Las comunicaciones inalámbricas industriales se han utilizado durante más de 30 años para ofrecer conectividad segura y rentable para la automatización industrial, control de movimiento, monitoreo remoto y otras aplicaciones. Debido a que la diversidad y distribución de las instalaciones ha aumentado a lo largo de los años, las nuevas tecnologías inalámbricas han evolucionado para proporcionar una mezcla especializada de rango, fiabilidad y eficiencia de potencia.
Hoy en día, el Internet de las cosas representa la culminación actual de esta expansión. Los sensores, controladores de movimiento, válvulas, bombas, controles de parada de emergencia y muchos otros tipos de dispositivos se utilizan de formas casi infinitas para proporcionar información en tiempo crítico para las instalaciones alrededor del mundo. Para impulsar el lado industrial de ese Internet de las cosas (IoT), las comunicaciones cableadas tradicionales y nuevas tecnologías inalámbricas como Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, SigFox y WAN celular ponen una solución única sobre la mesa. Seleccionar la solución ideal requiere un entendimiento claro de las fortalezas y debilidades de cada uno.
Mientras que las comunicaciones cableadas están bien establecidas como tecnologías fiables y rápidas, las soluciones inalámbricas ofrecen grandes beneficios donde se desea el movimiento o la eficiencia de la implementación. La primera y tal vez más evidente ventaja de las comunicaciones industriales inalámbricas es que evitan las molestias y los costos de instalar cableado de comunicaciones. Estos costos pueden volverse significativos en grandes plantas donde los tramos de cables pueden tener varios cientos de metros a través de entornos hostiles o en instalaciones exteriores donde el costo es prohibitivo para ejecutar cableados de comunicaciones. También se reducen los costos de mantenimiento, ya que los técnicos no tienen que buscar daños en largos cables largos y pueden concentrarse en un número limitado de puntos de instalación para la depuración de problemas. El tiempo de puesta en marcha y la complejidad también se reducen, en particular, en el caso de los sensores y las estaciones de baja potencia que funcionan a batería. La combinación de las ventajas de las soluciones inalámbricas hacen de ellas una alternativa muy atractiva a las soluciones cableadas tradicionales.
Sin embargo, la implementación de soluciones inalámbricas en entornos industriales se debe planificar cuidadosamente. A menudo hay requisitos físicos y operativos que deben cumplirse para garantizar el funcionamiento fiable y seguro. Los dispositivos de comunicación deben ser capaces de soportar condiciones extremas de temperatura y humedad, así como la exposición al agua, químicos, choques, vibraciones, ruido e interferencias electromagnéticas. Los dispositivos instalados al aire libre usualmente requieren un índice de protección IP65, lo que indica que el dispositivo está completamente sellado contra la intrusión de agua y polvo. Los dispositivos que no cumplen con estos requisitos ambientales estrictos suelen fallar en implementaciones industriales y esto puede causar problemas de seguridad, así como por los evidentes problemas operacionales que son el resultado de un sistema de comunicación fallido. La seguridad es otra de las principales preocupaciones, puesto que manipular datos podría comprometer la seguridad y el correcto funcionamiento. Por último, los sistemas de comunicaciones también deben cumplir estrictos requisitos de seguridad, disponibilidad y tiempos de respuesta para garantizar que los sistemas industriales siguen funcionando según lo previsto o que se apagan durante un desperfecto. Incluso los errores de recepción o transmisión temporal en sistemas isócronos pueden detener todo el proceso de fabricación.
Afortunadamente, existen varias opciones diferentes para el control industrial inalámbrico, cada una con su propio conjunto único de fortalezas. Para la implementación localizada en y alrededor de los edificios, las tecnologías de 2,4 GHz y 5 GHz se han vuelto las soluciones dominantes, aunque normalmente se necesita planificación para garantizar un funcionamiento correcto cuando existen varios dispositivos que operan en el mismo rango de frecuencias. Para las instalaciones en exteriores y los dispositivos muy dispersos, se suele utilizar algún tipo de comunicaciones celulares.
