Redes de control en ambientes industriales : plataforma de evaluación de sistemas distribuidos en tiempo real

Abstract

En la mayoría de las aplicaciones industriales es necesaria la verificación del correcto funcionamiento de las estrategias de control y automatismo antes de ser aplicadas al proceso real. Este tipo de aplicaciones requieren la utilización de sistemas de tiempo real para garantizar que los resultados no sólo son correctos desde el punto de vista lógico-aritmético, sino que se producen antes de un determinado tiempo, denominado vencimiento. Los sistemas de tiempo real utilizados en este tipo de aplicaciones incluyen desde controladores industriales (PLC1), redes de datos y sensores hasta avanzados sistemas de control distribuido (DCS). Asimismo, existen diferentes restricciones que pueden contraponerse a los requerimientos temporales en tales diseños como ser: el consumo de energía, las dimensiones físicas de las aplicaciones, el alcance y el retardo de los enlaces de datos, entre otras. Por otro lado, las actuales aplicaciones en donde se requieren estrategias de control y automatismos demandan técnicas sofisticadas de análisis y verificación de funcionamiento bajo diferentes escenarios. Muchos de los escenarios de funcionamiento que deben ser considerados involucran condiciones críticas del proceso, las cuales no son deseables de reproducir en la aplicación real y menos aún con un sistema de control que está bajo verificación. Actualmente, los sistemas distribuidos y redes de sensores son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones y con diferentes objetivos. Si bien en estas aplicaciones los requerimientos temporales raramente exigen un tratamiento de tiempo real duro, sí resulta necesario garantizar la consistencia temporal de los datos para asegurar que las acciones que se obtengan de dichos datos sean también consistentes. En consecuencia, es necesario un análisis conjunto de los sistemas diseñados y la aplicación que permita confirmar que las especificaciones de diseño se satisfacen para diferentes escenarios de funcionamiento. En la mayoría de las implementaciones modernas de estrategias de control y automatismos se utilizan simuladores de los controladores y se generan artificialmente las entradas que en la aplicación real provendrían de los sensores. Sin embargo, este tipo de metodología de prueba no permite verificar la correcta dinámica del controlador debido a que no es simple generar el mismo comportamiento en las entradas que cuando éstas están conectadas a los sensores reales. Para evitar estas restricciones en la verificación, y en aplicaciones que lo justifican, se suelen desarrollar plataformas que emulen el comportamiento de la aplicación específica. No obstante, la utilización de estas plataformas es exclusiva a la aplicación para las que fueron destinadas y su costo de desarrollo es generalmente elevado. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de una plataforma para el análisis y la simulación de sistemas distribuidos y redes de sensores en tiempo real en aplicaciones donde se implementen estrategias de control y automatismos industriales. Para realizar esta plataforma se utilizó la herramienta TrueTime, creada por Johan Eker y Anton Cervin2 y posteriormente ampliada por su grupo de investigación. Esta herramienta permite la simulación en un ambiente de Simulink /Matlab del conjunto tiempo-real/control para verificar lasperturbaciones que diferentes algoritmos de diagramación producen en las aplicaciones de control. La herramienta TrueTime fue modificada y ampliada para la incorporación de los parámetros que, luego de un profundo análisis, son los adecuados para monitorear y configurar en forma genérica las redes de sensores y sistemas distribuidos anteriormente detallados. El protocolo de comunicaciones OPC 3 fue utilizado para generar en el controlador industrial bajo verificación todo el entorno simulado de la aplicación.

In most of the industrial applications, it is necessary the verification of the correct operation of the control strategies and automatism before being applied to the real process. This type of applications requires the use of real time systems to guarantee that the results not only are correct from the arithmetical and logical point of view, but that take place before a certain time, named deadline. The utilization of real-time systems in this kind of applications includes from industrial controllers (PLC) to data and sensors networks for advanced distributed control systems (DCS). Also, different constraints may exist that can be opposed to the temporal requirements in such designs: the energy consumption, the size of the implementations, the communications rate of the data links, among others. On the other hand, the present applications in which strategies of control and automatism are required, demand sophisticated techniques of analysis and verification of operation under different scenes. Many of the operation scenes that has to be considered, involve critical conditions of the process which are not desirable to reproduce in the real application and much less with a control system that is under verification. At the moment, the distributed systems and networks of sensors are widely used in diverse applications and with different objectives. Although in these applications the temporal requirements rarely demand a treatment of hard real-time, it is necessary to guarantee that temporal consistency of the data is preserved. Consequently, a holistic analysis of the designed control systems and the application is necessary to assure that the design specifications are satisfied for different scenes of operation. In most of the modern implementations of strategies of control and automatism, simulators of the controllers are used, artificially generating the inputs that come from the applications. Nevertheless, this type of testing methodology does not allow verifying the right dynamics of the controller, because it is not a easy task to generate the same behavior in the inputs of the simulator that when these input are connected to the real sensors. In order to avoid these restrictions in the verification, and in applications that justify it, usually they are developed platforms that emulate the behavior of the specific application. Nevertheless, the use of these platforms is exclusive to the application for which they were designed and consequently its development is generally expensive. The objective of this thesis is the development of a simulation platform designed for the analysis and simulation of distributed control systems and sensor networks in real-time applications in which strategies of control and industrial automatism are implemented. In order to develop this platform the TrueTime tool, developed by Johan Eker and Anton Cervin and later extended by its research group, was used. This tool allows us the simulation in a Simulink /Matlab environment of the set real time/control features of an implementation in order to verify the disturbances that different control configurations produce on the control applications. The TrueTime tool was modified and extended to incorporate the parameters that, after a deep analysis, were considered the main parameters required to build the most common scenes required in industrial applications. The communication protocol OPC was configured in order to generate all the simulated surroundings of the application on the industrial controller under verification.