Instrumentacin sin hilos

Sección Española
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INSTRUMENTACIÓN SIN HILOS
GEORGE MITCHELL
Director Técnico
Optomation Systems
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RESUMEN
Mientras que el sueño de substitución de todos los cables de instrumentación con tecnología inalámbrica,
es bastante lejano, existen muchas situaciones donde una solución “wireless” es atractiva y hasta
preferible para una aplicación industrial.
Este articulo revela las tendencias actuales en conexión inalámbrica que se pueden encontrar en el
mercado de instrumentación y el control de procesos. Se presenta los estándares y métodos comunes,
evaluando ventajas y desventajas de los mismos. Finalmente se comenta sobre las tendencias futuras y la
necesidad de preparación para los profesionales de la industria.
1. PRÓLOGO
Si en 1899 alguien le hubiera dicho a un ingeniero que en 1999, cien años después, se transmitirían imágenes en
movimiento a los hogares de todo el mundo desde satélites... que cada hora alzarían el vuelo millones de
personas en aparatos capaces de despegar y aterrizar sin intervención humana... que la gente llevaría encima
teléfonos de un peso no mayor a unas cuantos decenas de gramos y se comunicaría sin hilos con cualquier lugar
del mundo. Si alguien hubiera dicho entonces todo esto, el ingeniero sin duda lo habría tachado de loco.
La mayoría de estos avances no podían predecirse en 1899, porque la teoría científica imperante los consideraba
imposibles, tales como los aviones –la envergadura de su posterior uso hubiera escapado a las previsiones de
cualquiera. Podía imaginarse un avión, pero la presencia simultanea de diez mil aviones en el aire era algo
inconcebible.
Así pues podemos afirmar con rigor, poco más de cien años más tarde, ni siquiera los ingenieros mejor
informados, tenían la más vaga idea de lo que se avecinaba.
Reproducido del libro “Timeline” de Michael Crichton
2. ¿QUE SE ENTIENDE POR ENLACE “WIRELESS”?
El termino “Wireless”, en castellano “Inalámbrico”, se refiere a la tecnología de telecomunicaciones donde se
utilizan ondas de radio, infrarrojos, microondas o similares, en lugar de cables o hilos, para llevar una señal y
conectar dispositivos de comunicación. Como ejemplo, podemos destacar buscapersonas, teléfonos celulares,
PC portátiles, redes de ordenadores, localización GPS, sistemas de satélites y PDA’s. La tecnología inalámbrica
está evolucionando rápidamente y su importancia está aumentando en la vida cotidiana en todo el mundo.
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3. LOS INICIOS DE LA TRANSMISIÓN INALÁMBRICA
La transmisión inalámbrica empezó con la radiotelegrafia y código Morse al inicio del siglo XX. La adición de
información a la señal de base, o modulación, permitió la transmisión de voz o música con el aparato conocido
entonces con el término wireless y, más tarde, la radio. Con la incorporación de la televisión, el fax, etc. se
amplió el rango de frecuencias en uso, la palabra “wireless” se ha vuelto a poner de moda.
Las posibilidades de transmisión inalámbrica se ampliaron con la técnica de modulación de la frecuencia de la
señal. Luego, dividiendo la banda en diferentes canales, cada uno de una banda predefinida. Hoy en día una
transmisión en una banda puede llevar hasta 30 canales distintos, cada uno llevando datos a 10 Mbps
simultáneamente.
4. PROBLEMA #1: EVITANDO LAS INTERFERENCIAS
El problema principal de la transmisión de datos por señal de radio es el de las interferencias. Dado que la
mayoría de las frecuencias de transmisión están reservadas, las que quedan libres para redes sin licencia son
habitualmente las que nadie quiere comercialmente. Por citar ejemplos, la banda de 2.4GHz es susceptible a
interferencias de aparatos microondas, árboles, nieve o agua, mientras la banda de 900MHz es susceptible a
interferencias de equipos médicos, teléfonos, altavoces, etc. Las redes sin licencia no pueden transmitir con la
misma potencia que las de licencia y las señales de alta potencia como la de televisión puede dejar una
frecuencia sin licencia inoperativa.
