Los PLCs virtuales están transformando la automatización industrial al separar el software del hardware. Aunque prometen avances, aún enfrentan limitaciones técnicas y no se espera que sean estándar antes de 2030.
IoT Analytics ha publicado nuevas perspectivas de su informe Virtual PLC and Soft PLC Market 2024-2030, destacando los principales impulsores y desafíos que dan forma a la adopción de PLC virtuales en la automatización industrial.
Los PLC virtuales representan un cambio de paradigma para la automatización industrial al separar el software de lógica de control del hardware específico. Audi está a la vanguardia al sustituir numerosos PLC descentralizados en sus fábricas por PLC virtuales centralizados basados en servidor. El mercado de los PLC virtuales es muy incipiente y, en general, se considera que su nivel de madurez es bajo debido a su limitada compatibilidad con tareas de control, la ausencia de certificaciones de seguridad, la falta de portabilidad del código y la ausencia de redundancia. Aunque se espera que los PLC virtuales ganen terreno en los próximos años, no se prevé que se conviertan en la norma del sector para 2030.
Knud Lasse Lueth, CEO de IoT Analytics, comenta que «los PLC virtuales representan un cambio sísmico potencial en la automatización industrial, y nuestros últimos estudios sugieren que se avecina una mayor adopción. Aunque las limitaciones actuales -como la falta de certificaciones de seguridad y la alta latencia- plantean retos, fabricantes pioneros como Audi están demostrando su potencial transformador. Los proveedores se alinean cada vez más con estos innovadores. Para finales de la década, prevemos avances significativos en el mercado de los vPLC, aunque es poco probable que se conviertan en la norma del sector para 2030».
Raghav Kadian, analista de mercado de IoT Analytics, añade que «a medida que los fabricantes demandan cada vez más soluciones independientes del hardware, los PLC virtuales se perfilan como una tecnología prometedora aunque incipiente. Se prevé que el mercado de los PLC virtuales y blandos crezca de forma significativa, representando potencialmente el 25% de las nuevas ventas de PLC para 2030.
Sin embargo, su adopción es actualmente limitada debido a la inmadurez de la tecnología, con características clave como la certificación SIL3 y la redundancia aún en desarrollo. Aunque los proveedores se enfrentan al reto de la transición a modelos basados en suscripciones y de sortear el dilema del innovador, la naturaleza centrada en el software de los PLC virtuales ofrece oportunidades para nuevas fuentes de ingresos. La carrera está ahora en marcha para que los proveedores maduren la tecnología y atiendan esta creciente demanda, redefiniendo el panorama de los sistemas de control industrial.»
Evolución del PLC virtual
Durante décadas, los PLC han sido la piedra angular de la automatización industrial. Desde la década de 1960, estos pequeños dispositivos han ejecutado la lógica de control directamente en la planta de producción, garantizando el funcionamiento perfecto de robots, líneas de montaje y otros sistemas críticos. Hasta la fecha, sus principios básicos se han mantenido prácticamente inalterados: hardware descentralizado repartido por toda la fábrica, con lógica de control estrechamente acoplada a dispositivos específicos de cada proveedor. Sin embargo, algunos grandes fabricantes están empezando a cuestionar este paradigma. Un ejemplo notable: el fabricante de automóviles Audi.
En 2022, Audi lanzó su iniciativa Edge Cloud 4 Production (EC4P), un proyecto transformador que busca centralizar el control de la fábrica. En lugar de depender de múltiples PLC individuales y PC industriales, EC4P de Audi pretende consolidar la lógica de control en PLC virtuales (vPLC) que se ejecutan en centros de datos a kilómetros de la planta de producción. Este cambio del control físico al virtual supone un cambio radical respecto al statu quo y señala una posible reimaginación del futuro de la automatización industrial (más adelante en este artículo se habla más de Audi y de la iniciativa EC4P).
