Clase 3. Poten y Riesg. Ambiente de La Biodiversidad en Perú
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mpujados por el vertiginoso des-
arrollo tecnológico, los dispositivos
inalámbricos se están introduciendo gra-
dualmente en los entornos industriales. Su
utilización, no obstante, ha sido bastante
limitada hasta ahora. En la actualidad es
posible utilizar un enlace inalámbrico para
configurar un dispositivo de campo o veri-
ficar el estado de los motores de una
planta, pero hasta ahora nadie ha sido
capaz de resolver la compleja tarea del
control en bucle cerrado empleando
sensores inalámbricos sin baterías. Hasta
ahora.
¿Por qué tecnología inalámbrica
en la industria?
Los últimos años han sido testigos de una
revolución en la comunicación inalámbrica.
Los altos volúmenes de producción para el
mercado de la automatización doméstica y
de oficinas han hecho posible soluciones de
comunicación avanzadas a un precio increí-
blemente bajo. La industria de las telecomu-
nicaciones ha facilitado las cosas al crear es-
tándares mundiales para los enlaces inalám-
bricos, como 802.11, Bluetooth, GSM, Zig-
bee y otros, eliminando así la necesidad de
soluciones regionales especiales.
Asumiendo que las modernas soluciones
IndustrialIT para la industria requieren co-
municaciones alámbricas e inalámbricas
avanzadas como importantes tecnologías de
apoyo, ABB ha seguido muy de cerca los
conceptos, las tecnologías y las empresas
42 Revista ABB 4/2002
Technology review
Christoffer Apneseth, Dacfey Dzung, Snorre Kjesbu, Guntram Scheible, Wolfgang Zimmermann
En las líneas de producción de todos los sectores industriales se utilizan numerosos sensores yactuadores. Y todos y cada uno de estos dispositivos requieren cableados para la alimentación deenergía y para los datos. Los cables no solo son caros de instalar, también constituyen una fuentehabitual de averías.
Pero la solución ya está en marcha. ABB está comercializando un nuevo interruptor de proximidad,inalámbrico, que incorpora un módulo de comunicaciones para la alimentación de energía, latransmisión de señales y la comunicación hombre–máquina, eliminando, por tanto, la necesidad delcableado.
E
“Es de esperar que la tecnología inalámbrica tenga un profundo impacto en las industrias de fabricacióndurante los próximos cinco años.” ARC, Mayo de 2001
Introducción de los interruptores de proximidad inalámbricos
Wireless
Revista ABB 4/2002 43
surgidas de la automatización de oficinas y
de la telecomunicación. Este sector es muy
prometedor, como avala la compañía ARC,
especializada en el análisis de empresas,
quien en mayo de 2001 declaró: “Es de es-
perar que la tecnología inalámbrica tenga
un profundo impacto en las industrias de fa-
bricación durante los próximos cinco años”.
¿Por qué la tecnología inalámbrica re-
sulta tan atractiva para las aplicaciones in-
dustriales? ¿Qué espera la industria de esta
tecnología?
En pocas palabras, la tecnología inalám-
brica tiene tres ventajas principales: reduce
los costes gracias a su fácil instalación, a la
simplicidad de su diseño y a la reducción
de los materiales necesarios; aumenta la
productividad introduciendo movilidad, fle-
xibilidad y rápido acceso a la red; y, final-
mente, hace posible nuevas aplicaciones y
servicios con valor añadido, entre ellos
clientes de portátiles y terminales de opera-
dor, faceplates, diagnósticos a distancia, etc.
Estas ventajas, inherentes a la comunica-
ción inalámbrica, encuentran plena expre-
sión en el nuevo interruptor de proximidad
inalámbrico de ABB.
Interruptores inalámbricos
de proximidad
Los interruptores de proximidad inductivos
son los sensores de posición más utilizados
Cajas de engranajes: una de las muchas aplicaciones industriales
que precisan gran cantidad de interruptores de proximidad
1
Sensor con y sin cables. El cableado necesita una construcción mecánica especial.2
44 Revista ABB 4/2002
Technology review
para el control de máquinas . Muy fia-
bles y sin contacto físico real, informan al
controlador sobre los movimientos de una
máquina. Dado que los interruptores de
proximidad inductivos están diseñados para
detectar objetos de metal, normalmente son
insensibles a la suciedad.
