Comunicacions en la indústria 4.0

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

400

En els últims segles, les revolucions industrials han marcat el ritme del desenvolupament tecnològic. En aquest moment s'està desenvolupant la quarta revolució industrial (Indústria 4.0). En particular, els sistemes de comunicació són els conductors d'aquest procés. Però, com caldrà transformar els sistemes de comunicació tradicionals? Com serà la indústria del futur?

Mirant al passat

La capacitat d'adaptació i evolució és una de les característiques que caracteritzen a l'ésser humà. Per això, al llarg de la història hem viscut tres revolucions industrials fruit del desenvolupament de sectors específics. En concret, la primera revolució industrial va ser impulsada pel desenvolupament del mecanitzat, la segona per la producció massiva d'energia elèctrica i el desenvolupament de la indústria química i de l'automòbil, i la tercera per la introducció de la microelectrònica i les tecnologies de la informació en les cadenes productives. En l'actualitat, els nombrosos avanços informàtics aconseguits fins avui, les noves eines digitals desenvolupades i, sobretot, l'automatització de màquines i processos, ens situen al començament de l'anomenada indústria 4.0. L'objectiu d'aquesta quarta revolució industrial és el desenvolupament de fàbriques intel·ligents o smart-industry capaces de planificar, predir, controlar i produir de manera autònoma i intel·ligent, donant major valor al funcionament i a la cadena de producció.

Línia temporal de revolucions industrials. Ed. Eneko Iradier i Jon Montalban

Què és la Indústria 4.0?

Les comunicacions seran una característica fonamental de la indústria 4.0. De fet, per a facilitar les fàbriques intel·ligents és necessari capacitar a totes les màquines que componen la indústria per a comunicar-se i estar interconnectades entre si. No obstant això, existeixen certes barreres que dificulten la implantació d'aquesta mena de comunicacions.

En primer lloc, la transició dels cablejats de comunicacions a les comunicacions sense fils no ofereix encara les garanties necessàries. Tradicionalment, les comunicacions industrials s'han basat en sistemes cablejats, però aquest tipus de comunicacions no són adequades per a augmentar la grandària de les xarxes o donar mobilitat als equips. Per això, les tecnologies sense fils són les millors candidates, encara que encara no poden garantir la mateixa solidesa que els sistemes cablejats.

D'altra banda, un altre repte és l'entorn d'aplicació en si mateix. Llocs d'aplicació (tallers, plantes de producció, etc.) són entorns generalment tancats, amb gran varietat d'equipaments i amb gran varietat d'equips metàl·lics de reflexió. Aquesta combinació de factors fa que el senyal rebut tingui molts ressons i estigui afectada per un canal de difusió violent. Sens dubte, aquestes condicions de recepció dificulten les comunicacions i plantegen el repte de dissenyar sistemes ultrasònics adequats a aquests entorns.

Finalment, les bandes de freqüència utilitzades en les comunicacions sense fils són un altre dels grans reptes. La majoria dels sistemes sense fils utilitzen bandes lliures ISM (Industrial, Scientific and Medical). Aquestes bandes presenten una forta competència, per la qual cosa les xarxes poden ser obstruïdes, arribant a una col·lisió entre paquets o impedint l'accés a determinats equips.

Oferta tecnològica actual

En primer lloc, cal esmentar que de moment no existeixen estàndards o tecnologies que defineixin universalment les comunicacions industrials. Per això, depenent de l'aplicació final o de l'entorn, existeixen diferents opcions tecnològiques.

Wifi és una solució molt acceptada. Sens dubte, el principal argument per a impulsar aquesta tecnologia és la seva expansió actual, ja que totes o gairebé totes les empreses actuals gestionen la seva pròpia xarxa Wifi. Per això, la incorporació d'equips automatitzats a aquesta xarxa suposa un menor cost respecte al desplegament d'una nova xarxa exclusiva. No obstant això, aquesta tecnologia també presenta els seus desavantatges al no establir mecanismes ni determinacions que garanteixin la fiabilitat de les comunicacions. Per això, s'han enfocat nombroses recerques a reforçar aquests dos punts febles, desenvolupant esquemes temporals que coordinen de forma ordenada l'accés a l'entorn i estableixen mecanismes per a millorar la solidesa de les comunicacions, com la reexpedició de paquets o la redundància.

En els llocs superiors del rànquing de candidats es pot trobar Bluetooth, especialment la solució Bluetooth Low Energy (BLE). El BLE és una tecnologia orientada a la interconnexió d'equips on els nodes es connecten amb equips que compleixen el rol de mestres. La solidesa d'aquesta solució es basa en un baix consum energètic, la qual cosa fa que existeixi una tecnologia molt interessant per a aplicacions d'equips amb bateria com les xarxes de sensors. No obstant això, en comparació amb el Wifi, la BLE té una taxa de dades menor (2 Mbps), la qual cosa limita a aplicacions que requereixen poca transferència d'informació.

Finalment, s'han proposat sistemes mòbils de comunicacions de banda ampla per a cobrir algunes necessitats. Entre ells destaca l'ús de la quarta generació de comunicacions mòbils: Long Term Evolution (LTE), per exemple, utilitzat per a donar suport a xarxes i aplicacions orientades a Internet de les Coses (Internet of Things, IoT). Aquesta solució, denominada Narrow Band IoT, es basa, igual que el BLE, en la transmissió de baixes taxes de dades per a donar servei a un gran nombre d'usuaris.

