DESARROLLO DE UNA ESTRUCTURA CIM PARA AUTOMATIZACION DE PLANTAS INDUSTRIALES

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1 TECNIA,Vol 8 N 03, págs.11-17, 1999 Universidad Nacional de Ingeniería Lima - Perú DESARROLLO DE UNA ESTRUCTURA CIM PARA AUTOMATIZACION DE PLANTAS INDUSTRIALES Primera Etapa: Implementación del Bus de Comunicaciones Javier G. Donayre Sánchez, Dipl.-Ing. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Sección de Post Grado RESUMEN La arquitectura CIM - Computer Integrated Manufacturing es empleada como un modelo para la descripción e implementación de las fábricas completamente automatizadas. La arquitectura por capas del CIM permite la implementación en forma modular de los diferentes procesos de producción. Este trabajo incluye inicialmente el desarrollo de un sistema distribuido ubicado en el nivel de producción (planta) de la pirámide CIM. Este nivel esta conformado por todas las máquinas, sensores, actuadores, procesadores etc., que intervienen en el proceso productivo, los cuales serán enlazados mediante un medio de comunicación (Field Bus) por donde los datos serán enviados, de acuerdo a un protocolo de comunicación industrial tal como el protocolo CAN Controller Area Network. ABSTRACT INTRODUCCION La comunicación, en general, es un campo de gran importancia para la realización del intercambio de información, que se realiza no sólo entre humanos sino también entre máquinas. Por otro lado, los sistemas automáticos modernos se caracterizan por su inteligencia, elevada productividad y eficiencia, buen control de calidad, y aprovechamiento al máximo de los recursos que emplean. Estas cualidades se logran uniendo entre sí a todas las máquinas y/o sistemas que intervienen en un proceso productivo, mediante elementos que permiten

2 una buena comunicación o transferencia de información entre ellos. Esta transferencia de información debe cumplir ciertas exigencias para poder obtener una transmisión de datos segura, ágil, rápida y confiable. El intercambio de información del proceso productivo con la información de las decisiones tomadas en la gerencia, logística, planeamiento de producción, control de calidad e investigación y desarrollo, brinda la base para el desarrollo de la arquitectura "CIM Computer Integrated Manufacturing" (Manufactura integrada a la Computadora), que consta de diferentes niveles con características propias, como son por ejemplo el CAM (Computer Aided Manufacturing), CAD (Computer Aided Design), CAQ (Computer Aided Quality) etc. La base de la pirámide CIM la conforma la planta, que es el nivel donde se realiza el proceso de producción. Debido a las características que posee la comunicación en el nivel de planta, donde las exigencias en la seguridad y robustez de la transmisión de datos son bien grandes, es de suma importancia la adecuada selección del medio de transmisión y del protocolo de comunicación que permita cubrir estas exigencias. Fig. 1: Nivel de Planta (Producción) Para el desarrollo del sistema distribuido para la planta, que es materia de este trabajo, se seleccionó como medio de comunicación al bus CAN, por ser uno de los buses que reúne las mejores cualidades dentro de los buses de campo. EL BUS CAN El bus CAN es un bus de comunicación serial de datos, empleado para su aplicación en sistemas distribuidos en tiempo real. Originalmente el bus CAN fue desarrollado para aplicaciones en la industria automotriz, pero debido a sus características, robustez y excelente relación costo/performance, CAN fue adoptado para aplicaciones industriales y de control, ya sea como protocolo en aplicaciones de bus de campo o de bus sensor/actuador. El protocolo de comunicación CAN fue especificado originalmente por la compañía alemana Robert Bosch

