INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA
TECNOLÓGICO DE MONTERREY
METODOLOGÍA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LA COMUNICACIÓN DE UNA RED DE SENSORES INALÁMBRICOS COMERCIAL CON UN CPU INDUSTRIAL
TESIS
PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DE:
MAESTRO EN CIENCIAS ESPECIALIDAD EN AUTOMATIZACIÓN
(INGENIERÍA DE CONTROL)
POR:
JORGE DE JESÚS LOZOYA SANTOS
MONTERREY, N. L. MAYO 2005
Dedicatoria
A Dios nuestro señor por llenarme de bendiciones, permitir que haya realizado el cumplimiento de esta meta y la oportunidad de crecer como persona, y como profesionista.
A mi Mamá que me ha apoyado siempre en la distancia y que me dio la formación y convicción para realizar las metas planeadas. Le agradezco todo su amor, su comprensión y su entrega.
A mi esposa a quien amo con toda mi alma, por su incondicional apoyo, por el amor que me brinda y sin ella a mi lado, este logro nunca hubiera sido posible.
A mis hijos Jehosefat y Jorge que son las personas que mas quiero en el mundo y la principal motivación de superación en mi vida, por que a pesar de su corta edad me han apoyado a pesar de todo el tiempo que no he podido disfrutar a su lado.
A mi Papá porque a pesar de la distancia siempre esta presente en mi vida.
A mis hermanas Claudia y Verónica a quienes quiero mucho, y me han apoyado durante toda mi vida y me han brindado palabras de aliento en los momentos idóneos.
A mis abuelitos Maria Luisa y Bernardino que fueron modelos en mi vida y que ahora están en el
cielo, me brindaron su amor, cariño, regaños, y que la imagen de fortaleza y paciencia que siempre
mostraron ante circunstancias de la vida me han inspirado a seguir adelante ante los problemas
cotidianos.
Agradecimientos
A mi tío Jesús Rubio Nazer por darme su apoyo incondicional durante mis estudios de Maestría, y que fue un respaldo emocional que me permitió consumar esta travesía. Le agradezco con todo mi corazón.
A mis tías Coco, Luly, Geña por todos sus consejos y apoyos a mi familia. Las quiero mucho.
A mis tíos Pepe y Nino que siempre han sido la imagen de los buenos valores y han sido hombres responsables y honestos, que me han apoyado con consejos y jalones de orejas.
A mis primos Paco e Ivan por todas las cosas en las que me han apoyado y por las cosas que hemos vivido a lo largo de nuestra vida.
A mi asesor Ing. Armando Céspedes Mota por todo el respaldo académico y amistad que me brindo durante mi estancia como asistente y tesista.
Al Dr. Jorge Limón Robles por su amistad y por compartir sus conocimientos en todo momento, así como sus sabios consejos.
Al Dr. José de Jesús Rodríguez Ortiz, por su amistad y por su apoyo.
A mis amigos Juan García, Aliñe Drivet, Gilberto Reynoso, Ángel Tello, Israel Escamilla, Manuel Azuela, Juan Carlos Fuentes, Ramiro Alcaraz, Francisco Chávez, Rodrigo, Carlos Palma, David Ortega, Saúl Montes y todos aquellos que con su amistad contribuyeron a que lograra esta meta y ser mejor persona.
A todas esas personas que de alguna u otra manera contribuyeron en este logro y que no han sido
nombradas.
METODOLOGÍA PARA LA IMPLEMENTACIÓN DE LA COMUNICACIÓN DE UNA RED DE SENSORES INALÁMBRICOS COMERCIAL CON UN CPU INDUSTRIAL
POR:
JORGE DE JESÚS LOZOYA SANTOS
INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY
CAMPUS MONTERREY
Asesor de la tesis: Ing. Armando Céspedes Mota Resumen
En la actualidad, la tendencia en los campos de automatización y monitoreo industrial esta orientada a las comunicaciones inalámbricas entre los dispositivos de control y los dispositivos de campo: sensores y acluadores.
Debido a esto, es necesario conocer los estándares de la tecnología inalámbrica aplicada a sensores y actuadores, para comprender como es la estructura de una red inalámbrica de sensores y poder utilizarla en conjunto con dispositivos de control que utilizan otros buses de campo abiertos. Es necesario el planteamiento de una metodología para establecer una red de sensores inalámbricos (RSI) a disposición de un PLC utilizando un protocolo de comunicación industrial, ya que como es una tecnología nueva, al realizar en forma transparente su uso y aplicación, ayudara a que se logre obtener todas las ventajas que ofrece. En estas circunstancias, se requiere conocer como y cual es la mejor manera de habilitar la comunicación entre una red de sensores inalámbricos que esta disponible actualmente en forma comercial cumpliendo con el estándar IEEE 802.15.4 (redes inalámbricas personales con comunicación limitada) y un controlador lógico programable con capacidad de comunicación en cualquier bus de campo.
La investigación realizada muestra que la tecnología actual en RSI enfrenta muchos obstáculos para su implementación directa en los ambientes industriales. La estandarización avanza a pasos agigantados hacia redes de sensores inalámbricos comunes con características plug & play. Por el momento la metodología propuesta pretende mostrar un camino transparente para lograr con éxito la comunicación con un PLC, aunque es la programación de software que existe de por medio requiere de diseño profesional y especializado, siendo este aspecto, el mas delicado en cualquier implementación de la comunicación de una RSI con un PLC. Al final se realiza un caso de estudio con fines demostrativos y los resultados obtenidos son positivos y exitosos, logrando la comunicación pero mostrando el énfasis que se tiene que hacer en la programación avanzada de software.
