CONTROL SUPERVISORIO DE UN ROBOT MANIPULADOR INDUSTRIAL MITSUBISHI MELFA UTILIZANDO LA PLATAFORMA LABVIEW
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- Agustín Franco Vázquez
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1 CONTROL SUPERVISORIO DE UN ROBOT MANIPULADOR INDUSTRIAL MITSUBISHI MELFA UTILIZANDO LA PLATAFORMA LABVIEW DIEGO FERNANDO QUINTANA PEÑA PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRONICA BOGOTÁ DC. 2011
2 CONTROL SUPERVISORIO DE UN ROBOT MANIPULADOR INDUSTRIAL MITSUBISHI MELFA UTILIZANDO LA PLATAFORMA LABVIEW DIEGO FERNANDO QUINTANA PEÑA TRABAJO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TITULO DE INGENIERO ELECTRONICO DIRECTOR SERGIO RAMIRO GONZALEZ BAUTISTA I.E. PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRONICA BOGOTÁ DC
3 PONTIFICIA UNIVERSIDAD JAVERIANA FACULTAD DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA ELECTRONICA RECTOR MAGNÍFICO: JOAQUIN EMILIO SANCHEZ GARCIA, S.J. DECANO ACADÉMICO: Ing. FRANCISCO JAVIER REBOLLEDO MUÑOZ DECANO DEL MEDIO UNIVERSITARIO: P. SERGIO BERNAL RESTREPO, S.J. DIRECTOR DE CARRERA: Ing. JUAN MANUEL CRUZ BOHORQUEZ M.Sc. DIRECTOR DEL PROYECTO: Ing. SERGIO RAMIRO GONZALEZ BAUTISTA M.Sc(C). 3
4 CONTENIDO 1 INTRODUCCIÓN MARCO TEÓRICO FMS Sistema de Manufactura Flexible Robot industrial Robot MELFA serie RV-2A Controlador CR Protocolo comunicación TCP/IP LabVIEW Instrumentos virtuales Comunicación de datos Enlace con bases de datos DESCRIPCION GENERAL Y ESPECIFICACIONES Apariencia de la herramienta Sistema de alarmas Base de datos Programa robot DESARROLLOS Definición de protocolos de comunicación Establecimiento de Comunicación Diseño servidor y cliente en LabVIEW Comunicación TCP/IP servidor LabVIEW Cliente robot Melfa Definición tareas y código de instrucciones Lectura y envío de instrucciones Lectura de sensores de la estación de trabajo y configuración de alarmas Configuración programa Robot Establecimiento de comunicación y lectura de instrucciones Configuración tareas HMI Aplicación Establecimiento del enlace Selección de instrucción Envío de instrucción y recepción respuesta robot Análisis respuesta Conexión base de datos..55 4
5 4.9 Mejoras a la aplicación Herramienta principal LabVIEW Programa robot ANÁLISIS DE RESULTADOS Pruebas realizadas Proceso y tiempo de conexión Tiempo ejecución de tareas Generación de alarmas Alcances de operación 63 6 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 65 7 BIBLIOGRAFIA ANEXOS 69 5
6 [Figura 1] [Figura 2] [Figura 3] [Figura 4] [Figura 5] [Figura 6] [Figura 7] [Figura 8] [Figura 9] [Figura 10] [Figura 11] [Figura 12] [Figura 13] [Figura 14] [Figura 15] [Figura 16] [Figura 17] [Figura 18] [Figura 19] [Figura 20] [Figura 21] [Figura 22] [Figura 23] [Figura 24] [Figura 25] [Figura 26] [Figura 27] [Figura 28] [Figura 29] [Figura 30] [Figura 31] [Figura 32] [Figura 33] [Figura 34] INDICE FIGURAS Interfaz usuario Herramienta LabVIEW FMS de Pontificia Universidad Javeriana.. 14 Especificaciones técnicas controlador CR Comandos Melfa BasicIV para comunicación...19 Modelo OSI 21 Modelo OSI, proceso de comunicación..22 Modelo TCP/IP...23 Panel frontal instrumento virtual...24 Código fuente instrumento virtual Funciones para comunicación protocolo TCP/IP LabVIEW...25 Funciones Database Connectivity Toolkit..26 Proceso modificación base de datos...27 Diagrama de bloques de herramienta principal LabVIEW.. 28 Diagrama de bloques programa robot Ventana principal 28 Base de datos..29 Metodología del proyecto...32 Topología de red FMS Posibilidades de comunicación robot...33 Modelo cliente 34 Modelo de comunicación Servidor/cliente Verificación de conexión en red...36 Base de cliente LabVIEW Base de servidor LabVIEW Programa cliente para comunicación en robot 39 Servidor comunicación con robot...39 Estación robot...40 Secuencia de programa en robot lectura instrucciones e instrumento virtual Diagrama de flujo ejecución de alarmas.44 Establecimiento de comunicación y recepción de instrucciones 45 Movimiento pallet...46 Movimiento de barras. 48 Movimiento de cilindros. 49 Movimiento de botellas..50 6
7 [Figura 35] Lista tareas posible [Figura 36] Status celda de trabajo [Figura 37] Diagrama en bloques herramienta principal LabVIEW [Figura 38] Establecimiento del enlace.53 [Figura 39] Selección de instrucción...54 [Figura 40] Envío de instrucción y recepción respuesta robot [Figura 41] Análisis de respuesta...54 [Figura 42] VI Database...55 [Figura 43] Entradas VI Database...56 [Figura 44] Mejoras selección y envío de instrucción [Figura 45] Mejoras bloque lectura, generación de alarmas y control de escritura base de datos...57 [Figura 46] Captura Wireshark - conexión.60 [Figura 47] Registro movimiento de pallet base de datos [Figura 48] Registro movimiento de barras base de datos [Figura 49] Registro movimiento de cilindros base de datos [Figura 50] Registro movimiento proceso análisis cilindros base de datos [Figura 51] Case análisis de alarma base de datos 63 [Figura 52] Registro alarmas base de datos...63 [Figura 53] Prueba tiempo de utilización de la aplicación
8 [Tabla 1] [Tabla 2] [Tabla 3] [Tabla 4] [Tabla 5] TABLAS Parámetros a configurar para comunicación DL Parámetros configurados en controlador 36 Definición de instrucciones...38 Señales de sensores en el controlador CR Código de alarmas..41 8
9 1 INTRODUCCIÓN La Pontificia Universidad Javeriana dispone del Centro Tecnológico de Automatización Industrial (CTAI) 1. Espacio con los suficientes recursos para el estudio de procesos industriales y manufactura. En su interior, CTAI cuenta con diferentes estaciones de trabajo que abarcan diferentes escenarios posibles en el área de la automatización, manufactura y la producción. En especial, dispone de una celda de manufactura integrada por un almacén de materia prima y producto terminado, una estación de mecanizado, una banda transportadora y un robot manipulador industrial fabricación Japonesa Mitsubishi MELFA serie RV-2A. El control se lleva a cabo desde un SCADA configurado en una estación central mediante un software especializado, COSIMIR CONTROL, llevando un control supervisorio de manufactura. Software propietario con limitaciones al integrar nuevas aplicaciones lo cual limita la flexibilidad de un sistema de manufactura. Por