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ISSN: 1697-7912. Vol. 7, Num. 3, Julio 2010, pp. 72-82
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http://www.revista-riai.org
Implementacion de Supervisores en una Arquitectura de Referencia Basadas en Sistemas de Manufactura Holonicos
E. Chacón, M. Indriago
LaSDAI, Departamento de Computación, Universidad de Los Andes. Av. Tulio Febres Cordero, Mérida 5101, Venezuela
Resumen: La Arquitectura de Integración para la Automatización de Complejos de Producción es una propuesta de arquitectura de referencia basada en sistemas de manufacturas holonicos que divide los procesos en unidades de produccion. Cada unidad de produccion representa una parte del proceso (y su sistema de control) con autonomía y capacidad para negociar con las otras unidades de produccion. Este trabajo presenta un metodo para modelar e implementar supervisores de eventos discretos en la unidad de produccion. El supervisor se modela con una red de Petri a la que se le agrega una interfaz para poder leer los eventos y ejecutar las acciones del proceso que se quiere controlar. El metodo permite simular, probar y modificar el supervisor facilmente esto hace que la unidad de produccion sea flexible a los cambios en el producto o en el proceso. Copyright © 2010 CEA.
Palabras Clave: Sistemas de manufactura holonicos, Supervisor, Sistemas de eventos discretos, Redes de Petri.
1. INTRODUCCION
Desde siempre se ha buscado mejorar los procesos industriales de tal forma que los productos se elaboren en menor tiempo, a un menor costo y con mejor calidad. Una vía para lograr esto es tener procesos flexibles, y se logra con nuevas tecnologías, y estructuras organizacionales que permitan adaptarse a los cambios que exige el mercado. En este sentido existen distintos enfoques como los holonicos (Wyns, 1999), los he-teraquicos (Silveira and Combacau, 2003; Saad et al., 1995) y los jerarquicos (Li, 1994; ISA, 1995). Dentro de los enfoques holonicos se encuentra la Arquitectura de Integracion para la Automatizacion de Complejos de Produccion (Chacon et al., 2002), en ella se basara nuestra propuesta.
Los sistemas de manufactura holonicos se originan de una teoría acerca de sistemas complejos adaptativos. La palabra holon fue introducido en los años sesenta por Arthur Koestler, y sugiere un comportamiento doble, el holon se puede comportar como un todo pero a su vez tambien se puede comportar como una parte (efecto Janus). Los sistemas de manufacturas holonicos estan formados por comunidades de holones, cada holon puede formar parte de otro holon que lo contiene y a su vez estar formado por otros holones. Los sistemas de manufactura holonicos aprovechan las ventajas de los sistemas jerarquicos y de los sistemas heteraquicos, en este sentido un holon es un ente autónomo capaz de tomar sus propias decisiones y a su vez tiene la capacidad de negociar con otros holones con la finalidad de alcanzar las metas en comun. La comunidad de holones relacionados entre sí es lo que se conoce como holarquía.
La Arquitectura de Integracion para la Automatizacion de Complejos de Produccion divide cada proceso en subprocesos denominados unidades de produccion (UP). Cada unidad de produccion esta formada por una parte física que le da valor
agregado al producto y un sistema de control que tiene entre sus funciones: mantener las variables continuas y el estado discreto en los valores que permitan alcanzar las metas fijadas, manejar las contingencias, registrar informacion para el mantenimiento, medir variables que tengan impacto economico y negociar con otras unidades de produccion. Las unidades de produccion son autónomas y tienen capacidad para negociar.
Para que un proceso sea flexible los cambios en el sistema de control deben ser pocos complicados y rápidos, ademas la implementacion debe ser sencilla y confiable. El diseño y puesta en funcionamiento del sistema de control involucra cuatro etapas: modelo de la planta, diseño del control, simulacion e implementacion. El modelo de la planta depende de su dinamica, la cual puede ser continua, de eventos discretos o híbrida. Para el desarrollo de los modelos se usan herramientas tales como ecuaciones diferenciales (Lennartson et al., 1994), redes de Petri (Polic and Jezernik, 2005; Moody and Antsaklis, 1998; Murata, 1989; Peterson, 1981) o una combinacion de ambos (Moody and Antsaklis, 1998; Frey, 1998). Resulta util incluir en el sistema de control un supervisor de eventos discretos que ejecute acciones segun el estado en que se encuentre la planta, algunos autores (Zapata and Carrasco, 2002; Frey, 1998) utilizan redes de Petri interpretadas para su elaboracion. Existen diversas tecnicas que ayudan al diseño de supervisores muchas de ellas estaín basadas en redes de Petri. La implementacioín del supervisor se debe hacer en un equipo de control, es comun utilizar controladores logicos programables (PLC) o computadores personales (PC) para este fin.
