Fábrica inteligente

Fábricas inteligentes

Las medidas de red preparan el camino hacia las fábricas inteligentes

5G brinda todo lo necesario para la conectividad inalámbrica de las fábricas inteligentes del futuro, pero es imprescindible realizar medidas de la red.

La tecnología 5G, estandarizada en la versión 15 de 3GPP, es la base para las redes 5G actuales. Con la versión 16 se esperan mejoras sustanciales en cuestión de latencia, sincronización de las redes e integración industrial de redes Ethernet, en cuyo desarrollo han jugado un papel esencial la 5G Automotive Association (5GAA) y la 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA). Esta versión hará posible la evolución de 5G hacia una tecnología apta para satisfacer los requisitos de las fábricas inteligentes (Industria 4.0). Estos requisitos consisten en un control en tiempo real y apoyado en datos de todos los procesos, así como una reconfiguración rápida y flexible de las líneas de producción. La conectividad total entre máquinas, personas, plantas, logística y productos solo es factible mediante la tecnología inalámbrica. Los enlaces inalámbricos de alta velocidad basados en 5G constituirán el sistema nervioso que coordinará la compleja estructura de las fábricas. Una interrupción en el flujo de datos, por muy breve que sea, puede provocar graves consecuencias y enormes gastos, y por lo tanto la red inalámbrica debe estar diseñada, configurada y monitorizada con la máxima meticulosidad. El proceso exige una planificación en diferentes fases (incluidos los test), tal y como se describe a continuación.

KPI esenciales de las redes inalámbricas en fábricas conectadas por comunicaciones inalámbricas

Una fábrica inteligente es un entorno altamente sensible que debe cumplir unos estrictos requisitos de conectividad y fiabilidad de máquinas, así como en cuestión de protección de datos y seguridad de las personas, especialmente si la conectividad se basa en tecnologías inalámbricas.

La redundancia es un recurso de eficacia demostrada para incrementar la fiabilidad. Cada ubicación de una fábrica inteligente debe recibir servicio de como mínimo cuatro puntos de acceso inalámbricos. Los ensayos in situ son la única manera de verificar dicho acceso, no solo durante la instalación, sino después de cualquier reconfiguración de la maquinaria o de remodelación del recinto, puesto que los cambios estructurales pueden repercutir en las condiciones de propagación de las ondas radioeléctricas.

Una accesibilidad fiable en todo lugar es necesaria, pero no es suficiente para garantizar la operación sin fallos. Otro requisito es el rendimiento correcto, medido no solo en términos del caudal de datos que alcanza, sino también —y adquiriendo a veces aún más importancia— de latencia o del tiempo necesario para que una señal recorra el sistema. Las latencias de las tecnologías de comunicaciones inalámbricas anteriores hasta 4G (incluida) no eran lo suficientemente cortas para satisfacer los requisitos de control en tiempo real. Todo lo contrario ocurre con 5G, que ofrece latencias de pocos milisegundos.

La latencia se expresa de dos formas: como de ida y vuelta y unidireccional (fig. 1). Los casos de uso de realidad aumentada o realidad virtual requieren una latencia breve de ida y vuelta para actualizar muy rápidamente contenidos de imagen cuando los usuarios de gafas de AR/VR mueven la cabeza, para poder mantener la coherencia de los datos mezclados con la imagen en directo. En cambio, para el control en tiempo real de una máquina conectada solo se requiere baja latencia unidireccional. Los comandos de control, por ejemplo un comando de parada para un robot, deben resultar en una acción inmediata.

Transmisores y receptores de Rohde & Schwarz.

Figura 1

La latencia unidireccional es el retardo de la señal que va del transmisor al receptor. La latencia de ida y vuelta incluye el tiempo de respuesta del receptor y el retardo del retorno.

Fases de prueba de la red según Rohde & Schwarz.

Figura 2

Fases de prueba de la red según Rohde & Schwarz.

Las cinco fases de verificación de una red

Al planificar una fábrica de forma integral, las redes inalámbricas se implementan por fases, siguiendo un plan de prueba de cinco fases. La figura 2 muestra las cuatro primeras fases para verificar que la red cumple los estrictos requisitos de fiabilidad y rendimiento.

Fase 1: Preparación del despliegue

En Alemania y algunos otros países, las frecuencias de 5G están reservadas para redes privadas o de campus, y los explotadores de fábricas pueden solicitar el uso de dichas frecuencias. La configuración y la operación de la red pueden realizarse de forma interna, pero por norma general suelen encargarse de ello proveedores de servicios. En los países en los que no se han asignado frecuencias a las redes privadas, la conectividad de las fábricas exige reservar recursos a un operador de red importante, quien, por su parte, consolida la red alrededor de la fábrica o instala estaciones base adicionales en la fábrica para satisfacer los requisitos planteados.

Si la red utiliza bandas de frecuencia del ámbito privado, es necesario realizar una verificación inicial del espectro para detectar posibles interferencias. La experiencia ha demostrado que no puede contarse con la garantía de que no las haya cuando se trata de un espectro asignado por primera vez y no utilizado hasta el momento. Los escáneres de red R&S®TSMx6, los analizadores portátiles de espectro R&S®FPH/R&S®FSH y los receptores de prueba portátiles R&S®MNT100/R&S®PR200 permiten llevar a cabo las medidas necesarias.

