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Controladores industriales: una propuesta de análisis


¿Cómo elegir un controlador? Iniciamos una serie abierta de artículos que analizarán diferentes propuesta de controladores industriales disponibles en el mercado. En esta introducción, un marco estándar para facilitar la decisión de compra de esta tecnología.

Controladores industriales: una propuesta de análisis

Cuando nos planteamos un proyecto de automatización, uno de las primeras decisiones a tomar corresponde a la selección de la familia de controladores con que vamos a trabajar. Según las características del proyecto tenemos una amplia gama de fabricantes y opciones. En algunos casos, los primeros criterios en que se puede pensar son la fiabilidad de funcionamiento y el coste. Son criterios correctos si nuestro objetivo es diseñar una sola automatización y no tenemos previsto incorporar posteriormente nuevas funciones y mejoras, o si no tenemos previsto la realización de nuevos proyectos.

Si de lo que se trata es de escoger un controlador para una nueva familia de máquinas o para nuevos proyectos de automatización que nos permitan consolidar una oferta de productos y servicios como empresa, entonces la selección de un controlador pasa a ser estratégica.

Existen diversas aportaciones de especialistas sobre criterios para escoger el controlador de automatización adecuado. En nuestro caso planteamos dos niveles de criterios: el primero sobre el fabricante/proveedor en general (apartado 1) y el segundo sobre las características técnicas del producto (apartado 3). El apartado 2 está dedicado a comentar aspectos clave del proyecto que condicionan la importancia relativa de las diferentes características técnicas presentadas en el apartado 3.

1. Características del proveedor

Estándares. Es conveniente seleccionar un proveedor que trabaje con productos que cumplan estándares ampliamente aceptados y aplicados. Estamos hablando de lenguajes de programación, buses e interfaces de comunicación y sistemas operativos, entre otros. También podemos incluir en este apartado normas de organismos internacionales como ISA 85, PackML, PLCopen, etc. para el diseño y el desarrollo de soluciones. Si trabajamos con equipos y entornos basados en sistemas abiertos será más fácil y económico encontrar productos y soluciones que puedan combinarse con estos equipos.

Tecnología innovadora. También nos interesa que nuestro proveedor nos ofrezca productos sólidos y probados, robustos y fiables, pero que, al mismo tiempo utilicen tecnologías innovadoras.
Flexibilidad y escalabilidad. Los productos que nos ofrezca el fabricante deben ser configurables y fácilmente adaptables a las necesidades de cada proyecto. También es conveniente que disponga de una gama de productos que permitan escalar nuestras soluciones; utilizando el mismo entorno de desarrollo para proyectos que requieran mayores prestaciones o que tengan mayor extensión o complejidad, y que también podamos aprovechar para ello desarrollos aplicados en soluciones anteriores.

Soporte técnico. Es muy útil que tengamos en nuestro proveedor un colaborador que nos da soporte para la utilización de sus productos, que nos ayuda a resolver problemas y que, además, es capaz de proponernos soluciones. Que disponga de documentación completa y clara y que sea capaz de proporcionarnos la formación necesaria.

Implantación amplia. Contar con una red de clientes y referencias que nos proporcionen confianza y seguridad y, a poder ser, con una red de distribución extensa es clave. Esto último es especialmente importante si aspiramos a que nuestras soluciones se utilicen en diferentes países.

Obsolescencia tecnológica protegida. Un fabricante de equipos de automatización está obligado a ir mejorando su producto aprovechando los avances tecnológicos pero al mismo tiempo, a medida que aumenta su base de clientes, contrae una obligación implícita o explícita de garantizar soporte y recambios durante un largo periodo de tiempo dado que la obsolescencia tecnológica es mucho más rápida que la obsolescencia de las instalaciones de muchos de sus clientes. Aunque no suele ser el criterio principal, puede ser conveniente conocer la política que aplica cada proveedor en este aspecto antes de tomar la decisión final.

2. Características de los proyectos

El segundo de los factores determinantes de la elección. Si se trata de controladores para maquinaria con control de movimiento, por ejemplo, será conveniente ver que las características técnicas del controlador sean suficientes para las exigencias de rapidez y precisión requeridas, y también comprobar si el entorno de desarrollo que ofrece el proveedor dispone de funciones para el control de este tipo de movimientos.

