Cómo ampliar la supervisión y el control industrial mediante plataformas HMI con capacidades de computación en el borde

A medida que las aplicaciones industriales se basan cada vez más en los datos, los operadores necesitan disponer de información oportuna sobre el estado y el rendimiento de las máquinas para mejorar la eficiencia operativa. Sin embargo, las amplias naves industriales plantean retos medioambientales y de escalabilidad a la hora de implantar interfaces hombre-máquina (HMI) sofisticadas tanto en maquinaria nueva como en la ya existente.

Los desarrolladores necesitan plataformas periféricas sólidas y listas para su uso en producción con el fin de acelerar y estandarizar el desarrollo de interfaces hombre-máquina (HMI) para aplicaciones industriales.

En este artículo se analizan las ventajas operativas que supone integrar capacidades avanzadas de computación en el borde directamente en las interfaces hombre-máquina (HMI) industriales, así como los retos técnicos a los que se enfrentan los diseñadores. A continuación, se presenta una solución HMI modular y resistente de SECO, que incluye un marco de software opcional que los diseñadores pueden utilizar para acelerar el desarrollo de aplicaciones y facilitar la gestión del ciclo de vida de los dispositivos a largo plazo.

Por qué las interfaces hombre-máquina (HMI) industriales se benefician del procesamiento local

Las elevadas exigencias en materia de datos a las que se ven sometidas las máquinas industriales modernas generan problemas de latencia, ancho de banda y resiliencia cuando se recurre exclusivamente al procesamiento centralizado de datos sin procesar. Más allá de consolidar el hardware y unificar el software y los datos en plataformas heterogéneas, la integración del procesamiento en el borde en las plataformas HMI ayuda a los desarrolladores a mitigar los riesgos para la continuidad operativa asociados al procesamiento remoto.

El procesamiento de datos cerca de la fuente reduce la latencia, mejora el rendimiento y la capacidad de respuesta de los equipos, y minimiza los problemas de ancho de banda. Esto resulta importante para proporcionar información sobre el funcionamiento de las máquinas, dar soporte a aplicaciones en las que el tiempo es un factor crítico y que contribuyen a la seguridad operativa, así como para los análisis propios de los sistemas de control de calidad. El procesamiento cercano a la fuente reduce la necesidad de enviar datos sin procesar a la nube, lo que permite reducir los costos, especialmente en el caso de los datos de imágenes de alta resolución procedentes de las cámaras.

Trasladar los procesos críticos al borde de la red también puede reducir los tiempos de inactividad imprevistos, el deterioro del rendimiento de las máquinas y los riesgos para la seguridad durante las interrupciones de la red. El procesamiento local permite un funcionamiento totalmente autónomo durante los cortes de red. Las plataformas centralizadas pueden, por lo tanto, ofrecer gestión de flotas y visibilidad basadas en la información obtenida a partir del filtrado, la agregación y el análisis de datos a nivel local dentro de la interfaz hombre-máquina (HMI).

Con la plataforma de procesamiento adecuada, las interfaces hombre-máquina (HMI) integradas en el borde pueden incluso gestionar cargas de trabajo de inteligencia artificial (IA), como la detección de defectos y el mantenimiento predictivo. Por otra parte, la inteligencia artificial puede utilizarse para el control de acceso mediante sistemas automatizados, limitando el acceso a los operarios autorizados que lleven el equipo de protección individual (EPI) adecuado y mejorando así la seguridad y la protección en las naves industriales.

Obstáculos para la industrialización de los diseños de interfaces hombre-máquina (HMI) inteligentes

El desarrollo de una interfaz hombre-máquina (HMI) industrial conlleva los retos habituales asociados al entorno de la aplicación. Si una interfaz hombre-máquina (HMI) puede quedar expuesta al polvo o a salpicaduras de líquido, los ingenieros deben tenerlo en cuenta y garantizar un alto nivel de protección contra la entrada de elementos externos. Cuando se utilizan como estación de trabajo principal, es poco probable que las interfaces hombre-máquina (HMI) se ubiquen en lugares donde los operadores estén expuestos a rangos de temperatura industrial amplios. No obstante, deben ofrecer una resistencia térmica y mecánica suficiente, así como una gran legibilidad de la pantalla.

Los retos que plantea el desarrollo de interfaces hombre-máquina (HMI) se vuelven más complejos a la hora de integrar capacidades de procesamiento en el borde y crear sistemas para una implementación escalable. Los desarrolladores deben seleccionar plataformas de procesamiento capaces de satisfacer las exigencias de las interfaces hombre-máquina inteligentes en cuanto a aplicaciones, gráficos y procesamiento de inteligencia artificial. Estas plataformas también deben ser compatibles tanto con interfaces de periféricos heredadas como modernas, de modo que la interfaz hombre-máquina (HMI) pueda recopilar los datos de la máquina.

