Los beneficios de los Sistemas de Control basados en Computadoras Personales

El propósito y el alcance de estos documentos es explorar los beneficios de usar PC para el control industrial. La computadora personal (PC) estándar ha comenzado a utilizarse para el control directo de la máquina en una serie de aplicaciones industriales. Las plantas que han dado este paso lo han hecho para aprovechar el costo reducido y la mayor flexibilidad del PC. Otras plantas que han considerado el uso de PC pueden no estar familiarizadas con los beneficios de este tipo de sistema de control.

Este artículo explora los beneficios que deben considerarse al evaluar el uso de Computadoras Personales en lugar de Controladores Lógicos Programables para el control directo de equipos industriales.

Hardware
Desde la perspectiva de una aplicación de control industrial, la configuración exacta de hardware de un controlador no es particularmente importante. Las figuras 1 y 2 muestran diagramas de soluciones de hardware típicas. Todos los controladores comparten las características comunes de que utilizan un microprocesador como el corazón del sistema. Alrededor del procesador, hay dispositivos de memoria (solo lectura y/o lectura-escritura) y dispositivos de E/S. Con frecuencia, el controlador incluirá hardware que se comunica con E/S ubicadas de forma remota a través de una red.

En muchas aplicaciones industriales, es necesario que el hardware para soportar condiciones ambientales extremas. Las plataformas de hardware que cumplen con estos requisitos están disponibles fácilmente como PLC y PC

Claramente, tanto las soluciones personalizadas (PLC) como las soluciones estándar (PC) tienen el hardware necesario para realizar el control industrial. El software del sistema es lo que hace de una máquina en particular un controlador industrial, y lo que generalmente distingue a una PC de un PLC.

Todo el software de controlador industrial comparte características comunes:

• funcionamiento fiable

• código de control escrito por el usuario

• ejecución en tiempo real de ese código de control

• comunicación directa con E/S industriales

El software del sistema con todas estas características básicas está disponible actualmente para PC estándar de varios proveedores.

El hardware que se utiliza para construir PC continúa mejorando a un ritmo muy rápido. Cada seis a nueve meses se dispone de una nueva generación de equipos informáticos personales. Por el contrario, una nueva generación de hardware de PLC está disponible cada dos o tres años.

Con cada generación de hardware posterior:

• Los ordenadores se vuelven más rápidos. Los sistemas Pentium ampliamente disponibles en la actualidad superan incluso a los PLC más rápidos en márgenes de 20:1 o más.

• Las computadoras se vuelven más baratas. Las PC de alto rendimiento están disponibles por menos de $2000. Las PC de bajo costo están muy por debajo de $1000.

• Los ordenadores obtienen más memoria. Los sistemas con 16MBytes de memoria son comunes. Los sistemas con 64 Mbytes están fácilmente disponibles.

• Los PC admiten más dispositivos periféricos. Unidades de CD-ROM, tarjetas de sonido, reconocimiento de voz, escaneo óptico, unidades de cinta de alta capacidad, impresoras y una multitud de variedades, E/S especializadas (por ejemplo, osciloscopios digitalizadores) y otros artículos están ampliamente disponibles y son baratos.

Además de las mejoras con cada generación, el hardware de PC ofrece beneficios que sobreviven a través de muchas generaciones. Por ejemplo:

• Interfaces de hardware adicionales (ISA, PCMCIA, SCSI, etc.) están estandarizados.

• Los puertos paralelos y en serie están estandarizados.

• Las instalaciones de redes están estandarizadas.

• Las interfaces de vídeo están estandarizadas.

• Dispositivos de entrada (ratón, teclado, etc.) están estandarizados.

Factores humanos
La popularidad de los PC en aplicaciones comerciales ha fomentado una amplia actividad destinada a hacerlos más fáciles de instalar, comprender y usar. En particular, Microsoft WindowsT ha mejorado en gran medida la accesibilidad de los ordenadores a personas no técnicas.

Los frutos de esta actividad pueden ponerse a disposición de los usuarios de sistemas de control basados en PC. Dado que el software del sistema subyacente puede diseñarse para soportar Windows en el mismo PC, ese nivel de productividad y facilidad de uso están disponibles para todos los usuarios del sistema de control (programador, operador, técnico, supervisor).