Sin embargo, existe un problema: las co-
nexiones entre los sensores y el sistema de
control. Las conexiones se realizan con ca-
bles fijos multifilares con un conector o con
terminales. Aunque integrar los interrupto-
res de proximidad inductivos en el diseño
de la máquina ha sido relativamente senci-
llo, el diseño e instalación de los cables si-
gue siendo laborioso, especialmente cuando
los cables se mueven al compás de cada
movimiento de la máquina .
Hoy en día, el diseñador de máquinas
dispone de diversas soluciones técnicas
para aumentar la fiabilidad de las conexio-
nes eléctricas entre los componentes móvi-
les de la máquina, aunque la mayoría de és-
tos, como los transmisores de anillo desli-
zante, solo son adecuados para aplicaciones
especiales. El empleo de tubos y cables
muy flexibles es la forma más extendida de
mejorar la fiabilidad de esas conexiones.
No obstante, los cables siguen siendo la
fuente principal de averías en los sensores y
de tiempos de parada de las máquinas. Por
lo tanto, la eliminación de los cables es un
avance fundamental [1]. Y precisamente
para esto se han diseñado los nuevos inte-
rruptores de proximidad inalámbricos de
ABB.
Fácil de definir,
difícil de resolver
El problema que en 1998 se presentó a un
grupo de investigadores de ABB era tan
sencillo de definir como difícil de resolver:
encontrar una solución que sustituyera los
sensores de proximidad tradicionales, sin
utilizar cables ni baterías. Un duro desafío,
sin duda. No obstante, lo que hace cuatro
años parecía ser una “misión imposible”
hoy ya es realidad.
Los investigadores, radicados en Nor-
uega, Alemania y Suiza, dividieron el pro-
blema en tres áreas: el sistema de comuni-
cación inalámbrica, la alimentación inalám-
brica de energía y el sensor de baja poten-
cia.
El primero de éstos, el sistema de comu-
nicación inalámbrica, tiene que ser tan fia-
ble como los sensores provistos de cable.
Y dado que estos sensores forman parte de
los sistemas de control de bucle cerrado,
han de satisfacer limitaciones temporales
muy estrictas. La tecnología deberá ser ba-
rata y consumir poca energía. Además, los
sensores tendrán que coexistir con sistemas
que producen interferencias, como son las
redes inalámbricas de área local WLAN y
Bluetooth, y soportar las autointerferencias
producidas por los miles de sensores in-
alámbricos presentes en la planta industrial.
Claramente, todos los estándares de radio
existentes están muy lejos de satisfacer estos
requisitos.
La alimentación inalámbrica de energía
supuso un desafío similar, aunque más fun-
damental. La tecnología de baterías ha avan-
zado mucho durante los últimos diez años,
pero no existe ninguna batería que funcione
sin mantenimiento durante un mínimo de
diez años, como requiere este sistema. Se
estudiaron diversas tecnologías como los
termopares, las células fotovoltaicas, las pi-
las de combustible, etc. La única solución
que se mostró viable fue el acoplamiento
inductivo, en el cual un pequeño campo
magnético que atraviesa el volumen de una
máquina se convierte en energía eléctrica
para las unidades de sensores.
La tercera tarea consistió en desarrollar
la tecnología de detección básica, con nive-
les de potencia de dos órdenes de magnitud
por debajo de la tecnología tradicional.
En el núcleo de la solución de todos es-
tos problemas se encuentra la arquitectura
general del sistema y a ella dedicaremos las
primeras consideraciones.
La arquitectura del sistema
El sistema dispone de cuatro bobinas
primarias (E) instaladas alrededor de la cé-
lula de producción. Éstas son alimentadas
por dos fuentes de alimentación (D) que su-
ministran corriente alterna a las bobinas,
produciendo un campo magnético a través
de la célula de producción. Los interrupto-
res de proximidad inalámbricos (A) que hay
dentro de la célula disponen de pequeñas
3
2
1
A
A
A
A
B
C
DD
E
Célula típica en una línea de montaje de motores con interruptores de
proximidad inalámbricos (A) agrupados en el brazo robotizado, bobinas primarias (E),
dos fuentes de alimentación (D), dos antenas (B) y un módulo de entrada(C).