Existe una técnica básica para mejorar la fiabilidad de transmisión por radio, creando inmunidad a las
interferencias en la misma banda y mejorando la calidad sobre distancias. Conocida como “Spread Spectrum”
tiene su origen en la segunda guerra mundial, donde se inventó como método de protección de la señal de radio
para uso militar. Consiste en cambiar la frecuencia de transmisión en periodos predefinidos, más rápido de lo
que un receptor necesite para resintonizarla. Sólo un receptor especial, que conozca de antemano la secuencia
de saltos puede seguir la transmisión. Hoy en día se emplea la técnica FHSS (Frequency Hopping Spread
Spectrum) con algoritmos complejos para eludir interferencias o señales de bloqueo. Para transmisión de datos,
una técnica complementaria, DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), no salta entre frecuencias, pero pasa
por una función de distribución entre las mismas, concentrando la señal requerida y, al mismo tiempo, diluyendo
y filtrando las señales de interferencia.
5. CLASIFICACIÓN DE REDES INÁLAMBRICAS
WPAN: Red inalámbrica personal de ámbito local. Las tecnologías empleado para WPAN son Infrarrojos (IR)
y Bluetooth (IEEE 802.15). Permiten una conexión temporal para la transferencia de datos limitados entre
dispositivos de tipo personal. Requiere “punto visto” y una distancia máxima de 10 metros entre dispositivos.
Como ejemplo de aplicaciones en el entorno industrial podemos destacar la descarga local de datos históricos o
la configuración de equipos desde un terminal portátil o interfaz de pruebas.
WLAN: Red inalámbrica de ámbito local. Permite comunicar entre sí a varios equipos en un área local
reducida, a través una conexión inalámbrica. No es obligatorio el uso de un punto de acceso, aunque para
conectar a la red principal o Internet sí será necesario. Ejemplos de aplicación en el entorno industrial lo
constituyen la conexión de procesadores E/S a PLC’s, adquisición de sensores inalámbricos y conexión de
portátiles.
WMAN: Red inalámbrica de ámbito urbano. Permite la conexión entre edificios, zonas de negocio como
alternativa al cableado de fibra óptica. Las zonas con cobertura se conocen como zonas WI-FI o “hotspots”
(zonas calientes), permitiendo conexión a Internet, voz sobre IP, suministro de servicios etc. En este ámbito son
los servicios de UMTS y 3G que actualmente están siendo introducidos en las principales ciudades de España.
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Su aplicación en el entorno industrial incluye la conexión a servicios de infraestructuras, distribución de gas, luz
y agua, señalización para trafico.
WWAN: Red inalámbrica de ámbito extendido, como ciudades o países, vía múltiples satélites, o antenas
gestionada por ISP’s. Controladas en España por los teleoperadores, empresas de televisión por satélite y la red
VSAT y conocidas como 2G. Aplicaciones de esta tecnología en el entorno industrial incluye: gestión de flotas,
recogida de datos de centros de producción, cadenas de distribución o conexión de instalaciones remotas.
Distancia
metros
0-10
0-100
0-10000
típica
en Tipo de Red
WPAN
WLAN
WWAN
6. LA IMPORTANCIA DE IEEE 802.11
La mayoría de la compatibilidad para comunicación inalámbrica esta basada en la estandarización IEEE
desarrollada a principios de los 90. Aunque en revisión constante debido a los avances en la tecnología, está
aceptada como la guía de compatibilidad para comunicación inalámbrica.
802.11 define los estándares de comunicación sobre la banda más habitual, 2.4GHz, ofreciendo
velocidades de 1 a 2 Mbps, y la funcionalidad de FHSS y DSSS.
802.11a define los estándares y normativa de multiplexación de comunicaciones inalámbricas para
conseguir velocidades de hasta 54Mbps y trabajando en la banda de 5GHz.
802.11b define los estándares asociados con WI-FI empleando DSSS aplicado a redes inalámbricas.
802.11b es el estándar para uso privado, ofreciendo una velocidad de transmisión de 11Mbps y permite
la integración a 5,5, 2 y 1 Mbps.
802.11g define los estándares de comunicación inalámbrica para WLAN’s a velocidades superiores a
20 Mbps utilizando la banda 2.4GHz.
Aunque ya en operación, todavía bajo definición de interoperabilidad están:
802.11n para comunicación a una velocidad de 108Mbps, sobre WLANS
802.11i para crear nuevos estándares de seguridad de datos para transmisión inalámbrica
802.11e para crear los estándares de comunicación con determinismo.
