Tese de Doutoramento. Engenharia electrotécnica e de Computadores. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2004

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.

Esta dissertação propõe o estudo de um sistema de levantamento de dados e informações do chão de fábrica, baseando-se em conceitos de MES (Manufacturing Execution System) e em tecnologias de comunicação em rede de campo. Este sistema é capaz de garantir ações de monitoramento no chão de fábrica, como na comunicação de informações a diferentes áreas de uma corporação, integrando-se como um sub-sistema a um sistema de gestão integrado (Enterprise Resource Planning - ERP). Este sistema de levantamento de informações do chão de fábrica será integrado utilizando padrões de comunicação entre dispositivos e máquinas no ambiente industrial (I/O Bus) e módulos de software de monitoramento. Neste trabalho, o desafio adotado para ilustrar a tecnologia proposta envolve a integração de uma bancada que simula uma célula automática, constituída de atuadores e sensores controlados, por um controlador lógico programável (CLP), a sua integração a um software supervisório de processo e a geração de informações e sua disponibilidade para uma área de gerência corporativa. / This text considers the study of a data-collection and information system of shop-floor of a simulated industrial plant, based on concepts of MES (Manufacturing Execution System) and on technologies of communication in field bus. This system is capable to guarantee action of supervision of the industrial shop-floor, as in the communication of information the different areas of a corporation, combining itself as a subsystem to a major integrated system of management (ERP). This system of survey of shop-floor information will be integrated using standards of communication between devices and machines in the industrial environment (I/O Bus) and modules of supervision software (SCADA). In this work, the adopted challenge to illustrate the technology proposal involves the integration of an automatic cell, which consists the experiment environment, consisting of sensors and controlled actuators, for programmable logical controller (PLC), its integration to supervisory software of process and the generation of information and its availability for an area of corporative management.

A necessidade de gestão e controle otimizados dos processos está cada vez mais presente nos dias atuais. Assim sendo, devido também à exigência de integrar tais processos aos diversos setores da economia, têm-se exigido respostas cada vez mais eficientes da engenharia da automação. Os recursos hídricos do planeta e os respectivos processos de tratamento e distribuição também têm sido alvo de pesquisas destinadas ao desenvolvimento de novas tecnologias e metodologias de automação para melhorar a eficiência dos sistemas de controle e gestão. Este trabalho de pesquisa apresenta uma nova proposta sistêmica de gestão de sistemas de tratamento de água com base nos atuais desenvolvimentos científicos e tecnológicos da instrumentação inteligente e das redes de campo. Assim sendo, esperase contribuir para a otimização operacional de sistemas de tratamento de água, uma vez que uma plataforma de automação mais poderosa permitirá implementar algoritmos de controle mais rigorosos e eficientes. / The need for optimized process management and control is increasingly present nowadays. Therefore, due to the necessity of integrating such processes into several economic segments, there is a pressing demand for more efficient responses from the automation engineering sector. The planet?s water resources and respective water treatment and supply processes have also been the subject matter of research for the development of new automation technologies and methodologies to improve the efficiency of control and management systems. This study submits a new systemic management approach for water treatment systems based on the current scientific and technological development of intelligent instrumentation and field networks. Therefore, this study intends to contribute to the operational optimization of water treatment systems since a more powerful automation platform will enable the implementation of more strict and efficient control algorithms.

A necessidade de gestão e controle otimizados dos processos está cada vez mais presente nos dias atuais. Assim sendo, devido também à exigência de integrar tais processos aos diversos setores da economia, têm-se exigido respostas cada vez mais eficientes da engenharia da automação. Os recursos hídricos do planeta e os respectivos processos de tratamento e distribuição também têm sido alvo de pesquisas destinadas ao desenvolvimento de novas tecnologias e metodologias de automação para melhorar a eficiência dos sistemas de controle e gestão. Este trabalho de pesquisa apresenta uma nova proposta sistêmica de gestão de sistemas de tratamento de água com base nos atuais desenvolvimentos científicos e tecnológicos da instrumentação inteligente e das redes de campo. Assim sendo, esperase contribuir para a otimização operacional de sistemas de tratamento de água, uma vez que uma plataforma de automação mais poderosa permitirá implementar algoritmos de controle mais rigorosos e eficientes. / The need for optimized process management and control is increasingly present nowadays. Therefore, due to the necessity of integrating such processes into several economic segments, there is a pressing demand for more efficient responses from the automation engineering sector. The planet?s water resources and respective water treatment and supply processes have also been the subject matter of research for the development of new automation technologies and methodologies to improve the efficiency of control and management systems. This study submits a new systemic management approach for water treatment systems based on the current scientific and technological development of intelligent instrumentation and field networks. Therefore, this study intends to contribute to the operational optimization of water treatment systems since a more powerful automation platform will enable the implementation of more strict and efficient control algorithms.

Dissertation submitted for obtain the degree Doctor in Electrical and Computer Engineering, at the Faculty of Engineering of the University of Porto, under supervisory Prof. Francisco Vasques and Prof. Eduardo Tovar

Esta dissertação propõe o estudo de um sistema de levantamento de dados e informações do chão de fábrica, baseando-se em conceitos de MES (Manufacturing Execution System) e em tecnologias de comunicação em rede de campo. Este sistema é capaz de garantir ações de monitoramento no chão de fábrica, como na comunicação de informações a diferentes áreas de uma corporação, integrando-se como um sub-sistema a um sistema de gestão integrado (Enterprise Resource Planning - ERP). Este sistema de levantamento de informações do chão de fábrica será integrado utilizando padrões de comunicação entre dispositivos e máquinas no ambiente industrial (I/O Bus) e módulos de software de monitoramento. Neste trabalho, o desafio adotado para ilustrar a tecnologia proposta envolve a integração de uma bancada que simula uma célula automática, constituída de atuadores e sensores controlados, por um controlador lógico programável (CLP), a sua integração a um software supervisório de processo e a geração de informações e sua disponibilidade para uma área de gerência corporativa. / This text considers the study of a data-collection and information system of shop-floor of a simulated industrial plant, based on concepts of MES (Manufacturing Execution System) and on technologies of communication in field bus. This system is capable to guarantee action of supervision of the industrial shop-floor, as in the communication of information the different areas of a corporation, combining itself as a subsystem to a major integrated system of management (ERP). This system of survey of shop-floor information will be integrated using standards of communication between devices and machines in the industrial environment (I/O Bus) and modules of supervision software (SCADA). In this work, the adopted challenge to illustrate the technology proposal involves the integration of an automatic cell, which consists the experiment environment, consisting of sensors and controlled actuators, for programmable logical controller (PLC), its integration to supervisory software of process and the generation of information and its availability for an area of corporative management.

Dissertação apresentada para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Professor Doutor Adriano da Silva Carvalho