8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

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1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 INTERCONEXIÓN Y SUPERVISÓN POR MEDIO DE INTERNET DE UNA CELDA DE MANUFATURA FLEXIBLE Ing. Corredor Camargo J. A*, Ing. Córdoba Nieto Eº *Facultad de Ingeniería Departamento de Mecánica y Mecatrónica, Ciudad Universitaria Cra 30-45, Bogotá Colombia. *Ing. Asistente de Investigación º Profesor Titular Universidad Nacional de Colombia Director grupo de investigación Nuevas Tecnologías Diseño Manufactura y Automatización DIMA-UN jcorredorc@unal.edu.co*, ecordoban@unal.edu.coº RESUMEN Este proyecto busca el monitoreo y supervisión sobre plataforma de Internet de la celda de manufactura flexible (CMF) del laboratorio de mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia. Se desarrolla por medio de software libre una aplicación que permite supervisar y monitorear la CMF a través de la Internet, y mediante la realización de prácticas virtuales con apoyo del curso virtual desarrollado en VRML-Java 3D, para explorar la experimentación remota en tiempo real sobre la celda de manufactura flexible mediante la aplicación de supervisión IP. PALABRAS CLAVE: Automática, Laboratorios Virtuales, Planificación y control de fabricación. 632

2 INTRODUCCIÓN Aplicación de laboratorio virtual, monitoreo y supervisón para proyectos de investigación aplicados con la Industria y la Universidad utilizando herramientas de software libre, se ha realizado sobre el laboratorio de mecatrónica pagina Web (Ochoa, 2005) [1]. Se busca hacer una exploración experimental en aplicaciones orientadas a redes de alta velocidad como RENATA (Red Nacional Académica de Alta Tecnología en Colombia) promocionada por COLCIENCIAS (Instituto Colombiano para el desarrollo de la ciencia y la tecnología) e Internet 2, aplicadas en el monitoreo remoto de procesos de manufactura. El articulo se organiza con una breve descripción del sistema de monitoreo y supervisión por Internet, luego se aborda la metodología de diseño, se reseñan dos modelos del sistema a desarrollar, y se describe la implementación del sistema de monitoreo y supervisión / IP de la celda de manufactura flexible del laboratorio de mecatrónica. SISTEMA DE MONITOREO Y SUPERVISIÓN POR INTERNET Como una base de una posible nueva generación de sistemas de control, el concepto de monitoreo y supervisión basado en la Internet ha sido introducido en años recientes. Los grupos de investigación dedicados a desarrollar esta tecnología ha mostrado resultados en pequeña escala, como Sun Microsystems y Cyberonix, Foxboro, y Vlamet. La mayoría de estas aplicaciones son desarrolladas en Java. Además, OPC Fundation (Open proces control Fundation 1998) está trabajando en el soporte de XML (extensible Markup Language) con Visual Studio, así que el uso de XML en aplicaciones de monitoreo y control remoto podría convertirse en un estándar. Intuitive Technology Corp (1999) ha proveído web@aglance para dotar en tiempo real datos a la consola grafica de Java. Invensys plc en colaboración con el departamento de ciencias de ingeniería de la universidad de Oxford están desarrollando instrumentos basados en Web. Algunos investigadores de Instituciones educativas [2], se concentran en el desarrollo de laboratorios virtuales de control basados en la Web, para propósitos de aprendizaje a distancia. Un usuario remoto tiene la posibilidad de conducir experimentos en el laboratorio a través de Internet. Los estudiantes pueden continuamente acceder a su hipotética configuración de laboratorio. La mayor ventaja de este laboratorio es el costo mínimo que se necesita para configurar el laboratorio, ya que solo necesita una red robusta. La comunidad europea ha desarrollado el proyecto ScadaOnWeb [3], busca establecer protocolos para Internet permitiendo el monitoreo y optimización de procesos vía Web, este proyecto da una luz en la adopción de un estándar para el transporte de grandes cantidades de información de procesos en línea. PLANTEAMIENTO DE DISEÑO DEL SISTEMA DE MONITOREO Y SUPERVISIÓN/ IP La figura 1 resume como se realizó el proceso de diseño [4], de la aplicación de monitoreo y supervisión IP de la celda de manufactura flexible del laboratorio de mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia. Fig. 1: Esquema de metodología del diseño

