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Embedded Systems: An Alternative for Cuban Agroindustry Automation


ABSTRACT

Industrial automation is considered an essential part in the industrial development of a nation. In Cuba, specifically in the agricultural industry, the automation technology is obsolete and even in some cases it does not exist. This is mostly due to the difficult access to the technology and its high cost. In the present work, the development of own automation technology it is presented. It is based on embedded systems as an economically and adequate alternative for its use on the automation of the agricultural industry in Cuba. To achieve this, a search and comparison of the available automation technologies were realized. It took into account, the worldwide industrial technology traditionally used, which is based on Programmable Logic Controller (PLC) and the Supervisory Control and Data Acquisition, and the own technology based on embedded systems, developed for example, with a microcontroller. From the search and comparison, it was determined that the development of own technology based on embedded systems is more economical and is considered more adequate for the Cuban agricultural industry conditions.

Keywords: 

Agriculture; technology; automation; embedded systems; microcontroller.

 


Automation is the branch of technology that deals with the application of control systems to various human activities, mainly to industry. It is also defined as the action and effect of automating, that is, performing an act of production, distribution or government, without direct intervention of human conscience and will (Mataix, 2008).

Webster's online dictionary (http://www.websters-online-dictionary.org/definition/automation) defines automation as a highly technical implementation that usually involves hardware and electronic devices to replace human beings with machines in some tasks.

Another definition is made by Groover (2016), who states that automation, strictly in the field of manufacturing, is the technology involved with the application of mechanical, electronic and computer-based systems to operate and control production.

These definitions, in a general way, coincide with the idea of the use of 'certain technology' to control a production process. In addition, the first two definitions include the concept of 'replacing humans by machines', with which it agrees, but it is necessary to add that this replacement is partial and is also done for the benefit of the worker, by avoiding the performance of dangerous and routine tasks.

From these elements, it can be stated that automation is the technology that includes physical elements, like mechanical elements, electronic and computer systems (hardware and software), and theoretical knowledge, such as control engineering. This technology is implemented in various human activities, mainly in industry, in order to replace the human being in repetitive and tedious activities, which require great precision and speed or which could be dangerous or harmful to his life, leaving him a role where he can take much more advantage of his intellect, for example, as a supervisor.

The automation of industrial processes, including the agricultural industry, is a widespread practice worldwide, because it allows companies to increase their profits and competitiveness. Automation technology is expensive and some companies cannot acquire it. In the case of Cuba, the cost is not the only problem, because, even when the deficit of labor in agriculture could be solved by automation to increase production efficiency, the importation of these technologies is made difficult by the scope of the commercial, economic and financial embargo imposed by the United States government on Cuba.

The objective of this work was to propose an economical and adequate automation technology for Cuban agroindustry, considering the high costs of traditional automation technologies, the difficulty of acquiring them, the deficit of labor in agriculture and the need to develop it and its associated industry, to obtain products of high value added, suitable for consumption, exportation and tourism industry.

A search on prices of technologies, both traditional and embedded systems is carried out on websites and commercial catalogs of some of the main manufacturers and suppliers of these technologies. In addition, a comparison is made fundamentally taking into account the economic cost. Several of the processors used in embedded systems based on their basic characteristics and their possibilities of use in the automation of the agroindustry are compared.

First, the benefits of automation in the industry are referred. According to Sharma (2017), some of the benefits of the use of automation in industrial processes are:

  • Reduction of production losses.

  • Resource optimization (saving of raw materials and energy).

  • Higher safety, reliability and functional safety.

  • Contribution to compliance with external regulatory requirements such as the environmental ones.

  • Flexibility in control, allowing easy adaptation to other productions.

The use of automation in agribusiness could generate a group of benefits such as those previously mentioned. Among them, saving raw material, increasing energy efficiency and compliance with environmental standards are highlighted. Nevertheless, others like obtaining a product with greater added value, increasing economic benefits, competitiveness of companies and the possibility of filling the labor deficit in agricultural production must be incorporated.

In every industrial or agroindustrial plant, the processes or machines that are operated suppose a certain level of risk for the integrity of the operators, the plant or the environment. This requires adopting security measures in order to efficiently reduce risks. These measures or tasks are controlled and implemented through the automation system and are called 'Security functions'. When protection systems are implemented with automation systems, the most relevant international standard in terms of functional safety is IEC 61508, "Functional safety of electrical / electronic / programmable electronic systems related to safety". In addition to this basic standard, the specific standard IEC 61511 applies to the process industry (Smith y Simpson, 2016).

