Results - Ship design decision support for a carbon dioxide constrained future

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omo se ha visto, las aplicaciones de planta exigen el empleo de computadores capaces de trabajar en tiemporeal, con mayores o menores exigencias de respuesta temporal (Hard Real-Time o Soft Real Time). Por tan- to, el sistema operativo que incorpore el computador deberá ser un sistema operativo de tiempo real (RTOS: Real

Time Operating System), capaz de proveer un adecuado nivel de servicio a las aplicaciones que requieran res-

puestas dentro de un determinado intervalo temporal. Una medida de la capacidad del sistema operativo para el trabajo en tiempo real es la latencia o tiempo de respuesta a un evento (expresado generalmente mediante una interrupción) significativo para el sistema . Este tiempo es el que transcurre desde que ocurre el evento hasta que se da inicio al tratamiento correspondiente. Otro parámetro a considerar en la valoración de las prestaciones tem- porales de un sistema operativo es el jitter, entendido como la variación en el periodo normal en que ocurren even- tos periódicos. Estos parámetros, en términos absolutos y para un sistema operativo concreto, dependen del procesador central del computador y, como es evidente, de su frecuencia de trabajo. Así, como ejemplo, para el sistema operativo QNX, la latencia de interrupción es de 3,3 µs trabajando sobre un Pentim a 166 MHz, y de 5,6 µs con un 486DX4. Si bien todos los sistemas operativos intentan reducir la latencia y el jitter, los RTOS además deben con- seguir que estén determinados y que no dependan de la carga puntual del sistema (los RTOS son deterministas). En el entorno Windows, opciones interesante para el desarrollo de aplicaciones industriales embedded son Win-

dows CE (www.microsoft.com/windows/embedded/windowsce/default.mspx) y Windows XP Embedded

(www.microsoft.com/windows/embedded/xpe/default.mspx). Windows CE es un sistema operativo embed-

ded de tiempo real que permite el desarrollo de aplicaciones con herramientas como Platform Builder 4.0, eM-

bedded Visual C++ 4.0, y Visual Studio.NET, usando las Smart Devices Extensions for Visual Studio.NET. Fuera

del entorno Windows, destacar, de entre la gran oferta existente, las opciones de QNX (www.qnx.com) y VxWorks

(www.windriver.com) por su excelente documentación y nivel de prestaciones, sin olvidar la alternativa de Li-

nux, con productos bajo licencia y de software libre (Linux/RK, Linux SRT, Qlinux, RTLinux, TimeSys Linux, y un

amplio etcétera) cada vez más interesante. Y por supuesto MS- DOS, que para algunas aplicaciones con pocas exigencias si- gue siendo una alternativa a considerar en el entorno industrial. Aunque algunas aplicaciones de planta pueden ser sopor- tadas por sistemas operativos de propó-

sito general, como Windows 2000 o Windows XP, el reducido tamaño de los sistemas operativos embedded (fun- ción de los requisitos de la aplicación) permite el empleo de sistemas de almacenamiento alternativos, con un me- jor comportamiento en condiciones de funcionamiento adversas, como las tarjetas CompactFlash y otros sistemas de almacenamiento estático. Resulta evidente la mayor dificultad en el desarrollo de aplicaciones utilizando este tipo de sistemas operativos que en el caso de trabajar en entornos basados en sistemas operativos convenciona- les, aunque las posibilidades de personalización de la aplicación son infinitamente superiores. De todas formas siem- pre queda la posibilidad de utilizar productos off the self, que aunque son una solución poco flexible, ahorran la necesidad de desarrollar e integrar hardware y software, y permiten su utilización directa. Otro aspecto interesante de estos sistemas operativos es la seguridad, haciendo posible el diseño de sistemas que funcionen como un PC visto desde fuera con la seguridad interna en el tratamiento de los datos de un PLC.

■ Arquitectura PC Pentium 4 de altas prestaciones con buses PCI Express, PCI 2.X, USB 2.0, ATA/IDE y puerto AGP 8x.

