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8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 CONTROL Y SUPERVISIÓN DISTRIBUIDO DE UN SISTEMA MECATRÓNICO INTEGRADO José Ruben Sicchar 1 , Israel Francisco Benítez Pina 2 , Valquiria Gusmão Macedo 3 , Gilberto García del Pino 1 , José Luis Sansone 1 , Odemi Rod...

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CONTROL Y SUPERVISIÓN DISTRIBUIDO DE UN SISTEMA MECATRÓNICO INTEGRADO Ruben Pina

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8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

CONTROL Y SUPERVISIÓN DISTRIBUIDO DE UN SISTEMA MECATRÓNICO INTEGRADO José Ruben Sicchar 1 , Israel Francisco Benítez Pina 2 , Valquiria Gusmão Macedo 3 , Gilberto García del Pino 1 , José Luis Sansone 1 , Odemi Rodrigues 1 , Miguel Soria Negreiros 1 , André Francisco Ogino 1 , Ricardo Dias Gomes 1 , Demetrio Gonçalves 1 , . 1

Universidad do Estado do Amazonas, Dpto. Ing. Mecatronica, Av. Darcy Vargas, 1200, Manaus, AM, Brasil, [email protected],

2

Universidad de Oriente, Dpto. Ing. Eléctrica, Santiago de Cuba, Cuba, 3

[email protected], Universidad Federal do Pará, Depto. Ing. Eléctrica, Belém, PA, Brasil, [email protected].

RESUMEN Este trabajo, presenta los resultados de investigación de una arquitectura modular de control distribuida, implementada sobre un sistema mecatrónico integrado de prácticas de laboratorio de automatización. La arquitectura propuesta cuenta con una sub arquitectura modular de programas, modelados y diseñados con Redes de Petri Ghenesys Extendidas y otra arquitectura modular de conexiones de integración física de control con todo el sistema mecatrónico integrado. El objetivo principal es el de realizar el acceso de control a distancia en tiempo real, usando un ambiente virtual de supervisión diseñado con servelts de conexión remota. La arquitectura de control propuesta utiliza una placa de alimentación paralela para comunicación con la unidad de control principal. Los resultados del trabajo son obtenidos con la aplicación de tests de evaluación experimental de performance de 4 parámetros de comunicación a distancia.

PALABRAS CLAVE: Arquitectura Modular de Control; Sistemas Mecatrónicos Integrados; Control Distribuido; Plataformas Virtuales de Control y Supervisión a Distancia; Laboratorios Remotos.

INTRODUCCIÓN El control a distancia viene siendo objeto de varios trabajos de investigación, envolviendo comunicación distribuida de sistemas de control automatizados. Teniendo como finalidad la de implementar, arquitecturas de laboratorios remotos, donde sea posible realizar las prácticas experimentales de ingeniería mecatrónica a distancia, ofreciendo siempre que posible recursos de supervisión visual , programación y simulaciones y comandos de ejecución remotos en tiempo real, visando con esto consolidar el aprendizaje de las disciplinas de control y automatización induistrial[1], [2]. En el proyecto de sistemas de control a distancia, son muy importantes algunas características que garantizan la interconexión remota de control; estas son: la arquitectura de comunicación de control desarrollada, la metodología de interfaces de conexión, el sistema de comunicación, la plataforma de soporte de comunicación virtual y la arquitectura de tele-procesamiento. Con estos elementos pueden ser obtenidos resultados de desempeño de comunicación de control, bastante satisfactorios en modelos de sistemas de comunicación distribuidos, aplicados en la supervisión y control de laboratorios experimentales didácticos y de plantas físicas industriales [3],[4],[5]. De forma muy particular, se observa que las plataformas de soporte de comunicación virtual desempeñan un papel muy importante. Muchas de estas desempeñan la conexión de integración con controladores lógicos programables que a través del protocolo Modbus TCP/IP, realizan la comunicación de control vía internet, formando en conjunto los elementos operacionales de comunicación de laboratorios remotos de enseñaza a distancia [3]. La falta de integración de los cinco factores anteriormente mencionados, conforman una gran problemática. En relación a este problema, se propone en este trabajo, arquitectura modular de control distribuida a nivel de programación (modelado y programado con redes de Petri Ghenesys extendidas) y conexiones físicas de comunicación vía protocolo Modbus TCP/IP, la cual es soportada en un sistema de comunicación distribuido con interfaces de conexión desarrolladas en Java –JSP que en conjunto permitan el accionamiento de control de una célula de manufactura flexible (instalada en la sede de la Escuela Superior de Tecnología de la Universidad del Estado de Amazonas EST-UEA), cuya supervisión sea mediante la plataforma Moodle. La obtención de los resultados es realizada de acuerdo a una metodología de verificación sugerida en este trabajo. De esta manera el objetivo general de este trabajo es el de mejorar la comunicación de control remota de una célula de manufactura integrada, para desarrollar prácticas de automatización y control en tiempo real a distancia. El trabajo es organizado en cinco secciones principales: sección 1 que presenta los aspectos de introducción sobre la problemática del asunto, sección 2 que presenta la descripción de la arquitectura modular de comunicación control desarrollada; sección 3 que versa sobre la parte descriptiva del proyecto del sistema de comunicación de interfaces de conexión implementada a partir de la plataforma Moodle; la sección 4 donde son presentados los resultados de implementación del proyecto, y la discusión científica de los resultados alcanzados y; la sección 5, que presenta la conclusión de la investigación y sugerencias para trabajos futuros.

