Kolbi: Automatización inalámbrica en la fábrica inteligente

Las necesidades crecientes de una personalización masiva, la excelencia operativa y la inteligencia de negocio están cambiando el modo en que se fabrican los productos actualmente en cualquier fábrica del mundo. Para poder competir globalmente, los fabricantes de productos necesitan que sus máquinas y líneas de producción sean cada vez más flexibles, versátiles, escalables y por supuesto rentables. La máxima capacidad de adaptación, el mayor rendimiento y la reducción de los tiempos de inactividad son los requisitos más comunes de los fabricantes de maquinaria de cara a la Industria 4.0. 

La comunicación por cable en sus diferentes protocolos desde los buses de campo hasta la implantación y despliegue posterior de Ethernet a nivel Industrial en planta, ha sido durante mucho tiempo la única opción viable para la comunicación en la planta de producción. Su fiabilidad inherente y su baja latencia han llevado a los fabricantes a utilizarla tanto para el control de las máquinas como para su supervisión.

Sin embargo, los cables limitan la flexibilidad y la agilidad de las máquinas, pueden provocar paradas imprevistas debido al desgaste y son difíciles de mantener. En muchas ocasiones, la comunicación por cable ni siquiera es viable cuando se trata de movimientos rápidos o de rotación. Las tecnologías inalámbricas tradicionales como WLAN (WiFi), Zigbee y Bluetooth, se quedan cortas a la hora de cumplir los estrictos requisitos industriales de fiabilidad, latencia y escalabilidad y por lo tanto no son prácticos para su uso. 

La Industria 4.0 necesita de una solución alternativa que proporcione una comunicación inalámbrica inteligente, sencilla, de bajo coste y de calidad industrial, desde el nivel de dispositivo (sensor, actuador ) a través de Ethernet industrial (PLC, PC industrial), hasta llegar a las aplicaciones de IIoT y el Cloud empresarial.

IO LINK WIRELESS – Un estándar global para la comunicación inalambrica en la automatizacion industrial

El protocolo IO Link Wireless fue desarrollado como un estándar global de comunicaciones inalámbricas diseñado para sustituir el cableado en el control y monitorización de sensores y actuadores en la automatización de fábricas. Basado en el estándar de IO Link IEC 61131-9, es una ampliación de la tecnología IO Link ya establecida y utilizada. De forma similar al protocolo original de IO Link, la tecnología IO Link Wireless ofrece una alta fiabilidad, baja latencia, escalabilidad, comunicación determinista, capacidad de alta densidad de clientes y robustez; todo ello en un formato inalámbrico. Está especialmente indicado para satisfacer las exigencias de la Industria 4.0 y ya la están implantando algunos de los mayores fabricantes de máquinas del mundo. Para lograr una comunicación inalámbrica de alto rendimiento en entornos de alta complejidad, se requiere tener en cuenta una amplia gama de consideraciones de diseño:

• Fiabilidad

La tecnología inalámbrica IO-Link ofrece un nivel de rendimiento de 1e-9 (10-9­­ ) de tasa de error de paquetes - Packet Error Rate (PER). En comparación, es 6 órdenes de magnitud (un millón de veces) más fiable que otros estándares inalámbricos como Wi-Fi, Bluetooth y Zigbee, que demuestran un PER de 1e-3 (10-3). 

Esto se consigue gracias a un mecanismo de repetición que se utiliza para la transmisión crítica en IO-Link Wireless. Para garantizar una baja latencia, este mecanismo se implementa de forma automática y está controlado por la capa física del sistema de radio. IO-Link Wireless también utiliza la modulación Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK), que es una modulación extremadamente robusta para hacer frente a las interferencias y al ruido.

• Deterministo

El protocolo IO Link Wireless se diseñó como un protocolo determinista con la garantía de que cada paquete de datos se entrega con un retardo limitado de tiempo. La estructura del ciclo IO-Link Wireless está estrictamente definida, con una limitación del número máximo de dispositivos inalámbricos por cada IO-Link Wireless Master.

• Baja latencia

IO-Link Wireless proporciona una latencia determinista de 5ms con 40 nodos (sensores, actuadores, o hubs de E/S) por cada maestro Wireless. Cada ciclo de 5ms de IO Link Wireless se compone de 3 subciclos cada uno con una duración de 1,6ms. Cada subciclo se transmite en una frecuencia diferente. 