3 El primer paso es el modelado de la aplicación, en el estándar UML (Unified Modeling Language), se establecen los actores del sistema, y quienes inician una actividad con el sistema a desarrollar. La figura 2 ilustra el primer modelo de la aplicación, se observan las actividades (Monitoreo IP, Actividades de Mantenimiento) y las entidades que intervienen en la aplicación a modelar (Administrador, Usuario, Celda de Manufactura Flexible (CMF)). Fig. 2: Diagrama de Casos de Uso, según el estándar UML. En la figura 3 se esquematiza la Celda de Manufactura Flexible del Laboratorio de Mecatrónica de la Universidad Nacional, el controlador MX2000 Superior Electric que comanda cada una de las máquinas robot CNC, posee conexión serial RS232 o RS485, los módulos que componen la aplicación de monitoreo y supervisión remota, el servidor de video y de paginas Web, mediante el inicio de sesión se puede acceder a los servicios de Control y monitoreo. Fig. 3: Diagrama de Clases de las entidades, que relaciona los objetos que intervienen en la aplicación. La figura 4 muestra el laboratorio de Mecatronica, con las máquinas CNC, que conforman la celda de manufactura flexible, aquí observamos el Robot Scara IBM7540, la fresadora Multiejes (6 ejes) y la máquina de medición por coordenadas (CMM), además hay un Robot Gantry con dosificador por peso (Dosificador). El servidor, que provee el servicio de supervisión IP consiste de un servicio de comandos y un servicio de datos, estos están conectados al controlador; los protocolos TCP (Transfer Control Protocol) o UDP (User Datagram Protocol), se usan para enviar comandos y recibir datos del servidor; el TCP, nos permite garantizar que todos los paquetes de datos serán enviados al servidor y recibidos, esto significa que los paquetes que no lleguen correctamente serán retransmitidos. TCP tiene un sistema para adaptar la transmisión al ancho de banda existente,

4 esto lo hace un protocolo robusto y confiable. En aplicaciones en tiempo real este protocolo, no puede garantizar un tiempo determinístico de transmisión de datos, esta limitación se puede superar con el protocolo UDP (User Datagram Protocol) que ofrece un acceso rápido a la red pero no garantiza la entrega de los paquetes, porque no provee realimentación de los paquetes que no fueron entregados. Fig. 4 Imagen del Laboratorio de Mecatrónica de la Universidad Nacional Sede Bogotá. El sistema de supervisión y monitoreo por Internet se divide en dos partes, el lado del cliente y el lado del servidor ver figura 5, se muestran los elementos de cada componente del sistema. Fig. 5: Grafica que ilustra los módulos que componen la aplicación de monitoreo y supervisión IP, para la celda manufactura flexible automatizada del Laboratorio de Mecatronica Universidad Nacional de Colombia. La aplicación permite monitorear algunas variables del funcionamiento de la celda de manufactura, sin embargo en aplicaciones online, colaborativas, es necesario tener una realimentación visual de lo que está ocurriendo en el laboratorio de Mecatrónica, para esto se usa el video por Internet, mediante la cámara IP D-link DCS6630, (estas cámaras tienen un servidor de video incorporado y permiten la transmisión de video digital desde la captura del video hasta su visualización, sin hacer codificaciones y evita retardos de tiempo en la transmisión del video). IMPLEMENTACION DEL SISTEMA DE MONITOREO Y SUPERVISIÓN/ IP Servicio de datos Los controladores PID, Fuzzy, de movimiento, etc., usados en procesos industriales tienen su propio lenguaje para comunicarse con un computador, mientras que el manejo de la información en un sistema de supervisión en plataforma de Internet debe usar un lenguaje universal que pueda ser entendido, tanto el usuario como el servidor. Y así evitar el retraso en la transmisión de la información. A la hora de comunicar el controlador MX2000 Superior Electric (controlador de cada una de las máquinas robot CNC de la Celda de Manufactura del Laboratorio de Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia),

