Comprensión de las tecnologías inalámbricas y de sensores en las aplicaciones IIoT

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Este artículo detalla algunas de las aplicaciones industriales de IoT más comunes que utilizan tecnología de sensores inalámbricos para controlar, monitorear e informar sobre procesos críticos y funciones de control.

Desde el hogar conectado y los dispositivos portátiles inteligentes hasta la Industria 4.0 y las aplicaciones de ciudades inteligentes, las redes de sensores inalámbricos (WSN) impregnan casi todas las aplicaciones imaginables. Llevan la automatización a tareas manuales simples con actuadores controlados de forma remota y entornos de monitoreo / seguimiento con sensores de sistemas microelectromecánicos (MEMS) en evolución. Estos dispositivos relativamente simples y con restricción de energía revelan un enorme potencial en la recopilación de datos y el análisis de datos para evaluar mejor los sistemas humanos, de máquinas e incluso de plantas.

En IoT industrial (IIoT), las soluciones inalámbricas de corto alcance, las redes celulares y las redes de área amplia de baja potencia (LPWAN) se pueden aprovechar para admitir los diversos nodos de sensores. La elección de las comunicaciones industriales depende de si el proceso es de tiempo crítico con la necesidad de datos en tiempo real o no es de tiempo crítico con transmisiones frecuentes o poco frecuentes. Dependiendo de la aplicación industrial en cuestión, existen numerosos casos de uso de IIoT en los que se pueden aplicar muchas tecnologías de sensores y / o protocolos de comunicación (Figura 1)

Monitoreo de procesos

Es probable que el monitoreo de procesos sea la aplicación más grande para las WSN industriales (IWSN), ya que requiere la ubicación y el seguimiento de miles a decenas de miles de nodos sensores a grandes distancias. Este método centralizado de seguimiento de las operaciones de la industria es lo que conduce a la realización de estrategias de mantenimiento predictivo que minimizan sistemáticamente el tiempo de inactividad de la fábrica y ahorran gastos generales operativos. 

Casos de uso de la salud de la máquina y tipos de sensores comunes

El equipo hiperespecializado se aprovecha en todo el IIoT porque el monitoreo de fallas comunes es fundamental para mantener el rendimiento óptimo del equipo de la máquina. Por ejemplo, mientras que un sistema de control numérico por computadora (CNC) de alta gama puede realizar un mecanizado de precisión a gran escala, puede encontrar las fallas comunes del desequilibrio del husillo.

Si ocurriera tal falla, el desequilibrio de masa en el sistema de husillo puede hacer que la máquina herramienta vibre, lo que en última instancia degrada la precisión de la máquina y puede causar más daños si no se repara.  Normalmente, los cojinetes dentro del eje se analizan en busca de vibraciones, ya que permiten que el eje permanezca en su lugar mientras se produce la rotación; por lo tanto, las vibraciones inusuales serían evidentes con estos componentes.

Los acelerómetros pueden monitorear y detectar tales fallas de máquinas herramienta mediante la recopilación de datos de vibración. Los sensores de emisión ultrasónicos y acústicos pueden detectar daños dentro de los cojinetes del eje antes de que se produzcan vibraciones notables al discernir las emisiones acústicas ultrasónicas resultantes de la degradación del metal. Armados con el conocimiento de la operación térmica nominal, los sensores de temperatura también pueden detectar anomalías de temperatura en varios componentes críticos dentro de la máquina. Un sensor de corriente inductivo también detectaría variaciones en la corriente consumida por el motor eléctrico y, de manera similar, detectaría anomalías. 

Estos mismos principios se pueden aplicar a cualquier máquina grande que incluya un motor eléctrico grande. Las grúas, por ejemplo, se utilizan a menudo en las instalaciones de fabricación para mover equipos grandes y pesados ​​de los automóviles de pasajeros a los aviones. Las poleas y los motores eléctricos se encontrarán en las cintas transportadoras que se aprovechan en una amplia gama de aplicaciones, incluida la minería del carbón, el procesamiento de alimentos y la segregación química. Los acelerómetros, los sensores de temperatura y los sensores de corriente inductiva son todos útiles en el monitoreo adecuado de tales máquinas.

