Comunicacións na industria 4.0

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

400

Nos últimos séculos, as revolucións industriais han marcado o ritmo do desenvolvemento tecnolóxico. Neste momento está a desenvolverse a cuarta revolución industrial (Industria 4.0). En particular, os sistemas de comunicación son os condutores deste proceso. Pero, como haberá que transformar os sistemas de comunicación tradicionais? Como será a industria do futuro?

Mirando ao pasado

A capacidade de adaptación e evolución é una das características que caracterizan ao ser humano. Por iso, ao longo da historia vivimos tres revoluciones industriais froito do desenvolvemento de sectores específicos. En concreto, a primeira revolución industrial foi impulsada polo desenvolvemento do mecanizado, a segunda pola produción masiva de enerxía eléctrica e o desenvolvemento da industria química e do automóbil, e a terceira pola introdución da microelectrónica e as tecnoloxías da información nas cadeas produtivas. Na actualidade, os numerosos avances informáticos conseguidos até a data, as novas ferramentas dixitais desenvolvidas e, sobre todo, a automatización de máquinas e procesos, sitúannos ao comezo da chamada industria 4.0. O obxectivo desta cuarta revolución industrial é o desenvolvemento de fábricas intelixentes ou smart-industry capaces de planificar, predicir, controlar e producir de forma autónoma e intelixente, dando maior valor ao funcionamento e á cadea de produción.

Liña temporal de revolucións industriais. Ed. Eneko Iradier e Jon Montalban

Que é a Industria 4.0?

As comunicacións serán una característica fundamental da industria 4.0. De feito, paira facilitar as fábricas intelixentes é necesario capacitar a todas as máquinas que compoñen a industria paira comunicarse e estar interconectadas entre si. Con todo, existen certas barreiras que dificultan a implantación deste tipo de comunicacións.

En primeiro lugar, a transición dos cableados de comunicacións ás comunicacións inalámbricas non ofrece aínda as garantías necesarias. Tradicionalmente, as comunicacións industriais baseáronse en sistemas cableados, pero este tipo de comunicacións non son adecuadas paira aumentar o tamaño das redes ou dar mobilidade aos equipos. Por iso, as tecnoloxías inalámbricas son as mellores candidatas, aínda que aínda non poden garantir a mesma solidez que os sistemas cableados.

Doutra banda, outro reto é a contorna de aplicación en si mesmo. Lugares de aplicación (talleres, plantas de produción, etc.) son contornas xeralmente pechadas, con gran variedade de equipamentos e con gran variedade de equipos metálicos de reflexión. Esta combinación de factores fai que o sinal recibido teña moitos ecos e estea afectada por unha canle de difusión violento. Sen dúbida, estas condicións de recepción dificultan as comunicacións e expoñen o reto de deseñar sistemas ultrasónicos adecuados a estas contornas.

Por último, as bandas de frecuencia utilizadas nas comunicacións inalámbricas son outro dos grandes retos. A maioría dos sistemas inalámbricos utilizan bandas libres ISM (Industrial, Scientific and Medical). Estas bandas presentan una forte competencia, polo que as redes poden ser obstruidas, chegando a unha colisión entre paquetes ou impedindo o acceso a determinados equipos.

Oferta tecnolóxica actual

En primeiro lugar, cabe mencionar que polo momento non existen estándares ou tecnoloxías que definan universalmente as comunicacións industriais. Por iso, dependendo da aplicación final ou da contorna, existen diferentes opcións tecnolóxicas.

WiFi é una solución moi aceptada. Sen dúbida, o principal argumento paira impulsar esta tecnoloxía é a súa expansión actual, xa que todas ou case todas as empresas actuais xestionan a súa propia rede WiFi. Por iso, a incorporación de equipos automatizados a esta rede supón un menor custo respecto ao despregamento dunha nova rede exclusiva. Con todo, esta tecnoloxía tamén presenta as súas desvantaxes ao non establecer mecanismos nin determinacións que garantan a fiabilidade das comunicacións. Por iso, enfocáronse numerosas investigacións a reforzar estes dous puntos débiles, desenvolvendo esquemas temporais que coordinan de forma ordenada o acceso á contorna e establecen mecanismos paira mellorar a solidez das comunicacións, como o reenvío de paquetes ou a redundancia.

Nos postos superiores do ranking de candidatos pódese atopar Bluetooth, especialmente a solución Bluetooth Low Energy (BLE). O BLE é una tecnoloxía orientada á interconexión de equipos onde os nodos conéctanse con equipos que cumpren o rol de mestres. A solidez desta solución baséase nun baixo consumo enerxético, o que fai que exista una tecnoloxía moi interesante paira aplicacións de equipos con batería como as redes de sensores. Con todo, en comparación co WiFi, a BLE ten una taxa de datos menor (2 Mbps), o que limita a aplicacións que requiren pouca transferencia de información.