Functional safety, in some industries such as oil is mandatory, while in others that have fewer functional requirements, such as most applications of agro-industry, is only optional. Although, it is recommended for the benefits it provides such as the protection of plant personnel and equipment, when it is not a critical process in functional safety, that is, when it does not have high functional requirements, it is not commonly applied due to high costs.

The industrial solution to the problem of control of a process or plant includes the use of controllers such as Programmable Logic Controllers (PLC), and monitoring and / or monitoring systems, such as Supervisory Control and Data Acquisition Systems (SCADA).

Automation technology has a high cost, which includes the cost of the physical device, the software to configure, control and monitor these physical elements, whose cost is often higher than hardware, and training. In the opinion of the authors, the main difference between developed and developing countries is access to technology and the consequent technological dependence.

There are several definitions of embedded systems that are characterized by several specific features, such as the limited capacity of software and hardware compared to a PC, the number of functions to which they are dedicated and the reliability and security requirements (Noergaard, 2005). The same author and Holt and Huang (2018), refer the difficulty of defining the concept due to the evolution of it as a result of the constant advances in technology and the decrease in implementation costs.

For the amplitude of the concept, the one established by Noergaard (2005), is used. It defines an embedded system as a system with an applied computer, which is distinguished from other types of computers such as personal computers (PC) or supercomputers.

From this definition, and for the purposes of this work, it could be redefined as an electronic system, different from a personal computer, which uses a processor, such as the microprocessor of personal computers, in order to control a certain process.

Some of the available processors are:

  • Microprocessor

Many of the embedded systems in real time use general purpose microprocessors. A microprocessor is a computer processor in an integrated circuit, which contains all, or most of the functions of the central processing unit (CPU) (Wang, 2017).

  • Microcontroller

Compared to a general purpose microprocessor, a microcontroller is a self-sufficient system with peripherals, memory and a processor that is designed to perform specific tasks (Wang, 2017).

  • Digital Signal Processors (DSP)

Digital signal processors (DSP) are designed for applications that require high calculation rates. DSPs implement algorithms in hardware offering high performance in repetitive calculation intensive tasks (Wang, 2017).

  • Field-Programmable Gate Array (FPGA)

A Field Programmable Gate Array (FPGA) is a device that contains a network of cells or logic gates that can be quickly reconfigured, which facilitates the rapid creation of prototypes of embedded systems (Wang, 2017).

Microprocessors find their applications when the tasks are not specific. For example, personal computers use these as a processor, which allows performing a variety of complex tasks such as software development, games, and websites. In these cases, the relationship between inputs and outputs is not defined. They need a lot of resources, such as RAM, ROM and Input/Output (I /O) ports. Embedded software can be tailored to specific tasks that are designed for embedded systems.

Microcontrollers are used in systems where the relationship between inputs and outputs are usually clearly defined. Some examples are: the computer mouse, washing machines, digital cameras, microwave ovens, cell phones and digital clocks. As the applications are very specific, they have little demand for resources such as RAM, ROM, I/O ports, and therefore can be embedded in a single chip with the processor. This reduces the size and the cost. A microcontroller is very easy to replace, while microprocessors are 10 times more expensive. In addition, microcontrollers generally consume less energy and are more immune to power peaks compared to other techniques (Wang, 2017).

FPGAs are commonly used in the design stage and are usually replaced in the final product with custom circuits, due to higher performance and lower cost. When reconfiguration is an essential part of the functionality of an embedded system, FPGAs appear in the final product.

In the most common applications that require data processing, microprocessors, microcontrollers, DSP or FPGA are generally used. The microprocessors find their applications when the tasks are not specific. Microprocessor-based designs require a lot of resources, are complex and expensive compared to microcontrollers. Microcontrollers are self-sufficient systems with peripherals, memory and a processor that is designed to perform specific tasks. In the vast majority of cases, a design based on microcontroller is sufficient. In addition, it is simpler and less expensive than the microprocessor-based design. DSPs are used when it is necessary to implement certain algorithms in hardware, for example for signal processing, which allows higher processing speeds by decreasing the processor load. FPGAs are reconfigurable hardware, very expensive, which are generally used in the design stage of new products, but also and perhaps the most important application, is when reconfiguration is required in real time, which is an unusual requirement in the majority of the applications.

Particularly for control and automation applications in the agroindustrial sector, which do not have large processing and functional safety requirements, it is recommended to use microcontrollers over the microprocessor-based option, due to its simplicity and cost. When it is required to perform signal processing, which requires great processing power; it is recommended to use the DSP, since they implement some algorithms in hardware. Also, when reconfiguration is required in real time, an unusual requirement, it is recommended to use FPGA.

Embedded systems have been widely used in various fields of agriculture. A study by Zhang & Pierce (2013) reported several applications during that year, as shown in Table 1.

