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PACs para Control Industrial, el Futuro del Control - National Instruments

  • Publicado: 14 Abril 2012
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Visión General

Con el gran número actual de vendedores produciendo Controladores de Automatización Programable que combinan tanto funcionalidad de PC y confiabilidad de un PLC, la incorporación de PACs a sistemas de control es cada día más frecuente. Este texto explora los orígenes de PAC, cómo PACs difieren de PLCs y PCs, y la dirección que tomará el control industrial al seguir utilizando PACs.

PACs

Por más de una década se ha tenido el debate acerca de las ventajas y desventajas de utilizar PLCs (Controladores Lógicos Programables) comparados con el control basado en PCs. A medida que se incrementan las diferencias entre las PCs y PLCs, con los PLCs utilizando el hardware de anaqueles (COTS) y sistemas PC incorporando sistemas operativos en tiempo real, una nueva clase de controladores, el PAC se torna en un emergente. PAC, el nuevo acrónimo, creado por la Corporación de Investigación de Automatización (ARC), significa Controlador de Automatización Programable y es utilizado para describir una nueva generación de controladores industriales que combinan la funcionalidad PLC y PC. El acrónimo PAC es utilizado por vendedores tradicionales PLC para describir los sistemas de alto desempeño.

La Regla del "80-20"

Durante las tres décadas después de su introducción, los PLCs han evolucionado para incorporar E/S analógicas, comunicación sobre redes, nuevos estándares de programación como IEC 61131-3. Sin embargo, los ingenieros crean un 80 por ciento de aplicaciones industriales con E/S digital, unos cuantos puntos analógicos E/S, y técnicas de programación sencillas. Los expertos de ARC, Corporación de Desarrollo Venture (VDC), y el entrenamiento en línea para PLCs fuente para PLCS.net estima que:

77% de los PLCs son utilizados en pequeñas aplicaciones (menos de 128 E/S).

72% de los PLC son E/S digital.

80% de los retos de las aplicaciones PLC son resueltas con un conjunto de 20 instrucciones lógicas tipo escalera.

Debido a que el 80 por ciento de las aplicaciones industriales son resueltas con herramientas tradicionales, hay una gran demanda para PLCs de bajo costo. Esto a desatado el incremento de los micro PLCs de bajo costo con E/S digital que utilizan lógica tipo escalera. También ha creado una discontinuidad en la tecnología del controlador, donde 80 por ciento de las aplicaciones requieren controladores sencillos, de bajo costo y el 20 por ciento apenas empujan las capacidades de sistemas de control tradicionales. Las aplicaciones que encajan en este 20 por ciento son construidos por ingenieros que requieren mayores razones de ciclo, algoritmos de control avanzados, y una mejor integración con la red empresarial.

En los 80s y 90s, el 20 por ciento de las PCs evaluaban el control industrial. La PC proveía las capacidades de software para desempeñar tareas avanzadas, ofreciendo una programación gráfica y ambiente del usuario ricos, además de utilizar componentes COTS permitiendo que los ingenieros de control tomaran ventaja de las tecnologías desarrolladas para otras aplicaciones. Estas tecnologías incluyen procesadores de punto flotante, buses E/S de alta velocidad, como PCI y Ethernet, almacenamiento de datos no volátiles, y herramientas de software de desarrollo gráfico. La PC también proporciona flexibilidad no paralela, software de alta productividad, y hardware avanzado de bajo costo.

Sin embargo, las PCs aún no resultaban ideales para aplicaciones de control. Aunque muchos ingenieros utilizaban la PC al incorporar funcionalidad avanzada, como el control y simulación análoga, conectividad de base de datos, funcionalidad basada en web, y comunicación con dispositivos de terceros, el PLC aún controlaba las funciones. El principal problema de control basado en PC era que las PCs estándar no estaban diseñadas para ambientes rugosos.

La PC presentaba tres retos principalmente:

Estabilidad: Seguido, el propósito de los sistemas operativos de las PCs no era lo suficientemente estable para el control. Las instalaciones controladas por la PC eran forzadas a manejar choques de sistemas y reiniciaciones no planeadas.

Confiabilidad: Con dispositivos magnéticos en rotación y componentes no industriales, como fuentes de potencia, las PCs eran más propensas a las fallas.

Ambiente de programación no familiar: Los operadores de la planta necesitan la habilidad para manejar sistemas para mantenimiento o problemas de disparo. Utilizando la lógica tipo escalera, se puede forzar manualmente un carbón a un estado deseado, y rápidamente reparar el código afectado para estabilizar al sistema. Sin embargo, los sistemas PC requieren que los operadores aprendan nuevas herramientas avanzadas.

