Libere el potencial del IoT industrial 5G para la Industria 4.0

Autor: Sylvia Lu, Corporate Strategy, u-blox; Board member of 5G-ACIA

Al igual que nuestros hogares y nuestras ciudades, las fábricas son cada vez más inteligentes. La Industria 4.0 promete hacer la fabricación más segura, eficiente y productiva, gracias a la supervisión remota, la automatización y otras tecnologías inteligentes. Al mismo tiempo, el ecosistema 5G se está expandiendo rápidamente y ofrece una combinación versátil de tecnologías muy adecuadas para la industria inteligente.

Sin embargo, para aprovechar plenamente el potencial del 5G para el Internet Industrial de las Cosas (IIoT), en el marco de la Industria 4.0, faltan al menos dos piezas fundamentales.

En primer lugar, es necesario ofrecer una conectividad robusta y fiable para los casos de uso del IoT de nivel medio. En segundo lugar, se necesitan funciones de posicionamiento, navegación y temporización (PNT) precisas y sin fisuras en interiores.

Antes de analizar cómo la 5G IIoT puede liberar todo el potencial de la Industria 4.0, exploremos brevemente la evolución que se está produciendo en las fábricas.

La fábrica jerárquica está evolucionando

La transición a la Industria 4.0 requiere que nos replanteemos el modelo de nuestras fábricas. Hoy en día, la mayoría de las fábricas siguen un diseño jerárquico y piramidal convencional. En la cúspide está el dominio de TI, que alberga la función de planificación de recursos empresariales (ERP). Por debajo se sitúa la tecnología operativa (OT). Suele incluir un sistema de ejecución de fabricación conectado a una serie de controladores, que a su vez se conectan a distintos dispositivos de la fábrica. El dominio OT suele estar muy fragmentado. Las islas de dispositivos utilizan diferentes tecnologías y protocolos de conectividad, como Profibus, Profinet y EtherCAT. Las pasarelas separan las distintas islas. Esta configuración genera complejidad operativa e inflexibilidad.

Aunque el sistema actual funciona, el diseño segmentado obstaculiza la digitalización de las fábricas. Las fábricas del futuro pueden mejorar la productividad, la flexibilidad, la eficiencia operativa y la facilidad de uso abandonando el modelo piramidal descendente y adoptando un enfoque totalmente conectado. En este caso, los dispositivos individuales, las aplicaciones de la fábrica y los sistemas externos podrán comunicarse entre sí directamente, sin necesidad de pasarelas de comunicaciones. Uno de los principales impulsores será la tecnología 5G.

Figura 1: Las fábricas del mañana serán muy diferentes de las actuales gracias a la conectividad 5G. Fuente: Impulsar la fabricación inteligente con conectividad inalámbrica 5G, Ericsson Technology Review

5G: compatibilidad con una amplia variedad de casos de uso de conectividad IIoT

El principal punto fuerte del 5G para la IIoT es que ofrece soluciones de conectividad que se adaptan a los muchos casos de uso diferentes que se encuentran en las fábricas modernas.

Por ejemplo, los vehículos de guiado automático (AGV), como los que se utilizan para transportar componentes desde un almacén a una línea de producción, o los controladores robóticos en la línea de montaje, requieren comunicaciones ultrafiables y de baja latencia que sean altamente seguras y resistentes.

Los sensores inalámbricos industriales que supervisan una línea de producción tienen necesidades muy diferentes. La duración de la batería durante varios años, la baja complejidad y la compatibilidad con un gran número de dispositivos en un área pequeña son fundamentales. Pero las velocidades de transmisión de datos no tienen por qué ser altas.

Por otra parte, un controlador de operaciones humano, que recorre las instalaciones con un ordenador portátil o una tablet, sí necesita altas velocidades de datos y bajas latencias en el plano de usuario. La banda ancha móvil mejorada (eMBB) de 5G es perfecta para ello.

Sin embargo, hay una categoría adicional de aplicaciones IIoT con un conjunto diferente de requisitos. Es lo que denominamos «nivel medio». Se trata de casos de uso en los que son importantes el bajo coste de los dispositivos, factores de forma más pequeños y velocidades de datos moderadas. Centrémonos ahora en esta clase de dispositivos.

5G RedCap (NR-Light): La pieza que faltaba en el rompecabezas de la conectividad IIoT

Los casos de uso industrial, como las cámaras de vigilancia y los wearables, entran en este nivel intermedio de requisitos de conectividad. Las necesidades de velocidad de datos son superiores a las que pueden soportar tecnologías como NB-IoT y LTE-M1, pero una conectividad 5G-NR completa sería excesiva.

