El camino hacia la tecnología de control 5.0

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La tecnología de control va camino de dar el paso al control virtual - el control 5.0. ¿Pero no acabamos de llegar a la Industria 4.0? Para poder clasificar mejor qué desarrollos se están produciendo en la tecnología de control, vale la pena mirar hacia atrás en las etapas individuales de evolución.  Sin embargo, un beneficio práctico es obvio: se elimina la dependencia del hardware, sin errores en caso de cuellos de botella en la entrega.

La mayoría de los controladores que se utilizan en la actualidad se basan en una plataforma hardware, pero, en última instancia, el software ya determina la función del proceso. Si recientemente se habla de controladores virtuales, por supuesto también se requiere hardware para la ejecución. A diferencia de los controles basados ​​en software (control 4.0), el hardware ahora está completamente abstraído. Esto significa que la SoftPLC ejecutada ya no necesita saber en qué dispositivo se está ejecutando.

Sin embargo, antes de eso, vale la pena echar un vistazo a los niveles 1.0 a 4.0 de la tecnología de control, que se proporciona aquí en la parte 1 del artículo sobre controles virtuales.

Control 1.0: Controles mecánicos

Han hecho grande la ingeniería mecánica: controles puramente mecánicos con cigüeñales, árboles de levas y ejes verticales, así como amplias influencias de velocidad a través de engranajes . Estas primeras máquinas fueron impulsadas inicialmente por caballos y carretas, más tarde por máquinas de vapor y motores Otto o diésel.

Una aplicación clásica, que todavía estaba muy extendida hasta hace poco, es el eje de línea en las rotativas de impresión. La complejidad cada vez mayor de la mecánica con funciones complejas, la inmensa cantidad de material utilizado y los límites físicos debido a las condiciones mecánicas son la razón por la que tales controles casi han desaparecido.

Control 2.0: Controles eléctricos

Con la llegada de la ingeniería eléctrica surgieron nuevas posibilidades, especialmente con componentes electromecánicos como motores eléctricos, contactores o relés. Permitieron el cambio de unidades 'controlado a distancia'. Los 'programas de control' complejos podrían cablearse y ejecutarse utilizando combinaciones de temporizadores neumáticos, aerodinámicos y térmicos o motores síncronos y de corriente continua.

Tal vez uno u otro todavía recuerden las lavadoras o secadoras defectuosas de la década de 1980: sus controles tenían varias docenas de cables y el reemplazo requirió una documentación meticulosa.

Las funciones de dichos controles aún eran fáciles de implementar, pero requerían, como en el caso descrito, una conexión discreta de todos los sensores y actuadores y, por lo tanto, mucho trabajo de cableado. Por ejemplo, los diferentes programas de secado se conmutaban mediante elementos giratorios, que se conectaban a las unidades correspondientes mediante contactos deslizantes o de resorte. No menos importante por esto, dichos controles requerían un mantenimiento bastante intensivo.

Control 3.0: controles electrónicos

El advenimiento de la electrónica y, en particular, de los procesadores programables allanó el camino para los controles que todavía son comunes en la actualidad.  Para series más pequeñas o aplicaciones cambiantes, la función se almacena en la memoria del sistema, anteriormente en PROM, EPROM y EEPROM, hoy en módulos flash.

La libre programación de la función en la memoria del sistema provocó el nacimiento del tipo de dispositivo industrial del controlador lógico programable (PLC), cuya aplicación se crea en herramientas de programación basadas en PC y luego se carga en el dispositivo. Con el inicio del PLC, la aplicación almacenada se ejecuta inmediatamente y, por lo general, funciona durante décadas en funcionamiento 24/7.

Control 4.0: Controles basados ​​en software

Los sistemas operativos llegaron a la tecnología de control hace más de 20 años. Traen consigo muchas tecnologías útiles, como las conocidas de las PC, entre otras cosas. Esto incluye el sistema de archivos, las pilas de protocolos TCP/IP, la multitarea o el práctico soporte de funciones gráficas. Dichos sistemas se pueden actualizar a un PLC completo utilizando el software del sistema en tiempo de ejecución, es decir, SoftPLC.

