Automatismos basados en Internet como fundamento para cualquier tipo de integración *

Raúl Roberto Steimbach, Kühn Controls S.L., director gerente, Neuenbürg, Alemania y Pamplona, España.

( * Traducido al castellano por el autor. Título original alemán: Web-basierte Automatisierung als Basis für beliebige Art von Integrationslösungen.)

 Abstract 

Web-based automation as a base for any kind of integration solution

Due to the move of the web technologies into the production it is now possible to realize a uniform, contiguous but also worldwide standardized communication.
The web-based automation and process visualization is the base for the horizontal and vertical integration within the enterprise.
The data won from the production plants are processed and transferred uniformly.
Thereby the worldwide IT-standards like Ethernet, TCP/IP, Java, HTML, JavaScript, CSS and XML play a central role.
Keynotes: automation, worldwide standardized communication.

Introducción

La creciente y crucial competición en casi todos los rubros industriales sumada a la repartición global de tareas y de gestión como así también las fusiones entre empresas, hacen necesario un cambio de estrategias en los directivos y también en la forma de trabajo de los departamentos de procesamiento de datos.

Por otra parte, las exigencias de calidad son cada vez más rigurosas, las tendencias hacia los productos cada vez más personalizados crece constantemente, paralelamente a ello es la vida de producto es cada vez más corta y la presión de los costes mayor. Todo esto hace necesario una logística cada vez más perfeccionada, una mayor eficiencia y disponibilidad de máquinas, bienes productivos y de procesamiento de datos.

Éstas y las futuras exigencias en la empresa son solo alcanzables, si se posee una comunicación integral, universalmente estandarizada, fiable, directa y continua desde el lugar de origen en las máquina hasta las (más alejadas) oficinas de la gerencia.
Las exigencias a la información crecen ininterrumpidamente, por eso ella tiene que ser siempre actual, fiable y compatible.

Por ejemplo, cuándo hay una fusión de 2 empresas, se produce una colisión de 2 mundos diferentes:
No solo en la dirección es diferente, sino también en el entorno industrial: allí se encuentran a menudo diferentes e incompatibles normas, sistemas operativos, software, redes, adquisición de datos y de esperarse, naturalmente diferentes autómatas.

No es raro encontrar una compatibilidad de automatismos y redes realizada con costoso y sofisticado software de licencia. A menudo se habla de estándares abiertos en los automatismos, y al mismo tiempo se está pensando en software de licencia.

Estado actual

La obtención de datos en el entorno industrial es en la mayoría de los casos, por motivos de compatibilidad lamentablemente doble, y su posterior procesamiento redundantemente múltiple.

Por ejemplo, el mismo estado de un sensor en una máquina se obtiene primero para un sistema de planificación y control de la producción (PPS), nuevamente para el sistema de control y seguro de la calidad y por tercer vez y último para la sección de mantenimiento….

A menudo los datos obtenidos son cada una de las veces preparados y elaborados con software y hardware específico, transmitidos con diferentes protocolos y aplicados a diferentes redes informáticas, y por último, elaborado, almacenado e impreso con software de licencia sofisticado.
Los métodos usuales de obtención de datos pueden llevar a inexactitud, en especial si estos funcionan por conversión de analógicos a digitales y / o viceversa. Estos son muy lentos y a menudo contienen algoritmos complicados siendo éstos de mantenimiento y costes intensivos.

No es raro encontrar datos ganados de “segunda mano” que inclusive son completados manualmente.
A eso si que le podemos llamar “datos en-red-ados”.

Dichas estructuras heterogéneas son de mantenimiento intensivo, impiden una comunicación cruzada entre sus participantes, y son a menudo difíciles de ampliar.

Los costes de dichas estructuras son en relación de su aprovechamiento, inconvenientemente elevados. Finalmente se dice que... “buena información tiene su precio”...

Por otra parte cabe destacar que en el entorno de oficina ya está muy bien equipado con máquinas para el procesamiento de datos y posee redes de datos estandarizados y está dotado de personal para TI muy capacitado.

Allí se encuentran cada vez más potentes programas de ERP (Enterprise Resource Planing) y de planificación y control de la producción (PPS), los cuáles cubren todas las necesidades de la empresa e inclusive del consorcio.