• Coexistencia

IO-Link Wireless está diseñado para coexistir con otras redes inalámbricas y otras posibles interferencias mediante mecanismos como el bloqueo y el salto de frecuencias adaptativo. La lista negra es un mecanismo diseñado para evitar posibles colisiones aéreas con otros sistemas inalámbricos como el Wi-Fi. El salto de frecuencia se utiliza para garantizar un rendimiento adecuado de los componentes del sistema IO-Link Wireless y para reducir el impacto de las interferencias. El salto de frecuencias alterna los canales de frecuencia de cada transmisión como medida para mejorar la interferencia, lo que da como resultado un PER de 1e-9 (10-9) que está a la par con las conexiones cableadas.

Un único IO-Link Wireless Master puede soportar hasta 40 dispositivos esclavos IO-Link Wireless. Cada maestro está dividido en cinco pistas. Cada pista de un maestro inalámbrico admite hasta 8 dispositivos inalámbricos IO-Link. Las pistas de cada maestro inalámbrico se comunican simultáneamente en diferentes frecuencias, lo que permite una utilización óptima de la red. Además, varios maestros de IO Link Wireless pueden coexistir en el mismo espacio aéreo. 

• Interoperabilidad

La interoperabilidad es crítica cuando se añaden capacidades inalámbricas a dispositivos antiguos o a cualquier dispositivo que no disponga de capacidades inalámbricas. IO-Link Wireless utiliza los métodos y herramientas de integración de IO-Link, lo que supone una ventaja significativa para los integradores de sistemas y el personal de mantenimiento. Además de ser compatible con los dispositivos IO-Link disponibles en el mercado, la tecnología también es compatible con una amplia gama de otros dispositivos digitales y/o analógicos. 

Aplicación en sistemas de transporte inteligente

Un campo de aplicación donde la tecnología IO Link inalámbrica está aportando ventajas competitivas es el de los smart conveyors o sistemas de transporte inteligentes, ampliamente utilizados entre los fabricantes de maquinaria del packaging dentro de los sectores de alimentación, farmacia o cosmética . La comunicación inalámbrica en el carro transportador permite a las garras de manipulación, o elementos de sujeción por vacío, ejecutar acciones en movimiento. Gracias a su control inalámbrico, se elimina la dependencia de equipos externos como robots, lo que permite el procesamiento flexible de diversos productos/envases a través de un flujo de trabajo de alta velocidad ininterrumpido. En el caso de procesar diferentes tipos de producto, las soluciones tradicionales requieren cambios manuales y herramientas personalizadas específicas para el tamaño y el factor de forma del producto, todo lo cual se elimina con IO Link Wireless que permite cambiar varios tipos de producto (forma,tamaño y material) sobre la marcha. El control independiente inalámbrico en cada transportador permite implementar cambios en el embalaje del producto y/o la orientación del producto sobre la marcha . 

Un ejemplo de uso de la tecnología IO Link Wireless en una aplicación real, lo tenemos con la empresa suiza ROTZINGER, que tiene como misión optimizar el flujo de producto para sus clientes ofreciendo soluciones, servicios y software de primer nivel para los sectores de cosmética y farmacia así como en el sector de Food&Beverage. 

ROTZINGER ha desarrollado a petición de uno de sus clientes una máquina adaptativa para el embalaje de comida que cumple con las altas demandas de fabricación así como la posibilidad de soportar diferentes tipos de embalaje y variaciones de producto. Esto es posible gracias a un transportador inteligente que permite actuar sobre los productos manipulados controlando las pinzas de manipulación sobre la marcha a muy alta velocidad. La alimentación es proporcionada por un sistema de alimentación sin contacto de la empresa VAHLE.

Los beneficios son claros: flexibilidad para soportar múltiples tipos de producto y embalajes , reducción de tiempos de cambio de utillaje , reducción de equipamiento y uso de energía y una gestión más eficiente de los lotes pequeños de producción.

Más información en el siguiente video:

Kolbi

www.kolbi.es 

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Este artículo aparece publicado en el nº 550 de Automática e Instrumentación págs. 64 a 66.