Para cumplir con las funciones del sistema de control de la unidad de produccion, en este trabajo se presenta una propuesta que divide el sistema de control en tres capas: control regula-torio que se encarga de mantener las variables continuas en el valor deseado, supervisor que determina y controla el estado discreto y un sistema multiagente que maneja las contingencias
Publicado electrónicamente: 09/07/2010 DOI: 10.4995/RIAI.2010.03.07
Figura 1. Entradas y salidas de una unidad de producción.
y se en carga de las negociaciones. El alcance de este trabajo se limita a detallar la capa del supervisor. Actualmente no se tiene un metodo para implementar un sistema supervisor en la Arquitectura de Integracion para la Automatizacion de Complejos de Produccion. El metodo que se presenta propone un supervisor de eventos discretos compuesto por un modelo de la planta construido usando redes de Petri, una funcion de control que ejecuta las acciones dependiendo del estado del modelo y una interfaz con el proceso que convierte las entradas en eventos y las acciones en salidas, ademas tiene la capacidad de intercambiar informacion con las otras dos capas. Tambien se muestra una forma para implementar el supervisor en el equipo de control.
El artículo esta formado por las siguientes secciones: Una introduccion en la seccion 1. La seccion 2 define la Arquitectura de Integracion para la Automatizacion de Complejos de Produccion. La seccion 3 habla sobre el modelo del supervisor. La seccion 4 presenta dos alternativas para la implementacion de los supervisores de eventos discretos. En la seccion 5 se muestra un caso de estudio. Finalmente, en la seccion 6 se dan las conclusiones.
2. ARQUITECTURA DE INTEGRACION PARA LA AUTOMATIZACION DE COMPLEJOS DE PRODUCCIÓN
La Arquitectura de Integracion para la Automatizacion de Complejos de Produccion es una propuesta desarrollada en la Universidad de Los Andes, Venezuela, esta basada en sistemas de manufactura holonicos y tiene como objetivo fundamental facilitar la implementacion del sistema de control en complejos de produccion (CP), esto lo logra dividiendo los complejos de produccion en partes llamadas unidades de produccion.
En la unidad de produccion se ejecutan los procesos de produccion y las funciones de regulacion y control. La unidad de produccion "conoce" su estado, sus capacidades, sus restricciones y como alcanzar sus metas de produccion; tiene un alto grado de autonomía y es capaz de negociar con otras unidades de produccion.
Dos elementos principales forman a la unidad de produccioín, estos son el proceso y el sistema de control tambien llamado sistema de informacion y toma de decisiones (SI&TD). El proceso esta formado por los elementos físicos y/o procesos químicos que transforman los materiales de entrada en otros productos. El sistema de informacion y toma de decisiones se encarga del control y regulacion del proceso e intercambia informacion con otros sistemas para tener el control y regulacion global del complejo. La autonomía de la unidad de produccion implica que estaí en capacidad de tomar decisiones con respecto a su
Figura 2. Estructura holoínica
mision tales como: cambiar los procedimientos para elaborar el producto, detectar si una meta ha sido modificada e informar si esta meta puede ser aceptada, ademas debe informar si una meta ha sido completada o si no puede ser alcanzada debido a alguna situacion anormal. La materia prima, las metas, la energía y otros servicios son entradas de la unidad de produccion, mientras que los productos, informacion del estado y desperdicio son salidas. La figura 1 muestra un esquema de los elementos, las entradas y las salidas de una unidad de produccion.
Las unidades de produccion se integran para formar un complejo de produccion, y varios complejos de produccion conforman una empresa. En la figura 2 se muestra el enfoque dado por la Arquitectura de Integracion para la Automatizacion de Complejos de Produccion, el cual difiere del enfoque clasico como el que se muestra en la figura 3.
El complejo de produccion esta orientado a coordinar las unidades de produccion con el proposito de optimizar los recursos y el plan de operaciones, ademas establece la cantidad de produccion, envía las ordenes, ejecuta funciones de contabilidad e inventario, realiza actividades de mantenimiento y establece requerimientos de materiales.
