El futuro de la automatización industrial pasa por los verdaderos controladores de borde (edge controllers), que combinan la funcionalidad de los controladores lógicos programables/controladores de automatización programables (PLC/PAC) con la informática para ofrecer un análisis con capacidad de respuesta y una reacción en tiempo real a la información.

Los usuarios y diseñadores de automatización industrial han experimentado un gran interés por el término «edge». 

A menudo se considera que las tecnologías de borde incluyen el hardware y el software situados cerca de las máquinas y los sensores de donde proceden los datos. 

Pueden realizar alguna tarea de cálculo o incluso de optimización del control, también transmitir datos a sistemas de nivel superior y basados en la nube. 

Acceder a la creciente cantidad de datos disponibles y actuar sobre la información resultante es necesario y valioso para mejorar las operaciones. 

Los dispositivos de borde que combinan la funcionalidad de los controladores lógicos programables (PLC) y los controladores de automatización programables (PAC) proporcionan estas funciones.

Desde un punto de vista de alto nivel, puede parecer que hay muchas opciones satisfactorias para realizar este tipo de tareas. 

Sin embargo, conseguir una robustez de nivel industrial y ofrecer al mismo tiempo capacidades de cálculo avanzadas es un reto importante, que reduce la gama de opciones. 

Esta necesidad no consiste únicamente en permitir un flujo de datos racionalizado hacia la nube. También implica un flujo descendente de la tecnología de la información (TI) y la capacidad de cálculo hacia el espacio de la tecnología operativa (OT) donde se realiza el control, y la capacidad de generar resultados analíticos en el borde.

Pensemos en un coche moderno, que utiliza hardware y software de automatización en toda su extensión. 

Los conductores necesitan que los sistemas de gestión del tren motriz sean fiables, mientras que los sistemas secundarios, como la navegación en el tablero, se consideran importantes, pero menos críticos, y es más probable que necesiten actualizaciones.

¿Es posible un modelo comparable para las aplicaciones de automatización industrial, que combine el control de la fiabilidad con la capacidad de realizar cálculos avanzados de apoyo ? 

Cualquier diseño construido sobre tecnologías o implementaciones inadecuadamente industrializadas puede comprometer la fiabilidad, por lo que existen importantes retos.

Existen opciones de hardware y software optimizadas para ofrecer una automatización fiable y en tiempo real combinada con capacidades de comunicación y computación en el borde. 

Controladores e informática para uso industrial

Muchos controladores y componentes informáticos se anuncian como adecuados para el borde industrial, pero es importante entender algunas distinciones y detalles de diseño subyacentes para que los usuarios puedan asegurarse de que están recibiendo lo que esperan. 

Algunos productos utilizan una arquitectura de PC con virtualización de software y un tiempo de ejecución de control emulado y pueden no ser lo suficientemente robustos para las exigencias del uso industrial. 

Otros productos utilizan dos procesadores distintos para conseguir el tiempo de ejecución de control y las capacidades informáticas de uso general, lo que resulta caro.

A menudo se asocian dos términos de diseño con las implementaciones de borde: 

• Independencia del hardware.
• Definición del software.

Las implementaciones de borde independientes del hardware implican un software destinado a ejecutarse en cualquier plataforma de hardware industrial. 

Esta flexibilidad puede ser conveniente, pero suele conllevar cierto nivel de sacrificio o riesgo. 

Por ejemplo, puede haber incompatibilidades esotéricas o una falta de garantías en cuanto a determinismo, compatibilidad o rendimiento, y suele ser necesario un tiempo de inactividad para ciertas actualizaciones. 

La independencia del hardware es en gran medida, un modelo de consumo, pero se ofrece para algunos tipos de aplicaciones industriales.

Las implementaciones definidas por software se someten a pruebas más rigurosas para ofrecer el rendimiento determinista necesario para un control y una computación fiables, repetibles y seguros. 

Esto es crucial para las aplicaciones de control industrial, pero a menudo requiere un hardware a medida.

Aunque las soluciones informáticas de uso general pueden ser adecuadas para aplicaciones que no son de control, la mayoría de las situaciones de control industrial exigen algo más. 

