Elegir el estándar adecuado de módulo de computadora para equipos de automatización industrial

La automatización industrial requiere una amplia gama de sistemas electrónicos avanzados, desde plataformas de control de máquinas y análisis de datos hasta líneas de ensamblaje robótico, sistemas de inspección visual, interfaces hombre-máquina (HMI) y más. Dentro de estos sistemas, la computación avanzada en el borde es esencial para interactuar con un conjunto diverso de periféricos y procesar datos con mínima latencia para garantizar que el equipo se mantenga seguro y maximice su eficiencia.

Además, estos sistemas deben operar de manera confiable en entornos industriales exigentes, ya que cualquier tiempo de inactividad erosiona las oportunidades de generación de ingresos para los fabricantes. Para maximizar el tiempo de actividad, las arquitecturas de equipos modulares ofrecen un servicio más rápido a través de componentes fáciles de reemplazar. Con la planificación adecuada, la modularidad también facilita las actualizaciones que pueden extender los ciclos de vida del equipo para maximizar aún más los ingresos.

Este blog ofrece una introducción a los estándares abiertos de computadora en módulo (COM) como un enfoque para habilitar el procesamiento a bordo actualizable. Luego proporcionará orientación sobre los criterios de selección para equipos de automatización industrial e ilustrará las implicaciones a largo plazo de la elección del estándar COM comparando dos COM diferentes que utilizan el mismo procesador.

Las ventajas de los COM en la automatización industrial

El diseño basado en COM toma los recursos informáticos centrales de un sistema y los coloca todos en un solo módulo que se puede quitar y reemplazar fácilmente. Esto simplifica drásticamente las reparaciones—y por lo tanto minimiza el tiempo de inactividad—en comparación con los sistemas monolíticos donde los procesadores están soldados directamente en las placas base. De manera similar, este enfoque admite actualizaciones de procesadores más fáciles para extender los ciclos de vida del equipo mientras también guía a los sistemas hacia la era moderna.

Los COM comerciales disponibles en el mercado (COTS) basados en estándares abiertos ofrecen varios beneficios adicionales sobre los diseños totalmente personalizados al acelerar las reparaciones o actualizaciones de equipos:

• Las plataformas informáticas listas para usar ofrecen un tiempo de comercialización más rápido y disponibilidad de componentes mientras simplifican el desarrollo.
• La integración estandarizada promueve una mayor interoperabilidad entre diferentes conjuntos de chips de procesamiento y soluciones de múltiples proveedores, aliviando las preocupaciones de la cadena de suministro.
• Los altos niveles de integración a menudo respaldan la robustez de grado industrial, con algunos proveedores ofreciendo pre-certificación contra golpes y vibraciones, por ejemplo.

También conocidos como sistemas en módulos (SOM), los COM generalmente se montan en una placa portadora específica de la aplicación personalizada que proporciona acceso a puertos de conexión externos, pantallas y otras características orientadas al operador. Al mantener el mismo diseño de portadora y simplemente reemplazar el COM con uno del mismo estándar y distribución de pines, los fabricantes pueden actualizar fácilmente las líneas de productos con cambios mínimos de hardware a lo largo de múltiples generaciones de productos, ahorrando tiempo y costos significativos de desarrollo. Sin embargo, la elección del estándar COM y el diseño inicial de la portadora establecen las interfaces disponibles para la aplicación, por lo que estas decisiones tienen implicaciones a largo plazo.

SMARC versus COM Express – Rendimiento e implementación práctica

Aunque hay muchos estándares COM abiertos disponibles, SMARC y COM Express presentan dos estándares que son muy adecuados para entornos industriales. Ambos ofrecen interfaces de alta velocidad como PCI Express (PCIe), USB y Ethernet Gigabit (GbE) para soportar los periféricos de alto ancho de banda de los sistemas industriales, pero hay diferencias fundamentales entre ellos.

