Artículo Científico / Scientific Paper |
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pISSN: 1390-650X / eISSN: 1390-860X |
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Gustavo Caiza 1,2,*, Marcelo García2 |
Resumen |
Abstract |
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El desarrollo de las tecnologías, los requerimientos de nuevas prestaciones y las limitantes dadas por los fabricantes de software y hardware para la automatización ha hecho que nuevos estándares sean desarrollados. El presente trabajo tiene como propósito la implantación de un sistema distribuido de bajo costo, usando la norma IEC-61499 en la estación de clasificación y manipulación del MPS-500. En estos módulos se pueden dar problemas de aplicaciones industriales reales. IEC-61499 estandariza un entorno de programación para sistemas distribuidos y tiene un alto nivel de versatilidad para el diseño de sistemas, pues combina software y hardware de manera independiente. Se utilizó el software 4DIAC y se crearon nuevos bloques de función (FB) para el control del proceso y el runtime FORTE fue ejecutado en una tarjeta Raspberry Pi. La norma IEC-61499 permite al diseñador del sistema crear un modelo de ejecución de bloques de función conducido por eventos, de esta manera, puede dar prioridad a la orden de ejecución y modificar fácilmente algún parámetro de la planta. |
The development of new technologies, requirements for new benefits and the limitations given by manufacturers of automation software and hardware have promoted the development of new standards. The aim of this paper is the implementation of low-cost distributed systems under IEC-61499 standard, and will be implemented at the classification and handling station of the FESTO MPS-500, in these modules it is possible to use practical problems of real industrial applications. The IEC-61499 standard standardizes the environment of programming for distributed systems. It has a high versatility for systems’ design because it allows the use of independent software from the hardware that is being used. In implementation the process, we used the software 4DIAC, where new function blocks (FBs) for process control were created. The FORTE runtime was executed on a raspberry Pi card. The IEC-61499 standard allows the system designer to create an event-driven function-blocks execution model, so that the designer can prioritize the execution order and easily modify some parameters of the plant.
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1Instituto de Posgrado y Educación Continua, Escuela Superior Politécnica de Chimborazo - Ecuador. Autor para correspondencia : iraricovi@unexpo.edu.ve. 2,*Carrera de Ingeniería Electrónica, Grupo de Investigación en Electrónica y Telemática (GIETEC), Universidad Politécnica Salesiana - Ecuador. Autor para correspondencia : gcaiza@ups.edu.ec. http://orcid.org/0000-0002-8227-722 3Carrera de Ingeniería Industrial en Procesos de Automatización, Universidad Técnica de Ambato - Ecuador. http://orcid.org/0000-0002-7138-3913 |
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como en hardware y, además, probar los alcances que se puede tener al utilizar el estándar. El proceso consiste en colocar una línea de clasificación final y se utiliza las estaciones del MPS-500 debido a que se puede aplicar procesos prácticos y reales de automatización industrial. Utilizando el software 4DIAC se realiza el diseño y programación de nuevos bloques de función que serán ejecutados en el runtime FORTE. Estos bloques de función son específicos para automatizar el control de sensores y actuadores de las estaciones. De esta manera, se busca tener nuevas opciones para el desarrollo de aplicaciones de control distribuido, reducir el costo de implementación y contar con sistemas flexibles y reconfigurables. El artículo está organizado de la siguiente manera: en la sección II se describe los conceptos básicos de la norma IEC-61499 y la metodología utilizada; en la sección III se muestra el diseño del sistema de control distribuido y, finalmente, en la sección IV se presentan las conclusiones. 2.1. Estándar IEC-61499 Esta norma define una metodología para el desarrollo de sistemas de control distribuidos, la arquitectura está organizada de manera jerárquica, destinada a la portabilidad, interoperabilidad, reutilización y reconfiguración de aplicaciones distribuidas, además, proporciona un modelo genérico que incluye procesos y redes de comunicación como un medio para dispositivos embebidos, recursos y aplicaciones [8]. Se puede tener varios dispositivos compatibles con la norma IEC-61499, los cuales puedan interactuar entre sí y no dependen del fabricante [7]. 2.1.1. Modelos de la norma IEC-61499 El estándar IEC 61499 define una arquitectura y unos modelos de software para el desarrollo de aplicaciones reconfigurables de control distribuido que se muestran a continuación. Modelo de recurso: Representa un entorno para la ejecución independiente de las aplicaciones. Los recursos tienen acceso a las interfaces de comunicación y proceso del dispositivo [9]. En la Figura 1 se muestran los procesos que cumple un modelo de recurso. Modelo de dispositivo: Es la parte física en la cual se va a ejecutar el programa, este dispositivo presenta sus propias características (interfaces de comunicación, periféricos de entrada y salida, etc.) de acuerdo con el fabricante. Estos dispositivos pueden ser conectados a más de un segmento ya que posee dos interfaces: la de proceso y la de comunicación [3]. Modelo de sistema: El sistema es el elemento de mayor nivel el cual engloba todos los dispositivos y apli- |
Figura 1. Modelo de recurso IEC-61499. [9]
Figura 2. Bloque de función. [2] |
Los bloques de función pueden ser de tres tipos y se detallan a continuación: Bloque de función básico: Contiene una máquina de estado que controla la ejecución interna llamada ECC. Bloque de función compuesto: Puede contener otros bloques de función, por lo tanto, los bloques de función compuesta permiten metodologías de diseño modular [10]. Bloque de función de interfaz de servicio: Es la interfaz entre las aplicaciones y el hardware de los sistemas embebidos, es decir, vincula los recursos para los subsistemas de procesos y comunicaciones [11].