esta razón, en proyectos anteriores se han desarrollado aplicaciones por medio de herramientas flexibles para el control de la celda. Trabajos de grado como Control de un almacén de AS/RS 2 desarrollado en una herramienta gráfica para pruebas y control por el ingeniero Christian Camilo Vallejo Castañeda y Control supervisorio de una banda transportadora en LABVIEW por el ingeniero Oscar David Forero Martínez, desarrollaron aplicaciones para el almacén y la banda transportadora respectivamente a través de LabVIEW por su programación grafica, funciones para comunicación y la posibilidad de integración de nuevas tecnologías de diferentes fabricantes. La siguiente etapa en este proceso es la realización de una herramienta para el establecimiento de las tareas del robot. Este proyecto tiene como objetivo general diseñar un sistema de control supervisorio de el robot industrial mediante la plataforma LabVIEW, para esto se definen tres objetivos específicos como metas para su desarrollo: - Generar la comunicación de un robot manipulador industrial fabricación Japonesa Mitsubishi MELFA serie RV-2A y una plataforma de simulación en LabVIEW. - Desarrollar una interfaz grafica de usuario en LabVIEW para la supervisión y control del robot. - Establecer las tareas de manipulación de material propias del robot. Los diferentes desarrollos llevados a cabo para alcanzar cada uno de estos objetivos se muestran detalladamente en el capitulo Desarrollos de este documento. Como premisa del proyecto del proyecto es necesaria la posibilidad de incluir nuevas tareas por parte del robot ya que CTAI adquiere nuevas estaciones además de tipos de materiales para ser transportados. 1 En este punto y en todo el documento se hará referencia a las siglas CTAI como Centro Tecnológico de Automatización Industrial 2 AS/RS Automated Storage and Retrieval System o sistemas de almacenamiento/recuperación automáticos. Sistemas de almacenamiento automatico donde la funcion del operador es minima o casi nula[16]. 9
10 Para el diseño de la aplicación fue necesario llevar tanto los desarrollos de una herramienta principal en LabVIEW como un programa almacenado en el robot, los cuales al ser ejecutados conjuntamente, permiten la realización de tareas de manipulación de material por parte del robot. Además, la posibilidad de tener información sobre el material disponible para ser transportado y el almacenamiento de las tareas ejecutadas en una base de datos a disposición del operador, es decir la generación de históricos de operación importante en un control de carácter supervisorio. La totalidad de la herramienta principal se llevó a cabo en LabVIEW 9.0, el cual la universidad cuenta con licencia. Se diseñó una interfaz a usuario de fácil ejecución por parte de un operario [figura 1] en donde se observan las posibilidades de movimientos con la aplicación, al igual salidas de interés como el numero de tarea realizado y el tiempo de ejecución de cierta tarea. [Figura 1] Interfaz usuario Herramienta LabVIEW Por su parte, en el robot fue desarrollado un programa en su propio lenguaje de programación para uso exclusivo con la aplicación, el cual según instrucciones enviadas desde la estación base llevarían al robot a la ejecución de una serie de movimientos para cumplir con la totalidad de tareas. Lo anterior después de haber sido establecida la comunicación mediante un protocolo de comunicaciones entre aplicación y robot, y haciendo uso de una conexión física existente con el controlador del robot. Comunicación seleccionada después de el análisis de las posibles vías de comunicación entre las partes. Después de todos los desarrollos fue necesario el análisis de los resultados obtenidos y así llevar el proyecto a unas conclusiones. Los resultados se evidencian en pruebas finales de funcionamiento de la 10
11 aplicación en conjunto con el desarrollo de las tareas por parte del robot, que se discuten en capítulos posteriores en el documento. 11
12 2. MARCO TEÓRICO Como marco teórico de este proyecto es necesario el conocimiento de conceptos previos como Sistema de Manufactura Flexible, sus componentes y similitud con el que cuenta el CTAI; robótica industrial y características importantes en el robot utilizado en este trabajo, comunicación vía protocolo TCP/IP y finalmente LabVIEW, sus características y funciones para el desarrollo de la aplicación principal. 2.1 FMS Sistema de Manufactura Flexible Un sistema de manufactura flexible (FMS, por su sigla en ingles) es una celda mecanizada altamente automatizada, la cual la compone un grupo de estaciones de trabajo como maquinas CNC 3, sistemas de manejo de material y sistemas de almacenamiento y ensamble, controlados por una estación central de computo. Sistema interconectado con la finalidad de una producción de partes o productos dentro de un rango de estilos, tamaños y procesamientos. Hay diferentes requerimientos que debe cumplir un sistema para ser catalogado como flexible. Como primero debe tener la capacidad de hacer un seguimiento del producto distinguiendo entre los diferentes estilos de productos procesados por la celda, segundo permitir un rápido cambio de instrucciones de operación y por ultimo permitir el cambio en una configuración física como la adquisición de nuevas estaciones de trabajo. Un FMS es entonces el conjunto de soluciones tanto de maquinaria como software para incrementar la flexibilidad a través del uso adecuado de sus diferentes componentes. Un FMS básicamente se compone de cuatro partes: - Estaciones de trabajo: Se encuentran las maquinas usadas para el procesamiento o ensamblaje dependiendo del tipo de trabajo llevado a acabo por el sistema. Un ejemplo las maquinas CNC. - Manejo de material y sistema de almacenamiento: Compuesto por diferentes estaciones las cuales llevan a cabo funciones como el transporte de material entre las estaciones de trabajo, el almacenamiento de material para ser procesado, o en tiempo de espera para ello como un almacenamiento temporal, entre otros. Entre estos sobresalen las bandas transportadoras y los robots manipuladores industriales. - Sistema de control por computadora: Consiste en un computador central interconectado con las estaciones de trabajo, sistemas de manejo de material y almacenamiento y otros componentes 3 CNC computer numerical control hace referencia a maquinas las cuales los movimientos de la herramienta u otro equipamiento son controlados por programas que contienen datos alphanumericos[1]. 12