En la empresa son ejecutadas las funciones de planificacioín estrateígica y el manejo centralizado en el que se decide acerca de las finanzas, recursos humanos, mercado, investigacioín y actividades de desarrollo. Ademas se coordinan las actividades de produccion ejecutadas en los complejos de produccion.
La unidad de produccion tiene como características la autonomía, capacidad de negociacion, agregacion (puede formar parte de otras unidades de produccion) y especializacion (puede estar formado por otras unidades de produccion), las cuales son analogas a las características del holon. En este mismo sentido observamos que tanto la empresa como los complejos de produccion tambien pueden ser considerados unidades de produccion, la figura 4 muestra un diagrama donde se ilustra esta relacioín.
2.1 Sistema de información y toma de decisión
El sistema de informacion y toma de decisiones de la unidad de produccion interactua con el proceso determinado el estado del mismo a traves de sensores, esta medicion del estado es
Figura 3. Estructura jerárquica.
Unidad de Producción
Equipos
Empresa
Complejo de produción
Figura 4. Modelo de una arquitectura de empresas.
comparada con el estado que debe tener el proceso para permitir alcanzar las metas. El resultado de la comparacioí n se evaluía para decidir las acciones que son llevadas al proceso a traveís de actuadores, esto es lo que se conoce como ciclo de toma de decisiones. La figura 5 muestra el ciclo de toma de decisiones de la unidad de produccion en forma gráfica.
El sistema de informacioín y toma de decisiones se divide en tres capas, como se muestra la figura 6. A cada capa se le asignan determinadas funciones, esto hace mas sencillo el diseño. La primera capa es el control regulatorio encargado del manejo de las variables analoí gicas mediante algoritmos de control tales como lazos PID. La segunda capa es el supervisor de eventos discretos donde se determina el estado del proceso y se establecen las acciones que permiten al proceso mantenerse en un estado deseado. La capa superior es un sistema conformado con agentes capaces de manejar las restricciones, conocer los cambios de metas, cambiar los procedimientos para elaborar un producto, informar si una meta ha sido alcanzada y negociar con otras unidades de produccioín. El proceso de negociacioí n le permite a la unidad de produccioí n cooperar para alcanzar la meta en comuí n del sistema al que pertenece.
Cada capa cumple sus funciones e intercambia informacioín con las otras dos. De las variables analogicas se extraen eventos que sirven de entrada al supervisor y al sistema multiagentes, a su vez las acciones que se generan en el supervisor cambian los paraí metros en los algoritmos del control regulatorio. De manera similar el sistema multiagentes maneja un modelo de eventos discretos que indica el modo de operacioín en el que se encuentra la planta, los eventos de entrada a este modelo provienen del modelo de la planta que se encuentra en el supervisor, ademaís el sistema multiagentes genera acciones que modifican la conducta del supervisor y del control regulatorio.
El intercambio de informacioí n entre las capas puede ser de diferentes formas dependiendo de la arquitectura donde se im-plemente el sistema informacioín y toma de decisiones, cada capa puede residir en equipos diferentes o en el mismo equipo de control. Durante la etapa de diseno se debe definir el intercambio de informacioí n entre las diferentes capas para incluir la estructura de datos necesaria para este fin. En el sistema de informacioí n y toma de decisiones no es obligatorio la existencia
Sistema de Decisión e información
Acciones de control
Sistema Decisorio
Estimación del estado
Actuadores Sensores
Planta / Proceso
Figura 5. Ciclo de toma de decisiones.
Figura 6. Capas del sistema de decisioín e informacioí n en conexioí n con el proceso.
de las tres capas, se puede prescindir de una o dos capas para aplicaciones simples.
El ciclo de toma de decisiones de la figura 5 se repite en todas las capas del sistema de informacioí n y toma de decisiones (Chacon et al., 2008). El sistema decisorio para el control regulatorio es un algoritmo de control con una variable de proceso como entrada la cual se quiere mantener igual a una consigna o referencia, en el supervisor es un modelo de eventos discretos y una funcioí n de control que tienen como entrada la secuencia de eventos del proceso y para el sistema multiagente es un conjunto de reglas loígicas con los valores de las premisas como entrada. En cada capa se pueden presentar situaciones no deseadas, en el control regulatorio una diferencia muy grande entre la variable de proceso y la consigna o referencia genera una alarma, en el supervisor determinados estados indican condiciones de operacioín fuera de la regioí n permitida y el sistema multiagente combina la informacioí n de las capas inferiores con la informacioí n que llega (o no llega) de otras unidades de produccioí n para determinar condiciones de fallas locales o problemas en las negociaciones.
