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.

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 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 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, 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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