Con las tecnologías de red asumiendo cada vez más el papel principal y actuando como el corazón de los procesos automatizados, ¿cambia esto el papel de los controladores en entornos industriales más conectados?
ene 13, 2021
Por James Koelsch
A medida que la industria experimenta su transformación digital, las redes a menudo parecen estar quitándole el foco de atención a los controladores en muchos procesos automatizados. Claro, los controladores aún juegan un papel crucial, pero no tan bien ubicado en el centro del escenario como antes.
La razón es la creciente popularidad de la premisa de control distribuido promovida por las iniciativas de Internet de las Cosas (IIoT) e Industria 4.0. Cada vez más dispositivos tienen microcontroladores programables integrados, y los controladores convencionales se colocan cada vez más cerca de los dispositivos en lugar de en gabinetes centralizados. Como otros dispositivos en la red, estos controladores distribuidos están reportando datos a través de la red para su agregación, visualización y análisis en otros lugares.
El resultado es una nueva arquitectura, una que aplana el modelo clásico de Purdue que segrega la tecnología de operaciones (OT) de la tecnología de la información (TI) y controla estrictamente el flujo de datos entre ellas. “En lugar de mover datos en una sola dirección, desde la planta, a través del middleware y hacia los sistemas de back-office, el nuevo modelo busca mover datos entre todos los sistemas”, explica Josh Eastburn, director de marketing técnico en Opto 22. La red está en el centro de este flujo de información.
Cuando esta tendencia hacia un nuevo centro alcance su madurez, los sistemas de automatización afectados estarán descentralizados, pero interconectados a través de la red. “Cada dispositivo podrá ver a sus vecinos y la nube”, predice Yuri Chamarelli, especialista líder en marketing de productos de sistemas de control en Phoenix Contact. "Cada byte de datos que se genere en el campo tendrá un gemelo digital".
Este cambio hacia la centralidad de la red está siendo impulsado por una serie de desarrollos técnicos en el espacio de las redes industriales. Entre ellos se encuentra la adopción de Ethernet industrial en tiempo real (RTE) hasta el nivel del sensor. “Con RTE hasta el nivel del dispositivo, ahora puede dar servicio a múltiples consumidores de datos más allá del controlador”, explica Jamie Gallant, gerente de soluciones integradas en Hilscher North America. RTE es cada vez más posible gracias a los circuitos integrados de aplicaciones específicas (ASIC) en chips de comunicación como el netX 90 de Hilscher.
Las organizaciones de comunicación de redes industriales, como ODVA, Profibus / Profinet International, FieldComm Group, FDT Group, IO-Link y OPC Foundation, también han ayudado a optimizar el consumo de datos mediante el desarrollo de extensiones de perfil de dispositivo que proporcionan una forma común de acceder a la información independientemente del proveedor y del protocolo de red. “Hacer que la información de diagnóstico y el estado del dispositivo sea genérica significa que se puede acceder fácilmente a ella para analizar el rendimiento del dispositivo y, por lo tanto, la eficacia y confiabilidad del equipo”, dice Gallant.
Además de estos nuevos estándares para los tipos de datos, otro desarrollo técnico que respalda el cambio en el centro ha sido la innovación en la tecnología de microprocesadores. “Con hardware que tiene 10 veces la potencia de los sistemas de hace 15 años, pero cuesta una fracción de los sistemas tradicionales, la topología descentralizada se vuelve más atractiva”, señala Chamarelli.
“Con más caballos de fuerza, puede brindar soporte a los consumidores de datos con tipos de datos extendidos”, agrega Gallant. El soporte también puede provenir de otras tecnologías, como dispositivos de borde que pueden enviar datos a sistemas de nivel superior o aplicaciones basadas en la nube sin la necesidad de reprogramar controladores.
Los dispositivos de campo con tecnología de chip netX de Hilscher, de Edge Gateways, juegan un papel clave en la inteligencia distribuida y la transformación digital que ocurre en las redes de automatización. Las comunicaciones IIoT, a través de protocolos como OPC-UA y MQTT (que se muestran en rojo), se ejecutan por el mismo cable que las redes OT, lo que permite inteligencia y funcionalidad adicionales sin afectar el controlador lógico programable (PLC). La función de Edge Gateway es agregar y preprocesar estos datos para que se puedan comunicar de forma segura a los sistemas de administración de datos, nuevamente sin un impacto importante en el PLC.Foto: Cortesía de HilscherEl centro disputado
A pesar de estos desarrollos, no todos están de acuerdo en que sea correcto decir que la red se está convirtiendo en el centro de la automatización. Algunos, por ejemplo, argumentan que es más exacto decir que el nuevo centro es realmente la nueva generación de analítica impulsada por IIoT y los servicios en la nube.