ARQUITECTURA MODULAR DE COMUNICACIÓN DE CONTROL El modelo de la arquitectura de control, en que se fundamenta este proyecto es en el trabajo desarrollado por Sumper & Roldán [4]. De esta manera, la misma es formada por el modelado de los núcleos modulares de programación y de hardware específicos, proyectados con la finalidad de permitir la transferencia de datos de comunicación provenientes de usuarios remotos hacia el proceso de operación de manufactura de la planta de prácticas de laboratorio. Para efectos de metodología de operación de las prácticas de automatización en la planta física del laboratorio experimental, fue proyectada una asociación de actividades, como mostrada en la Figura 1. Así, en la entrada de la célula de manufactura, es colocado el sistema electro- neumático que tiene la función de transportar piezas mecánicas venidas de un almacén “buffer de entrada” con dirección a una estera que transportará un conjunto de piezas que serán recogidas más adelante por el manipulador robótico. A seguir, se tiene la integración de operaciones del robot con el dispositivo mecánico de fresaje, de tal forma que las operaciones del robot serán de carga y descarga de piezas mecánicas. Una vez realizada esta operación en las piezas, el manipulador robótico descarga las piezas y las coloca dentro de un almacén “buffer de salida”.

Fig. 1: Asociación de Control Integrado de la Célula de Manufactura de la EST-UEA. El modelo a eventos discretos de esta asociación fue desarrollada en redes de Petri Ghenesys extendidas (Figura 2) base fundamental para el programa maestro de control de la célula de manufactura del laboratorio experimental.

Fig. 2: Simulación del Modelo Óptimo a Eventos Discretos de la Célula de manufactura con Redes de Petri Ghenesys Extendidas.

Núcleo Modular de Programación de Comunicación de Control En este núcleo son proyectados tres módulos de programación directa, dos módulos de programación de integración indirecta y un módulo de programación de integración total. La Figura 3 presenta los módulos de programación de comunicación de control del sistema.

Fig. 3: Núcleo Modular de Programación de Control. a)

Módulos de programación directa. Comprendido por el bloco de instrucciones previstas para el funcionamiento de los dispositivos de la célula de manufactura. Para este fin son divididos en tres módulos de programación, donde el primer módulo de programación fue proyectado para controlar dos dispositivos de forma directa (una estera transportadora y un dispositivo de taladrado), el mismo fue programado en lenguaje de CLP ladder. El software utilizado en este módulo fue el PL7 versión 4.4 (software de programación de CLP TSX 3722 Telemecanique); por su vez el segundo módulo de programación fue proyectado para controlar las actividades del manipulador robótico de la célula. El mismo fue programado en lenguaje de instrucciones estructuradas; usando el software propio del manipulador, el RTwin MCLII de la Amatrol; por otro lado el tercer módulo de programación fue proyectado para controlar apenas al brazo electro neumático de forma directa. El motivo de esta provisión es el número de entradas y salidas insuficientes del CLP TSX 3722; razón por la cual se proyecta esta coordinación usando un otro CLP auxiliar Wago. El mismo fue programado en lenguaje de CLP ladder, describiendo todas las sub-rutinas de este dispositivo. El software utilizado en este módulo fue el Codesys versión 2.2 (software de programación de CLP Wago).

b)

Módulo de programación de integración indirecta: Comprende el bloque de instrucciones proyectado, para el enlace de comunicación integrado entre el CLP TSX 3722 e la CPU de control del manipulador robótico, a través de una tabla de código binario de cuatro bits. De forma a inter operar en la transferencia de datos de comunicación y en control de las actividades del manipulador. Este módulo es desarrollado en lenguaje ladder, en el software PL7 do CLP TSX 3722. c) Módulo de programación de integración total. Comprende el diagrama de bloques programados, para el enlace de comunicación integrado entre el CLP TSX 3722 en la forma de CLP maestro y los demás módulos de programación anteriormente descritos; la comunicación entre los módulos se provee que sea a través de la tabla de código binario de cuatro bits. De forma a interactuar en la transferencia de datos de comunicación y en el control de las actividades de cada bloque. Este módulo es desarrollado en lenguaje Grafcet (SFC- Sequential Function Chart). La lógica de programación en Grafcet se justifica en este caso por permitir una gerencia de integración de control y de comunicación, pues el mismo permite a partir de estados, comunicación, integración y control de la célula de manufactura como un todo.