Al pasar a una implementación a gran escala, los proyectos pueden enfrentarse a retos relacionados con la contratación y el ciclo de vida. Un enfoque de diseño modular proporciona un nivel básico de estandarización entre las distintas unidades, lo que resulta beneficioso para los desarrolladores. Esto facilita el rediseño cuando no es posible adquirir una plataforma de procesamiento concreta o esta llega al final de su vida útil. Además, el hecho de compartir un diseño común de la interfaz hombre-máquina (HMI) entre las distintas máquinas puede reducir el tiempo y el costo de desarrollo.

La normalización también beneficia al software de interfaz hombre-máquina (HMI). Un marco modular adecuado simplifica la integración de las tareas de desarrollo en paralelo entre los distintos componentes de la aplicación, incluyendo la conversión de datos y el código de la interfaz de usuario. Las interfaces hombre-máquina (HMI) instaladas también se benefician de una infraestructura de software que permite la visibilidad centralizada de la flota y la gestión del ciclo de vida, como las actualizaciones inalámbricas (OTA). Estas funciones ayudan a los equipos a supervisar el estado de los equipos en todas las flotas y a garantizar el cumplimiento normativo a largo plazo a lo largo de todo el ciclo de vida de una implementación.

El diseño y la creación de un marco completo de hardware y software para interfaces hombre-máquina (HMI) industriales integradas en el borde requieren conocimientos especializados avanzados en múltiples disciplinas. A la hora de fabricar a gran escala con plazos ajustados, los ingenieros se benefician de soluciones disponibles en el mercado que resuelven los retos de integración, lo que les permite centrarse en el desarrollo de aplicaciones competitivas.

Una solución lista para su implementación en producción destinada a interfaces hombre-máquina (HMI) industriales integradas en el borde

Con una carcasa de aluminio sin ventilador para montaje directo en panel, el Modular Vision 10.1 i.MX 95 de SECO (Figura 1) ofrece una plataforma HMI compacta, pero potente que permite un procesamiento en el borde fiable para aplicaciones avanzadas de monitorización industrial e interfaz de operador. Esta solución totalmente integrada cuenta con una pantalla táctil capacitiva de 10.1 pulgadas (in) con una resolución de 1280 × 800 y un alto nivel de brillo, lo que permite utilizar interfaces de usuario sofisticadas con una gran legibilidad bajo la iluminación habitual de una fábrica.

Figura 1: El panel Modular Vision 10.1 i.MX 95 agiliza el desarrollo de interfaces hombre-máquina (HMI) industriales al ofrecer un punto de partida sólido y preparado para su uso en entornos periféricos. (Fuente de la imagen: SECO)

Visto desde la parte frontal, el Modular Vision 10.1 i.MX 95 cuenta con la clasificación IP66, lo que garantiza una protección total contra el polvo y los chorros de agua a baja presión. Esto lo hace adecuado para entornos de fabricación estándar y para sistemas que pueden verse expuestos ocasionalmente a salpicaduras de agua. Al combinarse con un rango de temperaturas de funcionamiento de 0 °C a +60 °C (de +32 °F a +140 °F), la plataforma HMI de SECO ofrece la resistencia necesaria para entornos industriales.

El núcleo de la solución de SECO es el procesador de aplicaciones i.MX 95 de NXP, que ofrece capacidades de procesamiento en el borde para garantizar la continuidad operativa mediante el funcionamiento autónomo de la interfaz hombre-máquina (HMI). El i.MX 95 ofrece una arquitectura heterogénea avanzada que incluye:

• 6 núcleos Arm® Cortex®-A55 para el análisis de datos complejos, redes y aplicaciones de inteligencia artificial
• Un núcleo Arm Cortex-M33 y un núcleo Arm Cortex-M7 para tareas deterministas y de baja latencia, como bucles de temporización para procesos físicos sincronizados
• Una unidad de procesamiento gráfico (GPU) Arm Mali con aceleración gráfica 2D/3D para ofrecer imágenes detalladas que faciliten las tareas de inspección diagnóstica
• Una unidad de procesamiento neuronal (NPU) con capacidad para realizar hasta 2 billones de operaciones por segundo (TOPS), destinada a la aceleración local específica de la IA en tareas como la detección de defectos y el mantenimiento predictivo

SECO ofrece el Modular Vision 10.1 i.MX 95 en dos configuraciones de memoria, lo que permite a los desarrolladores satisfacer los distintos requisitos de las máquinas. El modelo SF-E88-MDV-1621-1000-C0 integra 4 gigabytes (Gbytes) de memoria RAM LPDDR5 y 16 Gbytes de almacenamiento eMMC 5.1, mientras que el modelo SF-E88-MDV-1411-1000-C0 ofrece hasta 8 Gbytes de RAM y hasta 64 Gbytes de almacenamiento para hacer frente a cargas de trabajo exigentes. Ambas unidades cuentan con memoria soldada para garantizar un funcionamiento fiable en aplicaciones sujetas a vibraciones.