índice General
índice General 1
índice de figuras 7
índice de tablas 10
Capítulo 1 - Introducción 12
1.1 Resumen 12
1.2 Introducción 13
1.3 Antecedentes 15
1.3.1 Aplicación de redes de sensores inalámbricos 15
1.3.2 Aplicación de redes industriales 15
1.4 Definición del problema 16
1.5 Justificación 16
1.6 Objetivos Generales 17
1.7 Supuestos 17
1.8 Esquema de fundamentos 18
1.8.1 Investigación sobre redes de sensores en el siglo 21 18
1.8.2 Aplicaciones de las comunicaciones inalámbricas en el ámbito industrial y de la vida diaria 22 1.8.2.1 Tecnología inalámbrica aplicada a sensores industriales y redes de control 23
1.8.3 Soluciones distribuidas 26
1.8.4 Mejorando el desempeño de las redes inalámbricas 26
1.8.5 ¿Cómo lograr una aplicación exitosa? 27
1.9 Método 27
Capítulo 2 - Estándares industriales para el sensado 29
2.1 Red de comunicación 29
2.2 Bus industrial de comunicación 29
2.3 Ventajas generales de los buses industriales 30
2.4 Cableado en sistemas de automatización 31
2.4.1 Cableado en sistemas centralizados 31
2.4.2 Cableado en sistemas de automatización utilizando buses industriales de sensores 32
2.5 Conceptos de implementación en buses industriales de comunicación 33
2.5.1 Blindaje 33
2.5.2 Medio 33
2.5.3 Velocidad de transmisión 34
2.5.4 Configuración 34
2.5.5 Topologías de comunicación en buses industriales 34
2.5.5.1 Topología mesh (Acoplamiento) 34
2.5.5.2 Topología bus 35
2.5.5.3 Topología de árbol 35
2.5.5.4 Topología Anillo 35
2.5.5.5 Topología estrella 35
2.6 Sensores inteligentes 36
2.6.1 Sensores: Ordinarios versus Inteligentes (red) 37
2.7 Protocolos de comunicación apropiados para el sensado industrial 38
2.8 Problemas potenciales con buses industriales de sensores 38
2.9 Estandarización 39
2.10 Buses de campo existentes 39
2.10.1 Buses de alta velocidad y baja funcionalidad 40
2.10.2 Buses de alta velocidad y funcionalidad media 40
2.10.3 Buses de altas prestaciones 41
2.10.4 Buses para áreas de segundad intrínseca 42
Capítulo 3 - Sensores inalámbricos en aplicaciones industriales 43
3.1 Tendencias en la tecnología actual 43
3.1.1 Tecnología inalámbrica ganando terreno en la industria 43
3.1.2 Principales obstáculos en la industria 44
3.1.3 Beneficios de la tecnología inalámbrica 45
3.1.4 Como debe ser una red inalámbrica de dispositivos de sensado y control industrial 46 3.2 Aplicaciones de las comunicaciones inalámbricas en el ámbito industrial y de la vida diaria 47 3.3 Tendencias en la aplicación de la tecnología inalámbrica en ambientes industriales 48
3.3.1 Aplicaciones en tiempo no real 48
3.3.2 Aplicaciones no CRÍTICAS en tiempo real (son rcal-time) 50
3.3.3 Aplicaciones en sistemas de tiempo real críticos (Hard Real-Time Systems) 52
3.3.4 Aplicaciones de redes de sensores inalámbricos y determinismo 53
Capítulo 4 - Generalidades sobre redes de sensores inalámbricos 54
4.1 Sistemas de percepción artificiales 54
4.2 Conceptos sobre redes de redes de sensores Inalámbricos 56
4.2.1 Definición y objetivo 56
4.2.2 Beneficios que ofrece una red de sensores inalámbricos 56
4.2.3 Clasificación de redes de sensores inalámbricos 57
4.2.3.1 Escala 57
4.2.3.2 Densidad 58
4.2.3.3 Variabilidad 58
4.2.3.4 Autonomía 59
4.2.4 Categorías de redes de sensores inalámbricos 60
4.2.4.1 Distancia entre nodos 60
4.2.4.2 Densidad de nodos y dependencia de información 60
4.2.4.3 Distribución de sensores nodo 61
4.2.4.4 Esquema de control 61
4.2.5 Características de una red de sensores inalámbricos 61
4.2.5.1 Características de una red de sensores de gran escala 62
4.2.5.2 Diferencias con redes de cómputo comunes 64
4.2.5.3 Diferencias y similitudes con redes ad hoc comunes 65
4.2.5.4 Características de desempeño de una red de sensores inalámbricos 66
4.2.6 Objetivos que permiten asegurar las características de desempeño 67
4.3 Sensado de variables en ambientes industriales 69
4.4 El modelo de referencia OSI aplicado a las redes de sensores inalámbricos 70
4.5 Arquitecturas 72
4.5.1 Hardware 72
4.5.2 Software 75
4.5.2.1 Diseño de basado en el cruce de capas 75
4.5.2.2 Desarrollo de software 77
4.5.2.3 Middleware 78
4.5.2.4 Características del middleware en una red de sensores inalámbricos 78
4.5.2.5 Servicios en redes de sensores 79
4.5.2.6 Conceptos de la arquitectura del software para redes de sensores inalámbricos 79
4.5.2.7 Diagrama de flujo en el diseño y desarrollo del software 82
4.5.2.8 Protocolo de administración de sensores 83
4.5.2.9 Consulta de sensores y protocolo de diseminación de datos 84
Capítulo 5 - Estándares de sensores inalámbricos 85
5.1 El sensor inalámbrico dentro de un ambiente industrial 85
5.1.1 Requerimientos Industriales 85
5.1.2 Términos comunes respecto a los términos comunes en redes de sensores inalámbricos 86
5.1.3 Topologías de red en redes de sensores inalámbricos 86
5.2 El estándar IEEE 802.15.4 89
5.2.1 Componentes de una LR-WPAN 93
5.2.2 Capa física 95
5.3 La alianza ZIGBEE 95
5.3.1 Aplicaciones de ZigBee 97
5.3.2 Características generales del estándar para redes de sensores inalámbricos ZigBee / IEEE 802.15.4 98
5.3.3 Funciones de la capa de red 99
5.3.4 Capa de aplicación 100
5.3.5 Zigbee en comparación con otros estándares 100
5.3.6 Ubicación de zigbee en el mercado 100
5.3.7 Zigbee en la Automatización industrial 101 5.3.7.1 Observaciones prácticas sobre ZigBee y su aplicación en la industria 102
5.3.8 Panorama actual de la tecnología ZigBee 103
5.3.9 Desarrollo en el mercado ZigBee a largo y corto plazo 105
5.3.10 Investigación actual en ZigBee 105
5.4 Estándares emergentes 106
5.4.1 Estándar propuesto para Sistemas Inalámbricos para la Automatización 106
5.4.1.1 ISA-SP100 106
5.4.1.2 Propósito 107
5.4.2 Estándar en desarrollo para una interfase transductora para sensores y actuadores 108
5.4.2.1 IEEE 1451 108
5.5 Implementaciones comerciales de RSI 110
5.5.1 Balance en los factores importantes a evaluar en cada compañía 111
5.5.2 Viabilidad de implementación utilizando equipo de cada compañía 113
Capítulo 6 - Interconexión de una red de sensores inalámbricos con un controlador lógico programable 114
6.1 Clasificación general 114
6.1.1 Definición de Gateway 114
6.1.2 Estructuras de interconexión 115
6.1.3 Acoplamiento Bus de campo-Intranet 116
6.1.4 Integración basada en Gateway 117
6.1.5 Red homogénea de sensores inalámbricos 117
6.2 Interconexión de una red de sensores inalámbricos con un PLC 118
6.2.1 Red de sensores inalámbricos interconectados con un PLC por medio de Ethernet Industrial 118 6.2.2 Red de sensores inalámbricos interconectados con un PLC por medio de un Bus de Campo 119 6.2.3 Implementación del Hardware y Software para lograr una comunicación exitosa e interoperable 119
6.2.4 Modelos de comunicación RSI - PLC 120
6.2.4.1 Configuración NCTR Propietaria - Estándar A 120
6.2.4.2 Configuración NCTR Propietaria - Estándar B 124
6.2.4.3 Configuración Estándar-Estándar 125
6.2.4.4 Configuraciones CTR Propietaria - Estándar A y B y CTR Estándar - Estándar 127
6.2.4.5 Configuración CTR Propietaria - Estándar C 128
6.2.4.6 ¿Como decidir entre una configuración del acoplamiento Maestro o esclavo? 131
6.2.4.7 Obstáculos en el desarrollo de un acoplamiento funcional 131
Capítulo 7 - Metodología para la implementación de la comunicación entre una RSI y un CPU industrial 132
7.1 Metodología 132
7.2 El método cascada 132
7.3 Método cascada aplicado a la implementación de la comunicación entre una red de sensores inalámbricos y
un PLC industrial 134
7.3.1 Observaciones sobre red de sensores: 135
7.3.2 Observaciones sobre buses de campo 135
7.3.3 Observaciones sobre pre-procesamiento de información 135
7.3.4 Observaciones sobre PLC Industrial 135
7.3.5 Observaciones sobre Gateway 135
7.3.6 Fases del método 137
7.3.6.1 Fase 1 - Identificación de la necesidad real y definición de la aplicación final de la red de sensores industriales 137
7.3.6.2 Fase II - Definición de las características funcionales de la red de sensores basándonos en los
atributos del fenómeno y sistema 139
7.3.6.3 Fase III - Interlocutor de la red de sensores inalámbricos 141
7.3.6.4 Fase IV -Esquema de comunicación basado en los estándares utilizados 142 7.3.6.5 Fase V - Selección del proveedor de la tecnología en redes industriales de sensores inalámbricos
142
7.3.6.6 Fase VI - Interconexión de la red de sensores inalámbricos con un PLC por medio de un bus de campo. 150
7.3.6.7 Fase VII -Especificación de hardware, software y recursos 150
7.3.6.8 Fase VIII - Ruta critica de implementación del proyecto en general 150
7.3.6.9 Fase IX-Pruebas en campo 150
7.3.6.10 Fase X- Implementación 151
7.3.6.11 Fase XI - Documentación y Mantenimiento 151
Capítulo 8 - Caso de estudio 152
8.1 Fases del método 152
8.1.1 Fase 1 - Identificación de la necesidad real y definición de la aplicación final de la red de sensores
industriales 152
8.1.2 Fase II - Definición de las características funcionales de la red de sensores basándonos en los atributos
del fenómeno y sistema 153
8.1.3 Fase III - Interlocutor de la red de sensores inalámbricos 154
8.1.4 Fase IV - Determinación del esquema de comunicación basado en los estándares utilizados por los
puentes de comunicación 155
8.1.5 Fase V - Selección del proveedor de la tecnología en redes industriales de sensores inalámbricos 157 8.1.6 Fase VI - Interconexión de la red de sensores inalámbricos con un PLC por medio de un bus de campo.
