Programación Avanzada [IM401]

Las computadoras industriales (Industrial PC - IPC) constituyen una evolución de las computadoras personales convencionales, diseñadas para operar de manera confiable en ambientes industriales caracterizados por vibraciones, temperaturas extremas, polvo, interferencias electromagnéticas y funcionamiento continuo.

A diferencia de un PLC, cuya función principal consiste en ejecutar algoritmos de control determinístico, una computadora industrial posee una mayor capacidad de procesamiento y memoria, permitiendo ejecutar simultáneamente múltiples aplicaciones relacionadas con la supervisión, adquisición de datos, comunicaciones industriales y procesamiento de información.

Por esta razón, las IPC utilizan generalmente sistemas operativos de propósito general, complementados, cuando es necesario, con extensiones que permiten satisfacer los requerimientos temporales de aplicaciones industriales

Funciones de una Computadora Industrial

Dependiendo de la arquitectura del sistema, una IPC puede desempeñar diversas funciones dentro de una planta industrial, entre ellas:

• Servidor SCADA.
• Interfaz Hombre-Máquina (HMI).
• Servidor OPC UA.
• Base de datos histórica (Historian).
• Gateway Industrial.
• Plataforma IoT.
• SoftPLC.
• Servidor MES.
• Procesamiento de imágenes industriales.
• Sistemas de inteligencia artificial y visión artificial.

Como consecuencia, el sistema operativo debe ser capaz de administrar múltiples procesos concurrentes, redes de comunicación, dispositivos de almacenamiento y grandes volúmenes de información.

Requerimientos del sistema operativo

A diferencia de una computadora de uso doméstico, el sistema operativo de una IPC debe satisfacer requisitos adicionales relacionados con la disponibilidad y confiabilidad del sistema.

Entre los principales requerimientos se destacan:

• Alta disponibilidad.
• Funcionamiento continuo (24 horas, 365 días).
• Robustez frente a fallas.
• Soporte para comunicaciones industriales.
• Administración eficiente de múltiples procesos.
• Seguridad informática.
• Capacidad de expansión.
• Compatibilidad con plataformas de automatización.

En determinadas aplicaciones también puede requerirse capacidad de operación en tiempo real.

 

SO más utilizados en IPC

Las computadoras industriales emplean principalmente sistemas operativos de propósito general adaptados para aplicaciones industriales. La elección depende del nivel de criticidad del proceso, los requerimientos temporales, la compatibilidad con el software de automatización y las políticas tecnológicas adoptadas por cada fabricante.

Las familias de sistemas operativos más utilizadas son Windows, Linux y UNIX, a las que se suman diversas soluciones propietarias y sistemas operativos de tiempo real utilizados en aplicaciones específicas.

Microsoft Windows

Microsoft Windows continúa siendo una de las plataformas predominantes en computadoras industriales debido a su amplia compatibilidad con aplicaciones SCADA, HMI, bases de datos y software de ingeniería.

Sus principales ventajas son:

• Amplia disponibilidad de software comercial.
• Compatibilidad con la mayoría de los fabricantes de automatización.
• Gran cantidad de controladores (drivers) para hardware industrial.
• Facilidad de integración con aplicaciones empresariales.

Entre las versiones más utilizadas se encuentran:

Windows 10/11 IoT Enterprise

Es la evolución de Windows Embedded y constituye actualmente una de las plataformas más utilizadas en IPC.

Se emplea en:

• HMI industriales.
• Computadoras industriales.
• Sistemas SCADA.
• Edge Computing.
• SoftPLC.

Características:

• Soporte de largo plazo (LTSC).
• Mayor estabilidad.
• Configuración optimizada para aplicaciones industriales.
• Eliminación de componentes innecesarios del sistema operativo.

 

Windows Embedded

Fue ampliamente utilizado durante muchos años en:

• Panel PC industriales.
• Terminales HMI.
• Cajeros automáticos.
• Equipos médicos.
• Sistemas de supervisión.

Permitía construir versiones reducidas de Windows adaptadas a cada aplicación.

Actualmente ha sido reemplazado por Windows IoT Enterprise.

 

Windows CE (Compact Embedded)

Windows CE fue desarrollado específicamente para dispositivos embebidos de recursos limitados.

Se utilizó ampliamente en:

• Pantallas HMI.
• Terminales portátiles.
• Equipos de adquisición de datos.
• Dispositivos industriales móviles.

Características:

• Kernel propio.
• Arquitectura modular.
• Bajo consumo de memoria.
• Soporte para aplicaciones de tiempo real limitado.

Actualmente ha sido discontinuado, aunque todavía se encuentra presente en numerosos equipos industriales.

WinCC

Es importante aclarar que WinCC no es un sistema operativo, sino una plataforma SCADA/HMI desarrollada por Siemens.

Dependiendo de la versión, puede ejecutarse sobre:

• Windows 10 IoT Enterprise.
• Windows Server.
• Windows Professional.

WinCC constituye uno de los sistemas de supervisión más difundidos en la industria de procesos.

