TÉCNICAS PARA TELEDIAGNÓSTICO DE SISTEMAS CONTROLADOS POR AUTÓMATAS.

Francisco Javier Olmos Herguedas¹, Gregorio Ismael Sainz Palmero², Luis Javier de Miguel González², Clemente Cárdenas Cuevas¹

e-mail: javolm@cartif.es, {gresai,luimig}@eis.uva.es, clecar@cartif.es

(¹) C.A.R.T.I.F.Centro de Automatización, Robótica y
Tecnologías de la Información y Fabricación.

(²) Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. ETSII
Universidad de Valladolid

1. RESUMEN

Tradicionalmente, el problema de la detección y aislamiento de fallos en los sistemas complejos ha sido estudiado desde diferentes puntos de vista, fundamentalmente se han estudiado con sistemas de control con variables continuas, representando los sistemas mediante ecuaciones diferenciales o en diferencias. Sin embargo a medida que las tareas de control se han venido incrementando y la complejidad de los modernos sistemas de control ha ido aumentando, se han desarrollado nuevos modelos de naturaleza discreta, más apropiados que los anteriormente citados.

A estos sistemas se los denominan Sistemas Dinámicos de Eventos Discretos, en los cuales la evolución se da a partir de determinados eventos discretos, y de forma más abreviada se denominan Sistemas de Eventos Discretos (SEDs).

En el artículo se muestran las diferentes configuraciones actuales existentes para obtener la información en diagnóstico de fallos de sistemas basados en modelos de eventos discretos. En concreto se muestra la implemantación realizada por CARTIF en varios proyectos industriales, los diferentes métodos usados para obtener información de los procesos automatizados, de tal forma que sea procesada por el Supervisor/Diagnosticador, las limitaciones y las ventajas de los mismos.

Posteriormente se mostrarán las conclusiones obtenidas de la implantación de estos sistemas. Para terminar se muestran las nuevas tecnologías de comunicación inalámbricas (GSM, GPRS,UMTS) su adaptación a la telegestión, sus ventajas y desventajas en el momento actual.

 

2. INTRODUCCIÓN

La creciente automatización de los procesos de producción industriales ha representado un incremento de la complejidad de los sistemas de control. Dichos sistemas basados en tecnologías digitales han requerido aumentar su capacidad, en cuanto al número de variables que pueden tratar, su velocidad de procesamiento y su capacidad de comunicación. Esta complejidad dificulta la diagnosticabilidad de los fallos que puedan producirse. Por otro lado en sistemas altamente automatizados es una exigencia natural que el diagnostico de fallos se realice de forma automática. El objetivo final es optimizar la disponibilidad, fiabilidad y seguridad de los procesos de producción.

A modo de ejemplo, un taller de montaje o ensamblado de piezas (figura 1) habitualmente presenta los siguientes elementos: robots, manipuladores, sistemas de trasporte de piezas, autómata de control, sensores, actuadores,...

Figura 1-Instalación Industrial

Las necesidades de diagnóstico automático de fallos en el sistema de monitorización o en el propio autómata se enfrenta con los siguientes problemas:

• Complejidad derivada del elevado número de variables con las que se trabaja, aunque muchas de ellas sean binarias.
• Dificultad para la observabilidad de todos los estados y transiciones, ya que algunas transiciones son muy rápidas y no quedan registradas por el sistema de monitorización.
• Dificultades para la separabilidad entre fallos. La separabilidad entre fallos habitualmente se consigue a través de la redundancia de información. La redundancia de información se obtiene por redundancia física (varios sensores que aportan la misma información) o lógica (las relaciones entre la variables incluyendo la secuenciación temporal). Esta redundancia no siempre está presente y es observable. La redundancia de información puede ser determinista o probabilística.
• Requerimientos para la detección de fallo en tiempo real para evitar la propagación del fallos a otros subsistemas, las consecuencias del fallos y la rápida reparación y puesta en marcha del sistema.

Se plantea entonces la necesidad de un sistema de diagnóstico y guiado del operario, de tal forma que se consiga un sistema que ayude al mantenimiento, reduciendo con ello el tiempo de diagnóstico y enciclado rápido, lo cual redunda en un aumento de disponibilidad propia de la instalación.

