Sensores inalámbricos con transmisores de vibración

Para equipos menos críticos (las denominadas máquinas de balance de planta), como las bombas centrífugas y los compresores, el argumento comercial para instalar un sistema de monitoreo de las condiciones de este tipo es menos evidente, o incluso indefendible.  Sin embargo, el que estas máquinas se encuentren fuera de servicio, en algunos casos, es igual de importante para el funcionamiento seguro y confiable de una planta.  Por lo tanto, existe, aún así, la necesidad de monitorear las condiciones de las máquinas de balance de planta de manera económica.

Como solución, se ha propuesto el uso de sensores de vibración inalámbricos por más de una década. Sin embargo, muchas implementaciones en el ámbito comercial han tenido resultados contradictorios por varias razones. TE Connectivity, no obstante, considera que la tecnología y las fuerzas del mercado han convergido lo suficiente como para introducir un sensor inalámbrico de este tipo. 

En nuestra opinión, existen al menos cuatro factores que dan forma a este nicho de mercado:

• Factor 1: Creciente demanda de datos, a un precio económico, por parte de los operadores de las plantas
• Factor 2: La electrificación continua ha mejorado el rendimiento de la batería de una manera drástica
• Factor 3: El auge del Internet de las cosas (IoT) ha mejorado el rendimiento de la radio digital
• Factor 4: La computación en el borde en los dispositivos IoT mejora aún más las comunicaciones inalámbricas

A medida que el camino hacia la digitalización continúa sin cesar, algo que queda claro es que la demanda de datos nunca se satisface y que el suministro de estos datos debe hacerse de manera económica.  Lo mismo pasa con el monitoreo de las condiciones de los equipos de la planta. 

Los sensores inalámbricos requieren que las baterías funcionen como es debido, por supuesto. El factor más importante en el éxito o el fracaso de los sensores inalámbricos es el rendimiento de la batería. Tener que reemplazar con frecuencia las baterías descargadas le resta al argumento comercial económico para usar sensores inalámbricos, esto sin mencionar la pérdida de datos cuando el sensor carece de electricidad.

El conectar dispositivos a Internet para controlarlos y administrarlos
de forma remota ha impulsado en gran medida las mejoras en las comunicaciones de radio digitales, tanto en los componentes de la radio como en los protocolos de comunicación. Con el auge de los teléfonos inteligentes y las tabletas y los PC que están siempre conectados, los costos de los componentes de la radio no han dejado de bajar. Con los requisitos de movilidad, ha surgido la necesidad de chipsets de ultrabaja potencia para prolongar la duración de la batería. Solo el volumen de datos que todos estos dispositivos generan requiere un uso eficaz y económico del ancho de banda inalámbrico.

Los métodos de radiocomunicación LoRaWAN^TM y Bluetooth Low Energy (BLE) se han convertido en los más prometedores de las redes de área amplia y menor potencia (LPWAN) disponibles. 

Ventajas de LoRaWAN^TM :

• Espectro radioeléctrico sin licencia en sub-gigahercios
• Potencia ultrabaja para prolongar la duración de la batería
• Largo alcance entre el sensor y la pasarela (5 km o más, según las condiciones locales)
• Implementación flexible y penetración profunda en entornos mixtos
• Envío de datos de forma asíncrona, en caso de ser necesario, lo cual prolonga aún más la duración de la batería.

Ventajas del BLE:

• Espectro radioeléctrico global de 2.4 GHz sin licencia
• Potencia ultrabaja para prolongar la duración de la batería
• Facilidad en la comunicación debido al gran número de pasarelas, teléfonos inteligentes y tabletas
• Mayor ancho de banda para hacer posible la transferencia de datos sin procesar para llevar a cabo análisis
• Envío de datos en modo de transmisión, lo que facilita la conexión y prolonga aún más la duración de la batería.

Hace muchos años, Gordon Moore predijo que el rendimiento en los dispositivos digitales se duplicaría aproximadamente cada 18 meses (lo que se conoce como la Ley de Moore). Esta predicción se ha cumplido en mayor parte, al punto de que ahora cuentas con una tremenda potencia de cálculo en la palma de tu mano, o en tu dispositivo ponible (p. ej., un reloj inteligente). Esto ha dado lugar a la computación en el borde, es decir, la capacidad de procesar datos en o cerca del extremo (el borde) de la red, en lugar de enviar esos datos primarios hasta una estación central para ser procesados.

Para un sensor de vibraciones inalámbrico, una aplicación quizás evidente de la computación en el borde es calcular la transformación rápida de Fourier (FFT) de una forma de onda de vibración muestreada en el propio sensor. En un sistema convencional, la forma de onda de vibración sin procesar se envía a la estación central (como una señal analógica) donde se calcula el FFT. Con la computación en el borde, el FFT se puede calcular en el sensor y los datos procesados se pueden enviar de vuelta. En lugar de enviar señales de vibración sin procesar, se reduce la sobrecarga del ancho de banda y el consumo de la batería. Pero este es solo un simple ejemplo. Con el tiempo, se podrían realizar muchas más operaciones de cálculo en el sensor. Dados los algoritmos apropiados, el sensor podría aprender sobre la máquina en la que está instalado: cuándo está funcionando bien y cuándo no.  Las condiciones están dadas para un sensor de vibración del monitoreo de las condiciones inteligente.