Valor neto! Computación por Intranet, bajo coste y altas prestaciones. Andreas Blaszczyk, Harsh Karandikar, Giovanni Palli

Transcripción

1 Valor neto! Computación por Intranet, bajo coste y altas prestaciones Andreas Blaszczyk, Harsh Karandikar, Giovanni Palli La capacidad de los sistemas tridimensionales o 3D de Diseño Asistido por Ordenador (CAD) para generar rápidamente prototipos virtuales ha generalizado el empleo de estos para el desarrollo de productos. Sin embargo, las herramientas de simulación y modelización más complejas, que tienen en cuenta los efectos mecánicos, térmicos y electromagnéticos, exigen una infraestructura, equipos y conocimientos que no suelen estar disponibles en los departamentos de desarrollo de productos. Dado que estas herramientas, están siendo utilizadas en algunas áreas de ABB, es razonable ponerlas a disposición de los diferentes departamentos a través de la Intranet de la empresa. En la actualidad, los centros de investigación corporativa de ABB están prestando este servicio, del que se benefician tanto las unidades de ABB como nuestros clientes. D urante los últimos años, los cálculos numéricos por ordenador han pasado a formar parte del proceso de desarrollo de productos. Concretamente ha aumentado mucho el interés por el análisis numérico de modelos 3D generados mediante sistemas CAD. Con los modernos sistemas CAD, los proyectistas pueden crear en pocas horas o días un prototipo virtual de un nuevo producto. Aunque en principio sería de esperar una eficiencia mas CAD, pero frecuentemente requieren semejante en la simulación de los efectos procedimientos propios de procesamiento mecánicos, térmicos o electromagnéticos, previo. esto solo sucede en determinados casos, Las herramientas de análisis son caras y por varias razones: necesitan ser ejecutadas en equipos especiales de hardware de alto rendimiento. Los módulos de análisis avanzado normalmente no están integrados en los sistemas CAD. Se encuentran disponibles en cesos específicos de cada herramienta. Este Es necesario conocer los complejos pro- forma de herramientas autónomas, con conocimiento no suele estar disponible capacidad para importar datos de los siste- directamente y la actualización del mismo ABB Revista 1/

2 raras veces sería rentable para un equipo de trabajo normal. Al trabajar con calendarios muy apretados, los proyectistas no suelen ser muy proclives a invertir el tiempo y los esfuerzos necesarios para las simulaciones. Por ello, aunque localmente pudiese disponerse de todos de los recursos necesarios, estos no se utilizarán con la suficiente frecuencia como para hacer rentables su instalación y mantenimiento locales. Muchos de estos problemas pueden evitarse si se dispone del acceso por Intranet a recursos de simulación remotos que se integran en las herramientas locales de diseño. ABB ha implantado dicha solución como parte de su iniciativa LCC de cálculo a bajo coste (Low Cost Computing), una solución que se adapta muy bien a la organización de ABB. Las nuevas tecnologías hacen fácil y eficiente la utilización de recursos remotos. Las unidades de negocio de ABB pueden obtener los recursos de simulación en los centros de investigación corporativa de ABB, pudiendo acceder así a las más avanzadas tecnologías de simulación sin necesidad de instalar localmente la infraestructura necesaria, con el consiguiente ahorro de decenas de miles de dólares anuales. Los centros de investigación corporativa (ABB dispone de ocho en total, repartidos por todo el mundo) proporcionan este tipo de conocimiento, que tan necesario es para los proyectos avanzados de investigación. Esta solución también afecta a los clientes de ABB, especialmente a los que adquieren productos tecnológicos. La utilización de los servicios avanzados de simulación hace que los productos de ABB sean todavía más fiables y acelera el proceso de diseño de los mismos, garantizando así la entrega puntual de los pedidos. La tecnología Para crear un entorno de simulación para Intranet es necesario reunir diversas tecnologías sobre componentes. Gestión flexible de licencias La gestión de licencias basada en la red se ha convertido en un estándar de hecho para la concesión de licencias de productos de software ( Una empresa concreta solo utiliza unas pocas veces al año productos de software para el análisis técnico, así que le resulta razonable compartir una licencia con otras empresas. En ABB, los propietarios de licencias de software para el análisis avanzado son normalmente los centros de investigación, que las transfieren a las empresas interesadas. De especial interés para compartir licencias son los sistemas de pre y postratamiento, como los módulos