mpujados por el vertiginoso des-

arrollo tecnolgico, los dispositivos

inalmbricos se estn introduciendo gra-

dualmente en los entornos industriales. Su

utilizacin, no obstante, ha sido bastante

limitada hasta ahora. En la actualidad es

posible utilizar un enlace inalmbrico 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 inalmbricos sin bateras. Hasta

ahora.

Por qu tecnologa inalmbrica

en la industria?

Los ltimos aos han sido testigos de una

revolucin en la comunicacin inalmbrica.

Los altos volmenes de produccin para el

mercado de la automatizacin domstica y

de oficinas han hecho posible soluciones de

comunicacin avanzadas a un precio incre-

blemente bajo. La industria de las telecomu-

nicaciones ha facilitado las cosas al crear es-

tndares mundiales para los enlaces inalm-

bricos, como 802.11, Bluetooth, GSM, Zig-

bee y otros, eliminando as la necesidad de

soluciones regionales especiales.

Asumiendo que las modernas soluciones

IndustrialIT para la industria requieren co-

municaciones almbricas e inalmbricas

avanzadas como importantes tecnologas de

apoyo, ABB ha seguido muy de cerca los

conceptos, las tecnologas y las empresas

42 Revista ABB 4/2002

Technology review

Christoffer Apneseth, Dacfey Dzung, Snorre Kjesbu, Guntram Scheible, Wolfgang Zimmermann

En las lneas de produccin de todos los sectores industriales se utilizan numerosos sensores yactuadores. Y todos y cada uno de estos dispositivos requieren cableados para la alimentacin deenerga y para los datos. Los cables no solo son caros de instalar, tambin constituyen una fuentehabitual de averas.

Pero la solucin ya est en marcha. ABB est comercializando un nuevo interruptor de proximidad,inalmbrico, que incorpora un mdulo de comunicaciones para la alimentacin de energa, latransmisin de seales y la comunicacin hombremquina, eliminando, por tanto, la necesidad delcableado.

E

Es de esperar que la tecnologa inalmbrica tenga un profundo impacto en las industrias de fabricacindurante los prximos cinco aos. ARC, Mayo de 2001

Introduccin de los interruptores de proximidad inalmbricos

Wireless

Revista ABB 4/2002 43

surgidas de la automatizacin de oficinas y

de la telecomunicacin. Este sector es muy

prometedor, como avala la compaa ARC,

especializada en el anlisis de empresas,

quien en mayo de 2001 declar: Es de es-

perar que la tecnologa inalmbrica tenga

un profundo impacto en las industrias de fa-

bricacin durante los prximos cinco aos.

Por qu la tecnologa inalmbrica re-

sulta tan atractiva para las aplicaciones in-

dustriales? Qu espera la industria de esta

tecnologa?

En pocas palabras, la tecnologa inalm-

brica tiene tres ventajas principales: reduce

los costes gracias a su fcil instalacin, a la

simplicidad de su diseo y a la reduccin

de los materiales necesarios; aumenta la

productividad introduciendo movilidad, fle-

xibilidad y rpido acceso a la red; y, final-

mente, hace posible nuevas aplicaciones y

servicios con valor aadido, entre ellos

clientes de porttiles y terminales de opera-

dor, faceplates, diagnsticos a distancia, etc.

Estas ventajas, inherentes a la comunica-

cin inalmbrica, encuentran plena expre-

sin en el nuevo interruptor de proximidad

inalmbrico de ABB.

Interruptores inalmbricos

de proximidad

Los interruptores de proximidad inductivos

son los sensores de posicin ms 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 construccin mecnica especial.2

44 Revista ABB 4/2002

Technology review

para el control de mquinas . Muy fia-

bles y sin contacto fsico real, informan al

controlador sobre los movimientos de una

mquina. Dado que los interruptores de

proximidad inductivos estn diseados 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 diseo

de la mquina ha sido relativamente senci-

llo, el diseo e instalacin de los cables si-

gue siendo laborioso, especialmente cuando

los cables se mueven al comps de cada

movimiento de la mquina .

Hoy en da, el diseador de mquinas

dispone de diversas soluciones tcnicas

para aumentar la fiabilidad de las conexio-

nes elctricas entre los componentes mvi-

les de la mquina, aunque la mayora de s-

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 ms extendida de

mejorar la fiabilidad de esas conexiones.