Durante muchos años, los proyectos de automatización industrial han utilizado PLCs, y más recientemente PACs, para ofrecer un control determinista, y ambos han ofrecido ciclos de vida largos, de unos 15 años.

Sin embargo, los PLCs/PACs han sido bastante limitados a la hora de proporcionar el rol de controladores de borde de propósito general. 

Suelen carecer de la potencia de procesamiento, la memoria y el almacenamiento necesarios para ejecutar las modernas aplicaciones de análisis o visualización que suelen estar disponibles con los sistemas operativos Microsoft Windows y Linux. 

Los PC industriales (IPC) pueden proporcionar la funcionalidad de propósito general y el rendimiento deseados, pero a menudo carecen de la fiabilidad necesaria para las operaciones en tiempo real cuando se cargan con software de terceros, y suelen tener una vida útil de cinco años o menos.

Lo ideal sería una solución combinada, pero un diseño independiente del hardware no puede ofrecer las garantías de rendimiento necesarias en las aplicaciones deterministas y no deterministas. 

Solo los diseños definidos por software implementados en hardware validado pueden proporcionar el rendimiento necesario para las operaciones de misión crítica, al tiempo que permiten que la analítica y el aprendizaje automático trabajen en paralelo.

La fiabilidad de la computación de borde puede evolucionar

Existen en el mercado algunas soluciones de edge computing independientes del hardware, y son adecuadas para ciertas formas de recopilación, análisis y visualización de datos. 

Sin embargo, las soluciones de tipo comercial pueden experimentar fallos que no son aceptables para un uso de tipo industrial. 

Cuando los usuarios finales necesitan un rendimiento casi en tiempo real para sistemas que exigen un funcionamiento permanente y no pueden aceptar ni siquiera breves interrupciones por seguridad u otras actualizaciones, se necesita una solución mejor.

Los datos mejorados y las funciones analíticas operan con datos dinámicos, por lo que estos cálculos son más eficaces cuando se realizan cerca de la fuente, como dentro de un PLC. 

El control de alta velocidad combinado con la computación de borde es una propuesta de valor de mayor nivel que la computación de borde por sí misma. 

Esto se debe a que los datos de baja latencia pueden recogerse y analizarse en tiempo real. Los conocimientos resultantes pueden ponerse en práctica sin necesidad de atar a los operarios ni de contar con interfaces multisistema poco fiables. 

Las tareas avanzadas, como el aprendizaje automático (ML), dependen del acceso a los datos y la computación en los bordes.

El diseño adecuado y computación debe permitir que los aspectos deterministas y de propósito general de los controladores de bordes y la computación evolucionen cada uno en su propio espacio y a su propio ritmo. 

El verdadero control de bordes puede satisfacer las necesidades del usuario final cuando está bien diseñado.

Cuatro características del controlador de borde

Para combinar correctamente el control determinista y la computación analítica en el borde, se necesita una nueva clase de hardware, sobre todo si tiene las características adecuadas:

• Un sistema operativo determinista en tiempo real (RTOS) para el control, que requiere actualizaciones con poca frecuencia.
• Un sistema operativo de propósito general (GPOS) para los cálculos, que puede actualizarse a voluntad para añadir funciones como nuevas aplicaciones o algoritmos de aprendizaje automático, o para proporcionar actualizaciones de seguridad.
• Virtualización del hardware para garantizar la interdependencia del RTOS y el GPOS, de modo que cada sistema operativo funcione e incluso pueda reiniciarse independientemente del otro.
• La capacidad de los dos sistemas operativos para interactuar de forma segura, de modo que el GPOS pueda obtener datos del RTOS, y que el GPOS pueda informar al RTOS de los ajustes óptimos.

Un verdadero controlador de borde no puede crearse ejecutando cualquier tipo de software en cualquier hardware genérico. 

En lugar de ello, el hardware construido a propósito y gestionado con un sistema supervisado, organiza una parte del hardware dedicada a ejecutar un RTOS, y otra a ejecutar el GPOS.

Mientras que el RTOS es exigente en algunos aspectos con respecto a la sincronización, las funciones deterministas son realizadas por el hardware moderno en un controlador de borde cuidadosamente diseñado. 

