Tecnologías de Conectividad Digital Inalámbrica para IoT en la industria

El Internet de las Cosas (IoT) se define como la interconexión digital de objetos cotidianos con Internet, es decir, la conexión de Internet más con objetos que con personas. Por esta y otras razones, cuando nos encontramos en un entorno de fábrica, debemos añadir el apellido “Industrial” al Internet de las Cosas (IIoT), ya que no son objetos cotidianos sino máquinas y sensores lo que estamos conectando con Internet. Este entorno obliga a que necesitemos una infraestructura de conectividad digital fiable, robusta y segura para garantizar el envío y recepción de información, la integridad de los datos y la protección de los sistemas de control.

El Internet de las Cosas (IoT) es bien conocido por todos y se define como la interconexión digital de objetos cotidianos con Internet, es decir, la conexión de Internet más con objetos que con personas. La idea de que un objeto (un frigorífico, por ejemplo) pueda conectarse con Internet y realizar un pedido en una tienda online, no es algo que hoy en día nos pueda sorprender. Es algo que nos vamos a encontrar en nuestra cotidianeidad.

Por esta y otras razones, cuando nos encontramos en un entorno de fábrica, debemos añadir el apellido “Industrial” al Internet de las Cosas (IIoT), ya que no son objetos cotidianos sino máquinas y sensores lo que estamos conectando con Internet. A modo de ejemplo, podemos encontrarnos con ciertas características que nos obligan a gestionar el IIoT de manera diferente al IoT estándar:

• El tratamiento de la información que se transmite en industria debe ser diferente ya que estamos hablando de información sensible o clave para el negocio, y que es propiedad de las organizaciones industriales. Aquí entra en juego la seguridad de la infraestructura de conectividad.
• Los tiempos de reacción que se necesitan en algunas aplicaciones para una toma de decisiones adecuada hacen que la latencia sea un punto clave.
• En muchos casos se necesita la conectividad masiva de dispositivos debido a la gran concentración de elementos que puede existir en un área determinada, manteniendo la disponibilidad de la infraestructura de comunicaciones.

En una instalación industrial normalmente existe una infraestructura de conectividad digital basada en red industrial cableada que puede servir perfectamente para conectar todos los dispositivos del IIoT. Pero en muchos casos va a ser necesarios utilizar tecnologías de conectividad inalámbricas ya que no es posible cablear todos los elementos, ya sea por motivos económicos o por motivos de movilidad de los elementos.

Las características que hemos mencionado anteriormente hacen que no todas las tecnologías de conectividad inalámbricas sean válidas para las aplicaciones industriales de IIoT.

En este momento existen dos tecnologías emergentes que presumiblemente dominarán este tipo de aplicaciones en un futuro cercano debido a sus características: 5G industrial y Wi-Fi 6 industrial.

Tecnología 5G industrial: la nueva generación para la conectividad digital

La tecnología 5G industrial tiene el potencial de ser la columna vertebral tecnológica para el futuro del Internet de las cosas Industrial (IIoT) y elevar la Industria 4.0 al siguiente nivel. Esto es debido a los beneficios que trae consigo la tecnología añadiendo modularidad y flexibilidad a la producción industrial. Se espera que la tecnología 5G industrial traiga un salto cualitativo en términos de volumen, velocidad y seguridad de la transmisión de datos. Para definirlo, se ha creado un triángulo que define las características principales que aporta la tecnología:

• Comunicación masiva de máquinas o Massive Machine-Type Communications (mMTC) con el que escalar la redes 5G a miles de dispositivos conectados
• Ancho de Banda mejorado o Enhanced Mobile Broadband (eMBB) para gran variedad de aplicaciones especialmente de cara al usuario
• Comunicación ultra fiables de baja latencia Ultra-Reliable Low-Latency Communications (URLLC), punto clave para las aplicaciones industriales que permite la comunicación de elementos críticos y de seguridad en entornos industriales cumpliendo con los requisitos de los protocolos de campo.

Si hablamos de industria, una de las principales diferencias entre la tecnología 5G y las generaciones anteriores de redes móviles es el fuerte enfoque del 5G en la comunicación con máquinas y el IIoT debido principalmente a las características de baja latencia y fiabilidad de la tecnología. Esto abre las puertas a un gran número de nuevos usos y aplicaciones en muchos dominios verticales diferentes, incluidos los sectores del automóvil, intralogístico, agrícola, energético, y en definitiva en la fabricación y producción industrial.