5 con el computador servidor se tiene en cuenta que la máxima flexibilidad se consigue usando ASCII o texto unicode, con redundancia, chequeo de sintaxis, y una limpieza frecuente del flujo de información. Para que la aplicación que interactúa con el usuario le sea fácil comprender, y también sea fácil la transmisión de la información para otros miembros del equipo de trabajo, la implementación se está desarrollando por medio de SQL (Structured Query Language) y un servidor de base de datos MySQL, se muestra en la figura 6 las diferentes herramientas de software que se usaron para la implementación del sistema y su interrelación con la red de comunicación. Fig. 6. Aplicación de monitoreo. Variables a supervisar en la celda de manufactura flexible El propósito de supervisar por Internet la celda de manufactura, es tener una herramienta que permita monitorear el proceso de manufactura, y que sea posible en un futuro experimentar sobre procesos productivos discretos en el dominio de la automática bajo plataforma de Internet, de gran ayuda para los postgrados en automatización industrial, materiales procesos de manufactura y carreras de ingeniería mecatrónica, sistemas mecánica e industrial. La tabla I. muestra las variables tecnológicas que en un primer paso se monitorean, en la celda de manufactura flexible del Laboratorio de Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia. Componente de la Celda de Manufactura Tabla I. Variables tecnológicas a monitorear vía Internet Función Operativa *Para todos las máquinas se debe monitorear: Tiempos de ejecución de tareas Errores del controlador (ALARMAS) Estado de la máquina on / off / (EM) Robot Scara IBM 750 Ensamble piezas Sensores mesa de trabajo Puertos de recepción de material Fresadora CNC (6 ejes) Mecanizado CNC Posición mesa de Trabajo Posición de la herramienta Digitalizadora 2D (CMM) Dosificadora (Gantry con dosificador por peso) Medición por coordenadas de las dimensiones de las piezas mecanizadas Alimentar la celda con material en bruto Plano de pieza digitalizada Pesos dosificados

6 Una vez definidas las variables tecnológicas básicas del entorno de manufactura, se debe diseñar la base de datos; cada variable a monitorear debe tener un campo en la estructura de la base de datos, como se muestra en la figura 7. Fig. 7: Relación entre las variables a monitorear y la base de datos. Servicio de comandos del sistema de monitoreo y supervisión/ip Este servicio de comandos, parametriza los comandos a enviar al controlador y valida los comandos enviados desde el usuario al controlador como se representa en la figura 8. Fig. 8. Servicio de comandos y su relación con el servicio de datos La aplicación de servicio de comandos valida por medio de un algoritmo implementado en PHP (PHP Hypertext Pre-processor) los comandos enviados al servidor por el usuario, por medio del chequeo de la sintaxis. Por otro lado Gambas (GAMBAS almost means Basic, es un entorno de desarrollo libre), recibe la respuesta del controlador la evalúa y la pone disponible para ser mostrada al usuario. El servidor no es solo un servidor Web, también incluye el control y programa de adquisición de datos para llevar a cabo las tareas de control y supervisión, la aplicación implementada en GAMBAS cumple con esta tarea. Interfaz de Usuario La manera más sencilla y lógica de acceder a controlar y monitorear un sistema por Internet es usando un navegador Web, como Internet Explorer o Firefox. Se debe hacer diferencia entre funciones de operación del proceso y de monitoreo, el primero necesita de diagramas de flujo indicando el estado del proceso actual e historiales, el segundo muestra estados del controlador como alarmas, el panel de monitoreo puede mostrar vídeo y un sistema de mensajería instantánea, para ver el estado de la planta y hablar con otros usuarios En la figura 9 se muestra el diagrama de flujo de los estados del funcionamiento de la Celda de Manufactura Flexible, por medio de este panel se puede acceder al panel de monitoreo figura 9 (derecha), donde hay acceso al video en vivo de lo que está ocurriendo en la celda.

