Cómo utilizar simuladores basados en multiagentes para scada en aplicaciones del ámbito industrial

Abstract

Esta tesis aborda el problema de cómo utilizar simuladores ABM para la supervisión, control y adquisición de datos (SCADA) en aplicaciones del área industrial. Mayormente el uso de los simuladores se limita a la etapa de diseño y en algunos casos se extiende a la interacción con el entorno real de manera temporal, como es el caso de HIL o Co-Sim. En este trabajo se propone su uso desde la etapa inicial, hasta el despliegue del mismo, dejando la simulación para SCADA permanente de la aplicación final. Implementar la solución de esta manera tiene, al menos, una ventaja: la posibilidad de agilizar el despliegue de sistemas que interactúan con la realidad, como es el caso del entorno industrial. Esto se puede lograr por medio de una serie de herramientas que se presentan en esta tesis y que permiten aprovechar gran parte del modelo que ya ha sido verificado y validado mediante simulación y embeber únicamente una pequeña parte del mismo en el componente de la realidad que se desea supervisar y/o controlar. Realizar SCADA en tiempo real utilizando simuladores, como se plantea en esta tesis, presenta un principal desafío, el de poder cerrar el lazo de supervisión y control lo suficientemente rápido para que no haya pérdida de mensajes y datos. Para hacer frente a este desafío, se dota a los componentes de la realidad de una cierta autonomía, convirtiéndolos en agentes y se realiza una representación del entorno real mediante una simulación que se sincroniza con la realidad, todo ello concebido mediante una entidad denominada ALOHA. ALOHA significa Abstraction/Architecture/Approach that Leads to Organize Hybrid/Heterogeneous Agents y, aunque el nombre representa un acrónimo, parte de una base más filosófica en la que se considera que todo agente ‘educado’ debería saludar al iniciar y finalizar el acto comunicacional. Utilizar simuladores con el enfoque planteado en esta tesis implica proveer al diseñador de un entorno de trabajo (framework) integrado por herramientas que permitan implementar el modelo del sistema, la arquitectura de control, el agente ALOHA, el modelo de sincronización y una metodología que sugiera cómo llevar a cabo todo el proceso desde el diseño hasta el despliegue. Implementar lo ya detallado dentro del entorno industrial implica también que esta solución tenga en cuenta los desafíos actuales y futuros de esta área, como pueden ser cuestiones relacionadas con robustez, flexibilidad, adaptabilidad, evolutividad etc., sin perder de vista los requerimientos de las tendencias a nivel industrial como lo son la Industria 4.0, las Smart Factories y el I2oT (de Industrial Internet of Things). Finalmente, para la validar la hipótesis de esta tesis, se construyeron dos demostradores en dos aspectos distintos del control en el área industrial, el primero relacionado con el sistema de transporte de muestras en laboratorios automáticos utilizando AGVs y el segundo, con el control de un elemento de un sistema de manufactura, representado por una celda de producción compuesta por un brazo neumático. Los dos sistemas han sido desarrollados e implementados con las herramientas elaboradas fruto de este trabajo y los resultados, analizados en cuanto a calidad de sincronización, restricciones de tiempo real y agilidad en cuanto a su implementación.

This thesis addresses the problem of how to use ABM simulators for supervisory control and data acquisition (SCADA) of applications in the industrial area. Typically, simulators are used in the design processes of SCADA developments and, in some cases, they require interaction with the real environment temporarily, like when HIL or Co-Sim techniques are used. This work proposes the use of simulators from the initial stage to the deployment phase, keeping them as SCADAs for the final applications. To implement the solution as proposed in this work has, at least, the advantage of shortening the deployment stage of systems that interact with reality, such as the industrial ones. This can be achieved through a series of tools presented in this thesis and that take advantage of as much of the simulation model as possible, i.e. only a small part of the very model that has been verified and validated during simulation is required to be embedded into the real components that will be monitored and/or controlled. To perform real-time SCADA by using simulators, as proposed in this thesis, presents a major challenge, defined as the need of closing the control loop quickly enough to not losing any message. To face this challenge, the components of reality are provided by a certain autonomy, thereby, turning them into agents and, representation of real environment is shown by performing a simulation that is synchronized with reality, all conceived by an entity called ALOHA. ALOHA stands for Abstraction/Architecture/Approach that Leads to Organize Hybrid/Heterogeneous Agents and, although the name is an acronym, it has a philosophical basis which considers that every 'educated' agent should greet at the start and end of the communicational act (as most of humans do). Simulators’ use under the proposed approach involves providing the designer of a working environment (framework) made of tools to implement the system model, the control architecture, the ALOHA agent, the synchronization module, and a methodology to carry the whole process out from early design stages to final deployment phases. The creation of the above mentioned framework in the industrial domain cannot be done without taking into account the current and future challenges in this area, such as issues related to robustness, flexibility, adaptability, scalability, evolvability, etc., without losing sight of the requirements of the industry trends, as presented in Industry 4.0, Smart Factories and I2oT (Industrial Internet of Things), for instance. The hypothesis of this work has been validated by building two distinct demonstrators in the industrial control domain, the first one related to the sample transport system in automated laboratories by using AGVs, and the second one, to a production cell that uses a pneumatic robot-arm. Both systems have been developed and implemented with the tools of this work and results have been analyzed for synchronization quality, real-time constraints and implementation agility.