TABLE 1. 

Some reports of the use of embedded systems in agriculture during the year 2013

ApplicationAuthors
Agricultural robotic vehicles(Noguchi, 2013)
Agricultural infotronic systems(Zhang et al., 2013)
Precision agriculture(Yang y Lee, 2013)
Automated crop production(Shearer y Pitla, 2013)
Mechanization, monitoring and control in cotton production(Sui y Thomasson, 2013)
Automated production in orchards and vineyards(Burks et al., 2013)
Automated enclosures and animal production(Purswell y Gates, 2013)
Automation and nutrition management(He et al., 2013)
Automated pesticide application systems(Karkee et al., 2013)
Automated irrigation management(Wang et al., 2013)
Post-harvest automation(Kondo y Kawamura, 2013)

Among the main results of the research process, Table 2 shows the prices of some of the products of SIEMENS*, a manufacturer of great prestige in the field of automation, and Table 3, those of some Microchip microcontrollers, also a prestigious company and very popular among embedded system developers.

TABLE 2. 

Selection of some low and medium-range PLCs (with software) (Siemens, 2016)

PLCCharacteristicsPrice
LOGO! 8 12/24RCE

  • Simple Logical module

  • LOGO! 8 12/24 RCE.

  • LOGO! Soft Comfort V8.

  • WinCC Basic V13

241.66 USD
SIMATIC S7-1200 + KTP300 Basic

  • CPU 1212C AC/DC/RLY.

  • KP300 Basic Mono PN.

  • SIMATIC STEP 7 Basic V13 en el TIA Portal.

605.23 USD
SIMATIC S7-1200 + KTP700 Basic

  • CPU 1212C AC/DC/RLY.

  • HMI KTP700 Basic Color PN.

  • Step7 Basic.

1128.38 USD
SIMATIC S7-1511-1PN Compacto

  • SIMATIC S7-1500C, Compact CPU 1511C-1PN. Program memory: 175 KB, Data memory: 1 MB, 16 Digital Inputs, 16 Digital Output, 5 Analog Input, 2 Analog Output, 6 High speed Counters, Communication: PROFINET IRT.

  • SIMATIC S7 - STEP 7 Professional V13 - TIA Portal Floating License

2281.25 USD

TABLE 3. 

Selection of some microchip microcontrollers (Microchip, 2017)

Microcontroller Features Price
PIC10F322 8-bit PIC MCU, Program memory: 0.896 KB, RAM memory: 64 b, Pin count: 6, Maximum CPU speed: 16 MHz, Converter channels A / D (Max.): 3 (8 bits) , Number of timers: 2 (8 bits), PWM outputs (Max.): 4 (10 bits) $ 0.37
PIC16F18323 8-bit PIC MCU, Program memory: 3.5 KB Flash, RAM memory: 256 b, Pin count: 12, Maximum CPU speed: 32 MHz, Converter channels A / D (Max.): 5 (10 bits ), Number of timers: 2 (8 bits) and 1 (16 bits), PWM outputs (Max.): 2 (10 bits) with CWG $ 0.82
PIC18F97J94 8-bit PIC MCU, Memory: 128KB Flash, RAM Memory: 4KB, Pin Count: 100, Maximum CPU Speed: 64 MHz, Converter Channels A / D (Max.): 24 (10/12 bits), Number of timers: 4 (16 bits), PWM (Max.) Outputs: 7 (10 bits) with CWG, Communications: USB V2.0, SPI, I 2 C, USART (RS-485, RS-232 and LIN / J2602). $ 3.56
PIC24FJ256GB406

  • 16-bit PIC MCU, Memory: 256kB Flash, RAM Memory: 4KB, Pin Count: 64, Maximum CPU Speed: 32 MHz,

  • A / D converter channels (Max.): 24 (10/12 bits), D / A converter channels: 1, Number of timers: 5 (16 bits), PWM outputs (Max.): 6 (16 bits) , Communications: I 2 C, SPI, UART, USART, LIN.

$ 3.87
PIC32MX110F016B 32-bit PIC MCU, Memory: Up to 128 KB Flash and 32 KB SRAM, Pin Count: 28, Maximum CPU Speed: 40 MHz, Converter Channels A / D (Max.): 10 (10 bits), Amount of timers: 5 (16 bits), PWM outputs (Max.): 6 (16 bits), Communications: USB, I 2 C, SPI, UART, USART. $ 1.47
DSPIC33EP32MC202

  • 16-bit dsPIC MCU, Memory : 32KB Flash

  • RAM memory: 4KB, Pin count: 28, Maximum CPU speed: 40 MHz, Converter channels A / D (Max.): 6 (10/12 bits), Number of timers: 5 (16/32 bits) , PWM outputs (Max.): 6 (16 bits), Communications: CAN, I 2 C, SPI, UART, USART.