3
Revista ABB 4/2002 45
bobinas que recogen la energía del campo
magnético y la convierten en corriente eléc-
trica. Los sensores también disponen de pe-
queños emisores–receptores y de electró-
nica de baja potencia que controlan el en-
lace de comunicación inalámbrica. Los sen-
sores se comunican con un módulo de en-
trada (C) a través de las antenas (B) monta-
das en la célula. Este módulo se comporta
básicamente como un módulo de entrada
tradicional con cables. Puede manejar si-
multáneamente hasta 60 interruptores de
proximidad inalámbricos y está conectado
al sistema de control por medio de un co-
nector FieldBusPlug de bus de campo de
ABB [2]. En una misma área pueden coexis-
tir cinco módulos de entrada, con posibili-
dad de utilizar hasta 300 sensores en una
célula de producción.
Durante todo el desarrollo del sistema, la
idea central ha sido la facilidad de uso. Por
lo tanto, se han concebido unas instruccio-
nes de instalación y unos procedimientos de
configuración sencillos. El usuario puede
instalar el sistema sin necesidad de tener
profundos conocimientos de alimentación
inalámbrica o de las tecnologías de comuni-
cación. Los sensores se configuran fácil-
mente usando la pantalla LCD y los teclados
de membrana del módulo de entrada. Al
mismo tiempo que reúne todos los requisi-
tos propios de un sistema tradicional con
cables, la alternativa inalámbrica ofrece ven-
tajas adicionales, como son los diagnósticos
y el control automático; este nuevo sistema
simplifica, además, la solución de los pro-
blemas y la sustitución de los sensores.
Alimentación inalámbrica de
energía
La carga o sustitución regular de baterías no
es una opción práctica para las aplicaciones
industriales aunque en el mundo de la elec-
trónica de consumo esto se considere acep-
table, tanto más si existen cientos de senso-
res, que pueden estar montados en lugares
inaccesibles o en máquinas que funcionan
día y noche. Por eso se necesita un disposi-
tivo de energía autónomo [3] o una alimen-
tación inalámbrica de energía y un sistema
electrónico con un consumo muy bajo de
energía.
En términos generales, la energía auxiliar
puede estar:
n Incluida en el sistema: por ejemplo las
baterías, las pilas de combustible, etc.
n Tomada del entorno del sistema: luz,
calor, vibración, activación por el usuario,
etc.
n Transmitida al sistema: óptica, radio-
frecuencia, acústica, etc.
La definición del problema hace inviable
la primera variante, mientras que la segunda
no satisface los estrictos requisitos de fiabili-
dad y controlabilidad de la industria. Des-
pués de una cuidadosa evaluación de las
distintas opciones ofrecidas por el tercer en-
foque, se concluyó que el acoplamiento
magnético es la única solución viable.
La ’alimentación magnética’
El principio básico de una alimentación de
energía inducida por un campo magnético
puede ser descrito por el conocido modelo
de transformador con elementos parásitos
. En nuestro caso, el bobinado principal
(B) es una gran bobina alrededor de la cé-
lula (llamada volumen) y el secundario un
número casi ilimitado de pequeñas bobinas
receptoras (C) con un núcleo de ferrita que
aumenta el flujo recogido por la bobina.
Por tanto, los elementos parásitos domi-
nan y el factor principal de acoplamiento es
la intensidad del campo magnético en el se-
cundario. Si las bobinas principales tienen
una configuración de Helmholtz, este pará-
4
A
CCC
CCCA
Alimentación inalámbrica de energía
Una fuente de alimentación (A) alimenta la bobina primaria (B) con corriente de 120 kHz.
Los sensores (C), situados en el circuito primario, están equipados con bobinas
secundarias. El esquema de la derecha muestra el diagrama del circuito equivalente
con acoplamiento inductivo.
