Comunicaciones en la industria 4.0

2021/07/26 Eneko Iradier - Doktoradutza aurreko ikertzailea Bilboko Ingeniaritza Eskolan (EHU) | Jon Montalban - Irakaslea Gipuzkoako Ingeniaritza Eskolan Iturria: Elhuyar aldizkaria

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En los últimos siglos, las revoluciones industriales han marcado el ritmo del desarrollo tecnológico. En este momento se está desarrollando la cuarta revolución industrial (Industria 4.0). En particular, los sistemas de comunicación son los conductores de este proceso. Pero, ¿cómo habrá que transformar los sistemas de comunicación tradicionales? ¿Cómo será la industria del futuro?

Mirando al pasado

La capacidad de adaptación y evolución es una de las características que caracterizan al ser humano. Por ello, a lo largo de la historia hemos vivido tres revoluciones industriales fruto del desarrollo de sectores específicos. En concreto, la primera revolución industrial fue impulsada por el desarrollo del mecanizado, la segunda por la producción masiva de energía eléctrica y el desarrollo de la industria química y del automóvil, y la tercera por la introducción de la microelectrónica y las tecnologías de la información en las cadenas productivas. En la actualidad, los numerosos avances informáticos conseguidos hasta la fecha, las nuevas herramientas digitales desarrolladas y, sobre todo, la automatización de máquinas y procesos, nos sitúan al comienzo de la llamada industria 4.0. El objetivo de esta cuarta revolución industrial es el desarrollo de fábricas inteligentes o smart-industry capaces de planificar, predecir, controlar y producir de forma autónoma e inteligente, dando mayor valor al funcionamiento y a la cadena de producción.

¿Qué es la Industria 4.0?

Las comunicaciones serán una característica fundamental de la industria 4.0. De hecho, para facilitar las fábricas inteligentes es necesario capacitar a todas las máquinas que componen la industria para comunicarse y estar interconectadas entre sí. Sin embargo, existen ciertas barreras que dificultan la implantación de este tipo de comunicaciones.

En primer lugar, la transición de los cableados de comunicaciones a las comunicaciones inalámbricas no ofrece aún las garantías necesarias. Tradicionalmente, las comunicaciones industriales se han basado en sistemas cableados, pero este tipo de comunicaciones no son adecuadas para aumentar el tamaño de las redes o dar movilidad a los equipos. Por ello, las tecnologías inalámbricas son las mejores candidatas, aunque todavía no pueden garantizar la misma solidez que los sistemas cableados.

Por otro lado, otro reto es el entorno de aplicación en sí mismo. Lugares de aplicación (talleres, plantas de producción, etc.) son entornos generalmente cerrados, con gran variedad de equipamientos y con gran variedad de equipos metálicos de reflexión. Esta combinación de factores hace que la señal recibida tenga muchos ecos y esté afectada por un canal de difusión violento. Sin duda, estas condiciones de recepción dificultan las comunicaciones y plantean el reto de diseñar sistemas ultrasónicos adecuados a estos entornos.

Por último, las bandas de frecuencia utilizadas en las comunicaciones inalámbricas son otro de los grandes retos. La mayoría de los sistemas inalámbricos utilizan bandas libres ISM (Industrial, Scientific and Medical). Estas bandas presentan una fuerte competencia, por lo que las redes pueden ser obstruidas, llegando a una colisión entre paquetes o impidiendo el acceso a determinados equipos.

Oferta tecnológica actual

En primer lugar, cabe mencionar que por el momento no existen estándares o tecnologías que definan universalmente las comunicaciones industriales. Por ello, dependiendo de la aplicación final o del entorno, existen diferentes opciones tecnológicas.

WiFi es una solución muy aceptada. Sin duda, el principal argumento para impulsar esta tecnología es su expansión actual, ya que todas o casi todas las empresas actuales gestionan su propia red WiFi. Por ello, la incorporación de equipos automatizados a esta red supone un menor coste respecto al despliegue de una nueva red exclusiva. Sin embargo, esta tecnología también presenta sus desventajas al no establecer mecanismos ni determinaciones que garanticen la fiabilidad de las comunicaciones. Por ello, se han enfocado numerosas investigaciones a reforzar estos dos puntos débiles, desarrollando esquemas temporales que coordinan de forma ordenada el acceso al entorno y establecen mecanismos para mejorar la solidez de las comunicaciones, como el reenvío de paquetes o la redundancia.

En los puestos superiores del ranking de candidatos se puede encontrar Bluetooth, especialmente la solución Bluetooth Low Energy (BLE). El BLE es una tecnología orientada a la interconexión de equipos donde los nodos se conectan con equipos que cumplen el rol de maestros. La solidez de esta solución se basa en un bajo consumo energético, lo que hace que exista una tecnología muy interesante para aplicaciones de equipos con batería como las redes de sensores. Sin embargo, en comparación con el WiFi, la BLE tiene una tasa de datos menor (2 Mbps), lo que limita a aplicaciones que requieren poca transferencia de información.