$ 1.44

Table 4 compares the prices of some of the previously mentioned PLCs and microcontrollers.

TABLE 4. 

Price comparison

PLC Price Microcontroller Price
LOGO! 8 12 / 24RCE $ 241.66 PIC10F322 $ 0.37
SIMATIC S7-1200 + KTP300 Basic $ 605.23 PIC18F97J94 $ 3.56
SIMATIC S7-1511-1PN Compact $ 2281.25 DSPIC33EP32MC202 $ 1.44
SIMATIC S7-1200 + KTP700 Basic $ 1128.38 PIC24FJ256GB406 $ 3.87
Average $ 1064.13 Average $ 2.31

It is necessary to clarify that the function of the microcontroller in the control system is to execute the control algorithms, so it can be considered as the 'core' of the system. In addition, it must be taken into account that this comparison is made considering only the cost of the processor.

As it can be seen, from the point of view of economic cost of the processor and for applications with low functional requirements, automation based on microcontrollers is much more economical than that used by traditional technology based on PLC and SCADA. This represents an alternative or opportunity to explore for developing countries or companies with low economic resources, and specifically for the Cuban agroindustry.

  • A search and comparison of the available automation technologies was carried out, which took into account the technology based on Programmable Logic Controllers (PLC) and Supervision, Control and Data Acquisition Systems (SCADA) that is traditionally used in the industry worldwide, and technology based on embedded systems, developed for example from microcontrollers.

  • It was determined that the development of proprietary technology from embedded systems is more economical and is considered more appropriate for the conditions of Cuban agribusiness.

 

REFERENCES

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NOTES

*Siemens is a registered trademark.

Microchip is a registered trademark.

*Siemens es una marca registrada.

Microchip es una marca registrada.

 

 

 

 


Lieter Javier Silva-Díaz, Investigador, Instituto de Ciencia Animal, San José de las Lajas, Carretera Central km 47½, Mayabeque. Cuba, e-mail: lieter@ica.co.cu

Yanoy Morejón-Mesa, Profesor Auxiliar, Universidad Agraria de La Habana, Facultad de Ciencias Técnicas, Centro de Mecanización Agropecuaria, San José de las Lajas, Mayabeque, Cuba, e-mail: ymm@unah.edu.cu

The authors of this work declare no conflict of interest.

This article is under license Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)

The mention of commercial equipment marks, instruments or specific materials obeys identification purposes, there is not any promotional commitment related to them, neither for the authors nor for the editor.


 

ARTÍCULO ORIGINAL

 

Sistemas Embebidos: Una alternativa para la automatización de la agroindustria cubana


RESUMEN

La automatización industrial se considera una etapa esencial en el desarrollo industrial de una nación. En Cuba, específicamente en el sector de la industria agropecuaria, la tecnología de automatización es obsoleta e incluso, en algunos casos, inexistente. Esto se debe fundamentalmente al difícil acceso a la tecnología y a su alto costo. En el presente trabajo se presenta el desarrollo de tecnología de automatización propia basada en sistemas embebidos, como una alternativa económicamente viable y adecuada para su uso en la automatización de la agroindustria en Cuba. Con este fin se realizó una búsqueda y comparación de las tecnologías de automatización disponibles, en la que se tuvo en cuenta la tecnología basada en Controladores Lógicos Programables (PLC) y Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) que tradicionalmente se emplea en la industria a nivel mundial, y la tecnología propia basada en sistemas embebidos, desarrollada por ejemplo a partir de microcontroladores. De esta búsqueda y comparación se determinó que el desarrollo de tecnología propia a partir de sistemas embebidos resulta más económico y se considera más adecuado para las condiciones de la agroindustria cubana.

Palabras clave: 

Agricultura; tecnología; automatización; sistemas embebidos; microcontrolador.


La automatización es la rama de la tecnología que se ocupa de la aplicación de sistemas de control a las diversas actividades humanas, fundamentalmente a la industria. También se define como la acción y efecto de automatizar, esto es, de realizar un acto de producción, distribución o gobierno, sin intervención directa de la conciencia y la voluntad (Mataix, 2008).

El diccionario en línea de Webster (http://www.websters-online-dictionary.org/definition/automation) define la automatización como una implementación altamente técnica que usualmente involucra hardware y dispositivos electrónicos para reemplazar a los humanos por máquinas en algunas labores.