Aquí es donde 5G RedCap -también denominada NR-Light- está llamada a llenar un vacío crucial. Se sitúa en un punto óptimo para las aplicaciones IIoT de nivel medio, ofreciendo la combinación ideal en cuanto a velocidad de datos y complejidad. 5G Redcap es capaz de ofrecer velocidades de datos medias de 10 Mbps a unos 220 Mbps cuando se despliega a 20 MHz, lo que resulta perfecto para muchos de estos casos de uso, algunos de los cuales pueden estar utilizando LTE Cat 1 y Cat 4 en la actualidad.

Figura 2: 5G RedCap se sitúa perfectamente entre LTE-M1/NB-IoT y 5G-NR.

Aunque las redes LTE seguirán estando disponibles durante algunos años, es inevitable que con el tiempo veamos una transición hacia las redes autónomas 5G. Además, dependiendo de la configuración, RedCap puede alcanzar velocidades de datos pico más altas y latencias más bajas que LTE Cat 4, dando a los fabricantes de dispositivos oportunidades para mejorar sus productos y servicios. RedCap también proporciona una conexión intrínseca al núcleo 5G en la red privada, lo que beneficia a los fabricantes y operadores para los que la longevidad de la red es una preocupación.

5G RedCap ofrece, por tanto, una vía estratégica para que quienes utilizan actualmente LTE Cat 1 y LTE Cat 4 pasen a tecnologías 5G avanzadas. Consideramos inevitable que los casos de uso de IIoT que actualmente utilizan LTE Cat 1 o Cat 4 realicen la transición a 5G RedCap, a medida que comience su adopción masiva, probablemente a partir de 2026 para Europa y América.

5G: Posicionamiento y sincronización sin fisuras en interiores y exteriores

Aunque gran parte de los rumores sobre 5G se centran en la conectividad, la tecnología también ofrece funciones de posicionamiento y temporización, la segunda pieza que falta en nuestro rompecabezas.

El posicionamiento en interiores es un mercado en expansión, sobre todo en el sector manufacturero. Los casos de uso incluyen el seguimiento de herramientas, maquinaria y otros activos. Aquí se requiere una precisión submétrica, pero el consumo de energía debe ser bajo y el despliegue debe ser sencillo. Sin embargo, la adopción de la PNT en interiores ha sido lenta, debido a los elevados costes operativos y de capital asociados al despliegue de la infraestructura necesaria (ya que las señales del sistema mundial de navegación por satélite (GNSS) no pueden penetrar en los edificios). Además, el mercado se ha fragmentado, con el despliegue de diversas tecnologías y soluciones.

La 5G ofrece una solución a este problema, utilizando la infraestructura existente. Esperamos que la adopción de la 5G para el posicionamiento en interiores comience a aumentar a medida que el ecosistema de dispositivos 5G empiece a madurar. Es probable que esto coincida con el calendario más amplio de adopción de RedCap a partir de 2026.

Del mismo modo, la sincronización es importante en las fábricas inteligentes, para fines como el registro de datos y la gestión de la maquinaria. La práctica habitual es sincronizarla con la hora universal, pero el uso de señales de satélite para este fin puede ser impredecible en interiores. Hemos demostrado el uso de señales celulares 5G para lograr la precisión de submicrosegundos necesaria para muchos casos de uso industrial en interiores.

El núcleo de la Industria 4.0

A medida que nos adentramos en la segunda mitad de la década de 2020, la adopción del 5G industrial aumenta constantemente. Estamos pasando de las primeras exageraciones a soluciones prácticas y escalables, y ya se han desplegado más de mil redes privadas. El número de redes 5G industriales privadas se multiplicará por más de ocho en 2028, en comparación con el número desplegado en el primer trimestre de 2024. La trayectoria es clara: el 5G industrial está creciendo y representa un cambio en el funcionamiento de las industrias, que aprovechan el 5G para impulsar la eficiencia y la innovación.

Debido a la larga vida útil de los equipos y las infraestructuras industriales, será esencial que los diseñadores de dispositivos IIoT adopten soluciones flexibles y modulares con interfaces abiertas y arquitecturas escalables. Esto situará al 5G como la tecnología fundamental que impulse el futuro despliegue de la Industria 4.0».