Definición de los tipos de autómatas programables: Los tres tipos de autómatas programables
PLC rígido (o PLC basado en hardware): dispositivo informático dedicado e independiente diseñado para tareas de automatización y control industrial. Los PLC rígidos están estrechamente acoplados al hardware de un proveedor específico y están diseñados para funcionar exclusivamente con sistemas propietarios.
Soft PLC: versión basada en software de un PLC rígido que imita sus funciones pero ofrece diversos grados de independencia del hardware. Los autómatas programables pueden ser específicos de hardware o agnósticos de hardware:
- Los soft PLC específicos de hardware funcionan en una gama limitada de plataformas compatibles dentro del ecosistema del mismo proveedor.
- Los agnósticos de hardware pueden funcionar en el hardware de varios proveedores.
PLC virtual (vPLC): PLC basado en software que se ejecuta en entornos virtualizados como la nube, servidores periféricos o PC industriales. Los PLC virtuales utilizan tecnologías de contenedorización e hipervisor, lo que les permite desplegar la lógica de control independientemente del hardware subyacente.
La tecnología de virtualización es clave para desacoplar el software y el hardware en el control de fábricas. La tecnología de virtualización ha revolucionado la TI en los últimos años (por ejemplo, los centros de datos con servidores que ejecutan múltiples máquinas virtuales). La convergencia entre TI y OT está llevando esta tecnología a la OT (por ejemplo, las máquinas virtuales están llegando a dispositivos OT como los PC industriales). A medida que los fabricantes preparan sus fábricas del futuro para que sean escalables, automatizadas y mantenibles, los proveedores de PLC y de tiempo de ejecución de PLC -como Siemens, empresa alemana de automatización industrial, o CODESYS, proveedor de software de automatización, entre otros- siguen el ejemplo de las TI y han empezado a ofrecer vPLC.
Los proveedores se enfrentan al dilema del innovador debido a la disociación del hardware. Los PLC basados en hardware propietario han sido muy rentables y una importante fuente de ingresos para los proveedores de automatización industrial (como Siemens, Rockwell Automation, ABB, Honeywell, Mitsubishi o Schneider Electric) durante años. Desvincular la lógica de control (software) del hardware puede desplazar el modelo de ingresos hacia el software exclusivamente, creando lo que el difunto profesor de Harvard y consultor empresarial Clayton Christensen denominó el famoso «dilema del innovador»: ¿Adoptan los vendedores la nueva innovación, posiblemente rentable, a riesgo de socavar su modelo de hardware y software, bien establecido y rentable? Durante años, los fabricantes se han mostrado reticentes a apoyar este modelo de negocio.
Ahora que grandes fabricantes como Audi están siendo pioneros en la adopción de los vPLC, parece que las tornas están cambiando. Esto plantea una pregunta: ¿Podrán los vPLC convertirse en la norma del sector a finales de esta década? Para responder a esta pregunta, conviene conocer primero el estado actual de los vPLC.
El estado de los PLC virtuales: Madurez, factores de adopción y retos
Los vPLC aún se encuentran en su fase inicial de desarrollo. La investigación de IoT Analytics identificó 4 requisitos técnicos clave que los proveedores deben cumplir antes de que los vPLC puedan sustituir completamente a los PLC rígidos y convertirse en la norma del sector, como se muestra en la tabla: compatibilidad con tareas de control, seguridad funcional, portabilidad de la lógica de control y redundancia. Cuantos más requisitos cumplan (y mejoren) los fabricantes, más maduros podrán considerarse sus vPLC. En general (con notables excepciones en la siguiente sección), los vPLC son actualmente capaces de realizar tareas de control básicas, con las siguientes limitaciones:
- Soporte de tareas de control: Ningún vPLC admite tareas de control que requieran tiempos de ejecución superiores a 1 ms.
- Certificación de seguridad funcional: Actualmente, ningún vPLC admite públicamente las certificaciones de seguridad funcional que se requieren cuando la seguridad operativa es primordial (IEC 61508 es la norma fundacional para la seguridad funcional en sistemas eléctricos, electrónicos y electrónicos programables).