13 - hardware de la celda, controlando los sistemas individualmente. Además coordina las actividades de los diferentes componentes para alcanzar los objetivos de la producción. Entre sus funciones sobresalen: o Control de las estaciones de trabajo o Control de las instrucciones a las estaciones de trabajo o Control de producción o Control de trafico o Monitoreo de la pieza de trabajo Recursos humanos: Aunque un FMS es altamente automatizada, se necesita de personal para el manejo y operar los sistemas. Funciones como por ejemplo, descarga de piezas finalizadas del sistema o el cambio y la instalación de herramientas.[1] El FMS del CTAI esta ubicado en la sala CIM 4, espacio a disposición de los estudiantes y la comunidad para temas relacionados con la automatización industrial como el control de procesos industriales. Cuenta con cuatro estaciones que llevan a cabo un proceso de mecanizado de piezas cilíndricas por medio de una maquina de torneado de control numérico. Las estaciones se pueden observar en la [figura 2]. - Almacén de materia prima y producto terminado (AS/RS): Sistema de almacenamiento automático adquirido a la empresa FESTO, el cual cuenta con 40 contenedores los cuales un brazo robótico tiene la capacidad de recoger o entrega de productos sobre una banda transportadora próximo a este. Cada uno de los productos almacenados se encuentra ubicado sobre un pallet el cual permite al brazo mecánico llevar a cabo la recolección, además permite el transporte de este en la banda transportadora, próxima estación en el FMS. - Banda transportadora: Tiene una forma rectangular y cumple la función del transporte de material desde el almacén hacia el centro de mecanizado, y viceversa. Para el control de trafico y la operación conjunta con las estaciones próximas posee actuadores electro-neumáticos los cuales detienen los carriers 5 en cada una de las 4 estaciones que posee. 4 CIM Computer integrated manufacturing o manufactura integrada por computador 5 Los Carriers son los carritos o transportadores de las piezas a procesar en el sistema, éstos viajan por toda la banda transportadora; actualmente existen 8 carriers. 13
14 [Figura 2] FMS de Pontificia Universidad Javeriana - Robot manipulador industrial: Cumple funciones de manejo de materia prima para ser procesado por el centro de mecanizado alimentando el torno y así terminar con un proceso de manufactura. Siguiendo en el proceso, devuelve la pieza terminada a la banda transportadora para que esta lleve el producto terminado a ser almacenado terminando con el proceso. - Centro de mecanizado: Lo comprende un torno de control numérico, el cual una vez alimentado por el robot industrial por la materia prima determinada, realiza un proceso de mecanizado dando una pieza terminada. - Estación de control central: Computador conectado al sistema de manufactura el cual se le fue instalado un software para el control de esta, llevando un control de cada uno de las estaciones y además la posibilidad de configurar diferentes planes de proceso para ser ejecutados por el FMS. El software es un SCADA configurado en COSIMIR CONTROL 14
15 2.2 Robot industrial Actualmente el uso de robots manipuladores es cada vez mas común en tareas repetitivas que necesitan fuerza y precisión, siendo un actor principal en el área de automatización industrial. los avances tecnológicos de los últimos años, la computadora y las capacidades de procesamiento cada vez mayores de los microprocesadores han constituido en factores importantes para su avance[2]. Básicamente el sistema de robot industrial lo comprenden: Manipulador: Conjunto de articulaciones mecánicas, actuadores y sensores de posición, es decir el conjunto de partes que componen el brazo robotico. Herramienta de producción: Efector final el cual define la utilidad del robot. Según el método de sujeción se definen tres grupos: o Sujeción mecánica: pinzas de dos o mas dedos los cuales tienen posibilidad de apertura y cierre. o Sujeción por contacto: por succión, atracción magnética o materiales adhesivos en sus terminales. o Sujeción por enganche: palas o ganchos diseñados según objeto. Fuente de potencia: Unidad que alimenta los motores que actúan. Tipo eléctrico, neumático o hidráulico. Controlador: Recibe señales de sensores de posición existentes y lleva a cabo el control de los diferentes actuadores para una ejecución de tareas programadas. Control de enseñanza (teach-pendant): Dispositivo mediante el cual se puede llevar a cabo la enseñanza de posiciones, así como acceso de comandos, ejecución de programas y edición de estos.[3] Robot MELFA serie RV-2A. En el CTAI de la Universidad Javeriana se cuenta con un robot manipulador fabricación japonesa Mitsubishi modelo MELFA serie RV-2A parte de el sistema de manufactura flexible. El robot cuenta con seis grados de libertad, una capacidad de carga máxima útil de 1 kg y una precisión +/- 0.02mm. Como herramienta de producción utiliza el método de sujeción mecánica mediante una pinza de funcionamiento electro-neumático instalada. Conectado a su propio controlador modelo CR1 y su respectivo teachpendant para el control de movimientos, almacenamiento de posiciones y ejecución de programas[6]. 15
16 Posee un lenguaje de programación propio llamado MELFA-BASICIV por su similitud con el conocido BASIC, por lo que no es una tarea difícil el aprender de este. Al igual que otro lenguaje propio MOVEMASTER COMMAND bastantes similares entre si Controlador CR1 El robot manipulador para su funcionamiento cuenta con un controlador serie CR1 de su mismo fabricante, el cual cumple funciones de fuente de poder, CPU y controla los diferentes movimientos de sus junturas para la ejecución de un desplazamiento, a través de cada uno de sus módulos en su interior. Entre las facilidades para su operación, a disposición de los usuarios se cuenta con capacidades de memoria de hasta 88 programas, un numero máximo de tareas simultaneas de 32 y la posibilidades de comunicación con periféricos como sensores y PC`s a través de sus puertos de comunicación. El controlador dispone de puertos de comunicaciones instalados previamente por el fabricante para posibilidades de comunicación con este. En la [Figura 3] se puede observar la disponibilidad de una interfaz RS-232 para comunicación con un PC. Igualmente 16 señales de entrada y 16 señales de salida para propósito general mediante un conector DB32 y como tercera opción, el espacio para instalación de tarjetas. [Figura 3] Especificaciones técnicas controlador CR1[6] Entre sus opciones, Mitsubishi permite la posibilidad de adquirir tarjetas para la configuración de redes según las aplicaciones en industria. Las posibilidades que brinda son las siguientes: o Ethernet: tarjeta para comunicación usando protocolo TCP/IP de alta velocidad para establecer comunicación entre robot y PC`s o sensores. 16
