Tecnología Wireless para la comunicación Industrial

Tecnología Wireless para la comunicación Industrial
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Tabla de contenido

  1. Introducción
  2. Resumen ejecutivo: ¿Qué tecnología inalámbrica es la mejor opción?
  3. Bluetooth
  4. Wireless LAN (WLAN)
  5. IEEE 802.15.4 Bluetooth (ZigBee, WirelessHART, ISA SP-100)
  6. Coexistencia inalámbrica
  7. Conclusión: ¿Qué tecnología deberías elegir?

1. Introducción

La comunicación inalámbrica en aplicaciones difíciles y exigentes no es nada nuevo. La conexión inalámbrica se ha utilizado durante más de 30 años a través del uso de radios patentadas. Sin embargo, con la modernización de las redes industriales y la aparición de diferentes protocolos Ethernet y el Internet Industrial de las Cosas, ha habido un aumento de la demanda de tecnologías inalámbricas estandarizadas.

Durante los últimos años, estándares como Wireless LAN (IEEE 802.11) y la tecnología Bluetooth (IEEE 802.15.1) se han convertirdo en las tecnologías inalámbricas dominantes. En 2011, la tecnología Bluetooth de baja energía también entró en escena.

Este documento técnico compara las tecnologías inalámbricas disponibles para que pueda encontrar la mejor solución que se ajuste a su aplicación. 

¿Por qué usar tecnología inalámbrica en lugar del cableado tradicional?

  • Mayor movilidad y libertad de movimiento
  • Evitando largas distancias y aplicaciones donde los cables son un problema
  • Elimina cables caros y de mantenimiento pesado
  • Instalaciones y puesta en marcha rápidas y fáciles
  • Alta flexibilidad al modificar una instalación
  • Mayor seguridad personal en áreas peligrosas (por ejemplo, cuando se necesita subir a una grúa) ofreciendo una posibilidad de control desde una distancia mayor de la que puede ofrecer con el uso de un cable
  • Fácil integración de dispositivos en la red
  • Obtener dispositivos de interfaz humana flexibles (HID)

2. Resumen ejecutivo: ¿Qué tecnología inalámbrica es la mejor opción?

Una tecnología inalámbrica no puede ofrecer todas las características y fortalezas que se ajustan a los diversos requisitos de la aplicación. Las Tecnologías inalámbricas estandarizadas incluyendo WLAN (también conocida como WiFi), Bluetooth clásico y Bluetooth Low Energy, 802.15.4 así como la cantidad de tecnologías patentadas que se adaptan a diferentes requisitos. Estos podrían ser un alto rendimiento de datos, robustez o baja potencia.

WLAN se utiliza a menudo para la planificación de la producción y la adquisición de datos, así como para aplicaciones en la que es necesario un roaming rápido. Bluetooth se utiliza para interfaces hombre-máquina (HMI), programación, servicio / mantenimiento y tareas de control en tiempo real.

Durante los últimos años, otras tecnologías como la tecnología Bluetooth de baja energía se han convertido cada vez más usados para sensores, actuadores y otros dispositivos pequeños que deben estar interconectados.

ER-Soft Industrial Wireless!– En resumen, si necesitas alta tasa de transferencia- elige WLAN 

– Si la conexión robusta/estable es más importante- elige Bluetooth.

3. Bluetooth

3.1 Tecnología Bluetooth clásica 
La tecnología Bluetooth (IEEE 802.15.1) es muy adecuada para la integración inalámbrica de dispositivos de automatización en serie, buses de campo y redes Ethernet. 
La tecnología Bluetooth es especialmente adecuada para dispositivos con altas demandas de pequeña footprint, bajo consumo de energía y rentabilidad. 