adicionales de CAD (por ejemplo los módulos de análisis ProEngineer, como Pro/Mesh y Pro/FEM-POST, o incluso el propio ProEngineer). Las empresas de ABB pueden realizar las tareas de simulación en cooperación con los centros de investigación, sin que en ello esté implicado en modo alguno el vendedor. Este tipo de licencia es también posible para muchos paquetes comerciales de elementos finitos (resolutores). En este caso, sin embargo, las empresas han de tener en cuenta diversas necesidades especiales de hardware. Colaboración distribuida en tiempo real Los proyectistas que realizan simulaciones solo ocasionalmente necesitan la asistencia de consultores expertos en simulación, que trabajan en los centros de investigación. La asistencia la reciben normalmente por una línea telefónica directa, pero desde hace algún tiempo también emplean herramientas de colaboración en tiempo real, como Lotus Notes Sametime y CoCreate OneSpace ( La primera de ellas permite compartir aplicaciones, algo de gran utilidad cuando se proporciona soporte para módulos de análisis interactivo. La segunda se utiliza para celebrar sesiones en colaboración en que todos los participantes puedan ver y editar modelos tridimensionales completos, así como para discutir los resultados de la simulación en formato VRML. 36 ABB Revista 1/2002

3 Acceso a las aplicaciones a través de la Web El software Citrix Nfuse y MetaFrame ( ofrece una interesante tecnología para acceder a todas las aplicaciones Windows y Unix mediante un buscador de Web. Este software mejora de forma muy económica el acceso a distancia a todas las herramientas de simulación no basadas en Web/Java, que no permiten compartir la licencia o que exigen un nivel de hardware no disponible en los ordenadores clientes. Esta tecnología permite la recepción y publicación centralizada de aplicaciones desde un portal Web. Un protocolo ICA especial, de arquitectura de computación independiente, permite también acceder a herramientas de simulación gráfica interactiva desde el explorador Web y utilizarlas eficientemente en un ordenador cliente. Linux Durante los últimos años, Linux se ha convertido en una plataforma Unix de uso común para las estaciones de trabajo tradicionales y para vendedores de superordenadores como SGI, HP e IBM. Los fabricantes de ordenadores han reducido el desarrollo de procesadores y sistemas operativos propios y han adoptado Linux y los procesadores Intel para el desarrollo de nuevas arquitecturas de ordenador. Linux se ha convertido de hecho en el estándar del sector como alternativa económica a Windows, especialmente para aplicaciones de servidores que requieren una gran estabilidad y disponibilidad del sistema ( La desventaja actual de Linux es que no todos los productos de software disponibles son apropiados él para. Algunos paquetes especiales de mecánica estructural, por ejemplo, y algunos sistemas CAD únicamente están disponibles para sistemas Unix o Windows. Linux es un sistema operativo con códigos fuente disponibles y por tanto tiene una ventaja fundamental sobre Windows: los usuarios y fabricantes de hardware pueden introducir rápidamente cualquier cambio o innovación. Recientemente ha sido utilizado como sistema operativo para el nuevo procesador Intel Itanium de 64 bits. En el mercado ya se dispone de dos máquinas Itanium Linux: Silicon Graphics 750 y Hewlett Packard i2000 ( Ambos suministradores ofrecen un soporte completo para distribuciones certificadas de Linux. Estas máquinas están consideradas como soluciones de buen precio y alto rendimiento para aplicaciones de análisis técnico. Es de esperar que, en un próximo futuro, las agrupaciones de ordenadores tipo PC basados en una combinación de Linux y Windows proporcionen un entorno apropiado para todas las aplicaciones numéricas que utiliza ABB. Computación en grupo Desde finales de los años noventa, los grupos (clusters) de ordenadores personales están considerados como la plataforma más económica para la computación de altas prestaciones ( El fuerte crecimiento de la computación en grupo también aparece reflejado en la última edición de la lista de los 500 ordenadores más potentes del mundo. La mayor instalación de grupos (clusters) del mundo, basada en servidores Itanium de IBM con 320 procesadores y en servidores Netfinity, también de IBM, con 1024 procesadores, ofrece prestaciones de hasta 0,6 teraflops (situados en los puestos 34 y 41 de la lista de los 500 ordenadores más potentes en noviembre de 2001, El primer grupo (cluster) de ordenadores personales que ejecuta Linux Red Hat fue creado por ABB en cooperación con el Politécnico de Munich; actualmente se está utilizando un cluster Linux con 18 procesadores para soportar la iniciativa LCC. La red interna primaria se basa en Ethernet rápida. Además se ha instalado una red de altas prestaciones, basada en la tecnología SCI (Interfaz Coherente Escalable) ( que en las aplicaciones electromagnéticas y de dinámica de fluidos ha permitido conseguir una importante reducción de costes, de ABB Revista 1/