Módulos de Hardware de Comunicação de Controle Para desarrollar la integración de los sistemas y dispositivos de la célula, fue proyectada una arquitectura de integración de comunicación de control entre todos los dispositivos de la planta de automatización. La Figura 3 presenta la arquitectura de conexión de integración de los módulos de hardware de comunicación de control del sistema propuesto.

Fig. 4: Núcleo de Conexión para Integración de Comunicación de Control.

Esta arquitectura es compuesta de cuatro módulos de conexión: el módulo de conexión directa 1, el módulo de conexión directa 2, el módulo de conexión de integración 1, el módulo de conexión de integración 2, además de un panel de control manual, junto a los CLPs de control maestro y auxiliar, con sus respectivos modens de comunicación. a) Módulo de Conexión Directa 1. Módulo responsable por conexión de comunicación y control entre el CLP maestro y el sistema de transporte y el dispositivo mecánico de taladrado. b) Módulo de Conexión Directa 2. Módulo responsable por la conexión de comunicación y control entre el CLP auxiliar y el dispositivo electro-neumático mecánico de taladrado. c) Módulo de Conexión de Integración 1. Módulo responsable por la conexión de comunicación y control entre el CLP maestro y la CPU de control del manipulador robótico. d) Módulo de Conexión de Integración 2. Módulo responsable por la conexión de comunicación y control entre el CLP maestro y el CLP auxiliar Wago, que comanda las actividades del brazo electro-neumático. e) Panel de Control Manual. La proyección de este dispositivo está en razón de ofrecer un mecanismo manual de activación de control de la planta de automatización integrada. f) CLPs de control. Es proyectado el uso de dos controladores lógicos programables – CLPs. Siendo uno el maestro, el TSX 3722 de la Telemecanique y otro auxiliar el Wago. La Figura 5 muestra las instalaciones de la célula de manufactura con su respectiva arquitectura de comunicación de control y su Terminal se supervisión local de control.

Fig. 5:Instalaciones de la Célula de Manufactura Integrada.

MODELO DE COMUNICACIÓN La Figura 6, muestra el modelo de comunicación distribuido propuesto en este trabajo. Teniendo como integrantes el sistema de comunicación de interfaces y camadas de conexión remota y la arquitetura de comunicación de control modular de hardware y software[5]. Ambas componentes tienen el objetivo de facilitar la integración de comunicación a través de la programación de integración entre dispositivos de control de la célula de manufactura flexible y en especial mediante las interfaces de conexión remota en la forma de servlets de invocación remota.

Fig. 6:Modelo de Comunicación Distribuida.

Pueden ser observados en detalle (Figura6) el sistema de comunicación del modelo, que tiene como componentes a las interfaces de comunicación o conexión y a la arquitectura de camadas. Notase de forma particular que el sistema de comunicación está soportado en la arquitectura de tele procesamiento de la EST-UEA. Se observa también a la arquitectura de comunicación de control, formada por los módulos de programación y hardware que activan los dispositivos de la célula de manufactura flexible, una vez accionadas las interfaces de comunicación por el terminal de usuario remoto, a partir de la plataforma de supervisão virtual Moodle. A partir de esta plataforma, se tiene acceso a una página de supervisión de control y de imágenes de las actividades ejecutadas encima de la célula.

Página Virtual de Supervisión de Control a Distancia Mediante la dirección: www2uea.edu.br/moodle, es presentada la página virtual de administración central de las disciplinas y materias catastradas para enseñanza a distancia. Escogiéndose en este caso la disciplina de laboratorio remoto de mecatrónica, para la posterior apertura de la página de control y supervisión de la célula de manufactura integrada, como muestra la Figura 7, que mediante sus interfaces programadas en Java, posibilita la comunicación distribuida de forma remota, permitiendo la comunicación entre un usuario remoto y la célula de manufactura. Son activadas a través de un Socket de datos entre un Applet en la máquina del usuario un Servlet responsable por la activación y la supervisión de la célula de manufactura.

