Universidad de Oriente

Núcleo de Monagas

Ingeniería de Sistemas

Cursos Especiales de Grado

Automatización y Control de Procesos Industriales

METODOLOGÍA DE DESARROLLO DE APLICACIONES BASADAS EN COMPONENTES PARA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. UNIVERSIDAD DE

CANTABRIA.

Seminario: Estrategias de Automatización Industrial

Equipo SCADA

Vanessa A. Villalobos B. C.I.: 18.173.743

José D. Figuera M. C.I.: 16.516.398

Tutor: Judith Devia

Maturín, Marzo 2014

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN .................................................................................................... 1

MARCO TEORICO .................................................................................................. 2

1. CONCEPTOS BÁSICOS............................................................................... 2

1.1. Desarrollo Basado en Componentes .................................................. 2

1.2. Sistemas de Tiempo real ...................................................................... 2

2. METODOLOGÍA PARA DESARROLLO DE APLICACIONES BASADAS EN COMPONENTES PARA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. ....................... 3

3. COMPONENTES PARA AUTOMATIZACIÓN .............................................. 5

2.1. DOMINIO: Adquisición de señales analógicas y digitales (Adq). ..... 5

2.2. DOMINIO: Adquisición y digitalización de imágenes de vídeo (IG). . 5

2.3. DOMINIO: Procesado digital de imágenes (Img). ............................... 5

2.4. DOMINIO: Graphic Panel (GP) ............................................................. 5

2.5. DOMINIO: Ada Speaker Sound (ASS) .................................................. 5

DISCUSIÓN ............................................................................................................ 6

CONCLUSIONES .................................................................................................... 8

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................ 9

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INTRODUCCIÓN

La ingeniería software trata de aplicar la tecnología de componentes a fin de reducir los costos y plazos de desarrollo y abordar la creciente complejidad de las aplicaciones informáticas.

Mientras que en muchos dominios de aplicación, como en multimedia, ofimática, o interfaces gráficas, etc., la tecnología de componentes está plenamente consolidada, en otros, como es el caso de los sistemas de tiempo real su aplicación presenta problemas que no están aún resueltos y en consecuencia su uso no es habitual.

Sin embargo, la tecnología de componentes en sistemas de tiempo real está siendo requerida por la industria de automatización, de potencia y equipamientos eléctricos, aviación, automoción, etc.

A continuación indagaremos más sobre cómo un grupo de profesores de la Universidad de Cantabria en España está desarrollando una metodología que fusione ambas tecnologías, y su aplicación al desarrollo de una gama de componentes destinados al dominio de la automatización industrial.

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MARCO TEORICO

1. CONCEPTOS BÁSICOS

1.1. Desarrollo Basado en Componentes

La ingeniería de software basada en componentes (CBSE) (también conocida como desarrollo basado en componentes (CBD)) es una rama de la ingeniería de software que enfatiza la separación de asuntos, por lo que se refiere a la funcionalidad de amplio rango disponible a través de un sistema de software dado. Es un acercamiento basado en la reutilización para definir, implementar, y componer componentes débilmente acoplados en sistemas. Esta práctica persigue un amplio grado de beneficios tanto en el corto como el largo plazo, para el software en sí mismo y para las organizaciones que patrocinan tal software.[3]

Un componente de software individual es un paquete de software, un servicio web, o un módulo que encapsula un conjunto de funciones relacionadas (o de datos).Todos los procesos del sistema son colocados en componentes separados de tal manera que todos los datos y funciones dentro de cada componente están semánticamente relacionados (justo como con el contenimiento de clases). Debido a este principio, con frecuencia se dice que los componentes son modulares y cohesivos.

Con respecto a la coordinación a lo largo del sistema, los componentes se comunican uno con el otro por medio de interfaces. Cuando un componente ofrece servicios al resto del sistema, éste adopta una interface proporcionada que especifica los servicios que otros componentes pueden utilizar, y cómo pueden hacerlo. Esta interface puede ser vista como una firma del componente - el cliente no necesita saber sobre los funcionamientos internos del componente (su implementación) para hacer uso de ella. Este principio resulta en componentes referidos como encapsulados.