163
8.1.7 Fase VII - Especificación de hardware, software y recursos 164
8.1.7.1 Hardware y Software por parte del interlocutor 164
8.1.7.2 Hardware y Software por parte de CrossBow 165
8.1.7.3 Descripción general de equipo 166
8.1.7.4 Software de Crossbow 168
8.1.7.5 Requerimientos de software adicional 169 8.1.7.6 Hardware y software necesario para la unidad de pre -procesamiento 170
8.1.8 Fase VIII - Ruta critica del proyecto en general 172
8.1.8.1 Programación y puesta apunto de la red de sensores inalámbricos de Crossbow 172
8.1.8.2 Configuración del servidor OPC 177
8.1.8.3 Programación del Cliente OPC 184
8.1.9 Fase IX -Pruebas en campo 195
Capítulo 9 - Conclusiones 199
9.1 Conclusiones 199
9.2 Investigaciones futures 199
Bibliografía 201
Anexo número 1 206
Anexo número 2 210
Índice de figuras
Figura núm. 1.- Evolución en el tamaño de los sensores nodo 21
Figura núm. 2.- Costos instalados versus numero de puntos monitoreados 25
Figura núm. 3.- Costos de operación vs. Numero de puntos monitoreados 25
Figura núm. 4.- Comparación de esquema tradicional de monitoreo y control contra un sistema de sensores y actuadores
en red 30
Figura núm. 5.- Topologías de buses industriales 36
Figura núm. 6.- Componentes generales de un sensor nodo 37
Figura núm. 7.- Sistema perceptual 55
Figura núm. 8. Arquitectura de comunicación en una RSI utilizando un gateway 63 Figura núm. 9. Red de sensores inalámbricos con estación base (o centro de fusión). El área que se encuentra sombreada en gris indica el área critica en laque los nodos deben reenviar toda su información 67 Figura núm. 10.- Modelo de comunicación por capas en las redes de sensores inalámbricos basado en el modelo de
referencia OSI 71
Figura núm. 11.- Arquitectura del sistema de un microsensor nodo típico (MOTE) 73
Figura núm. 12.- Componentes de un sensor nodo con unidades adicionales 74
Figura núm. 13.- Componentes de un sensor nodo configurado como estación base de la red de sensores inalámbricos. 75 Figura núm. 14.- El modelo OSI para el diseño y operación de la columna de capas en el protocolo de comunicación. ..76 Figura núm. 15.- Diseño y operación orientada ala adaptabilidad en el cruce de capas 77 Figura núm. 16.- Arquitectura general de un host substituto que utiliza una red de sensores 80
Figura núm. 17.- Estructura de la aplicación de nodo 81
Figura núm. 18.- Estructura de una red de sensores 82
Figura núm. 19.- Proceso de desarrollo del software de nodo (izquierda), ejemplo de software de nodo con interfases
optimizadas (derecha) 83
Figura núm. 20.- Estructura de una red inalámbrica con topología estrella 87
Figura núm. 21.- Estructura de una red inalámbrica con topología mesh 88
Figura núm. 22.- Estructura de la comunicación en una RSI con topología estrella-mesh 89
Figura núm. 23.- Arquitectura de un dispositivo LR-WPAN 94
Figura núm. 24.- Columna de capas en la comunicación de un dispositivo ZigBee 96
Figura núm. 25.- Modelo de una red ZigBee 96
Figura núm. 26.- ZigBee en el Mercado de tecnología inalámbrica 102
Figura núm. 27.- Grado de enfoque de proveedores en redes mesh que utilizan ZigBee 104
Figura núm. 28.- Balance de los factores evaluados en compañía 111
Figura núm. 29.-Acumulación de factores con una ponderación de 1/5 para cada uno de ellos 112
Figura núm. 30.- Estructura Peer-to-peer 115
Figura núm. 31.- Configuración de interconexión jerárquica 115 Figura núm. 32.- Modelo de comunicación entre una red de sensores y actuadores inalámbricos con un PLC industrial
utilizando Ethernet Industrial 121
Figura núm. 33.- Arquitectura de la comunicación entre una red de sensores inalámbricos y un PLC con una
configuración NTR propietaria - estándar A 123
Figura núm. 34.- Modelo de comunicación con configuración propietario - estándar B 124
Figura núm. 35.- Modelo de comunicación estándar - estándar 126
Figura núm. 36.- Modelo de comunicación con una configuración de CTR propietario- estándar A 127 Figura núm. 37.- Arquitectura de comunicación de un modelo CRT Propietario - Estándar A 128 Figura núm. 38.- Modelo de comunicación para la configuración CTR Propietaria- Estándar C 129 Figura núm. 39.- Arquitectura de comunicación de un modelo CRT Propietario - Estándar C 130
Figura núm. 40.- El método cascada 133
Figura núm. 41.- Arquitectura general del sistema 134
Figura núm. 43.-IEEE 802.15.4/ZigBee hacia Ethernet 155
Figura núm. 44.- Comunicación por LAN de la PC y el Gateway de la RSI 155
Figura núm. 45.- Conversión del formato de la información realizada en el cliente OPC de la PC 156
Figura núm. 46.- Transporte en LAN desde PC hasta PLC 156
Figura núm. 47.- Procesamiento de información en PLC y envió de datos hacia dispositivo de bus de campo 157 Figura núm. 48.- Estructura específica del modelo de comunicación para la configuración NCTR propietario - estándar
B 163
Figura núm. 49.-Esquema de hardware funcional del kit de sensores inalámbricos 167
Figura núm. 50.- Capas de la aplicación MOTE-VIEW 168
Figura núm. 51.- Estructura del Mote View 169
Figura núm. 52.- Estructura de un objeto COM 171
Figura núm. 53.- Mote Config en Mote View 174
Figura núm. 54.- Activación de la red de sensores inalámbricos MICAz 2400, conectado a la ethernet del laboratorio. 175 Figura núm. 55.- Procedimiento a seguir con el MoteView para comunicarse con MIB 600 e insertar los datos de la red
en la base de datos 176
Figura núm. 56. - Secuencia para la puesta en marcha de la red de sensores inalámbricos 177 Figura núm. 57. - Tabla de configuración que muestra el contenido del PLC SIMATIC 300 178 Figura núm. 58.- Conexiones de campo para unidad de pre-procesamiento y PLC 179 Figura núm. 59.- Tabla de contenidos de la unidad de pre - procesamiento en el proyecto de estación PC 180 Figura núm. 60.- Proyecto estación PC convertido en el proyecto local, donde ya tiene agregado el PCStation que
contiene el servidor OPC 180
Figura núm. 61. - Propiedades del enlace S7 181
Figura núm. 62. -Nombre del enlace S7 entre servidor OPC y el PLC de la aplicación 181 Figura núm. 63. — Estaciones del proyecto local al que se puede comunicar el servidor OPC 182 Figura núm. 64.- Procedimiento para agregar ítems por medio del acceso creado 183
Figura núm. 65.- Tabla que muestra los valores de cada ítem creado por medio del enlace y el cliente OPC 183 Figura núm. 66.- Procedimiento para realizar la configuración del servidor OPC 184 Figura núm. 67.- Aplicación de ejemplo de Cliente OPC proporcionado por Siemens en código de Visual Basic 187 Figura núm. 68. - Cliente OPC con funciones de interfase hombre - máquina 190
Figura núm. 69. - Secuencia para implementar el cliente OPC 192
Figura núm. 70. - Ruta Crítica de implementación, obtenida en la fase ocho de la metodología 194 Figura núm. 71. - Cliente OPC funcionando, y realizando la comunicación RSI con PLC en por medio de una
configuración NCRT LAN propietaria - estándar B 195
Figura núm. 72. - Distribución física de los nodos dentro del laboratorio de experimentación y componentes en ethernet
industrial 196
Figura núm. 73.- Software en cada componente del sistema 197
índice de tablas
