Las fábricas inteligentes en todo el mundo están aprovechando aplicaciones avanzadas de automatización como realidad aumentada, robots móviles autónomos, cobots y sensores industriales. Incluso más allá de la planta de producción tradicional, la automatización se está acelerando en entornos como automatización de almacenes y logística mediante aplicaciones similares. Estas nuevas formas de trabajar resultan prácticas en la actualidad porque las mejoras introducidas en el hardware proporcionan conexión a la red en tiempo real, procesamiento de alto rendimiento, alta fiabilidad, bajo consumo y flexibilidad de interconexión.

Para conseguir que las fábricas sean rentables es preciso optimizar su rendimiento y su tiempo de actividad mediante la instalación de soluciones de automatización conectada y mantenimiento predictivo que se traducen en un valor muy valioso para los usuarios valores. El funcionamiento 24/7/365 en los entornos industriales y logísticos aumenta el nivel de exigencia a los dispositivos, especialmente en sistemas con accionamientos activos y motores, y el fallo de un solo motor puede detener las operaciones o la producción. Las nuevas soluciones informáticas destinadas a la automatización, como los motores de inteligencia artificial (IA) integrados en la periferia (edge), pueden identificar estas irregularidades y prever fallos con antelación de modo que los operarios puedan estar alerta con el fin de adquirir las piezas necesarios, programar el mantenimiento e incrementar la eficiencia operativa en su conjunto.

Las soluciones de automatización son cada vez más sofisticadas, por lo que requieren el soporte de los principales proveedores de silicio para todo el hardware y el software. Una arquitectura flexible de hardware, al nivel más bajo, es primordial para seguir el ritmo de innovación en las soluciones de automatización industriales y logísticas. El desarrollo actual del software abarca la mayor parte del coste y la mano de obra para el desarrollo de proyectos industriales y ello eleva el valor de las bibliotecas, los paquetes de herramientas y el soporte del ecosistema que ofrecen los proveedores tecnológicos de automatización.

Las FPGA se adaptan a las exigencias de la automatización
Las FPGA con procesadores integrados reúnen la flexibilidad, el rendimiento y la programabilidad para facilitar la rápida adopción e implantación de nuevas tecnologías y cubrir las cambiantes necesidades de la automatización industrial. Las FPGA, en concreto, ofrecen una flexibilidad única para una amplia variedad de perfiles y requisitos informáticos de automatización dinámica. Las FPGA actuales se caracterizan por un consumo muy bajo y un uso eficiente de la energía que permite su diseño en formatos de tamaño más reducido con una refrigeración sencilla, un aspecto fundamental en la periferia de la red. Las FPGA también son completamente personalizables, por lo que aportan numerosas ventajas respecto a las soluciones basadas en software como su menor latencia. Además, las FPGA se pueden utilizar en lazos de control de alto rendimiento, PWM y en un mayor número de motores de control conectados por unidad que los microcontroladores de gama alta comparables. Lattice Semiconductor suministra FPGA con unas tasas de error de software extremadamente bajas para una fiabilidad mejorada que resulta óptima en aplicaciones que exigen alta disponibilidad y seguridad funcional.

El silicio puede proteger frente a ciberataques
La seguridad del hardware es crucial para la protección frente a los ciberataques cada vez más frecuentes. La automatización tradicional instalada en fábricas y logística a menudo estaba aislada de Internet y la nube, incluso entre subsistemas. Ahora los sistemas de automatización se conectan de forma creciente por lo que se deben proteger frente a piratas informáticos que pueden dejar los sistemas fuera de combate, chantajear a los operarios, robar datos sensibles u otro tipo de comportamiento malicioso o bien generar enormes riesgos financieros. Las soluciones basadas en microcontroladores y/o software son incapaces de aportar la misma protección en tiempo real que alternativas como las FPGA con detección instantánea, cobertura de alto rendimiento de varios subsistemas y la capacidad de retroceder a un buen estado conocido para recuperarse de los ataques, lo cual es primordial. Las FPGA pueden ser muy seguras y resilientes con supervisión al nivel más bajo (por debajo del sistema operativo), protegiendo así el firmware antes/durante/después del arranque, protegiendo/validando el propio código y proporcionando una raíz de confianza.

Bibliotecas optimizadas para automatización
Una base de hardware flexible el soporte de un software igual de potente por parte de los proveedores de semiconductores y de su ecosistema, especialmente para soluciones de automatización. El desarrollo de software ya abarca la gran mayoría de los costes de desarrollo en proyectos de automatización y control industrial, por lo que un soporte de alta calidad es crucial para el éxito del proyecto. Lattice Semiconductor, por ejemplo, suministra una plataforma base de protocolos ligeros para detección y control en tiempo real a través de Ethernet para la conexión a redes (p. ej., permitiendo el control del motor multieje a través de Ethernet Industrial y conectado en batería a varios monitores). Además, las FPGA de alto rendimiento se adaptan cada vez mejor al software al ofrecer herramientas de programación de software y entornos de diseño gráfico como el entorno de diseño Propel™ de Lattice (ver Figura 1, gráfico de Propel).