El diseno del control de regulatorio y el sistema multiagentes son tratados en otros trabajos (Kowalski, 2010; Russell and Norvig, 2009). En la siguiente seccion se explicara como modelar e implementar el supervisor de eventos discretos.
3. SUPERVISOR DE EVENTOS DISCRETOS
El diseno del supervisor varía según la informacion que se tenga de la planta, su dinaímica, el modelo que se derive de ella, los eventos que se puedan observar y los eventos que se puedan controlar. Son bien conocidos los trabajos de síntesis de supervisores para sistemas de eventos discretos basados en autoí matas (Ramadge and Wonham, 1987) donde el supervisor mantiene la conducta del proceso en una regioín deseada habilitando y deshabilitando eventos seguín el estado en que se encuentre.
3.1 Modelo del supervisor
El supervisor propuesto estaí formado por un detector de eventos, un modelo de la planta y una funcioí n de control. El ciclo de decisioí n de la unidad de produccioín mostrado en la figura 5 se realiza dentro del supervisor de la siguiente forma: las seílales provenientes de los sensores son transformadas en eventos que sirven de entrada al modelo de la planta, a su vez la funcioí n de control ejecuta las acciones dependiendo del estado del modelo. De este ciclo se deriva la siguiente definicioín:
Definicion 1: Un supervisor (S) esta formada por la siguiente tupla:
S = (P,T,D+,D-,^,£,e,I,O,h,y)
P = {pi ,p2 ,..., pn} es un conjunto finito de lugares,
T = {tl, t2,..., tm} es un conjunto finito de transiciones,
D+ e Znxm es la matriz de los lugares de salida,
D- e Znxm es la matriz de los lugares de entrada,
H es un vector de dimension n x 1 que contiene la marcacion de la red de Petri,
£ es el conjunto de los eventos,
e : £ ^ T es la funcion que asocia un evento a una transicion,
I es el conjunto de las entradas al supervisor,
O es el conjunto de salida del supervisor,
h : I ^ £ es una funcion que relaciona a las entradas con los eventos,
y : n x I ^ O es la funcion de control que relaciona la marcacion de la red de Petri y las entradas con la salida.
Para que el modelo este completo se debe contar con el estado inicial del mismo que se representa con la marcacioín inicial
Los equipos que forman parte de la unidad de produccioín se mencionan a continuacion:
■ Equipos de control. Donde residen los algoritmos y estrategias para controlar el proceso. Ejemplo de equipos de control son los controladores logicos programables, computadores personales, sistemas de control distribuidos entre otros.
■ Equipos de medicion o sensores. Pasan informacion a los equipos de control del estado del proceso. Ejemplo de estos equipos son: sensores de posicion (detectores de proximidad), transmisores (presion, temperatura, flujo, nivel) entre otros.
■ Equipos de proceso. Tienen como funcion darle valor agregado al producto. Ejemplo de equipos de proceso son los tanques, reactores, intercambiadores, entre otros.
■ Actuadores. Las acciones del control se ejecutan en los actuadores y tienen tiene como consecuencia un cambio de estado en el proceso. Ejemplo de actuadores son los motores y las valvulas.
Una lista que enumere los equipos y una lista con todas las senales de entradas y salidas deben formar parte de las especificaciones para el diseño del supervisor.
El modelo en el supervisor esta compuesto por los modelos de los equipos proceso y actuadores que forman parte de la planta. Todas las transiciones controlables del modelo estaín en los actuadores. Existen una gran variedad de actuadores que pueden estar presentes en los procesos, en este trabajo se consideran cuatro tipos de uso muy comun (Indriago and Lucena, 2004) que se diferencian entre ellos por el comportamiento de las entradas y salidas (se denominan entradas a las señales que van desde el actuador hacia el controlador y salidas las que van desde el controlador hacia el actuador). Los tipos de actuadores se describen a continuacioín:
Figura 7. Modelo de los actuadores tipo 1 y 2.
■ Tipo 1. Una entrada y una salida. El controlador envía un comando de salida y el actuador responde confirmando que lo ha recibido a traves de una entrada. Un ejemplo típico de este tipo de equipos son los motores.
