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Comunicaciones industriales en tiempo real – un desafío complejo para las necesidades del IoT

Con la creciente importancia del IoT y las librerías de comunicación en la industria 4.0, los simples controladores ya no son suficientes como herramienta para los desarrolladores de firmware. Debido al aumento de demanda en el rendimiento, la complejidad y la flexibilidad, es obligatorio usar un middleware para cumplir futuras tareas de comunicación en tiempo real e IT.

Capa de abstracción genérica abierta (Generic Open Abstraction Layer -> GOAL) – un middleware de comunicación industrial

Ethernet industriales – como por ejemplo, POWERLINK, EtherCAT, PROFINET y EtherNet/IP necesitan un sistema que no puede ser tratado de forma adecuada simplemente cambiando una biblioteca del protocolo. Esto significa, por ejemplo, que varios protocolos requieren cambios y una gestión integrada de recursos. Además, la combinación de la comunicación industrial en tiempo real junto con los sistemas de bus de campo conocidos como CANopen, MODBUS y PROFIBUS es arbitrariamente difícil, puesto que físicamente se ha implementado un medio de transmisión que aquí son fundamentalmente diferentes. Las Redes de Ethernet industrial son una filosofía de desarrollo que influencian de por sí, la arquitectura hardware y software. La biblioteca de protocolo es un elemento importante, pero requiere asistencia de todo el sistema para trabajar de manera eficiente. La tecnología GOAL (middleware) está dirigida a solucionar este problema y para asegurar el más alto nivel de disponibilidad a través de escalabilidad modular.

Los objetivos de desarrollo de la tecnología GOAL

  • Un hardware – Muchas opciones de comunicaciones disponibles.
  • Módulos listos para usar con eficiencia, cambios y gestión de recursos.
  • Gestión centralizada de la configuración
  • Potentes opciones para protocolos de bus de campo y capacidad multi-protocolo
  • Portabilidad a nuevas aplicaciones. (e.j. intercambio de CPU o la migración entre las familias de CPU/MCU).
  • Modularidad y escalabilidad.
  • Sostenibilidad (e.j. TSN, OPC UA) o Abierta para integración de módulos adicionales. o Comunicación entre cores.
  • Notable reducción en los costes de desarrollo (Software).
  • Reducción significativa en el mantenimiento de diferentes tecnologías de comunicación.
  • Reducción sustancial en costes de hardware. Actualmente, la versión básica del GOAL, ofrece extensos contenidos óptimamente adaptados a las necesidades individuales: (Figura 1) Básicamente se dividen en tres áreas fundamentales que pueden resumirse bajo la gestión de los términos de red, administración de acceso/ lista y administración de configuración respectivamente. La gestión de red contiene amplias funciones:
  • Gestión de PHY: funciones genéricas para el manejo de PHY´s como gestión dúplex/link, autonegociación, etc.
  • Envío/recepción de frames de Ethernet: Interfaces para envío y recepción de datos Ethernet en cada capa del modelo ISO-OSI.
  • Gestión de conmutadores (switches): funciones genéricas para el manejo de conmutadores, como leer estadísticas SNMP, ajuste de funciones de QoS, etc.
  • Gestión de interfaz: manejo de interfaces individuales de red como activar/desactivar, estadísticas, etc.
  • Administración de direcciones IP: Manejo flexible de asignación de dirección IP dependiendo del Protocolo (por ejemplo, DCP con PROFINET o DHCP).
  • Servidor HTTP: web server incorporado con soporte de plantilla.
  • Interfaz de línea de comando: CLI integrada y extensible para controlar, por ejemplo, las funcionalidades de cambios. En el área de “Acceso y gestión de la lista, tareas” está disponible de forma predeterminado el siguiente contenido:
  • Cerrojos (Locks).
  • Exclusión mutua (Mutex).
  • Semáforos, binarios y contadores.
  • Listas vinculadas.
  • Creación y Control de tareas (Threads). El área de gestión de configuración juega un papel central en la configuración de los parámetros necesarios dentro del entorno de los CPU/MCU respectivos. Esto incluye la administración central de las variables de configuración, identificación de variables por módulos e IDs, llamadas de funciones para control de valores y cambios de valores, así como cargar y salvar variables. Además, las variables se pueden marcar como temporal y bloqueadas. Otra gran ventaja es la posibilidad de integrar el sistema de almacenamiento del cliente. Se soportan extensamente los protocolos de red como PTP, DLR, SNMP, IEEE802.1x y RSP.

Comunicación entre Cores

A menudo se usan CPU/MCU, que no son capaces de satisfacer las necesidades de las modernas tecnologías de comunicación, pero son ideales para el uso particular de la aplicación. Ingenieros de desarrollo se sienten como en casa, con las plataformas existentes y no quieren cambiar a plataformas totalmente nuevas. Para ese caso el GOAL ofrece el módulo de comunicación entre cores. (Figura 2) Sobre esta base y dependiendo de la disponibilidad de los protocolos de comunicación del MCU como CANopen, EtherCAT, PROFINET, EtherNetIP, POWERLINK, MODBUS TCP puede utilizarse individualmente o como una solución de múltiples protocolos. El módulo de gestión de configuración incluido en el GOAL soporta una extensa serie de herramienta opcionales. Las herramientas aseguran la fácil conexión de los protocolos para el uso respectivo (EDS, GSD y ESI). Hoy, la decisión de un microcontrolador o una plataforma de CPU (posiblemente también familias MCU/CPU) están influenciadas significativamente por el soporte del software disponible.

