Infraestructura de la comunicación como punto de partida para la transformación digital

Si quiere conducir, necesita caminos, y si quiere aprovechar las ventajas de la digitalización, necesita una autopista de datos. Muchos conceptos de la transformación digital parten de la información del nivel de campo que, además, se debe transportar a la nube a través de redes con una arquitectura de red flexible y confiable. Las tecnologías que ofrecen empresas como Siemens, cubren todos los sistemas y componentes necesarios: desde pequeños transpondedores inalámbricos hasta potentes conmutadores en la interface entre el sistema informático de producción y el corporativo.

La infraestructura digital es la base para nuevos servicios y conceptos de producción digitales. Contiene, en primer lugar, el nivel de la plataforma que provee el entorno de ejecución para aplicaciones y el data lake para guardar los datos. El segundo elemento de la infraestructura digital es el nivel de la red, que provee las conexiones necesarias entre los sensores en el campo y las aplicaciones en la nube.

Los requerimientos son muy exigentes: además de la gran disponibilidad y la calidad garantizada del servicio, también se necesita la flexibilidad y la seguridad de los datos en la IIoT. La flexibilidad es necesaria ya que los requerimientos pueden cambiar rápidamente en la IIoT: se podrían necesitar nuevas fuentes de datos para cada nueva aplicación y debería poder accederse a estas fuentes de datos sin realizar cambios en el paisaje de la automatización.

 

Infraestructura de la comunicación como punto de partida para la transformación digital
Concepto de red estructurada para conectar sistemas de automatización basados en Ethernet con redes de empresa.

 

Capas y segmentos

Las redes modernas brindan la posibilidad de conectar todas las unidades del sistema de automatización. Se recomiendan arquitecturas de red compuestas de múltiples capas y segmentos para cumplir con la cantidad cada vez mayor de requerimientos que plantean las aplicaciones industriales.

El intercambio de pequeños paquetes de datos dentro de las máquinas o entre máquinas (máquina-a-máquina, M2M) predomina a nivel de máquina o celda (controladores, módulos de E/S distribuidos, dispositivos HMI). Las distancias de transferencia, en general, son cortas (hasta 100 metros).

La comunicación debe ser determinista, failsafe, tolerante a fallas y segura, todo a la vez. Los controladores lógicos programables (PLCs) son adecuados como fuentes de datos para la IIoT ya que los sensores, por lo general, ya están conectados al PLC. Por ejemplo, con SIMATIC S7-1500, el módulo de red específico CP1543-1 puede establecer una conexión con los sistemas informáticos. De esta forma, las celdas individuales conforman segmentos casi autosuficientes en el sistema de producción.

Para garantizar la seguridad de la red, sólo los usuarios autorizados pueden acceder a las celdas a este nivel (concepto de protección de celda). Esto se puede garantizar óptimamente con componentes de seguridad dedicados, tales como los dispositivos de seguridad industrial SCALANCE SC-600, que poseen mecanismos estandarizados, por ejemplo firewalls y encriptación VPN.

No obstante, para conseguir una arquitectura de seguridad más abarcadora, se necesita más, por ejemplo un proceso de desarrollo de producto que tenga en cuenta metódicamente los requerimientos desde el principio. Las certificaciones externas, por ejemplo ANSSI (Agencia de seguridad de redes e información), comprueban la efectividad de la implementación.

En el siguiente nivel, diversas máquinas y sistemas de la sala de producción se combinan y estructuran en la red de la sala. Lo recomendable para esta red son las conexiones de fibra óptica por las grandes distancias.

Los componentes de la red, tales como SCALANCE XM-400, que tienen una velocidad de transferencia de hasta 1 Gbps y que se conectan de forma redundante entre sí, sirven perfectamente para manejar grandes volúmenes de datos. La ventaja de XM-400 es su estructura modular: el dispositivo se expande según las tareas que en necesario realizar.

La red troncal industrial, conformada por anillos de fibra óptica redundantes en la parte superior de la capa de distribución, reúne los datos de todas las áreas subordinadas a través de conmutadores redundantes (racks) y representa la interface con el sistema informático corporativo y con la conexión de Internet. Los firewalls protegen la transición hacia la llamada capa central y los centros informáticos industriales que procesan o suministran la información necesaria en el sitio de producción. Los switches SCALANCE XR-500 son aquí la mejor opción.

En todas las capas se recomienda también el uso de un sistema de gestión de red, como SINEC NMS, para lograr un buen monitoreo y claro de las cifras de las estructuras y dispositivos.

 

Comunicación inalámbrica

Los datos se pueden transportar a la nube sólo a través de una conexión cableada si el dispositivo de campo correspondiente tiene una conexión para comunicación. El big data se vuelve interesante para el análisis de objetos como transporte de contenedores, herramientas o productos reales fabricados. Entran en juego aquí varias tecnologías inalámbricas que cierran la brecha entre las redes de comunicación (Ethernet) y los objetos de producción reales.

Las redes LAN (WLAN) ya están muy difundidas y son adecuadas para una variedad de tareas —según los requerimientos del ancho de banda— que se pueden implementar simultáneamente en la misma red inalámbrica. Los productos de la serie SCALANCE W responden muy bien a los requerimientos industriales relacionados con robustez, flexibilidad y rendimiento, además de ofrecer opciones para aplicaciones de seguridad (seguridad inalámbrica). WLAN permite la transferencia de datos de objetos móviles a la nube, por ejemplo para robots que no se pueden cablear.

Los sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID) son la segunda tecnología que se utiliza en este contexto. En estos sistemas, todos los objetos relevantes, tales como piezas de trabajo o contenedores de transporte, poseen pequeños chips inalámbricos (transpondedores) que el lector SIMATIC RFID puede leer y en donde puede escribir sin cableado. Según el proceso, los transpondedores RFID se insertan directamente en el producto real como placa de características electrónica o se colocan en los portaobjetos, por ejemplo para múltiples usos.

Finalmente, los sistemas de localización en tiempo real (RTLS) también han conquistado las salas de producción. Similar al RFID, se coloca a todos los objetos un transpondedor que, a diferencia del RFID, tiene su propia fuente de energía. A través de una red de Anclas (comparable a los puntos de acceso WLAN), los transpondedores se pueden ubicar en tres dimensiones, incluso con intervalos de un segundo si fuere necesario. Un ejemplo es el control de un destornillador de producción: el par se ajusta automáticamente al tornillo correspondiente según las coordenadas XYZ del mismo.

 

Uso óptimo de la tecnología

Hay que tener en cuenta que utilizar los mejores componentes no garantiza la creación de la mejor red de comunicación. Tener un diseño de red adaptado a los requerimientos específicos es igual de importante.

Al respecto, empresas como Siemens ofrecen una amplia gama de servicios relacionados con la comunicación industrial, desde capacitación, consultoría y diseño, hasta integración e implementación. Hoy en día, combinar la tecnología preparada para el futuro con una implementación óptima genera las condiciones adecuadas para incorporar nuevas aplicaciones digitales en las empresas de manufactura.

 

Preparado por el Ing. Andrés Gorenberg, de Siemens S.A.

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