La solución

Con el ingreso de las tecnologías de Internet en el ámbito de la fabricación, es ahora posible realizar una comunicación integral, unificada y al mismo tiempo universalmente estandarizada.

Una característica importante de esta tecnología es el poder realizar una comunicación directa entre el entorno de oficina, fábrica y demás sin utilizar hardware o software de acople.

Los elementos importantes son el Ethernet que es de facto un estándar de red corporativa, el TCP / IP como protocolo enrutable de transmisión de paquetes de datos, el (X)HTML como lenguaje de marcado de hipertexto con sus derivados y desarrollos posteriores, el XML como lenguaje extensible de marcado (metalenguaje) para estructurar y describir datos, como así también el lenguaje de programación Java.
La condición más importante para una comunicación unificada y transparente es la existencia de autómatas con servidor Web integrados.

Todos estos elementos combinados de manera razonable y utilizando la infraestructura corporativa ya existente, posibilitan una base neutral e independiente para la captación de datos, con su correspondiente preparación y transmisión a todos los niveles de los sistemas ERP y MES (Manufacturing Resource Planing).

Cuándo nosotros elaboramos un proyecto de integración, observamos primero la fuente de información en su ubicación habitual, es decir analizamos detalladamente la máquina o la instalación productiva en cuestión, directamente en la nave.

Encontramos en los armarios o pupitres ya sea un autómata antiguo con un sistema de bus acorde al autómata, o encontramos un autómata algo más moderno con arquitectura descentralizada y si tenemos suerte, posee él unidades enchufables libres, en los cuáles se le puede conectar posteriormente una unidad de comunicación con servidor web incluido.
De vez en cuando encontramos un autómata moderno con servidor web incluido, el cuál soporta HTTP, FTP y SMTP.

Luego de este pequeño inventario se hacen los ajustes de rumbo necesarios para salir adelante con el proyecto.

Para hacer un “cambio de vías” en rumbo a automatismos y visualización con tecnología de Internet hay que tener en cuenta:

Cuánto más moderna es la instalación y el autómata instalado, cuánto más fácil es integrar la información a la red corporativa.

A esta altura del proyecto hay que tener en cuenta los costes del hardware y del software, en especial de cara a los costes ocultos y sucesivos. A menudo aparecen costes ocultos en reformas y modernización.

Si se trata de un autómata antiguo u obsoleto, tenemos que auxiliarnos con hardware y software adicional, que nos permita así obtener los datos necesarios del autómata y luego prepararlos a dichos datos y colocarlos en un servidor externo del tipo OPC. Desde allí luego de ser dicha información elaborada, está almacenada y preparada para ser suministrada a través de la red corporativa a los demás participantes de la red que la requieran.

Partiendo de este estado ya se puede implementar una visualización de procesos basada en un visualizador navegador (browser) y por medio del formato de datos XML se puede poner a disposición de los sistemas de ERP y PPS. Tema OPC-DX.

Algo diferente y de resultado más directo son los modernos autómatas ya existentes en el mercado, que poseen adicionalmente unidades de comunicación con servidor web integrado.
Estos ofrecen una interesante alternativa, porque con relativamente moderados costes y despliegue de actividades, se puede obtener la información de las máquinas e instalaciones industriales.
- Siempre en cuando haya un lugar vacío en el bastidor del Autómata o reserva en el armario o pupitre - .

Mejor aún son los nuevos autómatas con servidor web ya integrado.
Aquí se ahorran los costes adicionales de la unidad de comunicación como así también eventuales molestias por falta de sitio.

Para los casos ya mencionados vale:
La funcionalidad de la máquina o la instalación industrial como así también el bus de campo no será por el momento modificado.

El próximo paso es el análisis de la red corporativa (ya existente).

En este punto tienen los administradores y analistas de sistemas un alto grado de cogestión.

La disponibilidad de la red tiene la más alta prioridad, arquitecturas redundantes deben tener preferencia. Pero al mismo tiempo se debe evitar un innecesario “turismo de datos” a través de las naves y en el entorno fabril.