Para poder incluir esta tecnología en la industria de manera adecuada, los proveedores de tecnología están diseñando los primeros equipos para dotar de conectividad 5G a las máquinas o instalaciones industriales. Por ejemplo, Siemens presentó en la última feria de automatización de Nuremberg (Alemania) llamada este año SPS Connect 2021 (celebrada en formato virtual por primera vez en la historia debido a la pandemia) el primer router 5G industrial: el SCALANCE MUM856-1. Se trata de un dispositivo con grado de protección IP65 que actúa de router para dotar de conectividad 5G a una red industrial de máquina. El dispositivo también puede integrarse tanto en redes públicas como en redes locales privadas 5G y podrá participar en el sistema de acceso remoto SINEMA Remote Connect.

La tecnología todavía está en desarrollo ya que se están liberando poco a poco diferentes versiones del estándar y tendremos que esperar algunos años para ver su máximo potencial. Sin embargo, aunque quedan varios años para que se alcancen niveles competitivos en industria, ya se están estudiando los casos de uso principales y está claro que el IIoT es uno de ellos aprovechando todas las ventajas de la tecnología 5G industrial.

Por otro lado, para asegurar la interoperabilidad de estos productos, se han establecido iniciativas internacionales sobre las que se trabaja para el desarrollo e implementación de ejemplos de aplicación sobre tecnología 5G en la industria, es el caso del 5G-ACIA (www.5g-acia.org), donde están involucrados los principales fabricantes industriales, usuarios finales y operadores para llevar a cabo el desarrollo del estándar 5G.

No obstante, para aprovechar el potencial del 5G en el ámbito industrial, no sólo deben cumplirse ciertos requisitos tecnológicos y de espectro, sino también afrontar los desafíos relacionados con la comunicación, la interacción, la armonización, la estandarización y la regulación entre industrias. Por ejemplo, en muchos casos será necesaria la adopción de un modelo de red 5G privada para llevar a cabo los nuevos modelos de soluciones basadas en 5G industrial. Si se permite el uso de banda 5G privada, tendremos la oportunidad de llegar a todas las aplicaciones con 5G industrial y las empresas se beneficiarán de altos niveles de competitividad.

Sin embargo, el 5G no es la única alternativa en cuanto a tecnologías inalámbricas se refiere para la industria conectada, y en muchos casos, no será ni siquiera la que mejor encaje en los requisitos de nuestras aplicaciones.

Tecnología Industrial WLAN: el viaje desde 802.11a/b/g hasta Wi-Fi 6

Mientras la tecnología 5G tiene una amplio recorrido y posibilidades por delante para llevar las comunicaciones a un nuevo uso en los entornos industriales, mirando lo que ocurre con el conocido WiFi o Wireless LAN, se puede ver como este recorrido se encuentra mucho más avanzado, ya que son muchos los años en los que se viene utilizando para satisfacer las necesidades de cada una de las aplicaciones. Lo que ocurre es que dicho recorrido no ha sido sencillo y por lo general, nunca han sido meramente los diferentes estándares disponibles los que han satisfecho los requisitos de comunicaciones en el ámbito industrial.

Cuando se observa con detenimiento la tecnología WiFi, comúnmente estamos hablando de variantes capaces de comunicar dentro de los espectros conocidos como 2,4 y 5GHz que tienen como principal característica el hecho de ser espectros de uso libre en el mercado. Dentro de dichos espectros encontraremos estándares comúnmente asentados como los 802.11 en sus versiones “a”, “b”, “g” “n” o “ac” como los más conocidos.

Dentro de los diferentes y limitados canales que disponemos en los entornos WiFi son innumerables los dispositivos que se pueden encontrar. Se ha pasado con los años de tecnologías poco pobladas y grandísimas capacidades a la hora de cubrirlas, a la posibilidad de disponer canales abiertos para crear nuestro propio acceso a través de un terminal móvil con salida a Internet, o simplemente disponer de los canales para el acceso genérico en entonos ofimáticos. Las características de valor siempre van asociadas a un mayor ancho de banda y la capacidad de albergar a todos los usuarios posibles.
La realidad es muy diferente si nos aproximamos a los entornos industriales, ya que las características de base a través del acceso dan prioridad a nuevas necesidades tan diferentes como el determinismo, el “roaming”, la alta disponibilidad o una minuciosa planificación de canales buscando aplicaciones cada vez más robustas y que nos permitan llevar la tecnología hacia una nueva dimensión.