El middleware de comunicación industrial gestiona la comunicación de Ethernet en la red y direcciones industriales con peculiaridades específicas de Ethernet, tales como el manejo del sistema PROFINET con los test de carga de red. En la aplicación, el middleware de comunicación industrial ofrece interfaces para el acoplamiento a bibliotecas de protocolo y así manejar de forma sencilla las soluciones multiprotocolo de un proyecto. Abordar el manejo multi-protocolo se convierte realmente efectivo a través de la gestión propia de variables en el middleware de comunicación industrial. Esto permite diferentes aplicaciones y no sólo el acceso a las variables por la biblioteca de Protocolo. El middleware de comunicación industrial no pretende sustituir a un RTOS (o OS) es más bien un complemento al OS y como una extensión funcional para el Ethernet industrial y sus especificaciones necesarias.

En aplicaciones sin sistema operativo, la combinación con el middleware de comunicación industrial es una valiosa piedra angular para el sistema. El ahorro de tiempo y los avances en la seguridad del sistema son considerables. En particular, en sistemas embebidos, únicamente el uso de un middleware de comunicación industrial puede hacer la implementación viable. El middleware de comunicaciones industriales no se limita sólo a la comunicación – la propia aplicación en toda la plataforma también se beneficia del middleware. El mayor valor añadido se logra cuando el middleware de comunicación industrial ofrece su inherente valor adicional desde el principio y durante la fase de desarrollo con el fin de estar preparados para extensiones y requerimientos futuros.

La familia de productos R-IN-Engine – rendimiento más eficiencia energética

El middleware GOAL ya ha sido adaptado y aplicado en la nueva familia de Renesas RZ/N1. Con la introducción de esta familia de productos, Renesas ofrece mayor potencia de cálculo para aplicaciones típicas de comunicación industrial. El alto nivel de integración combina un núcleo de aplicación basado en un Arm® Cortex®-A7 con un motor de la comunicación en tiempo real en un solo chip. Soluciones multichip de controladores industriales, conmutadores de red industriales y terminales de operador pueden ahora sustituirse, ahorrando energía, por un simple SoC (System on Chip). Además, RZ/ N1 ofrece un rendimiento avanzado de red industrial con un potente conmutador embebido en tiempo real de cinco puertos y ofrece todas las características “TSN endpoint” necesarias, tales como modelado de tráfico, sincronización de tiempos y frames de clasificación / priorización.

La familia RZ/N1 consta de tres productos: RZ/N1D, RZ/N1S y RZ/N1L. RZ/N1D y RZ/N1S tienen un bloque de aplicación, y un bloque de comunicación integrado en el mismo silicio. El bloque de aplicación del SoC RZ/N1D comprende dos ARM® Cortex®-A7 y es propicio para usos de alta gama, tales como conmutadores de red, PLC y gateways. El SoC está disponible en dos tipos de encapsulados, 400 BGA y 324 BGA. El bloque de aplicación del SoC RZ/N1S contiene un ARM® Cortex®-A7 y ha sido diseñado para aplicaciones de rango medio como Nano-PLC´s y terminales de operadores gráficos. RZ/N1S también viene en dos encapsulados, 324 BGA y 196 BGA. Los bloques de comunicación de los RZ/N1D y RZ/N1S son casi idénticos y, dependiendo de la opción de producto, ofrece tres Ethernet en el más pequeño y cinco puertos Ethernet en el encapsulado más grande. Mientras que el RZ/N1D tiene 2 MB de memoria interna y una interfaz externa de DDR, el RZ/N1D con 6 MB de memoria interna es propicio para productos compactos con pocos componentes externos.

RZ/N1L no tiene ningún bloque de aplicación dedicada, ya que contiene sólo un CPU de Cortex® M3. La idea detrás de este SoC es ofrecer un componente de comunicación simple comparable al R-IN32M3 para clientes que desean agregar una función de red a los dispositivos existentes. RZ/N1L está disponible en un encapsulado 196 BGA. La plataforma GOAL proporciona cualquier conectividad entre un procesador de múltiples protocolos de comunicación (como RZ/N1L o RIN32M3) y un host tradicional MCU o en los altamente integrados SoC´s RZ/N1D y RZ/N1S, comunicación entre el bloque de comunicación y el de aplicación. El interfaz GOAL está disponible para todas las plataformas basadas en el R-In-Engine y los desarrolladores pueden utilizar el mismo software en múltiples SoCs basados en el R-In-Engine, R-IN32M3, RZ/T1 o la familia de productos RZ/N1. Ya hay un kit de desarrollo basado en RZ/N1D o RZ/N1S y el GOAL está disponible pudiendo obtenerse de los distintos distribuidores. El kit de solución para el RZ/N1L estará disponible muy pronto. Más información disponible en: www.renesas.com



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