Casos de uso de supervisión de activos y tipos de sensores comunes

Los fabricantes de petróleo y gas controlan activos como oleoductos a grandes distancias. En esta aplicación se evitan a toda costa fugas y roturas para prevenir la potencial pérdida de vidas y daños al medio ambiente. Las tuberías tienen varios modos de falla importantes, incluidos los defectos de construcción / fabricación; daño durante la instalación; corrosión; y fuerzas terrestres como terremotos, deslizamientos de tierra e incidentes extremos relacionados con el clima. 

Los acelerómetros externos pueden monitorear la tasa de flujo de la tubería al rastrear las vibraciones inducidas por el flujo. El monitoreo de grietas se puede lograr mediante detección ultrasónica o fuga de flujo magnético transversal. Las fallas debidas a la corrosión se pueden prevenir mediante varios sensores con tecnologías como RFID y fibra óptica. Los sensores sísmicos pueden proporcionar un mapa del subsuelo para plataformas de perforación en alta mar, mejorando la eficiencia de la plataforma.

En las instalaciones de procesamiento de productos químicos, alimentarios y farmacéuticos, los tanques de mezcla rotan los productos químicos y los ingredientes que se agregan en valores precisos. Los sensores colocados en ubicaciones clave en estos tanques miden parámetros como temperatura, humedad, presión, valor de pH y nivel de llenado, lo que garantiza procedimientos operativos óptimos de la planta con poca o ninguna intervención manual. 

Los protocolos de IoT para el monitoreo de procesos varían mucho según la aplicación. La Tabla 1 a continuación enumera algunos protocolos de IoT de uso común y algunos de sus respectivos parámetros clave. A menudo, las WSN monitorean el estado de la máquina dentro de una instalación que, en comparación con algunas aplicaciones de monitoreo de activos, como el seguimiento del estado de la tubería, se encuentra dentro de un área relativamente pequeña.

Salud y seguridad

El monitoreo de las condiciones ambientales con las respectivas instalaciones de alarma inteligente es esencial para proteger a los trabajadores industriales y mantener un funcionamiento fluido. Esto a menudo implica el uso de nodos de sensores basados ​​en gases / químicos alrededor de áreas de riesgo particular.

En la industria del petróleo y el gas, el seguimiento de las fugas de metano altamente combustible es fundamental para prevenir posibles explosiones alrededor de los cabezales de pozo. Las trampas de vapor aprovechan una amplia gama de instalaciones de fabricación para filtrar el condensado del aire sin dejar escapar el vapor. Una trampa de vapor defectuosa no eliminaría las gotas de agua del vapor, lo que provocaría la acumulación de agua y la ruptura de las líneas de vapor, lo que provocaría costosos tiempos de inactividad y riesgos de seguridad.

Se han utilizado sensores acústicos y sensores de temperatura para monitorear el comportamiento de estos componentes críticos para evitar fallas costosas. Las minas subterráneas son conocidas por sus peligrosas condiciones de seguridad; Los parámetros ambientales como las emisiones de monóxido de carbono, las emisiones de metano y el flujo de aire se monitorean activamente para garantizar un entorno de trabajo seguro. 

Se necesitan protocolos confiables y deterministas para estas aplicaciones, que a menudo requieren comunicaciones WirelessHART o ISA100.11a dentro de la instalación. Si bien estos protocolos pueden consumir más energía en los nodos de sensores que otras tecnologías WSN como Bluetooth Low Energy (BLE) o LPWAN, la capacidad de realizar análisis y control en tiempo real de los datos es fundamental para garantizar las medidas de seguridad adecuadas.

Tanto WirelessHART como ISA100.11a fueron diseñados específicamente para aplicaciones industriales. WirelessHART es la alternativa inalámbrica a las tecnologías HART existentes e ISA100.11a fue desarrollado por la Sociedad Internacional de Automatización (ISA) para admitir múltiples protocolos que ya se utilizan en aplicaciones industriales, incluidos HART, Modbus, Foundation Fieldbus y ProfiBus. Ambas redes admiten redes en estrella y en malla con comunicación bidireccional desde el host al nodo sensor. 

