Cómo mejorar el rendimiento empresarial mediante computadoras de borde de segunda generación

El cambio continuo es una característica definitoria de la computación de borde industrial. Los diseñadores de redes industriales necesitan plataformas que ofrezcan el rendimiento y la flexibilidad que exige la convergencia de las redes de tecnología de la información (TI) y de tecnología operativa (TO); de lo contrario, corren el riesgo de quedarse rezagados.

Con una computadora de borde con software abierto basado en Linux y contenedores Docker, los usuarios pueden establecer una conexión más fluida entre las redes de TI y TO, así como entre las instalaciones y la nube, mejorando así el funcionamiento general de la empresa. El hardware ampliable es también un requisito fundamental.

Se necesitan los procesadores más recientes para gestionar grandes cantidades de datos en tiempo real. Se necesita más memoria y capacidad de almacenamiento para gestionar localmente los crecientes volúmenes de datos sin necesidad de enviarlo todo directamente a la nube.

Los sistemas basados en Linux que utilizan procesadores avanzados y memoria ampliada también admiten las funciones de seguridad avanzadas que requieren los complejos entornos de IoT actuales. Estos sistemas de segunda generación son compatibles con una amplia variedad de aplicaciones de borde ya desarrolladas, de código abierto y de terceros que mejoran el rendimiento y agilizan las implementaciones.

La conectividad flexible es imprescindible para hacer frente a las diversas necesidades de comunicación de unas instalaciones en constante evolución. Es imprescindible contar con computadoras de borde que puedan adaptarse a conexiones Ethernet, serie y CAN, y que cuenten con puertos adicionales para monitores y otros periféricos.

En este artículo se analiza cómo las computadoras de borde de segunda generación pueden contribuir a alcanzar altos niveles de rendimiento empresarial, mejorar la seguridad, agilizar las instalaciones y ayudar a que las operaciones estén preparadas para el futuro. Dichas ventajas abarcan tanto las nuevas instalaciones como las actualizaciones de los entornos de computación de borde ya existentes.

La evolución de la Industria 4.0 continúa

El borde (edge) es un elemento clave en la Industria 4.0. La computación de borde se lleva a cabo allí donde se generan los datos, en las redes de tecnología operativa (OT), en lugar de en servidores en la nube situados a gran distancia. Las redes de sensores, en continua expansión y evolución, necesarias para dar soporte a la automatización avanzada y a la robótica, exigen nuevos enfoques informáticos y una gran potencia de cálculo, que ofrecen las computadoras periféricas de segunda generación, como los modelos 752-9412 y 752-9813 de WAGO.

El borde (edge) es la línea de demarcación entre los servicios locales de telecomunicaciones (TO) y los servicios remotos de tecnologías de la información (TI). Esto significa que las computadoras de borde deben conectarse de forma segura con la nube, así como con una red cada vez más densa de sensores, controladores y otros dispositivos interconectados. Para ello se requieren diversas interconexiones. Una vez más, las computadoras de segunda generación de WAGO cumplen con las expectativas.

Estas computadoras son adecuadas para usar en gabinetes de control situados en la planta de producción, donde se llevan a cabo el procesamiento en el borde y la comunicación. Cuentan con una carcasa de aluminio resistente que garantiza un rendimiento térmico óptimo gracias a un sistema de refrigeración por convección natural sin ventilador y tienen un grado de protección IP40. El rango de temperatura de funcionamiento es de -20 °C a +60 °C, con una humedad relativa (HR) de hasta el 95%. Se montan directamente en un riel DIN estándar y requieren una alimentación industrial estándar de 24 VCC (Figura 1).

Figura 1: Las computadoras de borde de segunda generación de WAGO incorporan procesadores de alto rendimiento, una amplia capacidad de memoria interna, medidas de seguridad y numerosos tipos de conectividad. (Fuente de la imagen: WAGO)

Opciones fiables

Con WAGO, los diseñadores de redes industriales disponen de diversas opciones. Pueden optar por el modelo 752-9412, equipado con un procesador Intel Atom X6413E de cuatro núcleos, para aplicaciones de nivel medio, como la supervisión en tiempo real del estado de la maquinaria.

El modelo 752-9813, con su procesador Intel Core i7-1185G7E de cuatro núcleos, es capaz de gestionar las aplicaciones más exigentes de aprendizaje automático (ML) e inteligencia artificial (IA) en el entorno de producción, eliminando la latencia de las conexiones a la nube. El procesador Intel Core i7 también resulta muy adecuado para la multitarea, como el registro simultáneo de datos, el procesamiento de video y la ejecución de herramientas de aprendizaje automático e inteligencia artificial, sin que se produzca ninguna ralentización.