Tabla núm. 1.- Atributos de redes de sensores 20
Tabla núm. 2.- Tres generaciones de sensores nodo 22
Tabla núm. 3.- Clasificación de las redes de sensores inalámbricos de acuerdo a diferentes factores 61 Tabla núm. 4.- Diferencias entre redes de sensores inalámbricos y redes ad hoc inalámbricas convencionales según
[Wang] 65
Tabla núm. 5.- Resumen de retos técnicos y los objetivos de diseño para solucionar estos en una RSI 69
Tabla núm. 6.- Tipos físicos de dispositivos en una red IEEE 802.15.4 94
Tabla núm. 7.- Comparación entre estándares inalámbricos basado en su parámetros técnicos y aplicación final. [8]... 101 Tabla núm. 8.- Factores utilizados para obtener un indicador de viabilidad en cada compañía a examinar 110 Tabla núm. 9.- Ordenamiento de Compañías de acuerdo a la viabilidad de implementación utilizando los productos que
ofrecen 113
Tabla núm. 10.- ASIC comúnmente utilizados en los buses de campo más populares 129 Tabla núm. 11.- Tipos de aplicaciones actuales para redes de sensores inalámbricos en ambientes industriales
clasificadas en base a la función 138
Tabla núm. 12.- Ejemplo de un atributo de hardware ponderado con valoración de los atributos basado en la aplicación
específica 144
Tabla núm. 13.- Aspectos fundamentales en la evaluación del hardware comercial 145 Tabla núm. 14.- Aspectos fundamentales en la evaluación del software ofrecido por un proveedor para su hardware
específico 147
Tabla núm. 15.- Ejemplo de una tabla de concentración de resultados de hardware y software 148 Tabla núm. 16.- Ponderación de aspectos fundamentales, orientado a la especificación de la aplicación, en la Evaluación
del Hardware ofrecido por los proveedores 158
Tabla núm. 17.- Resultado de la evaluación del hardware que ofrece Crossbow orientado a la especificación de la
aplicación 159
Tabla núm. 18.- Ponderación de los aspectos fundamentales, orientados hacia la aplicación especifica, en la evaluación del software necesario ofrecido por el proveedor para su hardware específico 160 Tabla núm. 19.- Resultado de la evaluación de software que ofrece Crossbow, orientada a la especificación de la
aplicación 161
Tabla núm. 20.- Tabla de concentración de resultados de hardware y software 161
Tabla núm. 21.- Hardware por parte de Siemens 164
Tabla núm. 22.- Software por parte de Siemens 164
Tabla núm. 23.- Plataformas de Motes (Procesador + Radio) 166
Tabla núm. 24. - Gateways 166
Tabla núm. 25. - Tarjetas de sensores y tarjetas de adquisición de datos 167
Tabla núm. 26. -Datos exportados de la base de datos creada por el Mote View 175
Capítulo 1 - Introducción 1.1 Resumen
En la actualidad, la tendencia en los campos de automatización y monitoreo industrial esta orientada a las comunicaciones inalámbricas entre los dispositivos de control y los dispositivos de campo: sensores y actuadores.
Debido a esto, es necesario conocer los estándares de la tecnología inalámbrica aplicada a sensores y actuadores, para comprender como es la estructura de una red inalámbrica de sensores y poder utilizarla en conjunto con dispositivos de control que utilizan otros buses de campo abiertos.
Es necesario el planteamiento de una metodología para establecer una red de sensores inalámbricos a disposición de un PLC utilizando un protocolo de comunicación industrial, ya que como es una tecnología nueva, al realizar en forma transparente su uso y aplicación, ayudara a que se logre obtener todas las ventajas que ofrece. En estas circunstancias, se requiere conocer como y cual es la mejor manera de habilitar la comunicación entre una red de sensores inalámbricos que esta disponible actualmente en forma comercial cumpliendo con el estándar IEEE 802.15.4 (redes inalámbricas personales con comunicación limitada) y un controlador lógico programable con capacidad de comunicación en cualquier bus de campo. Para lograr este objetivo, han sido propuestos los siguientes pasos:
o Estado del arte de la tecnología de comunicación industrial: definición, características generales, jerarquía cíe información industrial, buses industriales, ventajas de los buses industriales y obtener su clasificación de acuerdo a las variables físicas que manejan en su aplicación final.
o Investigación sobre tendencias en la industria para el uso de la tecnología inalámbrica en el monitoreo y control de procesos.
o Estado del arte en la tecnología de sensores inalámbricos: definición, campos de aplicación, clasificación, características generales, arquitectura general de hardware y software.
o Estándares actuales sobre redes de sensores inalámbricos. Investigación acerca del estado actual los estándares inalámbricos que hacen posible la aplicación industrial de redes de sensores inalámbricos y la generación de hardware y software comercial.
o Modelos de comunicación para interconexión de una red de sensores inalámbricos con un PLC industrial por medio de un bus de campo. Investigación sobre procedimientos para interconectar buses de información industriales con una RSI, y plantear modelos de comunicación que permitan la interconexión.
o Planteamiento de una metodología general para la implementación de la comunicación entre una red de sensores inalámbricos y un PLC industrial que utiliza un bus industrial para una arquitectura de sistema delimitada basada en la investigación realizada.
o Realizar un caso de estudio donde se aplicara la metodología general para obtener una metodología específica para la implementación de una RSI comercial de marca Crossbow, compuesta de un kit de evaluación ZigBee Listo de 8 sensores nodo que realice el monitoreo de 4 variables y que a su vez se comunique por medio de Ethernet con un PLC industrial de la marca Siemens, el cual a su vez utilizara la información recibida para ejecutar acciones por medio de Profibus sobre un Proceso.
o Obtener conclusiones, resultados, recomendaciones plantear investigaciones futuras.
Los resultados de esta investigación técnica están enfocados hacia la introducción de las redes de sensores inalámbricos al programa de aprendizaje del Laboratorio de Redes Industriales para el área de Ingeniería Mecatrónica en el departamento de Mecatrónica y Automatización del ITESM Campus Monterrey.
1.2 Introducción
Se pretende plantear una metodología para la implementación de la comunicación entre una red de sensores inalámbricos y un PLC con capacidad de comunicación industrial de bus, y realizar la validación de la misma por medio de un caso de estudio para una RSI con características comerciales y de evaluación de la Marca Crossbow en conjunto con un PLC Siemens S7 300 con procesadores de comunicación en Ethernet Industrial y Profibus, para realizar el control de un proceso a escala en base al monitoreo de las variables por medio de la RSI.
Se presume que este tipo de redes inalámbricas es de fácil implementación en aplicaciones industriales por lo que se debe de probar que tal afirmación hecha por los fabricantes sea cierta, para llevarlo a cabo se realizara todo el procedimiento propuesto en base a la investigación del estado del arte para la fácil implementación de esta tecnología nueva.