“La red en realidad no hace nada más que transferir información de los productores de información a los consumidores de la misma”, señala Paul Brooks, gerente de desarrollo de negocios de tecnología en Rockwell Automation.
Brooks agrega que las tecnologías de automatización y control han evolucionado para promover el control distribuido y la presentación de informes de datos a través de las redes. “Si bien la capacidad de controlar los procesos debe seguir siendo la prioridad número uno, la capacidad de entregar grandes cantidades de información secundaria sobre esos procesos vendrá en segundo lugar, superando aspectos como la facilidad de reemplazo y el precio”, dice Brooks. "Un servo drive puede tener 150 parámetros que se utilizan para controlar directamente el motor, pero tiene 4.000 parámetros internos que se pueden utilizar para la supervisión a largo plazo y la optimización del proceso".
Los usuarios no solo pueden ahora ver información que antes no podían, sino que también pueden beneficiarse de nuevas capacidades, como análisis basados en la nube y gestión de flotas de maquinaria. “La importancia real es cambiar los modelos de negocio y la capacidad de las entidades a lo largo de la cadena de valor para ofrecer cada vez más capacidades como servicio”, dice Brooks. En este sentido, la analítica y otros servicios puestos a disposición a través de la red se convierte en un nuevo centro de automatización.
Ya sea que el cambio sea hacia la analítica o la propia red, Brooks enfatiza en que los controladores continuarán desempeñando un papel crucial en los procesos automatizados. Una de las razones es que el movimiento de información de sus productores a sus consumidores solo puede ocurrir sin problemas, “si los controladores continúan haciendo todo lo que hacen hoy, y lo hacen mejor”, dice Brooks.
Otra razón es que la necesidad de las funciones de automatización y control realmente no ha cambiado.
Rick Peters, director de seguridad de la información para tecnología operativa en Fortinet, está de acuerdo. "Las funciones discretas todavía se están realizando", dice Peters. "La inteligencia se informa y analiza a través de la red para garantizar una conciencia clara de la situación en toda la red OT". Él ve la proliferación de dispositivos IIoT como una forma de promover la convergencia de las infraestructuras de OT y TI para mejorar la eficiencia.
Debido a que los controladores todavía están realizando sus tareas tradicionales y, a menudo, están haciendo más, Peters y otros no ven a los controladores desplazados como el centro de muchas instalaciones automatizadas. “La red es un habilitador crítico para conectar los diferentes componentes de automatización, pero no desplaza el elemento controlador”, argumenta Sean Sims, vicepresidente de marketing de la plataforma DeltaV en Emerson. "Los controladores siguen siendo fundamentales para las arquitecturas de automatización en la actualidad y lo serán en el futuro".
Lidiando con la complejidad
Parte del razonamiento de Sims es que el control en el campo requiere lidiar con la complejidad. “La mayoría de las estrategias de control involucran múltiples entradas y salidas de procesos, y en ocasiones cientos de controladores, y una cantidad significativa de información contextual sobre el estado actual del proceso”, explica. “Los controladores consolidados siguen siendo la forma más eficiente y estructurada de albergar estos procesos críticos y funciones contextuales. La seguridad, la redundancia, la gestión del ciclo de vida de los componentes y la gestión de cambios de configuración integrada son fundamentales y se implementan más fácilmente dentro del entorno de controlador consolidado "
Nuevos diseños de red que son posibles conectando sitios locales y remotos a través de dispositivos OT orientados a la red y extendiéndolos a través de ellos a recursos de computación en la nube global y regional fog: 1. Infraestructura compartida de múltiples sitios con procesamiento de datos de borde. 2. Integración de dispositivos heredados con controlador de borde como puerta de enlace de IoT. 3. Red de I / O directa a la nube. 4. Infraestructura MQTT Many-to-many.Foto: Cortesía de Opto 22Sims también piensa que, en la mayoría de los casos, los límites de control lógico y el diseño de procesos, no la tecnología, gobernarán la mayoría de las implementaciones de arquitecturas de control centralizadas y distribuidas. Para él, perseguir la última tecnología, en lugar de centrarse en la seguridad, la fiabilidad y la calidad, es el principal escollo al especificar la automatización de procesos. “La tecnología adecuada debe mantener las características importantes de los sistemas de control, como algoritmos de control superiores, facilidad de uso, confiabilidad, redundancia”, dice Sims. "Luego, debería basarse en eso agregando una mejor gestión, manejo y visualización de datos".