802.16 conocido como WiMAX ofreciendo una velocidad de 70 Mbps sobre distancias de 50Km.
7. SEGURIDAD EN LA TRANSMISIÓN DE DATOS
Los datos que viajan sobre ondas de radio en el aire pueden ser fácilmente captados y hasta manipulados por
terceros. Los dispositivos móviles pueden ser robados, mal utilizados y representan un riesgo de seguridad para
cualquier aplicación. Los puntos de acceso inalámbricos pueden permitir acceso no autorizado a la red
corporativa. Con el uso de tecnología no propietaria, como 802.11, la funcionalidad de encriptación de datos,
protocolos de autenticación de servidores, cortafuegos y redes privadas virtuales son cada vez más importante.
A continuación se describe algunos conceptos básicos asociados con la seguridad inalámbrica:
WEP para evitar que las señales de radiofrecuencia puedan ser interceptadas por usuarios no
autorizados. Depende de la configuración de claves en todos los equipos que quieran comunicar en red
inalámbrica y emplea el algoritmo de encriptación RC4.
SSID (Service Set Identifier) ofrece claves para la segregación de una red WLAN en subredes y
combinada con la configuración de los puntos de acceso, permite o bloquea las conexiones.
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Filtración MAC (Media Access Code) emulando la funcionalidad ofrecida por Ethernet TCP/IP, cada
transacción viene etiquetada con un identificador único del dispositivo inalámbrico y filtrada en los
puntos de acceso.
8. LA EVOLUCIÓN DE LAS COMUNICACIONES EN LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL
Desde los 60 hasta los 80 la industria de instrumentación industrial se movió desde los transmisores neumáticos
a los transmisores electrónicos con cableado eléctrico. Mantenían la filosofía de la representación de una
medición analógica, escalas eléctricas (0-10V, 10-50mV, 0-20mA, 4-20mA) por lo que fueron aceptados como
“substitutos” de la instrumentación neumática. Gracias a esta estandardización se establecieron las grandes
marcas de instrumentación de la época como Honeywell, Rosemount, Foxboro y Bailey.
El próximo paso fue la conversión de la representación de la señal 4-20mA en un protocolo digital. Cada
empresa presentó su “estándar” y, con sueños de grandeza, asumió que debería proclamarse el estándar “por
defecto”. El premio por crear el estándar de comunicaciones para la industria fue quizás demasiado grande para
ser compartido.
El estándar de Honeywell aprovechó el cableado actual de las plantas para introducir un protocolo “baseband”,
alternando entre los 0 y 24V de la alimentación para la representar 1s y 0s y ofreciendo una velocidad
relativamente alta. Entre las ventajas de este método se incluye una señal sin interferencias, posibilidad de
diagnósticos adicionales y hasta calibración remota. Pero, por una sencilla razón, tuvo poco éxito. Los
ingenieros de proceso, control e instrumentación querían más, pero sin perder la fiabilidad de la medida
analógica existente.
Rosemount supo como explotar esta desconfianza e introdujo HART, técnicamente inferior, limitada a 1200
baudios (hasta hoy) pero con una sola ventaja aplastante: en modo simple, el protocolo HART, basado en
modulación, opera sin perder la señal 4-20mA convencional. El concepto de multidrop, donde desaparece la
señal analógica, quedándose solamente con el protocolo digital, se promocionó como “ampliación futura”, algo
que nunca llegó.
Salvo Fuji, (introducción de transmisores con comunicación sobre fibra óptica en 1985), el resto de la industria
se mantuvo en jaque. Pasarán casi 20 años hasta “La Guerra de los Fieldbuses”. Contemplando hoy la
aceptación de comunicación inalámbrica entre instrumentación, sistemas de control y gestión, sería quizás
interesante reflexionar en lo que no ha cambiado en nuestra industria en los últimos 40 años:
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Mientras el mundo de la informática acepta y hasta empuja la tecnología actual hacia nuevos límites, el
mercado de instrumentación y control industrial es muy poco receptivo a cualquier cambio a su
tecnología actual.