En aquests moments la recerca s'està focalitzant cap al 5G, ja que la cinquena generació de comunicacions mòbils té una modalitat similar als requisits industrials. No obstant això, en estar encara en fase de desenvolupament, no hi ha treball experimental que avali l'èxit.

Mirant al futur

Avui dia, el món de les radiocomunicacions avança a una velocitat imparable, sobretot gràcies a l'impuls de la telefonia mòbil. De fet, en els inicis de l'expansió de la tecnologia 5G, que recentment ha arribat als mitjans de comunicació, cada vegada són més evidents els treballs sobre la següent fase, coneguda en el món de la recerca com l'apèndix 6G. El ritme d'aquesta constant evolució no pot estendre's a tots els àmbits, i les aplicacions de la indústria 4.0, per exemple, han de marcar la seva pròpia trajectòria. Per tant, tal com s'ha esmentat anteriorment, en l'àmbit de les comunicacions industrials encara queden per provar algunes tecnologies ja aprovades i legislades dins del 5G.

Destaquen les tècniques que redueixen el retard (o temps de processament) del senyal. Entre ells destaca l'Edge Computing com a model de canvi que pot ser important en aquest àmbit. En resum, el seu objectiu consisteix a portar a l'extrem els treballs de la xarxa, és a dir, prop de la font en la qual s'han generat les dades, reduint el temps necessari per a transportar la informació d'extrem a extrem. D'altra banda, el Cloud Computing, molt conegut en altres àmbits, també podria tenir rellevància en les comunicacions industrials, però per a això caldria reduir els temps de retard associats.

Eixos de futur de la indústria 4.0. Ed. Eneko Iradier i Jon Montalban

A més de les solucions anteriorment citades i heretades de les comunicacions mòbils, existeixen altres tecnologies més ambicioses que poden ser rellevants per a les comunicacions industrials sense fils. En l'últim any, segons la revista Nature, Intel·ligència Artificial (IA) ha pujat al quart lloc entre els termes de recerca més buscats. No és d'estranyar, per tant, que en aquesta quarta revolució industrial es prevegi la seva influència en els sistemes de generació i distribució d'energia, IoT i sensors, monitoratge del control, etc. En aquesta llista també es poden situar les radiocomunicacions sense fils. L'AA pot ser molt útil per a la planificació de les xarxes de comunicacions dels nous tallers. Fins ara, en la planificació tradicional els transmissors es consideraven estàtics, ja que els destinataris eren els únics dispositius amb mobilitat. No obstant això, el número i tipologia de dispositius que poden estar connectats a una fàbrica intel·ligent va en continu augment (inclosos els emissors), amb el que la planificació estàtica per a la cobertura d'una futura fàbrica presenta limitacions evidents. D'altra banda, l'AA també pot contribuir a l'escassa protecció de les comunicacions sense fils davant un atac. Per exemple, mitjançant tècniques d'AA es pot analitzar el trànsit en xarxa i, mitjançant models prèviament entrenats, identificar possibles atacs maliciosos en la nostra xarxa, analitzant variants sospitoses en el trànsit.

D'altra banda, en l'àmbit de la indústria 4.0, les radiocomunicacions poden entendre's també com un nou eix de seguretat física. Les recerques publicades en els últims anys han demostrat que els sistemes sense fils, a més de transportar informació, poden complir altres objectius com el de comptar persones dins d'una aula o determinar l'activitat que aquestes persones estan realitzant. En definitiva, per a aconseguir-ho és necessari analitzar estadísticament els canvis en el senyal emès per la presència de les persones i en el canal travessat. En un àmbit en el qual la tecnologia GPS no pot utilitzar-se, pot ser una solució òptima per a localitzar i comptar als treballadors en cas de risc o accident. Sens dubte, la implantació d'aquesta mena de sistemes d'identificació i la seva integració amb les tècniques AA anteriorment descrites és una línia de recerca imprescindible per al desenvolupament segur de futurs tallers intel·ligents.

Reflexions finals

La indústria 4.0 ha arribat i requereix una profunda transformació de les comunicacions sense fils. L'oferta tecnològica actual té diversos candidats, però cap compleix amb tots els requisits per a ser el model a seguir. Per això, el procés de recerca i desenvolupament ha de continuar i combinar-se amb tècniques disruptivas que millorin el rendiment de les tecnologies ja existents per a portar el futur al present.

Bibliografia

R. Drath and A. Horch, "Industrie 4.0: Hit or Hype? [Industry Fòrum]," en IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 8, no. 2, pàg. 56-58, June 2014.

A. Varghese and D. Tandur, "Wireless requirements and challenges in Industry 4.0," 2014 International Conference on Contemporary Computing and Informatics (IC3I), Mysore, 2014, pàg. 634-638.

C. Montgomery, R. Candell, I. Liu, and M. Hany, “Wireless user requirements for the factory workcell,”NIST Report, Adv. Manuf. Ser. (NISTAMS)-300, vol. 8, 2019.