El Edge Computing, los nuevos métodos de comunicación y la analítica avanzada son algunos de los temas más candentes relacionados con la automatización industrial, un campo que suele asociarse más con la fiabilidad estoica que con la tecnología punta. Sin embargo, sigue existiendo una necesidad fundamental de crear soluciones de control determinista tradicionales adecuadas para proyectos de automatización nuevos y modernizados.

Los diseñadores suelen preocuparse por la gestión de las interacciones con los dispositivos de automatización industrial, especialmente a medida que el hardware y las capacidades de comunicación evolucionan rápidamente. Afortunadamente, si se adoptan algunas herramientas y estrategias básicas para abstraer los datos de las aplicaciones, las interacciones con los controladores de borde modernos pueden ser casi tan sencillas como las de los controladores lógicos programables (PLC) tradicionales.

A medida que los relés cableados dieron paso a los PLC, que a su vez fueron superados por los controladores de automatización programables (PAC), los medios y métodos de programación de los sistemas de control se han ido adaptando. La misma evolución se está produciendo a medida que los controladores de borde y otros dispositivos de borde comienzan a entrar en servicio. La programación de controles durante la evolución de los bordes no tiene por qué significar un cambio total, sino que puede ofrecer más opciones.

El Edge ya está aquí

La mayoría de los usuarios han oído términos como «Edge computing» y «transformación digital», pero muchos pueden sentirse inseguros sobre cómo el Edge computing puede resolver problemas en sus aplicaciones. Al menos, los usuarios pueden obtener una mayor visibilidad de las operaciones de equipos y procesos, incluso a través de dispositivos móviles. 

La agilización de las capacidades de recopilación de datos admite análisis en el borde y en la nube, lo que proporciona nuevas perspectivas para mejorar la disponibilidad, la utilización y la eficiencia. En los escenarios más avanzados, los controladores de borde pueden aprovechar de forma autónoma los resultados analíticos para asesorar a las aplicaciones de control determinista para una capacidad de respuesta casi en tiempo real.

Aunque estas funciones del Internet Industrial de las Cosas (IIoT) se están generalizando, no todos los desarrolladores o proyectos están preparados para comprometerse con la automatización completa de los bordes. Si se diseña correctamente una solución de control, los usuarios finales pueden implementar funciones clásicas y, al mismo tiempo, preparar sus diseños para el futuro con el fin de aprovechar las ventajas que ofrece el Edge.

Los desarrolladores que no estén familiarizados con los controladores de borde pueden sentirse obligados a seguir con tecnologías y productos de control de eficacia probada. Pero los efectos inmediatos de la actual escasez de mano de obra y componentes exigen sistemas modernizados que contrarresten estos retos aprovechando las nuevas formas de acceder a los datos y utilizarlos. Los desarrolladores y los usuarios finales pueden animarse a preparar sus diseños de automatización para la IIoT y estar seguros de que la programación necesaria se basará en conceptos anteriores.

Evolución de la programación

Cuando la tecnología operativa (OT) de automatización discreta cambió originalmente de sistemas cableados creados con dispositivos electromecánicos de relés y temporizadores, a dispositivos programables electrónicamente como los PLC, se creó el lenguaje de diagramas de escalera (LD) para ayudar a los desarrolladores y técnicos en la transición a la nueva solución. Visualmente, la programación LD se parece a los diagramas de cableado utilizados con los sistemas de relés y temporizadores cableados, pero simplifica enormemente la programación, depuración y modificación de la lógica de secuenciación con un PLC.

A medida que los PLC ganaron potencia y empezaron a realizar funciones más complejas, como matemáticas, control de lazos analógicos y control de movimiento, los lenguajes asociados tuvieron que evolucionar para realizar procesamiento de expresiones complejas, control avanzado de procesos y movimiento. Lenguajes como el Texto Estructurado (ST) surgieron para satisfacer las nuevas demandas de programación y depuración, aunque el LD seguía estando disponible.