Normalmente, SMARC ofrece un amplio soporte para Arm y x86 de bajo consumo y atiende a dispositivos más pequeños y de menor consumo, con E/S enfocadas en visión como MIPI-CSI para cámaras y LVDS para pantallas planas que lo hacen ideal para despliegues móviles. En contraste, COM Express abarca varios subtipos que predominantemente soportan procesadores x86 de mayor rendimiento y E/S de mayor ancho de banda. Esto aumenta la versatilidad de la aplicación a expensas de un consumo de energía típicamente mayor. Los subtipos de COM Express ofrecen un equilibrio entre el tamaño de la placa, la señalización y los límites de potencia. La Tabla 1 resume cómo estas diferencias afectan tanto el diseño de la placa portadora como la idoneidad de SMARC vs COM Express Tipo 6 Compacto para aplicaciones específicas de automatización industrial.

Tabla 1: Comparación del efecto del estándar COM en el diseño de la placa portadora y el área de aplicación.

Al apuntar a reducir el tiempo de inactividad y facilitar las actualizaciones, el amplio soporte de Arm y x86 de bajo consumo de SMARC aumenta la flexibilidad de reemplazo de COM con un rediseño mínimo o nulo de la placa portadora, aunque algunas diferencias de E/S pueden requerir consideración durante la configuración inicial. No obstante, los menos carriles de alta velocidad de SMARC establecen un techo de rendimiento más bajo que COM Express, limitando la funcionalidad. Alternativamente, COM Express presenta una alternativa más flexible y poderosa a SMARC, con un ecosistema maduro que puede ser útil al buscar módulos de reemplazo. Sin embargo, los conjuntos de chips con TDP más alto pueden hacer más desafiante crear equipos sellados y sin ventilador que requieren menos mantenimiento, aumentando los requisitos de tiempo de inactividad rutinario.

Cómo los estándares COM definen la funcionalidad del equipo

Para ilustrar la importancia de la elección del estándar COM al diseñar equipos de automatización industrial, la siguiente comparación presenta dos COM diferentes con procesadores idénticos pero potenciales muy diferentes.

El SOM-SMARC-ASL y el SOM-COMe-CT6-ASL de grado industrial de SECO están ambos basados en los procesadores Intel Atom® x7000RE Series—nombre en clave Amston Lake—y soportan funcionalidad TSN (Redes Sensibles al Tiempo) y TCC (Computación Coordinada en el Tiempo) que son esenciales para tareas de automatización estrechamente coordinadas. Mientras que ambos COM cuentan con un controlador gráfico Intel UHD integrado que soporta hasta 3 pantallas independientes, un análisis más profundo—mostrado en la Tabla 2—revela el enfoque del SOM-SMARC-ASL en gráficos y redes y el cambio del SOM-COMe-CT6-ASL hacia interfaces periféricas de alta velocidad y almacenamiento masivo.

Tabla 2: Una comparación de implementaciones de Intel Atom x7000RE en diferentes estándares COM.

Al examinar ambos COM de esta manera, es más fácil ver por qué SMARC es más adecuado para puertas de enlace IoT y HMI compactas y COM Express prospera en sistemas de ensamblaje e inspección automatizados—a pesar de los procesadores idénticos en el corazón de cada COM. Para el SOM-COMe-CT6-ASL, el alto rendimiento por vatio de los procesadores Intel Atom también facilita los requisitos de gestión térmica, permitiendo diseños más compactos que las soluciones típicas de COM Express.

Aún así, es importante entender por qué elegir el estándar COM correcto es más importante que los conjuntos de chips específicos para minimizar el tiempo de inactividad y extender los ciclos de vida del equipo: Los conjuntos de chips y el rendimiento pueden ser actualizados, pero la funcionalidad básica está establecida por la portadora y el estándar COM que se encuentra sobre ella.

Más detalles sobre soluciones basadas en SMARC y COM Express construidas sobre procesadores Intel Atom están disponibles en las páginas de productos de SECO.

Si estas consideraciones arquitectónicas son relevantes para su hoja de ruta, puede contactarnos para iniciar una discusión técnica y explorar qué enfoque se adapta mejor a sus requisitos específicos de aplicación.