Como supuestos de este anteproyecto se plantea que el estado del arte en redes de sensores inalámbricos (RSI) permite:
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o Utilizar la información generada por tal tecnología, por un PLC para controlar un proceso en el cual, la nueva tecnología interactúe con un bus de campo totalmente probado y rentable.
o Que las propuestas comerciales de redes de sensores inalámbricos soporten estándares que garanticen un desempeño confiable dentro de un ambiente industrial.
o Que las plataformas de desarrollo ofrecidas en la actualidad en el campo de redes de sensores inalámbricos sean factibles, abiertas y plug - and - play para facilitar la aceptación en la industria respecto a esta nueva tecnología
Para verificar los supuestos planteados se realizara investigación documental y práctica. La investigación documental consistirá en la información disponible sobre el conceptos generales del estado del arte en: los diferentes buses de campo, redes de sensores inalámbricos, interconexión de una RSI con un PLC a través de un bus de campo, estándares industriales que habilitan a una RSI dentro de un ambiente industrial, todo esto con el fin de plantear una metodología clara que muestre en los pasos a seguir para lograr la comunicación de las diferentes tecnologías. La investigación practica abordara la aplicación de la metodología genérica planteada a una RSI por medio de un kit de evaluación de marca Crossbow, para que establezca comunicación con un PLC Siemens de la linea S7 - 300, utilizando ethernet industrial y este ultimo a su vez ejecuta acciones sobre un proceso a escala, en base a la información recibida de la RSI, esto nos permitirá obtener la metodología especifica para interconectar equipos (RSI's y PLC's) con características similares. La manera en la que se abordara el tema cumple con ciertos requisitos que son un camino intuitivo hacia el conocimiento y dominio del tema hasta su aplicación. Para lograr el objetivo es necesario aclarar que el hardware y software requerido se encuentran disponibles. A continuación se menciona este método de adquisición del conocimiento teórico y practico necesario:
o Buses de campo: conceptos generales y clasificación.
o Conocer tendencias en el área de aplicación industrial de la tecnología inalámbrica.
o Conceptos generales de las redes de sensores inalámbricos: objetivo, definición, características, hardware y software.
o Estándares que permiten el desempeño óptimo de una RSI en ambientes industriales.
o Modelos de comunicación para la interconexión de una RSI con un PLC o Planteamiento de metodología
Caso de estudio.
Conclusiones.
Al finalizar las etapas mencionadas arriba el resultado debe ser satisfactorio.
1.3 Antecedentes
El área de investigación que me interesa es el estudio y desarrollo de tecnología basada en una red de comunicación industrial, ya que mi área de trabajo es como instructor del laboratorio de redes industriales en donde la experiencia de un año ha sido suficiente para acrecentar mi deseo de hacer transparente todo el proceso de información que realizan los dispositivos que uso en dicho laboratorio, es decir, quiero ver cajas blancas y transparentes y que desaparezcan las cajas negras donde solo veo información que entra e información que sale.
En el Departamento de Mecatrónica y Automatización del Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores cíe Monterrey Campus Monterrey existe interés por realizar investigación en la aplicación de redes industriales y en el área de redes de sensores inalámbricos, áreas de investigación coordinadas por el Ing. Armando Céspedes.
1.3.1 Aplicación de redes de sensores inalámbricos
Debido al avance reciente en tecnología de sensores milimétricos y capacidad de transmisión inalámbrica, almacenamiento y reconfiguración en línea, es de nuestro interés realizar aplicaciones que demuestren las ventajas de aplicación que ofrece este tipo de tecnología.
1.3.2 Aplicación de redes industriales
También se encuentra en desarrollo el diseño del laboratorio de redes industriales, que consiste en la configuración, programación y solución a problemas prácticos utilizando celdas de manufactura a escala. Este laboratorio utiliza las marcas de automatización mas fuertes en el área de automatización que son Alien Bradley y Siemens. La capacidad de las estaciones de trabajo de las marcas ya mencionadas es suficiente ya que cuentan con el hardware y software actualizados.
Debido a que para poder controlar un sistema es necesario conocer su naturaleza y comportamiento (modelación) y un excelente sistema de comunicación (protocolo de comunicación industrial) para poder documentar todos los datos experimentales, de supervisión y de ejecución, las líneas de investigación anteriormente mencionada se intersectan en este punto.
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1.4 Definición del problema
Debido a que existen procesos y aplicaciones donde los costos de instalación de cableado y sensores son muy altos, al igual que su mantenimiento, surge la necesidad de utilizar las tecnologías de punta que pueden ofrecer ventajas en los aspectos recién mencionados.
Agregando a esto que en el mercado ya existen en forma comercial redes de sensores inalámbricos, se antoja posible realizar una implementación para determinar en la actualidad que tan cercano o lejano es viable y confiable la tecnología inalámbrica para los procesos críticos mencionados adelante.
Puesto que la investigación esta totalmente orientada a la comunicación con sensores inalámbricos por medio de buses de campo, lo ideal es realizar una aplicación que demuestre su viabilidad y ventaja de utilizar un kit de desarrollo
"comercial".
Por tanto, se pretende realizar una interconexión capaz de comunicarse por medio de un protocolo de comunicación industrial con uno o varios sensores inalámbricos en ubicaciones predeterminadas. Estos sensores proveerán información necesaria para que un PLC ejecute acciones sobre un proceso determinado.
1.5 Justificación
Al obtener la interacción de sensores inalámbricos con un PLC utilizando un bus de campo, se obtendrán los siguientes beneficios:
o El departamento de Mecatrónica y Automatización del ITESM, Campus Monterrey podrá avanzar en el campo de investigación de campo sobre redes de sensores inalámbricos.
o Enriquecer la materia de redes industriales, la cual hasta el momento no tiene ninguna tesis sobre interconexiones de protocolos diferentes.
o La transparencia en el concepto de una red de sensores inalámbricos y cuales son las características y ventajas principales de esta tecnología.
Maví
1.6 Objetivos Generales
• Obtención de una metodología para la implementación de una red de sensores inalámbricos comercial que utiliza la arquitectura de un estándar de comunicaciones internacional.
• Obtener una metodología para la realizar la comunicación efectiva entre una red de sensores inalámbricos (IEEE 802.15.4) y cualquier PLC industrial con capacidad de comunicación en buses de campo.
• Desarrollo de una sesión práctica que permita a cualquier estudiante del nivel medio superior en Ingeniería, obtener una idea clara y concisa de la arquitectura y funcionamiento de una red de sensores inalámbricos utilizando la información proporcionada por estos en una aplicación coordinada por un PLC industrial con capacidad de Ethernet Industrial.
1.7 Supuestos
• Con la tecnología actual en el mercado sobre el área de redes de sensores inalámbricos, es posible realizar una aplicación industrial relativamente rápida y fácilmente en la cual la nueva tecnología interactué con un bus de campo totalmente probado y rentable.
• Que las propuestas comerciales de redes de sensores inalámbricos soporten estándares que garanticen un desempeño confiable dentro de un ambiente industrial.
• Que las plataformas de desarrollo ofrecidas en la actualidad en el campo de redes de sensores inalámbricos sean factibles, abiertas y plug - and - play para facilitar la aceptación en la industria respecto a esta nueva tecnología
• El hardware adquirido posee características comerciales con tutoriales disponibles para arrancar en forma sencilla e interfases de demostración amigables y donde el mayor desarrollo es meramente software.
• La documentación en la red con respecto al equipo de trabajo es clara y concisa de acuerdo a su aplicación directa para habilitar la red de sensores inalámbricos.
• El hardware que se esta adquiriendo es necesario para los alcances del proyecto.
• Se asume que no será necesaria la compra de ninguna licencia de software y la plataforma es totalmente abierta, las cuales son condiciones propicias para el desarrollo del proyecto de acuerdo a los alcances planteados.
• El hardware adquirido no debe de ser dañado en ningún dispositivo de comunicación.
• El caso de estudio es meramente demostrativo y para fines de aplicación la metodología propuesta, para obtener una metodología especifica del hardware y software a disposición.
1.8 Esquema de fundamentos
1.8.1 Investigación sobre redes de sensores en el siglo 21
El rápido progreso en el diseño de sistemas micro electromecánicos (MEMS, por sus siglas en ingles) y radio-frecuencia (RF) ha habilitado el desarrollo de micro sensores de baja potencia, baratos y con capacidad de comunicación en red como se menciona en [Wang]. Además de estas características, de acuerdo a [Haenggi], el procesamiento de datos y capacidad de comunicación de unos con otros han incrementado la atención de la comunidad científica e industrial hacia esta tecnología y abierto la posibilidad de una red de sensores inalámbricos.
