1. Introducción

La industria ha evolucionado acorde a las necesidades de nuevas eras con un mercado que exige sus productos de forma acelerada, los múltiples procesos deben ser monitorizados y controlados continuamente para garantizar la mayor calidad de los artículos de venta. En la industria se puede agrupar dos tipos de redes para los diferentes niveles de la pirámide de automatización: información e industriales (Salt & V. Casanova, 2008). Varios elementos distribuidos por la planta no trabajan de manera aislada, las redes industriales surgieron como una solución para comunicarlos. Las redes de información basadas en protocolo internet (por sus siglas en ingles IP – Internet Protocol) se han limitado a trabajar en los últimos niveles de la pirámide de automatización, esto es debido a que trabaja con gran volumen de datos y su respuesta no es en tiempo real. Las redes de información solo han sido aplicadas a tareas de transmisión de datos o comercio electrónico, un sistema de control basado en redes de información presenta una generalización de comunicaciones en la pirámide de automatización (Gamiz & Gamiz, 2011). Los sistemas de control convencionales usan múltiples medios de comunicación exclusivos entre controlador y los diferentes actuadores y sensores de campo, los sistemas de control en red (en adelante NCS por sus siglas en ingles Network Control Systems) se caracterizan por usar un único medio para comunicarse con todos los elementos de campo, no tan solo sensores y actuadores sino todo dispositivo capaz de obtener una dirección IP (Casanova, 2005).

Las redes de información tienen un gran potencial en sistemas de control, sin embargo, los diferentes problemas que se presentan por ser un sistema de comunicación no determinístico, limitan su aplicación en varios campos de acción. Uno de los principales problemas de NCS son los retardos aleatorios en transmisión de datos, las redes de información basadas en direcciones IP presentan períodos asíncronos en la comunicación de la red. Al existir un único medio de comunicación la cantidad de dispositivos comprometen la eficiencia de la red incrementando los tiempos de retardo (Salt & V.Casanova, 2008). La acción del controlador depende de la evolución temporal de la variable de interés, muchos procesos requieren de respuestas en tiempo real con valores de frecuencias de muestreo elevadas.

Muchos investigadores han propuesto diferente tipos soluciones que pueden reducir el efecto de los retardos aleatorios en la comunicación como:

- Sistema de control en red no lineal basado en el control FNN (red neuronal difusa) que se utiliza para resolver problemas de retardos de red en vista de que los sistemas no lineales a menudo están involucrados en incertidumbres, arquitectura compleja y dificultad para modelar y simular en condiciones de red. Basado en el modelado modularizado TPCS de Matlab / Simulink (Feng, Da-l, & Ding, 2015).

- Algoritmos de control no lineales de dos entradas y dos salidas para NCS con retrasos de tiempo aleatorios no gaussianos, donde se investiga una regresión automática no lineal general. La media móvil con modelo exógeno se utiliza para describir la planta (Bogdan, Wilamowski, & Irwin, 2016).

- Estrategia de control tolerante a fallas basada en la función de compensación de red neuronal de función de base radial para una clase de sistema de control en red con retardo de tiempo aleatorio (Chuan, Yifei, & Qingwei, 2017).

- Sistemas de control en red distribuidos en función de pares gráficos y topologías de red dedicada, control basado en eventos (Xiaohua, Fuwen, & Qing-Long, 2017).

El control basado en eventos se define cuando el lazo de realimentación está cerrado solo si un evento indica que el error de la señal controlada excede de un límite tolerable y desencadena una transmisión de datos desde los sensores a los controladores y los actuadores (Pillajo & Hincapie, 2018). Los múltiples beneficios que se obtienen de control por eventos son básicamente la liberación de carga innecesaria de trabajo para el controlador y red ya que solo es necesario realizar una respuesta bajo ciertos parámetros del sistema y no del tiempo.

Figura 1.
Muestreo basado por eventos y tiempo. Fuente: Pillajo & Hincapie (2018).

Los NCS son una tecnología en desarrollo que presenta múltiples problemas por ser sistemas de comunicación no deterministas. El presente proyecto se plantea establecer conocimiento práctico y teórico para la aplicación de redes de información en sistemas de control en red basado en eventos. Varias soluciones se limitan a simulaciones, al implementar un NCS en la realidad se puede valorar las posibles soluciones. También se implementa otro algoritmo para compensar la ausencia de información producida por los retardos de la red, una función lineal basada en los datos de sensores y actuadores que estimará el posible comportamiento de la planta.

En este trabajo se analiza la eficiencia del control por eventos y la función lineal de compensación en 2 procesos de control. La planta PID y de temperatura son de respuesta rápida y lenta, respectivamente. En la planta PID la variable medida presenta una elevada sensibilidad ante una acción en el sistema. Para sistemas de este tipo se requiere de una elevada frecuencia de muestreo, la variable medida cambia drásticamente en valores menores al segundo. Posiblemente la respuesta del actuador no equilibra el sistema por los retardos introducidos por la red. La variable medida en el proceso de temperatura no es tan volátil ante una acción, mantiene una cierta estabilidad temporal. En primer lugar, se describe las características y dispositivos del NCS implementada. A continuación, se revisan los algoritmos de control y configuraciones de red programados en los controladores, se establece el ciclo de trabajo de los nodos. Finalmente, con los resultados obtenidos del sistema se presenta el comportamiento de un sistema de control asíncrono en red, como afecta el control por eventos y la función lineal de compensación a la estabilidad del sistema.

La metodología a usar está basada en un estudio teórico y empírico. Se utiliza varias estrategias para la recolección y posterior análisis de datos.

2.1. Diseño del sistema

Se explica las características de cada elemento de la red. Se detallan los procesos de control y la distribución de sensores, actuadores y controlador en los diferentes bucles de control. Se define la arquitectura de la red.

2.2. Desarrollo del prototipo

Se explica el funcionamiento de los diferentes nodos, como se gestiona la información entre sensores, actuadores y controlador de la red. Se detalla el funcionamiento de los algoritmos de control, control por eventos y función lineal de compensación.

Se puede escoger entre los dos tipos de tintura, blanco-negro y colores. El tipo de tintura Blanco-Negro y colores, deben de cumplir con los parámetros establecidos, ver Tabla 1. Al finalizar el proceso automáticamente el ventilador se enciende a la máxima velocidad para bajar la temperatura del cautín.

Referencias

Ahn, H., Orlik, P., Guo, J., Wang, Y., & Chenyang, L. (2019). Programación dinamica optima de sistemas de control inalambricos en red. Conferencia internacional ACM/IEEE sobre sistemas ciberfisicos.

Bogdan, M., Wilamowski, J., & Irwin, D. (2016). Industrial Communications Systems - CR-Press.