4 hasta un orden de magnitud en comparación con las estaciones estándar de multiprocesadores. Los clusters basados en Linux son las máquinas preferidas de las comunidades académicas e investigadoras. Las universidades están desarrollando diferentes aplicaciones numéricas paralelas en este entorno de hardware. Esto brinda a ABB una excelente oportunidad para aprovechar los últimos avances de la investigación académica. En el marco de la cooperación entre la Escuela Técnica Federal ETH de Zúrich y ABB en el campo de las matemáticas numéricas, los científicos de Zúrich desarrollaron un preacondicionador especial para el resolutor GMRES, lineal e iterativo, que normalmente se aplica a las fórmulas de corrientes de Foucault. El software desarrollado pudo ser inmediatamente transferido al cluster de ABB y ser utilizado para resolver los complejos problemas de pérdidas en los transformadores de potencia. Gestión de cargas Tradicionalmente, la gestión de cargas estaba limitada al ámbito de los grandes centros de cálculo con ordenadores. Sin embargo, la rápida expansión de los grupos de estaciones de trabajo y de los ordenadores personales durante los años noventa introdujo esta tecnología en la gestión de sistemas distribuidos heterogéneos. En ABB, continuando los trabajos realizados en la década de los noventa, se está utilizando LSF (Load Sharing Facility) de Platform Computing ( en un cluster o grupo formado por estaciones de trabajo SGI y ordenadores personales basados en Windows. En un próximo futuro implantaremos esta tecnología en grupos mixtos basados en Linux-Windows. Desarrollo de entornos de simulación basados en modelos Para poder implantar entornos de simulación adaptados a las necesidades del cliente es necesario desarrollar componentes especiales de software. Por ejemplo, un componente para la interacción cliente-servidor entre un usuario de CAD y el sistema central depende de los procedimientos de simulación aplicados por los proyectistas. Las herramientas de simulación, los elementos de evaluación y las necesidades del proyectista varían de una empresa a otra y por tanto es necesario que los componentes de software puedan adaptarse a entornos distintos. Este problema puede ser resuelto fácilmente implantando los componentes, en forma de modelos UML, en Rational Rose ( Una extensión interesante de Rose es el paquete llamado ArcStyler ( Estos dos sistemas, utilizados conjuntamente, proporcionan una plataforma para el futuro desarrollo de entornos de simulación basados en modelos, y en particular, permiten alcanzar los siguientes objetivos: El modelo desarrollado puede ser ampliado rápidamente y ser reutilizado en otras aplicaciones. Una de sus características fundamentales es que el código fuente (en Java) puede ser regenerado automáticamente para crear una variante del modelo. Las partes del código escritas manualmente quedan protegidas y no se pierden durante la regeneración. La implantación no depende de la tecnología actual. Partiendo del modelo Rose- ArcStyler es posible generar automáticamente el código fuente de cualquier tecnología de implantación. Por ejemplo, el acceso remoto a los recursos de simulación desarrollados en los centros de investigación se basa actualmente en Java/RMI, pero la aplicación de otras plantillas/cartuchos incluidos en ArcStyler permite cambiar automáticamente la implantación a otra tecnología, como es por ejemplo CORBA. De este modo no nos afectan los rápidos cambios tecnológicos propios de Internet y estamos en condiciones de concentrarnos en las funciones de nuestro entorno de simulación. Visualización tridimensional Varios sistemas comerciales de procesamiento ulterior, como por ejemplo Pro/FEM-POST, ofrecen solo un subconjunto de las funciones necesarias para visualizar tridimensionalmente las magnitudes específicas de diseño contenidas en las normas técnicas de ABB. Se trata de una limitación importante a la hora de evaluar los resultados de una simulación y presentar los mismos a los clientes de ABB. Por esta razón hemos estudiado el lenguaje VRML (Virtual Reality Modeling Language) ( Los resultados de una simulación permiten crear modelos VRML, que se visualizan con los buscadores Web estándar. El lenguaje VRML nos ofrece muy buenas posibilidades para presentar en Internet el comportamiento físico y otras características de los productos de ABB. Iniciativa LCC de computación a bajo coste La iniciativa LCC iniciada en los centros de investigación corporativa tiene los siguientes objetivos: Implantar portales basados en la Web para herramientas seleccionadas de simulación y hacerlas disponibles a través de buscadores estándar de Internet. Integrar procedimientos completos de simulación en el entorno CAD de unidades comerciales de bus, seleccionadas, basándo- 38 ABB Revista 1/2002