- Portabilidad de la lógica de control: La mayoría de los vPLC no pueden cambiar sin problemas entre diferentes tiempos de ejecución (por ejemplo, ejecutarse en el tiempo de ejecución del proveedor A y en el tiempo de ejecución del proveedor B) sin modificaciones de código, lo que les impide ser realmente independientes del hardware.
- Redundancia: La mayoría de los vPLC carecen de redundancia, de modo que si se instalan varios vPLC en un servidor centralizado y éste se cae, también lo hacen los tiempos de ejecución del vPLC y la capacidad de ejecutar la lógica de control.
La automoción lidera la adopción temprana. Hasta ahora, esta escasa madurez ha limitado una adopción más amplia. Aun así, según el estudio, los vPLC tienen adoptantes tempranos en el sector de la automoción, que constituirá casi una cuarta parte del incipiente mercado de los vPLC en 2023.
8 impulsores de la adopción de los vPLC. La investigación identificó 8 impulsores actuales de adopción de vPLC, 3 de los cuales se comparten a continuación:
- Mejora operativa: Los vPLC pueden gestionarse desde una única interfaz centralizada, lo que simplifica tareas como las actualizaciones y permite el acceso centralizado a todos los datos del PLC.
- Flexibilidad: Al desvincular el tiempo de ejecución del hardware, se elimina la dependencia del proveedor, lo que permite a los usuarios personalizar y desplegar aplicaciones en función de sus necesidades sin depender de herramientas específicas del proveedor. Además, los tiempos de ejecución de PLC pueden desplegarse en el mismo hardware para satisfacer las necesidades operativas cambiantes sin aumentar los requisitos de hardware.
- Rentabilidad: Es posible consolidar varios PLC en una única plataforma de hardware, lo que reduce la necesidad de adquirir varios PLC físicos. Además, los vPLC ofrecen menores costes de sustitución, ya que se puede utilizar cualquier hardware no propietario, y sustituir un vPLC implica en gran medida una actualización.
Caso práctico: Edge Cloud 4 Production de Audi
El proyecto EC4P es una iniciativa de Audi para modernizar la automatización de fábricas mediante la integración de sistemas de TI y OT para crear un entorno de producción más eficiente, escalable y seguro. El proyecto se centra en consolidar las cargas de trabajo computacionales y simplificar el mantenimiento sustituyendo los IPC descentralizados por clústeres de servidores centralizados. Como parte de EC4P, Audi está integrando PLC virtuales en estos servidores centralizados para migrar la lógica de control de los IPC a la infraestructura de servidores.
Las razones para EC4P incluyen:
- Tiempo de inactividad significativo al actualizar los PLC de hardware: las actualizaciones manuales de los PLC provocan un tiempo de inactividad significativo. Además, el acceso físico a los PLC también crea riesgos de seguridad, ya que es posible realizar cambios no autorizados en el código.
- Costes de mantenimiento elevados: los PLC descentralizados requieren un mantenimiento muy costoso.
- Dificultades de escalabilidad: La escalabilidad de las operaciones es difícil con los sistemas de hardware descentralizados. Cuando se introduce un nuevo modelo, por ejemplo, hay que reconfigurar las líneas de montaje, lo que requiere cambios en múltiples dispositivos de hardware, lo que aumenta la complejidad y el tiempo.
Cisco, CODESYS, Siemens y VMware apoyan este esfuerzo. Cisco proporciona la infraestructura de red que conecta los servidores centralizados con los clientes ligeros de la planta de producción. El hipervisor ESXi de VMware se ejecuta en los servidores centralizados, lo que permite la creación de varias máquinas virtuales en las que se implementan los tiempos de ejecución SIMATIC S7-1500V vPLC de Siemens y Virtual Control SL de CODESYS.
En julio de 2023, Audi anunció que las pruebas de EC4P se habían realizado con éxito. Desde entonces, la empresa ha implantado el proyecto en sus instalaciones de Böllinger Höfe para apoyar la producción de sus modelos e-tron GT quattro, RS e-tron GT y r8.