La automatización a menudo incorpora varios dominios funcionales con requisitos especiales de software como IA en la periferia, visión embebida y seguridad en la parte superior del software de menor nivel, como sistemas operativos y firmware. El acceso a bibliotecas de software más sofisticadas y propiedad intelectual (IP) de proveedores de semiconductores en estos dominios es especialmente importante para optimizar el rendimiento y el consumo con aceleradores integrados y recursos de hardware. Por ejemplo, dentro del dominio de la IA en la periferia ahora es habitual el desarrollo mediante entornos comunes como TensorFlow, Caffe y Keras con el fin de implementar CNN destinados a aplicaciones extendidas como detección de presencia, detección de términos clave, seguimiento facial y recuento de objetos. En aplicaciones de visión, los diseñadores de soluciones a menudo necesitan una conectividad de la interfaz flexible (p.ej., MIPI CSI-2, LVDS, PCIe, GigE).

Programabilidad de software y hardware
Si bien el hardware programable de bajo consumo y alto rendimiento con una baja latencia aporta muchos beneficios, algunas cargas de trabajo se controlan o implementan mejor en software. Por ejemplo, la programabilidad del software es óptima para aplicaciones de mantenimiento predictivo y también permite el desarrollo recurriendo a habilidades más comunes entre los desarrolladores (p. ej., programación en C). La combinación de FPGA y procesadores tradicionales dentro de sistemas en chip heterogéneos, módulos/tarjetas y sistemas informáticos integrados permite el coprocesamiento de hardware-software y una flexibilidad avanzada del sistema.

Automatizar: la gama de automatización industrial de Lattice
Las soluciones de automatización actuales están constituidas por numerosos componentes y subsistemas dinámicos que deben ser desarrollados en armonía para que sean competitivos en el mercado. El soporte al control de motores, IA en la periferia, fusión de sensores, seguridad funcional, visión artificial y seguridad se debe acoplar perfectamente en una solución de automatización integral con el fin de acelerar la adopción y la comercialización.

Para ayudar a los clientes a superar estos retos, los principales proveedores de silicio están ofreciendo más soporte a aplicaciones verticales y especializadas con el objetivo de acelerar el desarrollo de nuevas cargas de trabajo, como pruebas de conceptos de mantenimiento predictivo, pruebas con nuevas arquitecturas de coprocesamiento y desarrollo de prototipos con nuevas especificaciones/integraciones. La gama de automatización industrial Automate™ de Lattice, mostrada en la Figura 2, es un ejemplo de solución completa ya disponible. La implementación en el mundo real de nuevas tecnologías de procesadores que cumplan los requisitos de seguridad más comunes, como SIL-2 o coprocesamiento de seguridad (p. ej., diseños de referencia, ejemplos de proyectos, etc.) son potentes demostraciones de redundancia/seguridad que se pueden evaluar mejor que en teoría a través de fichas técnicas o simulaciones.

Una gama formada por herramientas destinadas a automatización suele estar formada por una diversa IP que es crucial para la aplicación y la valoración del proveedor del silicio para automatización (ecosistema). Los sistemas de automatización y control industrial ya incorporan una amplia funcionalidad, como interfaces gráficas, respuesta en tiempo real, conexión a redes con y sin cable, análisis de eventos locales y formatos robustos. Sin embargo, la sofisticación de estos sistemas está aumentando con el fin de admitir nuevas capacidades de carácter crítico para las soluciones de automatización, como visión artificial, detección de objetos y mejoras en la seguridad, entre otras. El suministro de estas funciones/capacidades junto con un plan de soporte más amplio o avanzado es fundamental para el silicio destinado a automatización y para la validez de una solución en el futuro.

Ecosistema de automatización
Los principales proveedores de silicio han potenciado enormemente sus propias capacidades internas con el fin de ofrecer servicios de diseño especializados a fabricantes de equipamiento original (OEM) y otros. Por ejemplo, Lattice Semiconductor cuenta con un grupo de diseño interno para todos los segmentos de aplicación que permite personalizar e integrar sus soluciones para IA y aprendizaje automático, visión, seguridad y automatización, así como con un grupo de servicios de productos que ofrece soporte de fabricación y producción. La compañía también dispone de una red de empresas colaboradoras que han sido formadas y homologadas con sus herramientas para garantizar la calidad del servicio prestado por terceros. Un ecosistema de colaboradores que proporcionen servicios de diseño de alta calidad es clave para apoyar un mayor soporte tecnológico del silicio más cercano al nivel de la aplicación con soporte especializado para el fragmentado segmento de proveedores y tecnologías destinadas a robótica, PLC, protección y sistema.

Eric van der Heijden, Vicepresidente de Ventas en EMEA, Lattice Semiconductor