El control y las E / S distribuidas de próxima generación abren nuevas posibilidades para la infraestructura conectada

¿CUÁL ES EL OBJETIVO?

A los usuarios finales les gustaría que IIoT creara un sistema cohesivo de dispositivos y aplicaciones capaces de compartir datos sin problemas entre máquinas, sitios y la empresa para ayudar a optimizar la producción y descubrir nuevas oportunidades de ahorro de costos.

Compartir datos de procesos ha sido durante mucho tiempo un objetivo de la automatización industrial, pero las arquitecturas de tecnología operativa (OT) tradicionales tienen un escalado deficiente, tienen un precio prohibitivo y exigen una configuración y un soporte complejos.

Entonces, ¿qué está cambiando para lograr este nuevo y más ambicioso objetivo?

Por mucho que las tecnologías de hardware y software para el consumidor hayan cambiado para mejorar la facilidad de uso y la conectividad, los productos y métodos industriales siguen la misma tendencia. Al adoptar capacidades de tecnología de la información (TI), facilitan la conexión de equipos industriales con redes informáticas, software y servicios, tanto en las instalaciones como en la nube.

Este artículo analiza cómo una arquitectura global más distribuida está permitiendo la conectividad desde el campo a la nube para sensores y actuadores, y para los sistemas de entrada / salida (E / S) y controladores vinculados a ellos.

ARQUITECTURA ARRIBA Y ABAJO

Las arquitecturas de automatización industrial generalmente abordan el procesamiento de datos desde una perspectiva jerárquica, como con el modelo clásico de Purdue. Una buena característica de esta jerarquía es la claridad que proporciona con respecto a dónde se pueden originar, almacenar, procesar y entregar los datos.

Sin embargo, la tarea de transportar datos y procesarlos en contexto a menudo es difícil, porque se requieren muchas capas de equipos para conectar dispositivos y aplicaciones.

Por ejemplo, la ilustración muestra un método tradicional de adquirir datos de temperatura de un equipo de la instalación y moverlos a un cliente de fondo, como una base de datos.

El nivel más bajo de arquitectura de automatización se compone de los dispositivos físicos que residen en el equipo de proceso y maquinaria: sensores, actuadores de válvulas, arrancadores de motor, etc. Estos están conectados a los puntos de E / S de los controladores lógicos programables (PLC) del sistema de control y las interfaces hombre-máquina (HMI), los cuales son adecuados para el control local pero menos útiles para cálculos avanzados y procesamiento de datos.

Sin embargo, utilizando protocolos de comunicaciones industriales, estos dispositivos de bajo nivel pueden responder a las solicitudes de datos de los sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA) ascendentes, donde se pueden registrar o poner a disposición del software analítico de nivel corporativo. Sin embargo, compartir datos dentro de sistemas de múltiples proveedores a menudo requiere middleware adicional, como controladores de dispositivo OPC, para traducir los diversos protocolos industriales.

El sistema de ejecución de fabricación en el sitio (MES) más avanzado y el software de planificación de recursos empresariales (ERP) en general también residen en niveles más altos de la arquitectura alojada en PC o servidores en el sitio o en la nube, donde la nube se define como a gran escala, basada en Internet, informática y almacenamiento compartidos.

La información generalmente fluye hacia niveles más altos para ser analizada y utilizada para optimizar las operaciones, pero el área de las capas intermedias se requiere para interpretar, traducir, filtrar y formatear los datos sin procesar producidos por dispositivos y protocolos de bajo nivel.

Dado que los dispositivos de bajo nivel generalmente carecen de protección contra la intrusión cibernética, también se debe mantener una división clara entre los sistemas de alto nivel expuestos a redes externas y los sistemas de bajo nivel.

Los avances de la última década están alterando significativamente esta jerarquía tradicional, aplanándola y simplificándola en gran medida.

EVOLUCIÓN DE E / S DISTRIBUIDAS

Los datos de campo pueden ser puntos de E / S sin procesar conectados en el borde o valores de cálculo derivados. De cualquier manera, el problema con las arquitecturas tradicionales es la cantidad de trabajo que se necesita para diseñar, conectar físicamente, configurar, mapear digitalmente, comunicar y luego mantener estos puntos de datos. Agregar incluso un punto más tarde puede requerir volver a revisar todos los pasos.

Para crear sistemas distribuidos más escalables, algunos proveedores están haciendo posible eludir estas capas entre el mundo real y los sistemas analíticos de nivel intermedio o superior.

Con suficiente potencia informática, todo el software necesario para permitir las comunicaciones puede integrarse directamente en un dispositivo de E / S. En lugar de requerir un controlador para configurar, sondear y comunicar datos de E / S a niveles superiores, los dispositivos de E / S pueden transmitir información por sí mismos.