6 retos para la adopción. En medio de estos impulsores, sigue habiendo retos. Además de los problemas de nivel de madurez mencionados anteriormente, la investigación también identificó 6 retos para la adopción, divididos entre retos operativos/técnicos y retos empresariales/estratégicos. Dos de estos retos son:
1- Ambigüedad del soporte: A medida que los proveedores se alejan de las soluciones propietarias y bloqueadas por el proveedor y avanzan hacia PLC virtuales desacoplados del hardware y agnósticos, las pilas tecnológicas están incorporando componentes de múltiples proveedores a varios niveles. Aunque esto permite flexibilidad, también plantea retos, sobre todo en materia de asistencia y resolución de problemas. Para hacer frente a este reto, los proveedores pueden desarrollar asociaciones para ofrecer asistencia unificada a todos los componentes o integrar herramientas de diagnóstico que supervisen toda la pila tecnológica para identificar y resolver problemas rápidamente.
2- Resistencia al cambio: A medida que las cargas de trabajo pasan de los entornos tradicionales de OT a la infraestructura de TI, los empleados se enfrentan a importantes retos, especialmente los que desempeñan funciones de OT. El personal de OT, que históricamente está acostumbrado a trabajar con sistemas heredados que han permanecido prácticamente sin cambios, ahora necesita adquirir habilidades de TI modernas, como prácticas DevOps, metodologías ágiles y gestión de infraestructura en la nube. El éxito de la comercialización dependerá de lo bien que los proveedores ayuden a sus clientes a superar el reto de la gestión del cambio.
Tecnologías de transición y el avance hacia la adopción generalizada de PLC virtuales
Los proveedores ofrecen PLC virtuales para abordar las limitaciones de los PLC físicos. Mientras los proveedores se esfuerzan por superar los retos que plantea la adopción de los PLC virtuales y madurar sus PLC virtuales, muchos han dado un paso intermedio para abordar al menos algunas de las limitaciones de los PLC físicos ofreciendo PLC flexibles, como los acoplados a hardware específico. Algunos proveedores de automatización industrial ofrecen PLC blandos compatibles con varias plataformas, pero sólo con las de su propio ecosistema, lo que los hace específicos del hardware. Algunos ejemplos son TwinCAT XAR de Beckhoff, con sede en Alemania, que se ejecuta en su serie Embedded PC, y Automation Runtime de B&R Industrial Automation, con sede en Austria, que se ejecuta en su serie X20 de controladores. Mientras tanto, otros fabricantes han ido más allá y han conseguido que sus soft PLC sean independientes del hardware utilizado. Un ejemplo es el Runtime de CODESYS, que puede adaptarse a muchas plataformas con la ayuda de su CODESYS Runtime Toolkit.
Avance hacia una sustitución virtualizada de los PLC rígidos. Aunque permiten flexibilidad en el tipo de hardware en el que se ejecuta la lógica de control, los PLC blandos siguen vinculando la lógica de control al hardware, a menudo cerca de la planta de producción. Los vPLC prometen reducir el número de sistemas de hardware necesarios y permitir la gestión centralizada, y algunos proveedores de automatización industrial están avanzando en la maduración de sus ofertas y abordando los retos, entre ellos:
- Siemens: En abril de 2023, la compañía lanzó el SIMATIC S7-1500V, un vPLC que opera en un contenedor Docker y está diseñado para ejecutarse en hardware existente o genérico. Este controlador se basa en las funciones y el funcionamiento de su PLC SIMATIC S7-1500 (duro).
- CODESYS: En junio de 2024, lanzó CODESYS Virtual Control SL, que permite a los usuarios disponer de un controlador con certificación ISO 61508 SIL3 sin hardware certificado y cuenta con ejecución de doble canal mediante procesamiento codificado, lo que indica madurez técnica.