Ambas computadoras de borde incorporan un módulo de plataforma de confianza (TPM) 2.0 y el arranque seguro de la interfaz de firmware extensible unificada (UEFI), lo que permite a los sistemas cumplir los requisitos de ciberseguridad de la norma IEC 62443. De este modo, se garantiza que en el sistema solo se ejecute software autorizado.

El arranque seguro UEFI es un estándar de seguridad de firmware que garantiza que una computadora solo se inicie utilizando software y sistemas operativos en los que confía el fabricante de equipos originales (OEM). Impide que se ejecute código no autorizado durante el arranque, lo que ofrece una protección sólida contra los rootkits y el malware.

El circuito integrado TPM 2.0 almacena de forma segura claves criptográficas, contraseñas y datos biométricos. Por último, aunque sin duda no por ello menos importante, se encuentra el sistema operativo Debian-Linux (Tabla 1).

Tabla 1: Comparación de las especificaciones clave de las computadoras de borde de segunda generación 752-9412 y 752-9813 de WAGO. (Fuente de la imagen: WAGO)

Debian + Docker

El sistema operativo Debian Linux, incluido en las computadoras de borde de segunda generación de WAGO, es muy apreciado por su gran estabilidad, su sólida seguridad y su firme compromiso con el software libre y de código abierto.

Cabe destacar que Debian Linux incluye compatibilidad nativa con TPM 2.0. El núcleo de Linux es compatible con los controladores de hardware necesarios, y resulta sencillo instalar utilidades de código abierto para gestionar el chip TPM en tareas como el cifrado de disco y el arranque seguro.

Debian es totalmente compatible con el arranque seguro de UEFI. El instalador de Debian detecta el sistema e instala automáticamente grub-efi, la versión UEFI del GRand Unified Bootloader (GRUB). Además, incluye compatibilidad nativa con un gestor de arranque firmado por Microsoft.

Debian es el entorno recomendado para los contenedores Docker. Sirve de base para la mayoría de las imágenes oficiales de Docker, como Nginx, Python y MySQL. La estrecha integración entre Debian y Docker en las computadoras de borde de segunda generación de WAGO agiliza las descargas y ahorra memoria.

Contenedores Docker = ventajas del IIoT

La implementación de contenedores Docker en las computadoras de borde de segunda generación de WAGO ofrece a los diseñadores de redes importantes ventajas, entre las que se incluyen:

• Los programas creados en computadoras de desarrollo se ejecutarán exactamente igual en una computadora de borde de WAGO.
• Los contenedores están aislados entre sí y, si un programa falla o se bloquea, no afectará al funcionamiento de los demás programas.
• Los contenedores Docker aprovechan al máximo unos recursos de memoria mínimos, lo que los hace muy adecuados para los dispositivos periféricos.
• Los programas pueden actualizarse o eliminarse sin necesidad de apagar la computadora, lo que garantiza el máximo tiempo de actividad de los sistemas críticos.

Figura 2: Los contenedores Docker mejoran el tiempo de actividad de los equipos periféricos, ya que se inician en cuestión de segundos, consumen menos recursos y aíslan los fallos. (Fuente de la imagen: WAGO)

Opciones de contenedores Docker

Los diseñadores de redes industriales pueden elegir entre tres enfoques a la hora de implementar contenedores Docker en las computadoras de borde de segunda generación de WAGO. El Docker Hub de WAGO ofrece contenedores preconfigurados para pasarelas en la nube, como AWS IoT Greengrass y Azure IoT Edge, así como puentes de IoT que conectan protocolos de hardware locales —como Modbus y OPC-UA— con servicios en la nube, bases de datos, servidores y mucho más.

En muchos casos, las aplicaciones que no están disponibles en el Docker Hub de WAGO se pueden obtener a través de proveedores externos autorizados. Algunos ejemplos son:

• Grafana puede utilizarse para generar gráficos que permitan visualizar los datos de las máquinas.
• La programación visual "low-code" de Node-RED permite desarrollar conexiones para dispositivos de hardware, API y servicios en línea.
• InfluxDB puede utilizarse para registrar y almacenar grandes cantidades de datos de sensores procedentes de redes IIoT.
• Los dispositivos Welotec o Toshibox permiten acceder de forma segura a las computadoras de borde desde ubicaciones remotas.

