Una aproximación a las tecnologías especializadas de virtualización de factorías en tiempo real

Muchos gestores de factorías piensan aún que la virtualización es algo muy bonito, pero con beneficios reales dudosos. Piensan que un escenario virtual resulta magnífico como escaparate de la empresa, pero los efectos sobre la productividad son dudosos. Y es más, también hay un cierto terror a automatizar por el miedo a caer en manos inexpertas, o dejarnos llevar por la tecnología inadecuada. Y cierto es que un proyecto de virtualización no es una empresa sencilla cuando abordamos el control total de una planta compleja, pero lo que sí está claro es que sus beneficios sobre la productividad de la empresa, y en último término sobre los costes totales del sistema, son realmente incuestionables. Como veremos a continuación, en escenarios de trabajo complejos la virtualización aporta un buen número de ventajas y a la vez consigue reducir los costes del sistema en su conjunto. Nos hacemos eco en este artículo de un trabajo desarrollado por Gerd Lammers y Christian Eder, en el que defienden que la virtualización en tiempo real reduce drásticamente los costes totales del sistema. En su trabajo revisan las tecnologías de software para aplicaciones industriales, así como las favorables tendencias de CPU con múltiples núcleos. Los sistemas de operación modernos ya utilizan esta arquitectura de CPU para la distribución de tareas entre núcleos de proceso y por lo tanto incrementar el rendimiento del sistema. A partir de aquí, podemos avanzar hacia la virtualización, donde sistemas de operación múltiples ejecutan en paralelo de forma segura e independiente en núcleos separados. Por otra parte, la ejecución de múltiples sistemas de operación en una simple plataforma de hardware no es nada nuevo. En los dominios de servidor o IT, las soluciones tales como VM-Ware o Xen han trabajado con éxito desde hace unos años. Un caso para la virtualización es la posibilidad de disponer de aplicaciones o datos distribuidos, y por lo tanto más seguros. La virtualización también permite trabajar en paralelo a diferentes sistemas operativos, por ejemplo Microsoft Windows y LINUX. Respecto a los controladores industriales, o aplicaciones de medición o ensayo, tienen requerimientos muy similares a los dominios IT o de servidor. En estas aplicaciones, la captación de datos en tiempo real, procesado y control se separarán de las tareas no críticas tales como la interface de usuario, comunicación de bases de datos y conexión a internet abierta. Esta separación de tareas se consigue utilizando sistemas operativos múltiples en plataformas de hardware dedicado separado. Un microcontrolador alberga el sistema operativo en tiempo real (RTOS) y maneja todo los requerimientos del tiempo realy un sistema basado en PC dirige un sistema operativo para propósitos generales (GPOS), tal como Microsoft Windows o Linux. La tecnología de virtualización especializada, conocida como Hipervisores en tiempo real, se han desarrollado para dirigir los requerimientos en tiempo real y los de propósito general en los procesadores multi-núcleo. La principal ventaja de esta tecnología es que no son necesarios drivers de dispositivo especiales o modificados porque se asignan individualmente las interrupciones y se permite el acceso del hardware directo. Las CPUs, así como dispositivos o memorias no asignadas a un sistema operativo se esconden completamente del sistema operativo. El despliegue de sistemas operativos múltiples en plataformas de procesadores multi-núcleo es un paso lógico en el diseño de sistemas integrados (o embebidos) y reduce los costes totales de hardware a la vez que se incrementa el rendimiento del sistema. Con tecnologías multi-núcleo comoIntel Core Duo, ahora disponible en módulos de computadores integrados, se ha alcanzado una nueva dimensión en la modularidad y flexibilidad de las aplicaciones industriales. Si bien las interfaces I/O están migrando desde paralelas a interfaces serie más rápidas, los vendedores de microprocesadores están tomando la dirección opuesta. Tras alcanzar arquitecturas de 64-bit, el potencial de incrementar el rendimiento parece estar alcanzando su límite. Una solución posible es simplemente aumentar la velocidad del reloj del microprocesador, pero el coste del consumo de energía se incrementa exponencialmente. En contraste, la paralelización origina un incremento casi lineal del rendimiento. La tecnología de virtualización se ha desarrollado suficientemente para soportar sistemas de operación múltiples en un simple procesador. Las aplicaciones industriales requieren típicamente sistemas computerizados especializados. Los computadores de la industria no ofrecen las interfaces específicas de la industria y no están diseñados para resistir un ambiente industrial agresivo. En general, la combinación de módulos de computación integrados y un hipervisor en tiempo real generan una plataforma universal aplicable para casi cada uso industrial. La integración de múltiples sistemas operativos y aplicaciones en un sistema de computación de múltiples núcleos reduce el coste e incrementa la flexibilidad.

Bibliografía: Real-time virtualisation drastically reduces total system costs. Engineer Live. June 2008

Palabras clave: Real-time operating system, specialized virtualization technology, Real-time hypervisor, embedded system design, serial interfaces, real-time virtualisation