La facilidad de uso se convierte en una productividad mejorada para el diseñador de sistemas de control. Con demasiada frecuencia, los ingenieros de control pasan tiempo de desarrollo luchando contra las herramientas de diseño y desarrollo de su sistema de control, en lugar de descubrir cómo fabricar más o mejor producto.

Específicamente, la disponibilidad de Windows mejora la productividad de las siguientes maneras:

• La interfaz gráfica de usuario (GUI) que presenta Windows permite que todas las partes del sistema de control parezcan similares a todos los usuarios. Al aprovechar esta característica común, los sistemas de control basados en PC pueden reducir el alcance de la capacitación requerida para los ingenieros de control, los técnicos de mantenimiento y los operadores de máquinas.

• Funciones avanzadas como cortar / copiar / pegar, deshacer / rehacer, buscar / reemplazar, arrastrar y soltar, etc., son comunes en aplicaciones de Windows. Estas características reducen la cantidad de tiempo necesario para realizar muchas tareas comunes al programar y mantener el sistema de control

• La documentación del sistema de control se mejora gracias a la disponibilidad de numerosos programas de procesamiento de textos, hojas de cálculo y bases de datos.

• Las herramientas de desarrollo se pueden conectar fácilmente a una red, lo que permite compartir los resultados de diversas actividades de ingeniería entre equipos de ingenieros.

Herramientas de terceros
La capacidad de admitir Windows con un sistema basado en PC proporciona al diseñador del sistema de control una gran cantidad de capacidades interesantes que utilizan paquetes de software de terceros. Considere las siguientes posibilidades

EJEMPLO:
Es necesario imprimir un informe de final de turno al final de cada día de producción. En lugar de tener que comprar equipo especial y crear software personalizado para manejar la tarea, es posible:

1. Utilice Microsoft Excel, Lotus 1-2-3 o cualquier producto de hoja de cálculo similar con DDE para extraer directamente la información deseada del sistema de control.

2. Configure la hoja de cálculo para realizar los cálculos necesarios en la información sin procesar, cree gráficos/tablas apropiados y complete cualquier dato textual.

3. Configure una macro para ejecutar la hoja de cálculo e imprimir automáticamente el informe deseado en cualquier impresora compatible con Windows.

EJEMPLO:
En una aplicación compleja, el mantenimiento de la máquina debe estar respaldado por planos de ingeniería y fotografías de la máquina, junto con una amplia documentación del diseño del sistema de control en sí.

Para soportar este sistema, se juntan las siguientes piezas:

1. Los dibujos, fotografías, etc. se digitalizan y se almacenan en un CD-ROM.

2. El sistema de control está programado para mantener la información de diagnóstico interna que refleja el estado de la máquina y la actividad esperada. La creación de esta información se simplifica gracias a la interfaz de usuario de Windows disponible para diseñar y depurar el sistema de control.

3. Una hoja de cálculo utiliza DDE para extraer información de diagnóstico del sistema de control. Esta información se utiliza en un índice para buscar posibles temas en el CD-ROM.

4. El contenido del CD-ROM se muestra al operador mediante una sencilla herramienta de hipertexto similar al sistema de ayuda en línea estándar de Windows.

5. Si se desea, se pueden aplicar sofisticadas herramientas de diagnóstico fuera de línea (un sistema experto) a la información extraída, proporcionando un análisis en profundidad del estado de la máquina, las posibles causas de un mal funcionamiento y las soluciones recomendadas.

El operador de la máquina y/o el técnico de mantenimiento ahora tiene acceso con la punta de los dedos a información altamente detallada sobre el estado actual de la máquina, su operación prevista y la causa probable de un mal funcionamiento. Esta información permite realizar rápidamente las reparaciones necesarias.

En muchos casos, el operador podrá reparar la máquina inmediatamente, sin tener que esperar a que un técnico diagnostique el problema.

Soporte de E/S
La mayoría de los principales proveedores de dispositivos de E/S industriales proporcionan una conexión entre sus dispositivos de E/S y un PC estándar. Por lo general, esta conexión es en forma de una tarjeta que va en el plano posterior del PC y se conecta a la red de E/S específica del proveedor. Además, muchos proveedores suministran dispositivos de E / S que se colocan directamente en la placa posterior del PC. Los dispositivos de E/S residentes de plano posterior cubren una amplia gama de capacidades, desde entradas y salidas discretas hasta control de movimiento de múltiples ejes.