17 o o CC-link: a partir de esta opción se pueden obtener un gran numero de entradas/salidas virtuales para comunicación con un PLC. Profibus/DP: para aplicaciones particulares donde el factor tiempo es un factor critico. CTAI instaló una tarjeta Ethernet para comunicación vía TCP, por lo tanto la comunicación con el robot es posible a través de el modulo adquirido de fabrica RS232 para interfaz con computadores personales, el uso de las señales entrada/salida o el modulo extra Ethernet. El proceso de análisis para determinar el medio físico a comunicarse con el controlador se explica de manera detallada en el capitulo de desarrollos de este documento. Como punto de referencia el manual de operación e instrucciones adquirido con el modulo Ethernet [7] se dispone de funciones especializadas para aplicaciones con computadores personales mediante tres Modos de Comunicación, los cuales varían dependiendo el tipo de información que se desea enviar y/o recibir y la forma de acceder a esta información, es decir los fines de la aplicación desarrollada. Para la ejecución de sus tareas, la programación previa de estas se hace mediante su propio lenguaje a través de comandos MELFA BASICIV, lenguaje con un amplio directorio de instrucciones a partir de las cuales se pueden realizar tareas como movimiento del robot, programación de rutinas y comunicación mediante señales de entrada y salida o variables cuyo dato puede ser enviado a través de uno de sus puertos. En particular, las posibilidades de comunicación del controlador permiten tener la posibilidad de sumar funciones de red al robot, como por ejemplo el control de este a través de un puerto de comunicación. - Lenguaje MELFA BASICIV Los movimientos de los robots fabricación Mitsubishi son controlados en programas escritos en su lenguaje de programación propio. Las comandos conocidos y demás adicionales propias para el manejo del robot constituyen un lenguaje con suficientes instrucciones para realizar complejas tareas. Para la escritura de un programa se debe seguir determinado orden, lo que constituye su estructura. En [3] se definen ciertos pasos a seguir para la escritura de un programa, básicamente dos partes los cuales son: o Declaración de variables: definición de la totalidad de variables utilizadas en el programa previo a la utilización de las mismas. Definiciones de Señales de entrada/salida - DEF IO Posiciones - DEF POS Aceleración y desaceleración del robot (pueden ser cambiados posteriormente) - ACCEL Velocidad de los movimientos. 17
18 o JOVRD movimientos basados en junturas SPD movimientos basados en ejes coordenados Código: instrucciones propias para el movimiento del robot así como demás tareas a realizar a lo largo de su ejecución Ejecución de movimientos MOV - movimientos basados en junturas. MVS - movimientos basados en ejes coordenados. - Modos de Comunicación El controlador para suplir necesidades de comunicación, ofrece tres modos de comunicación diferenciados en el tipo de información a que se quiere acceder o el tipo de comunicación que se quiere entablar. Para esto es necesario una configuración previa de ciertos parámetros del controlador para habilitar ciertas funciones, todo esto es posible mediante el respectivo teach-pendant del robot. Estos modos de comunicación dependiendo de la conexión física y protocolo a utilizar según interfaces disponibles o aspectos preliminares del diseño tienen características a considerar. Los modos son tres: modo Controlador, Control Externo En Tiempo Real y Enlace De Datos, Cada uno utilizado según los fines de la comunicación con el robot, por lo que el escoger el modo de comunicación debe ser de gran importancia[7]. Trabajos anteriores con un robot de la misma familia [4] evaluaron el desempeño y las limitaciones en la comunicación con el robot a través de los tres diferentes posibles los cuales se nombran a continuación. o Modo Controlador Comunicación para tener acceso a datos del robot como leer su estatus, además de configuración de parámetros del robot. Obtener información es solo posible mientras el robot no este en movimiento. Luego, establecer comunicación con el robot para la ejecución de tareas ya sea almacenadas en este o enviada a través de comandos no seria posible. o Modo Control en Tiempo Real (RTCM) Útil para un control directo del robot donde la trayectoria a seguir es calculada previamente de manera manual. La comunicación es basada en el protocolo de transporte UDP, en donde el datagrama UDP es enviado de una manera rápida debido a su encabezado pequeño pero la limitación en una recepción segura de las tramas de datos es un punto en contra en este modo. Aunque para aplicaciones punto a punto de corta distancia de las cuales se desean establecer no significaría una barrera de mucha importancia, la 18