Aunque algunos ingenieros utilizan computadoras industriales especiales con hardware rugoso y sistemas operativos especiales, la mayoría de ellos evitaban el uso de PCs para el control debido a los problemas de confiabilidad de las PC. Aunado a esto, los dispositivos utilizados en una PC para diferentes tareas de automatización, como E/S, comunicaciones, o movimiento, pueden tener diferentes ambientes de desarrollo.

Así que el 20 por ciento platicado vivía sin confiabilidad no fácilmente logrado con un PLC o unía un sistema que incluía un PLC para la porción de control del código y una PC para funcionalidades más avanzadas. Esta es la razón que muchos pisos de fábricas utilizan PLCs en conjunto con la entrada de datos con PCs, conectándose a los escáneres de código de barras, insertando información en bases de datos, y publicando datos en la Web. El mayor problema con este tipo de configuraciones es que estos sistemas son difíciles de construir, difíciles de dispararse y mantenerse. El ingeniero en sistemas frecuentemente se enfrenta a la inevitable tarea de incorporar hardware y software de distintos proveedores, lo cual presenta reto pues el equipo no esta diseñado para trabajar en conjunto.

Construyendo un Mejor Controlador

Sin ninguna clara solución de PC o PLC, los ingenieros trabajan de cerca con aplicaciones complejas con proveedores que puedan desarrollar nuevos productos. Hacían la petición de combinar habilidades de software avanzadas de la PC con la confiabilidad del PLC. Estos usuarios guiados ayudaron a desarrollar de guía de productos para compañías de control basado en PC y PLC.

Las capacidades de software no solamente requerían software avanzados, también un incremento de la capacidad de hardware de controladores. Con la declinación en la demanda de componentes PC a nivel mundial, muchos proveedores de semiconductores comenzaron a rediseñar sus productos para aplicaciones industriales. Los proveedores de control están incorporando ahora versiones industriales de procesadores de puntos flotantes, DRAM, dispositivos de almacenamiento en estado sólido como CompactFlash, y chips de Ethernet rápidos a productos de control industrial. Esto permite que los proveedores desarrollen software más potente con la flexibilidad y uso de sistemas de control basados en PC que se ejecutan en sistemas operativos en tiempo real para aumentar confiabilidad.

Los nuevos controladores, diseñados para solucionar las necesidades del 20 por ciento, combinan las mejores características del PLC con las mejores características de PCs. Los analistas industriales en ARC nombraron a estos dispositivos Controladores de Automatización Programable, o PACs. En su estudio de "Visión General a Nivel Mundial de Controladores Lógicos Programables", ARC identificó cinco características PAC esenciales. Estos criterios caracterizan la funcionalidad del controlador al definir las capacidades del software:

- Funcionalidad Multi Dominio. Al menos 2 plataformas sencillas de proceso lógico, en movimiento, control PID y programas. Exceptuando algunas variaciones en E/S para señalar protocolos específicos como SERCOS; lógica, movimiento, proceso, y PID son simplemente una función del software. Por ejemplo, el control de movimiento es un software de control en ciclos que lee entradas digitales de un codificador de cuadratura, desempeña ciclos de control análogo, y entrega una salida de señal análoga para controlar un programa.

- Plataforma de desarrollo multi disciplinaria sencilla incorporando etiquetado común y una sola base de datos para tener acceso a todos los parámetros y funciones. Debido a que los PACs están diseñados para aplicaciones más avanzadas como los diseños multidominios, requieren de software mucho más avanzado. Para que el diseño del sistema sea eficiente, el software debe estar integrado en un paquete en vez de presentar distintas herramientas de software las cuales no están creadas para trabajar entre si.

- Herramientas de software que permiten el diseño del proceso de flujo a través de varias máquinas o unidades de proceso, en conjunto con IEC61131-3, guía al usuario, y administración de datos. Otro componente que simplifica el diseño del sistema son las herramientas de desarrollo gráfico de alto nivel que ayudan a traducir el concepto del proceso de ingeniería al código que actualmente controla la máquina.

- Arquitecturas modulares, abiertas esas aplicaciones que reflejan la industria desde planos de máquinas en la industria a operaciones unitarias en plantas de proceso. Debido a que todas las aplicaciones industriales requieren configuración significativa, el hardware debe ofrecer modularidad para que el ingeniero pueda escoger y elegir los componentes apropiados. El software debe habilitar que el ingeniero adicione y remueva módulos para diseñar el sistema requerido.