Dependiendo si se trata de proyectos de control de movimiento, control de proceso, o control discreto, y según los niveles de seguridad integrada que podamos necesitar, debemos reducir nuestra selección a aquellos proveedores que nos ofrezcan productos (controlador y entorno de desarrollo) para cubrir, de la forma más amplia posible, toda la gama de necesidades a atender.

Otro aspecto importante es si debemos controlar una línea de producción o un proceso mediante un sistema de control centralizado y una red de dispositivos I/O, o de sensores inteligentes ubicados en puntos dispersos (IoT). O bien debemos poder trabajar con una red de controladores que se comunican entre sí para realizar las tareas de control. O si se trata de automatizar una máquina aislada o de automatizar una máquina para que trabaje en un entorno integrado, con otras máquinas y aplicaciones, o con supervisión a través de la nube.

3. Características técnicas de los productos.

Los criterios que se presentan en este apartado se han agrupado en tres bloques: características técnicas de los controladores y gama de dispositivos disponible; potencia y facilidad de uso del software para la programación de los controladores y para la configuración, desarrollo y puesta a punto del proyecto; y uso de estándares que faciliten la integración de dispositivos y aplicaciones, la interoperabilidad y el uso de recursos en la nube.

En cada uno de estos tres bloques señalamos aquellos aspectos más significativos.

3.1. El controlador, o la familia de controladores. Habitualmente cada proveedor dispone de varias familias de controladores orientada, cada una de ellas, a satisfacer un determinado nivel de exigencia, bien sea por las características del sistema a controlar o a la complejidad de las funciones a realizar. Para los usuarios es importante disponer de una gama amplia de productos que pueda adaptarse a las necesidades de su aplicación, sin necesidad de pagar un sobrecoste por prestaciones innecesarias, pero que cualquiera de ellos se pueda configurar y programar en un mismo entorno. Esta disponibilidad de productos en un entorno de desarrollo único reduce los tiempos de desarrollo y mantenimiento de las aplicaciones.

  • Potencia de computación. Normalmente vinculada a las características intrínsecas de la CPU. Actualmente es habitual el empleo de microprocesadores multi-núcleo y elevada capacidad de cómputo.
  • Sistema operativo. Para el control y ejecución de tareas de control industrial casi siempre es necesario trabajar con sistemas operativos de tiempo real. Si el controlador debe manejar aplicaciones Windows o Linux puede ser conveniente disponer de un sistema operativo compatible o bien disponer de la capacidad de poder trabajar con dos entornos operativos: uno de tiempo real y otro Windows. Algunos controladores admiten versiones de sistemas operativos Windows o Linux que también pueden manejar la ejecución de tareas en tiempo real.
  • Bus de comunicaciones. Es una característica clave en sistemas multi-dispositivo, se trate de controladores, variadores, paneles de visualización, o unidades I/O distribuidas. Actualmente, excepto en entornos específicos que requieren buses especiales como el bus CAN, lo normal es que los controladores puedan trabajar con buses basados en Ethernet.

El uso de buses basados en un estándar bien conocido y extendido como Ethernet facilita el diseño y montaje de redes de comunicación que incorporen dispositivos de distribución y seguridad de red. El problema que presenta el empleo de Ethernet en redes industriales, que han de soportar aplicaciones de control en tiempo real, es que es preciso que el protocolo y la configuración de la red garanticen el determinismo necesario. Por esta razón, muchos controladores utilizan protocolos de comunicación compatibles Ethernet pero que, al mismo tiempo, incorporan elementos que garantizan hasta un determinado grado de tiempo real.

Al seleccionar un controlador es conveniente asegurarse que la red industrial y los protocolos de comunicación empleados nos proporcionan el grado de determinismo que requieren nuestras aplicaciones.

  • Interfaces de usuario. Muchas aplicaciones utilizan paneles de visualización como interfaces de usuario. En este caso es conveniente estudiar también las soluciones de visualización que ofrece el fabricante, tanto en lo referente a los dispositivos como a la facilidad de desarrollo.
  • I/O. Todo sistema de control incluye señales de entrada y salida (digitales, analógicas, pulsos, etc.) en un determinado número y procedentes de sensores, o detectores, y también destinadas a actuadores (relés, válvulas, etc.) por lo que es preciso estudiar las posibilidades de configuración que ofrece el fabricante: acoplando más o menos módulos a la unidad de control o disponiendo de dispositivos remotos de entrada/salida.