Aspectos tales como determinismo, prioridades y velocidad deben ser tenidos en cuenta, por eso necesario una planificación muy bien pensada y una razonable aplicación de conmutadores, puentes y enrutadores con contrafuego integrados. Estos últimos son absolutamente necesarios.
Otros aspectos de seguridad en base a las tecnologías de sistemas de detección de intrusos (IDS) y red privada virtual (VPN) deben ser tenidas en cuenta.
Eventuales modificaciones y ampliaciones futuras deben ser también tenidas en cuenta.
Si hay que instalar nuevos cables para la transmisión de datos, hay que tener en cuenta las competentes normas DIN-VDE y las directivas básicas de compatibilidad electromagnética (CEM). Ambito fabril es rudo.
También se deben considerar las sugerencias de BSI (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik en Alemania). Seguridad es algo más que la vigilancia de la planta...

Está hecho definitivamente el tema del hardware a pie de máquina, entonces ya está cumplida una condición primordial para poder seguir adelante.

Entonces comienza la “contabilidad digital”, que puede ser en algunos casos muy creativa...

En máquinas o instalaciones industriales ya existentes, indagamos y analizamos el estado actual de los programas en los autómatas y luego lo comparamos con la demanda de información y los requerimientos de los programas integradores (ERP) y de demás “interesados”.

De dicha comparación se obtiene el monto de parámetros que ha de ganarse de los autómatas para su posteriormente elaboración.

En este estado de las cosas es necesario reunirse con los encargados de los departamentos participantes y con los responsables de TI como así también del fabricante de máquinas herramientas para ponerse de acuerdo acerca de las actividades futuras.

En la mayoría de los casos la información requerida ya existe de alguna forma en el autómata. En los casos restantes hay que obtenerla a través del hardware o desde el software por ejemplo a través de interpolación.
En esos casos, y como lógica consecuencia, hay que adaptar los programas de los autómatas y del bus de campo a la nueva situación.

Por motivos prácticos se colocan los parámetros obtenidos en los módulos de datos del autómata. Eso, como ya es conocido, facilita el ordenamiento de los datos y ofrece un panorama claro y sistemático para una posible búsqueda de fallos.

Durante la planificación, el diseño hay que tener en cuenta una serie de particularidades típicas del Internet:
La forma de trabajar del TCP/IP es muy fiable, pero, pendiente de la rutabilidad de los paquetes de datos, pueden ir estos por diferentes caminos y atravesar diferente tipo de redes y nodos.
La consecuencia de ello es, que en trayectos muy largos, como por ejemplo conexiones intercontinentales, con diferentes anchos de bandas o redes muy cargadas, se puede producir retrasos de más de 1 minuto.
Por eso hay que evitar el intervenir desde la distancia en máquinas de rotación elevada, o en procesos críticos.
Localmente, directamente en las máquinas o instalaciones industriales, no hay ni limitaciones ni problemas.
Al comenzar con la programación web hay que asegurarse de estar en posesión de los programas y las herramientas actualizadas. Lo mismo vale también para la normativa, en lo cuál se aconseja seguir las recomendaciones del consorcio 3WC (World Wide Web Consortium).

Con Java como lenguaje de programación orientado a objetos e independiente de sistema operativo, se escriben y compilan los correspondientes “Java Applets” los cuales están dotados de facultades para leer y/o escribir datos del autómata.

Dichos Applets se instalan en el servidor web del autómata, estando así a disposición de cualquier programa de integración o ERP.

Particularidades de los Java Applets:

Un mismo Java Applet se puede utilizar tanto para una visualización de procesos a través del Internet, como así también para mantenimiento y diagnostico a la distancia o para cualquier aplicación de ERP o de modelos PoP (Pay on Production).

Un ejemplo fácil pero al mismo tiempo típico:

Un contador (counter) en el autómata ha captado todas las piezas buenas de una línea de producción y ha depositado dicha información en un módulo de datos.
Un Java Applet hecho a medida para dicho módulo que posee además los derechos de leer y escribir, está instalado en el miniservidor web del autómata.
Cada miembro de la red, que está autorizado a llamar nuestro Applet, recibe el estado actual del contador aún cuándo haya varios miembros de la red que lo preguntasen al mismo tiempo.
Pero solo el miembro de la red que posee los amplios derechos de escribirlo, puede efectuar un reset o manipular el módulo de datos y colocar el contador en cero.
Todos los demás miembros de la red ven entonces un cero.