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46 Revista ABB 4/2002
Technology review
metro se mantiene relativamente constante
para un gran volumen. Aunque los opera-
rios no trabajen de forma continua en la cé-
lula, la intensidad del campo cumple las re-
comendaciones y normativas laborales inter-
nacionales [4].
Las pérdidas, sorprendentemente peque-
ñas, están determinadas fundamentalmente
por las pérdidas de conducción de la bo-
bina provocadas por las corrientes de Fou-
cault.
Alimentación de energía de
frecuencia mediana resonante
Un ’transformador’ de este tipo funciona
mejor en régimen de resonancia, en el cual
se compensa la gran inductancia (fugas). Así
se hace posible el funcionamiento con baja
tensión o intensidad. Una fuente de alimen-
tación de este tipo también debe poder su-
perar:
n Variaciones en el entorno, como las
originadas por obstáculos metálicos móviles
de gran tamaño, como son los robots.
n Grandes variaciones de ‘carga’, por
ejemplo si las bobinas primarias son de
tamaños distintos (valores de inductancia) o
si se dan pérdidas variables, por ejemplo
por aparición de corrientes de Foucault en
objetos metálicos próximos.
La alimentación principal, por tanto, nece-
sita un controlador automático, rápido y de
alta precisión, para mantener firmemente el
régimen fijo de frecuencia de resonancia de
120 kHz.
Estructura omnidireccional
del receptor
Para alcanzar una potencia significativa en
el lado del receptor, las bobinas también
han de funcionar en modo resonante. Ade-
más, para lograr una producción constante
de energía, independientemente de la orien-
tación respecto del vector de campo prima-
rio, se ha elegido una configuración ortogo-
nal de tres bobinas. Esta disposición es muy
adecuada para la producción en serie, ya
que su puesta a punto es sencilla.
Campo giratorio
Dado que un campo unidireccional podría
resultar apantallado involuntariamente por
los objetos metálicos, se ha adoptado el
campo giratorio.
Considerando el caso más desfavorable
de apantallamiento y una intensidad de
campo mínima, los niveles de potencia al-
canzables por la bobina secundaria depen-
den principalmente del tamaño y forma de
la bobina y del núcleo de la misma. Con los
primeros prototipos se obtuvieron para el
caso más desfavorable valores típicos de
1 mW/cm2 para 6 A/m. Si es necesario se
pueden suministrar niveles de potencia bas-
tante más altos, por ejemplo para actuado-
res industriales (válvulas, pequeños disposi-
tivos).
El sistema de energía debe ser capaz de
alimentar células de producción típicas, con
un tamaño de hasta 6 x 3 x 3 m2. Dado su
carácter modular, el sistema puede ser am-
pliado para dar servicio a varias células de
ese tipo.
Comunicaciones inalámbricas
El subsistema de comunicación inalámbrica
transmite las señales del sensor al módulo
de entrada, que puede ser comparado con
una estación base en un sistema celular.
Debe satisfacer las rigurosas exigencias de
un entorno industrial, es decir, tener tiem-
pos de respuesta muy rápidos (general-
Comunicación inalámbrica
Cada módulo de entrada recoge datos de los sensores de “su” área y los transfiere
por un bus de campo (FB) hasta el controlador de la máquina (PLC).
5
Revista ABB 4/2002 47
mente muy inferiores a 10–15 ms), dar ser-
vicio a gran número de sensores ubicados
en una célula de varios metros de radio y
garantizar una alta integridad de la transmi-
sión de datos, incluso cuando la propaga-
ción de radio pueda verse afectada por obs-
táculos e interferencias .
En un amplio estudio se evaluaron los
sistemas existentes, pero ninguno de ellos
satisfizo todos estos requisitos. Por ejemplo,
los sistemas pasivos de etiquetado electró-
nico, como los usados en los grandes
almacenes, no tienen ni alcance ni flexibili-
dad suficientes, y las WLAN o enlaces in-
alámbricos de corto alcance como Blue-
tooth [5] no soportan un numero elevado
de sensores.
En consecuencia se decidió diseñar un
nuevo sistema, ajustado a las necesidades
del sensor inalámbrico, aprovechando al
máximo los componentes estándar de bajo
coste que hubiera disponibles.
