automatizados críticos, y pueden ser vulnerables a la interceptación o el hackeo, lo que supone un riesgo para la integridad operativa. El control de movimiento de robots requiere, por ejemplo, una latencia inferior a un milisegundos (ms) y la compatibilidad con cientos de dispositivos en un área industrial amplia. Cuando los entornos fabricación deben cumplir requisitos normativos específicos, la situación se complica. Asimismo, las redes inalámbricas requieren mantenimiento y soporte continuos para supervisar la intensidad de la señal, actualizar el firmware, solucionar problemas y gestionar la capacidad de la red.

Hasta la fecha, no se ha desarrollado ninguna tecnología inalámbrica válida para todas las aplicaciones. Se han lanzado diferentes protocolos a lo largo de los años con el objetivo de abordar escenarios específicos. Hay varios estándares, por ejemplo, para redes de sensores inalámbricos (WSN) disponibles. Algunos de ellos son de propósito general y se están utilizando en aplicaciones industriales, otros han sido diseñados específicamente para usos concretos mediante la adaptación de estándares como IEEE 802.15.1 y, predominantemente, IEEE 802.15.4. 

Los esfuerzos en esa dirección están más que justificados, en cualquier caso. Los expertos coinciden en que la introducción de tecnologías inalámbricas en las fábricas podría ser disruptiva, por su flexibilidad y escalabilidad. A corto plazo, se espera que coexistan con las cableadas en las fábricas. Pero, a largo plazo, las soluciones inalámbricas deberían implementarse masivamente en la industria.

La robusta tecnología Ethernet en la que han confiado la mayoría de las empresas durante los últimos 40 años presenta , en efecto, una gran desventaja: los cables. Resulta extremadamente difícil adaptarla a las cambiantes necesidades de los clientes y a los diseños de fábrica dinámicos. Además, los cables Ethernet de cobre estándar, necesarios para proporcionar conectividad de red a los puntos de acceso, tienen una distancia máxima de unos 100 metros. Más allá de esta longitud, se produce degradación de la señal, lo que reduce el rendimiento de la red o incluso la pérdida total de la conectividad.

El Santo Grial sería crear una red inalámbrica determinista adaptada a los casos de uso de la Industria 4.0, que combine la fiabilidad y la baja latencia de las redes cableadas.

El Santo Grial sería crear una red inalámbrica determinista adaptada a los casos de uso de la Industria 4.0, que combine la fiabilidad y la baja latencia de las redes cableadas con la flexibilidad de las soluciones inalámbricas. Las implementaciones actuales no consiguen ofrecer esas prestaciones, pero los esfuerzos son intensos en todos los ámbitos de las tecnologías wireless. Investigadores del IDLab, promovido por IMEC, han desarrollado una solución basada en OpenWi-Fi para obtener esa deseada comunicación inalámbrica determinista. Su enfoque permite un funcionamiento robusto con baja latencia en bandas de frecuencia industriales, científicas y médicas, así como en bandas de frecuencia con licencia. 

Además, cuenta con capacidad de mitigación activa de interferencias, lo que mejora la fiabilidad de la red. Los investigadores de IMEC han desarrollado una radio personalizada que admite canales de 5, 10 y 20 MHz y una API que facilita la comunicación fluida con las aplicaciones industriales: si una aplicación de transferencia de archivos requiere un ancho de banda de 10 Mbps (y nada más), el sistema pasa a usar el ancho de canal estándar de 20 MHz. Para controlar un brazo robótico, que exige una latencia ultrabaja y una alta fiabilidad, se reconfigurará automáticamente.

Incluso en condiciones difíciles con una fuerte competencia por el ancho de banda, este sistema consigue una tasa de éxito de paquetes del 99,999 % y una latencia limitada de extremo a extremo de 2 ms, con potencial para ser incluso menor. Esto es más que suficiente para la mayoría de las aplicaciones de automatización industrial.