TwinCAT (Beckhoff)

TwinCAT 2 y TwinCAT 3 (Versión clásica): Utilizan un kernel de tiempo real propietario de Beckhoff. Este kernel se inyecta en Windows (desde Windows XP hasta Windows 10/11) y toma el control de un núcleo del procesador. Windows sigue funcionando para la interfaz de usuario (HMI) y las redes, pero TwinCAT controla la máquina sin que Windows interfiera en sus tiempos.

TwinCAT/BSD (La alternativa moderna): Es la versión más reciente donde la base ya no es Windows, sino FreeBSD (un sistema operativo de código abierto tipo Unix, muy seguro y estable).

El TwinCAT/BSD Hypervisor es una función del sistema operativo TwinCAT/BSD de Beckhoff que permite ejecutar simultáneamente máquinas virtuales (como Linux o Windows) y aplicaciones de control en tiempo real (TwinCAT) en un solo PC Industrial (IPC), aprovechando la virtualización por hardware.

Linux

Linux ha experimentado un crecimiento muy importante dentro de la automatización industrial durante la última década.

Actualmente constituye una plataforma ampliamente utilizada en:

• IPC.
• Gateways industriales.
• Edge Computing.
• Sistemas IIoT.
• Servidores OPC UA.
• Servidores MQTT.
• Node-RED.
• Bases de datos industriales.
• Plataformas Docker.

Sus principales ventajas son:

• Código abierto.
• Alta estabilidad.
• Excelente seguridad.
• Escalabilidad.
• Bajo costo de licenciamiento.
• Gran disponibilidad de herramientas de desarrollo.

Distribuciones industriales

Entre las distribuciones más utilizadas pueden mencionarse:

• Ubuntu LTS
• Debian
• Red Hat Enterprise Linux
• SUSE Linux Enterprise
• Yocto Linux (sistemas embebidos)

Muchas computadoras industriales Beckhoff, WAGO, Advantech y Phoenix Contact ofrecen versiones basadas en alguna de estas distribuciones.

Linux con PREEMPT_RT

Aunque Linux no es originalmente un sistema operativo de tiempo real, existe el parche PREEMPT_RT, que modifica el kernel para reducir la latencia y mejorar el determinismo temporal.

Esta versión se emplea cuando una computadora industrial debe ejecutar simultáneamente:

• SoftPLC.
• Comunicaciones industriales.
• Adquisición de datos.
• Algoritmos de control.

UNIX

Aunque actualmente posee menor presencia que Windows o Linux, diversos sistemas industriales continúan utilizando variantes de UNIX debido a su estabilidad y confiabilidad.

Históricamente fue empleado en:

• Sistemas SCADA de gran porte.
• Centros de control energético.
• Telecomunicaciones.
• Industria petroquímica.

Entre las variantes más conocidas se encuentran:

• Solaris.
• AIX.
• HP-UX.

Sistemas Operativos de Tiempo Real para IPC

En aplicaciones donde el determinismo temporal resulta crítico, algunas computadoras industriales incorporan sistemas operativos de tiempo real o extensiones específicas.

Entre los más utilizados se encuentran:

Estos sistemas permiten ejecutar tareas con tiempos de respuesta determinísticos, manteniendo simultáneamente las ventajas de una computadora industrial.

Comparación de los principales sistemas operativos industriales

 

¿Qué utilizan los principales fabricantes?

Esta tabla tiene un enorme valor didáctico porque los estudiantes empiezan a relacionar fabricantes, hardware, sistemas operativos y plataformas de desarrollo, que es exactamente lo que encontrarán cuando trabajen en la industria. Además, deja preparada la transición hacia los capítulos de SoftPLC, CODESYS y plataformas de automatización que verán más adelante.

¿Puede una IPC reemplazar a un PLC?

Desde el punto de vista del hardware, una computadora industrial posee una capacidad de procesamiento muy superior a la de la mayoría de los PLC.

Sin embargo, el desempeño de un sistema de control no depende únicamente del hardware utilizado, sino también del sistema operativo encargado de administrar los recursos computacionales.

Un sistema operativo de propósito general, como Windows o Linux, prioriza la utilización eficiente del procesador y la ejecución concurrente de múltiples aplicaciones. En consecuencia, no garantiza que una determinada tarea de control sea ejecutada exactamente en el instante requerido.

Por este motivo, una IPC convencional no constituye, por sí sola, un reemplazo directo de un PLC en aplicaciones donde el determinismo temporal resulta crítico.

 

SoftPLC

La creciente capacidad de procesamiento de las computadoras industriales permitió el desarrollo de una nueva categoría de plataformas conocidas como SoftPLC.

Un SoftPLC es un software que implementa las funciones de un controlador lógico programable sobre una computadora industrial. Para ello, el sistema operativo debe proporcionar mecanismos que permitan ejecutar el ciclo de control con tiempos suficientemente determinísticos.

La conectividad de E/S se logra a través de interfaces de bus de campo, módulos de E/S dedicados o E/S remota basada en red.

