Una plataforma para aplicaciones de control distribuido en tiempo real

El Proyecto Ocean

Marcelino Novo. Responsable Tecnológico de CNC de Fagor Automation
e-mail: mnovo@fagorautomation.es
01/06/2005

El proyecto europeo Ocean, perteneciente a la iniciativa IST del V Programa Marco, pretende desarrollar una plataforma para aplicaciones de control distribuido en tiempo real. Esta plataforma admitirá la integración dinámica de componentes del sistema de control basados en especificaciones abiertas, permitiendo así la configuración de un sistema de control flexible y adaptado a cada aplicación específica.

Todos los intentos que se han realizado durante los últimos años para tratar de establecer una plataforma de comunicaciones estandarizada en el campo de la automatización y los controles abiertos (por ejemplo Osaca, Omac y Opc) tienen un problema común: su falta de capacidades en tiempo real en entornos de hardware distribuido.

La idea básica de Ocean es continuar con la filosofía de Osaca, adoptando sus beneficios, pero realizando mejoras importantes por el hecho de utilizar las nuevas tecnologías disponibles.

Objetivos del proyecto

Los dos objetivos principales del proyecto son:

1 - La definición y realización de una plataforma para sistemas de control distribuidos en tiempo real, que llamaremos DCRF (Distributed Control system Real-time Framework). Esta plataforma estará disponible como código abierto (open source) y podrá ser utilizada por controles numéricos basados en sistemas de comunicaciones estandarizados. El DCRF será capaz de albergar componentes de control en plataformas abiertas distribuidas y proporcionará un API (Application Programming Interface) para comunicaciones en tiempo real.

Para facilitar el desarrollo de productos competitivos reduciendo el coste y el tiempo de desarrollo del software, el DCRF estará basado en componentes de código abierto, por ejemplo RT-Linux o RTAI como sistema operativo y RT-Corba como sistema de comunicaciones estandarizado. Corba y RT-Corba son sistemas de comunicaciones que se han desarrollado fuera del mundo de la automatización, son conocidos y utilizados por una gran cantidad de usuarios y que están evolucionando continuamente gracias a la filosofía de código abierto. Al final del proyecto, el código del DCRF será asimismo de libre disposición.

Esta estrategia facilitará una amplia aceptación industrial de la nueva plataforma en el mundo de los sistemas de control abiertos. Para hacer sencilla la utilización del DCRF, se implementarán una serie de componentes de propósito general: sistema de configuración, cargador, etc. Para conseguir controles robustos y seguros, se integrarán mecanismos inteligentes de seguridad, tanto en el nivel del sistema de comunicaciones como en el nivel de los componentes de la aplicación, que no están suficientemente cubiertos en las plataformas existentes.

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Figura 1: Marco de Control Distribuido en Tiempo Real
La figura 1 muestra la estructura del DCRF y los componentes del sistema de control. Es importante destacar que los componentes pueden residir, indistintamente, en el mismo nodo hardware de la red o en nodos distintos.

2 - La definición y realización de una arquitectura de referencia de un control numérico para máquina herramienta abierto y basado en componentes. Los resultados conseguidos en anteriores proyectos de investigación, como Osaca o Hümmos, no son suficientemente flexibles y granulares. Para poder utilizar las ventajas que ofrece un sistema de control abierto es necesario extender la arquitectura de referencia existente y descomponer los bloques monolíticos en componentes con interfaces claramente definidos y descritos de una forma estandarizada, como puede ser el lenguaje IDL.

La arquitectura de referencia no estará disponible como código abierto, pero sí serán públicos los interfaces estandarizados de los componentes de control para máquina herramienta, que harán uso del DCRF. Estos interfaces serán publicados y recogerán nuevas aportaciones y aplicaciones de usuarios de las tecnologías de control (Figura 2). Esto posibilitará la integración de nuevas funcionalidades y software de terceros, utilizando únicamente la descripción estandarizada del interface, sin necesidad de adaptaciones adicionales.

La arquitectura de referencia basada en componentes que se desarrollará en el proyecto Ocean será únicamente el punto de partida. Esta especificación de aplicaciones de sistemas de control irá ampliándose en el futuro.

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Figura 2: Arquitectura de referencia de un CNC basado en componentes

Descripción del trabajo a realizar

En primer lugar se analizarán los sistemas operativos en tiempo real existentes, analizando ventajas y desventajas y teniendo en cuenta aspectos tales como comportamiento en tiempo real, interfaces y disponibilidad en forma de código abierto. A continuación se ampliarán e integrarán las capas de los niveles más bajos (hardware, bus del sistema y sistema operativo) con el sistema de comunicaciones (RT-Corba), de manera que puedan servir como plataforma tiempo real para un sistema de control distribuido.

Posteriormente se realizará el diseño, implementación y validación de la arquitectura de referencia. La primera fase se centrará en los componentes que son absolutamente necesarios para poder controlar una máquina herramienta: interface usuario-máquina (HMI), kernel de motion control, PLC y cinemáticas (Figura 3). Utilizando los interfaces del DCRF, se podrá, por ejemplo, sustituir el HMI para adaptarlo a tareas específicas o adecuarlo a la experiencia del usuario. También será posible que el fabricante de la máquina herramienta desarrolle su propio componente de cinemáticas y lo pueda reutilizar en controles abiertos de diferentes fabricantes.

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Figura 3: Subdivisión de un control basado en componentes
En la segunda fase se tratarán los componentes no cubiertos todavía por ninguna de las arquitecturas de referencia existentes. Son los denominados componentes de extensión: filtros, control de procesos, seguridad y gestor de canales.

Finalmente, para mostrar los resultados obtenidos y ver la viabilidad de los nuevos controles abiertos basados en el DCRF, se implementarán cinco demostradores en algunos de los controles abiertos existentes:

  • Simulador de máquina herramienta.
  • Fresadora de tres ejes.
  • Fresadora de cinco ejes.
  • Máquina herramienta para mecanizar madera.
  • Máquina herramienta de cinemática paralela.

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Fagor Automation, S.Coop.

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