Seguimiento de activos con RTLS

En comparación con los sistemas de seguimiento al aire libre que se basan en GPS y suelen ofrecer una precisión de alrededor de 10 m, los sistemas de posición en interiores (IPS), como los sistemas de ubicación en tiempo real (RTLS), pueden lograr precisiones iguales o inferiores sin la mayor consideración de las señales de satélite que penetran en la fábrica. paredes La Tabla 2 a continuación enumera algunos de los RTLS más utilizados.

Dichos IPS se pueden aplicar en el piso de la planta para rastrear activamente equipos interiores en movimiento como montacargas y rastrear activamente el inventario en transporte dentro de una instalación. Los entornos al aire libre, por ejemplo, los patios de camiones, pueden aprovechar los RTLS para monitorear y administrar el movimiento de los camiones asignando muelles y rastreando la carga y descarga de la carga. 

Los sistemas de posicionamiento en interiores emplearán un método de localización por trilateración o por huellas dactilares, según el protocolo inalámbrico en uso. La trilateración utiliza distancias estimadas para calcular las coordenadas más probables de un objeto. El método de huellas dactilares compara las características de la señal actual con un conjunto de características de señal previamente catalogadas obtenidas de las ubicaciones de las huellas dactilares; implementar esto a menudo es más técnicamente complicado. El movimiento de un sensor se puede obtener comparando las mediciones en línea con la “huella digital”. En aras de la brevedad, esta sección cubrirá dos protocolos RTLS populares: Bluetooth y banda ultra ancha (UWB).

Aprovechando un sistema UWB para RTLS

La tecnología de banda ultra ancha (UWB) esencialmente envía una ráfaga de energía de duración extremadamente corta.

Para aplicaciones RTLS, los pulsos cortos en la modulación UWB permiten estimaciones de retardo precisas, lo que finalmente produce datos de posición / ubicación. Por lo general, la tecnología UWB aprovecha la información de tiempo de llegada (ToA) y diferencia de tiempo de llegada (TDoA) generada por etiquetas que emiten pulsos UWB de baja potencia que son recibidos por los sensores o lectores UWB. Esos pulsos se utilizan para determinar la ubicación 3D precisa de una etiqueta con precisión centimétrica. Sin embargo, se necesita una sincronización horaria precisa entre los lectores UWB dentro de una red para obtener datos de ubicación con éxito. 

Las frecuencias UWB tienen asignaciones de frecuencia entre 3,1 y 10,6 GHz. Por lo general, en estas aplicaciones se emplea una antena monopolo plana debido a su patrón de radiación omnidireccional y su capacidad para producir una impedancia de entrada estable en el ancho de banda de gran frecuencia. Debido a su rendimiento en la banda X y al hecho de que las dimensiones de las trazas se hacen más pequeñas a frecuencias más altas, estas antenas ofrecen una solución de factor de forma pequeño que se puede imprimir en la misma PCB que sostiene el transmisor / receptor. 

Balizas Bluetooth 

Si bien ya es un protocolo prolífico de corto alcance, los módulos BLE se utilizan en aplicaciones RTLS mediante la entrega de balizas Bluetooth para difundir contenido localizado. Estas balizas pueden actuar como sensores de proximidad al transmitir señales de baja energía con paquetes de datos a intervalos de tiempo predeterminados (> 100 ms).

Las distancias se calculan con lecturas del indicador de intensidad de la señal recibida (RSSI), extrapolando finalmente las distancias entre nodos en función de la relación matemática entre la intensidad de la señal recibida y la propagación de una señal de RF a través del espacio.  Esto crea un mapa en vivo del inventario equipado con ID únicos y etiquetas BLE con datos de ubicación actualizados activamente. Debido a que la mayoría de los dispositivos inteligentes están habilitados para Bluetooth (es decir, teléfonos inteligentes, tabletas, computadoras portátiles), esto puede eliminar potencialmente la necesidad de hardware personalizado, lo que genera ahorros de costos dramáticos.