■ Tipo 2. Dos entradas y una salida. Este tipo de actuadores tiene dos posiciones, cada entrada se activa para indicar que el actuador se encuentra en alguna de las dos posiciones. El controlador da un comando de salida para ir de una posicion a otra y lo quita para regresar al estado inicial. Un ejemplo de estos actuadores son las vaílvulas con un solenoide de activación y reposicion por resorte.
■ Tipo 3. Dos entradas y dos salidas. Son muy similares al anterior, con la diferencia que para ir de una posicion a otra se activa una de las salidas y para regresar se activa la otra salida. Un ejemplo de estos tipos de actuadores son las vaílvulas de dos solenoides.
■ Tipo 4. Una entrada y dos salidas. Estos actuadores tienen dos modos de operacioí n, cada modo es activado por una de las salidas. La confirmacion de operacion de ambos modos se recibe por la misma entrada. Un ejemplo de estos actuadores son los motores reversibles.
En la figura 7 se muestra el modelo de red de Petri de los actuadores tipo 1 y 2. En el actuador tipo 1 la transicion t2 se dispara cuando la entrada esta presente y la transicion t1 se dispara cuando la entrada esta ausente. Las transiciones t3 y t5 se disparan cuando ocurre una falla mientras que la transicioín t4 se dispara cuando la falla desaparece.
Ademas de la lista de equipos y la lista de entradas y salidas, tambien debe haber una filosofía de operacion como parte de las especificaciones, en ella se describe detalladamente como opera cada actuador en funcion del estado de la planta.
La filosofía de control, escrita en forma de restricciones y reglas, es usada junto con el modelo de la planta para obtener el modelo de lazo cerrado o supervisor, esto se hace por medio de algun metodo para síntesis de supervisores (Moody and Antsaklis, 1998; Martinez et al., 2008). En la implementacion del supervisor no se usa el modelo de lazo cerrado, eíste se sustituye por el modelo de lazo abierto (modelo de la planta) y la representacion en red de Petri de la filosofía de control la cual estaí formada por el conjunto de arcos, transiciones y lugares que quedan luego de quitar del modelo de lazo cerrado
los elementos del modelo de lazo abierto. De la representacion en red de Petri de la filosofía de control se deduce la funcion de control la cual esta conformada por una serie de premisas logicas que reproducen las restricciones y reglas usadas para la obtener el supervisor y que tienen como entrada la marcacioín del proceso (p) y las condiciones de entradas (I) y como salidas las acciones que se ejecutan sobre los actuadores (O). Cada actuador tiene asociado un conjunto de variables logicas mediante las cuales se conoce su estado o se ejecuta una accion sobre el. Estas variables se mencionan a continuacion:
■ Modo (MO). Cambia el modo del actuador entre au-tomaítico (verdadero) y manual (falso).
■ Arranque en manual (AM). Se coloca en verdadero para un arranque en manual.
■ Arranque en automático (AA). Se coloca en verdadero para un arranque en automaítico.
■ Direccion (DI). Indica la direccion de accion en los actuadores de dos salidas.
■ Comando de salida (CS). Manipulado esta variable se logra la accion sobre el actuador.
■ Comando de salida inverso (CI). Manipulando esta variable se logra la accion sobre los actuadores de dos salidas.
■ Entrada 1 (NA). Indica el estado del actuador.
■ Entrada 2 (NC). En conjunto con la entrada 1 indica el estado del actuador en los actuadores de dos entradas.
■ Permisivos (PE). Agrupa el estado de todos los permisivos del actuador, en condiciones de operacion tiene un valor de verdadero.
■ Alarmas (AI). Agrupa el estado de todos las alarmas del actuador excepto la de falla de respuesta al comando de salida, en condiciones de operacion tiene un valor de verdadero.
■ Falla de respuesta al comando de salida (FR). Se coloca en verdadero cuando hay una inconsistencia entre los comandos de salidas y las entradas.
■ Alarma general (AL). Se coloca en verdadero cuando hay una alarma o falla de la respuesta al comando de salida.
■ Borrar alarmas (BO). Restablece los valores de AI, FR y AL.