El desarrollo de los PAC supuso una expansión de la funcionalidad de los PLC para incorporar funciones de comunicación y procesamiento de aplicaciones aún más avanzadas. Los PAC empezaron a asumir tareas que hoy asociamos con el “Edge”, aunque sus sistemas operativos en tiempo real (RTOS) dedicados impusieron algunas limitaciones. En muchos casos, los usuarios se vieron en la necesidad de crear algoritmos complejos, como estrategias de aprendizaje automático, utilizando lenguajes modernos del tipo de las tecnologías de la información (TI), como C++ y Python, que se ejecutaban en PC y PC industriales (IPC) que trabajaban conjuntamente con los PAC.

Ahora aparecen en escena los controladores Edge, que combinan el control OT de grado industrial con la informática de tipo IT en un formato compacto, lo suficientemente resistente como para sobrevivir en ubicaciones de borde.

Conceptos de programación Edge

Algunos usuarios finales pueden optar por crear soluciones Edge utilizando diversas plataformas de hardware y métodos de programación. Este enfoque ad hoc introduce riesgos, además requiere pruebas y esfuerzos de integración que llevan mucho tiempo, generando cambios inesperados y posibles sobrecostes en los proyectos.

La compatibilidad entre PLC, PAC, controladores Edge y el software que ejecuta a estos, hace posible que los usuarios aprendan unas pocas herramientas de programación y las apliquen a muchos productos. Los objetos de biblioteca armonizados permiten una mayor coherencia y un desarrollo más rápido; el código probado se reutiliza fácilmente en los proyectos; y los datos se transfieren más fácilmente entre sistemas.

Para garantizar soluciones de futuro, los usuarios deben buscar carteras de productos que adopten estándares abiertos de programación, software y comunicación, siempre que sea posible. Incluso los estándares abiertos pueden beneficiarse de extensiones centradas en la industria cuando sea apropiado. 

Para un controlador de borde, esto requiere motores de control deterministas que admitan programación de variables en lenguajes IEC-standard y C conocidos y estables, con abundantes tipos de datos estándar y definidos por el usuario

amplios bloques de funciones estándar y definidos por el usuario compatibilidad con protocolos de comunicación orientados a objetos, como OPC UA, que puedan transmitir sin problemas datos en contexto entre aplicaciones deterministas y analíticas compatibilidad con protocolos de comunicación centrados en OT, como Modbus, Profibus y Profinet, sistema operativo basado en Linux para la parte informática de uso general del controlador Edge, arrancable y actualizable independientemente de la parte de control determinista. 

Linux es ligero y tiene un alto rendimiento a la vez que utiliza menos recursos de CPU y RAM que otras alternativas capacidad para ejecutar aplicaciones de código abierto como Node-RED y Grafana, así como aplicaciones comerciales y personalizadas programables mediante C/C++, Python y otros lenguajes modernos adecuados para aplicaciones como el aprendizaje automático y la inteligencia artificial compatibles con protocolos de comunicación centrados en TI como MQTT y HTTPS.

Un verdadero controlador Edge, con estas características, es la mejor opción para implementar el control determinista tradicional hoy y aprovechar la evolución del Edge computing en el futuro.

Control de bordes y computación

Los controladores Edge son promocionados por muchos proveedores, pero estos dispositivos varían significativamente en rendimiento y funcionamiento interno. Por razones de rendimiento y seguridad, las implementaciones más potentes, utilizan la virtualización de hardware para garantizar que el controlador determinista se ejecute independientemente de las actividades del Edge computing. Se proporciona una segregación rigurosa de los entornos OT e IT a nivel de hardware y software.

Es posible que los diseñadores de controles actuales duden a la hora de aplicar nuevos controladores Edge a equipos y sistemas normalmente automatizados con PLC o PAC. Puede existir una cierta preocupación e inseguridad sobre si habrá beneficios obtenidos por los conocimientos necesarios para que una solución Edge funcione de forma fiable.

Estos dilemas desaparecen, si la parte determinista del controlador Edge ejecuta el mismo núcleo que los PLC y PAC del proveedor y utiliza la misma cadena de herramientas del entorno de desarrollo integrado y el mismo conjunto de funciones de biblioteca. Hoy en día, un controlador Edge puede utilizarse como un PLC o PAC, incluso hasta el punto de utilizar las mismas bibliotecas lógicas desarrolladas para los de la misma familia de productos. Utilizar métodos conocidos vinculados a nuevas capacidades para obtener nuevos resultados es muy útil.