5 1 Arquitectura del entorno de computación a bajo coste se en el acceso remoto a recursos y expertos en computación. El primer objetivo ha sido alcanzado con la tecnología de portales Web Citric. Las aplicaciones de análisis técnico se integran, personalizan y publican en un formato interactivo basado en XML sin necesidad de codificación adicional alguna. Las aplicaciones implantadas actualmente aparecen mencionadas en la sección siguiente. El segundo objetivo se alcanzó con portales altamente personalizados, integrados en el entorno CAD. Se basan en modelos de software especialmente desarrollados, que incluyen varios componentes específicos de ABB tales como la evaluación de criterios de diseño y las visualizaciones VRML y se implantan por medio de la tecnología Java. A continuación se describe una implantación piloto para la unidad de negocio Power Transformers. En ambos casos utilizamos en la parte del servidor la misma tecnología base: grupos de PC controlados por sistemas de gestión del trabajo. En 1 se muestra la arquitectura desarrollada del entorno de simulación basado en Intranet, que establece un nexo entre el entorno de diseño técnico y el mundo de la simulación. El principal objetivo es poner los más recientes avances de las tecnologías de simulación al alcance de los ingenieros mientras se recurre a fuentes externas para la computación de altas prestaciones y el mantenimiento de los resolutores de análisis numérico. 2 Objeto general Web Portales de computación CITRIX / XML Tecnología Web Gestión de carga Entorno CAD de bus Computación de grupos Linux Componentes de computación de bajo coste Portales CAD integrados Rose/ArcStyler Tecnología Java Tecnologías básicas ABB para la simulación de alto rendimiento Arquitectura del portal de computación de Web Nivel cliente Objetivo: accesibilidad a todos los dispositivos Solución: Navegador(es) estándar Nivel medio Objetivo: interfaz intuitiva de usuario Solución: Servidor de Web + servelets Gestión flexible de licencias Colaboración a distancia en tiempo real Nivel servidor Objetivo: alto rendimiento y fiabilidad Solución: Gestión de carga y grupos Aplicación Piloto 1: Portal Informático de Web (WCP) El centro de investigación de Milán (Italia) ha creado un Portal Informático piloto que permite acceder a las aplicaciones técnicas a través de un buscador de Web. Para habilitar completamente la interfaz gráfica de usuario (GUI) no es necesario instalar software alguno en el ordenador cliente, excepto las conexiones del buscador. Los servicios disponibles se publican en WCP mediante descriptores de servicios XML. Solo los usuarios autorizados pueden acceder a dichos servicios. Los componentes básicos de WCP aparecen representados en 2. El portal está siendo mejorado de forma continua. Por el lado del servidor, la atención se centra actualmente en la implantación de la gestión de cargas y en el almacenamiento de datos en un entorno grupal ABB Revista 1/

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7 4 Ejemplo de modelo de transformador de potencia (a) y resultados correspondientes del cálculo de aislamientos (b). Este ejemplo fue calculado en la unidad de transformadores de potencia de Bad Honnef (Alemania) utilizando recursos a distancia del centro de investigación corporativa de Ladenburg, Alemania. que el producto pasa directamente de la fase de diseño a la de fabricación, los proyectistas deben asegurarse de que los productos superarán a la primera las pruebas finales de alta tensión. La simulación tridimensional del aislamiento permite identificar y evaluar los puntos críticos (véase ejemplo en 4b ). A partir de las simulaciones, los técnicos pueden evaluar cuantitativamente el riesgo de fallo y compararlo con las directrices de diseño para el producto en cuestión. Si no se dispone de simulación, el procedimiento de diseño estará basado en la experiencia y la calidad del producto final dependerá en buena medida de los conocimientos personales del proyectista responsable. Los intentos para integrar la simulación tridimensional en el diseño de los transformadores de potencia no son nada nuevo. Durante la década de los noventa se realizaron grandes esfuerzos para desarrollar un procedimiento de simulación