Puntos de acceso

Se ha demostrado que más no es mejor. Una de las conclusiones de los expertos es que resulta fundamental una planificación cuidadosa y una ubicación estratégica de los puntos de acceso

Una de las conclusiones de la carrera de innovación actual es que resulta fundamental una planificación cuidadosa y una ubicación estratégica de los puntos de acceso. Recientemente un cliente pidió a la compañía Oxspring que evaluara un almacén con problemas de fiabilidad de Wi-Fi. Había cerca de 500 puntos de acceso. “Calculamos que se podría solucionar con entre 250 y 300 puntos de acceso, y recomendamos desactivar algunos”. Más no es necesariamente mejor, ya que puede generar interferencias en la señal. 

A diferencia de las antenas omnidireccionales, que distribuyen la señal en todas las direcciones, las antenas direccionales la concentran en una dirección específica. A eso se puede sumar un controlador de LAN inalámbrica (WLC), que puede ser un dispositivo físico o un sistema en la nube, para la gestión de redes inalámbricas en entornos complejos.

El Wi-Fi 6 está diseñado, en ese sentido, para entornos de alta densidad. Gestiona mejor las conexiones múltiples gracias al Acceso Múltiple por División de Frecuencia Ortogonal (OFDMA), que permite enviar datos a varios dispositivos simultáneamente con una sola transmisión. También ofrece velocidades aproximadamente un 30% mayores que las de su predecesor y mejora el rendimiento de la red en zonas congestionadas mediante la tecnología BSS Coloring. 

El potencial de las tecnologías wireless impulsa a otras complementarias, como la de los sensores SAW, en un momento en el que la industria 4.0 necesita captar, almacenar y procesar datos de forma masiva. El equipo de Juniper Networks se apresuró a recoger su estatuilla en la gala de The Wi-Fi Awards por su gemelo de red Marvis Minis. Su solución aborda el reto de identificar y resolver proactivamente los problemas de la red antes de que afecten a los usuarios finales, para lo cual usa simula digitalmente con inteligencia artificial las conexiones de los usuarios y valida así las configuraciones de red en tiempo real. 

Los organizadores del próximo Wireless Congress de Múnich, que se celebra en noviembre, destacan las innovaciones e iteraciones que están experimentando las tecnologías tradicionales, como el Bluetooth y Wi-Fi, y aplauden la llegada de tecnologías fundamentalmente nuevas, como el internet de las cosas (IoT) de banda estrecha/5G o las redes de área amplia de baja potencia (LPWAN), que están encontrando una rápida aceptación en los mercados, al tiempo que se prepara para las redes móviles 6G.

En un intenso repaso a los desafíos actuales de las tecnologías wireless, el investigador Md Noor-A-Rahim, de la Universidad de Cork, destaca que, dado que los nodos sensores compatibles con la mayoría de ellas funcionan con baterías, cualquier forma de captación de energía del entorno podría mejorar su funcionamiento. En ese sentido, la captación de energía inalámbrica es una solución prometedora y ampliamente adoptada. Se espera que los dispositivos se nutran de fuentes ambientales como la electromagnética, la térmica y la solar. 3GPP (3rd Generation Partnership Project) estudia actualmente esta nueva clase de dispositivos denominados de IoT Ambiental (AIoT), capaces de integrarse con la tecnología móvil.

El uso de frecuencias de ondas milimétricas y THz en entornos industriales abre nuevos desafíos que no se consideraron utilizando frecuencias más bajas, ya que la pérdida de trayectoria y otras deficiencias del canal se vuelven más significativas. A medida que aumenta la frecuencia, la longitud de onda disminuye y, en consecuencia, más objetos actúan como dispersores, especialmente en un entorno industrial. 

Junto a ello, hay que considerar el movimiento de trabajadores, maquinaria y otros objetos, sobre todo en la industria pesada. La implementación de una red de ondas milimétricas/THz debe diseñarse cuidadosamente, por tanto, según el tipo de entorno industrial.