3 GmbH para aplicaciones críticas en tiempo real. Entre 1993/94 CAN fue aceptado como un estándar mundial por la International Standardization Organization ISO, definiéndose las capas ISO-OSI 1 y 2. De acuerdo al estándar ISO, la "CAN Specification Version 2.0" [3] sirve actualmente como base para las diferentes implementaciones con CAN. La Parte A de estas especificaciones, describe el formato del mensaje con su identificador de 11 bits llamado "Standard CAN". La Parte B describe los formatos de mensaje del Standard y del "Extended CAN" con su identificador de 29 bits. Para poder armonizar y reglamentar las especificaciones del bus CAN para la comunicación entre los diferentes componentes empleados en la automatización industrial, se creó en el año 1992 el club de usuarios CiA - "CAN in Automation", cuyo objetivo principal es mantener al bus CAN como un sistema abierto (Open System), facilitando la intercomunicación entre sistemas abiertos no propietarios. Antes del CAN, la mayoría de los protocolos en tiempo real estaban basados en el principio de las postas (Token), es decir, un procesador tiene el derecho de transmitir datos por la red, cuando éste recibe el token. Después de haber finalizado la transmisión (o lo más usual, después de un tiempo límite), el token deberá ser entregado a otro procesador. Este token es pasado a todas las estaciones existentes a manera de un anillo lógico. El comportamiento en tiempo real para los protocolos basados en el método anterior (token passing) no es generalmente muy bueno, pues cuando un procesador tiene que enviar un dato muy urgente, deberá esperar hasta que le toque su turno con el token, y esto puede tomar mucho tiempo. Este tiempo de espera puede ser muy grande debido a que cada estación del sistema tiene derecho a permanecer con el token un período determinado de tiempo, a pesar que sólo esta enviando mensajes que no son urgentes. Por este motivo, la transmisión de los mensajes urgentes será retardada por los mensajes que no son urgentes, lo que reduce la característica de tiempo real del protocolo. Una manera de mejorar esta característica sería reduciendo, para cada procesador, el tiempo de posesión del token. Sin embargo, el efecto secundario de realizar esta medida, es que la proporción del tiempo de utilización del bus usado para pasar el token aumenta, mientras que el ancho de banda disponible para el envío de mensajes disminuye; esto afecta otra vez el comportamiento en tiempo real del sistema. El método empleado por el protocolo CAN es diferente. Este método asocia cada mensaje a ser enviado, con una prioridad determinada y usa un mecanismo especial de arbitraje para asegurar que el mensaje de mayor prioridad sea el mensaje transmitido. La prioridad de un mensaje es un número único y puede ser usado como el identificador del mensaje. Es por eso, que a la prioridad se le denomina también identificador del mensaje. EL PROTOCOLO CAN El bus CAN puede tener una cantidad arbitraria de estaciones conectadas al bus (una estación es un

