Programación Avanzada [IM401]

Los sistemas modernos de automatización industrial están constituidos por un conjunto heterogéneo de plataformas computacionales que cooperan para ejecutar funciones de adquisición de datos, control, supervisión, almacenamiento de información y comunicaciones.

En una misma instalación industrial es habitual encontrar dispositivos con capacidades de procesamiento muy diferentes, cada uno diseñado para satisfacer requerimientos específicos de desempeño, disponibilidad, confiabilidad y tiempo de respuesta.

Una arquitectura típica de automatización puede estar integrada por:

• Sensores y actuadores inteligentes.
• Variadores de Velocidad (VDF) y Arrancadores Suaves (SS).
• Controlador de Movimiento (Motion Controller) y Servocontrolador (Servo Drive)
• Sistemas embebidos basados en microcontroladores.
• Controladores Lógicos Programables (PLC).
• Controlador de Automatización Programable (PAC)
• Computadoras Industriales (Industrial PC - IPC).
• Interfaces Hombre-Máquina (HMI).
• Servidores SCADA.
• Sistemas de Control Distribuido (DCS)
• Sistemas de Ejecución de Manufactura (MES).
• Sistemas de Planificación de Recursos Empresariales (ERP).
• Plataformas de Inteligencia de Negocios (Business Intelligence - BI).

La Figura 1 muestra una arquitectura típica de automatización industrial.

Fig 1: Esquema piramidal de un sistema de automatización industrial.

Plataformas computacionales en la automatización industrial

Aunque todos los dispositivos mencionados incorporan uno o más procesadores programables, no todos cumplen la misma función dentro de la arquitectura del sistema.

Desde el punto de vista de la ingeniería de automatización pueden identificarse cuatro grandes familias de plataformas computacionales.

Cada una de estas plataformas ha sido diseñada para resolver problemas diferentes y, por lo tanto, posee requerimientos particulares de procesamiento, memoria, comunicaciones y tiempo de respuesta.

En consecuencia, no todas requieren la misma arquitectura de software ni el mismo sistema operativo.

El problema de ingeniería

Durante el diseño de un sistema automático, una de las primeras decisiones consiste en seleccionar la plataforma computacional sobre la cual se implementará la solución.

Considérese el desarrollo de las siguientes aplicaciones:

• Control de una máquina de envasado.
• Robot móvil autónomo.
• Sistema SCADA para supervisión de una planta.
• Servidor para almacenamiento histórico de variables.
• Dispositivo IoT para monitoreo remoto.

Aunque todas requieren ejecutar software, sería técnicamente incorrecto utilizar la misma plataforma computacional para todas ellas.

Por ejemplo, un PLC ofrece elevada confiabilidad y comportamiento determinístico para el control de procesos industriales, pero no constituye una plataforma adecuada para implementar un servidor web o una base de datos de gran capacidad. De forma análoga, un servidor Linux resulta apropiado para ejecutar aplicaciones SCADA o sistemas MES, aunque no garantiza los tiempos de respuesta necesarios para controlar directamente un proceso de alta criticidad temporal.

La selección de la plataforma computacional depende de diversos factores, entre ellos:

• Requerimientos de tiempo real.
• Capacidad de procesamiento.
• Memoria disponible.
• Confiabilidad y disponibilidad.
• Seguridad funcional.
• Escalabilidad.
• Conectividad.
• Costos de implementación y mantenimiento.

La elección del sistema operativo constituye, por lo tanto, una consecuencia directa de la arquitectura seleccionada y no una decisión independiente.

Entonces, ¿todos los dispositivos programables utilizan un sistema operativo?

La respuesta es no.

Dependiendo de la complejidad de la aplicación y de los requerimientos temporales del sistema, una plataforma computacional puede operar bajo diferentes modelos de ejecución.

Por ejemplo:

• Un microcontrolador puede ejecutar una única aplicación sin sistema operativo (bare metal).
• Un sistema embebido de mayor complejidad puede utilizar un sistema operativo de tiempo real (RTOS) para administrar múltiples tareas concurrentes.
• Una computadora industrial puede ejecutar un sistema operativo de propósito general, como Linux o Windows, complementado con extensiones de tiempo real.
• Un PLC incorpora un sistema operativo propietario optimizado para ejecutar de forma determinística el ciclo de control.

Por consiguiente, el estudio de los sistemas operativos en automatización industrial no debe limitarse al análisis de sistemas operativos de propósito general, sino que debe contemplar la relación existente entre la plataforma de hardware, los requerimientos temporales de la aplicación y el modelo de ejecución del software.