Estructura de control para procesos de producción desde el paradigma de los sistemas holónicos de manufactura

Abstract

En los últimos años se encuentra la necesidad de establecer nuevas estructuras de control en sistemas de fabricación. Existen requerimientos que se derivan de las complejas exigencias del mercado actual, que no se abarcan por los esquemas tradicionales de tipo jerárquico. Por tal motivo nuevos modelos hacen frente a estas demandas, como los basados en entidades inteligentes, que son hoy en día realidad. Estos modernos paradigmas surgen debido a que las técnicas de programación juegan un papel cada vez más importante, dentro de los sistemas de producción distribuida (no jerárquico). Un caso particular son los holones, que se consideran software de entidades autónomas e inteligentes. Un holón puede contener un recurso físico que se conecta mediante protocolos adecuados de comunicación, como el que se encuentra estandarizado por la norma IEC 61499. En este trabajo se propone validar una estructura de control para procesos de producción, desde el paradigma de los Sistemas Holónicos de Manufactura o HMS. Este objetivo se soporta desde la teoría desarrollada en los sistemas dinámicos a eventos discretos, de manera que se satisfagan las propiedades de autonomía, flexibilidad, cooperación, proactividad y reactividad de la arquitectura holónica. La metodología que se plantea es de tipo holística. Primero se comparan las definiciones, ventajas y desventajas –entre otras características– de las arquitecturas tradicionales de cara a los sistemas de fabricación holónicos. Desde esta perspectiva, posteriormente se presentan las técnicas y teorías en la supervisión y el control de sistemas de producción, de acuerdo a los niveles de ISA-95. Al final se desarrolla y se valida un HMS, que se implementa sobre un caso de estudio. En los resultados que se obtienen, se describe el sistema HMS a un nivel detallado y basado en modelos con UML, IDEF0 y Redes de Petri. Se caracteriza la arquitectura holónica de forma estructural y dinámica. Luego se valida mediante el uso de un controlador lógico programable, sobre una planta en 3D con Factory I/O. El autómata PLC se programa con las normas IEC 61131-3 e IEC 61499-1 y se logra conectar a una interfaz hombre máquina (HMI), para interactuar con el sistema. Se concluye que el HMS implementado tiene las propiedades holónicas mínimas de autonomía, cooperación y reactividad. Además, este es más eficiente porque está orientado al cumplimiento de misiones y metas globales. Se considera una arquitectura adaptable a cambios y robusta ante posibles perturbaciones. Este trabajo se prevé como una fuente de información de valor significativo para futuras propuestas en HMS. Esta tesis es útil para desarrollo de sistemas automatizados industriales de tipo inteligente, y basados en la Unidad Holónica de Producción UPH.

In recent years there is a need to establish new control structures in manufacturing systems. There are requirements that derive from the complex demands of the current market, which are not covered by traditional hierarchical schemes. For this reason, new models face these demands, such as those based on intelligent entities, which are nowadays reality. These modern paradigms arise because programming techniques play an increasingly important role in distributed (non-hierarchical) production systems. A particular case is the holons, which are considered software of autonomous and intelligent entities. A holon may contain a physical resource that is connected by suitable communication protocols, such as the IEC 61499 standard. In the present work, it is proposed to validate a control structure for production processes, from the Holonic Systems or HMS paradigm. This objective is supported by the theory developed in dynamic systems to discrete events, so as to satisfy the properties of autonomy, flexibility, cooperation, proactivity and reactivity of holonic architecture. The methodology is holistic. First, the definitions, advantages, and disadvantages –among other characteristics– of traditional architectures for holonic manufacturing systems are compared. From this perspective, the techniques and theories are presented in the supervision and control of production systems, according to ISA-95 levels. At the end, an HMS is developed and validated, through a case study implementation. On the results obtained, the HMS system is described at a detailed level and based on models with UML, IDEF0 and Petri Nets. Structural and dynamic holonic architecture is characterized. It is then validated by the use of a programmable logic controller, on a plant in 3D with Factory I / O. The PLC is programmed according to the IEC 61131-3 and IEC 61499-1 standards and It can be connected to a human-machine interface (HMI), in order to interact with the system. It is concluded that the architecture implemented has minimal holonic characteristics, such as autonomy and cooperation. It is also more efficient because it is geared towards fulfilling global missions and goals. It is considered an HMS architecture adaptable to changes and robust to possible disturbances. This work is envisaged as a source of information of significant value for future proposals in HMS. This thesis is useful for the development of intelligent industrial automated systems, based on the holonic Product Unit PU.