Si bien BLE admite topologías de malla con comunicaciones bidireccionales, las balizas BLE generalmente admiten comunicaciones unidireccionales y, por lo tanto, están limitadas a topologías en estrella. En tales configuraciones, las balizas se conectan a un dispositivo / enrutador habilitado para Bluetooth y transmiten información a la nube, generalmente a través de un teléfono celular o Wi-Fi.

Como se mencionó anteriormente, muchas de estas balizas pueden incluir SoC multiprotocolo con una red inalámbrica de largo alcance por debajo de gigahercios para controlar / monitorear entornos de fábrica con iluminación inteligente o control de HVAC. La ventana grande para el paquete publicitario puede permitir que la radio de subgigahercios esté en un estado de recepción, obteniendo paquetes de información no frecuentes e impredecibles de ubicaciones distantes dentro de la instalación. 

Normalmente, los diseños de balizas BLE implicarán una antena PCB de 2,4 GHz combinada con un chip Bluetooth específico del proveedor. En algunos casos, el chip Bluetooth tendrá una antena de chip integrada. Si la placa empleara un protocolo de frecuencia de subgigahercios, una antena de PCB no sería viable ya que sería demasiado grande.

Como se indicó anteriormente, BLE generalmente usa trilateración (RSSI) para determinar áreas de ubicación. En este caso, un patrón de radiación omnidireccional suele ser adecuado debido a la cobertura del haz de 360 ​​grados sobre el piso de la fábrica, siempre que la antena coincida con la impedancia del transmisor para una máxima transferencia de señal y alcance. Sin embargo, se puede implementar un algoritmo TDoA, calculando dos ángulos de una señal de baliza singular o tres ángulos de dos señales de baliza. En este caso, se puede crear un mapa 3D con el uso de mapas complejos y la ubicación de balizas BLE equipadas con conjuntos de antenas más sofisticados.

Gestión de flotas

La gestión de la flota industrial puede variar según los vehículos de pasajeros, tractocamiones, ferrocarriles, aviones, barcos y equipo pesado. Los camiones por sí solos representan el 70% de las mercancías transportadas en los Estados Unidos, lo que hace que la logística de seguimiento, como reparaciones, reemplazos y mantenimiento programado, sea aún más importante para evitar una operación deficiente de la flota. Normalmente, la infraestructura celular se utiliza para aplicaciones que trascienden los límites de toda la planta. Sin embargo, en el caso de equipos localizados, como la operación de equipos pesados ​​dentro de una mina, se pueden considerar las LPWAN.

La telemática de flotas puede comunicarse con infraestructuras 2G, 3G y 4G o con alternativas celulares específicas de IoT como NB-IoT o LTE-M1. Los nodos de sensores pueden constar de módulos GPS, giroscopios, sensores de nivel y acelerómetros. Donde el GPS proporciona datos de ubicación, el acelerómetro ofrece la orientación del vehículo y el sensor de nivel mide el combustible en tiempo real. También se utilizan sistemas más complejos para la gestión de flotas; Los camiones mineros autónomos han estado en funcionamiento desde 2008, equipados con más de 200 sensores, un receptor GPS y un sistema de guía por radar. 

Resumen

Una serie de sensores y protocolos de comunicación pueden servir a las redes industriales según el nivel requerido de confiabilidad, latencia y flexibilidad. Las aplicaciones de monitoreo de procesos y de salud y seguridad a menudo requieren comunicaciones en tiempo real con protocolos basados ​​en IEEE 802.15.4 (por ejemplo, ISA100.11a, WirelessHART), mientras que algunas aplicaciones de monitoreo de activos pueden beneficiarse del largo alcance que ofrecen las aplicaciones LPWAN.

Las aplicaciones de seguimiento de activos en interiores tienen sistemas de localización específicos con algoritmos basados ​​en ToA o RSSI para mayor precisión. Los sistemas de gestión de flotas, por otro lado, pueden confiar en el GPS para los datos de ubicación, pero deben transferir todos los datos de los sensores a un punto centralizado a través de una red de retorno celular. Incluso pueden beneficiarse de LPWAN si la flota se basa en una ubicación geográfica restrictiva. 

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