Otra definición la realiza Groover (2016), quien plantea que la automatización, estrictamente en el ámbito de la manufactura, es la tecnología involucrada con la aplicación de sistemas mecánicos, electrónicos y basados en computadoras, para operar y controlar la producción.

Estas definiciones de forma general coinciden con la idea del uso de ‘cierta tecnología’ para controlar un proceso de producción. Además las dos primeras definiciones incluyen el concepto de ‘reemplazar a los humanos por máquinas’, con lo que se concuerda, pero es necesario agregar que este reemplazo es parcial y se realiza también para el beneficio del trabajador, al evitar la realización de tareas peligrosas y rutinarias.

A partir de estos elementos se puede plantear que la automatización es la tecnología que incluye elementos físicos, por ejemplo elementos mecánicos, electrónicos y sistemas de cómputo (hardware y software), y conocimientos teóricos, como la ingeniería de control, que se implementa en diversas actividades humanas, fundamentalmente en la industria, con la finalidad de sustituir al ser humano en actividades repetitivas y tediosas, que exigen gran precisión y velocidad o que pudieran resultar peligrosas o perjudiciales para su vida, quedando éste relegado a un rol donde se puede aprovechar mucho más su intelecto, por ejemplo como supervisor.

La automatización de los procesos industriales, incluyendo la industria agropecuaria, es una práctica generalizada a nivel mundial, pues es uno de los elementos principales que permiten a las empresas aumentar sus beneficios y la competitividad. La tecnología de automatización es costosa y algunas empresas no la pueden adquirir; y en el caso de Cuba, el costo no es el único problema, pues la importación de estas tecnologías se dificulta por el alcance del embargo comercial, económico y financiero que impone el gobierno de Estados Unidos. Además, el déficit de mano de obra en la producción agropecuaria pudiera suplirse con la automatización y aumentar la eficiencia de la producción misma.

Teniendo en cuenta los altos costos de las tecnologías de automatización tradicionales, la dificultad de acceso a estas por parte del país, el déficit de mano de obra en la producción agropecuaria y conociendo además las necesidades de desarrollar la esfera agropecuaria y la industria asociada a esta, de obtener productos con alto valor agregado, aptos para el consumo de la población, la exportación y la industria turística; el objetivo principal de este trabajo es proponer una tecnología de automatización económica y adecuada para la agroindustria cubana.

Se realiza una búsqueda de precios de las tecnologías, tanto la tradicional como la de los sistemas embebidos, en sitios web y catálogos comerciales de algunos de los principales fabricantes y proveedores de estas tecnologías. Además, la comparación se realiza fundamentalmente teniendo en cuenta el costo económico. También se comparan varios de los procesadores usados en sistemas embebidos a partir de sus características básicas y sus posibilidades de uso en la automatización de la agroindustria.

Primero se procede a exponer los beneficios de la automatización en la industria. Según Sharma (2017), algunos de los beneficios del uso de la automatización en los procesos industriales son:

  • Reducción de las pérdidas en la producción.

  • Optimización de recursos (ahorro de materias primas y energía).

  • Mayor seguridad, confiabilidad y seguridad funcional.

  • Contribución al cumplimiento de requerimientos regulatorios externos como los medioambientales.

  • Flexibilidad en el control, permitiendo adaptarse con facilidad a otras producciones.

El uso de la automatización en la agroindustria, pudiera generar un grupo de beneficios como los anteriormente expuestos, en los que se pueden resaltar: el ahorro de materias primas, el aumento de la eficiencia energética y el cumplimiento de normas ambientales, pero también se deben incorporar: la facilidad de obtención de un producto de mayor valor agregado, el aumento de los beneficios económicos, la competitividad de las empresas y la posibilidad de suplir el déficit de mano de obra en la producción agropecuaria.

En toda planta industrial o agroindustrial, los procesos o las máquinas que se operan suponen cierto nivel de amenaza o riesgo para la integridad de los operadores, la planta o el medioambiente. Esto obliga a adoptar medidas de seguridad con el fin de reducir eficientemente los riesgos. Estas medidas o tareas son controladas e implementadas a través del sistema de automatización y son llamadas ‘Funciones de seguridad’. Cuando los sistemas de protección se ejecutan con sistemas de automatización, la norma internacional más relevante en cuanto a la seguridad funcional es la IEC 61508, "Seguridad funcional de los sistemas eléctricos / electrónicos / electrónico programables relacionados con la seguridad". Además de esta norma básica, para el ámbito de la industria de procesos se aplica la norma específica IEC 61511 (Smith y Simpson, 2016).

