ARQUITECTURAS HW Y SW PARA SISTEMAS DE TIEMPO REAL

ARQUITECTURAS HW Y SW
PARA SISTEMAS DE TIEMPO
REAL
Fernando Sevillano
Marta Beltrán
[email protected]
[email protected]
II Jornadas Técnicas de Telecontrol del Ciclo Integral
de Agua
AGENDA
2
• “Arquitecturas HW y SW para sistemas de Tiempo
Real”. Marta Beltrán (Universidad Rey Juan
C l ) y Fernando
Carlos)
F
d
S ill
Sevillano
(W d
(Wonderware
Spain).
• “EMASAGRA:
“EMASAGRA Un
U caso práctico
á ti de
d implantación
i l t ió de
d
Tecnología Wonderware”. Ramón Carlos Valor
(EMASAGRA).
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
CONTENIDOS
3
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
Introducción.
C
Conceptos
Bá i de
Básicos
d Tiempo
Ti
R l
Real.
Arquitecturas HW para Tiempo Real.
Arquitecturas SW para Tiempo Real.
El problema de la integración de aplicaciones.
aplicaciones
Solución tecnológica propuesta por Wonderware.
Conclusiones.
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
1. INTRODUCCIÓN
4
…
El concepto de Tiempo Real surge constantemente en
el ciclo integral
g del agua.
g
† Seguimiento
de la evolución de caudales y del nivel de
los depósitos, regulación de la apertura de compuertas.
† Gestión del suministro, detección de averías e incidencias
en la red.
† Monitorización de la calidad del agua, detección de
contaminantes.
† Facturación.
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
1. INTRODUCCIÓN
5
G tió
Gestión
Control
Monitorización
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
TIEMPO REAL
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
6
…
…
“Proceso en el que el usuario no percibe el tiempo
empleado
p
en su ejecución”.
j
“Tipo de procesamiento en cual una transacción es
ejecutada y procesada sin espera alguna
alguna”.
(definición para usuarios “comunes”)
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
7
…
“Rápida transmisión y proceso de datos orientados a
eventos y transacciones a medida q
que se p
producen,,
en contraposición a almacenarse y retransmitirse o
procesarse por lotes
lotes”..
((definición para
p
servidores,, entornos de comunicación,, etc))
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
8
…
“Un sistema de tiempo real es aquel capaz de procesar
una muestra de señal antes de que ingrese al sistema la
siguiente muestra
muestra”.
TEMPERATURA
T1
T2
T3
t
(definición para procesamiento digital de señales)
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
9
…
“Un sistema de tiempo real es aquel en el que la
corrección de los resultados no depende
p
sólo de la
corrección de los cálculos realizados para
producirlos, sino también del instante en el que éstos
están disponibles”.
(definición más aceptada, Donald Gillies”)
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
10
…
En resumen:
† Tiempo
p
real no es sinónimo de inmediatez, baja
j latencia
o rapidez de funcionamiento:
„ No
es la velocidad de la respuesta del sistema la que lo
convierte
i t en un sistema
it
d tiempo
de
ti
real.l
„ El objetivo en sistemas de tiempo real es asegurarse de que la
latencia es la adecuada p
para resolver el p
problema al cual el
sistema está dedicado.
„
Y esto pueden ser días, horas, segundos o microsegundos
dependiendo del sistema.
sistema
„ No es lo mismo monitorizar el nivel de un depósito, que
controlar la apertura de una compuerta, detectar una avería
en la red o generar una factura.
factura
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
11
…
Tipos de sistema de tiempo real:
† Sistemas
Hard Real Time: Cuando la latencia de un
proceso del sistema sobrepasa su cota máxima se
produce un error en el sistema.
† Sistemas Soft Real Time: Cuando la latencia de un
proceso del sistema sobrepasa su cota máxima dentro de
unos límites establecidos sin provocar un error en el
sistema.
† Sistemas de Misión Crítica: Cuando la latencia de un
proceso del sistema sobrepasa su cota máxima puede
llevar a la pérdida de vidas o a catástrofes similares.