Se pueden desarrollar a medida funciones más avanzadas, como el análisis de datos mediante aprendizaje automático e inteligencia artificial y la optimización continua de procesos, o la creación de gemelos digitales. Los contenedores se pueden desarrollar utilizando una combinación de Docker Desktop —para crear y probar imágenes de Docker en una computadora de desarrollo— y el editor de texto Visual Studio Code —para redactar rápidamente los archivos del contenedor y de configuración—.

Los desarrolladores de redes pueden utilizar una herramienta como Portainer para arrastrar, soltar, iniciar y detener contenedores Docker directamente en una computadora de borde de WAGO. Esto permite aprovechar rápidamente las ventajas de los contenedores Docker.

Opciones de alimentación

Se requiere alimentación eléctrica y, en algunos casos, una mayor conectividad para completar la instalación y la integración de las computadoras de borde. WAGO da respuesta a todas las necesidades de los diseñadores de redes industriales.

La computadora de borde 752-9412 tiene un consumo energético típico de 19 W, con un máximo de 54 W, en función de los periféricos y de las exigencias de procesamiento. Las necesidades de potencia del modelo 752-9813 oscilan entre unos 30 W (valor típico) y un máximo de 95 W.

La serie Pro 2 de fuentes de alimentación industriales de alta eficiencia de WAGO puede suministrar la tensión de 24 VCC que requieren estas computadoras periféricas. El modelo 2787-2144 está diseñado para sistemas de alimentación monofásicos, mientras que el modelo 2787-2344 cuenta con una entrada trifásica. Ambos ofrecen una potencia de 120 W con altas densidades de potencia en un diseño compacto, ideal para su instalación en armarios de control con poco espacio.

Expansión interna

Algunas instalaciones pueden beneficiarse de puertos de comunicación especializados, una mayor capacidad de almacenamiento o la conexión a dispositivos antiguos. Las computadoras de borde WAGO 752-9412 y 752-9813 cuentan con varias ranuras de expansión internas para dar respuesta a esas necesidades.

Ambos modelos incluyen una ranura mPCIe compatible con una amplia variedad de tarjetas de expansión, como las de Wi-Fi, las de telefonía móvil 5G/LTE o los módulos especializados de bus de campo. Dispone de una ranura M.2 B-Key para instalar unidades SSD de alta velocidad, así como de una ranura SATA SSD de 2.5" para instalar unidades de almacenamiento interno tradicionales de gran capacidad.

Expansión externa

Para dar respuesta a redes más complejas o en constante evolución, WAGO ofrece cajas de expansión externas en versiones de 1 ranura (758-9400) y de 2 ranuras (758-9800). Se pueden utilizar módulos de ampliación opcionales para añadir puertos para interfaces de comunicación habituales (Figura 3):

• Módulo RS232, 758-9011
• Módulo RS422/485, 758-9012
• Módulo Ethernet, 758-9013
• Módulo CAN, 758-9016

Figura 3: Carcasas de expansión de 2 ranuras (parte superior central) y de 1 ranura (parte superior derecha) para las computadoras de borde de WAGO, con módulos de expansión a modo de ejemplo que se muestran a continuación, entre los que se incluyen RS-422/485 (izquierda), CAN (centro) y Ethernet (derecha). (Fuente de la imagen: WAGO)

Conclusión

El continuo perfeccionamiento y la evolución de la Industria 4.0 plantean un reto a los diseñadores de redes industriales a la hora de implementar soluciones preparadas para el futuro. Las computadoras periféricas de segunda generación de WAGO pueden desempeñar un papel fundamental a la hora de garantizar la viabilidad futura de funciones clave, desde la planta de producción hasta la nube. Su mayor potencia de cálculo permite un mayor uso del procesamiento y el control de datos a nivel local, lo que elimina los problemas de latencia asociados a las conexiones en la nube.

La seguridad mejorada garantiza unas operaciones protegidas, lo que incluye el arranque seguro y la comunicación segura con todos los dispositivos conectados. Debian Linux ofrece soluciones preparadas para el futuro, ya que permite un desarrollo y una implementación eficientes y rápidos de contenedores Docker para dar respuesta a las nuevas necesidades de TI y TO a medida que surjan. Por último, la capacidad de ampliar fácilmente la conectividad a medida que los sistemas evolucionan y crecen aporta una garantía adicional de adaptabilidad al futuro y prolonga la vida útil de las inversiones en redes de computación de borde.

Lecturas recomendadas:

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