Emplear estándares reales para interfases y lenguajes de red, etc., como búsquedas TCPIP, OPC & XML, y SQL. La comunicación con las redes empresariales son críticas para los sistemas de control modernos. Aunque los PACs incluyen un puerto Ethernet, el software para comunicación es la clave para evitar conflictos de integración con el resto de la planta.

Dos Acercamientos al Software

Mientras que el software es la clave de diferenciación entre los PACs y PLCs, los proveedores varían su aproximación al proveer el software más avanzado. Típicamente inician con su software de control existente y trabajan para agregar funcionalidad, confiabilidad, y facilidad de uso requerido para programar los PACs. Generalmente, esto crea dos campos de proveedores de software PAC: aquellos con marco de referencia en control de PLCs y aquellos con marco de referencia en PCs.

Software Basado en la Filosofía PLC

Los proveedores de software PLC tradicionales comienzan otorgando una arquitectura de escaneo confiable de fácil uso trabajando para adicionar una nueva funcionalidad. El software PLC sigue un modelo general es entradas de escaneo, código de control en ejecución, salidas actualizadas, y funciones de desempeño internas. Un ingeniero de control se preocupa solamente por el diseño del código de control debido a que los ciclos de entrada, y ciclos internos se encuentran escondidos. Con la mayor parte del trabajo hecho por el proveedor, la arquitectura de control estricta hace más fácil y rápida la creación de sistemas de control. La rigidez de estos sistemas también elimina la necesidad de que el ingeniero de control entienda por completo la operación de bajo nivel del PLC para crear programas confiables. Sin embargo, la arquitectura de escaneo rígido, principal fortaleza de un PLC, puede hacerla también inflexible. La mayoría de los proveedores de PLCs crean software PAC al adicionar a la arquitectura de escaneo existente una nueva funcionalidad como la comunicación Ethernet, control de movimiento, y algoritmos avanzados. Sin embargo, mantienen típicamente la apariencia y sensación familiar de la programación PLC así como las fortalezas inherentes en control y lógica. Los resultados son generalmente un software PAC diseñado para cubrir las especificaciones típicas de aplicaciones como los son la lógica, movimiento, y PID, pero es menos flexible para aplicaciones hechas a la medida como la comunicación, lectura de datos, y control de algoritmos específicos.

Software Basado en la Filosofía PC

Los vendedores de software PC tradicionales comienzan con un lenguaje de programación muy flexible y con propósitos generales, las cuales proveen un acceso profundo al trabajo interno del hardware. Este software también incorpora flexibilidad, determinismo, y arquitecturas de control ya definidas. Aunque los ingenieros pueden crear la estructura del escáner provista al programador PLC, no son inherentes al software de control basado en PCs. Esto hace que el software PC extremadamente flexible y bien preparado para aplicaciones complejas que requieren estructuras avanzadas, técnicas de programación, o control del nivel del sistemas aunque más difícil para aplicaciones sencillas.

El primer paso para estos vendedores es proveer confiabilidad y determinismo, las cuales no están siempre disponibles en un sistema operativo de propósito general como lo es Windows. Esto se logra a través de sistemas operativos en tiempo real (RTOS) como Phar Lap de Ardence (antes Venturcom) o VxWorks de Wind River. Estos RTOSs proporcionan la capacidad de controlar todos los aspectos del sistema de control, desde las rezones de lectura y escritura E/S a la prioridad de hilos individuales presentados en el controlador. Estos vendedores entonces adicionan abstracciones y estructuras de lectura/escritura E/S para hacer más fácil la construcción de aplicaciones de control confiables. El resultado es un software flexible para control a la medida, acceso a datos, y comunicación pero carente de arquitecturas de programación PLC familiares, haciendo que el desarrollo de aplicación sea cada vez más demandado.

National Instruments manufactura una familia de plataformas PAC desplegadas, las cuales ejecutan software LabVIEW. LabVIEW es el estándar real para pruebas y medición de software. El estilo de programación gráfico intuitivo, similar a las tablas de flujo, proporciona funcionalidad de un lenguaje de programación con características completas con interfase fácil de usar. Con Real-Time de LabVIEW y FPGA de LabVIEW, se combinó LabVIEW con un sistema operativo en tiempo real así como la habilidad de direccionar el objetivo FPGAs (Arreglos de Compuerta Programables de Campo) para proveer confiabilidad y determinismo.