2.2. Software 2.2.1. 4DIAC-IDE Es una herramienta de software que se distribuye como un conjunto de complementos para el entorno de desarrollo integrado (IDE) de eclipse. Se basa en el estándar IEC 61499-Bloques de función, el mismo que es un modelo de referencia para la automatización y control distribuido bajo licencia publica Eclipse. El objetivo de la iniciativa 4DIAC (Framework for Distributed Industrial Automation and Control) es proporcionar un estándar abierto y gratuito para la automatización y también fomentar la investigación [12]. Proporciona un entorno de ingeniería extensible sobre la base de la norma IEC-61499 para aplicaciones de control distribuido, las mismas pueden ser descargadas en dispositivos de campo que soporten esta norma y, además, permite una fácil integración de otros plugins [13].
2.2.2. FORTE El entorno de ejecución de 4DIAC-RTE, FORTE es una pequeña implementación portable de un entorno de ejecución IEC-61499. Está enfocado a pequeños dispositivos (16/32 bits) instrumentado en C++. FORTE proporciona una infraestructura de comunicación flexible a través de las llamadas capas de comunicación. Además, proporciona una arquitectura escalable que permite adaptarse al diseño de la aplicación [14].
2.3. Hardware 2.3.1. Raspberry Pi Es un pequeño ordenador de placa reducida fabricado en Reino Unido. La primera versión fue lanzada al mercado en el año 2012 con el propósito de inspirar la enseñanza de ciencias de computación [15]. La tarjeta tiene pines GPIO (General Purpose Input/Output) de entrada y salida de propósito general y mediante estos se tiene una interfaz con el mundo exterior. Estos pines son una interfaz física. Tiene 40 pines de los cuales 26 son GPIO y los otros son de |
alimentación de 3,3 V, 5 V y tierra, además, dos pines de ID EEPROM [16]. En el presente proyecto se va a utilizar la tarjeta Raspberry Pi 3B debido a sus altas y mejoradas prestaciones respecto a los modelos anteriores.
2.3.2. MPS 500 El MPS-500 (Modular Production System) es una estación de producción flexible-compatible, modular y versátil de marca FESTO. Forma la base para la formación técnica en general, utilizando problemas prácticos de aplicaciones reales. Permite la interacción de la mecánica, neumática, ingeniería eléctrica, tecnología de control y las interfaces de comunicación [17]. El módulo consta de seis estaciones como se observa en la Figura 3, cada estación es controlada por un PLC S7-300. En el proyecto se retira los dos PLC de las estaciones y se realiza el control de una aplicación real mediante la tarjeta Raspberry Pi bajo el estándar IEC-61499, y así bajar los costos de implementación de un sistema de control distribuido y ver los alcances que ofrece el estándar al ser instalado en un proceso de automatización real.
Figura 3. MPS-500. [17] Estación de manipulación. La estación es de control electroneumático y está equipada con un manipulador flexible de dos ejes («x», «y»). Este manipulador cuenta con sensores: óptico, de proximidad magnético, reflectivo y actuadores (pinzas paralelas, cilindro plano, actuador lineal horizontal). Estación de clasificación. La estación tiene tres rampas para clasificar las piezas por colores (negra, roja, plateada) y una rampa para desechar. Están presentes los sensores de retrorreflexión, de reflexión directa, inductivo y de presencia; los actuadores son el cilindro de carrera corta, el cilindro compacto, el motor dc y los desviadores.
3. Diseño del sistema de control distribuido En esta sección se muestra el diseño de la aplicación de control mediante el estándar IEC-61499, para lo cual se utiliza la estación de manipulación y clasificación. El proceso consiste en una línea de clasificación final, para ello la primera estación provee piezas al azar de color rojo, negro o plateado y las transporta hacia la |
estación de clasificación. Esta recibe las piezas y activa el sensor de presencia, el cual inicia el proceso y posteriormente los otros sensores detectan el color; cuando el color de la pieza es detectado activa los actuadores y transporta hacia las rampas seleccionas. En la Figura 4 se muestra de manera general el diseño del sistema de control distribuido.