El nuevo sistema opera en la banda de
radio de 2,4 GHz asignada a los usuarios
ISM (industriales, científicos y médicos). Un
avanzado módulo de entrada diseñado por
ABB garantiza que la complejidad resida en
el módulo de entrada más que en el sensor.
Un módulo de este tipo puede gestionar in-
alámbricamente hasta 60 sensores. Aunque
el diseño de ABB es similar en muchos as-
pectos a una estación base WLAN, tiene va-
rias características que lo diferencian clara-
mente:
n Transmisión y recepción simultáneas de
las señales de radio; Bluetooth y WLAN no
admiten el funcionamiento full-duplex.
n Recepción simultánea de las señales más
potentes y más débiles. ¡Una señal fuerte
puede tener una potencia un millón de
veces mayor que una señal débil!
n Supresión de interferencias. Un sensor
puede captar un mensaje o señal muy débil
aunque exista una potente señal de
interferencia en alguna frecuencia próxima.
n Las antenas de transmisión y recepción
de los módulos de entrada pueden ser
conmutadas periódicamente para disponer
de diversas trayectorias de propagación,
haciendo frente así a los efectos de
desvanecimiento (fading) y ensombre-
cimiento (shadowing).
El hardware de comunicación del sensor se
basa en un transmisor–receptor Bluetooth
estándar (radio) para aprovechar la econo-
mía de escala, la integración de componen-
tes (pequeño tamaño) y el bajo consumo de
energía. En particular, la antena de comuni-
cación del módulo transmisor–receptor
del sensor debe elegirse con sumo cuidado.
Su radiación ha de ser omnidireccional para
lograr una transmisión uniforme, indepen-
dientemente de la orientación del sensor
respecto de las antenas del módulo de en-
trada.
No obstante, la optimización del módulo
de entrada y del hardware de sensor no es
suficiente si no se cumplen otros requisitos
(por ejemplo la alta fiabilidad, los retardos
mínimos en los mensajes y la capacidad de
utilización por gran número de sensores).
Este problema se soluciona con un proto-
colo de comunicación hecho a medida, que
proporciona a los sensores acceso a la emi-
sión sin interferencias mutuas, asignando a
cada sensor un canal tiempo/frecuencia es-
pecífico para sus mensajes. Los parámetros
de este esquema de transmisión de tiempo,
6
5
Electrónica del módulo de comunicación
Bobina receptora omnidireccional para la alimentación de energía y antena integrada
(en primer plano) para la comunicación por radio
6
48 Revista ABB 4/2002
Technology review
de múltiple acceso y con transmisión simul-
tánea por división de frecuencia (TDMA/
FDM), se escogen para satisfacer los requisi-
tos de gran número de sensores, asegurar
un tiempo de respuesta corto y hacer un
uso completo de la banda de radio disponi-
ble. Un esquema de salto de frecuencia,
combinado con una detección de errores y
una retransmisión automática de mensajes
en caso de fallo, garantiza una entrega fia-
ble de los mensajes enviados por los senso-
res, incluso en presencia de sistemas que
generan interferencias, como Bluetooth,
WLAN, hornos microondas y sistemas elec-
trónicos de etiquetado.
Para garantizar un consumo de energía
lo más bajo posible, el módulo de comuni-
cación del sensor se mantiene en hiberna-
ción hasta el instante en que el sensor cam-
bia de estado. Cuando tiene lugar un evento
en el sensor, éste restablece rápidamente el
enlace de radio por medio de una señal pi-
loto desde el módulo de entrada, antes de
transmitir el mensaje. Normalmente, este
restablecimiento tarda 2 ms, llegando a
10–15 ms en el caso más desfavorable,
cuando se ha de transmitir varias veces el
mensaje. Con fines de diagnóstico del sis-
tema, los sensores también transmiten dos
veces por segundo el mensaje “Estoy ac-
tivo”.
Detección de baja potencia
Los sensores de proximidad están entre los
sensores más fundamentales y utilizados en
las máquinas de producción y en los robots.
Su funcionamiento se basa en un circuito
oscilador de baja frecuencia sintonizado que
emite un campo detector desde el cabezal
del sensor. Cuando el sensor se acerca a un
objeto metálico, el oscilador experimenta
una desintonización. En la forma de onda
oscilante se detecta el cambio y se produce
la correspondiente señal del sensor.