El bluetooth opera entre 2400 a 2480 MHz y se utiliza frecuentemente en enlaces de comunicaciones en serie industriales. Los dispositivos de velocidad básica de Bluetooth (BR) pueden admitir hasta 780 kbps, mientras que los dispositivos de velocidad de datos mejorada (EDR) tienen aproximadamente 2,1 Mbps de rendimiento. Dependiendo de la clase de dispositivo utilizado, el rango en los entornos industriales pueden variar de 3 a 100 metros. La operación de salto de frecuencia adaptable en ochenta canales de 1 MHz genera una conexión extremadamente sólida para múltiples dispositivos Bluetooth y los enlaces están protegidos por el cifrado de 128 bits. Es posible conectar hasta 7 dispositivos a un único dispositivo maestro mientras se mantiene un rendimiento máximo. El Bluetooth también es una tecnología con capacidad en tiempo real, con latencia de solo 5 a 10 ms. Algunos dispositivos además pueden admitir enlaces a dispositivos Bluetooth de baja energía (LE) (también conocidos como Bluetooth Smart). TI ofrece un excelente ejemplo de estos dispositivos con capacidad de doble función en su módulo certificado CC2564 de interfaz de controlador de host de modo dual con Bluetooth 4.1. Es adecuado para entornos industriales, está disponible con o sin una antena integrada y admite simultáneamente hasta siete conexiones BR/EDR y hasta diez conexiones Bluetooth LE activas. El búfer separado garantiza que las conexiones BR/EDR activas no se vean afectadas cuando se producen conexiones de Bluetooth LE.
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El Bluetooth de baja energía aprovecha la sólida especificación de Bluetooth y ofrece varias mejoras dirigidas específicamente a la eficiencia energética y las comunicaciones infrecuentes. Para ahorrar energía, los enlaces no se mantienen en un estado activo, pero restablecer el enlace tarda menos de 10 minutos. Debido a la naturaleza intermitente de las transmisiones, el número de dispositivos esclavos activos que pueden conectarse es mayor. Más dispositivos dará como resultado una mayor latencia en el sistema, sin embargo, el número de dispositivos conectados debe estar equilibrado con los requisitos de latencia en tiempo real del sistema. La desventaja de las funciones de ahorro de energía es un menor rendimiento, ya que los enlaces se limitan a aproximadamente 270 kbps. Las futuras mejoras del estándar Bluetooth® Smart 2016 incluirán un mayor alcance, más velocidad y redes de malla. En ambientes industriales, esto vuelve al Bluetooth LE ideal para los sensores, actuadores y otros dispositivos a batería que solo requieren ráfagas de datos cortas sobre una base intermitente. TI también tiene varias soluciones excelentes para Bluetooth LE. El dispositivo SimpleLinkTMCC2640 es un MCU Bluetooth LE basado en un ARM-Cortex M3, el CC2540 y 2541 son soluciones de Sistema en chip (SoC) rentables para las aplicaciones maestras o esclavas de Bluetooth LE basadas en el MCU 8051 estándar de la industria. Todos ofrecen una variedad de conectividad de E/S y permiten a los diseñadores implementar rápidamente diseños que cumplen sus requisitos únicos.
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ZigBee es otra tecnología de malla inalámbrica de baja potencia y banda estrecha de 2,4 GHz que se utiliza cada vez más para el monitoreo y control industrial. Es una solución de menor costo que los sistemas LAN inalámbricos o Bluetooth, pero la latencia es mucho mayor y las velocidades de los datos están limitadas a 200 kbps (a veces menos, dependiendo del número de nodos implementados). Gracias a su topología de malla inalámbrica, ZigBee tiene algunas ventajas muy singulares. Los enlaces individuales están limitados a una línea de visión de 30 a 100 metros, pero en conjunto, es posible conectar zonas muy grandes a una sola red de malla ZigBee. Los dispositivos también pueden configurarse para que se sumen a la red automáticamente. Los sistemas de control de tráfico, sistemas de monitoreo, control de datos de proceso y otras aplicaciones con bajas velocidades de transferencia de datos son los principales ejemplos de sistemas donde ZigBee es una opción preferida. Se proporciona una buena seguridad, puesto que los enlaces están protegidos por un cifrado de 128 bits. TI tiene varios dispositivos ZigBee que deben cumplir los requisitos de cualquier instalación industrial. Su SimpleLink CC2630 es un MCU ZigBee inalámbrico con muchas funciones con una CPU ARM Cortex-M3 y capacidades de E/S únicas, incluida la compatibilidad integrada para botones táctiles capacitivos y el más potente CC2630 comercializa algunas de las exclusivas características de E/S para flash y SRAM adicionales. Si se desea un microcontrolador 8051, el SoC CC2530 de TI puede ser la mejor opción.