19 perdida de información significaría un movimiento discontinuo del robot. Además, el uso de este modo no esta disponible para la serie de controlador del robot del centro de manufactura del CTAI. o Modo enlace de datos (DL) La ejecución de movimientos del robot es posible gracias a la comunicación mediante el uso de comandos de su propio lenguaje de programación, MELFA BASICIV. Se habilitan ciertos comandos especiales para la comunicación con un computador personal con la que es permitido la lectura y el envío de tramas IP sobre la red. Es de gran ayuda debido a que se facilita el control de ejecución de los movimientos mientras se puede obtener información del status del robot, y como la ejecución de los movimientos es posible solo a través de los comandos de su mismo lenguaje de programación, el controlador calcula la trayectoria a seguir. Estos comandos pueden ser enviados en cualquier momento sobre Ethernet o puerto serial, con la ventaja de no llegar a tener paradas en la ejecución del movimiento por lecturas. El posible control de ejecución de tareas seria viable con estas características, debido a la compatibilidad con los puertos existentes en el controlador instalados en la actualidad. Para este modo de comunicación se dispone de ciertos comandos específicos para la lectura y envío de datos en la red. Los comandos son tres, con los cuales es posible la apertura del puerto de comunicaciones para inicio en el proceso de establecimiento de una comunicación y dos comandos para la lectura y el envío de datos. [Figura 4] [Figura 4] Comandos Melfa BasicIV para comunicación Para el uso del controlador en este modo de comunicación es necesaria la configuración de ciertos parámetros como asignación de puertos y definir el modo el cual es requerido, además de protocolos a usar. Como se plantea la posible comunicación acorde a un modelo cliente/servidor mediante un protocolo de comunicación, dicha arquitectura es posible realizando una configuración de ciertos parámetros en el controlador los cuales toman valores distintos. En este proyecto gracias a la versión del software del 19
20 controlador (versión H7) es posible la configuración tanto de cliente como de servidor. (versiones menores solo aceptan configuración como servidor del controlador). Con alguna similitud a la configuración de una red, los parámetros a reconfigurar en el controlador son los siguientes: Parámetro Descripción Valores NETIP Configuración de la dirección IP del controlador en la red Cualquier valor de direccionamiento IP NETPORT Configuración número de puerto para comunicación. Un total de nueve puertos posibles donde el primero de ellos es reservado para la función control en tiempo real, los ocho restantes se disponen para la función enlace de datos. Numeros desde 0 a por defecto se tienen preconfigurados CPRCE Configuración de modo de comunicación 0: no-procedure: protocolo para ser usado cuando se desea establecer comunicación con el software de soporte. 1: procedure: reservado 2: DataLink: con esto se habilitan comandos para comunicación como open/input/print. COMDEV Configuración necesaria cuando la función DataLink es utilizada, ya que se dispone de ocho puertos, se necesita definir en cuales se desea habilitar el comando OPEN de un programa del robot. Este parámetro esta relacionado con el previamente configurado NETPORT ya que deben coincidir n:1 OPT11 para espicificar NETPORT(2) n:2 OPT12 para espicificar NETPORT(3) n:3 OPT13 para espicificar NETPORT(4) n:4 OPT14 para espicificar NETPORT(5) n:5 OPT15 para espicificar NETPORT(6) n:6 OPT16 para espicificar NETPORT(7) n:7 OPT17 para espicificar NETPORT(8) n:8 OPT18 para espicificar NETPORT(9) n:9 OPT19 para espicificar NETPORT(10) NETMODE Configuración de la comunicación TCP/IP en el modo de comunicación DataLink como servidor o como cliente 0: cliente 1:servidor NETHSTIP Es necesario la configuración de este parámetro cuando se usa el robot como cliente para establecer la dirección del servidor con la cual se espera establecer la comunicación Cualquier valor de direccionamiento IP (del servidor correspondiente) [Tabla 1] parámetros a configurar para comunicación DL 2.3 Protocolo comunicación TCP/IP Un protocolo en términos de comunicaciones, se define como el formato y el orden de los mensajes intercambiados entre dos o mas entidades que se comunican, así como las acciones que se toman en la 20
21 transmisión y/o recepción de un mensaje u otro evento [5]. En un escenario de comunicación de datos se utilizan diferentes protocolos para llevar a cabo diferentes tareas de comunicación. La comunicación se da entre lo que se denomina sus componentes de red. Entre estos, sobresalen los sistemas terminales con los cuales se esta mucho mas familiarizado, aunque En el proceso de comunicación intervienen otros componentes los cuales tienen funciones relacionadas con conmutación y enrutamiento fuera de los alcances de este documento. Los sistemas terminales, llamados así por estar ubicados en los extremos de la red, son también llamados host por dar lugar a aplicaciones y su ejecución, programas de aplicación. Estos host son divididos regularmente en dos categorías: clientes y servidores. Un cliente se puede definir como un programa que se ejecuta en un sistema terminal que solicita y recibe un servicio de un servidor que se ejecuta en otro sistema terminal. Esta arquitectura cliente/servidor es de gran aceptación en el campo de redes de comunicación en donde interactúan entre si enviándose mensajes de datos. Estos programas o aplicaciones deben estar soportados sobre una base para el envío de dichos mensajes por la red. Para explicar esto se ha definido un modelo globalmente aceptado conocido como modelo OSI (Open System Interconnection) el cual define el proceso de comunicación dentro de una jerarquía de siete niveles, no es un protocolo o un conjunto de reglas, simplemente define las funciones o servicios que tienen que ser brindados por cada uno de sus niveles para permitir la cooperación entre sistemas abiertos. Cada uno de estos niveles establece una comunicación con su par en el otro punto de comunicación [Figura 5] pasando por cada uno de las capas subsecuentes [Figura 6] [Figura 5] modelo OSI[8]. 21