No obstante, los cables siguen siendo la

fuente principal de averas en los sensores y

de tiempos de parada de las mquinas. Por

lo tanto, la eliminacin de los cables es un

avance fundamental [1]. Y precisamente

para esto se han diseado los nuevos inte-

rruptores de proximidad inalmbricos de

ABB.

Fcil de definir,

difcil de resolver

El problema que en 1998 se present a un

grupo de investigadores de ABB era tan

sencillo de definir como difcil de resolver:

encontrar una solucin que sustituyera los

sensores de proximidad tradicionales, sin

utilizar cables ni bateras. Un duro desafo,

sin duda. No obstante, lo que hace cuatro

aos pareca ser una misin imposible

hoy ya es realidad.

Los investigadores, radicados en Nor-

uega, Alemania y Suiza, dividieron el pro-

blema en tres reas: el sistema de comuni-

cacin inalmbrica, la alimentacin inalm-

brica de energa y el sensor de baja poten-

cia.

El primero de stos, el sistema de comu-

nicacin inalmbrica, 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 tecnologa deber ser ba-

rata y consumir poca energa. Adems, los

sensores tendrn que coexistir con sistemas

que producen interferencias, como son las

redes inalmbricas de rea local WLAN y

Bluetooth, y soportar las autointerferencias

producidas por los miles de sensores in-

almbricos presentes en la planta industrial.

Claramente, todos los estndares de radio

existentes estn muy lejos de satisfacer estos

requisitos.

La alimentacin inalmbrica de energa

supuso un desafo similar, aunque ms fun-

damental. La tecnologa de bateras ha avan-

zado mucho durante los ltimos diez aos,

pero no existe ninguna batera que funcione

sin mantenimiento durante un mnimo de

diez aos, como requiere este sistema. Se

estudiaron diversas tecnologas como los

termopares, las clulas fotovoltaicas, las pi-

las de combustible, etc. La nica solucin

que se mostr viable fue el acoplamiento

inductivo, en el cual un pequeo campo

magntico que atraviesa el volumen de una

mquina se convierte en energa elctrica

para las unidades de sensores.

La tercera tarea consisti en desarrollar

la tecnologa de deteccin bsica, con nive-

les de potencia de dos rdenes de magnitud

por debajo de la tecnologa tradicional.

En el ncleo de la solucin 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 c-

lula de produccin. stas son alimentadas

por dos fuentes de alimentacin (D) que su-

ministran corriente alterna a las bobinas,

produciendo un campo magntico a travs

de la clula de produccin. Los interrupto-

res de proximidad inalmbricos (A) que hay

dentro de la clula disponen de pequeas

3

2

1

A

A

A

A

B

C

DD

E

Clula tpica en una lnea de montaje de motores con interruptores de

proximidad inalmbricos (A) agrupados en el brazo robotizado, bobinas primarias (E),

dos fuentes de alimentacin (D), dos antenas (B) y un mdulo de entrada(C).

3

Revista ABB 4/2002 45

bobinas que recogen la energa del campo

magntico y la convierten en corriente elc-

trica. Los sensores tambin disponen de pe-

queos emisoresreceptores y de electr-

nica de baja potencia que controlan el en-

lace de comunicacin inalmbrica. Los sen-

sores se comunican con un mdulo de en-

trada (C) a travs de las antenas (B) monta-

das en la clula. Este mdulo se comporta

bsicamente como un mdulo de entrada

tradicional con cables. Puede manejar si-

multneamente hasta 60 interruptores de

proximidad inalmbricos y est conectado

al sistema de control por medio de un co-

nector FieldBusPlug de bus de campo de

ABB [2]. En una misma rea pueden coexis-

tir cinco mdulos de entrada, con posibili-

dad de utilizar hasta 300 sensores en una

clula de produccin.

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 instalacin y unos procedimientos de

configuracin sencillos. El usuario puede

instalar el sistema sin necesidad de tener

profundos conocimientos de alimentacin

inalmbrica o de las tecnologas de comuni-

cacin. Los sensores se configuran fcil-

mente usando la pantalla LCD y los teclados

de membrana del mdulo de entrada. Al

mismo tiempo que rene todos los requisi-

tos propios de un sistema tradicional con

cables, la alternativa inalmbrica ofrece ven-

tajas adicionales, como son los diagnsticos

y el control automtico; este nuevo sistema

simplifica, adems, la solucin de los pro-

blemas y la sustitucin de los sensores.