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Ejemplos destacados de estas pla- taformas son EBX (Embedded

Board Expandible), desarrollada

por Ampro Computers y Motorola en 1997, y la más reciente EPIC (Em-

bedded Platform for Industrial Computing), resultado de los es-

fuerzos conjuntos de Microsys, Oc-

tagon Systems, VersaLogic, WinSystem y Ampro Computers.

EBX emplea un factor de forma de 5,75 x 8 pulgadas, y permite imple- mentar sistemas de 32 bits con CPU, memoria, interface para display y E/S básica en una sola tarjeta (SBC:

Single Board Computer). EPIC em-

plea tarjetas de tamaño más reducido, 4,5 x 6,5 pulgadas, permitiendo configuraciones más compactas. Am- bos estándares mantienen la com- patibilidad con PC/104 y PC/104-Plus con la inclusión del conector de ex- pansión correspondiente. Para su- perar las limitaciones impuestas por los sistemas de bus compartido (PCI),

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RTOS Fabricante RTOS Fabricante

AMX KADAK OS-9 Microware

C Executive JMI Software pSOSystem Wind River

RTX CMX Systems QNX QNX Software Systems

LynxOS LynuxWorks RTEMS OAR

µC/OS-II Micrium ThreadX Express Logic

Neutrino QNX Software Systems Linux/RT TimeSys

Nucleus Mentor Graphics VRTX Mentor Graphics

RTOS-32 OnTime Software VxWorks Wind River

Ancho

Bus Año (bits) Velocidad

ISA 1982 8 6 MB/s ISA-AT 1984 16 16,7 MB/s MCA 1987 32 40 MB/s EISA 1988 32 32 MB/s VL-Bus 1993 32/64 132/250 MB/s PCI 1991 32/64 133/264 MB/s PCI 2.X 1993 32/64 264/528 MB/s PCI-X 2.0 2002 32/64 2,1/4,2 GB/s SCSI-1 1986 8 5 MB/s SCSI-2 1990 8/16 10/20 MB/s SCSI-3 1992 8/16 20/40 MB/s Ultra2-SCSI 1997 8/16 40/80 MB/s Ultra3-SCSI 1999 16 160 MB/s Ultra320/640-SCSI 2003 16 320/640 MB/s ATA-1 (IDE) 1996 16 2,1/4,2/8,3 MB/s ATA-2/3 (EIDE) 16 13,3/16,7 MB/s

ATA-4/7 (Ultra ATA-33/133) 16 16,7/.../133 MB/s

AGP 1X, 2X, 4X, 8X 1997 32 256/528 MB/s1/2 GB/s RS-232 1969 Serie 2,4 KB/s RS-422 1975 Serie 1,25 MB/s RS-485 1983 Serie 4,4 MB/s USB 1.0 1996 Serie 0,19/1,5 MB/s USB 2.0 2000 Serie 0,19/1,5/60 MB/s

FireWire (IEEE 1394) 1995 Serie 100/200/400 MB/s

FireWire (IEEE 1394b) Serie 800 MB/s/1,6/3,2 GB/s

InfiniBand 1X, 4X, 12X 2001 Serie 2,5/10/30 GB/s

■ Tipología de buses del entorno PC. Al- guno de los buses como ISA e ISA/AT son obsoletos en las configuraciones ofimáti- cas, pero siguen estando presentes, en las industriales.

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en las aplicaciones de alta velocidad, como las de procesado de señal, se está tendiendo al empleo de técnicas de comunicación serie conmutada, utilizando buses como PCI Express. Conscientes de este hecho, el con- sorcio responsable de EPIC ha de- sarrollado el estándar EPIC Express, que ha llevado la tecnología PCI Ex-

press (www.epic-express.org) a

los computadores embedded indus- triales.