7 Fig. 9: Interfaz de usuario de la aplicación. Se observa (izq.) el layout del estado de la celda de manufactura flexible del Laboratorio de Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia y (der.) el panel de monitoreo de la fresadora CNC. Para la transmisión de la información generada en la celda por Internet se usa un servidor Push, esto significa que la información cambia de acuerdo con la evaluación que realiza el servidor, y no con la petición que hace el usuario, la figura 10 muestra como funciona AJAX (Asynchronous JavaScript And XML) en la aplicación de monitoreo remoto. Fig. 10: Flujo funcional de AJAX, en la aplicación de monitoreo y supervisión IP AJAX permite desarrollar aplicaciones Web que usan Push sobre HTTP, la técnica que usan es hacer una conexión de larga duración HTTP, para reducir la latencia de pasar mensajes al servidor, es decir no se esta actualizando cada cierto tiempo la información (poll server), en lugar existe este canal abierto por donde el servidor transmite datos al usuario. CONCLUSIONES La supervisión por medio de la Web, es una tecnología aún en desarrollo a la espera de la masificación de redes de alta velocidad para dar el paso definitivo hacia la industria, además es un escalón más en la integración de la

8 información que puede manejar una industria y no busca desplazar las tecnologías clásicas de supervisión sino dar un nuevo nivel de acceso a la información que hoy día se maneja. El desarrollo de aplicaciones que permiten acceder a laboratorios especializados, facilita acercar y compartir equipos sin hacer grandes inversiones económicas, se necesita una red robusta y la integración de tecnologías abiertas para garantizar interoperatividad. El desarrollo de aplicaciones que facilitan la accesibilidad de maquinas-robot CNC por medio de Internet mediante herramientas de software libre, permite la implementación a bajo costo y con aplicaciones confiables para la interacción de las diferentes plataformas que se pueden encontrar en un ambiente industrial. Con el proyecto de supervisión y monitoreo experimental de la celda de manufactura flexible en la Universidad Nacional de Colombia se ha hecho un aporte en educación virtual, para la capacitación de personas en temas específicos mediante el acceso a laboratorios automatizados on-line en tiempo real como un avance en el contexto del desarrollo de aplicaciones para Internet 2 RENATA. REFERENCIAS 1. Ochoa Oscar, Software de orientación Didáctica de manufactura Experimental CNC, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, G. Canfora, P. Daponte, S. Rapuano. Remotely accessible laboratory for electronic measurement teaching. Published by Elsevier Science B.V Academic Publisher, Egwin Warnier, Leena Yliniemi and Pasi Joensuu. Web based monitoring and control of industrial processes. University of Oulu, Control Engineering Laboratory, Report A No Corredor Camargo, Javier Adolfo. Interconexión y supervisión por medio de Internet de una celda de manufactura flexible. Universidad Nacional de Colombia, Laboratorio de Mecatrónica Ramos, Germán Andrés. Integración y Comunicación de Celda Flexible de Manufactura Experimental con una Red de Área Local Basada en el Protocolo TCP/IP, Universidad Nacional de Colombia, Bogotá W.C. Kwong, Dario Toncich, S.F. Lee. Potential manufacturing productivity changes arising from the application of Internet-based technologies. Published by Elsevier Science B.V Academic Publisher NOMENCLATURA CMF Celda de Manufactura Flexible VRML Virtual Reality Modeling Language COLCIENCIAS Instituto Colombiano para el desarrollo de la ciencia y la tecnología RENATA Red Nacional Académica de Alta Tecnología en Colombia XML extensible Markup Language UML Unified Modeling Language CMM Coordinate Measuring Machine TCP Transfer Control Protocol UDP User Datagram Protocol MX2000 Controlador Superior Electric SQL Structured Query Language GAMBAS GAMBAS almost means Basic, Entorno de desarrollo Basic AJAX Asynchronous JavaScript And XML