Alimentacin inalmbrica de

energa

La carga o sustitucin regular de bateras no

es una opcin prctica para las aplicaciones

industriales aunque en el mundo de la elec-

trnica de consumo esto se considere acep-

table, tanto ms si existen cientos de senso-

res, que pueden estar montados en lugares

inaccesibles o en mquinas que funcionan

da y noche. Por eso se necesita un disposi-

tivo de energa autnomo [3] o una alimen-

tacin inalmbrica de energa y un sistema

electrnico con un consumo muy bajo de

energa.

En trminos generales, la energa auxiliar

puede estar:

n Incluida en el sistema: por ejemplo las

bateras, las pilas de combustible, etc.

n Tomada del entorno del sistema: luz,

calor, vibracin, activacin por el usuario,

etc.

n Transmitida al sistema: ptica, radio-

frecuencia, acstica, etc.

La definicin 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-

pus de una cuidadosa evaluacin de las

distintas opciones ofrecidas por el tercer en-

foque, se concluy que el acoplamiento

magntico es la nica solucin viable.

La alimentacin magntica

El principio bsico de una alimentacin de

energa inducida por un campo magntico

puede ser descrito por el conocido modelo

de transformador con elementos parsitos

. En nuestro caso, el bobinado principal

(B) es una gran bobina alrededor de la c-

lula (llamada volumen) y el secundario un

nmero casi ilimitado de pequeas bobinas

receptoras (C) con un ncleo de ferrita que

aumenta el flujo recogido por la bobina.

Por tanto, los elementos parsitos domi-

nan y el factor principal de acoplamiento es

la intensidad del campo magntico en el se-

cundario. Si las bobinas principales tienen

una configuracin de Helmholtz, este par-

4

A

CCC

CCCA

Alimentacin inalmbrica de energa

Una fuente de alimentacin (A) alimenta la bobina primaria (B) con corriente de 120 kHz.

Los sensores (C), situados en el circuito primario, estn equipados con bobinas

secundarias. El esquema de la derecha muestra el diagrama del circuito equivalente

con acoplamiento inductivo.

4

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 c-

lula, la intensidad del campo cumple las re-

comendaciones y normativas laborales inter-

nacionales [4].

Las prdidas, sorprendentemente peque-

as, estn determinadas fundamentalmente

por las prdidas de conduccin de la bo-

bina provocadas por las corrientes de Fou-

cault.

Alimentacin de energa de

frecuencia mediana resonante

Un transformador de este tipo funciona

mejor en rgimen de resonancia, en el cual

se compensa la gran inductancia (fugas). As

se hace posible el funcionamiento con baja

tensin o intensidad. Una fuente de alimen-

tacin de este tipo tambin debe poder su-

perar:

n Variaciones en el entorno, como las

originadas por obstculos metlicos mviles

de gran tamao, como son los robots.

n Grandes variaciones de carga, por

ejemplo si las bobinas primarias son de

tamaos distintos (valores de inductancia) o

si se dan prdidas variables, por ejemplo

por aparicin de corrientes de Foucault en

objetos metlicos prximos.

La alimentacin principal, por tanto, nece-

sita un controlador automtico, rpido y de

alta precisin, para mantener firmemente el

rgimen fijo de frecuencia de resonancia de

120 kHz.

Estructura omnidireccional

del receptor

Para alcanzar una potencia significativa en

el lado del receptor, las bobinas tambin

han de funcionar en modo resonante. Ade-

ms, para lograr una produccin constante

de energa, independientemente de la orien-

tacin respecto del vector de campo prima-

rio, se ha elegido una configuracin ortogo-

nal de tres bobinas. Esta disposicin es muy

adecuada para la produccin en serie, ya

que su puesta a punto es sencilla.

Campo giratorio

Dado que un campo unidireccional podra

resultar apantallado involuntariamente por

los objetos metlicos, se ha adoptado el

campo giratorio.

Considerando el caso ms desfavorable

de apantallamiento y una intensidad de

campo mnima, los niveles de potencia al-

canzables por la bobina secundaria depen-

den principalmente del tamao y forma de

la bobina y del ncleo de la misma. Con los

primeros prototipos se obtuvieron para el

caso ms desfavorable valores tpicos de

1 mW/cm2 para 6 A/m. Si es necesario se

pueden suministrar niveles de potencia bas-

tante ms altos, por ejemplo para actuado-

res industriales (vlvulas, pequeos disposi-

tivos).