Arquitectura de los sistemas de control y automatización

La creciente globalización de la eco- nomía, las mayores exigencias de productividad y el nuevo perfil de la demanda exigen una mayor flexibilidad de la función de producción que permita rápidas reconfiguracio- nes de los procesos de fabricación. Esta necesidad de reconfiguración junto con el menor ciclo de vida de los productos va a necesitar sistemas de control y automatización fle- xibles, ampliables y reutilizables. Esta circunstancia tiene un claro impac- to en los avances que se están pro-

duciendo a nivel de prestaciones y seguridad en la arquitectura PC, y en su papel dentro de la jerarquía de automatización. Por una parte, los avances en las tecnologías de los mi- croprocesadores (procesadores

dual-core como Intel Core Duo, pro-

cesadores de bajo consumo como In- tel Pentium M) y las comunicaciones (Ethernet industrial) afectan posi- tivamente a las mejoras de presta- ciones del PC (technology push) y, por otra, el mercado reclama mejoras en las arquitecturas de control, para hacer frente a las nuevas exigencias de flexibilidad, que se tras- ladan a los componentes de las mismas (market pull). Los sistemas

basados en relés de los orígenes de la automatización dieron paso, al au- mentar la complejidad de los procesos y avanzar la tecnología, a los sistemas de control centralizado y posteriormente a los sistemas de control distribuido. En este estadio, la función de control se descompone en diferentes partes, implementadas por controladores locales y supervi- sadas por un sistema superior que a su vez conecta con los sistemas in- formáticos de gestión de la empresa. De esta forma, se completa la inte- gración vertical de todos los procesos de negocio de la empresa, y la ac- tividad de producción queda perfectamente integrada en los sistemas de información corporativos. Todo ello establece importantes re-

quisitos de conectividad para los componentes de la arquitectura de au- tomatización.

El papel del PC en los sistemas de planta ha avanzado de forma notable en los últimos años. Por una parte, aporta recursos para resolver de forma muy satisfactoria la interface de operario, y capacidades de conectividad que facilitan la conexión de los sistemas informáticos industriales de planta con los sistemas informáticos de gestión de la empresa. Por otra parte, su presencia cerca de los procesos físicos a controlar aumenta, al

poder configurar sistemas embed-

ded con grados de protección y pres-

taciones computacionales cada vez más próximas a las conseguidas con soluciones PLC, manteniendo las ele- vadas capacidades de conectividad exigidas por las nuevas topologías de los sistemas de automatización. Las nuevas tecnologías Industrial Et- hernet (Modbus TCP, Profinet IO, EtherCAT, etc.) permiten configurar sistemas de comunicación de planta de tiempo real y facilitan la integra- ción de los sistemas de planta con los sistemas de información corporativos

(ERP: Enterprise Resource Plan- ning). Fast Ethernet proporciona

velocidades de transmisión muy superiores a las del estándar clásico, y ofrece la posibilidad de diseñar es- tructuras redundantes de alta seguridad, que aproximan Ethernet a su uso como bus de campo. Los dife-

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■ SBC EPIC con procesador AMD Geode de bajo consumo, 512 MB de SDRAM, con- trolador de vídeo de alta resolución,10/100 Mbps Ethernet, FDC, teclado, E/S serie (RS-232/422/485), puerto paralelo, E/S di- gital TTL, USB, módulo wireless, audio, ADC de 12 bits, soporte para GPS y conector de expansión PC/104-PC/104+. Fuente: WinSystem.

■ Panel de control basado en tecnología PC, con conexión para Ethernet y buses de campo DeviceNet, Profibus e Interbus. La conexión con los dispositivos de E/S basados en Et- hernet puede realizarse a través del protocolo Modbus/TCP.

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rentes requisitos de conectividad de los elementos de planta pueden obli- gar al uso de diferentes redes industriales o buses de campo (Profi- bus, DeviceNet, Interbus, etc.) o simples líneas de comunicaciones basadas en los estándares más habi- tuales como RS-232, RS-422 y RS- 485, con la posibilidad de imple- mentar canales optoaislados para comunicaciones de alta seguridad en entornos industriales.