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
12
…
Características de un sistema de tiempo real:
Determinismo
Fiabilidad y
seguridad
Tolerancia a
fallos
Gran
complejidad
Simultaneidad
en la ejecución
de tareas
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
13
HW
…
SW
RTOS
STR
HW que no introduzca aleatoriedad.
„ Procesador,,
memoria,, disco duro: el sistema debe ser lo
más predecible posible (sin caché, sin paginación, sin
predicción de saltos, etc).
„ Todos estos factores añaden una aleatoriedad que
hace que sea difícil demostrar que el sistema es viable,
es decir,
d i que cumple
l con los
l plazos.
l
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
14
…
SW específico.
ífi
Optimizado para cumplir con los plazos y para no introducir
aleatoriedad.
† Mínima utilización de recursos
†
…
RTOS: Real Time Operating System.
Planificador con asignación de prioridades a los procesos.
† Especial importancia del tratamiento de interrupciones.
†
Latencia/Jitter
SO estándar
0.1 ms-100 ms
Linux
1 ms
IEEE 1003.1d Linux
10-100 µs
Real Time Linux
1-10
1
10 µs
RTOS kernels
1-10 µs
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
15
El STR debe garantizar que todas las tareas
que se ejecutan,
j
fi li
finalizan
d
dentro d
dell plazo
l
especificado (con el margen correspondiente si
es que lo hay).
Independientemente de si el plazo es de días,
días
horas o microsegundos.
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
16
…
Tiempo Real aplicado a la gestión global de la
empresa:
p
† Zero
Latency Entreprise (ZLE)
„ “Que
Que
la información llegue en un tiempo mínimo a la persona
responsable”.
†
ZLE implica
p
que la empresa
q
p
ha minimizado la latencia de
sus operaciones de manera que los eventos relacionados
con cualquier factor que afecte a la compañía
inmediatamente desencadenan las acciones oportunas de
las personas responsables.
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
17
VALOR ESTRATÉGICO DE LA INFORMACIÓN
Valor
ESTRATÉGICO
TÁCTICO
Tiempo Real
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
Mensual
ESTADÍSTICO
Cuatrimestral
Tiempo
2. CONCEPTOS BÁSICOS DE TIEMPO REAL
18
…
Beneficios de ZLE:
† Brindar
una vista en tiempo
p real del negocio.
g
„ Información
antes.
† Disponer
necesaria para reaccionar ante problemas cuanto
de aplicaciones
d
l
d gestión de
de
d negocio en
tiempo real (Data Mining, CRM, Score-Card, Business
Intelligence)
† Detectar y eliminar potenciales peligros para el sistema
(amenazas
(a
e a as de segu
seguridad
dad e
externas
e as e internas).
e as)
† Incrementar la productividad y la eficiencia de los
procesos de negocio.
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
3. ARQUITECTURAS HW PARA TIEMPO REAL
19
HW COMERCIAL
Procesadores
de propósito
general
HW
específico
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
DESARROLLOS A
MEDIDA
ASIC
FPGA
ARQUITECTURAS
PARALELAS
Memoria
compartida
Memoria
distribuida
3. ARQUITECTURAS HW PARA TIEMPO REAL
20
…
Procesadores de propósito general
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
3. ARQUITECTURAS HW PARA TIEMPO REAL
21
…
HW específico
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
3. ARQUITECTURAS HW PARA TIEMPO REAL
22
…
Desarrollos a medida (ASIC y FGPA)
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
3. ARQUITECTURAS HW PARA TIEMPO REAL
23
…
Arquitecturas paralelas (memoria compartida y
distribuida))
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
4. ARQUITECTURAS SW PARA TIEMPO REAL
24
…
…
El SW programado para sistemas de tiempo real está
casi siempre descompuesto en tareas que se ejecutan
concurrentemente.
concurrentemente
Al igual que ocurre con el HW de un sistema de tiempo
j
de estas tareas debe ser determinista.
real,, la ejecución
†
…
Por eso deben evitarse ciertos lenguajes de programación,
herramientas y prácticas en el desarrollo de aplicaciones de
tiempo real.
real
Actualmente existen multitud de herramientas y
tecnologías
g q
que son adecuadas p
para programar
p g
SW en
tiempo real.