Este tipo de procesamiento de datos de borde también es posible debido a la proliferación de herramientas IIoT, por ejemplo:

  • MQTT con bujía B – un diseño de protocolo de comunicaciones de publicación-suscripción seguro, liviano y de código abierto para comunicaciones de máquina a máquina, con una carga útil de datos diseñada para aplicaciones industriales de misión crítica.
  • OPC UA – Una especificación OPC independiente de la plataforma, útil para la comunicación de máquina a máquina con dispositivos heredados.
  • Nodo-RED – Un lenguaje de programación IoT de código bajo y código abierto para administrar la transferencia de datos a través de muchos dispositivos, protocolos, servicios wen y bases de datos.

La E / S remota inteligente de hoy, también conocida como E / S Edge, aprovecha estas tecnologías y las combina con protocolos de TI estándar como cifrado TLS (seguridad de la capa de transporte), VPN (red privada virtual) para una conexión remota segura y DHCP (dinámica). protocolo de configuración de host) para direccionamiento automático. En lugar de requerir capas de middleware de soporte, los dispositivos de E / S de borde son participantes de primera clase en sistemas distribuidos.

Otro obstáculo para la escalabilidad de los sistemas IIoT basados ​​en hardware de E / S clásico es el trabajo necesario para proporcionar energía, conexiones de red y los tipos de módulos de E / S correctos. Para abordar estos problemas, los proveedores están aprovechando las nuevas tecnologías para hacer que la E / S distribuida sea más factible y flexible.

Redes Power Plus

Un ejemplo es la capacidad de alimentación a través de Ethernet (PoE), que utiliza un cable de red Ethernet para suministrar simultáneamente energía de bajo voltaje y conectividad de red.

Cuando PoE está integrado en un dispositivo de E / S de borde, incluso puede suministrar energía de E / S, lo que simplifica el diseño del panel eléctrico y ahorra dinero en componentes y mano de obra adicionales.

LOS CONTROLADORES DE BORDE LO UNEN TODO

Al igual que con el hardware de E / S tradicional, los controladores industriales tradicionales tienen un alcance limitado y requieren sistemas intermedios para conectar los datos del proceso con el resto de la organización. Al igual que las E / S de borde, los controladores industriales programables de borde (EPIC) modernos aprovechan las nuevas tecnologías para asimilar más funciones de automatización de las que podrían hacerlo las generaciones anteriores.

Con componentes reforzados industrialmente, opciones de red seguras, programación en varios idiomas y procesamiento de varios núcleos, los controladores de borde pueden ofrecer un control tradicional de E / S en tiempo real al mismo tiempo que alojan comunicaciones, visualización e incluso servidores de bases de datos.

En el caso de las aplicaciones IIoT, los controladores de borde pueden usar esta flexibilidad para comunicarse con una variedad de productores de datos, transformar sus datos de manera significativa y entregarlos de manera segura a los consumidores de datos.

Los controladores de borde como el groove épico de Opto 22 combinan la detección y el control de E / S tradicionales, protocolos de bus de campo de dispositivos inteligentes y E / S de borde moderno. También pueden alojar servidores OPC UA como Ignition Edge for Inductive Automation para comunicarse con una variedad de dispositivos en red, lo que los hace excepcionalmente eficientes para unir redes de automatización dispares.

Luego, con soporte para interfaces MQTT y REST compatibles con TI y una variedad de opciones de red, los EPIC pueden conectar de forma segura redes OT a sistemas de TI al tiempo que reducen la capa de middleware necesaria para hacerlo.

La combinación de E / S de borde y control de borde conduce a una nueva arquitectura de datos distribuidos.

NUEVAS OPCIONES DE ARQUITECTURA

Entonces, ¿qué nuevas posibilidades arquitectónicas están disponibles para los diseñadores de automatización industrial que utilizan E / S y controladores de borde modernos?

Con los dispositivos de borde que ponen los datos locales a disposición de los recursos informáticos en el borde y en niveles organizativos más altos, la jerarquía local se puede aplanar incluso cuando se expande la distribución geográfica.

Aquí puede ver algunos ejemplos de nuevas arquitecturas de información que se están volviendo posibles para su uso en lugares como instalaciones de equipos remotos, instalaciones comerciales, campus, laboratorios y plantas industriales.

Infraestructura compartida con procesamiento de datos de borde.

Cuando las señales de campo se distribuyen en una gran área geográfica de varios sitios, los dispositivos de borde pueden facilitar la transmisión de datos a aplicaciones y bases de datos en red, mejorando la eficiencia y seguridad de la infraestructura local o reemplazando el middleware de alto mantenimiento como las PC con Windows.

Por ejemplo, el área 1 de la imagen muestra E / S de borde (groov RIO) colocadas en varios sitios remotos con un controlador de borde (groov EPIC) en otro sitio que integra datos de PLC existentes. Dos de los módulos de E / S de borde están obteniendo, procesando y comunicando datos de campo directamente a una base de datos corporativa central, utilizando Node-Red. El EPIC y otras E / S de borde intercambian datos para control local mientras también transmiten datos a un SCADA central a través de MQTT. El procesamiento de datos se distribuye por toda la red de borde, lo que permite que los sistemas centrales ingieran datos de manera más eficiente.