Un computador corriendo varios componentes de software con frecuencia es llamado un servidor de aplicaciones. Usando esta combinación de servidores de aplicaciones y componentes de software es usualmente llamado computación distribuida. La usual aplicación del mundo real de esto es por ejemplo el software de aplicaciones o de negocios. [3]

1.2. Sistemas de Tiempo real

Es un sistema informático que interactúa con su entorno físico, respondiendo a los estímulos de él, en un plazo de tiempo determinado. No basta con que las acciones del sistema sean correctas, sino que, además, tienen que ejecutarse dentro de un intervalo de tiempo determinado. El tiempo en que se ejecutan las acciones del sistema es significativo. Cabe destacar que suelen estar integrados en un sistema de ingeniería más general, en el que realizan funciones de control

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y/o monitorización (Sistema empotrados). [2]

Las características de los STR son:

• Determinismo temporal: Es fundamental que el comportamiento temporal de los STR sea determinista, lo cual no hay que confundirlo con la necesidad de que sea eficiente. Además, el sistema debe responder correctamente en todas las situaciones, se debe prever el comportamiento en el peor caso posible.

• Fiabilidad y Seguridad: Un fallo en un sistema de control puede hacer que el sistema controlado se comporte de forma peligrosa o antieconómica. Es importante asegurar que si el sistema de control falla, lo haga de forma que el sistema controlado quede en un estado seguro; hay que tener en cuenta los posibles fallos o excepciones en el diseño.

• Concurrencia: Los componentes del sistema controlado funcionan simultáneamente. El sistema de control debe atenderlo y generar las acciones de control simultáneamente. [2]

Algunas de las aplicaciones de los sistemas de tiempo real son:

• Dominio Industrial: Controlador de la planta, Robot para tratamiento de material peligroso.

• Uso militar: Sistema de reconocimiento de blancos automático, Sistema de guiado de misiles y navegación.

• Sistemas altamente críticos: Plantas nucleares, Sistemas de aviónica. [4]

2. METODOLOGÍA PARA DESARROLLO DE APLICACIONES BASADAS EN COMPONENTES PARA AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL.

Fue presentada en las XXIV Jornadas de Automática el 11 de septiembre de 2003, en la Universidad de León, España; Jornadas auspiciadas por el Comité Español de Automática. Está desarrollada por Patricia López Martínez, Pedro Espeso, Julio Luis Medina y José M. Drake, un grupo de profesores de la Universidad de Cantabria, en España.

El diseño de componentes de tiempo real es más complejo que el diseño de componentes que tienen sólo requerimientos funcionales. En primer lugar, los requisitos de temporización implican especificar las capacidades de colaboración y sincronización entre componentes a un nivel más bajo del que proporcionan las interfaces. En segundo lugar, las plataformas habituales de los sistemas de tiempo real son heterogéneas y proporcionan tan sólo recursos limitados. Y en tercer lugar, para que un componente pueda ofrecer prestaciones de tiempo real, debe estar soportado por sistemas operativos, sistemas de comunicación, bases de datos, etc. Que ofrezcan servicios específicos de gestión de tiempo, de

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sincronización y de planificación predecibles. Sin embargo, está actualmente admitido, que la principal dificultad para la implantación de la tecnología de componentes de tiempo real surge de la falta de estrategias y experiencia de cómo implementar la tecnología de componentes en los entornos de tiempo real. [1]

La metodología se enfoca en el modelado, diseño y análisis de componentes de tiempo real. Se apoya en las características de componibilidad y robustez que son la base de la tecnología de componentes, y la característica de predictibilidad de los sistemas de tiempo real.

Para ello, se deben tomar en cuenta la especificaciones de los componentes, el cual es un descriptor tanto el contrato de uso, el cual que describe los servicios que ofrece el componente, como el contrato de instalación que especifica el entorno y los servicios que se requieren para que pueda operar un componente de tiempo real. Estos deben incorporar un modelo específico que describa las características temporales de las respuestas que ofrece y las de los recursos que para ello se necesitan.

Además es importante tomar en cuenta la “interfaz”, la cual es el recurso de interoperabilidad funcional entre los componentes, y permiten modelar, describir y gestionar el dominio de la aplicación. La interfaz se formula mediante un modelo UML. Toda la información relativa al componente se encapsula en un estereotipo UML <<component_model>>.

