Studiu de caz privind utilizarea modelelor IEC 61499 in controlul holonic de nivel inalt

În cadrul acestei lucrări sunt explorate soluţii de aplicare a specificaţiilor IEC 61499 în modelarea şi implementarea controlului de nivel înalt al holonilor. Conceptele IEC 61499 au fost utilizate ca o tehnologie suport pentru încapsularea controlului inteligent al holonilor, modelarea comunicaţiei interholonice şi configurarea dinamică a holonilor. Modelele şi teoriile propuse au fost validate în cadrul unui sistem de control holonic dezvoltat în jurul unei celule de asamblare. Index Terms — function blocks, holonic control, IEC 61499, multi-agent systems. Valentin VLAD, Adrian GRAUR, Cristina Elena TURCU, Calin CIUFUDEAN Ştefan cel Mare University of Suceava {vladv | adriang | cristina | calin}@eed.usv.ro Intrări de date Ieşiri de date Ieşiri de evenimente Intrări de evenimente 7 International Conference on Microelectronics and Computer Science, Chişinău, Republic of Moldova, September 22-24, 2011 2 Activarea unui bloc funcţional este realizată prin intermediul evenimentelor conectate la acesta, de unde şi expresia de „execuţie controlată de evenimente”, care reprezintă o caracteristică de bază a standardului. Evenimentele permit sincronizarea şi interacţiunea dintre mecanismele de control din cadrul unei reţele de blocuri funcţionale. Trimiterea datelor între două blocuri funcţionale este însoţită totdeauna de generarea unui eveniment de către blocul emiţător, care asigură sincronizarea şi citirea corectă a datelor la receptor [9]. Alte elemente cheie definite în cadrul standardului sunt aplicaţia, resursa, dispozitivul şi sistemul. O aplicaţie este văzută ca o reţea de blocuri funcţionale interconectate între ele, care defineşte în mod complet, dar abstract, funcţionalitatea sistemului, fără a lua în considerare modul în care va fi distribuită la nivelul dispozitivelor de procesare. Aplicaţiile pot fi structurate ierarhic prin gruparea blocurilor funcţionale care le compun în cadrul unor subaplicaţii. O resursă poate fi privită ca un container pentru o reţea de blocuri funcţionale şi corespunde unui procesor, fir de execuţie sau task (în terminologia IEC 61131-3), care execută o parte din aplicaţia distribuită. Un dispozitiv reprezintă o unitate de control care poate conţine zero, una sau mai multe resurse, împreună cu interfeţe de proces şi interfeţe de comunicaţie. Un sistem este definit ca un set de dispozitive interconectate prin reţele de comunicaţie. Tehnologiile software deţinute de IEC 61499 permit aplicarea sa atât în dezvoltarea componentelor „low-level” ale aplicaţiilor de control, cât şi în dezvoltarea unor componente software inteligente, cum ar fi cazul unor agenţi. Standardul nu defineşte însă nici un protocol pentru interacţiunea dintre aceste componente inteligente, acest lucru rămânând subiectul unor dezvoltări ulterioare. III. ASPECTE PRIVIND MODELAREA ŞI IMPLEMENTAREA HOLONILOR Arhitectura PROSA [8] identifică în cadrul unui sistem de fabricaţie holonic trei tipuri de holoni de bază: holoni resursă, holoni produs şi holoni comandă. Holonii resursă gestionează echipamentele de producţie din sistem, holonii produs sunt responsabili de planificarea tehnologică a produselor, în timp ce holonii comandă coordonează execuţia diferitelor comenzi primite de la utilizatorii sistemului. În cadrul acestei lucrări a fost considerată pentru holonii resursă o arhitectură pe trei niveluri (Fig. 2), similară celei propuse în [1]. Un holon resursă va conţine una sau mai multe entităţi non-holonice, reprezentate de dispozitive mecatronice simple şi logica de control asociată, care acoperă nivelul fizic, respectiv cel al logicii de control. Entităţile non-holonice sunt coordonate de o componentă inteligentă, aflată pe nivelul de coordonare, care încapsulează controlul de nivel înalt al holonului. Ca şi exemplu pentru acest tip de holon se poate considera o celulă de asamblare constituită dintr-un robot de asamblare şi un set de dispozitive de fixare şi transport, care conlucrează sub coordonarea unei componente software inteligente. Componentă Inteligentă Holon resursă (Echipament inteligent) Dispozitiv Fizic 2 Controler DF2 Controler DF3 Dispozitiv Fizic 1 Controler DF1 Entitate non-holonică Coordonare Nivelul fizic Logica de control Dispozitiv Fizic 3 Senzori Actuatori Fig. 