El despliegue de la tecnología Et- hernet en las aplicaciones de auto- matización mejora la conectividad de los sistemas de planta y hace posible la incorporación del concepto

embedded Internet (embedded Et-

hernet o embedded TCP/IP), que fa- cilita la accesibilidad a los elementos de mando, a través de un navegador Web, desde los sistemas informáticos de gestión, e incluso desde fuera de la empresa. No deben olvidarse en este punto las posibilidades de las nuevas tecnologías de interconexión

inalámbrica (bluetooth, wireless

LAN), con menores costes de insta-

lación y mantenimiento, y niveles de alcance, capacidad, fiabilidad y velocidad de transmisión similares a las soluciones cableadas. Es de pre- ver que en un futuro próximo este tipo de sistema de conexión irá ga- nando terreno en el ámbito de las aplicaciones industriales, especial- mente en las funciones con menores exigencias de tiempo real, como las de supervisión.

Caracterización de las aplicaciones

Generalmente, los sistemas de planta que incorporan la función de in- teligencia en las aplicaciones de control y automatización son sistemas reactivos que trabajan en tiempo real. En estos sistemas, el tiempo que se tarda en generar una salida es significativo y, por lo general, dicha salida está relacionada con algún cam- bio en el mundo físico, que ha sido detectado de alguna manera a través de alguna entrada del sistema. Las in- teracciones entre las entradas y las salidas del sistema están sujetas a restricciones temporales que pueden ser más o menos exigentes, y que junto con la carga computacional de los algoritmos que deban im- plementarse, determinarán el nivel de dificultad y el coste de la solución. Este tipo de sistemas debe cumplir condiciones de seguridad y de co- rrección lógica y temporal, de manera que las transformaciones de datos cumplan en todo momento las espe- cificaciones y respeten las restricciones temporales de la aplicación. En el caso más desfavorable, para aplicaciones de control complejas como las técnicas de control vecto- rial de movimiento, las característi- cas negativas de la aplicación (ele- vada carga computacional, restricciones temporales fuertes y alta velocidad de E/S de datos) determinan los requisitos de hardware y software para la implementación de una solución satisfactoria, sin olvidar

otros parámetros importantes como la potencia consumida, el volumen o el peso del equipo y el precio del desarrollo y del producto final. Por otra parte, también debe tenerse en cuen- ta la tipología del sistema en cuanto a la forma de interaccionar con el entorno, que generalmente depende del tipo de función de planta que im- plementa el sistema. Para las operaciones de mando, generalmente se dispone de sistemas basados en re- loj que realizan las operaciones de

acuerdo con un tiempo de schedu-

le, y sistemas basados en eventos

que realizan operaciones asociadas a sucesos (activación de un pulsador, final de carrera, etc.). Por el contra- rio, las operaciones de supervisión re- quieren sistemas interactivos con menores exigencias de respuesta temporal, pero con mayores recursos para resolver las interfaces de usua- rio de los sistemas HMI (Human Ma-

chine Interface).

Se han analizado los requisitos ló- gicos y temporales que deben alcan- zar los sistemas de control y auto- matización de planta, pero no debe olvidarse que lo que distingue más claramente a una aplicación industrial son las condiciones ambientales ex- tremas en las que debe funcionar la electrónica. En esas condiciones de entorno agresivo con variaciones temporales significativas de las condiciones del medio, deben tenerse en consideración aspectos relacionados con las protecciones electromagné- tica, mecánica y contra agresiones químicas de diferente naturaleza. De- ben fijarse límites a los niveles de emisión de interferencias e inmuni- zar la electrónica frente a la recepción de las mismas, seguir las recomen- daciones establecidas normativa- mente para proteger los equipos de vibraciones y choques, y proporcio- nar los medios para proteger la elec- trónica del polvo, agua, gases y otros agentes agresivos. Deben seguirse las normas UNE 20-324-93 de grados de protección proporcionados por las envolventes (código IP), que es equivalente a la Norma Europea EN 60529, y la UNE-EN 50102 sobre grados de protección proporcionados por las envolventes de materiales eléctricos contra los impactos me-

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■ Mini-PC portátil fabricado por A. Born, con pantalla táctil. Fabricado en una alea- ción de aluminio y totalmente estanco, está dedicado a aplicaciones móviles de adqui- sición de datos y la comunicación vía In- ternet. Este Tablet PC alcanza el grado de protección IP68, siendo totalmente hermé- tico al polvo y estando protegido contra in- mersión prolongada.