Otro factor que influye en las opiniones sobre el control centrado en el controlador frente al centrado en la red es la industria en la que trabaja. "Las industrias de fabricación discreta probablemente estén viendo una estrategia de control más distribuida y centrada en la red porque aumenta la flexibilidad de la maquinaria", observa Bernd Raithel, director de marketing de Siemens Factory Automation. "Los controladores más pequeños se han vuelto mucho más poderosos y capaces en los últimos 15 años". Esto, a su vez, ha hecho que sea más rentable diseñar y construir máquinas que tengan módulos inteligentes que se puedan programar para manejar una variedad de trabajos.
Raithel espera que esta tendencia se extienda más allá del nivel de la máquina para incluir el proceso de fabricación más amplio. Aquí, el enfoque modular se traducirá en más células de producción e islas de automatización que están conectadas por la red y atendidas por vehículos guiados automatizados y robots. “Toda la lógica será más flexible, por lo que no tendrá que cambiar de línea solo para pasar del procesamiento de una pieza a otra”, dice Raithel.
Para hoy y mañana
Para sobresalir en estos entornos distribuidos y centrados en la red, los controladores deben tener algunas capacidades particulares que les den flexibilidad. Debido a que el movimiento hacia este tipo de redes distribuidas probablemente ocurrirá lentamente con el tiempo, Chamarelli recomienda tecnología que sea compatible tanto con las antiguas como con las nuevas. "Es más fácil tomar una decisión cuando sabe que su equipo actual puede hacer las cosas como lo hacía antes, pero tiene las funcionalidades adicionales para llevar sus sistemas al futuro", dice.
Por esta razón, Chamarelli recomienda controladores capaces de ejecutar Linux porque es un sistema operativo abierto que puede ayudar a adaptarse a la innovación. “El futuro de la automatización industrial vendrá de los grandes sistemas de redes tecnológicas, y estos están basados en Linux”, dice.
Otra forma de prepararse para entornos cada vez más distribuidos en el futuro es especificar controladores modulares. “No todo el mundo va a poner IA (inteligencia artificial), por ejemplo, en la fábrica el próximo año”, dice Raithel. "Por lo tanto, necesita un sistema que satisfaga las necesidades actuales de solidez y confiabilidad pero que le brinde flexibilidad para agregar capacidades más adelante". Por esta razón, insta a los ingenieros a considerar controladores que permitan agregar opciones, como AI, como módulos.
Raithel también aconseja a los ingenieros que se preparen para un entorno cada vez más centrado en la red al especificar controladores habilitados para el borde. “Esto significa que el dispositivo puede ejecutar código de controlador convencional y código de TI como C o Python”, dice. Combina la funcionalidad de los controladores robustos de hoy con la de un dispositivo de borde del futuro.
En un entorno donde la red es el núcleo de las operaciones, las opciones de conectividad también son una preocupación clave para especificar un controlador preparado para el futuro. “Para el IIoT, los sistemas de automatización de próxima generación deben estar preparados para el futuro y ser compatibles con versiones anteriores”, señala Michael Britt, gerente de soluciones OEM de Hilscher. “Debido a que los protocolos de redes industriales actuales no desaparecerán, todos los estándares y prácticas actuales deben ser respaldados y coexistir en este nuevo ecosistema”.
“Los usuarios necesitan la capacidad de integrarse en una variedad de esquemas de red, por lo que es necesario contar con múltiples interfaces de comunicación y soporte para una variedad de protocolos de OT y TI”, agrega Eastburn. "Idealmente, este soporte debería extenderse más allá de la comunicación para incluir la configuración y administración de dispositivos". Incluso podría incluir protocolos como DNS y DHCP que son comunes en dispositivos de TI de empresas y consumidores, pero raros en dispositivos industriales.
Eastburn también señala que, en una arquitectura orientada a la red, el valor de un controlador aumenta con la cantidad de capas que puede atravesar. “Por lo tanto, los usuarios deben buscar elementos como compatibilidad integrada con OPC, MQTT, VPN y REST que les permita mover datos directamente a bases de datos y aplicaciones”, dice. Otra herramienta útil para controladores y dispositivos como I / O de borde y puertas de enlace es Node-RED, un lenguaje diseñado para extraer, transformar y mover datos entre varios dispositivos en red.
Los dispositivos de campo con tecnología de chip netX de Hilscher, de Edge Gateways, juegan un papel clave en la inteligencia distribuida y la transformación digital que ocurre en las redes de automatización. Las comunicaciones IIoT, a través de protocolos como OPC-UA y MQTT (que se muestran en rojo), se ejecutan por el mismo cable que las redes OT, lo que permite inteligencia y funcionalidad adicionales sin afectar el controlador lógico programable (PLC). La función de Edge Gateway es agregar y preprocesar estos datos para que se puedan comunicar de forma segura a los sistemas de administración de datos, nuevamente sin un impacto importante en el PLC.Foto: Cortesía de Hilscher