Fig. 7:Página de Supervisión de Control a distancia de la Célula de Manufactura Integrada. La parte de supervisión es realizada a través del protocolo Modbus-TCP, el cual permite la visualización de los estados del proceso activando directamente las salidas del CLP, el controle es hecho a través de la puerta paralela del computador conectada a un circuito que activa directamente las entrada del CLP, simulando de esta manera las condiciones necesarias para que una determinada acción sea ejecutada por la célula de manufactura. En los Applets se buscó utilizar los criterios de usabilidad, navegabilidad y principalmente garantizar la integridad de la célula de manufactura durante la utilización por un usuario remoto. De esta forma operaciones que no pueden ser ejecutadas al

mismo tiempo son deshabilitadas, permitiendo la operación de apenas una de cada vez. También pensándose en la seguridad y la integridad de la célula se optó por dar prioridad al usuario que está realizando una práctica, mejorando así el desempeño y previniendo de daños a la célula. Por otro lado los Servlets son responsables por la interconexión entre las requisiciones del usuario y la Célula de Manufactura a través de Java Beans los cuales reciben las requisiciones en la forma de texto y ejecuta la acción determinada en la célula de manufactura, sea ella de supervisión o de control. Vale recordar que para la realización del control está siendo utilizada la puerta paralela lo que tornó necesario la proyección de un circuito integrado de protección utilizándose de acopladores ópticos para garantizar el aislamiento del circuito de activación de las entradas del CLP el cual opera en 24 v y la puerta paralela que opera en 5 v.

RESULTADOS Para el tratamiento de los resultados de implementación fue usada como metodología de investigación la aplicación de pruebas de verificación experimental de comunicación. En esta metodología, fueron programadas 1200 pruebas aplicados a cada 4 parámetros de comunicación remota sometidos para evaluación que son: accesos remotos efectivos de comunicación usuario – página web de laboratorio remoto; accesos remotos efectivos a la página virtual de supervisión y control; accesos remotos efectivos de supervisión visual en tiempo real y el; tiempo de Atraso de Transferencia de Señales de Video para Supervisión Remota en tiempo real. La metodología adoptada tiene como finalidad la verificación de la eficacia de operación, de comunicación de control distribuido propuesto, a través de la red de comunicación WAN, iniciada en la EST-UEA, usando un universo de 10 usuarios remotos, 08 pertenecientes a la EST- UEA, de la ciudad de Manaus; 01 perteneciente a la Universidad Politécnica de Cataluña – UPC de Barcelona y otro usuario remoto de la Universidad de Oriente, en Santiago de Cuba. El período de colecta de datos tuvo una duración de seis meses, en cada frente experimental de investigación detallada anteriormente. Las pruebas de evaluación fueron aplicadas y levantadas (resultados) de forma mensual, o sea, dividiendo el total de 1200 pruebas experimentales por parámetro, con 20 testes para cada mes por usuario.

Fig. 7:Resultados Experimentales- Accesos Efectivos Usuario- Página Web de Laboratorio Remoto. La Figura 7 presenta gráficamente el desempeño de los resultados experimentales del primer parámetro de comunicación testado. En la figura se identifica un desempeño homogéneo entre todos los usuarios conectados de forma remota. Dando un desempeño total de 961 accesos remotos (80,08%), estando a menos de 19,92% del número de accesos remotos proyectados (1200). El problema principal que afectó desempeño, fue la arquitectura de tráfico de datos, que no suportó el acceso continuo a la página del laboratorio remoto.

Fig. 8:Resultados Experimentales- Accesos remotos efectivos a la página virtual de supervisión y control. La Figura 8 presenta gráficamente el desempeño de los resultados experimentales, indicados del segundo parámetro de comunicación testado. En ella se identifica también un desempeño homogéneo entre todos los usuarios conectados de forma remota. Dando un desempeño total de 765 accesos remotos realizados con éxito (63,75%) estando a menos de 36,25% del número deseado de accesos. Los problemas principales que afectaron el desempeño, fueron la arquitectura de tráfico de datos, mencionada anteriormente. Siendo un segundo factor, la indisposición de gerencia de autorización de catastro, de nuevos usuarios remotos, en razón de haber sido dispuesto, una dirección de IP externa fija de laboratorio remoto, por espacios muy cortos de tiempo.

Fig. 9:Resultados Experimentales- Accesos remotos efectivos de Supervisión Visual en Tiempo Real. La Figura 9, presenta gráficamente el desempeño de los resultados experimentales, indicados del tercer parámetro de comunicación testado. En ella se observa también un comportamiento homogéneo entre todos los usuarios conectados de forma remota. Dando un desempeño total de 628 accesos remotos realizados con éxito (52,33%) estando a menos de 47,67% del número de accesos deseados. El problema principal que afectó el desempeño, fue la arquitectura de tráfico de datos, que no suportó el acceso continuo al servidor de vídeo.

Fig. 10:Resultados Experimentales- Tiempo de Atraso de Transferencia de Señales de Video para Supervisión R...