La combinación de hardware y software inteligente cierra la brecha entre los sistemas de OT y de TI, creando una red de datos unificada que es escalable y administrada de forma centralizada.

Integración de dispositivos heredados con el controlador de borde como puerta de enlace de IoT.

Edge I / O puede formar una estructura de procesamiento de datos básica para equipos de E / S existentes en sitios industriales abandonados y trabajar en combinación con controladores de borde y puertas de enlace más potentes utilizando OPC UA para integrar datos de RTU, PLC y PAC heredados. Este enfoque mejora la seguridad y la conectividad sin interferir con los sistemas de control existentes.

El ejemplo del área 2 demuestra este patrón. Un controlador de borde actúa como una puerta de enlace segura para dispositivos heredados, lo que les permite interactuar con plataformas IoT alojadas en la nube, clientes SCADA o MQTT mientras los protege contra el acceso no autorizado desde redes externas. Al mismo tiempo, las E / S de borde se utilizan para integrar equipos de las instalaciones (bombas, sopladores, sensores de temperatura) y patines de equipos nuevos en la misma red. Groov Epic puede controlar los módulos RIO de grove, agregar y almacenar en búfer sus datos en una base de datos integrada, o simplemente transmitir datos a sistemas externos.

Red de E / S directa a la nube

Los ingenieros también pueden diseñar redes de procesamiento de datos simples y planas utilizando solo dispositivos de E / S de borde (sin controladores ni puertas de enlace), expandiéndose según sea necesario para monitorear señales de campo adicionales. Un sistema de E / S distribuido como este puede procesar y reportar datos directamente a sistemas de supervisión basados ​​en la nube, bases de datos de mantenimiento predictivo o agentes de MQTT.

En nuestro ejemplo, el área 3 de la imagen muestra dos módulos groov Rio que reportan datos desde su fábrica directamente a la nube, a través de Node-RED o MQTT. No hay necesidad de hardware de control intermedio porque cada módulo proporciona configuraciones de cifrado de datos y firewall configurables, así como un motor de procesamiento de datos para combinar, filtrar y formatear datos. Dado que cada módulo de E / S de borde es independiente, la red puede crecer de forma incremental, lo que reduce los gastos de capital del proyecto necesarios para integrar nuevos equipos.

Infraestructura MQTT de muchos a muchos

Los dispositivos periféricos con clientes MQTT integrados pueden publicar datos de campo directamente en un agente / servidor MQTT compartido o en un grupo de servidores MQTT redundantes ubicados en cualquier lugar al que llegue la red: en las instalaciones, en la nube o como parte de recursos informáticos de niebla regionales. Luego, el corredor puede administrar los suscriptores a esos datos: cualquier número de clientes de red interesados ​​en toda la organización, incluidos los sistemas de control, los servicios web y otros dispositivos de borde.

El área 4 de la imagen muestra esta arquitectura. Tanto groov RIO como groov EPIC tienen clientes MQTT integrados que permiten combinar cualquier otra arquitectura en una red eficiente de intercambio de datos. Dos de los módulos de E / S perimetrales de este ejemplo se publican en un grupo de servidores regional. Los otros dos se están comunicando con un controlador de borde en otro sitio que utiliza los módulos de borde como E / S distribuidas y publica sus datos en la red MQTT. Una vez que los datos se publican para el corredor, los dispositivos y servicios que necesitan esos datos pueden suscribirse desde cualquier lugar de la red.

LA CONECTIVIDAD INCONSÚTIL ES POSIBLE

La conectividad perfecta es ahora una realidad, gracias a las tecnologías que hacen posible el intercambio de datos ubicuo. Los nuevos productos de hardware y software Opto 22 permiten la interconectividad entre ubicaciones físicas en el campo, en la sala de control local, en la oficina principal, en todas las regiones geográficas y hasta los centros de datos globales.

Las E / S de borde distribuidas, los controladores de borde y las tecnologías de red asociadas admiten la transferencia de datos a través de las partes de borde, niebla y nube de una arquitectura industrial. Con este enfoque, puede borrar los límites anteriores entre los dominios de TI y OT y obtener los datos que necesita para optimizar las operaciones. – datos proporcionados por systemdevices.co.uk

Craig Upton

Craig Upton ayuda a los propietarios de empresas del Reino Unido a aumentar el crecimiento de las ventas utilizando diversas fuentes de ingresos en línea. Creando asociaciones estratégicas y un gran enfoque en los detalles, Craig equipa los sitios web con las herramientas adecuadas para aumentar el tráfico y las conversiones. Craig es el propietario de iCONQUER.com, una empresa con sede en el Reino Unido y ha estado trabajando en el campo del marketing digital desde 1999. Un empresario de confianza, consultor de SEO y formador, Craig ha trabajado con marcas británicas populares y las pymes ganan exposición online. Al dar a conocer su rostro, Craig se compromete a crear nuevas oportunidades trabajando con empresas británicas: craig@iconquer.com

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