1. ARQUITECTURAS DEL SUPERVISOR/DIAGNOSTICADOR. OBTENCIÓN DE LA INFORMACIÓN.

Los métodos de diagnóstico de fallos basados en Eventos Discretos, [VJ88], [FR93], [BC94], [LIW88] ,[LW88], [LIN94], [CDF88], [RW87] se pueden clasificar en dos grandes grupos dependiendo de cómo se encuentre el sistema a diagnosticar: diagnóstico on-line y diagnóstico off-line. Los procedimientos para cada uno de los casos se tratan de forma separada. En el diagnóstico off-line tenemos el sistema disponible para poder realizar pruebas sobre él, se pueden mandar secuencias de comandos y obtener las evoluciones del sistema (equivale a una verificación de funcionamiento correcto del sistema). Para el caso de sistemas on-line, los métodos fundamentales de detección de fallos están basados en redes de Petri. La implantación general se realiza a través de un sistema de control-supervisor capaz de evaluar la etapa en la que se encuentra el proceso y tomar las decisiones oportunas si se encuentra en una situación de fallo. En este caso el método se basa en modelos Grafcet y el sistema de control se encuentra implementado en un autómata industrial y para la toma de decisiones se puede necesitar de un interprete fuzzy por ejemplo. El problema de estos sistemas on-line son fundamentalmente dos:

• Deben resolver los problemas de la explosión combinatoria, para lo cual se está definiendo diferentes estratégicas, entre las que destacan los métodos basados en descomposición modular, [RW87], [WR88], [GAR99], sin embargo el principal problema que se encuentran es determinar un método sistemático de descomposición que permita aplicarlo a sistemas complejos.
• Los sistemas on-line desarrollados actualmente trabajan sobre sistemas cuya evolución se puede monitorizar completamente, pudiéndose implementar el módulo supervisor-diagnosticador de forma externa, [GAR99], este esquema, que es con el que se trabaja en procesos poco complejos con evoluciones lentas, se puede comportar de forma ineficiente en sistemas con una evolución muy rápida. Para resolver este problema se han optado por realizar las siguientes modificaciones, [OCH00] :

1.- El sistema de diagnóstico se encuentra implantado en el sistema de control (autómata).

• Si se quieren depurar fallos de los módulos de diagnostico, o aumentar el diagnóstico a fallos que en un principio no se tuvieron en cuenta, será necesario modificar el código, donde también se encuentra el código de control.
• La capacidad para aplicar algoritmos avanzados de diagnosticabilidad y "enciclado rápido" dependen de la potencia y flexibilidad de programación del autómata.
• No se puede conseguir una gran interactividad con el usuario. Estos sistemas se limitan a realizar un diagnosticado de la avería, en el caso de una avería "esporádica", no aportan nada de ayuda al operario de cara a un "enciclado rápido".

2.- El sistema de diagnóstico y supervisión se implementa en una solución mixta (equipo externo-sist. de control).

• Gran flexibilidad y potencia para implementar el sistema de diagnosticabilidad. Lo cual se traduce en un menor coste de desarrollo.
• El sistema de diagnóstico-supervisión es independiente del sistema de control. Se pueden realizar modificaciones de forma fácil en la herramienta de diagnóstico y guiado, es decir, no es necesario implementar completamente el sistema de diagnóstico en la puesta en marcha de la instalación.
• Completa herramienta de guiado de intervención. Se puede conseguir un "interface" amigable con el operario y facilmente adaptable a la instalación.

• Necesita de un ordenador para ser implementado. Aunque en algunos casos no es así, pues se puede implementar en el mismo ordenador que posee las pantallas de explotación (si posee los requerimientos necesarios).
• Se deben hacer ciertas adaptaciones al programa de control. La herramienta necesita cierta información procedente del sistema de control.
• Si el autómata no posee libre ninguna vía de comunicaciones habrá que añadir una tarjeta de comunicaciones para poderse comunicarse con la herramienta de diagnóstico y guiado.

En el proceso de diagnosis se hace necesario la obtención de información del sistema, si además construimos diferentes diagnosticadores, que se ejecuten sobre diferentes equipos. En este sentido, se hace necesario el uso de pasarelas o puentes entre protocolos de red de fábrica y buses de campo. En la figura siguiente se muestra una ubicación típica de estas pasarelas creadas como puente entre la red de fábrica (Ethernet) y una red basada en Bus local (p.e ModBus).

Figura 2

1. NUEVAS TECNOLOGÍAS

La difusión de las nuevas tecnologías basadas en Internet ha revolucionado todos los sectores entre los que se encuentra el mantenimiento, gran reducción de costes, además, la estabilización y mejora de los nuevos sistemas de comunicación inalámbrica han abierto nuevas posibilidades en este campo.