Arquitectura General:

Componente	PLC Tradicional	SoftPLC / Basado en PC
CPU/Procesador	MCU propietario (ej. 1756-L73)	PC Industrial x86/x64, Intel Atom/Core
Sistema Operativo	SO en tiempo real (VxWorks, QNX)	Windows, Linux, o RTOS (RTX, Xenomai)
Motor de Runtime	Firmware embebido	Licencia de runtime de software (Codesys Runtime, SoftLogix)
Interfaz de E/S	Backplane (ControlLogix, Profibus)	Ethernet/IP, EtherCAT, PROFINET, tarjetas de bus de campo
Factor de Forma	Rack modular o compacto	Tarjeta PCIe, PC independiente, VM

Entre las plataformas más utilizadas se encuentran:

• CODESYS Control.
• Beckhoff TwinCAT.
• Siemens WinAC (actualmente SIMATIC S7-1500 Software Controller).
• Rockwell SoftLogix
• B&R Automation Studio
• ABB AC500 SoftPLC
• OpenPLC.

Arquitectura de E/S y Conectividad

Los controladores basados en PC logran la conectividad de E/S a través de tres métodos principales:

 

Método 1: E/S Remota sobre Ethernet Industrial

El controlador se comunica con racks de E/S remota sobre EtherNet/IP, PROFINET o EtherCAT. Ejemplo: SoftLogix con 1756-EN2T soporta conexiones CIP, máximo 128 conexiones, tiempo de espera de conexión de 2500ms (configurable).

Método 2: Tarjetas de Interfaz de Bus de Campo

Las tarjetas PCIe/ISA/PXI proporcionan conectividad directa de bus de campo:

• NICs Intel/Realtek - Ethernet estándar
• Tarjetas Hilscher - Tarjetas CIFX (PROFINET, EtherNet/IP, maestro EtherCAT)
• Beckhoff ELxxxx - EtherCAT vía interfaz de PC (BK1120)
• KV Euro - Mechatrolink II/III

Método 3: Protocolos Basados en Software

Algunos SoftPLCs implementan protocolos en software (Modbus TCP, OPC UA) sin hardware dedicado, aunque el rendimiento en tiempo real puede ser limitado.

 

Comparación: SoftPLC vs. PLC Tradicional

Criterio	PLC Tradicional	SoftPLC
Rendimiento Determinístico	✓ Garantizado (SO RT a nivel de hardware)	Depende del SO/hardware
Tiempo de Inicio	Segundos (RAM respaldada por batería)	Minutos (arranque completo del SO)
Integración HMI	Panel separado o red	HMI local en la misma PC
Registro de Datos	Limitado (tarjeta SD, red)	Capacidades completas de almacenamiento de PC
Costo de Hardware	Mayor (propietario)	Menor (hardware de PC commodity)
Modelo de Licencia	Hardware + firmware	Licencia de runtime (anual/perpetua)
Hot Standby	Módulos específicos requeridos	Clustering de VM, hypervisor
Parches de Seguridad	Limitados (SO propietario)	Actualizaciones estándar del SO

En muchas de estas soluciones se incorporan extensiones de tiempo real o núcleos específicos encargados de ejecutar las tareas de control independientemente del sistema operativo de propósito general.

Algunas de las extensiones comunes son:

• RTX (IntervalZero) - Extensión de tiempo real para Windows
• RTLinux / Xenomai - Linux con parche en tiempo real
• TwinCAT RTSS - Subsistema de tiempo real de Beckhoff
• Windows IoT + Extensión de Tiempo Real - Solución RT de Microsoft

Tiempo de Ciclo Alcanzable:

Plataforma	Tiempo de Ciclo Mínimo Típico
SoftLogix (EtherNet/IP)	2-10ms
Codesys (EtherCAT)	0.1-1ms
TwinCAT 3 (EtherCAT)	100μs - 1ms
Windows Estándar (Modbus TCP)	10-100ms (no determinístico)

Criterio práctico

Usar SoftPLC cuando:

La aplicación requiere integración estricta de HMI/SCADA en una sola plataforma
Se necesita registro de datos de alta velocidad, procesamiento de visión o análisis
Proyecto sensible a costos con hardware de PC disponible
Se requiere flexibilidad para cambios futuros de hardware
La aplicación es no crítica o puede tolerar mayor latencia

Mantener PLC Tradicional cuando:

Se requiere certificación de nivel de integridad de seguridad (SIL)
Tiempo de ciclo submilisegundo obligatorio
Los estándares de la industria requieren control basado en hardware
El soporte a largo plazo y la disponibilidad de hardware son críticos
Condiciones ambientales extremas (temperatura, vibración) 

Tendencias actuales

La evolución de la automatización industrial muestra una convergencia progresiva entre las tecnologías tradicionales de control y las plataformas informáticas de propósito general. En este escenario, las computadoras industriales han dejado de desempeñar únicamente funciones de supervisión para convertirse en plataformas capaces de ejecutar control en tiempo real mediante soluciones SoftPLC, integrar servicios de comunicación industrial y alojar aplicaciones avanzadas de análisis de datos, inteligencia artificial y computación en el borde (Edge Computing).

Evolución de las plataformas industriales