Visión y Mediciones en PACs

Con un marco de referencia en mediciones, National Instruments esta extendiendo los PAC más allá de los E/S simples al incorporar mediciones de alta velocidad y capacidades de visión de máquina. Muchas aplicaciones industriales coleccionan mediciones de alta velocidad para aplicaciones de calidad de potencia o vibración. Los datos coleccionados son utilizados para monitorear la condición de máquina en rotación, determinar horarios de mantenimiento, identificar el uso de motor, y ajustar algoritmos de control. Los datos son normalmente coleccionados utilizando sistemas de adquisición de datos especializados o instrumentación solitaria y está incorporada a sistemas de control utilizando buses de comunicación. Los PAC de National Instruments pueden tomar mediciones con gran exactitud con una razón de muestreo de millones por segundo, las cuales son después pasadas directamente a los sistemas de control para el inmediato procesamiento.

Los ingenieros también incorporan visión a los sistemas de control. La visión es un área de automatización que ha ganado gran momentum en la última década. En un ambiente de manufactura, hay muchos errores y fallas que pueden identificarse a través de la inspección visual las cuales son difíciles de detectar utilizando técnicas de medición tradicionales. Aplicaciones comunes incluyen una parte de inspección para verificación de manufactura o ensamble, como la revisión para un correcto posicionamiento en el tablero de circuitos, reconocimiento de caracteres ópticos (OCR) para examinar códigos de datos y sortear productos, y mediciones ópticas para encontrar fallas en productos o para reacomodar de acuerdo a un criterio basado en calidad. PACs de National Instruments incorpora la visión o mediciones de alta velocidad con lógica, y control de movimiento eliminando la necesidad de los ingenieros para integrar plataformas de hardware y software incompatibles.

PACs Eliminan la Necesidad de Hardware a la Medida

Aunque los PACs representan los controladores programables actuales, los PACs futuros serán moldeables para poderse adaptar e incorporar a la tecnología. Un ejemplo es la habilidad para utilizar software y definir así el hardware. Los Arreglos de Compuerta Programables de Campo (FPGAs) son componentes electrónicos comúnmente utilizados por manufactureros electrónicos para crear chips a la medida, permitiendo la inteligencia en nuevos dispositivos. Estos dispositivos consisten en bloques de lógica configurables con la habilidad de desempeñar una variedad de funciones, la interconexión programable que actúa en los interruptores para conectar las funciones de bloques, y los bloques E/S que pasan datos dentro y fuera del chip. Al definir la funcionalidad de los bloques de lógica configurables y la manera en las cuales se encuentran conectados unos a otros y el E/S, los diseñadores de electrónicos pueden crear chips sin sacrificar la producción de ASIC a la medida. Los FPGAs son comparables a tener una computadora que literalmente conecta nuevamente los circuitos internos para ejecutar una aplicación en específico.

La tecnología FPGA ha estado disponible solamente para diseñadores de hardware los cuales eran altamente eficientes en lenguajes de programación de bajo nivel como los VHDL. Sin embargo, los ingenieros de control, hoy en día, pueden utilizar los FPGA de LabVIEW para crear algoritmos de control a la medida los cuales son descargados a los chips FPGA. Esta capacidad permite a los ingenieros incorporar funciones al hardware extremadamente críticas en tiempo como el límite y proximidad de detección del sensor y monitoreo de la salud del sensor. Debido a que el código de control se ejecuta directamente en silicón, es posible que los ingenieros creen aplicaciones rápidamente que incorporan protocolos de comunicación a la medida o ciclos de control de alta velocidad: hasta ciclos de control digital de 1 MHz y ciclos de control análogo de 200 kHz.

LabVIEW para Control

Debido a las características de LabVIEW y la facilidad de uso de la programación gráfica, LabVIEW basado en PACs es adecuado para aplicaciones que requieren:

Gráficos. Debido a que el programador de LabVIEW nativamente construye una interfase de usuario, puede incorporar gráficos y sistemas de control HMI fácilmente.

Mediciones (adquisición de datos, visión y movimiento de alta velocidad). National Instruments tiene una fuerte historia en E/S de alta velocidad, incluyendo adquisición de visión, para que pueda incorporar mediciones como vibración y visión de máquina a sus sistemas de control estándar.