La clave es garantizar que las funciones del GPOS no interfieran en absoluto con el RTOS, más allá de las comunicaciones seguras específicamente designadas.

Más allá con los controladores industriales

La siguiente pregunta es, una vez que se tiene un controlador de borde de grado industrial, ¿qué se puede hacer con él?

En el caso más sencillo, un controlador de borde actúa como un PLC/PAC para aplicaciones de control. 

Funciona con E/S industriales estándar y admite protocolos de comunicación abiertos y estándar. 

El controlador de borde también puede utilizarse para recopilar y almacenar datos de los PLC/PAC y otros sensores y fuentes de datos de OT, procesar y analizar estos datos y, a continuación, visualizarlos o compartirlos con aplicaciones cliente y/o sistemas informáticos de nivel superior, como un PC. 

Sin embargo, la mayoría de los usuarios no elegirían implementar un controlador de borde para una de las funciones antes mencionadas, cuando un PLC/PAC estándar o un IPC podrían servir.

Esto es lo que el futuro de los sistemas de control industrial (ICS) necesita para avanzar: hardware/software de controlador de borde capaz de proyectar la funcionalidad de TI en el entorno de OT de una manera fiable.

Controlador de borde vs. PLCs, PACs, IPCs: 3 ventajas

Estos tres ejemplo, son los que un verdadero controlador de borde brilla en comparación con el uso de PLCs/PACs e IPCs tradicionales:

• Aplicaciones de supervisión: Un controlador de borde integrado junto con varias máquinas controladas por PLC ofrece la ventaja de coordinar/sincronizar los activos individuales a la vez que accede a los datos y la lógica para que los usuarios también puedan optimizar el rendimiento de la línea. Por ejemplo, si una máquina descendente tiene problemas, se puede reducir la velocidad de una máquina ascendente para evitar la sobrecarga. O bien, si un producto presenta una tendencia negativa en un parámetro de calidad, se puede ajustar en tiempo real una operación ascendente para compensarla.

• Salud de la máquina: Un controlador de borde o “Edge Computing Solutions”, permite que la máquina realice un seguimiento proactivo de los ciclos, las alarmas, los índices de calidad y mucho más. Al conocer el estado de varios componentes, la máquina puede compensar activamente el desgaste u otros problemas sin intervención humana. También permite al operario acceder directamente a la información e incluso visualizarla en la HMI local junto con las funciones operativas estándar de la máquina.

• Optimización de la energía: Un controlador de borde puede realizar un seguimiento activo del uso de la energía para detectar aumentos, anomalías u otros problemas, y enviar alertas o incluso realizar cambios de forma proactiva. Con el acceso a los precios de la energía u otros datos relevantes, la máquina puede programarse para realizar ajustes (tarifas más bajas, temperaturas más bajas, etc.), o incluso para estar inactiva en los momentos en los que podría ser más costoso mantenerla en funcionamiento.

El futuro de los controladores y la automatización industrial

Los usuarios finales llevan muchos años utilizando plataformas de control fiables en tiempo real. 

A este requisito se une la creciente necesidad de accesibilidad a los datos y de ciberseguridad. 

Los PLCs/PACs/PCs tradicionales, y algunas soluciones de vanguardia más recientes, pueden proporcionar parte de lo que los usuarios finales necesitan.

El verdadero futuro de los PLC/PAC, y de hecho de la automatización industrial, es la adopción generalizada de un control moderno habilitado para los bordes, que es posible gracias a los «Edge Controller» diseñados específicamente. 

Las soluciones construidas con hardware genérico o basadas en software de consumo pueden ser satisfactorias en casos limitados.

Sin embargo, la fiabilidad y el rendimiento que ofrecen las modernas soluciones de borde es la única respuesta completa para satisfacer las necesidades actuales y futuras del sistema de control industrial.

Podemos darte más información sobre los productos de Emerson que tenemos en cartera, pide una cita ahora mismo con nuestros consultores.

Redacción, Derek Thomas, vicepresidente de marketing y ventas de Emerson. Editado por Chris Vavra, director de contenidos web, Control Engineering, CFE Media and Technology.