eficiente que incluyera la mejora del código Polopt de elementos límite de ABB y su integración en ProEngineeer. Sin embargo, no pudo conseguirse que los proyectistas utilizasen dicho procedimiento en la práctica. La iniciativa LCC ha eliminado esta laguna; en particular, se han definido los siguientes requisitos para la unidad de negocio Power Transformers: A partir de una documentación clara y permanentemente actualizada, un experto en CAD puede realizar el análisis anterior y posterior al procesamiento en ProEngineer; no es necesario que sea un experto en simulación (eventualmente, un experto le proporcionará el soporte necesario a distancia, a través de una línea directa). Debería poder accederse al resolutor y al correspondiente hardware, situados en un centro de investigación a distancia. En las unidades de negocio no se instala software o hardware para simulación. El resolutor remoto se activa directamente desde ProEngineer. Los proyectistas deberían poder evaluar y visualizar criterios específicos de diseño en sus estaciones de trabajo CAD a partir de los datos del resolutor almacenados en un ordenador remoto. Todo el procedimiento de simulación es transparente y fácil de utilizar para un proyectista sin experiencia en estos procedimientos; en pocos días se deberían poder calcular incluso disposiciones complejas. Tomando como base estos requisitos se ha implantado un modelo cliente/servidor 5, una de cuyas principales características es la integración con un sistema CAD. Con este modelo, un cliente especial que deba presentar un trabajo transferirá datos desde/a la sesión de CAD, pondrá en marcha el resolutor en el servidor y supervisará la marcha de los cálculos. El acceso a los datos de usuario en el servidor es controlado por un delegado del cliente, que se comunica tanto con el cliente que debe presentar el trabajo como con el cliente que efectúa la evaluación y visualización. Este último proporciona servicios tales como ABB Revista 1/

8 5 Arquitectura de cliente-servidor para acceder a los recursos remotos, integrada con el entorno CAD y la evaluación de criterios de diseño. Cliente: Estación de trabajo CAD, Windows NT/200 Servidor: Grupo LINUX PC con multiprocesores Criterios de evaluación y visualización del cliente Sesión ProEngineer Propuesta a cliente Iniciada por ProE Red de la compañía Intranet Cubierta de resolutor Criterios de evaluación Conversión VRML Datos del trabajo en marcha, creados por Solver Base de datos: claves de usuarios proyectos tareas Documentación Proxy de cliente: controles contextuales de sesión en marcha Gestión de la sesión evaluación de los criterios de diseño, basándose en datos remotos, conversión VRML y acceso a la documentación más reciente. La arquitectura representada en 5 ha sido implantada en forma de modelo UML según la tecnología RationalRose/ArcStyler. El código fuente ha sido generado para Java/RMI. Una importante ventaja de este enfoque es que puede reutilizarse el modelo; ABB lo utilizará no solo para los transformadores de potencia sino también para el diseño de los aislamientos en todas las empresas del Grupo (inclusive el aparellaje eléctrico de Media y Alta Tensión). El sistema ya se está implantando con carácter piloto para los transformadores de potencia. Resumen El acceso a distancia a los recursos de cálculo constituye en el entorno de diseño de ABB una nueva dimensión que hace más rentable la utilización de herramientas de análisis técnico. Ya no es necesario comprar y mantener el costoso software y hardware para cada unidad comercial, pues es posible alojarlo de forma centralizada y ofrecerlo por Intranet a los técnicos de ABB. La iniciativa LCC (Low Cost Computing) de computación a bajo coste asigna una nueva tarea a los centros de investigación corporativa en el marco de los procesos I+D de ABB: explorar y adaptar las tecnologías más recientes de simulación y ponerlas al alcance de los proyectistas. Este nuevo papel no solo incluye el desarrollo e implantación de técnicas de acceso basadas en Internet, sino también la integración en el entorno CAD de los procedimientos de simulación, simplificando así el uso de los mismos por los proyectistas. Pero lo que es más importante es que el nuevo entorno ofrece una gran ventaja a los clientes, ya que los productos de ABB son diseñados desde el principio para que sean de uso cómodo y sean fáciles de instalar, utilizar y mantener. Autores Dr. Andreas Blaszczyk Dr. Harsh Karandikar Corporate Research Center DE Ladenburg Alemania andreas.blaszczyk@de.abb.com harsh.karandikar@de.abb.com Dr. Giovanni Palli Corporate Research Center IT Sesto San Giovanni (MI) Italia giovanni.palli@it.abb.com 42 ABB Revista 1/2002