Una red de sensores esta compuesta por una gran cantidad de nodos con capacidad de sensado que son colocados en forma densa dentro de un fenómeno o muy cerca de el para adquirir información. La posición de los sensores no necesariamente debe de se predeterminada.
Estos sensores nodo son capaces de capturar información de diferente naturaleza del medio ambiente físico en el que se encuentren inmersos, variables físicas tales como temperatura, presión, movimiento de un objeto, etc., así como también la interpretación de estas características en mediciones cuantitativas.
En [Wang] se define que una red típica de sensores inalámbricos (WSN, por sus siglas en ingles Wireless Sensor Networks) consiste de cientos de miles de tales sensores nodo ligados en forma inalámbrica. El objetivo principal de una RSI (red de sensores inalámbricos) es detectar eventos o fenómenos, recolectar y procesar datos y transmitir la información sensada hacia los usuarios interesados. [Haenggi]
La tecnología de redes de micro sensores es una tecnología clave para el futuro. En septiembre de 1999, la revista Business Week afirmó que seria una de las veintiún tecnologías más importantes del siglo veintiuno. Dispositivos
Mav.
inteligentes con tarjetas de sensores múltiples, enlazados a través de comunicación inalámbrica entre ellos y hacia el Internet, con capacidad nunca antes vista para instrumentar y controlar hogares, ciudades y cualquier entorno físico. Los micro-sensores inteligentes pueden estar colocados estratégicamente en un área de tierra, en el aire, bajo el agua, dentro del cuerpo humano, en vehículos, así como dentro de edificios.
Cada sensor nodo tiene capacidad de procesamiento de datos, con un amplio rango de sensores operando en modos acústicos, sísmicos, infrarrojos y magnéticos así como imágenes y radares. Las redes de micro sensores pertenecen a la familia de redes de sensores que utilizan sensores múltiples distribuidos para recolectar información en entidades de interés.
En la Tabla núm. 1 se muestra un resumen general sobre los atributos de una red de sensores.
Como podemos observar a través de los años, los recientes avances en cómputo y comunicación han llevado a las redes de sensores a un punto muy cercano a la concepción original de ellas. Nuevamente, el programa de investigación DARPA, inicio un programa de investigación llamado SensIT desarrollado por fKumar] en redes de sensores para apoyar y acelerar el desarrollo de nuevos avances tecnológicos.
Primeramente, en el contexto de un campo de batalla, estos dispositivos sensores o nodos deben de tener capacidad de rápida colocación de una manera ad hoc así como compatibilidad con ambientes altamente dinámicos. Las técnicas actuales en redes para infraestructuras fijas no son suficientes para aplicaciones en un campo de batalla. Por lo que el programa ha desarrollado nuevas técnicas adecuadas para los ambientes dinámicos ad hoc. [Chong]
También los esfuerzos del programa de investigación fueron orientados a desarrollar procesamiento de información en red, para ejemplificar este concepto podemos decirlo de otra manera: como extraer información necesaria, confiable y oportuna de una red de sensores instalada.
Esto implica el manejo y administración de la plataforma dinámica distribuida de computo creada por los sensores para la obtención de señales y procesamiento de información dentro de la red; así como para la demanda dinámica e interactiva y programación de tareas de una red de sensores.
Tabla núm. 1.- Atributos de redes de sensores.
Sensores
Sensado de entidades de interés
Ambientes de operación Comunicación Arquitectura de
procesamiento Disponibilidad de energía
Tamaño: pequeño (MEMS), grandes (por ejemplo, radares, satélites) Número: pequeño, grande
Tipo: pasivo (p. e., acústicos, sísmicos, video, infrarrojos, magnéticos), activo ( p. e., radar) Composición: homogénea (mismo tipo de sensores), heterogénea ( diferente tipo de sensores)
Área espacial: denso, limitado
Colocación: fija y planeada (p. e., en redes industriales), ad hoc (p. e., regados en forma aleatoria)
Dinámica: estacionaria ( p. e., sensores sísmicos), móviles (p. e., en vehículos robotizados) Extensión: distribuidas (p. e., monitoreo del ambiente), localizadas (p. e., rastreo de objetivos)
Movilidad: estática o dinámica
Naturaleza: cooperativa (p. e., control de trafico aéreo), no cooperativa (p. e., objetivos militares)
benigno (oficinas, hogares), adverso (piso en fabrica) Red: alámbrica, inalámbrica
Ancho de banda: alto, bajo
centralizada (todos los datos son enviados a un sitio central), distribuidas (localizada en el sensor u otros sitios), híbrido
limitada (p. e., micro sensores), no limitada (p. e., sensores normales y grandes)
Finalmente, debido a que los rangos de medición son mucho más cortos en un sistema de sensado, el software y los algoritmos pueden aprovechar la proximidad de los dispositivos a la fuente de información para incrementar la precisión en la detección y rastreo. El software y el diseño completo del sistema permitirán la no intromisión del medio, operación eficiente de la energía, autonomía y capacidad de adaptación, probabilidad muy baja de detección de funcionamiento.
Como resultado, en [Chong] una red de sensores SensIT permiten la identificación, detección, y rastreo de variables, así como rastreo y comunicación, ambas dentro de la red y hacia fuera de ella, a un sistema con mayor capacidad.
En la actualidad los sensores, procesadores y dispositivos de comunicación son más pequeños y más baratos. Compañías tales como Ember, Crosbow y Millenial Net están diseñando y distribuyendo nodos sensores y sistemas completos. Estas compañías proveen una visión de cómo nuestra vida diaria mejorara al utilizar una red de sensores pequeños y embebidos. Además de Hand Helds con capacidad suficiente de procesamiento que ofrecen las ventajas de una computadora personal, todo esto en empaque robusto, pequeño y compacto. Estos a su vez podrían cumplir con la función de nodos de procesamiento de información en una red de sensores. Aun mas, algunos de estos dispositivos poseen capacidad de sensado, tales como cámaras. Estos poderosos procesadores, utilizados en conjunto con MEMS y
maquinas, así como bases de datos y plataformas de comunicación serán la punta de lanza hacia una nueva era de redes de sensores sofisticadas tecnológicamente. [Chong]
El incremento en la capacidad de procesamiento y producción de los chips han disminuido la cantidad de energía por bit para el computo y comunicación. El sensado, cómputo y comunicaciones pueden ser realizados actualmente en un mismo chip. Además, mientras mas se reduzca el costo, mayor será la facilidad de implementación de redes de sensores de mayor tamaño.
Un proyecto relevante es el realizado desde el inicio de los noventas en la Universidad de California, en Berkeley [Kahn]. El resultado de este proyecto es el desarrollo de MEMS que pueden sensar y comunicarse siendo lo suficientemente pequeños para que su volumen sea menor o igual a un milímetro cúbico. Una red inalámbrica de micro sensores de con capacidad de uso en cualquier lugar y de bajo costo pueden lograr un acercamiento no invasivo a cualquier medio físico abriendo una brecha en aplicaciones no exploradas. [Chong]
La Figura núm. 1 muestra la evolución en el tamaño de los sensores nodo.
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TRSS Node Crossbow Lmber Sensoria
Figura núm. 1.- Evolución en el tamaño de los sensores nodo.
La Tabla núm. 2 compara las tres generaciones de sensores nodo.
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Tabla núm. 2.- Tres generaciones de sensores nodo.
ÍTEM
Fabricante
Tamaño
Peso
Arquitectura de nodo
Topología Tiempo de vida de la
fuente de energía
Instalación y colocación
Ayer(1980's- 1990's) Contratistas que desarrollaban prototipos o
piezas únicas
Cajas de Zapato y de mayor rango
Kilogramos Funciones separadas de sensado, procesamiento y
comunicaciones Punto a punto, estrella Baterías grandes; horas, días
y mas
Sensores simples colocados por vehículos o por caída
libre
Hoy (2000 -2005) Comercial: Crossbow Technology, Inc; Millenial
Net Corp., Ember Corp., Sensicast.