Datos de tecnología Bluetooth 

  • Rango de 10 metros hasta más de 300 metros con un módulo de largo alcance.
  • Transmisión cíclica y rápida de paquetes de datos más pequeños.
  • Rendimiento de datos de 780 kbit /s brutos como máximo (hasta ~ 700 kbit / s neto). Con Bluetooth v4.0 + EDR (Mejora la velocidad de datos), la transferencia de datos es de 2,1 Mbit / s brutos (~ 1,5 Mbit / s netos).
  • Latencia de 5 -10 ms.
  • Funciones de seguridad con cifrado de 128 bits que ofrece protección contra el espionaje de datos.
  • Alta densidad del sistema donde se pueden conectar varios dispositivos inalámbricos en el mismo entorno radio y operar sin problemas
  • Características robustas como Adaptive Frequency Hopping (AFH), corrección de errores hacia delante (FEC), canales de frecuencia estrecha y baja sensibilidad a reflejos / multicaminos.
  • Alta disponibilidad en productos de consumo (teléfonos, tabletas, computadoras portátiles, etc.).

3.2 Bluetooth Low Energy 

Bluetooth Low Energy (anteriormente comercializado como Bluetooth Smart) se introdujo en 2011 y ha sido un tema mencionado desde entonces. La tecnología tiene algunas limitaciones importantes, así como beneficios y es bastante diferente de laTecnología Bluetooth clásica:

  • La tecnología Bluetooth de baja energía es ideal para la transferencia episódica o periódica de pequeñas cantidades de datos.
  • En una aplicación Bluetooth donde se usan datos de transmisión, la tecnología Bluetooth clásica es la opción preferida ya que logra un rendimiento sustancialmente mayor que la tecnología Bluetooth de baja energía.
  • Alta disponibilidad en productos de consumo.

3.3 Comparación: Bluetooth clásico versus Bluetooth de baja energía 

El consumo de energía 
Dado que un dispositivo Bluetooth de baja energía está en modo de reposo la mayor parte del tiempo: el consumo de energía máximo / pico es solo de 15 mA y el consumo de energía promedio es de solo 1 uA.

Tiempos de configuración de la conexión 
En Bluetooth Low Energy, los tiempos de conexión reales son de solo unos pocos mS y, por lo tanto, la inicialización de la conexión es rápida cuando el dispositivo se despierta.

Robustez
Muchas características de la tecnología Bluetooth clásica se heredan en la tecnología Bluetooth de baja energía que incluye Adaptive Frequency Hopping (AFH) y parte del Protocolo de adaptación e interfaz de control de enlace lógico (L2CAP).

Rendimiento
Las tasas de transferencia de datos con la tecnología Bluetooth clásica que utiliza la velocidad de datos mejorada (Bluetooth v2.1 + EDR) pueden superar los 2 Mbps (carga real), pero las tasas de transferencia prácticas para la tecnología Bluetooth Low Energy son inferiores a 100 kbps (carga útil real de aproximadamente 1/20).

Soporte de perfil
La tecnología Bluetooth Low Energy no brinda soporte para el perfil de puerto serie (SPP) en el estándar Especificación v4.0. Muchos otros perfiles no se ofrecen para la tecnología Bluetooth de baja energía debido a las diferencias en los modelos de conexión. Los escenarios clásicos de Bluetooth que no son parte de la tecnología Bluetooth Low Energy incluye HeadSet (HSP), distribución de audio (A2DP), distribución de video (VDP) y transferencia de archivos (FTP).Número de nodos
Al igual que con la tecnología Bluetooth clásica, la tecnología Bluetooth Low Energy se basa en un maestro conectado a un número de esclavos. Sin embargo, en Bluetooth Low Energy, la cantidad de esclavos puede ser mucho mayor. Este número depende de la implementación y la memoria disponible.

Publicidad
La funcionalidad “Publicidad” de la tecnología Bluetooth Low Energy hace posible que un esclavo anuncie que tiene algo que transmitir a otros dispositivos que están “escaneando”. Los mensajes de “publicidad” también pueden incluir un evento o un valor de medición.