4 microprocesador más un controlador especial que comunica al procesador con el bus y viceversa). Cada estación posee una pila de mensajes, ordenadas por prioridad, que deben ser transmitidas. Mientras el bus esta ocupado, es decir, una estación se encuentra enviando mensajes, las demás estaciones están en estado de espera. Tan pronto como el bus se encuentre libre, todas las estaciones que deseen enviar mensajes entran en el algoritmo de arbitraje del CAN. Cada estación empieza a transmitir la prioridad del mensaje con mayor prioridad, desde el bit más significante hasta el bit menos significante. Todas las estaciones arrancan la transmisión de las prioridades en el mismo instante, produciéndose una "ensalada" en el bus. Pero el bus tiene algunas propiedades eléctricas interesantes. Si una estación cualquiera transmite un bit 0, entonces el estado del bus será 0, sin interesar lo que otras estaciones transmitan. El estado del bus sólo será 1, si todas las estaciones transmiten un 1. Es como si el bus tuviese el comportamiento de una compuerta lógica AND gigante. Debido a este comportamiento, los 0 s son denominados bits dominantes y los 1 s son llamados bits recesivos. Cada estación verifica el estado del bus durante la transmisión. Si una estación transmite un 1 y al momento de verificar el bus obtiene un 0, entonces detecta "una colisión" y deja de transmitir; pues el protocolo de arbitraje dice que la estación que detecte una colisión debe "salirse" del bus. Debido a que los mensajes son transmitidos enviando primero los bits más significantes, la estación que detecte una colisión no tendrá el mensaje con mayor prioridad, y por lo tanto, deberá esperar hasta que el bus quede libre y participar otra vez en el proceso de arbitraje. Luego de haberse transmitido la prioridad y finalizarse el arbitraje, se transmite el resto del mensaje. Un mensaje CAN contiene varios campos, uno de ellos es el que ya se ha mencionado y se le denomina "Identifier Field", consiste en 11 bits (standard) o 29 bits (Extended). El campo que contiene a la data del mensaje contiene entre 0 y 8 bytes. Finalmente hay otros campos como el CRC, que verifica si el mensaje esta correcto y no ha variado (mensaje corrupto). Un mensaje CAN tiene 47 bits de cabecera y entre 0 y 64 bits de data. CAN tiene un marcador, conformado por una secuencia especial de bits, que le indica a todas las estaciones que se ha producido un error. Esta secuencia consiste en el envío de 6 bits iguales en una hilera: o Debido a esto, se deberá asegurar que el formato de la secuencia de bits de un mensaje no contenga accidentalmente dicha secuencia. Para asegurar que esto no ocurra, el protocolo agrega automáticamente un bit contrario, cuando se transmite una secuencia de 5 bits del mismo valor (bitstuff). Por ejemplo, si dentro de la cadena de bits se tiene , entonces se tendrá luego del proceso de agregar un bit, la secuencia Los controladores que están recibiendo el mensaje le quitan automáticamente este bit, de manera que la información al final se mantiene inalterable. ESTACIONES REMOTAS SLIO Tradicionalmente CAN fue diseñado para la comunicación entre varios aparatos basados en microcontroladores. Para extender el empleo del bus CAN se tienen actualmente a disposición los llamados módulos SLIO, los cuales son controladores dedicados que actúan como interfaces de entrada y salida en una red CAN y pueden enviar y recibir mensajes sin necesidad de contar con un microcontrolador. Esta información puede provenir de las entradas y salidas digitales, así como también de los valores de las entradas análogas que

5 están integradas en estos chips. Estos integrados son relativamente económicos y se emplean para realizar mediciones y control digital a distancia en un sistema de control. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO EMPLEADO Para la realización de este proyecto se cuenta con un sistema que consta de los siguientes componentes: 1 tarjeta con un microcontrolador que tiene un bus CAN integrado. 1 tarjeta con un módulo SLIO 1 interfaz con el protocolo CAN para la PC que se conecta al puerto paralelo El microcontrolador es de la empresa SIEMENS SAB C515C de la familia 8051 de 10 MHz, con 128 KB de memoria Flash y 32 KB de memoria RAM. El modulo SLIO esta basado en el controlador 80C505C.Este posee hasta 12 líneas de entrada/salida digital configurables y hasta 4 entradas análogas, 32 Kbyte RAM, 32 Kbyte Flash, 2 Kbyte EEPROM serial. Fig. 2: Equipo empleado IMPLEMENTACION DEL BUS DE COMUNICACIONES Inicialmente se le debe asignar un número de identificación a cada componente que va a participar en la comunicación a través del bus CAN. Este número está estrechamente ligado a la prioridad que debe tener el