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La WLAN industrial es una solución de 2,4 GHz muy prevalente cuando se requiere un mayor rendimiento y ofrece una excelente variedad, resistencia a las interferencias y muy buena seguridad. Cuando se mejora con ProfiNET, Profisafe, y otras tecnologías similares, puede ser una solución muy efectiva para las comunicaciones industriales inalámbricas. Las versiones de esta tecnología han sido sometidas a una evolución constante durante más de 20 años. Existen tres canales no superpuestos en la banda de 2,4 GHz y el rendimiento puede ser de hasta varios cientos de Mbps. El Bluetooth y ZigBee contienen mecanismos para interactuar con WLAN de 2,4 GHz y las nuevas versiones del estándar 802.11 también añaden características que ayudan a garantizar la interoperabilidad cuando el espectro se vuelve muy concurrido. La WLAN puede también funcionar en hasta 19 canales no superpuestos en la banda de 5 GHz, cada uno de los cuales evita completamente competir por las mismas frecuencias que Bluetooth, ZigBee y otras tecnologías de 2,4 GHz. Debido a las altas frecuencias utilizadas, se recomienda mantener la línea de visión en las aplicaciones de 5 GHz, no obstante, el espectro de vacío es una opción interesante. Uno de los puntos débiles de la WLAN es que puede tardar de 50 minutos a varios segundos en transmitir entre los puntos de acceso. Cuando se utilizan conexiones WLAN para controlar dispositivos con grandes rangos de movimiento, se deben tomar precauciones para garantizar la comunicación ininterrumpida durante estas transiciones. Para las instalaciones con un único punto de acceso, conectar varias antenas ampliamente espaciadas a un único punto de acceso puede asegurar un enlace ininterrumpido, o el uso del denominado cableado RF de "fugas" puede proporcionar el equivalente a una antena continua de corto alcance junto con una ruta fija extendida. Para las rutas con más de un punto de acceso, múltiples implementaciones de radio es lo más confiable. Los escenarios comunes incluyen el uso de una conexión para la señalización de control y otra para los datos, o un sistema escalonado de AP redundantes utilizados para permitir la conmutación por error a una segunda red activa cuando la red primaria está migrando entre los puntos de acceso. TI ofrece varias soluciones tentadoras para la WLAN Industrial. El SimpleLink CC3200 es un microcontrolador de solo un IC con ARM Cortex-M4 basado en Wi-Fi 802.11 b/g/n que es ideal para los entornos industriales. Es capaz de ejecutar protocolos Wi-Fi industriales como ProfiNET y Profisafe, y ofrece una amplia gama de opciones de E/S. El radio Wi-Fi WL1837 y Bluetooth/Bluetooth LE integrado en un módulo certificado también está disponible para dispositivos de clientes Linux y Android o aplicaciones de puente. Combina secciones de RF 802.11 a/b/g/n y Bluetooth, amplificadores de potencia, reloj, Filtros de RF y conmutadores, y la administración de energía en un paquete MOC de 100 pines.