†
POSIX, RTJava o ADA son sólo algunos ejemplos.
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
4. ARQUITECTURAS SW PARA TIEMPO REAL
25
…
Decisiones importantes:
† Arquitectura
„ Módulos
del SW.
que componen esa arquitectura (descomposición en
tareas).
„ Comunicación entre módulos.
† Diseño
de los módulos.
„ Funcional.
„ Implementación.
† Mecanismos
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
de tolerancia a fallos.
4. ARQUITECTURAS SW PARA TIEMPO REAL
26
…
Mejores prácticas en el diseño de SW para tiempo
real:
Aprovechar
A
h
l experiencia
la
i i de
d otros diseñadores
di ñ d
pero sin
i
reutilizar su código a no ser que estemos seguros de que el
problema es exactamente el mismo.
† Estudiar con detalle el HW y el SO del sistema.
† Basar la selección de tecnología y herramientas en un análisis
exhaustivo de las necesidades técnicas del sistema.
sistema
†
„
Utilizar estándares siempre que sea posible.
Invertir muchos esfuerzos en los programas de test (siempre
worst-case).
† Utilizar simulación siempre que sea posible ya que la
verificación
ve
cac ó formal
o a sue
suelee se
ser co
complicada.
p cada.
†
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
5. EL PROBLEMA DE LA INTEGRACIÓN DE
APLICACIONES
27
…
En la mayor parte de sistemas actuales conviven
aplicaciones de diferentes fabricantes, programadas
con diferentes lenguajes, que se ejecutan sobre
diferentes plataformas y sistemas operativos,
manejando
d diferentes
df
f
formatos
d datos
de
d
y que
funcionan sobre diferentes motores de base de datos.
† Por
lo tanto es necesario realizar grandes esfuerzos
f
para
integrar todas estas aplicaciones.
„ EAI
(Enterprise Application Integration).
Integration)
† Especialmente
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
cuando existen requisitos de tiempo real.
6. SOLUCIÓN TECNOLÓGICA PROPUESTA
POR WONDERWARE
28
…
Una Plataforma Tecnológica.
† Conectable
con sistemas que incorporan Software para
Tiempo Real.
„ PLC,
dispositivos de campo, RTU.
† Desplegable
escalables.
en Arquitecturas Hardware flexibles y
„ Del
monopuesto a arquitecturas distribuidas.
„ Aprovechando al máximo las capacidades del Hardware
instalado Redundancia,
instalado.
Redundancia Balanceo de carga.
carga
† Que
facilita la Integración Horizontal (a nivel campo) y la
Ia Integración
g
Vertical ((ZLE).)
V
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
Funcionalidades
Finanzas
RRHH
Servicios Comunes. D
Dato Único.
Ú i
29
Consecuencias
Producción
Desarrollo
Centralizado.
C
li d
Mantenimiento
IIntegral Central.
lC
l
Gestión
Business Intelligent
Business Intelligent
Histórico
Centralizado.
C
li d
Acceso
Contenidos Web.
C
id W b
Reducción TCO: Coste Adquisición + Mantenimiento – Coste Retorno
Modelo.
Reutilización.
Centro de
Competencias.
Entornos
Distribuidos.
Licencia
Corporativa.
Integración
Horizontal.
Plataforma Sistemas Transaccionales: ERP
Control Costes / Desviaciones / Mejora
Mensajería XML. MIMOSA
Información Instalación
Tiempo Real. ZLE.
Visualización
y Control.
Información
Proceso/Facturación.
Reconocimiento Reconocimiento
Alarmas. SMS.
Integración Integración
GIS.
Funcionalidades
Servicios Comunes. Objetos Ejecutables TR.
Consecuencias
Desarrollo
Centralizado.
Mantenimiento
Integral Central.
Histórico
Centralizado.
Acceso
Contenidos Web.
Reducción TCO: Coste Adquisición + Mantenimiento – Coste Retorno
Objetos.Modelo.
Reutilización.
Centro de
Competencias.
Entornos Distribuidos.
Centros de Control.
Licencia
Corporativa.
Integración Horizontal
y Vertical. EAI.