2. Arhitectura unui holon resursă În cadrul lucrării s-a propus dezvoltarea controlului inteligent al unui holon în forma a două componente: o componentă conştientă, cu rol în realizarea de raţionamente complexe şi participarea în procese de negociere, şi o componentă subconştientă, care să asigure gestionarea conexiunilor „de lucru” (de timp real) dintre holoni, şi rezolvarea de probleme simple ridicate de controlul fizic al acestora, prin utilizarea de soluţii predefinite. Holonii individuali pot fi grupaţi în holoni complecşi, permiţând formarea de holarhii multi-nivel. Ca şi exemplu se poate considera cazul servirii unei comenzi primite de la un client. La primirea unei comenzi este instanţiat un holon comandă (holon individual), care analizează specificaţiile produsului care se doreşte a fi realizat şi decide dacă acesta este un produs simplu sau un produs compus. Un produs simplu este considerat ca fiind realizabil doar prin operaţii de prelucrare (de exemplu strunjire, frezare etc.), aplicate unei singure componente semifabricat, în timp ce un produs compus este constituit din mai multe produse simple, asamblate pe diferite niveluri (Fig. 3). Produs simplu Produs simplu Produs compus Produs simplu Produs simplu Produs compus Produs compus Asamblare – Nivel 1 Asamblare – Nivel 2 Semifabricat Semifabricat Semifabricat Semifabricat Prelucrare Fig. 3. Modul de realizare a produselor simple şi compuse În cazul în care produsul comandat de client este unul simplu, holonul comandă va începe un proces de negociere cu holonii resursă din sistem, capabili să execute operaţiile produsului. Rezultatul negocierilor va consta în formarea unei „echipe” (holon complex) constituită din holonii resursă selectaţi pentru execuţia operaţiilor, şi holonul comandă, care deţine rolul de coordonator al echipei. Considerând cazul unui produs compus, acesta poate fi realizat prin asamblarea mai multor componente, fie simple, fie, la rândul lor, compuse. Un prim pas în realizarea produsului ar consta în verificarea disponibilităţii 7 International Conference on Microelectronics and Computer Science, Chişinău, Republic of Moldova, September 22-24, 2011 3 componentelor. În cazul în care acestea există pe stoc, echipa de realizare a produsului va consta din holonul comandă, holonul corespunzător depozitului (care asigură livrarea componentelor), holonul sistemului de transport şi un holon resursă selectat pentru realizarea asamblării implicată de produs. În caz contrar, holonul comandă va instanţia alţi holoni comandă, de nivel inferior, care se vor ocupa de realizarea componentelor. Procesul de descompunere a activităţilor produsului va continua până la nivelul produselor simple, sau al celor aflate pe stoc, conducând la formarea de holarhii multi-nivel (Fig. 4). În cadrul acestor holarhii, planificările de pe nivelurile superioare se vor realiza funcţie de cele de pe nivelurile inferioare şi pot fi influenţate, în timpul execuţiei, de modificările acestora, datorate apariţiei unor perturbaţii. În Fig. 4 comanda clientului, de realizare a produsului A, este preluată de holonul comandă al holonului A. Acesta constată că produsul A este compus din două componente, B şi C, care nu se găsesc pe stoc, şi instanţiază, pentru realizarea acestora, doi holoni comandă de ordin inferior, care vor forma holonii B şi C. Produsul C este un produs simplu şi, ca urmare, holonul C va avea o structură plată, fiind constituit doar din holoni cu inteligenţă simplă (holoni de prelucrare, holon depozit, holon transport, holon comandă). Produsul B este însă compus din componentele D şi E, care nu sunt disponibile, ceea ce conduce la formarea sub-holonilor D şi E. Produsul D este simplu, şi ca urmare structura holonului D va avea un singur nivel (în mod similar holonului C), iar componentele produsului E (care este compus) sunt disponibile pe stoc, nefiind necesară instanţierea de noi sub-holoni. Odată cu finalizarea unui produs, holonul comandă corespunzător acestuia va fi eliminat, iar echipa (sau holarhia) de realizare a produsului „desfiinţată”. Holon comandă Holoni prelucrare Holon transport Holon depozit Holon comandă Holon asamblare Holon transport Holon depozit Holon comandă Holoni prelucrare Holon transport Holon depozit Holon comandă Holon asamblare Holon transport Holon comandă Holon asamblare Holon transport Holon A