Capacidades de Procesamiento. En algunas aplicaciones, requiere de algoritmos de control especializados, procesamiento de señales avanzadas, o acceso a datos. Utilizando LabVIEW, usted puede incorporar códigos de control a la medida construidos utilizando herramientas de NI o de terceros, implementar procesamiento de señales como los JTFA, o acceso de datos locales o remotos.

Plataformas. Con LabVIEW, usted puede crear códigos que ejecuten gran variedad de plataformas incluyendo una PC, un controlador incluido, un chip FPGA, o un PDA manual.

Comunicación. LabVIEW hace fácil la transferencia de datos a la empresa con herramientas como conectividad de base de datos, OPCs, e interfases de operador vía web.

PACs de National Instruments

National Instruments ofrece cinco plataformas basadas en PAC de LabVIEW.

PXI es una industria multi-vendedora estándar PAC basada en la arquitectura CompactPCI que ofrece un sistema industrial modular, compacto, y rugoso. Un sistema PXI esta controlado por un controlador incluido con un procesador de alto desempeño y multi-GHz. Puede usted elegir módulos PXI y CompactPCI de National Instruments o terceros. PXI ofrece el más amplio rango de E/S incluyendo 1000 V aislados en entrada análoga, E/S digital de alta densidad, sujetadores de marcos tanto digitales como análogos para visión de máquinas, y multi ejes de movimiento coordinados. Proporciona fácil acceso al cableado con conectores en la parte frontal de los módulos PXI. La plataforma PXI ofrece un amplio rango de módulos de medición y conectividad a los dispositivos de campo utilizando CAN, DeviceNet, RS-232, RS-485, Modbus, y Foundation Fieldbus.

La línea del producto Compact FieldPoint consiste en módulos y controladores E/S digitales y análogos intercambiables con interfases Ethernet y seriales. Los módulos E/S proporcionan conectividad directa con termocoples, RTDs, válvulas de seguridad, sensores de 4-20 mA, y 5-30 VDC y señales de 0-250 VAC. La red de comunicación Compact FieldPoint hace una interfase automática publicando mediciones a través de una red Ethernet. Puede usted tener acceso a puntos E/S cercanos o a kilómetros de distancia en la red utilizando el mismo marco de trabajo de software de lectura / escritura. Con una interfase de software sencilla, Compact FieldPoint es rápido para configurar y programar, pero proporciona la potencia suficiente para desempeñar control complejo, análisis de datos, y comunicaciones.

El Compact Vision System combina un procesador Intel de alto desempeño con un FPGA, E/S digital y tres puertos 1394. Este PAC esta diseñado para incorporar visión a aplicaciones de control a través del uso de la tecnología FireWire (IEEE 1394), compatible con más de 80 cámaras industriales. Con un FPGA reconfigurable y líneas E/S digitales en el CVS, también puede obtener control de motor espeso y digitales de bajos canales. Al programar con LabVIEW, el sistema puede estar configurado tanto para vision de alto desempeño y control digital y control de motor espeso de alta velocidad.

CompactRIO es un sistema de adquisición y control reconfigurable basado en FPGA diseñado para aplicaciones que requieren un alto grado de configuración y control de alta velocidad. La arquitectura combina un procesador en tiempo real incluido para algoritmos complejos y cálculos a la medida con un E/S reconfigurable (RIO) y coraza FPGA. La plataforma CompactRIO acomodará hasta ocho módulos E/S digitales o análogos manufacturados ya sea por National Instruments o por otras compañías. La plataforma CompactRIO es ideal para aplicaciones complejas y de alta velocidad como el control de máquinas y con un FPGA es una Buena opción para aplicaciones que normalmente requieren un desarrollo de hardware a la medida.

Las PCs Industriales estándar pueden utilizarse también en un amplio rango de módulos PCI manufacturados por National Instruments. Estos tableros plug-in incluyen hardware diseñados para E/Ss análogos y digitales, control de movimiento, y visión de máquina. Para desempeño determinístico en tiempo real, combine el hardware PCI con LabVIEW ejecutándose en un sistema operativo en tiempo real basado en PC. Real-Time de LabVIEW puede cargarse en la mayoría de las PCs Industriales estándar para proporcionar una plataforma de bajo costo para medición y control industrial.

Con una amplia variedad de plataformas de medición y control, National Instruments hace un PAC para casi cualquier aplicación. Usted puede aprender más acerca de LabVIEW, incluyendo la programación en una versión de evaluación en línea, y aprenda acerca de todas las plataformas PAC dando clic aqui.