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Redes de máquina a máquina para funciones de máquina automatizadas

Por Lisa Eitel

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Las redes de máquina a máquina (M2M) son, en su núcleo, una permutación de telemática industrial, combinaciones de telecomunicaciones e informática que utilizan datos para ejecutar operaciones automatizadas. Las redes M2M incluyen sensores, controles y máquinas que se comunican sin la participación humana. Las máquinas de estas redes pueden estar en la misma instalación o a medio mundo de distancia.

Las comunicaciones alámbricas e inalámbricas impulsan las funciones M2M. Los dispositivos transmiten y reúnen información para permitir evaluaciones operacionales y ajustes en tiempo real. Por ejemplo, una planta de tratamiento de aguas residuales puede emplear sensores remotos en estaciones clave para recoger datos relacionados con los niveles de líquido, las proporciones químicas, las temperaturas, los caudales y otros parámetros. Entonces esos datos se transmiten a través de una red inalámbrica a una plataforma para que los controles inteligentes los recojan. Cuando sea útil que un operador humano supervise y responda a los parámetros cambiantes, una interfaz hombre-máquina (HMI) que ejecute un software específico de la aplicación podría mostrar los valores del sistema en un tablero digital. En algunos casos, las máquinas periféricas reciben señales de otras máquinas a través de los controladores de la red M2M. Esto permite que dicho equipo funcione en conjunto con cualquier programación preestablecida basada en reglas.

Imagen de la mochila celular Multi-Tech QuickCarrier USB-DFigura 1: El dongle celular USB-D QuickCarrier soporta instalaciones M2M que requieren una conectividad de datos fiable. También ofrece una rápida configuración de la conectividad celular para comunicar cosas físicas digitalmente. (Fuente de la imagen: Multi-Tech Systems Inc.)

Diferencia entre la red M2M y la conectividad de la Internet de las Cosas (IoT)

La capacidad relativamente nueva de los diseños automatizados para impulsar y regular las operaciones de mayor nivel depende tanto de las tecnologías M2M como de las IoT. Lea el artículo de Digi-Key "La diferencia entre la comunicación y el diseño de IoT y M2M" para una mirada en profundidad a cómo estos sistemas difieren.

  • Las tecnologías M2M se destacan en la vigilancia y el control de las funciones individuales (hasta cierto punto aisladas). Eso se hace cada vez más a través de comunicaciones celulares facilitadas por dispositivos incorporados. Muchos M2M son instalaciones localizadas que utilizan una o dos fuentes de información: Por ejemplo, una instalación M2M de grado consumidor puede incluir un termostato y una cámara que transmiten continuamente datos a un dispositivo portátil o a un teléfono inteligente, posiblemente para que un operador humano pueda realizar un ajuste rápido. Los únicos puntos de datos son de esos dispositivos de detección.
  • La IoT implica la plena integración de instalaciones totalmente conectadas (que por lo general implican la actuación de máquinas y la retroalimentación) para apoyar las operaciones de colaboración entre sistemas sofisticados, fuentes de información o piezas de maquinaria altamente automatizada. Así pues, la misma configuración de grado de consumidor con comunicaciones de termostato y cámara a un teléfono inteligente que integra la funcionalidad de IoT emplearía puntos de datos de esos dispositivos de retroalimentación (al igual que la configuración M2M) así como datos adicionales de Internet sobre pronósticos meteorológicos locales, datos de vecindario de origen colectivo, análisis de expertos y bases de datos de aprendizaje de máquinas para informar la respuesta del operador humano o alguna forma de automatización conectada.

En los entornos industriales, esa funcionalidad de IoT también apoya el mantenimiento predictivo y el uso de grandes datos para funciones de nivel empresarial (negocios). Por lo general, algún sistema centralizado recoge datos de automatización y retroalimentación de máquinas parcial o totalmente destiladas. Luego el análisis del sistema genera los parámetros prescritos para su posterior monitoreo, regulación o ajuste. Un número cada vez mayor de instalaciones emplean grandes datos (a veces complementados por el aprendizaje de la máquina) para gestionar tanto las operaciones normales como las problemáticas que requieren mantenimiento u otras medidas. Por ejemplo, los modernos gasoductos transmiten datos sobre estaciones de bombeo remotas a bases de datos centrales para el acceso del personal de un centro de mando de control, en algunos casos, en un continente totalmente diferente.

Tipos de hardware para soportar las funciones M2M

Sensores, actuadores y lógica incorporada son los principales tipos de hardware de soporte de M2M. Los sensores y actuadores son normalmente suministrados por el fabricante del componente con conectividad M2M incorporada. Por el contrario, los módulos M2M incorporados suelen ser integrados por el fabricante de equipos originales en sus propios dispositivos para realizar tareas y funciones específicas, generalmente para impartir la conectividad celular y otras formas de conectividad a dispositivos que en el pasado pueden haber funcionado de forma aislada. Esos sistemas M2M incorporados son especialmente útiles en las industrias del transporte y aeroespacial, en particular para los sistemas de navegación GPS, los enclavamientos y los registradores y sensores de bienes, como buques, aviones y camiones de larga distancia.