22 [Figura 6] modelo OSI, proceso de comunicación[8] Como se puede observar en la [figura 5] los 7 niveles son los siguientes: o Aplicación: responsable de soportar las aplicaciones de red o Presentación: convierte los datos dentro de un formato de representación externo que permita la recepción segura de los datos, como por ejemplo encriptación de datos. o Sesión: controla la comunicación entre los usuarios. Mensajes de coordinación por ejemplo. o Transporte: Proporciona el servicio de transporte de mensajes de la capa de aplicación entre los lados de cliente y servidor de una aplicación, un ejemplo es el protocolo de transporte TCP el cual garantiza la entrega de mensajes a su destino y controla el flujo (velocidad), Además segmenta los mensajes según su longitud. o Red: es el responsable de enrutar los datagramas de una maquina a otra, además del direccionamiento de la red. un ejemplo el protocolo IP el cual define un direccionamiento lógico compuesto por un numero único de 32 bits ordenado en cuatro grupos de números. Ejemplo (equivalente decimal) o Enlace: es el responsable del movimiento de los marcos de datos desde un sistema a otro, para seguridad de esto hace uso de técnicas para detección de errores. o Físico: define las conexiones eléctricas y mecánicas del canal de comunicación[8]. El protocolo TCP/IP es entonces una representación del modelo OSI reducido a cuatro capas como se puede ver en la [Figura 7]. Debido al crecimiento y la evolución en las redes de computadores y aplicaciones de Internet se define un modelo estándar para entender su funcionamiento evitando conceptos 22
23 complejos de operación para conocer acerca del funcionamiento de por ejemplo un servidor Web TCP/IP [9]. [Figura 7] modelo TCP/IP [9] Se reduce entonces a las cuatro capas explicadas anteriormente, en las cuales transporte y red corresponden a protocolo TCP e IP respectivamente. 2.4 LabVIEW LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es una herramienta de programación de gran ayuda el cual utiliza su propio lenguaje de programación denominado lenguaje G. Su naturaleza grafica lo hace ideal al momento de desarrollar aplicaciones para medición y test, automatización, control, adquisición de datos y su respectivo análisis. Para su programación se utilizan diferentes bloques o iconos para cada función, estos serán conectados mediante cables por las entradas y salidas del mismo. Esta programación se realiza en archivos denominados como instrumentos virtuales o VI s Instrumentos virtuales Un instrumento virtual (VI) consiste en un panel frontal, un diagrama de bloques y un icono el cual representa el programa. El panel frontal muestra los controles e indicadores a usuario, y el diagrama en bloques contiene la totalidad de la programación en su respectivo lenguaje, el código para el VI. En la [Figura 8] se puede observar un panel frontal el cual contiene por ejemplo el mando para seleccionar un numero de medidas promedio, un control para seleccionar el tipo de medida, un display de un valor de salida digital y un botón de parada. Todo esto utilizado para una aplicación de usuario desarrollada gracias 23
24 a las distintas herramientas disponibles en su menú de funciones. Igualmente en la [Figura 9] se muestra el diagrama en bloque de la aplicación, también llamado código fuente. En este se pueden ver ciertas funciones disponibles para la programación como lo es por ejemplo la disponibilidad de estructuras como while loop exterior y en su interior case structure. En el centro el icono de un VI el cual recibe el numero de mediciones promedio como entrada y retorna el valor de frecuencia como salida[18]. Viendo la naturaleza del diagrama de bloques se puede interpretar el funcionamiento de LabVIEW, el proceso de ejecución es de acuerdo a la configuración para el paso de información de izquierda a derecha siendo una ventaja por darle una característica intuitiva para el desarrollo de aplicaciones, luego la programación puede ser llevada a cabo por personas incluso con pocas experiencias en este campo. [figura 8] Panel frontal instrumento virtual [figura 9] Código fuente instrumento virtual 24
25 Para este proyecto la necesidad de establecer una comunicación con un equipo remoto mediante el uso de un protocolo es necesario el conocimiento de características de aplicación en este campo con LabVIEW Comunicación de datos LabVIEW tiene funciones especificas para comunicación en red, por lo que la adquisición de datos y el monitoreo remoto se simplifica en su lenguaje de programación a través de los distintos bloques funcionales que se tienen según el protocolo de comunicación. Ciertas ventajas llevan a LabVIEW en una buena opción en desarrollo de aplicaciones donde es necesario funciones de comunicación. Soporta tiempos largos y grandes capacidades de muestreo de datos, lo cual se traduce en ventajas como la alta precisión en las medidas y captura de datos, así como la facilidad en su operación. En particular la comunicación mediante el protocolo TCP/IP es soportado, el proceso de transmisión de datos tiene el mismo comportamiento señalado anteriormente a través de bloques específicos, los cuales se pueden observar en la [Figura 10]. [10] [Figura 10] funciones para comunicación protocolo TCP/IP LabVIEW Mediante cada uno de estos bloques es posible establecer la comunicación entre dos puntos, además la posibilidad de escritura y lectura de datos en la red. Las características especificas de cada uno de estos bloques y explicaciones de su funcionamiento se pueden encontrar en [11] Enlace con bases de datos Para establecer la conexión con la base de datos que se requiere se contemplaron diferentes posibilidades que fueron útiles en proyectos anteriores para aplicaciones en las cuales se desea tener tanto acceso a una base datos como la modificación de estas desde LabVIEW, las cuales son las siguientes [12]: - El uso de interfaz DLL (dynamic link library) para acceder indirectamente. - El uso de tecnología DDE (dynamic data exchange) disponible en sus funciones. - El uso de tecnología ADO (ActiveX Data Exchange) para acceder usando lenguaje SQL 25