Se requiere disponer de una metodología que incorpore a la especificación del componente como parte de los contratos de uso y de instalación, la descripción del comportamiento temporal de los servicios que ofrece con independencia de la implementación concreta del componente que se esté utilizando. Se ha desarrollado el entorno MAST de modelado, diseño y análisis de tiempo real. Es la concepción de cada situación de tiempo real que se presente en la aplicación como un conjunto de transacciones cuyas ejecuciones concurren en la plataforma.

A fin de formular el modelo de tiempo real de un componente y de construir el modelo de tiempo real de una aplicación a partir de los modelos de tiempo real de los componentes con que se construye, se ha definido el perfil CBSE-Mast que se formula como un metamodelo UML.

Habitualmente los sistemas de tiempo real se implementan como sistemas cerrados en los que todos los elementos hardware y software están dedicados a él, Actualmente comienzan a tener relevancia los sistemas de tiempo real implementados totalmente o parcialmente sobre entornos abiertos, esto es, el sistema de tiempo real comparte la plataforma con otras aplicaciones no modeladas desde el punto de vista de tiempo real y que pueden interferir sobre su comportamiento temporal.

El planteamiento sobre el que se trabaja actualmente, consiste en incorporar a los componentes que deban operar en un entorno abierto un planificador local que durante la fase de instanciación negocia con el sistema operativo un contrato de

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servicio. Si el contrato es aceptado, el planificador local garantizará que los requerimientos temporales ofertados en el contrato de uso del componente serán satisfechos.

Para la aplicación de esta metodología, sobre la que actualmente se está trabajando, hay que desarrollar aún los siguientes aspectos:

• Adaptar el sistema operativo para que tenga capacidad de negociar y dar soporte a los contratos de servicio. Por ello se ha desarrollado un núcleo de sistema operativo de tiempo real que satisface el estándar POSIX.13 (Interfaz portable de sistema operativo) que define el perfil de sistemas de tiempo real mínimos.

• Definir técnicas de análisis de planificabilidad de tiempo real basadas en los contratos de servicio.

• Formular una metodología de diseño de componentes de tiempo real fundamentada en los contratos de servicio. [1]

3. COMPONENTES PARA AUTOMATIZACIÓN

2.1. DOMINIO: Adquisición de señales analógicas y digitales (Adq).

Tiene como objetivo la adquisición y generación de señales analógicas y digitales a través de tarjetas de IO de propósito general instaladas en computadores con arquitectura PC.

2.2. DOMINIO: Adquisición y digitalización de imágenes de vídeo (IG).

Conjuntos de recursos para la configuración de la tarjeta de digitalización de imágenes de vídeo, captura de imágenes, y transferencia de imágenes en vivo a ventanas del PC.

2.3. DOMINIO: Procesado digital de imágenes (Img).

Corresponde a diferentes recursos para la gestión, procesado digital, análisis, caracterización estadística etc. de imágenes almacenadas en el ordenador.

2.4. DOMINIO: Graphic Panel (GP)

Define el conjunto de conceptos y recursos informáticos relacionados con el control y la supervisión de un panel gráfico sensible al tacto.

2.5. DOMINIO: Ada Speaker Sound (ASS)

Ofrece recursos para interpretar sonidos y melodías musicales a través del altavoz de un PC. Así mismo ofrece recursos para componer melodías a partir de la información habitual en un pentagrama.

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DISCUSIÓN

En el mundo físico y real es preciso controlar acciones que se están dando de forma simultánea. Una forma de enfrentarse a este cometido es preparar un conjunto de programas que se comuniquen entre sí, de tal manera que cada uno controle un aspecto de la funcionalidad del sistema, está haciendo cambiar la forma en la que se desarrollan actualmente las aplicaciones software. Esto ha provocado, entre otras cosas, que los modelos de programación existentes se vean desbordados, siendo incapaces de manejar de forma natural la complejidad de los requisitos que se les exigen para ese tipo de sistemas. Comienzan a aparecer por tanto nuevos paradigmas de programación, como pueden ser la coordinación, la programación orientada a componentes, o la movilidad, que persiguen una mejora en los procesos de construcción de aplicaciones software.