Con un software de sistema correctamente diseñado, los sistemas de control basados en PC pueden aprovechar este hecho para proporcionar a sus usuarios profundas posibilidades. En particular, una entrada ahora es solo una entrada. Ya no es importante qué proveedor fabricó el insumo ni dónde se encuentra.

Mejor aún, la mayoría de las PC tienen múltiples ranuras disponibles para tarjetas adicionales. Esto significa que el software del sistema puede permitir al usuario utilizar entradas y salidas de más de un proveedor en un solo sistema de control.

Al mismo tiempo, es muy importante que el software del sistema no limite el acceso a las funciones especiales que están disponibles en algunas familias de E/S. Por ejemplo, algunas familias de E/S proporcionan diagnósticos de dispositivos. Si estas funciones no están disponibles para el sistema de control, los dispositivos de E/S pierden una gran parte de su valor.

En un entorno independiente del proveedor, la E / S es un elemento básico. Se puede comprar sobre la base del precio, las características u otros factores, sin tener en cuenta la compatibilidad con el sistema de control. Este hecho abre muchas posibilidades:

• A los fabricantes de equipos especializados (OEM) se les pide con frecuencia que construyan su producto en torno a una familia de E/S diferente. La independencia del proveedor de E/S que ofrecen los sistemas de control basados en PC significa que el diseño y la programación del sistema de control de su equipo no necesitan iniciarse de nuevo desde cero. Es una simple cuestión de especificar dispositivos de E/S compatibles del catálogo del nuevo proveedor.

• Los usuarios finales pueden elegir el dispositivo de E / S que mejor se adapte a las necesidades de sus aplicaciones. Las mejores entradas RTD de un proveedor se pueden utilizar en el mismo sistema de control que las mejores E/S de CC de 24 voltios de otro proveedor y los mejores dispositivos de 4-20 Ma de otro proveedor. Del mismo modo, las mejores E/S montadas en rack se pueden combinar con las mejores E/S distribuidas.

• Los diseñadores de sistemas de control pueden desarrollar controles sin preocuparse por las debilidades particulares del sistema de E/S de un proveedor.

Fiabilidad
En un entorno industrial, es imprescindible que el sistema de control sea fiable. Debe proporcionar un control constante y sin errores del proceso. La fiabilidad debe examinarse teniendo en cuenta dos consideraciones:

1. Fiabilidad física: ¿qué tan bien puede el hardware resistir el entorno físico hostil de la planta de fabricación?

2. Fiabilidad del software: ¿qué tan bien puede el software del sistema subyacente resistir el uso a largo plazo en un entorno de tiempo crítico?

En el frente de la confiabilidad física, las PC estándar de grado comercial normalmente no están diseñadas para tolerar los golpes, las vibraciones, la temperatura y el ruido eléctrico que se encuentran con frecuencia en el piso de fabricación. Sin embargo, hay muchos proveedores que proporcionan PC construidas para este entorno. Utilizan las mismas técnicas de construcción utilizadas por los fabricantes de PLC para proporcionar productos robustos:

• Soporte de cuatro puntos para tarjetas adicionales.

• Metal de alta resistencia para los cerramientos.

• Paneles frontales sellados para resistencia a la penetración de humedad.

• Componentes electrónicos calificados para operación a alta temperatura.

• Conjuntos electrónicos comprobados por golpes y vibraciones

• Etc.

Estas prácticas de construcción dan como resultado PC ‘industriales’ con tasas de fallas de por vida similares a las de los PLC.

Otro aspecto de la confiabilidad del hardware es el costo y la dificultad de reemplazar una unidad fallida. El PC está disponible en todo el mundo, con poca antelación, de muchos proveedores. En un apuro, una PC de grado comercial de la supertienda electrónica local puede incluso sustituir a una unidad de grado industrial. Los PLC solo están disponibles a través del sistema de distribución del proveedor en particular, lo que obliga a los usuarios a mantener un costoso inventario local de controladores de repuesto.