El sistema de energa debe ser capaz de

alimentar clulas de produccin tpicas, con

un tamao de hasta 6 x 3 x 3 m2. Dado su

carcter modular, el sistema puede ser am-

pliado para dar servicio a varias clulas de

ese tipo.

Comunicaciones inalmbricas

El subsistema de comunicacin inalmbrica

transmite las seales del sensor al mdulo

de entrada, que puede ser comparado con

una estacin base en un sistema celular.

Debe satisfacer las rigurosas exigencias de

un entorno industrial, es decir, tener tiem-

pos de respuesta muy rpidos (general-

Comunicacin inalmbrica

Cada mdulo de entrada recoge datos de los sensores de su rea y los transfiere

por un bus de campo (FB) hasta el controlador de la mquina (PLC).

5

Revista ABB 4/2002 47

mente muy inferiores a 1015 ms), dar ser-

vicio a gran nmero de sensores ubicados

en una clula de varios metros de radio y

garantizar una alta integridad de la transmi-

sin de datos, incluso cuando la propaga-

cin de radio pueda verse afectada por obs-

tculos 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 electr-

nico, como los usados en los grandes

almacenes, no tienen ni alcance ni flexibili-

dad suficientes, y las WLAN o enlaces in-

almbricos de corto alcance como Blue-

tooth [5] no soportan un numero elevado

de sensores.

En consecuencia se decidi disear un

nuevo sistema, ajustado a las necesidades

del sensor inalmbrico, aprovechando al

mximo los componentes estndar 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, cientficos y mdicos). Un

avanzado mdulo de entrada diseado por

ABB garantiza que la complejidad resida en

el mdulo de entrada ms que en el sensor.

Un mdulo de este tipo puede gestionar in-

almbricamente hasta 60 sensores. Aunque

el diseo de ABB es similar en muchos as-

pectos a una estacin base WLAN, tiene va-

rias caractersticas que lo diferencian clara-

mente:

n Transmisin y recepcin simultneas de

las seales de radio; Bluetooth y WLAN no

admiten el funcionamiento full-duplex.

n Recepcin simultnea de las seales ms

potentes y ms dbiles. Una seal fuerte

puede tener una potencia un milln de

veces mayor que una seal dbil!

n Supresin de interferencias. Un sensor

puede captar un mensaje o seal muy dbil

aunque exista una potente seal de

interferencia en alguna frecuencia prxima.

n Las antenas de transmisin y recepcin

de los mdulos de entrada pueden ser

conmutadas peridicamente para disponer

de diversas trayectorias de propagacin,

haciendo frente as a los efectos de

desvanecimiento (fading) y ensombre-

cimiento (shadowing).

El hardware de comunicacin del sensor se

basa en un transmisorreceptor Bluetooth

estndar (radio) para aprovechar la econo-

ma de escala, la integracin de componen-

tes (pequeo tamao) y el bajo consumo de

energa. En particular, la antena de comuni-

cacin del mdulo transmisorreceptor

del sensor debe elegirse con sumo cuidado.

Su radiacin ha de ser omnidireccional para

lograr una transmisin uniforme, indepen-

dientemente de la orientacin del sensor

respecto de las antenas del mdulo de en-

trada.

No obstante, la optimizacin del mdulo

de entrada y del hardware de sensor no es

suficiente si no se cumplen otros requisitos

(por ejemplo la alta fiabilidad, los retardos

mnimos en los mensajes y la capacidad de

utilizacin por gran nmero de sensores).

Este problema se soluciona con un proto-

colo de comunicacin hecho a medida, que

proporciona a los sensores acceso a la emi-

sin sin interferencias mutuas, asignando a

cada sensor un canal tiempo/frecuencia es-

pecfico para sus mensajes. Los parmetros

de este esquema de transmisin de tiempo,

6

5

Electrnica del mdulo de comunicacin

Bobina receptora omnidireccional para la alimentacin de energa y antena integrada

(en primer plano) para la comunicacin por radio

6

48 Revista ABB 4/2002

Technology review

de mltiple acceso y con transmisin simul-

tnea por divisin de frecuencia (TDMA/

FDM), se escogen para satisfacer los requisi-

tos de gran nmero 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 deteccin de errores y

una retransmisin automtica 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-

trnicos de etiquetado.