Imagen del módem incrustado Digi XBee Cellular LTE Cat 1Figura 2: Los sistemas incorporados incluyen circuitos integrados para transmitir, recibir y procesar datos. Este módem embebido LTE Celular Cat 1 de XBee está pensado para que los fabricantes de equipos originales lo integren en sus construcciones que requieran conectividad celular. (Fuente de la imagen: Digi)

Software M2M: La plataforma de software empleada para una instalación M2M depende de la movilidad de la máquina, de su entorno y de la cantidad y tipo de datos a procesar. Donde el software M2M aprovecha la computación en la nube, se ejecuta en hardware con comunicaciones a un servidor remoto. Este último utiliza su propio programa informático para enviar información a los administradores que posteriormente procesan y actúan sobre esos datos. En algunos casos, el software de apoyo a las redes M2M incluye el de una interfaz gráfica de usuario (GUI). Esas interfaces gráficas permiten al personal humano acceder a los datos destilados del sistema que se suelen presentar en gráficos y videos en lugar de interfaces de texto complicadas y potencialmente confusas.

Donde las redes M2M son útiles

Aplicaciones enfocadas al diagnóstico y mantenimiento: Las redes M2M soportan el diagnóstico y mantenimiento, la optimización de la máquina y los controles específicos de la aplicación. Debido a que las redes M2M envían y reciben datos continuamente, son adecuadas para optimizar los programas de mantenimiento planificado de los equipos autónomos en las instalaciones de fabricación, y para señalar cuando puede ser necesario un mantenimiento no programado. Aquí, los sensores de una máquina conectada pueden enviar datos a través de una pila de software en la Nube y agregar esos datos a otro dispositivo; y finalmente proporcionar información sobre el mantenimiento del equipo o sistema. Por ejemplo, las temperaturas inusuales pueden indicar la necesidad de volver a lubricar un eje o el desgaste mecánico que requiere la sustitución de piezas.

Dentro de las secciones públicas y entre bastidores de los aeropuertos, las redes M2M recogen información sobre la temperatura, la vibración y los niveles de lubricante de los motores de engranajes de escaleras mecánicas, pasillos móviles y sistemas de manipulación de equipajes. Las redes M2M también utilizan sensores en los gabinetes de agua potable de los aeropuertos para monitorear el flujo de agua, la temperatura, el estado abierto o cerrado de las puertas de los gabinetes, e incluso posibles fugas de agua.

Indicación gráfica de las condiciones de la máquina: Los indicadores de estado M2M más sencillos de la máquina adoptan la forma de luces indicadoras y lecturas digitales. Pero como se ha mencionado, los sistemas M2M más sofisticados soportan GUI para comunicar las condiciones de la máquina a los humanos en formatos que hacen que los datos sean fáciles de entender. En algunos casos, tales presentaciones están en la máquina o el dispositivo también, como una pequeña pantalla o incluso un HMI de tamaño completo. En otros casos, la pantalla gráfica está en un lugar remoto.

Cambios remotos en la configuración: Los datos de retroalimentación del sistema recopilados por una red M2M a menudo informan sobre los flujos de trabajo y la asignación de recursos activados de forma remota. Reconsidere nuestro ejemplo del aeropuerto: Aquí, el análisis de datos de la red M2M puede incitar a la dirección a enviar un técnico para solucionar los fallos del equipo antes de que un equipo de limpieza o un viajero se dé cuenta e informe del problema.

Conexiones y enlaces de la red física M2M

Como se ha mencionado, las comunicaciones M2M son a través de arreglos inalámbricos y alámbricos. Las permutaciones cableadas para los dispositivos más simples incluyen las comunicaciones por línea de energía (que transportan datos sobre los mismos conductores que suministran energía eléctrica de CA) y comunicaciones en serie (un bit a la vez en secuencias estándar de la industria). Las instalaciones M2M más avanzadas pueden emplear redes de área local (LAN) o (para aplicaciones M2M distribuidas y escalables) redes de área amplia (WAN) para comunicarse y enviar datos a mayores distancias. Los subcomponentes de M2M embebidos explicados anteriormente se conectan a través de WAN y LAN y pueden comunicarse como elementos intersistema o intrasistema.

Las comunicaciones intersistemas se realizan a través de protocolos de red de área de controlador (CAN) y de interfaz periférica en serie (SPI) para comunicarse entre dispositivos. Por el contrario, las comunicaciones intrasistema suelen emplear un microchip de bus serie universal (USB) o un microchip receptor/transmisor universal síncrono (USART) para la comunicación a través del puerto serie de una computadora para permitir el flujo de datos entre los chips dentro de un dispositivo.

