Aprovechando Datos en Tiempo Real para Control Preciso de Sistemas Industriales Modernos

El planificador de un sistema operativo (SO) convencional de alto nivel como Windows o macOS tiene el objetivo de maximizar la utilización de CPU. En este escenario, múltiples usuarios pueden querer ejecutar muchas aplicaciones a la vez. Todos los procesos e hilos subyacentes deberían obtener su parte justa de tiempo de CPU.

Figura 1. Representación de un sistema operativo industrial. Imagen cortesía de Pixabay.

Un SO de tiempo real, por otro lado, tiene objetivos diferentes. Este SO debe asegurar que cada hilo se ejecute estrictamente dentro de un marco de tiempo determinado previamente y en un orden válido. Maximizar la utilización de CPU y rendimiento de datos sin considerar el tiempo y orden de ejecución no es suficiente al lidiar con restricciones de tiempo real comunes en aplicaciones industriales.

Este artículo investiga qué pueden hacer los ingenieros al diseñar una aplicación que requiera alto rendimiento de datos, latencia precisa y control de jitter.

Diferentes Máquinas y Sus Necesidades de Red

Un sistema puro de tiempo real es a menudo la solución al mirar un solo equipo aislado de su entorno.

Sin embargo, las plantas modernas comprenden mucho más que solo la maquinaria en la nave de producción. A medida que el Internet Industrial de las Cosas (IIoT), Industria 4.0 y edge computing han aumentado constantemente en años recientes, los requisitos de comunicación dentro de una sola nave se vuelven más complejos. Esto se debe partly al aumento de dispositivos conectados, pero los diferentes requisitos de comunicación de cada dispositivo también juegan un papel clave.

En este contexto, los ingenieros a menudo usan los términos tecnología operacional (OT) y tecnología de la información (IT) para clasificar las dos categorías principales de comunicación en red. OT es tráfico crítico en tiempo, por ejemplo, enviado de una máquina a un brazo robótico cuando una pieza está lista para recoger. Aquí, la información debe llegar a todos los destinatarios dentro de un marco de tiempo dado.

Figura 2. Una red industrial de maquinaria.

IT, por otro lado, a menudo requiere mayor rendimiento de datos. Típicamente, esto son datos como streams de vídeo, por ejemplo, de una cámara de seguridad o aplicaciones de oficina como correo electrónico. En IT, el rendimiento es lo que importa. Fiabilidad, latencia y jitter son a menudo preocupaciones secundarias.

Los ingenieros quieren diseñar una sola red capaz de cumplir requisitos de tráfico IT y OT sin añadir demasiada complejidad y coste — un artículo previo discutió los dos conceptos en más detalle. Investiga además cómo las redes sensibles al tiempo (TSN) ayudan a resolver problemas de fusionar tráfico IT y OT en la misma red y estudia cómo hardware de red, como Layerscape LS1028A, ayuda a ingenieros a diseñar soluciones industriales modernas.

Por Qué OT e IT Van de la Mano: Un Ejemplo de Aplicación

Funciones de tiempo real y no tiempo real ya no están separadas en entornos modernos de sistemas de control industrial. En su lugar, deben trabajar mano a mano para asegurar que una instalación de producción funcione eficiente y correctamente.

Una central eléctrica puede verse como ejemplo concreto que comprende cientos de dispositivos que podrían estar conectados usando diferentes estándares. Varios sensores, por ejemplo, reportan periódicamente sus lecturas en tiempo real. Estos sensores pueden incluir, pero no se limitan a, sensores de temperatura, presión y dispositivos que detectan gases nocivos que un proceso podría producir.

Figura 3. Manómetros en una fábrica de leche.

Los datos de esos sensores pueden ser válidos, precisos y útiles solo por un período corto — típicamente hasta que el dispositivo entrega la siguiente lectura. Por tanto, el primer punto de entrada que recopila y agrega los datos de sensores debe ser capaz de hacerlo en tiempo real.

En este ejemplo, los sensores están lejos y en lugares de difícil acceso. Están conectados vía red inalámbrica, y el primer punto de acceso que comunica con los sensores debe tener capacidades de tiempo real.

Además de sensores, la maquinaria en la planta contiene numerosos módulos de entrada/salida (I/O) que, por ejemplo, conectan a actuadores. En este caso, los ingenieros de la central decidieron usar una red cableada para conectar módulos I/O y controlador lógico programable (PLC).

Los módulos I/O, actuadores y PLC trabajan en tiempo real, y se requiere un puente de comunicación con capacidad de tiempo real para conectar los dispositivos. Los módulos I/O probablemente requieren un microcontrolador ejecutando código bare-metal, y el PLC y puente de comunicación usarán un microprocesador ejecutando un SO de tiempo real, como el software real-time edge de NXP.

Los sistemas IT más arriba en la corriente recopilan estadísticas, monitorean el sistema global y transmiten datos de vídeo de cámaras. Estos sistemas no ejecutan un SO de tiempo real. Asimismo, la transmisión de datos hacia y desde el sistema IT no ocurre en tiempo real.

Una Solución de Software que Soporta OT e IT

Además del aspecto de red, sería beneficioso fusionar operaciones IT y OT en un solo procesador. Esto reduciría la complejidad y coste global comparado con un procesador dedicado para tareas críticas en tiempo y otro que solo realiza operaciones menos críticas. Un SO de tiempo real juega un papel clave en aplicaciones críticas en tiempo.

Figura 4. Diagrama de bloques del software real-time edge de NXP. Imagen cortesía de NXP.

Algunas soluciones de software existentes permiten a ingenieros construir aplicaciones críticas en tiempo seguras, escalables y mantenibles usando Linux de código abierto. Con su software real-time edge, NXP proporciona un entorno de tiempo real seguro y confiable para aplicaciones que requieren latencia determinista y jitter predecible.

Aplicaciones típicas incluyen dispositivos conectados en varios campos profesionales, como control industrial, automatización de edificios, control automotriz, seguridad y sistemas de infoentretenimiento.

Resumen

Muchos sistemas comerciales requieren temporización precisa y latencia determinista al comunicarse con otros equipos. A medida que aumenta el número de dispositivos conectados, los ingenieros buscan formas de integrar tráfico OT e IT en una sola red. El tráfico OT a menudo requiere infraestructura de red de tiempo real confiable, mientras que datos IT a menudo necesitan alta tasa de rendimiento.

El software de tiempo real de NXP crea redes capaces de fusionar tráfico OT e IT en una sola línea usando Ethernet TSN. Hacerlo puede reducir la complejidad y coste global de la red. NXP también ofrece software real-time edge que consta de tres bloques principales, cada uno soportando diferentes aspectos clave de comunicación de tiempo real.