El consumo de energía del sensor in-
alámbrico debe mantenerse lo más bajo po-
sible. Esto se puede conseguir mediante una
electrónica de consumo ultrabajo o redu-
ciendo los ciclos de funcionamiento de la
detección; en lugar de medir de forma con-
tinua, el sensor se enciende, toma una me-
dida y a continuación se apaga por un
tiempo “prolongado”. Después de investigar
estas dos posibles soluciones, se decidió
usar un cabezal de sensor disponible co-
mercialmente con una electrónica de bajo
consumo y adaptarlo adecuadamente.
Camino del mercado
En la Feria de Hannover 2002 (Alemania),
ABB hizo una demostración en directo de la
primera preproducción de interruptores de
proximidad inalámbricos , que desperta-
ron gran interés. Tanto los constructores de
maquinaria como los usuarios finales pudie-
ron ver por sí mismos las ventajas de insta-
7
Interruptores de proximidad inalámbricos en un brazo robotizado. Demostración en la Feria de Hannover 2002.7
Revista ABB 4/2002 49
larlos en los equipos de montaje, en las lí-
neas de producción y en las aplicaciones de
robots.
Durante el segundo trimestre de 2003
asistiremos al inicio de su comercialización.
El primer programa se compone de inte-
rruptores de proximidad inalámbricos, un
equipo de alimentación de energía, la bo-
bina primaria, una antena de radio y un mó-
dulo de entrada, el cual se comunica con el
controlador de la máquina por medio de un
conector FieldBusPlug de bus de campo de
ABB.
Los interruptores de proximidad inalám-
bricos tienen dos partes principales : el
módulo de comunicación y un cabezal sen-
sor. De la alimentación de energía, de la
transmisión de señales y de la comunica-
ción hombre-máquina se encarga un único
tipo de módulo de comunicación. Para
cubrir distancias de conmutación desde
1,5 mm hasta 15 mm existen cabezales sen-
sores con tamaños M8x1, M12x1, M18x1 y
M30 x 1.5, de tipo empotrado o de superfi-
cie.
Libertad para el futuro
Con la introducción de los interruptores in-
alámbricos de proximidad, ABB ha dado un
importante paso hacia la automatización in-
alámbrica. Han quedado resueltos con éxito
los retos más importantes de la distribución
de energía y de la fiabilidad y retardo de la
comunicación.
El sistema que hemos descrito en este
artículo está concebido para los interrupto-
res de proximidad inalámbricos, pero la tec-
nología podría aplicarse fácilmente a otros
sensores y actuadores. La alimentación de
energía en general y la tecnología de comu-
nicaciones podrían hacer emerger nuevas
aplicaciones en ABB que hoy por hoy no
podemos ni imaginar.
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Autores
Christoffer ApnesethSnorre KjesbuDr. Dacfey DzungDr. Guntram Scheible ABB Corporate [email protected]@[email protected]@de.abb.com
Wolfgang Zimmermann ABB STOTZ-KONTAKT [email protected]
References[1] W. Zimmermann: Kabel eliminiert (Cabling eliminated). Computer & Automation 10/2002 Mindelheim, Germany, Oct 2002.
[2] Cubriendo un hueco en el mercado de buses de campo. ABB Review 1/2002, 30–34.
[3] G. Scheible: Wireless energy autonomous systems: Industrial use? Sensoren und Messysteme VDE/IEEE Conference, Ludwigsburg, Germany,
March 11–12 2002.
[4] International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection (ICNIRP): Guidelines for Limiting Exposure to Time-Varying Electric, Magnetic, and
Electromagnetic Fields (up to 300 GHz). Health Physics vol 74, no 4, 494–522, 1998.
[5] J. Endresen, et al: BluetoothTM , transmisión vía de corto alcance con múltiples aplicaciones. Revista ABB 2/2001, 35–43.
El interruptor de proximidad inalámbrico tiene dos partes: el módulo de comunicación
(gris) con interruptor de láminas y LED, y el cabezal sensor cilíndrico (plateado).
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