Si la parte de Edge computing de los estos controladores utiliza un sistema operativo estándar abierto como Linux, los usuarios son libres, en el futuro, de añadir casi cualquier tipo de aplicación que necesiten. Los beneficios inmediatos son más convincentes si el controlador está disponible con un conjunto de aplicaciones comerciales y de código abierto que satisfagan las necesidades informáticas industriales más comunes.

Control. El valor de utilizar un controlador Edge como un PLC/PAC sobrealimentado es que el controlador de borde está preparado de forma nativa para ejecutar aplicaciones de visualización, conectividad de datos, analíticas y mucho más, siempre que el usuario esté preparado para aprovechar estas funciones. No se necesita hardware adicional; no se precisan cortes ni conexiones físicas; y no es necesario interrumpir la ejecución de la aplicación de automatización. Los lenguajes modernos pueden utilizarse donde y cuando mejor se adapten a una aplicación. Los usuarios finales obtienen la flexibilidad necesaria para ampliar sus aplicaciones con capacidades Edge cuando estén preparados.

Informática. Por otro lado, es habitual que las instalaciones de fabricación cuenten con cantidades significativas de equipos automatizados heredados ya en servicio. Los usuarios finales de estas instalaciones no querrán poner en peligro la producción.

En este caso, el uso de un controlador Edge solo para las capacidades informáticas de TI y la conectividad OT, sin una línea lógica de control, es un enfoque práctico. El controlador Edge puede instalarse en cualquier lugar de la fábrica, y puede también, conectarse en red a muchos PLC/PAC, sensores u otros instrumentos para actuar como pasarela y concentrador de información.

Al funcionar de este modo, los usuarios configuran el controlador para recopilar datos, proporcionar alojamiento de visualización y preprocesar los datos (como filtrar, promediar o incluso ejecutar análisis locales) según sea necesario, además de esto, sirve para reenviar la información a sistemas de nivel superior. Los usuarios pueden añadir y ampliar esta funcionalidad IIoT a su propio ritmo, sin afectar a ningún sistema de automatización subyacente.

Control e informática. Aunque las capacidades individuales de control y computación de los Edge controller son importantes, los usuarios obtienen la máxima ventaja combinándolas en apoyo de una aplicación. El «bucle interno» determinista accede directamente a los datos de campo y controla los dispositivos. 

El «bucle externo» de Edge computing combina datos deterministas e información en tiempo real procedente de fuentes externas o analíticas para asesorar al bucle interno sobre los parámetros de funcionamiento y el ajuste para lograr una óptima eficiencia.

De cara al futuro

La programación Edge es más evolución que revolución. Al principio, los PLC realizaban tareas específicas y se programaban con métodos especializados. A medida que los PLC mejoraban y progresaban hasta convertirse en PAC, los medios y métodos de programación conservaban los mejores aspectos de las raíces originales de la lógica de escalera, pero adquirían nuevos lenguajes, bloques de funciones y métodos organizativos según las necesidades para respaldar las capacidades añadidas.

Los controladores Edge representan un aumento exponencial de la capacidad con respecto a los PLC y PAC tradicionales, por lo que es lógico que se añadan aún más lenguajes y aplicaciones. Esto no significa que los usuarios finales tengan que descartar su experiencia o adoptar todas las capacidades añadidas a la vez.

Por el contrario, los controladores Edge bien diseñados, siguen siendo altamente compatibles con los ecosistemas de PLC y PAC existentes, por lo que los usuarios pueden seguir aprovechando su base de conocimientos de OT. 

Cuando estén preparados para ampliar sus aplicaciones al ámbito informático, el mismo controlador de perímetro les proporcionará una plataforma informática de uso general, con lo que sus aplicaciones estarán preparadas para el futuro.

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Este articulo ha sido redactado por Darrell Halterman de Emerson, para The International Society of Automation (ISA) y adaptado por Opertek