Las variables de modo, arranque manual, direccion y borrar normalmente son manipulados en la estacion de operacion o de trabajo (estacion que usa el operador para manejar el proceso). Las variables de arranque en automatico y direccion cambian de estado en la funcion de control. El valor de las entradas 1 y 2 depende directamente del estado del actuador. Las variables comando de salida, comando de salida inverso, falla de respuesta de marcha, permisivos, alarmas y alarma general son determinadas por una funcion denominada funcion estándar. La funcion estandar es intrínseca del actuador y siempre va a estar presente en el controlador independientemente del proceso. La funcion estandar se encarga de ejecutar la accion, limpiar alarmas, verificar la respuesta de marcha y desactivar el actuador cuando ocurre una alarma, una parada de emergencia o un cambio de modo. A continuacion se muestran las reglas que forman la funcion estandar expresadas en premisas logicas para un actuador tipo 1 (una entrada y una salida) con j premisas y k alarmas:
■ ((AM A -MO) V (AA A MO)) A AL A PE & CS
■ (CS A -NA) V (-CS A NA) ^ FR
■ FR V-AI ^ AL
. BO^-AL
. BO =¿> -FR
Estación de trabajo
) AM DI BO
Función de control AA DI Función estándar , NA NC Actuador
Permisivos CS ,
Alarmas ci ,
Figura 8. Flujos de las variables del actuador.
. BO ^ AI
■ MO V AL V PARADA-EMERGENCIA ^ -AM
■ -MO V AL V PARADA-EMERGENCIA ^ -AA
■ -PERMISIVO1 V ...V —PERMISIVO j & PE
■ —ALARMA1 V ...V-ALARMAK ^ AI
Algunas de las reglas varían dependiendo del tipo de actuador, la figura 8 muestra el flujo de las variables entre la funcion de control, estacion de trabajo, la funcion estandar y el actuador.
La funcion de control se disena de tal forma que la conducta del proceso sea la que se describe en filosofía de operacion, cada accion que se ejecuta depende del tipo de actuador, para los actuadores tipo 1 se ejecutan las acciones de marcha y parada, para los tipo 2 y 3 se ejecutan las acciones de abrir y cerrar o la accion de cambio de posición y para los tipo 4 se ejecutan las acciones de marcha directa, marcha inversa y parada. En la funcion de control tambien se especifican los permisivos y alarmas de cada actuador. A continuacion se muestra un ejemplo de una funcion de control para un sistema con n actuadores:
actuadori (Tipo 1):
■ condition de marcha ^ AA
■ condition de parada ^ AA
■ lista de permisivos
■ lista de alarmas
actuador2
actuador n
La condicion de marcha y la condicion de parada son variables logicas obtenidas como resultado de operaciones logicas y de comparacion que tienen como argumentos la marcacion de la red de Petri (p) y elementos del conjunto de entradas (I). Cada permisivo de la lista es una variable logica, si algun permisivo de la lista toma el valor de verdadero entonces la variable PE adquiere un valor de falso indicando que el actuador no tiene permiso. Las alarmas funcionan de forma similar, si alguna de las alarmas adquiere el valor de verdadero la variable AI toma el valor de falso, esto causa que el equipo se detenga.
En el proceso de diseño del supervisor se debe analizar el modelo de la planta para determinar estados indeseados como bloqueos (Murata, 1989; David and Alia, 2005), las propiedades de alcance y vivacidad de las redes de Petri son titiles para este fin. El analisis del modelo permite mejorar la filosofía de operacion lo que se traduce en una funcion de control mas eficiente.
Figura 10. Diagrama escalera de una transición con un lugar de entrada y un lugar de salida.
Tablai. Relación entre la red de Petri y la memoria del PLC.
Elemento de la RDP Memoria del PLC
Lugar Variable entera cuyo valor indica la cantidad de marcas actual en el lugar.
Arco Variable entera cuyo valor representa el peso del arco.
Transición Peldaño del programa que contiene instrucciones de comparacion, sumas, restas, e instrucciones de bit.
Evento El evento no tiene representacion en la memoria del controlador, sin embargo, hay una variable binaria asociada a cada transicion que indica que el evento ha ocurrido
Figura 9. a. Diagrama de clases, b. Diagrama de secuencias.
4. IMPLEMENTACION DEL SUPERVISOR
El supervisor se debe programar en un equipo de control como por ejemplo un computador personal o controlador loígico programable. En la figura 9 se muestra como se relacionan los elementos del supervisor y la conducta del mismo ante la llegada de los eventos, estos diagramas se pueden implementar en un programa orientado a objetos y ser ejecutados en un computador. En el diagrama de clases se pueden ver como atributos o metodos todos los elementos presente en la definicion del supervisor. Un objeto de la clase RdP contiene el modelo de la planta y unos de sus metodos es la funcion de control. A traves del detector de eventos entran y salen los datos del supervisor, los cuales pueden provenir de diversas fuentes tales como base de datos, manejador de comunicaciones o directamente de una red.