Una otra interesante alternativa ofrece XML como lenguaje extensible de marcado, para estructurar y describir datos.
Juntamente con las correspondientes definiciones de tipo de documento (DTD) como modo de gramática formal del XML, se puede de esa manera definir, estructurar, adaptar y enlazar los datos en forma flexible a la aplicación que los requiera.
Pero sin embargo, por el momento esto no funciona con los miniservidores web integrados en los autómatas en la forma que nosotros deseamos. Allí vemos necesidad de mejoras.

La próxima acción es el parametrar y configurar el servidor web del autómata.
Dentro de ello corresponde el direccionamiento IP, las subredes y máscaras de subredes, como así también la liberación y bloqueo de determinados puertos y la adjudicación de privilegios y contraseñas de accesos a los miembros de la red corporativa participantes.
Es conveniente aplicar una política restrictiva en los accesos y en el uso de los recursos.
También se incluye el correspondiente parametrado del enrutador, y el contrafuegos y el sistema de detección de intrusos (IDS).
En principio cabe destacar: El ámbito fabril no es ni un supermercado ni tampoco un campo de entrenamiento para programadores aficionados, por eso hay que tener mucho cuidado con lo que se está haciendo.

También una alternativa

Para poder desplegar todas las ventajas de las tecnologías Web en el ámbito de los automatismos, y utilizando ellas en forma razonable, eficiente y sin limitaciones, es necesario un cambio de mentalidad en dicho ámbito:

Por ejemplo como debería ser un autómata desde nuestro punto de vista:

Con un potente microprocesador de 32 bit y 2 GHz con la correspondiente arquitectura y memorias, como así también la periferia adaptada a los estándares industriales y teniendo como sistema operativo un núcleo LINUX e integrando un servidor Apache, PHP y el banco de datos MySQL, alcanzaríamos autómatas con gran potencia y al mismo tiempo estaría integrado un servidor Web de excelente performance.
Con esto no solo sería posible captar en forma directa, completa y en tiempo real de todos los acontecimientos en el nuevo autómata, sino que también el almacenamiento, la elaboración y la puesta a disposición de todos los datos para cualquier tipo de soluciones de integración ERP u otros.
De esa forma se construye una base sólida para otro tipo de tecnologías y aplicaciones de Internet tales como Streaming (chorro de vídeo, secuencia de vídeo) o voice over IP (voz sobre IP), criptografía, bancos de datos, WLAN, WAP, etc..

Todos estos componentes y tecnologías ya son desde hace tiempo estándares internacionales de TI, de manera tal que los costes y falta de conocimientos técnicos no son problemas insolubles.
Una tecnología de futuro como Grid-computing no estaría tan lejos.
También otras aplicaciones en el ámbito de adquisición de datos y seguro de calidad podrían funcionar en conjunto.

Conclusión:

Sistemas abiertos y estándares auténticos tanto en la tecnología de los automatismos como en el mundo de ERP aúnan esfuerzos y despliegan potencial de racionalización para todos los participantes.

Una comunicación integral, directa y continua utilizando las tecnologías de Internet constituyen una base sólida para todo tipo de integraciones.

Por eso en este punto no hacemos ningún tipo de diferencias o restricciones entre los diferentes tipos y niveles de integración.

Los campos de aplicación de las tecnologías de Internet en los automatismos y visualización de procesos son tan diversos como el entorno industrial mismo.

Desde las aplicaciones típicas, que por lo general poseen procesos mas bien lentos, tales como en la industria química, en el tratamiento de aguas o en la climatización de edificios hasta aquellas que son muy veloces tales como en las máquinas de embalaje o impresoras rotativas se benefician de esta tecnología obteniendo enormes ventajas y excelentes resultados.

La automatización basada en la tecnología de Internet es independiente de rubro o ámbito industrial, siendo sus datos aplicables a cualquier actividad, universalmente disponibles con un alto grado de fiabilidad y con costes absolutamente mínimos.
La comunicación entre sus participantes se realiza independientemente del sistema operativo.
Tampoco son necesarias licencias de uso y su desarrollo tecnológico se realiza en forma ininterrumpida, simultánea y mundialmente.

Dicho en forma de metáfora:
“En el universo de las redes de la información apareció un Bit... el habla Esperanto, es libre de impuestos aduaneros, no está sujeto a tipos de cambios y depende de cada uno, que es lo que va a hacer con él...”


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