En la parte trasera (Figura 2), las plataformas Modular Vision 10.1 i.MX 95 cuentan con una serie de puertos físicos que facilitan la conexión con líneas de comunicación y de alimentación industriales, tanto nuevas como ya existentes. Entre ellas se incluyen un puerto de entrada de corriente continua compatible con tensiones de entre 9 y 32 voltios, lo que permite una integración flexible; conexiones Ethernet y CAN para la comunicación y las redes de control; y puertos USB y en serie para la conexión directa con sensores y sistemas periféricos.

Figura 2: El panel trasero del Modular Vision 10.1 i.MX 95 ofrece conexiones para integrar sistemas HMI inteligentes en maquinaria industrial. (Fuente de la imagen: SECO)

El Modular Vision 10.1 i.MX 95 agiliza la integración de las interfaces hombre-máquina (HMI) y la computación periférica en máquinas industriales, al ofrecer una plataforma de hardware modular y lista para usar que permite la creación rápida de prototipos, una producción escalable y una conectividad flexible. Si bien estas soluciones son independientes del sistema operativo (SO), SECO ofrece un marco de software que respalda los compromisos de estandarización, centralización y gestión del ciclo de vida a largo plazo para las aplicaciones industriales modernas.

Gestión del ciclo de vida de las interfaces hombre-máquina (HMI) para garantizar el éxito a largo plazo de la implementación

Al estar diseñado para entornos industriales seguros, SECO Clea (Figura 3) completa el ecosistema de hardware y software para la gestión de implementaciones a gran escala basadas en Modular Vision 10.1 i.MX 95 y plataformas de procesamiento compatibles, lo que permite la estandarización entre dispositivos de distintos fabricantes.

Figura 3: El marco de software Clea de SECO ofrece una solución completa para desarrollar aplicaciones industriales avanzadas en el borde de la red, respaldadas por una infraestructura a escala de implementación. (Fuente de la imagen: SECO)

Para las plataformas periféricas, Clea OS ofrece un software modular y altamente personalizable basado en Yocto Linux. Es compatible con el arranque seguro y las actualizaciones firmadas por vía inalámbrica (OTA), e incluye contenedorización, partición A/B y mecanismos de reversión para garantizar la continuidad operativa en caso de que falle una actualización. Gracias a Yocto, los desarrolladores de software obtienen una elevada trazabilidad de los componentes y reproducibilidad de las compilaciones, y se benefician de la generación automatizada de la lista de materiales de software (SBOM), lo que favorece el mantenimiento a largo plazo, el cumplimiento normativo y la ciberseguridad.

Clea OS es un sistema operativo modular, lo que permite a los desarrolladores eliminar paquetes innecesarios y liberar recursos, maximizando así el potencial del procesamiento en el borde. SECO también ofrece herramientas, como el Application Hub, que aceleran la implementación de la IA al proporcionar una biblioteca de modelos de referencia que pueden portarse a hardware compatible.

La capa en la nube de Clea también permite la visibilidad de los dispositivos y la gestión de su ciclo de vida a gran escala. Clea Astarte permite la coordinación de datos y gestiona una conectividad segura desde el borde hasta la nube para la telemetría de los dispositivos de toda la flota. Clea Edgehog ofrece una infraestructura para la gestión y configuración remotas de dispositivos, así como para actualizaciones OTA continuas. Por último, Clea Portal ofrece un conjunto de herramientas listas para usar que permiten crear paneles personalizados para la visualización centralizada de datos. Al ofrecer a los desarrolladores un ecosistema de software completo que abarca desde el borde hasta la nube, SECO reduce las barreras para la ampliación de las interfaces hombre-máquina (HMI) industriales inteligentes.

Conclusión

A la hora de integrar la inteligencia en el borde en las interfaces hombre-máquina (HMI) industriales, los diseñadores se enfrentan a desafíos que van desde la resiliencia operativa hasta el complejo procesamiento de datos en el borde. La implantación a gran escala plantea problemas adicionales a largo plazo en materia de abastecimiento y gestión del ciclo de vida. La combinación SECO de Modular Vision 10.1 i.MX 95 y el software Clea da respuesta a muchos de estos retos con hardware y software listos para su uso en producción. Además, la plataforma de referencia de SECO permite una integración flexible con soluciones de terceros, lo que fomenta la estandarización en el sector de la maquinaria industrial.