Es comun utilizar gráficos de funcion secuencial cuando el supervisor se implementa en un controlador logico programable (Briñksma et al., 2002; David, 1995; Hellgren, 2002), sin embargo no todos ellos cuentan con esta herramienta, por esta razon se presenta una vía para implementar el supervisor usando diagrama escalera, la mayoría de los controladores logicos programables que existen en el mercado pueden ser programados usando este lenguaje.
La tabla 1 muestra la relacion que se usa para implementar la red de Petri en el controlador logico programable. Con esta asignacion una transicion tj corresponde a un peldaño del programa escalera, el cual tendra como instrucciones de entrada tantas instrucciones de comparacion del tipo "mayor o igual que" (>) como lugares de entrada tenga la transicion, ademas una instruccion "contacto normalmente abierto" (-] [-) con la direccion del bit que indica si el evento asociado con la transicion ha ocurrido. La relacion entre las transiciones y los eventos esta indicada por la funcion e de la definicion 1. Las instrucciones de salida del peldaño del programa escalera que representa la transicion tj incluirán tantas instrucciones de resta como lugares de entradas tenga la transicion, tantas instrucciones de suma como lugares de salida tenga la transicioín y una instruccion de restablecimiento (-(R)-) para borrar el bit que indica que el evento que disparo la transicion ha ocurrido. Las instrucciones de resta eliminan tantas marcas del lugar de entrada como peso tenga el arco que lo une a la transicioín y las instrucciones de suma agregan tantas marcas al lugar de salida como peso tiene el arco que lo une a la transicion, estas operaciones se corresponde al caílculo de la marcacioín en el diagrama de secuencia de la figura 9. La figura 10 ilustra una transicion en logica escalera.
Se debe incluir en el programa escalera una rutina para la deteccion de eventos, en esta rutina se asocian los elementos del conjunto I con los elementos del conjunto £ tal como indican la funcion h. El programa tambien debe contar con una rutina en donde se ejecuta la funcion la de control y. En cada controlador puede haber mas de una red de Petri, cada una representa diferentes unidades de produccion. Todos los elementos usados para implementar el modelo de eventos discreto en el controlador logico programable (diagrama escalera, instrucciones de suma, resta, comparacion, contacto normalmente abierto y bobina de
Figura 11. Proceso de transporte de harina.
restablecer) estan contemplados en la norma IEC 61131-3 (IEC, 2003).
5. CASO DE ESTUDIO
El caso de estudio se tomoí de en una faíbrica de galletas donde se implementoí un supervisor como el propuesto, la figura 11 muestra el diagrama de proceso del sistema que tiene como objetivo transportar harina desde un silo hasta los recipientes que alimentan las líneas de fabricacion.
Para su traslado se deja caer la harina en una tubería a la que se inyecta aire con un soplador, la harina es trasladada a una tolva que alimenta a un cernidor y de allí a un ciclon para luego ser transportada por otro soplador hasta las cajas de harina. En la figura 12 se muestra el modelo de la planta.
5.1 Arquitectura de Sistema
Para manejar el sistema se cuenta con un controlador loígico programable como equipo de control, este se comunica por medio de una red serial (ethernet) a una interfaz graífica de operacion que cuenta con las siguientes funciones:
1. Seleccionar las cajas de harinas que van a ser llenadas.
Figura 12. Modelo en redes de Petri del proceso de transporte de harina.
2. Mostrar el estado de los equipos que forman parte del sistema.
3. Mostrar las alarmas.
Los motores de los sopladores M30 y M31 y el ciclon M50 son manejados con arrancadores suaves el resto de los motores son manejados con arrancadores electromecanicos a los que se
■ Condicion de marcha:
• Hay peticion de llenado y han pasado tres segundos que el extractor del filtro de la tolva superior (M33) se puso en marcha.
■ Condiciones de parada:
• No hay peticion de llenado y han transcurrido tres segundos de haberse detenido la valvula rotatoria del ciclon.
Válvula rotatoria del ciclón (M39)
■ Condiciones de marcha:
• Hay peticion de llenado y hay presion en el soplador M31.