El desarrollo basado en componentes software y aplicaciones de tiempo real es un área nueva y poco explorada. Uno de los principales problemas que enfrenta esta área es el de definir las tareas a desarrollar y las técnicas a aplicar para la producción de software de buena calidad. El constante cambio en los requerimientos es uno de los aspectos más característicos del desarrollo actualmente, un software de calidad debe estar preparado para absorber este tipo de cambios con el menor impacto posible. La definición de una arquitectura de componentes resulta fundamental en este sentido por permitir observar y manejar globalmente los cambios. Inclusive, el cambio se experimenta a nivel de las tecnologías aplicables, tanto para el desarrollo como para los sistemas, por lo que dicha arquitectura de componentes no debe apoyarse en una implementación particular sino en una especificación de los mismos. Es necesario definir una metodología para la representación y análisis del comportamiento de tiempo real de sistemas para ser diseñados utilizando el paradigma de orientación a objetos. La metodología que se propone concilia las diferencias entre la visión de sistemas de tiempo real y la del de sistemas orientados a objetos. A tal fin define un nivel de abstracción adecuado para los elementos de modelado del comportamiento de tiempo real, que permite formularlos con una estructura paralela a la arquitectura lógica del sistema, y vincularlos a esta.

Esta metodología permite analizar, y en su caso certificar, el cumplimiento de los requisitos de tiempo real en aplicaciones que se construyen ensamblando componentes software reutilizables, esto es, componentes que han sido previamente diseñados con independencia de las aplicaciones en que van a ser utilizados, y que además son manejados en segundo plano. De la misma manera se define una metodología de modelado que facilita la construcción del modelo de tiempo real de aplicaciones basadas en componentes, al ofrecer elementos de modelado de alto nivel de abstracción y orientados a la composición. Con ella, se puede formular el modelo de comportamiento temporal de un componente con

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parámetros y reutilizable. En general se puede decir la utilización de esta metodología aunque todavía está en desarrollo lo que persigue es crear bases sólidas para desarrollar aplicaciones basadas en componentes para automatización industrial que permitan de reducir los costos, plazos de desarrollo y abordar la creciente complejidad de las aplicaciones informáticas.

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CONCLUSIONES

La tecnología de componentes proporciona unos beneficios pertenecientes a la ingeniería de software, para disminuir tiempos de desarrollo y crear aplicaciones seguras dentro del aumento constante de la complejidad. Por otra parte existen conflictos esta metodología entre la especificación y su implementación con la característica de predictibilidad que requieren las aplicaciones de tiempo real, en las que el comportamiento temporal de la respuesta, que es parte fundamental de su especificación, depende claramente de su estructura interna y de la plataforma sobre la que opera.

Por otra de debido a su fase de desarrollo y su complejidad, es difícil hoy en día su adaptación, sin embargo el desarrollo de esta metodología permite tener la capacidad de satisfacer tareas en un tiempo de respuesta mínimo otra característica radica en su constante desarrollo puesto que con los avances tecnológicos se construyen nuevas mecanismos que operan en tiempo real y que por consiguiente necesitan tener sistemas controlados por un computador que tenga la capacidad de interactuar con el mundo físico. Dela misma manera el proceso de trabajo que se ha visualizado y que sigue en desarrollo propone fusionar una metodología de modelado del comportamiento temporal de los servicios al contrato de uso del componente. Estos modelos tienen las necesarias características de asegurar un método de diseño que permita los componentes de un programa una vez diseñados y construidos, pueden reusarse para crear otros sistemas y permitir construir un modelo fiable de una aplicación a partir de los modelos de los componentes que utiliza y de la plataforma sobre la que se ejecutan.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] López P., Espeso P., Medina J. y Drake J. (2003) Metodología de Desarrollo de Aplicaciones basadas en Componentes para Automatización Industrial. [Documento en línea] Disponible en: http://www.ceautomatica.es/old/actividades/jornadas/XXIV/documentos/tire/146.pdf

[2] Villarroel, J. Sistemas de Tiempo Real. [Documento en línea] Disponible en: http://webdiis.unizar.es/~joseluis/STR.pdf

[3] Ingeniería de Software Basada en Componentes. [Artículo en línea] Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa_de_software_basada_en_componentes

[4] Aplicaciones de Sistemas de Tiempo Real. [Presentación en línea] Disponible en: http://webcache.googleusercontent.com/search?q=cache:vocykw7QzK8J:delta.cs.cinvestav.mx/~pmejia/capi2tr.ppt+&cd=7&hl=es-419&ct=clnk&gl=ve