Aunque esperamos y hasta aceptamos los fallos informáticos a todos los niveles, es inadmisible un fallo
de monitorización, seguridad o el control en procesos industriales.
Los ingenieros de control e instrumentación generalmente tienen una actitud conservadora ante la
tecnología.
Cualquier cambio de tecnología debería ser limitado al máximo, preferiblemente con pasos pequeños.
No existe un líder capaz de definir la tecnología, dirigiendo la industria hacia sí mismo.
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9. ¿DÓNDE ES PREFERIBLE UNA SOLUCIÓN INALÁMBRICA?
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Donde existen dificultades al tirar cable de instrumentación, habitualmente por tener que cruzar
carreteras, caminos públicos, ríos, terrenos de terceros, etc.
Si la instalación de bandejas, soportes y cable significa una parada de producción inaceptable.
Si las condiciones del entorno industrial son extremas: agua, calor, corrosivo, químico, etc., afectando
al cableado convencional, o incrementando costes para una protección adecuada.
Donde la instalación está considerada como temporal, donde los equipos y unidades de producción son
movibles o instalaciones en almacenes, terminales de carga, etc. que presentan dificultades para la
instalación de cableado. También donde el tiempo de instalación es un factor importante.
Donde existen muchas señales de instrumentación de monitorización, ampliamente distribuida
significando tiradas de cables individuales muy largas, ejemplos típicos son temperaturas, vibraciones,
traps de vapor, etc.
Donde existe la necesidad de conectar un terminal, PDA, etc. al instrumento para la descarga de valores
históricos, ajuste de parámetros, calibración, etc.
10. DÓNDE NO SE RECOMIENDA UNA SOLUCIÓN INALÁMBRICA
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Donde la falta de información o control, por fallo del enlace de comunicación dejaría el proceso en un
estado inestable o no controlable.
Donde el coste de la instrumentación supera ampliamente la misma solución con instrumentación
convencional 4-20mA y el cableado correspondiente.
Donde existe la posibilidad de llevar los cables de instrumentación por el mismo camino que el
cableado de alimentación. La eliminación de cableado por completo no es una opción, si hay que
alimentar el instrumento.
11. BLUETOOTH
Bluetooth es una red inalámbrica basada en una comunicación serie, que permite una comunicación sencilla
entre un máximo de ocho dispositivos, típicamente PDA’s, ordenadores, teléfonos, teclados etc. Inventada por
Ericsson en 1994 y operando en la banda 2.4GHz, ha sido adoptada por Intel, IBM, Nokia y Toshiba quienes
promocionan la tecnología.
Aunque con una velocidad muy inferior a IEEE 802.11b, Bluetooth goza de buena popularidad, principalmente
por la potencia de marketing de los fabricantes de teléfonos móviles. Factores interesantes para aplicaciones
industriales son su precio, facilidad de integración, un alto nivel de seguridad y su consumo mínimo de baterías.
El lado negativo es la limitación de su comunicación a 10m (clase1) para dispositivos sin alimentación externa,
aunque es posible llegar mas lejos, con clase2 (25m) y con clase3 (100m). Se está incorporando Bluetooth en
medidores, contadores e interfaces de programación. También en equipos rotatorios como alternativa a contacto
por anillo.
Los críticos consideran que Bluetooth, tarde o temprano, siempre termina conectándose a 802.11b para su
acceso a la red informática y servidores. Por lo tanto representa otra capa innecesaria en la extensión de
Ethernet hacia el entorno industrial.
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12. GSM Y GPRS
Sin duda la aplicación mas extendido y espectacular de la comunicación inalámbrica es la red telefónica GSM
(Global System for Mobile Communications). Hasta hace poco el teléfono móvil solamente servía para hacer
llamadas de voz. Quizás se está olvidado que el teléfono es básicamente una radio trabajando en la banda
900MHz o 1800MHz (en Europa).
Aunque la estructura de comunicaciones GSM está más orientada a la conversión y transmisión de voz, los
módems GSM ofrecen comunicaciones de datos, con una conexión punto a punto con cualquier equipo dotado
con el protocolo PPP. Creando una conexión virtual entre el equipo remoto y una red Ethernet TCP/IP
convencional, permite la transferencia de datos en tiempo real, alarmas y archivos. ¡Curiosamente similar a los
requerimientos de instrumentación industrial!