Fase 2: Ensayos de aceptación in situ

La segunda fase abarca los ensayos y la validación de estaciones base del nuevo despliegue. Ello incluye test funcionales simples, como pruebas de descarga/carga, medidas de latencia de ida y vuelta, análisis de espectro de RF «over the air» (OTA) y decodificación de señales para verificar los datos de PCI, SSB y SIB de las señales de ancla 5G y LTE.

La decodificación de las señales ayuda también a resolver parámetros específicos en caso de problemas o resultados inesperados. La gama de productos de Rohde & Schwarz brinda los instrumentos adecuados para este tipo de tareas. QualiPoc Android, un software de medida basado en un smartphone, evalúa el servicio de la red inalámbrica desde la perspectiva del usuario mediante ensayos funcionales (enlace descendente, enlace ascendente, ping/TWAMP). El analizador de espectro portátil R&S®Spectrum Rider FPH es ideal para medidas de espectro OTA, mientras que la solución R&S®5G STS permite obtener una visión de conjunto completa de la situación de la red móvil que ayuda a identificar con rapidez puntos débiles o problemáticos.

Figura 3: Entorno de fábrica inteligente e interferencias según Rohde & Schwarz.
Figura 3: Entorno de fábrica inteligente e interferencias según Rohde & Schwarz.
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Fase 3: Pruebas de cobertura y rendimiento

Aquí comienza la verificación real. El objetivo es garantizar que la red proporcione el rendimiento necesario en todo el recinto de la fábrica. Los escáneres de red R&S®TSMx6 miden la instalación completa de la fábrica para comprobar cuántos puntos de acceso a la red diferentes cuentan con una buena potencia de recepción (RSRP) y buena calidad como relación señal a interferencia más ruido (SINR) en cada ubicación. Como se ha mencionado anteriormente, es recomendable al menos una redundancia cuádruple. QualiPoc Android puede verificar la capacidad en tiempo real de la conexión combinando el perfil de tráfico simulado, medidas de latencia y calidad de transmisión en un único test de interactividad (véase figs. 4 y 5). El software de optimización en tiempo real R&S®SmartONE facilita una visualización inmediata de los resultados de medida, así como mejoras puntuales de áreas problemáticas.

Fase 4: Monitorización de la calidad de servicio

Las medidas de la fase 4 son necesarias en fábricas en las que la red inalámbrica forma parte de la infraestructura crítica, y un mal funcionamiento tendría como consecuencia grandes pérdidas de rentabilidad y productividad. Por lo tanto, el responsable de la fábrica debe estipular un contrato de nivel de servicio (SLA) claramente definido con su operador de red y estar en condiciones de verificar constantemente el cumplimiento de dicho SLA. Para ello, se distribuyen sensores de RF personalizados por toda la fábrica, así como en vehículos guiados automáticamente (AGV) y robots móviles autónomos (AMR). Estos miden de forma periódica la calidad de conexión (incluida la latencia) en cada ubicación, y notifican los resultados al centro de monitorización (SmartMonitor), donde se visualizan en un panel de control en tiempo real. Con herramientas como SmartAnalytics se pueden obtener análisis de datos fuera de línea con mayor detalle. El software utiliza el aprendizaje automático para identificar tendencias y anomalías, y alerta inmediatamente de irregularidades para que puedan adoptarse medidas preventivas antes de que llegue a fallar la instalación.

Figuras 4 y 5: Medidas del rendimiento de la red según Rohde & Schwarz.
Figuras 4 y 5: Medidas del rendimiento de la red según Rohde & Schwarz.
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Fase 5: Verificación de la compatibilidad prescrita con el mundo exterior

Al concluir la fase 4 se da por finalizado el proceso de configuración y la red pasa al estado operativo. La tarea final consiste en garantizar el cumplimiento de las condiciones de licencia para redes privadas, que especifican que las señales filtradas fuera del área de cobertura prevista deben permanecer por debajo de unos límites definidos. Esto previene interferencias con sistemas vecinos que utilicen la misma banda de frecuencias o una banda de frecuencias adyacente. Es recomendable que los responsables de las fábricas verifiquen la conformidad, lo cual pueden llevar a cabo con una solución de «walk test» como el R&S®Freerider4 o un escáner de red montado en un dron (fig. 3).

Resumen

Muchos sectores tendrán que acometer tarde o temprano la conversión de sus plantas antiguas a fábricas inteligentes. Las explotaciones con sistemas convencionales lo tendrán difícil para competir con la flexibilidad y las ventajas económicas de las fábricas de nueva generación. Uno de sus avances más destacados reside en la conectividad integral de todos los equipos con comunicaciones inalámbricas de baja latencia (5G). Si se cuenta con una asistencia óptima en materia de test y medida, configurar y operar estas redes se convierte en un proceso muy sencillo. La oferta de productos de Rohde & Schwarz brinda a operadores de redes y responsables de fábricas todo lo que necesitan para ello.

Figura 6: Software para smartphone QualiPoc de Rohde & Schwarz.
Figura 6: Software para smartphone QualiPoc de Rohde & Schwarz.
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