26 - El uso de paquetes gratuitos como LabSQL - El uso de NI company special database access toolkit Database Connectivity Toolkit. Los tres primeros son considerados como de bajo nivel y mas complejos de operar, el cuarto en cambio es de gran popularidad por su facilidad de uso además de ser una opción gratuita disponible en la red. El quinto método es la opción predilecta cuando se dispone de un capital de inversión para disponer de la herramienta. Desarrollada por National Instruments específicamente para aplicaciones en las cuales las bases de datos juegan un papel importante. La versión de LabVIEW en la cual se desarrollo gran parte de este trabajo de grado se disponía de este paquete de funciones. Por otra parte opciones como LabSQL fueron utilizadas anteriormente arrojando resultados exitosos por lo que se mantuvo como una segunda opción. Database Connectivity Toolkit usa lenguaje SQL para acceder, modificar y ver información en una base de datos. Estas líneas de datos son ejecutadas a través de una tecnología Microsft, OLE DB (object linking and embedding database) que permite la comunicación entre LabVIEW y la base de datos. Dentro de LabVIEW nodos hacen un llamado a ActiveX Data Objects (ADO). ADO conectara luego con la base de datos según un DSN o UDL [13] Para entrar a modificar determinada base de datos, LabVIEW permite llevar un proceso de conexión, inserción de información y desconexión con la base de datos especificada por usuario a través de VI`s que se pueden observar en la [Figura 11] [Figura 11] funciones Database Connectivity Toolkit Luego, el proceso consiste en establecer la conexión con la base de datos mediante DB Tools Open Connection.vi a través de un sistema DSN, un archivo DSN o el UDL. Después desarrollar operaciones en la base de datos como escritura de información o actualización de archivos mediante DB Tools insert.vi finalizando con el proceso la desconexión de la base de datos DB Close Connection.vi. [Figura 12]. 26
27 [Figura 12] Proceso modificación base de datos 27
28 3. DESCRIPCIÓN GENERAL Y ESPECIFICACIONES En este capitulo se lleva a cabo una descripción detallada de la aplicación para el control de las tareas, y demás características desarrolladas para el control supervisorio del robot. En este proyecto se desarrolló una aplicación para el control de la ejecución de tareas de manipulación de material del robot Mitsubishi MELFA RV-2A instalado en el CTAI de la Pontificia Universidad Javeriana de Bogotá. Para esto, se necesitó del desarrollo de dos programas conjuntos de ejecución simultanea, uno en el robot y otro un instrumento virtual desarrollado en LabVIEW comunicados vía TCP/IP haciendo uso de las instalaciones actuales en el sistema de manufactura. El diagrama en bloques de cada uno se muestra a continuación. [Figura 13] Diagrama en bloques herramienta principal LabVIEW [Figura 14] Diagrama en bloques Programa robot Para su funcionamiento primero se establece una comunicación entre el robot y la herramienta desarrollada en LabVIEW. Una vez esta comunicación ha sido exitosa, el usuario selecciona la tarea a realizar y una instrucción asociada a este movimiento requerido es enviada al robot. El robot lee esta instrucción y analiza el movimiento generando una alarma en caso de ser un movimiento invalido, es decir el transporte de material no disponible, o ejecuta la tarea con una confirmación de este movimiento. Cualquiera de estas dos respuestas es analizada por la herramienta para generar la alarma correspondiente o seguir en el proceso de asignación de tareas. Diferentes datos de interés son almacenados en una base de datos al terminar cada tarea. 28
29 3.1 Apariencia de la herramienta La herramienta principal desarrollada en LabVIEW [Figura 15] consta de una ventana principal la cual tiene un listado de materiales y los diferentes lugares para ser transportada dicha pieza. Además está en capacidad de tener una visualización del estado de la estación de trabajo del robot mediante el uso de la instrucción status, es decir información de lectura de sensores es mostrada. A través de esta, el usuario tiene conocimiento de la presencia de material o no para ser transportado por el robot, información actualizada útil y de la cual no se dispone en la actualidad. Tiene un indicador de conexión con el robot y un botón Start para la ejecución de las tareas. Además datos relacionados como numero de tarea realizada y su tiempo de ejecución. Finalmente un indicador de alarma relacionado a una tarea invalida. 3.2 Sistema de alarmas [Figura 15] Ventana principal La herramienta dispone de un sistema de alarmas el cual es activado una vez se ha generado una asignación de tarea invalida, es decir un transporte de material el cual no es reconocido por el sistema. Señales adquiridas de sensores instalados en la estación de trabajo del robot, se analizan en el evento de una tarea requerida de material no disponible o sin lugar para ser ubicado, generando una alarma con el mensaje respectivo asociado al error. La alarmas consisten en ventanas emergentes que necesitan del reconocimiento del operador para seguir siendo utilizada la aplicación. 29
30 3.3 Base de datos Como característica importante en todo control supervisorio, la generación de históricos para análisis posteriores o a manera de registro, la aplicación cuenta con una conexión a una base de datos la cual es modificada en el transcurso de su operación teniendo un histórico de movimientos generados así como las alarmas generadas. La base de datos contiene diferentes datos importantes en la ejecución de tareas con el robot. [Figura 16] [Figura 16] Base de datos o o o o o o o Task Number: numero de tarea correspondiente. Una vez es inicializada la aplicación las tareas son contadas con incrementos en una unidad. Instruction: código de la tarea que ha sido realizada o la cual se ha querido realizar. Para su interpretación tiene la posición inicial y posición final, separados por la palabra TO. Su significado movimiento desde posición inicial a posición final. Date task: fecha en la cual tuvo lugar la tarea, en el formato día mes año. Start time: hora en la cual se llevo a cabo dicha tarea en formato horas minutos segundos. Type: tipo de mensaje que ha sido generado por el sistema, ya sea una alarma generada o un movimiento valido por el robot. Work time: tiempo de trabajo en la ejecución de dicha tarea por parte el robot Message: mensaje generado por la alarma asociado al movimiento invalido o en caso de ser un movimiento valido un mensaje de confirmación de movimiento. 30
31 3.4 Programa robot Por otra parte en el robot se llevó a cabo un programa el cual se pudiera establecer comunicación con la aplicación y así esperar por las instrucciones a realizar, estas instrucciones son las tareas de movimiento de material entre diferentes puntos de la estación que se explican en detalle en el capitulo 4.3 de este documento, movimientos entre posiciones que fueron enseñadas al robot mediante una programación manual, acercando el robot a las posiciones deseadas y grabándolas haciendo uso del teach-pendant. En el robot se dispone del programa correspondiente desarrollado para la ejecución de las tareas, SG1, el cual lo componen dos archivos. Un archivo.mb4 el cual contiene el programa desarrollado con el conjunto de movimientos para la ejecución de tareas. Por otra parte un archivo.pos el cual contiene los diferentes vectores creados para guardar las distintas posiciones en las cuales el robot se mueve dependiendo de la tarea asignada. 31