Tarjetas pequeñas (20 veces mas pequeñas que
una caja de zapatos) Gramos Funciones integradas de sensado, procesamiento y
comunicaciones Cliente - servidor, Peer to
peer Baterías AA; días a
semanas
Colocados manualmente
Mañana (20 10- ...)
Dust Inc. y otras con el mismo perfil
Partícula de polvo
Despreciable Funciones integradas de sensado, procesamiento y
comunicaciones Peer to peer
Solar: meses a años Embebidos,
"espolvoreados" en forma de partículas,
"abandonados" para que realicen su función
1.8.2 Aplicaciones de las comunicaciones inalámbricas en el ámbito industrial y de la vida diaria
En la actualidad existe un desarrollo inmenso en el área de comunicación por medio de tecnología inalámbrica. Esto ha repercutido directamente en todos los ámbitos de la sociedad, y ahora también existe una tendencia de aplicación en el ambiente industrial. El mercado de consumidores electrónicos y el mercado industrial difieren en varias formas. El sistema de comunicación en una aplicación industrial forma parte la mayoría de las veces de un sistema de manufactura en masa. Esto significa que el costo del sistema de comunicación es relativamente pequeño comparado con el equipamiento en la línea de producción en el cual funciona. Además, la perdida de producción es a menudo muy costosa en comparación con el sistema de comunicación y aun en relación con los demás componentes del sistema de producción. Esto indica que los requerimientos primarios en el sistema de comunicación deben ser enfocados en cualidades tales como confiabilidad, rentabilidad, predictibilidad, y tolerancia a fallas. [Brooks]
Esto a veces es percibido como un punto de vista muy conservador hacia las nuevas tecnologías. Por otro laclo, las nuevas tecnologías han sido bien recibidas en la industria cuando el costo beneficio ha sido claro y la rentabilidad de la tecnología justifica la inversión. La tecnología en comunicación inalámbrica no ha sido una de esas tecnologías.
Algunos factores han venido cambiando este panorama y probablemente en un futuro cercano la cantidad de aplicaciones en el ámbito industrial se vera incrementado. Uno de estos factores es el desarrollo de estándares globalmente aceptados para la comunicación inalámbrica en el mercado consumidor. Esto da a los fabricantes de chips la estabilidad necesaria para producir chips y paquetes de chips en grandes cantidades, obteniendo en consecuencia bajos precios para productos que hasta ese momento no eran comerciales. Estos productos pueden ser usados en muchas de las veces en aplicaciones industriales. [Brooks]
Con el rápido desarrollo de las nuevas tecnologías, la creencia de que la tecnología inalámbrica en un futuro muy cercano jugara un papel muy importante en las aplicaciones industriales, aun en aplicaciones de seguridad critica. Las nuevas tecnologías de comunicación inalámbrica están introduciendo una gran cantidad de productos lo cual hace posible que esquemas de código nuevos y cada vez mas complejos sean desarrollados. Estos esquemas planteados son capaces de manejar el tan inseguro medio inalámbrico en una forma mucho más predecible y segura. [Brooks]
1.8.2.1 Tecnología inalámbrica aplicada a sensores industriales y redes de control
La determinación de la condición de una maquina mientras esta en operación es el tipo de mantenimiento más económico de emplearse. Usando mantenimiento predictivo, la condición general de la maquinaria es conocida en cualquier momento, y un tiempo de paro de producción puede planearse en forma precisa. El mantenimiento predictivo utiliza diversos tipos de dispositivos de sensado, pero los más importantes por mucho son los utilizados para detectar las vibraciones en la maquinaria. Se ha demostrados que de todas las pruebas no destructivas que pueden realizarse sobre una maquina, la vibración provee la información más completa acerca de la naturaleza de la maquina en operación y su condición. [Brooks]
Históricamente, el personal ha empleado equipo portátil para recolectar información de las maquinas a través de la vibración en forma periódica. La periodicidad y aplicabilidad de los datos recolectados son manejadas en cuanto al costo por personal. Una técnica mas avanzada es el monitoreo continuo (tiempo real) de la maquina. Esto se logra a través de un cableado complejo y del montaje de acelerómetros en el equipo objeto. La aplicabilidad de estos sensores montados es limitada por el alto costo que esto implica, la mayoría de los casos por los costos de cableado los cuales se encuentran en el rango de un cuarto aun medio del costo total. Existe un reto significativo para implementar la capacidad de recolección de datos cuyo alcance sea una planta completa y al mismo tiempo realizarlo sin alterar los costos en forma abrupta. [Brooks]
Existen proveedores de sensores industriales que han reducido costos a través de la curva de aprendizaje. De manera sobresaliente, puesto que el costo de los sensores / actuadores esta por debajo cantidad acotada, el factor predominante dentro de un proyecto industrial es el cableado, mas que el costo de los sensores o actuadores. Un pensamiento muy común en el ambiente industrial es que "el costo de los sensores y actuadores representa un 30 % del costo total, el cableado un 40 %, y el sistema un 30 %". Mientras que el costo de los sensores, actuadores y sistemas presenta un decremento, el costo de cableado se ha mantenido, e incluso en algunos casos se ha incrementado, por ejemplo: los costos de cableado oscilan desde $60 USD hasta $6000 por metro instalado. [Brooks]
Existen desventajas a la condición tradicional basada en sistemas de monitoreo y mantenimiento predictivo, en el cual los sensores son instalados para que envíen información constante o que os datos sean leídos en forma periódica por medio de rutas de recopilación de datos. Este sistema de recopilación de datos requiere de un humano para que periódicamente realice la recopilación de datos por medio de un dispositivo móvil para el posterior análisis de la información adquirida. Este método requiere de inversión de tiempo y trabajo, además de que el humano se encuentra en situaciones peligrosas al introducirse al proceso por tales datos y no posee la característica de prevenir a tiempo daños a la maquinaria. Por otro lado, un sistema cableado que envía información en línea es demasiado costoso debido a la instalación del cableado de cada sensor. Los cables son costosos de mantener, son vulnerables a daño y es necesario que sean removidos y reacomodados cuando es necesario que la máquina sea reemplazada, posicionada en otra ubicación o por mantenimiento (situaciones que se presentan varias veces al año). Existen instalaciones y maquinaria que no pueden ser monitoreadas por sistemas cableados tales como atmósferas explosivas, sistemas ambulantes y rotatorios. Por tanto, un compacto sistema de sensores que transmite en radio frecuencia con un desempeño aceptable y baterías de larga duración pueden romper el paradigma en mantenimiento y control de maquinaria y equipo.
El desarrollo de tecnología inalámbrica quizá ofrezca la solución a estos problemas. El uso de un acelerómetro inalámbrico de bajo costo reduce y elimina el costo de cableado, de tal forma que la recolección de datos realizada en línea por un equipo instalado de medición de la vibración tendrá un costo razonable y acotado. [Brooks]
o Oportunidades en la reducción de costos:
o Reducción en gran cantidad el costo de instalación
o Ahorro costo de la realización del sistema completo del programa de mantenimiento predictivo o Reduce la cantidad de cable
o Reduce horas de trabajo o Reduce horas de entrenamiento
o Tiempos de configuración e instalación mínimos o Depuración rápida del sistema
Según [Finch], respecto a las figuras número 2 y 3, los costos de operación serán invariablemente mayores en aquellas aplicaciones donde es necesario realizar una labor física. En la figura número 2 se ilustra la dimensión del costo
instalado de un sistema de monitoreo embebido y cableado en comparación con un sistema inalámbrico con un costo de instalación relativamente bajo, también se muestra a un recolector de datos, el cual no influye en el costo instalado, pero la rapidez con la que recolectara la información será disminuida cuando aumente el numero de puntos monitoreados.