Finalmente, se han propuesto sistemas móviles de comunicaciones de banda ancha para cubrir algunas necesidades. Entre ellos destaca el uso de la cuarta generación de comunicaciones móviles: Long Term Evolution (LTE), por ejemplo, utilizado para dar soporte a redes y aplicaciones orientadas a Internet de las Cosas (Internet of Things, IoT). Esta solución, denominada Narrow Band IoT, se basa, al igual que el BLE, en la transmisión de bajas tasas de datos para dar servicio a un gran número de usuarios.

En estos momentos la investigación se está focalizando hacia el 5G, ya que la quinta generación de comunicaciones móviles tiene una modalidad similar a los requisitos industriales. Sin embargo, al estar todavía en fase de desarrollo, no hay trabajo experimental que avale el éxito.

Mirando al futuro

Hoy en día, el mundo de las radiocomunicaciones avanza a una velocidad imparable, sobre todo gracias al impulso de la telefonía móvil. De hecho, en los inicios de la expansión de la tecnología 5G, que recientemente ha llegado a los medios de comunicación, cada vez son más evidentes los trabajos sobre la siguiente fase, conocida en el mundo de la investigación como el apéndice 6G. El ritmo de esta constante evolución no puede extenderse a todos los ámbitos, y las aplicaciones de la industria 4.0, por ejemplo, deben marcar su propia trayectoria. Por tanto, tal y como se ha mencionado anteriormente, en el ámbito de las comunicaciones industriales todavía quedan por probar algunas tecnologías ya aprobadas y legisladas dentro del 5G.

Destacan las técnicas que reducen el retraso (o tiempo de procesado) de la señal. Entre ellos destaca el Edge Computing como modelo de cambio que puede ser importante en este ámbito. En resumen, su objetivo consiste en llevar al extremo los trabajos de la red, es decir, cerca de la fuente en la que se han generado los datos, reduciendo el tiempo necesario para transportar la información de extremo a extremo. Por otro lado, el Cloud Computing, muy conocido en otros ámbitos, también podría tener relevancia en las comunicaciones industriales, pero para ello habría que reducir los tiempos de retraso asociados.

Además de las soluciones anteriormente citadas y heredadas de las comunicaciones móviles, existen otras tecnologías más ambiciosas que pueden ser relevantes para las comunicaciones industriales inalámbricas. En el último año, según la revista Nature, Inteligencia Artificial (IA) ha subido al cuarto puesto entre los términos de investigación más buscados. No es de extrañar, por tanto, que en esta cuarta revolución industrial se prevea su influencia en los sistemas de generación y distribución de energía, IoT y sensores, monitorización del control, etc. En esta lista también se pueden ubicar las radiocomunicaciones inalámbricas. La AA puede ser muy útil para la planificación de las redes de comunicaciones de los nuevos talleres. Hasta ahora, en la planificación tradicional los transmisores se consideraban estáticos, ya que los destinatarios eran los únicos dispositivos con movilidad. Sin embargo, el número y tipología de dispositivos que pueden estar conectados a una fábrica inteligente va en continuo aumento (incluidos los emisores), con lo que la planificación estática para la cobertura de una futura fábrica presenta limitaciones evidentes. Por otra parte, la AA también puede contribuir a la escasa protección de las comunicaciones inalámbricas ante un ataque. Por ejemplo, mediante técnicas de AA se puede analizar el tráfico en red y, mediante modelos previamente entrenados, identificar posibles ataques maliciosos en nuestra red, analizando variantes sospechosas en el tráfico.

Por otro lado, en el ámbito de la industria 4.0, las radiocomunicaciones pueden entenderse también como un nuevo eje de seguridad física. Las investigaciones publicadas en los últimos años han demostrado que los sistemas inalámbricos, además de transportar información, pueden cumplir otros objetivos como el de contar personas dentro de un aula o determinar la actividad que estas personas están realizando. En definitiva, para conseguirlo es necesario analizar estadísticamente los cambios en la señal emitida por la presencia de las personas y en el canal atravesado. En un ámbito en el que la tecnología GPS no puede utilizarse, puede ser una solución óptima para localizar y contar a los trabajadores en caso de riesgo o accidente. Sin duda, la implantación de este tipo de sistemas de identificación y su integración con las técnicas AA anteriormente descritas es una línea de investigación imprescindible para el desarrollo seguro de futuros talleres inteligentes.

Reflexiones finales

La industria 4.0 ha llegado y requiere una profunda transformación de las comunicaciones inalámbricas. La oferta tecnológica actual tiene varios candidatos, pero ninguno cumple con todos los requisitos para ser el modelo a seguir. Por ello, el proceso de investigación y desarrollo debe continuar y combinarse con técnicas disruptivas que mejoren el rendimiento de las tecnologías ya existentes para traer el futuro al presente.

Bibliografía

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