3.2. El entorno de desarrollo. El diseño y desarrollo de una aplicación de automatización precisa de un conjunto de herramientas para programar y verificar el software que ejecutará el controlador. Por otra parte es útil disponer de herramientas complementarias que permitan supervisar la ejecución de los programas interaccionando con el sistema real o con un sistema simulado y, así, faciliten la puesta a punto de la aplicación. Actualmente existen entornos de diseño muy completos que proporcionan librerías de programas, la reutilización de programas ya desarrollados y verificados, así como la posibilidad de trabajar con controladores virtuales, entre otras. También existen entornos para el desarrollo de ventanas HMI a visualizar en paneles de visualización o en pantallas de ordenador.

En algunos casos las tareas de desarrollo de las soluciones HMI las proporciona el mismo entorno de diseño de los programas de control y, en algunos casos, este entorno también puede llegar a permitir la configuración de los elementos de la red de dispositivos conectados al bus industrial.

  • Entorno unificado de diseño. Es un elemento clave para conseguir desarrollar con rapidez y eficacia aplicaciones fiables. Conviene analizar detalladamente todas sus funcionalidades y las librerías disponibles para agilizar la programación de aplicaciones.
  • Entorno de diseño de soluciones HMI. Como hemos comentado en la introducción, es un elemento necesario para poder visualizar alarmas, o el estado de la máquina o del proceso, sea a pie de máquina, en la sala de control, o a través de dispositivos de movilidad como tablets o smartphones.
  • Seguridad. El creciente entorno normativo sobre seguridad en máquinas y sobre determinados procesos puede obligarnos a prever, dentro de nuestra solución de automatización, elementos de seguridad intrínseca, incluyendo comunicaciones y determinadas funciones software. En estos casos es importante que el fabricante disponga de la posibilidad de incorporar este tipo de elementos en la solución de automatización a desarrollar.
    En otros casos, lo que se requiere es aumentar la fiabilidad de funcionamiento utilizando redundancias, sea en hardware, software o comunicaciones. Es conveniente analizar las posibilidades que ofrecen el entorno de desarrollo y el propio hardware para poder añadir aquellas redundancias que nos permitan obtener el nivel de fiabilidad necesario.

3.3. Estándares e Interoperabilidad. La tendencia de la industria y la tecnología en ofrecer productos abiertos que puedan integrarse en una solución de automatización no propietaria ya está muy extendida. Diversas organizaciones internacionales trabajan, con el apoyo de las principales empresas proveedoras, en establecer estándares que faciliten la integración de equipos en redes extendidas de dispositivos (IoT) y en redes locales, la integración de aplicaciones a cualquier nivel de la pirámide de control y entre los diferentes niveles y la conectividad con aplicaciones y datos almacenados en la nube.

Es conveniente conocer, para cada opción, que estándares ha adoptado el proveedor y que facilidades proporciona para ayudarnos a que la solución a desarrollar cumpla con los estándares exigidos en cada caso. Los estándares más importantes son los relativos a:

  • Redes de comunicaciones entre dispositivos (controladores, variadores, HMI, robots, instrumentos,…), entre ellos: Ethernet, Ethernet/IP, Profinet, Ethercat, Powerlink, CAN, etc.
  • Integración de aplicaciones (HMI, MES, simuladores, PLM, etc.), entre ellos: OPC y OPC UA. El objetivo de los estándares es que las aplicaciones puedan interoperar, es decir, acceder y proporcionar datos mutuamente y poder trabajar con dichos datos.
  • Conectividad con aplicaciones y datos en la nube. Existen diversos entornos en la nube para el almacenamiento de datos y para la ejecución de aplicaciones como servicio. Si nos interesa contemplar el desarrollo de soluciones que operen con datos o aplicaciones residentes en la nube es necesario conocer las posibilidades que ofrece el proveedor para ello.

Controladores industriales: artículos de análisis

1. Rockwell Automation y su familia PAC