Sistema Cableado
Numero de puntos monitoreados
Sistema Inalámbrico
Recolector de datos
Figura nú ni. 2.- Costos instalados versus numero de puntos monitoreados.
La figura número 3 ilustra la dimensión en la reducción en costos de operación que presenta la utilización de sistemas inalámbricos de monitoreo. Los costos de operación son muy planos en un sistema de comunicación inalámbrica sin importar que se incremente el numero de puntos y la frecuencia de monitoreo. También es muy claro como se incrementa el costo de instalación si la recolección de información es realizada por una persona, mientras mayor sea la frecuencia y el número de puntos monitoreados, el costo se incrementa.
Recolector de datos (diario)
Recolector de datos (semanal)
Recolector de datos (mensual)
Numero de puntos monitoreados
Sistema cableado
Sistema inalámbrico
Figura núm. 3.- Costos de operación vs. Numero de puntos monitoreados
1.8.3 Soluciones distribuidas.
En el esquema tradicional centralizado, el código de la aplicación debe de contener información específica acerca de los dispositivos finales: direcciones, registros, variables, unidades, etc. Este esquema convencional requiere programadores de alta capacidad. Más aun, tales sistemas no son fáciles de escalar y crean una multitud de oportunidades para abandonar la aplicación. [Brooks]
La reutilización de componentes ya existentes y probados no solo disminuye el tiempo de desarrollo, también permiten más robustez, y sistemas libres de errores. La tecnología de objetos permite la posibilidad de sistemas abiertos. Esta tendencia pudiera tener el mismo efecto liberador en la configuración de software, tal como la tuvieron los sistemas abiertos en el hardware. Realizando la separación de las características del dispositivo en sistema de software es clave para lograr sistemas flexibles que pueden ser ensamblados, rehabilitados o modificados rápidamente. [Brooks]
1.8.4 Mejorando el desempeño de las redes inalámbricas
Para lograr el objetivo es necesario que el desempeño de la red inalámbrica utilizada tenga un desempeño excelente. Este desempeño puede ser optimizado en diferentes formas. Para las redes inalámbricas las cuales tienen una concentración muy alta de nodos inalámbricos dentro una área, el uso de canales de frecuencia múltiple en diferentes puntos de acceso permite el aislamiento de tráfico donde existen áreas cubiertas con superposición. Si un ancho de banda adicional es requerido, entonces la operación de otro punto de acceso reducirá la interferencia mutua. Con la banda ISM (por sus siglas en ingles, Industrial, Scientific, and Medical) 2.4 GHz la separación deseable entre las frecuencias portadoras es de 30 MHz, permitiendo tres frecuencias portadoras dentro de una región cubierta con frecuencias traslapadas.
Esta separación de la frecuencia portadora reduce la cantidad de interferencia provocada por puntos de acceso adyacentes, mejorando el flujo de datos.
Otra técnica para mejorar el desempeño de la red inalámbrica es integrar la técnica "fall back rate". La interfase de la red inalámbrica típicamente intenta transmitir a su máxima capacidad posible. Este modo de operación es verdadero especialmente bajo condiciones de una calidad muy alta en la señal y rangos en distancia de transmisión cortos. Si embargo, en ocasiones es más eficiente transmitir a bajas velocidades para cubrir una región más grande. Al establecer estas características, es deseable la integración de algoritmos de transmisión dentro de la red inalámbrica que ordene la transmisión a baja velocidad para que la comunicación en la red no decaiga. Una vez que la confiabilidad en la transmisión ha mejorado, la interfase inalámbrica puede utilizar una mayor velocidad de transmisión.
La transmisión redundante de información en una red inalámbrica reduce el desempeño de la red. SI se realiza un filtrado de tráfico innecesario se maximizara el ancho de banda. La incorporación de filtros para el trafico broadcast o multicast, el cual no es dirigido hacia nodos definidos, incrementara el flujo de información. Los mensajes de error debidos a nodos con mal funcionamiento o nodos configurados en forma incorrecta que son recibidos por todos los demás nodos también
son considerados tráfico innecesario. Diferentes filtros pueden ser agregados dentro de los puntos de acceso para reducir el desperdicio en el ancho de banda, incluyendo filtros en el protocolo y filtros en la dirección de MAC. [Brooks]
En un ambiente dinámico de comunicaciones, algunos puntos de acceso sufrirán desbalances repentinos, en comparación con los puntos de acceso ms cercanos. Técnicas de carga balanceada entre puntos de acceso adyacentes pueden aumentar en gran forma la utilización del ancho de banda, y manejar los casos difíciles de tráfico en forma efectiva. Para realizar esto, los puntos de acceso deben de intercambiar en forma periódica mensajes cortos con datos estadísticos de carga de trafico a través de la infraestructura cableada.
Por ultimo, la integridad de los datos en un ambiente inalámbrico debe de ser protegida por técnicas efectivas de autentificación y encriptación. Incorporando técnicas de encriptación para todos los datos, y restringiendo las comunicación a través de esos nodos que están programados para tener la correcta identificación de red, debe de proteger de accesos no autorizados a una red inalámbrica, por medio de la identificación de aquellos nodos que tienes permiso de transmitir. Finalmente, las contraseñas de red y otras capas físicas de seguridad deben de ser implementadas de acuerdo a las necesidades para minimizar las intrusiones no autorizadas.
Una necesidad esencial en la comunicación inalámbrica es la extracción de interferencia de la señal recibida dentro del proceso de detección en lo posible. Para eliminar la interferencia en el espectro de ancho de banda, el procesamiento digital de señales a alta velocidad es necesario. La velocidad de procesamiento necesaria para la eliminación de interferencia, normalmente excede aquella que esta disponible en los microprocesadores DSP tradicionales. fNishimura]
1.8.5 ¿Cómo lograr una aplicación exitosa?
La tecnología en la actualidad ya se encuentra disponible para lograr lo planteado en las páginas anteriores. Las principales aplicaciones ya mencionadas elevaran su desempeño y disminuirán su costo debido a que un sistema cableado en ellas no es la mejor opción.
Una red ad-hoc de sensores inalámbricos cuyas características (pequeños, baratos, alimentados por batería, procesadores de alta velocidad) permiten un sistema de comunicación tolerante a fallas.
1.9 Método
o Estado del arte de la tecnología de comunicación industrial: definición, características generales, jerarquía de información industrial, buses industriales, ventajas de los buses industriales y obtener su clasificación de acuerdo a las variables físicas que manejan en su aplicación final.
o Investigación sobre tendencias en la industria para el uso de la tecnología inalámbrica en el monitoreo y control de procesos.
o Estado del arte en la tecnología de sensores inalámbricos: definición, campos de aplicación, clasificación, características generales, arquitectura general de hardware y software.
o Estándares actuales sobre redes de sensores inalámbricos. Investigación acerca del estado actual los estándares inalámbricos que hacen posible la aplicación industrial de redes de sensores inalámbricos y la generación de hardware y software comercial.
o Modelos de comunicación para interconexión de una red de sensores inalámbricos con un PLC industrial por medio de un bus de campo. Investigación sobre procedimientos para interconectar buses de información industriales con una RSI, y plantear modelos de comunicación que permitan la interconexión.
o Planteamiento de una metodología general para la implementación de la comunicación entre una red de sensores inalámbricos y un PLC industrial que utiliza un bus industrial para una arquitectura de sistema delimitada basada en la investigación realizada.
o Realizar un caso de estudio donde se aplicara la metodología general para obtener una metodología específica para la implementación de una RSI comercial de marca Crossbow, compuesta de un kit de evaluación ZigBee Listo de 8 sensores nodo que realice el monitoreo de 4 variables y que a su vez se comunique por medio de Ethernet con un PLC industrial de la marca Siemens, el cual a su vez utilizara la información recibida para ejecutar acciones por medio de Profibus sobre un Proceso.
o Obtener conclusiones, resultados, recomendaciones y plantear investigaciones futuras.