La seguridad funcional en algunas industrias como la petrolera es obligatoria mientras en otras, que poseen menos requerimientos funcionales, como la mayoría de las aplicaciones de la agroindustria, es solo opcional. Aunque es recomendado por los beneficios que brinda como la protección al personal de la planta y el equipamiento, cuando no es un proceso crítico en seguridad funcional, o lo que es lo mismo, cuando no tiene grandes requerimientos funcionales, no se aplica debido a los altos costos.

La solución industrial al problema del control de un proceso o una planta incluye el empleo de controladores como los Controladores Lógicos Programables, PLC por sus siglas en inglés, y sistemas de monitorización y/o supervisión, como los Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos, SCADA por sus siglas en inglés.

La tecnología de automatización tiene un alto costo, en el que se incluye el costo del dispositivo físico, del software para configurar, controlar y monitorizar esos elementos físicos, costo que muchas veces es superior al del hardware y el de la capacitación. La diferencia principal entre los países desarrollados y los que están en vías de desarrollo es el acceso a la tecnología y la consecuente dependencia tecnológica.

Existen varias definiciones de sistemas embebidos que se caracterizan por demarcar a estos por varias particularidades específicas, como la limitada capacidad de software y hardware en comparación con una PC, la cantidad de funciones a las que son dedicados y por los requerimientos de confiabilidad y seguridad (Noergaard, 2005). El mismo autor y Holt y Huang (2018), plantean la dificultad de definición del concepto debido a la evolución del mismo como consecuencia de los constantes avances de la tecnología y el decremento de los costos de implementación.

Por lo abarcador del concepto se emplea el establecido por Noergaard (2005), en el que definen como sistemas con una computadora aplicada, que se distinguen de otros tipos de computadoras como las computadoras personales (PC) o supercomputadoras.

A partir de esta definición, y a efectos del presente trabajo, se pudiera redefinir como un sistema electrónico, diferente a una computadora personal, que utiliza un procesador, como el microprocesador de las computadoras personales, con la finalidad de controlar un proceso determinado.

Algunos de los procesadores disponibles son:

  • Microprocesador

Muchos de los sistemas embebidos en tiempo real emplean microprocesadores de propósito general. Un microprocesador es un procesador de computadoras en un circuito integrado, el que contiene todos, o la mayoría de las funciones de la unidad de procesamiento central o CPU por sus siglas en inglés (Wang, 2017).

  • Microcontrolador

Comparado con un microprocesador de propósito general, un microcontrolador es un sistema autosuficiente con periféricos, memoria y un procesador que es diseñado para realizar tareas específicas (Wang, 2017).

  • Procesadores digitales de señal (DSP)

Los procesadores digitales de señal, DSP por sus siglas en inglés, son diseñados para aplicaciones que requieren altas tasas de cálculos. Los DSP implementan algoritmos en hardware ofreciendo gran desempeño en tareas intensivas de cálculos repetitivos (Wang, 2017).

  • Arreglo de compuertas programables en campo (FPGA)

Un FPGA, del inglés Field Programmable Gate Array, lo que en español se traduce como arreglo de compuertas programables o configurables en campo, es un dispositivo que contiene una red de celdas o compuertas lógicas que pueden ser rápidamente reconfiguradas, lo que facilita la rápida creación de prototipos de sistemas embebidos (Wang, 2017).

Los microprocesadores encuentran sus aplicaciones cuando las tareas no son específicas. Por ejemplo las computadoras personales usan estos como procesador, lo que permite realizar una variedad de tareas complejas como el desarrollo de software, juegos, y sitios web. En estos casos la relación entre las entradas y las salidas no está definida. Necesitan una gran cantidad de recursos, como memorias RAM, ROM y puertos de Entrada/Salida (E/S). El software embebido puede ser ajustado a las tareas específicas que son diseñadas para sistemas embebidos.

Los microcontroladores son empleados en sistemas donde la relación entre las entradas y las salidas usualmente están claramente definidas. Algunos ejemplos son el ratón o mouse de la computadora, lavadoras, cámaras digitales, hornos de microondas, teléfonos celulares y relojes digitales. Como las aplicaciones son muy específicas, poseen poca demanda de recursos como memoria RAM, ROM, puertos E/S, y por lo tanto pueden ser embebidos en un solo chip con el procesador. Esto reduce el tamaño y el costo. Un microcontrolador es muy fácil de reemplazar, mientras que los microprocesadores son 10 veces más costosos. Además, los microcontroladores generalmente consumen menos energía y son más inmunes a los picos de potencia comparada con otras técnicas (Wang, 2017).

Los FPGA son comúnmente utilizados en la etapa de diseño y generalmente se reemplazan en el producto final con circuitos personalizados, debido a un mayor rendimiento y menor costo. Cuando la reconfiguración es una parte esencial de la funcionalidad de un sistema integrado en tiempo real, los FPGA aparecen en el producto final.