Los ya mencionados estándares 802.11a y 11g con anchos de banda del orden de los 54Mbps han dado paso a estándares en los que el ancho de banda ha crecido exponencialmente a través de los ya no tan nuevos estándares 11n o 11ac, con capacidades de 600Mbps a los 6933Mbps. En los entornos industriales la mayoría de las aplicaciones ha ido dando paso a estas nuevas tecnologías con nuevas líneas de porfolio donde explotar las mejoras disponibles, pero siempre poniendo un ojo en cómo hacerlo todo más apropiado para la industria, donde el más no siempre es lo mejor.

Cuando atendemos a este concepto, el primer punto a entender es que, a través de 11n o 11ac, los mayores anchos de banda se conseguirán donde se junten más de un canal para trabajar. Y si bien existen ocasiones puntuales en industria donde esto es un beneficio, en la mayoría de las ocasiones lo más interesante es disponer de canales libres para más aplicaciones a costa de un mayor ancho de banda.

Pero si algo ha hecho especiales las aplicaciones de Industrial Wireless LAN en los últimos años, esto ha sido la robustez de las soluciones enfatizando aspectos como los valores de latencia la capacidad de soportar tiempos de ciclo concretos o la fiabilidad en los tiempos de “roaming”.

De este modo, tecnologías altamente contrastadas dan paso a puntuales modificaciones de sus estándares dando lugar a un salto de las WLAN hacia las iWLAN (industrial WLAN). Estas modificaciones son las “iFeatures” o características industriales. A través de iFeatures como iPCF, iPCF-MC o iPRP se hacen los estándares base, apropiados para aplicaciones de altos requisitos industriales mejorando la fiabilidad, las latencias o los tiempos de ciclo y de “roaming” para los dispositivos conectados.

Como característica para tener en cuenta, los estándares encargados de garantizar estas funcionalidades en la mayor parte de los casos van a moderar en cualquiera de las tecnologías WiFi los anchos de banda a unos mínimos que harán viable la tecnología WLAN para las necesidades industriales. Pensemos por ejemplo en un entorno de AGVs donde necesitamos llevar señales de seguridad hasta un PLC. El ancho de banda de estas aplicaciones o la capacidad de comunicar con muchos dispositivos da pie a requisitos como poder asegurar tiempos de cambio de punto de acceso o igualmente poder asegurar cuando un AGV va a poder comunicar, con independencia del número de AGVs asociados a un punto de acceso. Y todo ello cumpliendo tiempos de milisegundos, y con características d baja latencia.

Por si esto fuera poco, a lo largo del año 2021 irrumpirá con fuerza la tecnología 802.11ax, también conocido como Wi-Fi6, que trae grandes avances que serán igualmente idóneos para la industria. A través de diversas mejoras en la tecnología, vamos a ser capaces de mejorar ampliamente en la utilización del espectro, el número de clientes conectados, así como los anchos de banda a conseguir (hasta 9608Mbps). Aspectos que sin duda van a traer grandes mejoras en la industria, especialmente en entornos donde los grandes requisitos de gestión de latencias o determinismo no sean cruciales. Esto hará que muchas aplicaciones de IIoT se puedan plantear con esta tecnología en lugar de con tecnología 5G, ya que el usuario podrá crear su red privada con Wi-Fi6 y dotándose de una infraestructura adecuada para la conectividad masiva de elementos en la planta. Al crear una red privada, toda la información queda confinada en la red interna del usuario y por lo tanto no estará expuesta a los riesgos típicos que se encuentran en Internet.

En cualquier caso, estas mejoras se acentuarán dando entrada igualmente a las denominadas iFeatures, que se encargarán de llevar estas mejoras al mundo industrial, como ya se viene haciendo y una vez más haciendo las novedades del entorno WiFi más válidas para la industria. Se ha de tener en cuenta que, nuevamente, aspectos que no son tenidos en cuenta en el estándar tales como la planificación de comunicación con los cada uno de los equipos conectados a los puntos de acceso, los tiempos mínimos de latencia a soportar, o los tiempos necesarios para cambiar de punto de acceso, serán solventados a través de la adaptación de las ya mencionadas iFeatures al Wi-Fi 6. Se dará entrada al nuevo iPCF v2 entre dichas novedades tecnológicas.