- Phoenix Contact: En noviembre de 2024, este proveedor con sede en Alemania anunció el lanzamiento de su Virtual PLCnext Control en SPS 2024. como un contenedor Open Container Initiative (OCI) con las mismas funciones, capacidades operativas y opciones de programación que su soft PLC PLCnext Control específico para hardware.
Nota: IoT Analytics tiene previsto publicar un informe del evento SPS 2024 para sus suscriptores a finales de diciembre de 2024, al que pronto seguirá un artículo de blog en el que se detallarán las 10 principales tendencias de automatización industrial que se observaron en el evento.
Opinión de los analistas: ¿Podrán los PLC virtuales convertirse en la norma del sector en 2030?
1/4 de las nuevas ventas de PLC en 2030 podrían ser virtuales o suaves. Aunque fabricantes como Audi están adoptando PLC virtuales, el mercado de PLC virtuales se encuentra en una fase muy incipiente y actualmente representa un porcentaje muy pequeño de un solo dígito del mercado global de PLC. En 2030, IoT Analytics cree que 1/4 de las nuevas ventas de PLC podrían ser virtuales o blandos. La razón: varios proveedores están ampliando los límites de los PLC virtuales y, como tal, es posible que en 2030 se alcance la certificación SIL3, que se pueda garantizar el movimiento a baja velocidad (no a alta velocidad) y que se admita la redundancia en frío y quizá incluso en caliente. Esto significa que los vPLC serán una opción atractiva para muchos fabricantes. Algunos fabricantes, sin embargo, exigirán en 2030 una madurez superior a la que se alcanzará para entonces y, por tanto, seguirán sin poder utilizar PLC virtuales. Al mismo tiempo, muchos fabricantes que podrían pasarse a los PLC virtuales probablemente seguirán comprando PLC rígidos por su fiabilidad y bajo coste inicial.
En nuestra opinión, los PLC virtuales aún no están preparados para convertirse en la norma del sector en 2030. Como tal, nuestra evaluación es que los vPLC no parecen estar preparados para ser la norma de la industria a finales de la década (todavía), pero están en camino de conseguirlo.
Los PLC blandos arrojan luz sobre el tiempo que falta para que los vPLC se conviertan en una norma. La paciencia puede ser una virtud. Para calibrar el tiempo que falta para que los vPLC se conviertan en la norma del sector, merece la pena considerar los PLC blandos, que entraron en el mercado en la década de 1990 y aún no se han convertido en la norma. Beckhoff fue uno de los primeros proveedores de PLC blandos (específicos de hardware), y durante años ha tenido la mayor cuota del mercado global de PLC blandos. Aunque los PLC blandos le han dado éxito, la empresa sólo alcanzó los 1.000 millones de dólares en ingresos totales en 2020, lo que le da aproximadamente una pequeña cuota de un solo dígito del mercado global de PLC. Los vPLC podrían ver una línea de tiempo similar a medida que maduran, aunque su escalabilidad y rentabilidad podrían darles una ventaja aquí, como se refleja en sus perspectivas de mercado.
Las perspectivas de fuerte crecimiento ofrecen oportunidades a los proveedores. El análisis del Informe sobre el mercado de PLC virtuales y Soft PLC 2024-2030 prevé un fuerte crecimiento del mercado hasta 2030, lo que representa una oportunidad para que los proveedores empiecen a captar cuota de mercado. En principio, se espera que los márgenes de las ventas de PLC virtuales se diluyan en comparación con los PLC físicos, debido a la exclusión del elemento hardware, que es el quid del dilema del innovador para los actuales vendedores de PLC físicos, así como a la naturaleza de «suscripción en tiempo de ejecución» del modelo de negocio. Una ventaja adicional puede ser que los proveedores tienen la oportunidad de generar fuentes de ingresos adicionales, ya que la naturaleza centrada en el software de los vPLC les permite ofrecer nuevas características como datos centralizados, menor tiempo de inactividad, análisis y aplicaciones de IA, por nombrar algunas.
(IoT Analytics)