En las aplicaciones más comunes que requieren procesamiento de datos, generalmente se usan microprocesadores, microcontroladores, DSP o FPGA. Los microprocesadores encuentran sus aplicaciones cuando las tareas no son específicas, los diseños basados en microprocesadores requieren gran cantidad de recursos, son complejos y costosos comparados con los microcontroladores. Los microcontroladores son sistemas autosuficientes con periféricos, memoria y un procesador que es diseñado para realizar tareas específicas. En la gran mayoría de los casos, un diseño basado en microcontrolador es suficiente. Además, es más simple y menos costoso que el diseño basado en microprocesadores. Los DSP se emplean cuando se necesita implementar ciertos algoritmos en hardware, por ejemplo para procesamiento de señales, lo que permite mayores velocidades de procesamiento, disminuyendo la carga del procesador. Los FPGA son hardware reconfigurable, muy costosos, que generalmente se utilizan en la etapa de diseño de nuevos productos, pero también y quizás la aplicación más importante, es cuando se requiere reconfiguración en tiempo real, lo cual es un requerimiento poco usual en la mayoría de las aplicaciones.

Particularmente para aplicaciones de control y automatización en el sector agroindustrial, que no poseen grandes requerimientos de procesamiento y seguridad funcional, se recomienda usar microcontroladores por encima de la opción basada en microprocesadores, por su simplicidad y costo. Cuando se requiere realizar procesamiento de señales, lo que demanda gran potencia de procesamiento, se recomienda usar los DSP, ya que implementan algunos algoritmos en hardware. También, cuando se requiere reconfiguración en tiempo real, requerimiento poco usual, se recomienda usar FPGA.

Los sistemas embebidos se han utilizado ampliamente en diversas esferas de la agricultura. Un estudio realizado por Zhang y Pierce (2013), reportan varias aplicaciones durante ese año, como se muestran en la Tabla 1.

TABLA 1. 

Algunos reportes del uso de sistemas embebidos en la agricultura durante el año 2013

AplicaciónAutores
Vehículos robóticos agrícolas Noguchi (2013)
Sistemas infotrónicos agrícolas Zhang et al. (2013)
Agricultura de precisión Yang y Lee (2013)
Producción automatizada de cultivos Shearer y Pitla (2013)
Mecanización, monitoreo y control en producción de algodón Sui y Thomasson (2013)
Producción automatizada en huertos y viñedos Burks et al. (2013)
Recintos automatizados y producción animal Purswell y Gates (2013)
Automatización y gestión de la nutrición He et al. (2013)
Sistemas automatizados de aplicación de pesticidas Karkee et al. (2013)
Gestión automatizada del riego Wang et al. (2013)
Automatización de pos-cosecha Kondo y Kawamura (2013)

Entre los principales resultados devenidos del proceso de investigación, en la Tabla 2, se muestran los precios de algunos de los productos de SIEMENS*, fabricante de gran prestigio en al campo de la automatización, y en la Tabla 3, los de algunos microcontroladores de Microchip, compañía también prestigiosa y muy popular entre los desarrolladores de sistemas embebidos.

TABLA 2. 

Selección de algunos PLC de gama baja y media (con software) (Siemens, 2016)

PLCCaracterísticasPrecio
LOGO! 8 12/24RCE

  • Modulo lógico simple

  • LOGO! 8 12/24 RCE.

  • LOGO! Soft Comfort V8.

  • WinCC Basic V13

241,66 USD
SIMATIC S7-1200 + KTP300 Basic

  • CPU 1212C AC/DC/RLY.

  • KP300 Basic Mono PN.

  • SIMATIC STEP 7 Basic V13 en el TIA Portal.

605,23 USD
SIMATIC S7-1200 + KTP700 Basic

  • CPU 1212C AC/DC/RLY.

  • HMI KTP700 Basic Color PN.

  • Step7 Basic.

1128,38 USD
SIMATIC S7-1511-1PN Compacto

  • SIMATIC S7-1500C, CPU compacta 1511C-1PN. Módulo central que Integra: Memoria central 175 KB para programa y 1 MB para datos, 16 entradas digitales, 16 SD, 5 entradas analógicas, 2 salidas analógicas, 6 contadores de alta velocidad, 1 Interfaz: PROFINET IRT.

  • SIMATIC S7 - STEP 7 Professional V13 - Licencia flotante para TIA Portal

2281,25 USD

TABLA 3. 