Estructura del software
En la tecnología Bluetooth Low Energy, todos los parámetros tienen un estado al que se accede mediante el protocolo de atributos. Los atributos se representan como características que describen el valor de la señal, el formato de presentación, la configuración del cliente, etc.
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3.4 “Modo-Single ” y “Modo-Dual”: ¿Qué significa eso? 
Las implementaciones de Bluetooth Clásiscas son implementaciones de modo-single. Pero con la adición de Bluetooth de Baja energía, también hay dispositivos Bluetooth de bajo consumo y modo-single. Porque las dos tecnologías son fundamentalmente diferentes, hay dos opciones para implementaciones de baja energía: 

  • Dispositivos modo-single: Estos dispositivos son dispositivos autónomos Bluetooth de baja energía optimizados para pequeños dispositivos que funcionan con batería con bajo costo y focalizados en bajo consumo de energía. Un dispositivo típico de modo-single es, por ejemplo, un sensor de ritmo cardíaco.
  • Dispositivos de modo-dual: Estos dispositivos (también conocidos como dispositivos “Bluetooth Smart Ready”) incluyen Bluetooth Low Energy tecnología y tecnología Bluetooth clásica. Los dispositivos de modo-dual raramente generarán ahorros de energía porque necesitan soportar ambas implementaciones de tecnología; el ahorro de energía solo se logrará con la opción de modo-single. Un dispositivo típico de modo dual es un teléfono móvil, una gateway o un PC.

En una implementación de modo-dual, puede, por ejemplo, conectar en paralelo una cantidad de dispositivos Bluetooth clásicos también una cantidad de dispositivos Bluetooth de baja energía a un dispositivo Bluetooth. También puede conectar módulos Bluetooth en modo-dual uno al otro. 

  4. LAN inalámbrica (WLAN) 
La LAN inalámbrica (IEEE 802.11) es adecuada para el monitoreo, la configuración y la adquisición de datos, pero también se puede usar para el control de tiempo crítico en las mismas aplicaciones. Además, la funcionalidad de roaming incorporada es útil en aplicaciones de automatización de fábrica con dispositivos móviles. Datos de Wireless LAN 

  • Alcance de 200 metros (hasta 400-500 metros con línea de vista libre) en la banda de 2,4 GHz y unos 50 metros en la banda de 5 GHz (802.11a) (línea de visión libre de hasta 150 metros); Sin embargo, los obstáculos y la interferencia podrían baje el rango sustancialmente.
  • Rendimiento de datos de 11 a 54 Mbit / s brutos (~ 5 a 25 Mbit / s netos) para IEEE 802.11b / g y 300 Mbit / s brutos (~ 70 Mbit / s netos para IEEE 802.11n).
  • Modelos de seguridad como WEP, WPA, WPA2.
  • IEEE 802.11a opera en la banda de 5 GHz y ofrece la posibilidad de 19 canales adicionales sin solapamiento además de los tres canales no superpuestos en la banda de 2,4 GHz.
  • Alta disponibilidad en productos de consumo.

4.1 La diferencia entre LAN inalámbrica de 2.4GHz y 5GHz

Como el uso de tecnologías inalámbricas está aumentando en la banda de 2,4 GHz, pueden producirse problemas de interferencia. Asegúrese de que la solución inalámbrica sea robusta, las compañías están comenzando a usar la banda de 2.4GHz para oficinas y comunicación IT y usan la banda de 5 GHz para la fabricación y comunicación M2M. 