Plataforma Sistemas Tiempo Real
Fabricantes/SCADA.
Sevillano‐Beltrán, Abril 2008
Sevillano‐Beltrán, Abril 2008
Dispositivos Campo
Instrumentación
6. SOLUCIÓN TECNOLÓGICA PROPUESTA
POR WONDERWARE
30
Solo servidor de Objetos
Nodo único
Integrado
Distribuido
Punto a Punto
Servidor único
Multi Cliente
Multi Servidor Distribuido
Multi Cliente
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
6. SOLUCIÓN TECNOLÓGICA
PROPUESTA POR WONDERWARE
31
Operator
S
Station
Operator
S
Station
Operator
S
Station
Operator
S
Station
Development
S
Station
Development
S
Station
System Platform.
• Encapsulamiento en Objetos.
• Derivación desde Plantillas.
• Un Único Name Space.
G l i
Galaxia.
• Seguridad. Nivel Dato.
• Capa Presentación. Thin.
• Drag and Drop
•Gestión Centralizada.
• Entorno Multidesarrollo.
Historian
–
InSQL
Automation
Object Server
–
AOS001
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
Automation
Object Server
–
AOS002
Automation
Object Server
–
AOS003
Galaxyy
Repository
–
GRNode
• Despliegue Escalable.
• Topología de Red Robusta.
6. SOLUCIÓN TECNOLÓGICA
PROPUESTA POR WONDERWARE
32
Operator
Station
Historian
sto a
–
InSQL
Operator
Station
Automation
uto at o
Object Server
–
AOS001
Operator
Station
Automation
uto at o
Object Server
–
AOS002
Operator
Station
Development
Station
Automation
uto at o
ObjectSi
Server
–
necesitamos
AOS003
más
potencia
Development
Station
Automation
uto
Galaxy
Ga
aatyo
Object
Repository
Server
–
AOS004
GRNode
…
Redistribución de la Carga
C
en Tiempo de Ejecución. Alta
A Disponibilidad.
…
Ampliación de Servidores para dotar de más Potencia al Sistema. Ampliación. Escalabilidad
…
Ampliación de Puestos Clientes sin necesidad de “tocar”
tocar la Aplicación Principal. Reducción TCO.
…
Los Clientes leen los objetos distribuidos entre Servidores. Sin definir dirección. Flexibilidad.
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
6. SOLUCIÓN TECNOLÓGICA
PROPUESTA POR WONDERWARE
33
Residuales
D
h Central
C t l
Despacho
OPC
Visualización y Control
InTouch Platform
VSAT
Modem
Otros
Visualización y Control
InTouch Platform
Drivers
Plantas Depuradoras
OPC
Visualización y Control
InTouch Platform
Drivers
Servidor
S id
Históricos
Historian
Servidor
S id Web
W b
Information Server
Configuración
Galaxy
Repository
Estación
Ingeniería
IDE
Potables
OPC
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
Drivers
Visualización y Control
InTouch Platform
7. CONCLUSIONES
34
…
…
Un sistema de tiempo real debe garantizar que todas
las tareas q
que se ejecutan
j
en él finalizan dentro del
plazo especificado, sea este el que sea.
† Gestión,
Gestión control y monitorización a bajo y alto nivel.
nivel
Este tipo de sistemas suele ser tremendamente complejo,
y deben ser deterministas,
deterministas fiables,
fiables seguros,
seg ros tolerantes a
fallos y capaces de ejecutar varias tareas
simultáneamente.
simultáneamente
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
7. CONCLUSIONES
35
…
Existen multitud de arquitecturas HW y SW que
permiten implementar sistemas de tiempo real hoy
en día.
día
Problemas de integración.
† Muy importante también el SO.
SO
†
…
…
Lo importante es conocer todas las alternativas, y
escoger las
escoge
as que menos
e os a
aleatoriedad
ea o edad introduzcan
odu ca een
el sistema.
Wonderware p
propone
p
una p
plataforma tecnológica
g
que permite integrar sistemas e información en
multitud de entornos diferentes con necesidades de
tiempo
i
real.l
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
10 RAZONES ESTRATÉGICAS.
36
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
37
1. Solución HMI (Human Machine Interface)
Líder del Mercado.