6 componente respectivo. Luego se fijará a la PC como Master del sistema y al microcontrolador y al SLIO como Slaves. El SLIO va a estar asignado a la PC. En caso de que por alguna razón la PC tenga algún inconveniente, el microcontrolador tomará el mando del sistema como nuevo Master (esto es posible gracias a la capacidad que posee el protocolo CAN de ser un bus multimaster), en este caso el microcontrolador tomará el comando del SLIO. Después de un Reset y de la fase de inicialización del sistema, éste se encontrará en el estado Preoperacional. Mediante un sólo telegrama broadcast (Start-Remote_Mode), el sistema arranca y adquiere el estado Operacional. Para detener el sistema es necesario enviar el telegrama Enter_Pre_operational_State, con lo que el sistema adquiere el estado Preoperacional y todos los parámetros se mantendrán en su valor sin alterarse. La organización de los datos para la comunicación se realiza mediante el software que corre en las PCs y en los microcontroladores (en nuestro caso, una PC y un microcontrolador). El programa de la PC realiza la configuración inicial del sistema y se encarga de la administración de la misma. Para la realización del software de la PC se eligió el lenguaje de programación DELPHI, mientras que la programación del microcontrolador se realiza con el lenguaje C (para microcon-troladores de la familia 8051), programándose las rutinas más críticas con Assembler. APLICACIÓN: SUPERVISIÓN DE PROCESOS Una de las tareas más comunes en la automatización industrial es la supervisión de procesos, que comprende la parametrización y adquisición de datos, visualización, documentación y alarma de los sistemas que integran el proceso productivo. Para este tipo de aplicaciones se tiene una computadora central, en donde se almacenan todos los datos relevantes que provienen de los sistemas de adquisición de datos, integrados en cada proceso productivo, los cuales a través de un software se procesan de acuerdo a ciertas exigencias. En nuestro caso, a la PC la tomamos como la computadora central. Para otras aplicaciones, a esta PC la podemos conectar con otras PCs vía Ethernet, de manera que los datos puedan seguir viajando hacia otros departamentos de la empresa; p.e. administración, control de calidad, etc.). En nuestra configuración, a la PC no solamente se administra la comunicación con los demás elementos del bus, sino también se realiza la visualización, almacenamiento y procesamiento de los datos adquiridos. El microcontrolador está a cargo del control de un proceso y a la vez envía datos importantes de este proceso a la PC. El SLIO se encarga de enviar datos relevantes de otro proceso. Cada uno de estos elementos trabajan independientemente, de manera que se pueden conectar más microcontroladores y/o SLIOs al bus sin necesidad de tener que reinicializar todo el sistema. La distancia entre la PC y el elemento más alejado que se puede conectar al bus es de más de 1000 metros. De esta forma se tiene un sistema abierto y flexible, y que trabaja en tiempo real; al cual se le pueden agregar los

7 elementos necesarios para la realización de una automatización gradual. CONCLUSIONES La empresa peruana requiere de sistemas automáticos que le ayuden a aumentar su producción, reducir costos y mejorar la calidad, de manera que pueda ser competitiva en esta era de la globalización. La ejecución de esta primera parte del proyecto sobre la base de la arquitectura CIM, que es la arquitectura más empleada en los países industrializados, nos ha permitido adquirir el Know-How para la realización de sistemas más complejos a desarrollarse en este campo; así como también nos permitirá emplearlo en el desarrollo posterior de diferentes proyectos de automatización empleando esta tecnología: plantas químicas, metalúrgicas, petroleras, procesos de producción, etc. Con esto se puede bajar a costos razonables el diseño, adquisición, reparación y mantenimiento de estos sistemas, lográndose que no sólo las grandes empresas tengan acceso a la tecnología moderna, sino que también, la pequeña y mediana empresa resulten beneficiadas al poder contar con esta tecnología. REFERENCIAS [1] International Standard ISO " Road vehicles - Interchange of digital information - Controller area network (CAN) for high speed communication" ISO Reference number ISO 11898:1993(E), First edition [2] International Standard ISO "Road vehicles - Low-speed serial data communication - Part 2: Low-speed controller area network (CAN)" ISO Reference number ISO 115-2:1994(E), First edition [3] "CAN Specification Version 2.0" 1991 Philips Semiconductors Unternehmensbereich der Philips GmbH Burchardstrasse 19, D Hamburg, Germany [4] W. Lawrenz et al.: "CAN Controller Area Network, Grundlagen und Praxis" Hüthig Verlag, 1994, ISBN [5] K. Etschberger et al.: "CAN Controller-Area-Network, Grundlagen, Protokolle, Bausteine, Anwendungen" Carl Hanser Verlag München Wien, 1994, ISBN [6] CiA: CAN in Automation e.v. Users Group+Am Weichselgarten 25, D Erlangen, Germany [7] W. Lawrenz: "Network Application Layer"+SAE Detroit, February/March 1994, Paper [8] W. Lawrenz: "Networked Systems: High Level Design and Test Philosophy and Tools" SAE Detroit, February/March 1995, Paper Para mayores referencias diríjase a la siguiente dirección

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