32 4. DESARROLLOS Para el desarrollo de la herramienta se definió una metodología dividida en 5 fases dependientes, con el fin de alcanzar los distintos objetivos propuestos en el proyecto. En la [Figura 17] se muestra el diagrama de la metodología utilizada Documentación y revision del estado de arte Revision de manuales del robot Comunicación mediante LabVIEW Con?iguración y conexión actuales de FMS Establecimeinto de comunicación De?inición de protocolo de comunicacion Com cliente/servidor en LabVIEW TCP/IP Com LabVIEW - controlador robot TCP/IP Desarrollo programa robot De?inición de tareas y codigo de instrucciones Lectura de instrucciones por el robot Lectura de censores de la celda de trabajo y con?iguración de alarmas Con?iguración programa Robot herramienta principal LabVIEW Diseño interfaz de usuario Inicio de comunicacion Seleccion de instruccion Envio instruccion y lectura respuesta Analisis de respuesta Conexion Base de datos Mejoras aplicacion y pruebas?inales Herramienta principal Programa robot [Figura 17] Metodología del proyecto Después de la revisión previa señalada anteriormente en el marco teórico de este documento tanto manuales de funcionamiento del robot [6][7], como experiencias en trabajos de comunicación de datos mediante LabVIEW [4][10][19][20], se adelanta en el proceso del desarrollo de la herramienta. 4.1 Definición de protocolos de comunicación: En una primera fase del proyecto el establecimiento de la comunicación con el robot definiría la base sobre la cual los diferente desarrollos tanto en el robot como LabVIEW tomarían lugar. Para ello el estudio de las conexiones existentes con el robot y las posibilidades de comunicación con este permitirían definir tanto la conexión física como el protocolo de comunicaciones a utilizar. La FMS tiene configurada una red interna Ethernet a través de un switch de comunicaciones [Figura 18]. Los tres computadores con sus respectivas direcciones IP tienen conexión con el robot vía Ethernet, el 32
33 tercer computador con dirección IP es el computador destinado para el desarrollo de este proyecto. Además existe la conexión vía RS-232 del primer computador, conexión utilizada en la actualidad por el software COSIMIR CONTROL para comunicarse con el controlador del robot. [Figura 18] Topología de red FMS La posibles soluciones para la comunicación entre la aplicación LabVIEW y el controlador del robot se reducen a tres, las cuales son las siguientes: CR1-571 Ethernet TCP/IP RS-232 I/O Protocolo actual seguridad recepcion de tramas Comunicación actual con el controlador Se deben tener ciertos parametros extras a configurar Es orientado a la adquisición de señales de perifericos, ejemplo sensores en la celda de trabajo. Mayor velocidad de transmisión de datos [Figura 19] Posibilidades de comunicación robot 33
34 La primera opción utilizando protocolo TCP/IP y las conexiones existentes del FMS mediante la tarjeta de Ethernet del robot. La segunda opción, utilizar la conexión existente con la estación base vía RS-232 y la tercera opción mediante su conector DB32 de señales entrada/salida que dispone el robot. Esta ultima opción es reservada para conexión de periféricos del robot y utilización de ciertas señales en la ejecución de sus tareas, como por ejemplo sensores en su pinza y sensores en la celda de trabajo como es el caso actual. Luego se redujo a dos opciones de comunicación. Utilizando su interfaz Ethernet sería una primera opción ya que no se encuentran antecedentes de una comunicación de este tipo con robots de esta familia y se permite una velocidad de transmisión de datos mucho mayor. Como protocolo de transporte y red, TCP/IP, un protocolo confiable el cual no se esperaría una perdida de tramas de datos en la ejecución de la aplicación, además un protocolo actual de gran uso en redes como Internet. En este orden de ideas se definió el modelo a seguir [Figura 20] para el desarrollo del cliente en el robot y una posible comunicación con el servidor LabVIEW, en la cual se desarrolla una aplicación gracias a el modo de comunicaciones DataLink, y llevando a cabo la configuración correspondiente permitiendo el uso de los protocolos definidos. DL mode TCP- IP Ethernet [Figura 20] Modelo cliente Paralelamente se define el modelo de la herramienta del control de tareas en LabVIEW (servidor) para establecer una conexión y permitir el flujo de datos bidireccional mediante el protocolo de comunicaciones [Figura 21]. 34
35 [Figura 21] Modelo de comunicación Servidor/cliente 4.2 Establecimiento de Comunicación: Uno de los objetivos del proyecto era el poder establecer comunicación con el robot, el cual a partir de las posibilidades de conexión existentes a nivel de hardware y la lectura previa de sus respectivos catálogos, se desarrollo un modelo y distintas pruebas para concluir con la comunicación exitosa entre un instrumento virtual configurado en LabVIEW y el robot. Para la comunicación se determino un modelo cliente/servidor entre dos terminales en donde fuera posible el envío y recepción de datos que serán de uso posteriormente en el desarrollo de la aplicación con el robot. Primero era indispensable saber que la red interna del CTAI permitía un desarrollo del proyecto desde uno de los computadores destinados a trabajos de grado y grupos de investigación del departamento. Es decir que se contaba con conexión a la red y a su vez a el robot desde uno de estos computadores, para esto se hizo uso del comando PING 6 para la evaluación de envío y recepción de paquetes con la dirección IP requerida. La conexión satisfactoria se muestra a continuación. 6 PING utilidad para el diagnositoco de redes en el cual se envian paquetes ICMP de solicitud analizando la respuesta, verificando asi la conexión. 35
Los mayores cambios se dieron en las décadas de los setenta, atribuidos principalmente a dos causas:
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