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
2. Proveedor de Software Estándar.
I d
Independiente
di
ffabricantes
bi
Hardware.
H d
38
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
3. Inexistencia de Saltos Tecnológicos.
39
Windows NT 4.0
2003 Server
NT Server
Windows
SQL 2000
SQ
000
31
Windows 2.0
2 0 Windows NT 3.1
SQL 6.5
2000
.net
Windows NT 3.51
ActiveX
Windows 3.0
Windows 95
Windows XP
InTouch 3.0
InTouch 2.0
InTouch 5.1
InTouch 32 bit
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
FactorySuite
2000
FactorySuite
1000
InTouch 7.11
InTouch 7.0
Industrial SQL 7.1
Windows Vista
SQL 2005
BizTalk
.net
SharePoint
...
InTouch 9.0
ArchestrA
InTouch 10
IAS 3.0
WEI
A h tA
ArchestrA
…
40
4. Arquitectura Software basada en
.NET de Microsoft. ArchestrA.
Capa de Informes
Capa de Ejecución
Capa
p de Desarrollo y
Mantenimiento
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
41
5. Modelo de Negocio.
Certificación de Integradores.
Servicios
Cliente
Proveedor
Tecnológico
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
Integrador
Sistemas
6. Comunicación Universal.
42
INTEGRACIÓN VERTICAL
INTEGRACIÓN HORIZONTAL
300 Drivers para comunicar
con Dispositivos
de Planta
p
Utilidades para Integrar otros
SCADA
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
Software
Estándar
para
abordar
proyectos de
Integración
de Sistemas
GIS y ERP
7. Soluciones basadas en
Estándares o Estándares de Facto.
43
Comunicación
OPC
Integración
XML
Integración
ERP. ISA
S95
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
Bases de
Datos.SQL
Integración
Sistemas
Mantenimiento.
MIMOSA
Gestión Batch.
Batch.
ISA S88
D
Desarrrollo
ll
.NET
Integración GIS
8. System Platform. Solución Modular
Ad
Adaptación
ió necesidades
id d del
d l Cliente.
Cli
44
Plataforma Servicios Comunes +
•
•
•
•
Módulo Visualización y Control.
Módulo Gestión Información / Facturación.
Reconocimiento
SMS.
R
i i t Alarmas.
Al
SMS
Integración GIS.
Portal
P t lW
Web.
b A
Acceso Multifuncional
M ltif i
l
Clientes Flotantes y Fijos.
Fijos
Acceso PDA.
PDA
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
45
9. Funcionalidades incluidas en la
Plataforma.
Redundancia
Comunicaciones
Aplicaciones
Históricos
Visualización
Gestión
Aplicación
Única
Escalabilidad
Señales e Históricos
Servidores y Clientes
Incremento Funcionalidades
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
Gestión Entornos
Distribuidos.
Integración
Aplicaciones
p
Reducción TCO.
(Total Cost of
Ownership))
Ownership
10. Wonderware apuesta por el
Sector Aguas.
46
…
En Mayo de 2008,
2008, Wonderware
l
lanza
all Mercado,
M
d su Primer
Pi
Vertical
V ti l
dirigido al SECTOR AGUAS
AGUAS..
† Objetos
Gráficos y Lógicos Predefinidos
Predefinidos..
† Más
Má drivers
di
d comunicación
de
comunicación.
i ió .
† Problemática de envío de datos asíncrono.
asíncrono. (RTU).
(RTU).
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
Un pensamiento…
47
…
…
“Nuestra robusta Estrategia Tecnológica, genera
ventajas
j
competitivas
p
que nos p
q
posicionan en el
mercado de forma privilegiada.
Aquellas empresas que estratégicamente nos
proporcionan su confianza, asumen de forma natural
estas ventajas que fortalecen las de su propio
Negocio.”
Sevillano-Beltrán, Abril 2008
MUCHAS GRACIAS
Fernando Sevillano
Marta Beltrán
[email protected]
[email protected]
II Jornadas Técnicas de Telecontrol del Ciclo Integral
de Agua