Para garantizar un consumo de energa

lo ms bajo posible, el mdulo de comuni-

cacin del sensor se mantiene en hiberna-

cin hasta el instante en que el sensor cam-

bia de estado. Cuando tiene lugar un evento

en el sensor, ste restablece rpidamente el

enlace de radio por medio de una seal pi-

loto desde el mdulo de entrada, antes de

transmitir el mensaje. Normalmente, este

restablecimiento tarda 2 ms, llegando a

1015 ms en el caso ms desfavorable,

cuando se ha de transmitir varias veces el

mensaje. Con fines de diagnstico del sis-

tema, los sensores tambin transmiten dos

veces por segundo el mensaje Estoy ac-

tivo.

Deteccin de baja potencia

Los sensores de proximidad estn entre los

sensores ms fundamentales y utilizados en

las mquinas de produccin 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 metlico, el oscilador experimenta

una desintonizacin. En la forma de onda

oscilante se detecta el cambio y se produce

la correspondiente seal del sensor.

El consumo de energa del sensor in-

almbrico debe mantenerse lo ms bajo po-

sible. Esto se puede conseguir mediante una

electrnica de consumo ultrabajo o redu-

ciendo los ciclos de funcionamiento de la

deteccin; en lugar de medir de forma con-

tinua, el sensor se enciende, toma una me-

dida y a continuacin se apaga por un

tiempo prolongado. Despus de investigar

estas dos posibles soluciones, se decidi

usar un cabezal de sensor disponible co-

mercialmente con una electrnica de bajo

consumo y adaptarlo adecuadamente.

Camino del mercado

En la Feria de Hannover 2002 (Alemania),

ABB hizo una demostracin en directo de la

primera preproduccin de interruptores de

proximidad inalmbricos , que desperta-

ron gran inters. Tanto los constructores de

maquinaria como los usuarios finales pudie-

ron ver por s mismos las ventajas de insta-

7

Interruptores de proximidad inalmbricos en un brazo robotizado. Demostracin en la Feria de Hannover 2002.7

Revista ABB 4/2002 49

larlos en los equipos de montaje, en las l-

neas de produccin y en las aplicaciones de

robots.

Durante el segundo trimestre de 2003

asistiremos al inicio de su comercializacin.

El primer programa se compone de inte-

rruptores de proximidad inalmbricos, un

equipo de alimentacin de energa, la bo-

bina primaria, una antena de radio y un m-

dulo de entrada, el cual se comunica con el

controlador de la mquina por medio de un

conector FieldBusPlug de bus de campo de

ABB.

Los interruptores de proximidad inalm-

bricos tienen dos partes principales : el

mdulo de comunicacin y un cabezal sen-

sor. De la alimentacin de energa, de la

transmisin de seales y de la comunica-

cin hombre-mquina se encarga un nico

tipo de mdulo de comunicacin. Para

cubrir distancias de conmutacin desde

1,5 mm hasta 15 mm existen cabezales sen-

sores con tamaos M8x1, M12x1, M18x1 y

M30 x 1.5, de tipo empotrado o de superfi-

cie.

Libertad para el futuro

Con la introduccin de los interruptores in-

almbricos de proximidad, ABB ha dado un

importante paso hacia la automatizacin in-

almbrica. Han quedado resueltos con xito

los retos ms importantes de la distribucin

de energa y de la fiabilidad y retardo de la

comunicacin.

El sistema que hemos descrito en este

artculo est concebido para los interrupto-

res de proximidad inalmbricos, pero la tec-

nologa podra aplicarse fcilmente a otros

sensores y actuadores. La alimentacin de

energa en general y la tecnologa de comu-

nicaciones podran 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 Researchchristoffer.apneseth@no.abb.comsnorre.kjesbu@no.abb.comdacfey.dzung@ch.abb.comguntram.scheible@de.abb.com

Wolfgang Zimmermann ABB STOTZ-KONTAKT GmbHwolfgang.zimmermann@de.abb.com

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, 3034.

[3] G. Scheible: Wireless energy autonomous systems: Industrial use? Sensoren und Messysteme VDE/IEEE Conference, Ludwigsburg, Germany,

March 1112 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, 494522, 1998.

[5] J. Endresen, et al: BluetoothTM , transmisin va de corto alcance con mltiples aplicaciones. Revista ABB 2/2001, 3543.

El interruptor de proximidad inalmbrico tiene dos partes: el mdulo de comunicacin

(gris) con interruptor de lminas y LED, y el cabezal sensor cilndrico (plateado).

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