Y por si no fuera poco se empieza igualmente a hablar del Wi-Fi 6E, donde una nueva banda espectral permitirá poder trabajar una nueva banda de calanes libres con las que poder planificar adecuadamente las aplicaciones industriales.

Sin duda una nueva era en la que la conectividad digital a través del espectro libre permite trabajar soluciones privadas con las más alta de las garantías para cubrir nuestras expectativas. Y que será nuevamente cubierta a través de características industriales que nos acercarán estas tecnologías a las necesidades que podamos encontrar en los entornos industriales. Estamos por lo tanto ante un nuevo avance en una tecnología madura dentro de la industria y que nos permitirá dar un paso más en la disposición de las comunicaciones inalámbricas, donde la mejora de cada uno de los estándares hace cada vez más viable el iWLAN en nuestras aplicaciones industriales.

Tecnología de bajo consumo LPWA: conectividad energéticamente eficiente

La disponibilidad de la información en los dispositivos industriales es cada día mayor. Actualmente nos encontramos con Instrumentación o Sensores en localizaciones remotas cuyos datos son de gran valor para la optimización de costes o realizar mejoras productivas. En muchas ocasiones estas localizaciones requieren dispositivos con características tan peculiares como funcionamiento con baterías, instalaciones subterráneas (en arquetas de control de riegos o distribución de agua, por ejemplo) o que se encuentren en movimiento como el caso de flotas de camiones de distribución en el sector logístico.

En estos casos, el requisito principal a la hora elegir el tipo de conectividad es el uso de tecnologías de bajo consumo Low Power Wide Area o LPWA. Dentro de este grupo de tecnologías existen bandas licenciadas como NB-IOT o LTE-M que en comparación con la red LTE “estándar” tienen mayor alcance, una mejor penetración en áreas urbanizadas junto con menor consumo de energía del hardware. En el caso de LTE-M / NB-IoT es particularmente notable en caso de un volumen de datos muy alto, por ejemplo, en equipos que permanecen siempre conectados a la red.

Algunos fabricantes han desarrollado dispositivos muy específicos que cumplen con los requerimientos para realizar tareas de IIoT, garantizando el funcionamiento y el ciclo de vida industrial de dichos dispositivos. Como ejemplo, podemos encontrar el dispositivo SIMATIC RTU3041C de Siemens que está dotado de conectividad LTE-M/NB-IoT mediante su módem integrado y además incluye localización GPS. La gama de dispositivos RTU3000 tiene como principal característica la posibilidad de ser alimentada vía baterías, paneles solares o alimentaciones mixtas en función de la disponibilidad que tengamos en cada punto de medida o localización. Además, este equipo permite acceso remoto seguro a dispositivos mediante protocolo HART o Modbus RTU mediante SIMATIC PDM, permitiendo la configuración de los instrumentos remotamente. El envío y la recepción de la información se realiza por los protocolos de telecontrol SINAUT, DNP3 o IEC 60870-104.

¿Qué tecnología de conectividad inalámbrica es la adecuada?

Después de haber analizado las diferentes tecnologías podemos concluir que en cada caso de uso encajaría una tecnología diferente. Todo va a depender de las necesidades de la aplicación o del caso de uso específico.

Aunque la tecnología 5G está irrumpiendo con mucha fuerza, todavía quedan algunos años para ver su máximo potencial en la industria. En el momento que tengamos al Release 16 en los dispositivos veremos grandes avances, pero no será hasta la llegada del Release 17 cuando podamos poner a prueba la tecnología en los entornos más exigentes.

Actualmente, la tecnología de conectividad inalámbrica más madura en la industria es la tecnología WLAN. Seguramente con la llegada del Wi-Fi 6 encontraremos multitud de nuevas aplicaciones y este hito se va a producir a corto plazo.

No obstante, independientemente de la tecnología a utilizar, lo que es cierto es que con las nuevas tecnologías inalámbricas se abren infinitas posibilidades. Por lo tanto, debemos desarrollar las capacidades de innovación y crear nuevas soluciones que realmente aporten valor a los usuarios finales de la industria.