Si estos dispositivos fueron diseñados para uso industrial, apenas se diferencian de un PLC 'normal' en el exterior. Sin embargo, el usuario no puede procesar una única función lógica programada. Las propiedades multitarea del sistema operativo y la potencia de la CPU ahora hacen que estos sistemas sean multifuncionales. Y así, hoy en día, no solo las funciones de automatización como la visualización y el control de movimientos coordinados a través de sistemas CNC y robots se llevan a cabo en un solo dispositivo, sino también tareas de comunicación muy generales.

Al mismo tiempo, se pueden implementar tareas completamente diferentes sin ningún problema, especialmente si se utilizan CPU con más de un núcleo de procesador. Dado que las funciones se pueden recargar mediante módulos de software adicionales, los fabricantes anuncian sus sistemas con analogías como "teléfonos inteligentes para tecnología de automatización". Aquí los usuarios pueden determinar la función del dispositivo ellos mismos a través de aplicaciones. Cuando dichos sistemas están conectados a Internet y plataformas en la nube, se convierten en controladores de borde.

Control 5.0: controles virtuales

Esto nos lleva al nivel 5.0 y debe mencionarse una vez más que todos los controladores desde el nivel 3.0 en adelante están definidos en última instancia por software, incluso si todos ellos, hasta el controlador virtual, por supuesto, requieren una plataforma de hardware. Curiosamente, todavía es el hardware el que se vende e instala hoy.

Los controles virtuales ahora se diferencian de los controles basados ​​en software (control 4.0) en que el hardware está completamente abstraído. En pocas palabras: el SoftPLC ejecutado ya no necesita saber en qué dispositivo se está ejecutando. Estos todavía pueden ser dispositivos de control dedicados, como plataformas de control multifuncionales o PC industriales, o más recientemente plataformas informáticas Edge, que se pueden encontrar cada vez con más frecuencia en las redes de control de los operadores de máquinas y plantas. En última instancia, esta tarea también puede ser asumida por plataformas de computación en la nube ubicadas en cualquier centro de datos.

La abstracción del hardware a través de contenedores o hipervisores es crucial. Luego, el SoftPLC se 'implementa' usando medios estándar o se orquesta usando una herramienta; no hay necesidad de una instalación como con Control 4.0. Para dividir las aplicaciones de forma granular como microservicios, simplemente puede crear varias instancias en paralelo para diferentes tareas de control, escalables en términos de memoria y rendimiento de la CPU. A continuación, se puede implementar fácilmente una conexión a sistemas de bus de campo físicos a través de interfaces LAN virtuales. El comportamiento en tiempo real del control se implementa mediante contenedores o hipervisores en las adaptaciones al sistema operativo.

La principal ventaja de un controlador virtual sobre los otros tipos de controladores es:

Una reducción significativa de los costos y el esfuerzo de adquisición, cableado, mantenimiento, implementación de aplicaciones y administración de dispositivos. El lugar más costoso de una máquina, conocido como armario de control, ya no está ocupado por uno o más controles. Las fuentes de alimentación y su cableado ya no son necesarios, en lugar de adquirir e instalar varios controladores, es suficiente cargar una plataforma de TI disponible en la red con controladores virtuales y administrarlos de forma centralizada, realizado por especialistas de TI en lugar de especialistas en automatización. OT y IT están así completamente fusionados.

Configuración desde controlador 3.0

Antes de entrar en el uso de controladores virtuales, vale la pena echar un vistazo a la cuestión de cómo se define la función de un controlador. En el caso de los controladores 1.0 y 2.0, se trata claramente del hardware, a través de la selección y combinación de componentes mecánicos o eléctricos. Desde Control 3.0, existen herramientas de programación, en su mayoría estandarizadas internacionalmente según IEC 61131-3, con las que los especialistas en aplicaciones proyectan o programan la función.

Codesys se ha establecido durante años como una herramienta independiente de los fabricantes de dispositivos. Además de la programación lógica, cada vez se han integrado más funciones de automatización en la plataforma, por lo que hoy en día se pueden configurar tareas de automatización completas en un entorno de desarrollo integrado (IDE). Al mismo tiempo, muchos usuarios utilizan los SoftPLC Codesys Control compatibles en las plataformas estándar disponibles con MS Windows o Linux, rompiendo así la dependencia tradicional del proveedor del dispositivo. Especialmente en tiempos de dificultades de entrega, es una gran ventaja si puede cambiar a un hardware diferente sin tener que portar la aplicación de control.

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Roland Wagner, director de marketing de productos, Codesys GmbH, Kempten