Aunque la velocidad de datos está limitada a 9600Baud, existen técnicas como HSCSD para aumentar esta
velocidad. Fieles al eslogan “Spain Is Different”, los operadores en España tienen bloqueado el uso de HSCSD,
“orientando” el usuario hacia GPRS. (General Packet Radio Service).
Para hacer una llamada móvil, una conexión se crea abriendo y reservando un canal en la red GSM. Con GPRS
se diferencia entre una conexión abierta y su uso para la transferir de datos en paquetes. En realidad un canal
esta compartido entre muchas usuarios. En las conexiones GPRS se factura por volumen de datos y no por
tiempo de la llamada, una vez establecida la conexión GPRS, se puede asignar una dirección IP a la sesión,
permitiendo comunicación TCP/IP y la conexión estará siempre en línea esperando la transmisión de datos.
GPRS es notablemente más rápido que GSM, en teoría ofreciendo velocidades hasta 171.2Kbps. En la práctica
los “slots” asignados a una comunicación (Clase 2, 8 ó 10) controlan la velocidad, limitada por el terminal,
operador, política, tarifa, tráfico (¡incluyendo la hora punta!) reduciendo la velocidad típica a 28.8Kbps.
Considerando que HART emplea 1200 baudios y hasta Fieldbus Foundation emplea 38.4Kbps para su bus de
control, la velocidad actual de GPRS es más que suficiente para comunicación con uno o varios instrumentos
agrupados en una red inalámbrica local. Si el concepto de comunicación GPRS como substituto del cableado
convencional para la conexión de instrumentación le resulta inconcebible, vuelva a leer el prologo de este
articulo.
Con la incorporación de 3GSM y EDGE, el mundo de las comunicaciones sin hilos recibirá un nuevo impulso.
La pretensión de enviar imágenes en tiempo real requiere el aumento de la velocidad de transmisión y del
volumen de datos transmitidos, nuevas fronteras que pueden revolucionar los estándares en el control de
procesos industriales.
13. ACCESO A GPRS
Aunque previsiblemente diferente en el futuro, en la actualidad el acceso a servicios GPRS requiere:
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Un teléfono o terminal que soporte GPRS (los aparatos GSM normales no sirven)
Una suscripción a un operador de GPRS. Los 3 principales en España ofrecen GPRS.
Una cuenta activa con un contracto de servicio. El aparato tiene que estar homologado para su uso en
la red del operador, y los detalles técnicos del modelo son necesarios para que el terminal GPRS
establezca una sesión con el servidor de acceso.
Un destino para el envió o recepción de información. Mientras un SMS típicamente se envía a otro
terminal, bajo GPRS, el destino más probable es otro ordenador, una dirección IP en Internet, un nodo
Intranet o directamente a una aplicación en la red.
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14. NVIO ENTRADAS / SALIDAS POR RED VIRTUAL
NVIOTM, ofrecido por Opto22, es un producto que representa la dirección futura de integración inalámbrica.
NVIO permite integrar 4 señales analógicas de transmisores convencionales, 8 señales digitales y un puerto de
comunicación serie, en una placa base con el terminal GPRS incorporado.
Todo el procesamiento, comunicaciones, enclavamientos locales y hasta el control simple se gestionan en el
mismo terminal GPRS, que actualmente comunica por la red pública de un operador. Desaparece el autómata,
interfaz de comunicación, módem y hasta un RTU o ordenador local. En caso de fallo en una red GPRS, el
terminal GPRS busca un operador alternativo, o hasta decide activar un estado de seguridad local.
El cliente tiene acceso a sus datos en un portal web ubicado en Internet, bajo acceso seguro. A través de éste
portal, el cliente puede configurar las variables, el acceso a ellas, activar salidas, gestionar un registro histórico y
hasta enlazar los datos con aplicaciones en su Intranet.
El producto no es simplemente hardware. Es la combinación del hardware necesario, el portal web en Internet,
su mantenimiento 24/7, el contrato de GPRS, comunicaciones y los servicios asociados; todo incluido en un
contrato mensual de leasing a un coste fijo. En otras palabras, la responsabilidad de instalación, integración,
conexión, comunicaciones y mantenimiento se subcontrata en una operación de “Outsourcing”. El usuario final
solamente paga por la disponibilidad de sus datos industriales en cualquier sitio del mundo.