Los radios WLAN IEEE 802.11b/g de utilizan la banda de frecuencia de 2.4GHz (2.412 – 2.472GHz) y el IEEE La radio 802.11a utiliza la banda de frecuencia de 5 GHz (5.180 – 5.825 GHz). Las radios IEEE 802.11n pueden operar en cualquiera banda de frecuencia. Existen los siguientes atributos de implementación en todo el mundo:

  • La banda ISM de 2,4 GHz proporciona 13 canales superpuestos distribuidos por igual en las frecuencias más un 14ª canal utilizado en Japón con la frecuencia central 2.484GHz. Esto deja disponibles solo tres canales no superpuestos en la banda de 2.4GHz. Por lo general, es prudente no usar la banda de 2,4 GHz donde las microondas se utilizan, por ejemplo, en industrias como la vulcanización de caucho, el secado de madera o la aceleración de procesos con productos químicos.
  • La banda ISM de 5 GHz está dividida en sub-bandas llamadas bandas U-NII (Infraestructura de Información nacional sin licencia) y generalmente se denominan U-NII-1, U-NII-2, U-NII-2e y U-NII-3 donde U-NII-3 no está libremente disponible en todo el mundo. En total, esto da 23 canales no superpuestos donde cuatro de estos tienen limitaciones basado en la ubicación *.

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5. Bluetooth IEEE 802.15.4 (ZigBee, WirelessHART, ISA SP-100) 

IEEE 802.15.4 está disponible en varios estándares y parte de protocolos inalámbricos patentados. ZigBee, WirelessHART e ISA SP-100 se usan en aplicaciones industriales y todos están basados en IEEE 802.15.4. Las tecnologías 802.15.4 se utilizan principalmente para la aplicación de automatización de procesos y edificios y las características de baja potencia lo hace muy adecuado para dispositivos con batería. La tecnología también ofrece una funcionalidad de red mesh que hace que sea capaz de cubrir amplias áreas cuando ahora hay requisitos de baja latencia.

6. Coexistencia inalámbrica

Como a menudo se usa más de una tecnología inalámbrica en paralelo, podría haber interferencias que pudieran resultar en mayor latencia o incluso pérdidas de datos. Estos potenciales efectos secundarios no pueden ser aceptados en aplicaciones industriales críticas y aplicaciones médicas. Por lo tanto, es importante optimizar la coexistencia de varias tecnologías inalámbricas para obtener una operación libre de perturbaciones.
Las tecnologías inalámbricas más utilizadas actualmente funcionan en la banda de 2,4 GHz y abordan las interferencias potenciales de diferentes maneras:

  • LAN inalámbrica / WLAN, también conocida como Wi-Fi, tiene tres canales que no se superponen usando el Espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS). DSSS se asegura de que la señal transmitida ocupe más ancho de banda que la señal de información que se está modulando y, por lo tanto, el enlace de comunicación inalámbrica se vuelve menos vulnerable a las perturbaciones.
  • La tecnología Bluetooth clásica tiene 79 canales con un ancho de banda de 1 MHz y combina esto con el método Adaptive Frequency Hopping (AFH) para evitar interferencias. AFH monitorea la velocidad de bits y cuando se encuentran perturbaciones (como cuando otra tecnología inalámbrica ocupa el enlace), tecnología Bluetooth se detiene para usar los canales que están ocupados. El canal se supervisa en segundo plano y tan pronto como el canal ocupado está libre, se puede usar de nuevo.
  • La tecnología Bluetooth de baja energía también usa AFH; pero la tecnología Bluetooth de baja energía solo usa 40 canales de 2 MHz de ancho.

  6.1 Posibilidades mejoradas de la coexistencia de WLAN 
ER-Soft Industrial Wireless!Como puede ver en la ilustración de arriba, la banda de frecuencia de 2.4 GHz está muy llena. Además de WLAN, Bluetooth, IEEE 802.15.4 / ZigBee / Wireless HART, varias tecnologías patentadas operan en la banda de 2.4GHz. WLAN está bien establecida en todas las oficinas en la planificación de la producción; y por lo tanto, con el fin de obtener comunicación sin perturbaciones, lo primero hay que asegurarse es que la WLAN no se vea perturbada. 6.2 Diferentes formas de evitar la perturbación: 
Implementar WLAN de 5GHz 
Los radios WLAN IEEE 802.11 b, g utilizan la banda de frecuencia de 2.4GHz y la radio IEEE 802.11a utiliza la banda de frecuencia de 5GHz. Las radios IEEE 802.11n pueden operar en cualquier banda de frecuencia. Para obtener enlaces de comunicación WLAN sin perturbaciones, por lo tanto, es posible utilizar la banda de 5 GHz en lugar de la banda de 2,4 GHz. Sin embargo, incluso aunque la banda de 5 GHz está ganando popularidad en aplicaciones industriales y médicas, hay una gran instalación base de redes IEEE 802.11 b, g que requiere una buena solución de coexistencia.