La estructura mínima más eficiente, y totalmante compatible con el esquema comentado en los apartados anteriores, sería la siguiente:

• Base de Datos con el registro de todas las alarmas y variables del sistema. La actualización de la base de datos se realizará mediante aplicaciones con acceso a los servidores que hacen de puentes.
• Servidor Web interno (publicación de páginas HTML y WML), con acceso a la base de datos y con módulos de generación de páginas dinámicas (ASP,PHP, Servlets,...). Se dotará al sistema con capacidad para realizar consultas vía navegador de Internet o mediante navegador WAP, con accesos restringidos por niveles.
• Sistema de gestión de alarmas. Con capacidad para gestionar y generar mensajes SMS, tendrá conexión con el programa de gestión integral de mantenimiento (G.M.A.O.) de forma que gestione eficientemente los equipos de mantenimiento.

A continuación se muestra el esquema general:

Figura 3

1. CONCLUSIONES

Debido al aumento de los niveles de automatización, tendremos sistemas con un funcionamiento muy complejo, complicadas interacciones entre una gran cantidad de subprocesos. Por ello será necesario implementar diferentes estrategias de diagnóstico de fallos dentro de los niveles de supervisión, para ello serán necesario usar una estructura de adquisición de datos flexible que permita trabajar desde todos los niveles a la vez que permite una sencilla integración de las nuevas tecnologías basadas en Internet y comunicaciones inalámbricas, dotarán de mayor potencia a las herramientas de gestión del mantenimiento a la vez que se reducen los costes de su desarrollo.

2. REFERENCIAS

[BC94] Bavishi, B., and Chong, E., "Automated fault diagnosis using a discrete event systems framework," in Proc. 9^th IEEE Int. SYMP. Intell. Contrtr. pp. 213-218. 1994.

[CDF88] Cicslak, Desclaux, Fawaz, and Variya. "Supervisory control of discrete event processes with partial obsevations," IEEE Trans. Automat. Contr., vol. 33, no 3, pp. 249-260, Mar 1988.

[FR93] Ferreiro, R., Rodriguez, B. , "Process control failure diagnostic fuzzy expert system", International Conference on Fault diagnosis, TOOLdiAG’93, Toulouse, april 5-7, 1993.

[GAR99] Garcia Moreno, E. "Modular Fault diagnosis based on discrete event systems for a mixer chemical process", Congreso ETFA-99, Barcelona España 18-21 Octubre, 1999.

[LIN94] Lin, F "Diagnosticability of discrete-event systems and its applications," J. DEDS, vol4, no 2, pp. 196-212, 1994.

[LIW88] Lin, F. and Wonham, M. "Decentralized supervisory of discrete-event systems," Inform. Sci. Vol 44, pp. 199-224. 1988..

[MP94] de Miguel, Perán,J.R. "Sistema para la detección y diagnóstico de fallos utilizando red neuronal" Libro en memoria de Vicente Alixandre.pág. 317-323. Universidad de Valladolid 1994.

[MP96] de Miguel, Luis J. and J.R. Perán, "Métodos de Detección y Diagnóstico de Fallos Basados en el Modelo de la Planta", Informática y Automática, pp. 3-29, Marzo 1996.

[OCH00] Olmos Herguedas, Francisco Javier, Cárdenas Cuevas, C., Herrero Marcos, J.M. , Sainz Palmero, G. "Sistemas de Supervisión de Procesos Industriales que permitan el diagnóstico de fallos y la ayuda al mantenimiento". 4º Congreso Español de Mantenimiento. Barcelona. Noviembre 2000.

[RW87] Ramadge, P.J. and Wonham, M. , "Supervisory control of class of discrete-event processes," SIAM J. Contr. Optimization, vol. 25, no 1, pp.206-230, Jan 1987.

[SIL89] Silva, M., Valette, R., "Petri Nets and Flexible Manufacturing", In Advances in Petri Nets, Lectures Notes in Computer Sciences, Vol.: 424, New York, Springer-Verlag, pp.: 374-417, 1989.

[VJ88] VisWanadham, N. and Johnson, T.L., "Fault detection and diagnosis of automated manufacturing systems," in Proc. 27^th Conf. Decision Contr., Austin, pp. 2301-2306, 1988

[WR88] Wonham, M. and Ramadge, P.J, "Modular supervisor control of discrete event systems," Math. Contr. Optimization, Signals, and Syst., vol. 1, no. 1, pp.13-30 Jan

3. CORRESPONDENCIA

Francisco Javier Olmos Herguedas¹Clemente Cárdenas Cuevas¹

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(²) Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales. ETSII

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