Al considerar la fiabilidad del software, hay dos aspectos importantes que deben tenerse en cuenta. Estos son:

1. Disponibilidad del sistema
   ¿Qué tan bien resiste el software el uso a largo plazo? ¿Qué tan bien está protegido el sistema de control de perturbaciones externas?

2. Accesibilidad del sistema
   ¿Qué tan fácil es el software de usar? ¿Qué tan bien pueden estar disponibles los datos del sistema de control para usos externos?

Disponibilidad: Para que un sistema de control sea útil, debe estar en ejecución (‘disponible’). Si el software del sistema está diseñado correctamente, el sistema de control será estable y robusto. El código de control del usuario estará bien protegido de otras actividades que puedan estar ocurriendo.

Los sistemas de control modernos (tanto PLC como PC) se basan en “sistemas operativos en tiempo real” (RTO). Estos sistemas operativos administran la asignación de tiempo de CPU, memoria del sistema, interrupciones y otros recursos entre los procesos que se ejecutan en la máquina.

Los sistemas operativos en tiempo real utilizados por los sistemas de control son básicamente similares, con una estructura como la que se muestra en la figura 3. Algunos proveedores utilizan sistemas operativos desarrollados internamente, otros utilizan sistemas operativos comerciales. Al evaluar la confiabilidad del software del sistema de control de un proveedor, es importante observar el historial del sistema operativo que forma la base de la confiabilidad del sistema. El software Steeplechase utiliza el sistema operativo iRMX de Intel. Con casi dos millones de copias en el campo, es un sistema operativo confiable y bien probado.

Accesibilidad: Los sistemas de control ya no son islas. De hecho, parte de la información que utilizan para controlar el equipo es igualmente importante para el funcionamiento de la propia empresa de fabricación. Además, si el sistema de control es difícil de usar, difícil de entender o difícil de obtener información de y hacia, entonces no satisfará adecuadamente las necesidades de los usuarios.

El software del sistema de control basado en PC proporciona sustancialmente más accesibilidad que los sistemas de control tradicionales basados en PLC. El entorno Windows no es solo para la programación. También está disponible durante el funcionamiento. Esto significa que:

• Los métodos estándar de intercambio de datos de Windows se pueden aplicar fácilmente para mover información entre el sistema de control y el resto de la empresa.

• El entorno de programación está disponible directamente en el propio controlador. Ya no es necesario tener una computadora separada para fines de programación.

• Se pueden utilizar una multitud de aplicaciones de Windows listas para usar para analizar o manipular los datos del sistema de control mientras el sistema de control se está ejecutando. Gestión de recetas, SPC / SQC, contabilidad de materiales, etc. todo se vuelve fácil.

Integración
Los sistemas de control industrial no se compran en el vacío; hay un trabajo específico para ellos. El uso de un sistema de control basado en PC permite realizar el trabajo total de forma más rápida, eficiente y con menos esfuerzo de integración que los sistemas de control convencionales.

Hay disponibles sistemas de control basados en PC que integran muchas partes de uso común de la solución de control general. En particular:

• Control en tiempo real: la capacidad de ejecutar estrategias de control escritas por el usuario, correctamente, durante un largo período de tiempo.

• Interfaz de operador: la capacidad de incluir una interfaz gráfica de operador en el mismo PC que el sistema de control básico. Las interfaces de operador modernas incluyen la capacidad de mostrar imágenes gráficas en la pantalla y cambiar su tamaño, posición, color, etc. basado en el funcionamiento del sistema de control.

• Programación: la capacidad de crear y depurar las estrategias de control que se utilizarán. Esto también incluye la capacidad de las personas de todos los niveles de la organización para comprender fácilmente los programas creados por otra persona.

• Documentación: la capacidad de extraer información del sistema de control de forma rápida y sencilla. Esta información abarca tanto el diseño como el funcionamiento del sistema de control.

• Comunicaciones: la capacidad de comunicarse a través de cualquier hardware de red disponible con otros sistemas de control, interfaces de operador dedicadas, máquinas en otros edificios o en todo el mundo. No se requiere ningún esfuerzo especial por parte del usuario para que esto suceda.

Para obtener más información, comuníquese con Dave Gee, vicepresidente de Ingeniería,
Steeplechase Software Inc. al Tel: 313/995-3348; Fax: 313/995-7218