Soluciones de hardware 
Para asegurar una comunicación libre de perturbaciones para WLAN en la banda 2.4GHz, es posible usar soluciones especiales de antenas (como cables de fuga); sin embargo, estas soluciones son típicamente instalaciones costosas.

Planificación de frecuencia 
También es posible elegir de antemano los canales que no se utilizarán (planificación de frecuencias) para evitar interferencia con otros sistemas inalámbricos utilizados en el mismo entorno. 

Por ejemplo, en los casos en que WLAN e IEEE 802.15.4 se utilizan en paralelo, la coexistencia se puede implementar haciendo espacio para algunos canales IEEE 802.15.4 entre los tres canales WLAN. Al hacerlo, es posible para que WLAN e IEEE 802.15.4 funcionen con fiabilidad en paralelo. Al usar Bluetooth, la misma función es posible usando la lista negra de canales.

Adaptive Frequency Hopping (AFH)
Tanto Bluetooth clásico como Bluetooth de baja energía aplican la característica de Adaptive Frequency Hopping (AFH) que detecta la posible interferencia del canal; por ejemplo, un dispositivo WLAN 802.11 b, g, n que transmite muy cerca. Si se encuentra dicha interferencia, el canal queda automáticamente en la lista negra. Para manejar la interferencia temporal, un esquema implementado vuelve a probar los canales de la lista negra y, si la interferencia ha cesado, el canal puede ser usado. AFH evita que Bluetooth interfiera con otras tecnologías inalámbricas cercanas.

Low Emission Mode®
Classic Bluetooth está diseñado para ser robusto principalmente gracias a AFH. Pero al realizar un descubrimiento de dispositivo o al establecer una conexión de dispositivo, las actividades de Bluetooth pueden perturbar una red WLAN. Para asegurarse de que Classic Bluetooth funciona sin problemas en paralelo con otras tecnologías inalámbricas, hay una función extendida de coexistencia de Bluetooth que se denomina “Low Emission Mode®”. Esto es desarrollado por u-Blox y está disponible en el Anybus Wireless Bridge de HMS. Con el modo de baja emisión, la coexistencia se resuelve durante el descubrimiento del dispositivo y la configuración de la conexión sin poner en peligro la especificación Bluetooth o la interoperabilidad entre varios productos habilitados para Bluetooth.

7. Conclusión: ¿Qué tecnología deberías elegir? 

Como hemos visto, no existe una tecnología única para la comunicación inalámbrica industrial. En general, nosotros podemos decir que, si el alto rendimiento de datos es lo más importante, elija WLAN. Si la robustez / estabilidad de la conexión o la rentabilidad es lo más importante: elija Bluetooth. Sin embargo, hay muchas zonas grises aquí y, a veces, quieres un poco de ambos. 

Elija una solución que admita muchas tecnologías inalámbricas 

Dado que sus requisitos pueden cambiar a medida que cambia su infraestructura de red, es aconsejable elegir una solución de red inalámbrica que puede soportar las diferentes tecnologías del mercado. De esta manera puede actualizar fácilmente su infraestructura inalámbrica a medida que cambian los requisitos previos. El Anybus Wireless Bridge, el Anybus Wireless Bolt y el CANBlueII de IXXAT de HMS Industrial Networks son ejemplos de soluciones compatibles con diferentes tecnologías de redes inalámbricas en el mercado. 

Obtenga más información en www.anybus.com/wireless.

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