Figura 4. Diseño del sistema de control distribuido. La aplicación fue desarrollada bajo las siguientes características: - Software de programación: 4DIAC 1.7.3 - Runtime: Forte 1.7.3 - Ordenador: Laptop / Windows 7 - Sistema embebido: Raspberry Pi 3B/Linux.
3.1. Desarrollo de bloques de función
Se realiza el desarrollo de nuevos bloques de función con el objetivo de editar y diseñar según las variables de entrada y salida que requiera el proceso. Con el diseño de nuevos FB se libera de las limitantes ya establecidas por el creador del software. Para desarrollar dichos FB se utiliza el software 4DIAC-IDE en el cual se programan utilizando un editor de lenguaje C++ y posteriormente estos archivos se enlazan con el runtime FORTE. En la Figura 5 se muestra el diagrama de bloques en el cual están los pasos para desarrollar los bloques de función.
Figura 5. Desarrollo general de bloques de función. [11] |
Figura 6. Bloque de función del sensor inductivo. |
Figura 7. Bloque de función de la estación de manipulación.
Bloque de función para controlar la estación de clasificación: Este FB sirve para crear el algoritmo que controla la estación de clasificación. El FB toma los estados de los sensores realiza el algoritmo y activa los actuadores de la estación.
- VALUE1 (BOOL). Recibe el estado del sensor asignado para realizar la clasificación de piezas. - ACT1 (BOOL). Envía el dato para activar o desactivar el actuador de la estación.
3.2. Diseño del acondicionamiento
Para realizar la etapa de acondicionamiento se revisan los voltajes y corrientes con los que trabajan los sensores, actuadores y también los pines GPIO de la tarjeta.
3.2.1. Acondicionamiento de la señal para sensores y actuadores Se tiene que los sensores del MPS 500 trabajan con un voltaje de 24 V y los pines de entrada de la Raspberry Pi aceptan un voltaje de 3,3 V. Para acondicionar la señal se utilizara el driver CNY74-4 que es un optoacoplador que consta de un led infrarrojo y un fototransistor y permite realizar el acoplamiento de tierras.
3.2.2. Acondicionamiento de la señal para actuadores
Los actuadores del MPS 500 trabajan con un voltaje de 24 V por lo cual se debe acoplar los pines de salida de la tarjeta Raspberry Pi (3,3 V). La señal para los actuadores se acondiciona con el driver L293D que es un puente H con alimentación independiente para los actuadores y permite tener el control de cuatro salidas. |
3.3. Diseño de la aplicación de control
Se realiza el diseño de la aplicación de control para cada estación y posteriormente se descarga en el runtime FORTE. Se debe configurar el sistema a utilizar y la aplicación en el software 4DIAC. Se conectan los FB de los sensores para adquirir los datos y enviar al proceso, de esta manera, el FB según el estado de las entradas y el algoritmo programado active los actuadores de la estación de manipulación como lo muestra la Figura 8.
Figura 8. Arquitectura estación de manipulación. De igual manera, se procede a enlazar los FB anteriormente diseñados para crear la aplicación de control en la estación de clasificación como lo muestra la Figura 9.
Figura 9. Arquitectura estación de clasificación. |
[10] K. Thramboulidis, S. Sierla, N. Papakonstantinou, and K. Koskinen, “An IEC 61499 based approach for distributed batch process control,” in Industrial Informatics, 2007 5th IEEE International Conference on, vol. 1. IEEE, 2007, pp. 177-182. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/INDIN.2007.4384752 [11] I. Calvo, F. Pérez, I. Etxeberria, and G. Morán, “Control communications with DDS using IEC61499 service interface function blocks,” in 2010 IEEE 15th Conference on Emerging Technologies Factory Automation (ETFA 2010), Sept 2010, pp. 1-4. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/ETFA.2010.5641207 [12] A. Zoitl, T. Strasser, and G. Ebenhofer, “Developing modular reusable iec 61499 control applications with 4diac,” in 2013 11th IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN), July 2013, pp. 358-363. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/INDIN.2013.6622910 [13] J. H. Christensen, T. Strasser, V. Vyatkin, and A. Zoitl., “The IEC 61499 Function Block Standard?: Software Tools and Runtime Platforms,” Presented at ISA Automation, 2012. [14] Eclipse. (2017) 4diac. [Online]. Available: https://goo.gl/6Z55em [15] R. P. Foundation. (2017) Raspberry pi. [Online]. Available: https://goo.gl/4QSy6Y [16] ——. (2017) Gpio: Raspberry pi 3b. [Online]. Available: https://goo.gl/ZANVso [17] Festo. (2017) MPS 500-FMS. [Online]. Available: https://goo.gl/l5qHJo
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