Selección de algunos microcontroladores de Microchip (Microchip, 2017)

MicrocontroladorCaracterísticasPrecio
PIC10F3228-bit PIC MCU, Memoria de programa: 0.896 KB, Memoria RAM: 64 b, Conteo de Pin: 6, Velocidad máxima de la CPU: 16 MHz, Canales de conversor A/D (Max.): 3 (8 bits), Cantidad de temporizadores: 2 (8 bits), Salidas PWM (Max.): 4 (10 bits)0,37 USD
PIC16F183238-bit PIC MCU, Memoria de programa: 3.5 KB Flash, Memoria RAM: 256 b, Conteo de Pin: 12, Velocidad máxima de la CPU: 32 MHz, Canales de conversor A/D (Max.): 5 (10 bits), Cantidad de temporizadores: 2 (8 bits) y 1 (16 bits), Salidas PWM (Max.): 2 (10 bits) con CWG0,82 USD
PIC18F97J948-bit PIC MCU, Memoria: 128KB Flash, Memoria RAM: 4KB, Conteo de Pin: 100, Velocidad máxima de la CPU: 64 MHz, Canales de conversor A/D (Max.): 24 (10/12 bits), Cantidad de temporizadores: 4 (16 bits), Salidas PWM (Max.): 7 (10 bits) con CWG, Comunicaciones: USB V2.0, SPI, I2C, USART (RS-485, RS-232 y LIN/J2602).3,56 USD
PIC24FJ256GB406

  • 16-bit PIC MCU, Memoria: 256kB Flash, Memoria RAM: 4KB, Conteo de Pin: 64, Velocidad máxima de la CPU: 32 MHz,

  • Canales de conversor A/D (Max.): 24 (10/12 bits), Canales de conversor D/A: 1, Cantidad de temporizadores: 5 (16 bits), Salidas PWM (Max.): 6 (16 bits), Comunicaciones: I2C, SPI, UART, USART, LIN.

3,87 USD
PIC32MX110F016B32-bit PIC MCU, Memoria: Hasta 128 KB Flash y 32 KB SRAM, Conteo de Pin: 28, Velocidad máxima de la CPU: 40 MHz, Canales de conversor A/D (Max.): 10 (10 bits), Cantidad de temporizadores: 5 (16 bits), Salidas PWM (Max.): 6 (16 bits), Comunicaciones: USB, I2C, SPI, UART, USART.1,47 USD
DSPIC33EP32MC202

  • 16-bit dsPIC MCU, Memoria: 32KB Flash

  • Memoria RAM: 4KB, Conteo de Pin: 28, Velocidad máxima de la CPU: 40 MHz, Canales de conversor A/D (Max.): 6 (10/12 bits), Cantidad de temporizadores: 5 (16/32 bits), Salidas PWM (Max.): 6 (16 bits), Comunicaciones: CAN, I2C, SPI, UART, USART.

1,44 USD

En la Tabla 4 se realiza una comparación de precios de algunos de los PLC y microcontroladores anteriormente expuestos.

TABLA 4. 

Comparación de precios

PLCPrecioMicrocontroladorPrecio
LOGO! 8 12/24RCE241,66 USDPIC10F3220,37 USD
SIMATIC S7-1200 + KTP300 Basic605,23 USDPIC18F97J943,56 USD
SIMATIC S7-1511-1PN Compacto2281,25 USDDSPIC33EP32MC2021,44 USD
SIMATIC S7-1200 + KTP700 Basic1128,38 USDPIC24FJ256GB4063,87 USD
Promedio1064,13 USDPromedio2,31 USD

Es necesario aclarar que la función del microcontrolador en el sistema de control es la de ejecutar los algoritmos de control, por lo que puede ser considerado como el ‘núcleo’ del sistema. Además, se debe tener en cuenta que esta comparación se realiza considerando solo el costo del procesador.

Como se puede apreciar, desde el punto de vista de costo económico del procesador y para aplicaciones de bajos requerimientos funcionales, la automatización basada en microcontroladores es mucho más económica que la que usa la tecnología tradicional basada en PLC y SCADA. Esto representa para países en vías de desarrollo o empresas con bajos recursos económicos, y específicamente para la agroindustria cubana, una alternativa u oportunidad a explorar.

  • Se realizó una búsqueda y comparación de las tecnologías de automatización disponibles, en la que se tuvo en cuenta la tecnología basada en Controladores Lógicos Programables (PLC) y Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) que tradicionalmente se emplean en la industria a nivel mundial, y la tecnología propia basada en sistemas embebidos, desarrollada por ejemplo a partir de microcontroladores.

  • Se determinó que el desarrollo de tecnología propia a partir de sistemas embebidos resulta más económica y se considera más adecuada para las condiciones de la agroindustria cubana.

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