■ Condicion de parada:
• Si no hay peticion de llenado y hace tres segundos que el ciclon (M50) se ha detenido o
• El soplador M31 esta detenido.
Ciclón (M50)
■ Condicion de marcha:
• Hay peticion de llenado y han pasado 5 segundos luego que la valvula rotativa (M39) se puso en marcha.
■ Condicion de parada:
• No hay peticion de llenado y han transcurrido tres segundos de haberse detenido el cernidor (M48) o
• La valvula rotatoria del ciclon esta parada.
Cernidor (M48)
■ Condicion de marcha:
• Hay una peticion de llenado y han transcurrido 5 segundos desde que el ciclon (M50) se ha puesto en marcha.
■ Condicion de parada:
• No hay peticion de llenado y han transcurrido 60 segundos de haberse detenido la valvula rotatoria de la tolva superior (M38) o
• El ciclon (M50) esta detenido o
• Se ha activado el interruptor de vibracion del cernidor.
Válvula rotatoria de la tolva superior (M38)
■ Condicion de marcha:
• Hay una peticion de llenado y han transcurrido tres segundos de la puesta en marcha del cernidor (M48).
■ Condicion de parada:
• No hay peticion de llenado y han transcurrido 3 segundo de haberse parado el soplador M30 o si el cernidor (M31) esta detenido.
Soplador del silo (M30)
■ Condicion de marcha:
• Hay una peticion de llenado y han pasado 3 segundo de haberse puesto en marcha la valvula rotatoria de la tolva superior (M38).
■ Condicion de parada:
• No hay peticion de llenado y pasaron 20 segundos de haberse detenido la valvula rotatoria del silo M35 o
• Tolva superior esta llena y han pasado 20 segundos de haberse parado M35.
Soplador (M21)
■ Condicion de marcha:
• Hay una peticion de marcha y han transcurrido tres segundo de haberse puesto en marcha el soplador M30.
■ Condicion de parada:
• No hay peticion de llenado y la valvula rotativa del silo (M35) esta parada o cuando la tolva superior esta llena.
Valvula rotativa del silo (M35)
■ Condiciones de marcha:
• Hay una peticion de llenado y los sopladores M30 y M21 estan en marcha.
■ Condiciones de parada:
• Han transcurrido cinco segundos despues de que cerro la valvula BFV5 y no hay peticion de llenado o
• Han transcurrido cinco segundos despues de que cerro la valvula BFV5 y se lleno la tolva superior o
• El soplador M31 esta detenido.
■ Permisivos
• 7 segundos dosificando y 7 segundos sin dosificar.
Valvula neumatica (BFV5)
■ Condiciones para abrir:
• Hay peticion de llenado y han pasado tres segundos de la puesta en marcha de la valvula rotatoria M35.
■ Condiciones para cerrar:
• No hay peticion de llenado o
• El soplador M30 esta parado.
Ademas las siguientes señales hacen que desaparezca la peticion de llenado de las cajas lo que provoca una parada secuen-cial del sistema.
■ Nivel alto en la tolva superior (HLB-17).
■ Interruptor de vibracion del cernidor (VS2).
■ Interruptor de presion de aire para instrumento del cernidor (SP-02).
■ Interruptor de alta presion del soplador M30 (HPS-30).
■ Interruptor de baja presion del soplador M30 (LPS-30).
■ Interruptor de alta presion del soplador M31 (HPS-30).
■ Interruptor de baja presion del soplador M31 (LPS-30).
■ La señal de alarma general (AL) de cualquier actuador del sistema.
5.3 Funcion de control
La funcion de control para los actuadores M35 y TSV9 se muestra en la figura 14, en ella se puede observar la estrecha relacion que existe con la filosofía de operacion, se agregaron temporizadores para lograr los tiempos de la secuencia de arranque.
Las etiquetas relacionadas con las variables de los actuado-res tienen el formato Annombredescripcion, donde n es el numero del actuador, nombre se refiere al nombre del actuador y la description esta asociada a las variables del actuador, por ejemplo la etiqueta A1_M9_AA se refiere a la variable arranque en automatico del motor M9, el cual es el primer actuador en la funcion de control.
La grafica de la figura 15 muestra la operacion de los equipos del proceso, en ella se puede observar como el sistema de control responde para mantener las tres cajas en el nivel normal, cuando una caja alcanza el nivel bajo las valvulas TSV8 y
y dinero en el desarrollo de la automatización y reconfiguración
del sistema de control en procesos industriales.
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