Para las comunicaciones a través de grandes distancias geográficas, suele utilizarse algún tipo de tecnología WAN inalámbrica (WWAN). SigFox es un proveedor de red WAN de baja potencia emergente que está construyendo una red global de estilo celular para los dispositivos de Banda ultra estrecha (UNB). El aprovisionamiento es muy de bajo costo y es fácil de desplegar en grandes implementaciones sin preocuparse de contratos o planes de datos únicos para cada dispositivo. El tamaño del mensaje está limitado a 12 bytes y los dispositivos están limitados a 140 transmisiones por día, no obstante, los dispositivos pueden funcionar durante muchos años con dos baterías de tamaño AA. La seguridad está algo limitada debido al tamaño del mensaje, pero las funciones incluyen anti-reproducción y secuenciación de mensajes. Los dispositivos SigFox ya están presentes en grandes implementaciones y TI ofrece varios pares de soluciones SigFox en los dispositivos de transceptor RF CC112x e interfaz RF CC1190. El CC112x es un transceptor de un solo chip de potencia ultra baja y un alto rendimiento con compatibilidad para siete bandas ISM/SRD entre 169 a 950 MHz con velocidades de datos de hasta 200 kbps. También incorpora la funcionalidad de encendido por radio mejorada y paquetes de acuse de recibo y retransmisión. El CC1190 es un dispositivo frontal de RD de bajo costo y alto rendimiento que opera entre los 850 a 950 MHz y dispone de un amplificador de bajo ruido integrado, amplificador de potencia, conmutadores RF y adaptación de RF en un diseño QFN-16 compacto de 4x4 mm.
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La WAN LoRa de baja potencia de Alliance ofrece otra solución para dispositivos dispersos geográficamente. Transmite pequeñas cantidades de datos en forma intermitente y los dispositivos con baterías pueden durar años, dependiendo de la clase de dispositivo del transceptor remoto. Se utilizan múltiples niveles de seguridad para garantizar la integridad de los datos y la privacidad. También opera en frecuencias que a menudo son una mejor opción para la construcción y penetración de obstáculos. Al igual que SigFox, los costos de implementación son muy bajos, pero los proveedores de LoRa comerciales pueden ofrecer distintos niveles de servicio. Para las compañías que desean implementar un gran número de dispositivos en un área relativamente pequeña, es posible poner en marcha una puerta de propiedad y control interno.
La conectividad móvil es una solución WAN bien establecida y tiene un alcance global. Los mensajes GSM y GPRS 2G son una de las fuentes más comunes de enlaces, no obstante, muchos operadores de redes celulares fuera de Europa ya han apagado sus redes 2G o tienen previsto hacerlo antes de 2020. Donde sea que se mantengan las redes en el futuro, el GSM 2G mantiene un buen método de eficiencia de energía para las comunicaciones intermitentes remotas o baja tasa de transferencia de datos. WiMAX también ha ganado aceptación en los mercados donde está disponible, pero muchos están cambiando a las redes LTE o ya se han apagado. LTE es un área muy interesante para los dispositivos IoT remotos, debido a que las diferentes categorías de dispositivos pueden adaptarse a las necesidades de ancho de banda y potencia de la aplicación. Los dispositivos LTE de categoría 3 existentes pueden ofrecer velocidades teóricas de hasta 150 Mbps de bajada y 50 Mbps de subida, y los dispositivos categoría 6 recientemente implementados pueden alcanzar descargas de 300 Mbps en condiciones ideales. En el otro extremo del espectro, los dispositivos LTE de Categoría 1 y el próximo LTE de categoría 0 (o Categoría M) están diseñados para el IoT con un rendimiento máximo de 1 a 10 Mbps y una mayor eficacia energética. A pesar de la flexibilidad de estas soluciones WAN, generalmente tienen costos por adelantado y operacionales, y cada dispositivo que se coloca en el campo requerirá un contrato con operadores de redes regionales, por lo que la implementación requiere planificación y tiempo.
Ya sea una conexión de radio de corto alcance o un escenario WAN distribuida, TI ha facilitado el cumplimiento de una variedad de necesidades de conectividad proporcionando dispositivos listos para el uso que aceleran el desarrollo de productos de alto valor y entregan soluciones de bajo costo para las comunicaciones industriales inalámbricas.