Finalmente, propuxéronse sistemas móbiles de comunicacións de banda ancha paira cubrir algunhas necesidades. Entre eles destaca o uso da cuarta xeración de comunicacións móbiles: Long Term Evolution (LTE), por exemplo, utilizado paira dar soporte a redes e aplicacións orientadas a Internet das Cousas (Internet of Things, IoT). Esta solución, denominada Narrow Band IoT, baséase, do mesmo xeito que o BLE, na transmisión de baixas taxas de datos paira dar servizo a un gran número de usuarios.

Nestes momentos a investigación estase focalizando cara ao 5G, xa que a quinta xeración de comunicacións móbiles ten una modalidade similar aos requisitos industriais. Con todo, ao estar aínda en fase de desenvolvemento, non hai traballo experimental que avale o éxito.

Mirando ao futuro

Hoxe en día, o mundo das radiocomunicaciones avanza a unha velocidade imparable, sobre todo grazas ao impulso da telefonía móbil. De feito, nos inicios da expansión da tecnoloxía 5G, que recentemente chegou aos medios de comunicación, cada vez son máis evidentes os traballos sobre a seguinte fase, coñecida no mundo da investigación como o apéndice 6G. O ritmo desta constante evolución non pode estenderse a todos os ámbitos, e as aplicacións da industria 4.0, por exemplo, deben marcar a súa propia traxectoria. Por tanto, tal e como se mencionou anteriormente, no ámbito das comunicacións industriais aínda quedan por probar algunhas tecnoloxías xa aprobadas e lexisladas dentro do 5G.

Destacan as técnicas que reducen o atraso (ou tempo de procesado) do sinal. Entre eles destaca o Edge Computing como modelo de cambio que pode ser importante neste ámbito. En resumo, o seu obxectivo consiste en levar ao extremo os traballos da rede, é dicir, preto da fonte na que se xeraron os datos, reducindo o tempo necesario paira transportar a información de extremo a extremo. Doutra banda, o Cloud Computing, moi coñecido noutros ámbitos, tamén podería ter relevancia nas comunicacións industriais, pero paira iso habería que reducir os tempos de atraso asociados.

Eixos de futuro da industria 4.0. Ed. Eneko Iradier e Jon Montalban

Ademais das solucións anteriormente citadas e herdadas das comunicacións móbiles, existen outras tecnoloxías máis ambiciosas que poden ser relevantes paira as comunicacións industriais inalámbricas. No último ano, segundo a revista Nature, Intelixencia Artificial (IA) subiu ao cuarto posto entre os termos de investigación máis buscados. Non é de estrañar, por tanto, que nesta cuarta revolución industrial prevéxase a súa influencia nos sistemas de xeración e distribución de enerxía, IoT e sensores, monitorización do control, etc. Nesta lista tamén se poden situar as radiocomunicaciones inalámbricas. A AA pode ser moi útil paira a planificación das redes de comunicacións dos novos talleres. Até agora, na planificación tradicional os transmisores considerábanse estáticos, xa que os destinatarios eran os únicos dispositivos con mobilidade. Con todo, o número e tipoloxía de dispositivos que poden estar conectados a unha fábrica intelixente vai en continuo aumento (incluídos os emisores), co que a planificación estática paira a cobertura dunha futura fábrica presenta limitacións evidentes. Por outra banda, a AA tamén pode contribuír á escasa protección das comunicacións inalámbricas ante un ataque. Por exemplo, mediante técnicas de AA pódese analizar o tráfico en rede e, mediante modelos previamente adestrados, identificar posibles ataques maliciosos na nosa rede, analizando variantes sospeitosas no tráfico.

Doutra banda, no ámbito da industria 4.0, as radiocomunicaciones poden entenderse tamén como un novo eixo de seguridade física. As investigacións publicadas nos últimos anos demostraron que os sistemas inalámbricos, ademais de transportar información, poden cumprir outros obxectivos como o de contar persoas dentro dunha aula ou determinar a actividade que estas persoas están a realizar. En definitiva, paira conseguilo é necesario analizar estatisticamente os cambios no sinal emitido pola presenza das persoas e na canle atravesada. Nun ámbito no que a tecnoloxía GPS non pode utilizarse, pode ser una solución óptima paira localizar e contar aos traballadores en caso de risco ou accidente. Sen dúbida, a implantación deste tipo de sistemas de identificación e a súa integración coas técnicas AA anteriormente descritas é una liña de investigación imprescindible paira o desenvolvemento seguro de futuros talleres intelixentes.

Reflexións finais

A industria 4.0 chegou e require una profunda transformación das comunicacións inalámbricas. A oferta tecnolóxica actual ten varios candidatos, pero ningún cumpre con todos os requisitos paira ser o modelo a seguir. Por iso, o proceso de investigación e desenvolvemento debe continuar e combinarse con técnicas disruptivas que melloren o rendemento das tecnoloxías xa existentes paira traer o futuro ao presente.

Bibliografía

R. Drath and A. Horch, "Industrie 4.0: Hit or Hype? [Industry Forum]," en IEEE Industrial Electronics Magazine, vol. 8, non. 2, pp. 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, pp. 634-638.

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