15. ¿ESTAMOS PREPARADOS?
El desafío para cualquier profesional está en saber cuándo debe saltar a una nueva tecnología y cuándo es mejor
simplemente esperar y observar. Para cualquier cosa que compromete cambiar nuestras vidas, el trabajo o los
negocios, es necesario preguntar si realmente ya es el momento. La tecnología inalámbrica ya presenta este
dilema.
Las conexiones inalámbricas están aquí y es imposible ignorarlas. Aunque los principales fabricantes no están
ofreciendo una conexión “wireless” para cada transmisor todavía, las posibilidades y beneficios de integración y
transmisión vía IEEE 802.11, Spread-Spectrum y GPRS son muy válidos en muchas instalaciones industriales.
Las unidades base inalámbricas para la medición de presión, temperatura, vibración, proximidad, contacto y
presencia ya están en el mercado. Para proyectos menos ambiciosos, convertidores 4-20mA, concentradores,
repetidores y RTU’s “wireless” ofrecen un nivel de integración con redes convencionales, autómatas y sistemas
de control existentes.
La tecnología inalámbrica presenta para los responsables de instrumentación, ingeniería y proyectos de control,
una serie de desafíos de diseño, desarrollo y soporte. Las instalaciones necesitarán nuevos servidores,
aplicaciones “middleware”, y diagnósticos. Serán necesarios nuevos procedimientos de soporte y gestión para
dispositivos que pueden estar literalmente, en cualquier sitio.
La introducción de tecnología inalámbrica en el entorno industrial es simplemente otro paso más en la fusión
entre la tecnología informática y la automatización industrial. Con la optimización de la infraestructura humana,
el ingeniero que no sepa cómo diagnosticar y solucionar problemas de comunicaciones quedará tan obsoleto
como el especialista neumático. ¡Ya no vale timbrar el cable!
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16. ¿QUIÉN PUEDE AYUDAR?
Aunque los clientes intentan reducir sus costes fijos, en general aceptan un coste más alto para la contratación
puntual de especialistas, que no pueden mantener en plantilla.
Los fabricantes ya no ofrecen una solución basada en su propio hardware-software y comunicaciones
propietarias, porque no resulta rentable y los tiempos a mercado son demasiado largos. Sin embargo se ven
obligados a ofrecer servicios de soporte para productos de terceros, aunque esto vaya en contra de su modelo de
negocio.
Mientras que el fenómeno “Downsizing” reduce las plantillas de los suministradores clásicos, también está
creando empresas tipo satélite. Los especialistas verán cada vez más la posibilidad de vender sus conocimientos
y experiencia a múltiples empresas, mientras profundiza en la parte tecnológica y soluciones que requieren
productos de varios fabricantes. Podemos decir que estamos viendo el nacimiento del integrador tecnológico.
Existen cientos de fabricantes, empresas de telecomunicación, proveedores de servicios etc. para soluciones
inalámbricas. Cada solución va a necesitar elementos de cada categoría. Dado la complejidad de diseño,
desarrollo y implementación de soluciones inalámbricas, la mayoría de empresas empiezan contratando los
servicios de un integrador que no solamente tendrá que aportar la experiencia necesaria, sino también entender
sus ramificaciones en la monitorización y control industrial.
17. CONCLUSIONES
Aunque no recomendable para lazos de control crítico, existen muchas situaciones donde el uso de la tecnología
inalámbrica, ofrece ventajas sobre comunicación convencional.
Empotrar una opción de conexión inalámbrica al transmisor, resultará en un incremento substancial del precio y
solamente se justifica si el instrumento no requiere una alimentación externa. Los requerimientos actuales de la
electrónica utilizada siguen constituyendo una limitación importante para su conectividad inalámbrica.
El uso de concentradores locales, permite la conexión de instrumentación convencional a un coste menor y su
integración inalámbrica vía redes WLAN o GPRS hacia los sistemas y redes actualmente instalados.
Existe la necesidad de “reciclaje” para los ingenieros y técnicos, con una falta notable de especialistas en la
industria de instrumentación y control.
La conectividad inalámbrica es una realidad, representa la tecnología punta y no va a desaparecer en el futuro.
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