Por supuesto, las comunicaciones entre máquinas y dispositivos toman otras formas. Las comunicaciones punto a punto (en contraste con las comunicaciones de radiodifusión) comúnmente apoyan las funciones M2M dentro de las piezas del equipo. También apoyan las conexiones M2M las unidades terminales remotas (RTU) que se venden generalmente como módulos de microprocesador electrónico para monitorear y controlar los dispositivos de campo para la funcionalidad de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA). Estos son los intermediarios:

  • Transmitir los datos en formato de telemetría (recogidos de los dispositivos de campo) a un sistema central y luego
  • Los comandos de respuesta de salida vuelven a los dispositivos de campo.

Formatos de comunicación M2M inalámbricos: Abundan las configuraciones M2M para comunicarse de forma inalámbrica, usando tecnologías Bluetooth, Wi-Fi y GSM, así como redes celulares GSM, CMDA y LTE. Las redes inalámbricas imparten compacidad y comodidad, y los crecientes estándares de infraestructura como LTE/5G están impulsando un uso aún mayor de las comunicaciones celulares para la funcionalidad M2M.

Los protocolos de la capa de aplicación utilizados para las funciones M2M

Las comunicaciones M2M se producen principalmente en la capa de aplicación de las redes industriales - la capa superior que interconecta el sistema y los usuarios - permitiendo la comunicación entre los dispositivos y los controles. Las interfaces de programas de aplicación (API) abundan para simplificar la programación de estos programas y servicios web.

Imagen de varios protocolos de red organizados según la taxonomía de la norma OSIFigura 3: Abundan los modelos conceptuales de redes; aquí se muestran varios protocolos de redes organizados según la taxonomía del modelo más conocido - el estándar de Interconexión de Sistemas Abiertos (OSI) establecido en 1984. (Fuente de la imagen: Design World)

Entre los protocolos que se emplean habitualmente para las funciones M2M figura el protocolo de transferencia de hipertexto (HTTP) a nivel de aplicación que define las estructuras de los mensajes entre los navegadores y los servidores de la web. El HTTP se asocia generalmente con el hipervínculo y otras estructuras que imparte a la World Wide Web. Su función en las aplicaciones M2M es similar, ya que los navegadores actúan como clientes que solicitan información de los servidores que entregan la aplicación.

El transporte de telemetría de cola de mensajes (MQTT) también se emplea para la conectividad M2M; es un protocolo de mensajería basado en TCP/IP para comunicaciones M2M de peso ligero. En algunas configuraciones, varios clientes intercambian información correlacionada a través de MQTT. Estas funciones de intermediario son ejecutadas por un receptor, una puerta de enlace o un servidor. El corredor acepta los mensajes que los clientes le publican; a cambio, los clientes pueden recibir los mensajes a los que se han suscrito.

Otro protocolo empleado para las funciones M2M es el protocolo abierto de la Arquitectura unificada OPC (OPC UA) para la automatización industrial. Otra opción de estándar abierto es el protocolo avanzado de colas de mensajes (AMQP) para pasar mensajes entre aplicaciones. Es el estándar utilizado para la mensajería de negocios en muchas aplicaciones empresariales. Por el contrario, el MTConnect (definido por ANSI/MTC1.4-2018) es un estándar de fabricación que especifica cómo deben intercambiarse los datos de control entre los dispositivos de fábrica y las aplicaciones. Los dispositivos de fábrica pueden ser tanto equipos como herramientas y sensores. MTConnect estandariza los datos extraídos en un formato XML con descripciones estandarizadas de los componentes.

Aunque está más allá del alcance de este artículo y no se puede mapear claramente al modelo histórico de red de OSI, el núcleo de IoT de Amazon Web Services (AWS) es un servicio de Nube gestionado en alza para aplicaciones M2M e IoT. Es compatible con HTTP y MQTT y proporciona un procesamiento y enrutamiento seguro de billones de mensajes entre miles de millones de dispositivos de campo y puntos finales de AWS.

La próxima frontera para las comunicaciones y el control de M2M

Las redes M2M seguirán proliferando a medida que las empresas aprovechen los beneficios del acceso a los datos. De hecho, el hardware, el software y las comunicaciones de red preparadas para M2M están evolucionando para impartir capacidades sin precedentes a la industria y otras industrias. Por lo tanto, estas redes M2M continuarán siendo un poderoso medio de transmisión, recepción y comunicación de datos; en algunos casos, complementando o estimulando también las instalaciones de IoT.

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Información sobre el autor

Lisa Eitel

Lisa Eitel ha trabajado en la industria del movimiento desde 2001. Sus áreas de interés incluyen motores, accionamientos, control de movimiento, transmisión de potencia, movimiento lineal y tecnologías de detección y retroalimentación. Es licenciada en ingeniería mecánica y es miembro de la sociedad de honor de ingeniería Tau Beta Pi, miembro de la Sociedad de Mujeres Ingenieras (Society of Women Engineers) y jueza de los Regionales de Robótica FIRST Robotics Buckeye Regional. Además de sus contribuaciones a motioncontroltips.com, Lisa también dirige la producción de las publicaciones trimestrales de movimiento de Design World.

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