■ PC industrial con panel frontal de alu- minio de la firma Advantech. Procesador Pentium III a 1,26 GHz o Celeron a 1,2 GHz. Bus PCI/ISA. Display LCD XGA TFT de 15 pulgadas, con protección frontal NEMA4/ IP65. Soporta el montaje en rack industrial o como panel.

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cánicos externos (código IK). Tam- bién existen los estándares de pro-

tección NEMA (National Electrical

Manufacturers Association) em-

pleados por los fabricantes nortea- mericanos con equivalencias apro- ximadas al código IP empleado en Europa (ver AeI núm. 283, pág. 96).

Estas características de las aplicaciones de planta determinan los requisitos que deben satisfacer las soluciones constructivas del computador a emplear. Una primera alternativa la constituyen los PC de

tipo panel con tecnología touch

screen que constituyen soluciones

compactas para aplicaciones de au- tomatización industrial, HMI, control numérico y, en general, para la im- plementación de funciones en el nivel de supervisión en la jerarquía de automatización. Una opción pareci- da, pero de mayor potencia, es la

workstation industrial, que se trata

de un PC con funcionalidades es- tándar pero con niveles de seguridad y de servicio más altos, y en- vuelto en un chasis de alta resistencia capaz de proteger la electrónica en las condiciones ambientales más adversas.

Por otra parte, siempre es posible configurar sistemas de prestaciones ajustadas a los requisitos de la apli- cación en torno a backplanes pasi- vos, motherboards activas o tarjetas SBC con diferentes factores de forma (EBX, EPIC, ETX) y escoger ar- marios o cajas con los adecuados ni-

veles de protección y posibilidades de montaje (rackmount, wallmount). Asimismo, están disponibles pre- sentaciones constructivas portátiles y especiales, correspondientes a sistemas redundantes multiprocesador para aplicaciones de alta seguridad.

Configuración y desarrollo de soluciones

La tendencia a la reducción del ta- maño y el coste de los sistemas manteniendo incrementos de productividad importantes ha permitido la entrada de la tecnología PC en las aplicaciones de planta. La mejora de la seguridad de las arquitecturas y de los sistemas lógicos de la plataforma PC permite incorporar una gran potencia computacional a los sistemas de control y automatización. Asi- mismo, la tecnología PC, basada en

el uso de sistemas operativos em-

bedded, permite combinar diferen-

tes funciones configurando unidades simples a la escala de la aplicación, reduciendo los costes y el tamaño de la solución física. El análisis de la aplicación a desarrollar permite de- finir los requisitos computacionales del sistema de control-automatiza- ción, y la observación del entorno en el que deberá funcionar dicha apli- cación establece las necesidades de protección de la electrónica. Los requisitos computacionales, a nivel ló- gico y temporal, permiten aproximar la potencia del procesador, la arquitectura del computador y el sistema operativo más adecuado. Para aplicaciones estándar, es fácil encontrar configuraciones de propósito general que satisfagan plenamente sus exigencias de carga computacional,

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■ Workstation industrial de Jenlogix. Inter- face LCD XGA con resolución de 1024x768. Teclado de membrana y touchpad frontal. 10 slots PICMG (PCI/ISA). Flash disk, HD y FD, y DVD o CD-ROM. Protección frontal NEMA 4/IP65.

■ Chasis wallmount (izquierda) de Chassis Plans con sistema configurado alrededor de motherboard activa. Chasis rackmount (derecha) del mismo fabricante con alimentación re- dundante.

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tiempo de respuesta y velocidades de transferencia de E/S.

En el caso de aplicaciones más es- pecíficas, como las aplicaciones de control embedded, el proceso de di- seño de la solución es algo más ela- borado, y debería empezar por la se-

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