Sistema de monitorización para la industria 4.0. Un enfoque basado en sistemas ciberfísicos

Toapanta Guacapiña, Alex Patricio (2018). Sistema de monitorización para la industria 4.0. Un enfoque basado en sistemas ciberfísicos. Thesis (Master thesis), E.T.S.I. Diseño Industrial (UPM).

Description

Title: Sistema de monitorización para la industria 4.0. Un enfoque basado en sistemas ciberfísicos
Author/s:
  • Toapanta Guacapiña, Alex Patricio
Contributor/s:
  • San Segundo Carrillo, Pablo
  • Beruvides López, Gerardo
Item Type: Thesis (Master thesis)
Masters title: Ingeniería Electromecánica
Date: 2018
Subjects:
Freetext Keywords: Monitorización industrial, Mecanizado industrial, Sistemas ciberfísicos
Faculty: E.T.S.I. Diseño Industrial (UPM)
Department: Ingeniería Eléctrica, Electrónica Automática y Física Aplicada
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

La fábrica del futuro desafía grandes retos relacionados con la eficiencia y la competitividad, donde se busca aumentar la productividad y aportar al mercado productos más personalizados, de mayor calidad y con menores tiempos de entrega. Para lograr este objetivo la industria debe someterse a un proceso de evolución, en el cual, la gestión de la información proveniente desde las diferentes áreas debe ser gestionada de forma eficiente y en tiempo real, para así ser flexibles y atender de manera eficaz las demandas, cada vez más particulares y cambiantes de los clientes. La evolución industrial apuesta por un elevado grado de automatización y de digitalización de las fábricas, recurriendo al uso de Internet y redes virtuales, con el objetivo de que se conviertan en fábricas inteligentes (“Smart-Factories”) caracterizadas por la intercomunicación en tiempo real entre los diferentes equipos de producción que componen el proceso de fabricación. Hoy en día, muchas de las arquitecturas utilizadas para monitorización de procesos físicos están comprometidas de cierta manera por los altos costes y por la no disponibilidad de los equipos necesarios para su implementación. El presente trabajo propone una alternativa a los inconvenientes de las arquitecturas de elevado coste, mediante el diseño e implementación de una arquitectura un ordenador de bajo coste (Raspberry Pi 2 modelo B) para la monitorización y visualización de variables características de máquina-herramientas en procesos de fabricación. Dicha arquitectura combina los principios de los Sistemas Ciberfísicos industriales permitiendo la interacción con cada uno de los dispositivos mediante un sistema multi-clientes-servidor desarrollado en lenguaje Python capaz de procesar, almacenar y visualizar extraída directamente de cada dispositivo físico de la red. Además, durante el proceso de monitorización cada usuario tendrá acceso en tiempo real a una serie de estados, alarmas y reportes de eventos ocurridos en el proceso durante su ejecución. El nodo central (implementado en Raspberry Pi) de la propuesta actúa como servidor global de múltiples clientes, en el cual se tendrá disponible la información proveniente de los ordenadores industriales pertenecientes a cada máquina-herramienta. El servidor es el encargados de establecer conexión con el PLC/CNC de cada una de las máquina-herramientas disponibles, y mediante una aplicación desarrollada se logra la extracción de las variables de estado disponibles en los procesos de mecanizado industrial. Finalmente, se ha desarrollado una serie de experimentos para la validación y refinamiento de la arquitectura implementada en las instalaciones del Centro del Automática y Robótica, sede de Arganda del Rey, Madrid. En particular, el grupo GAMHE cuenta con dos centros de mecanizados industriales en los cuales se ha ejecuta el proceso de monitorización, extrayendo variables reales de proceso durante la explotación de las mismas. Basándose en los resultados obtenidos se puede concluir que el sistema diseñado e implementado cumple con los estándares de los sistemas de monitorización actuales. Además, se ha trazado como líneas futuras la integración de los resultados parciales introducidos por el presente Trabajo de Fin de Máster dentro de la arquitectura en la nube (Cloud as a Platform) para la monitorización, modelado, optimización, aprendizaje y reparametrización de procesos industriales complejos para la creación de un demostrador industrial para la Fábrica del Futuro o Industria 4.0 en el marco de estrategia GAMHE 4.0. ----ABSTRACT---- The factory of the future affronts major challenges related to efficiency and competitiveness. It seeks to increase productivity and provide the market with more personalized products, of higher quality and with shorter delivery times. To achieve this objective, the industry must undergo a process of evolution, in which the management of information from different areas must be managed efficiently and in real time, in order to be flexible and effectively meet the demands, more and more individual and changing customers. Industrial evolution is committed to a high degree of automation and digitization of factories, using the Internet and virtual networks, with the aim of becoming smart factories characterized by real-time communication between the different production lines during the manufacturing process. Nowadays, many architectures used for monitoring physical processes are compromised in a certain way by the high costs and by the unavailability of the necessary equipment for their implementation. The present work proposes an alternative to the disadvantages of high cost architectures, focused on the design, implementation and validation of a low cost computer architecture (Raspberry Pi 2 model B) able to motorize and visualize characteristic variables of machine tools in manufacturing processes. This architecture combines the principles of Industrial Cyber-Physical Systems, allowing interaction with each of the devices through a multi-clients-server system developed in Python language with the capability of manage, storage and visualize the extracted information directly from each physical device present in the industrial ecosystem. In addition, during the monitoring process each user will have access in real-time to a series of states, alarms and reports of events that occurred during the manufacturing process. The central node (implemented in Raspberry Pi) acts as a global server for multiple clients (machine-tools), in which the information coming from the industrial PCs allowed in the PLC/CNC system. The industrial server is responsible for establishing a connection with the PLC/CNC of each of the available machine tools, and by means of a developed application the extraction of the state variables available in the industrial machining processes is achieved. Finally, a series of experiments has been executed during the architecture validation and refinement process in the facilities of the Automation and Robotics Center (CAR-UPM), Arganda del Rey, Madrid. In particular, the GAMHE group has two industrial machine centers in which the monitoring process has been executed, extracting real process variables during the operation tasks. Based on the results obtained, it can be concluded that the system designed and implemented meets the standards of the current monitoring systems. In addition, the integration of the partial results introduced by the present approach into the cloud architecture (Cloud as a Platform) for the monitoring, modeling, optimization, learning and reparametrization of industrial processes has been outlined as future lines. Complexes for the creation of an industrial demonstrator for the Factory of the Future or Industry 4.0 within the framework of the roadmap GAMHE 4.0.

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Item ID: 52623
DC Identifier: http://oa.upm.es/52623/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:52623
Deposited by: Bilioteca ETSIDI
Deposited on: 15 Oct 2018 10:09
Last Modified: 15 Oct 2018 10:09
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