Identificación y detección de fallas en accionamiento utilizando NN-NARX

In this paper, the use of a Nonlinear Auto Regressive eXogenous Neural Networks model or NN-NARX for identification and fault detection in the actuator of an industrial thermal process is presented. Initially, the techniques of fault detection and diagnosis are exposed; then, emphasis is placed on the models of Artificial Neural Networks for identification and fault detection. Subsequently, the control system of a thermal process used as a case study is described. A monitoring system allows data recording under normal operation conditions for identification using the NN-NARX model. The model is used for residual online generation due to faults that are introduced randomly. Finally, the results of residual generation and evaluation are presented. The designed system is useful for implementation through a hardware device that can be incorporated into the process equipment and support the operator in the presence of failures.En este artículo se presenta la utilización de un modelo de Red Neuronal no lineal Auto Regresivo de Variable Exógena o NN-NARX (por sus siglas en inglés), para la identificación y detección de fallas en un accionamiento de un proceso térmico industrial. Inicialmente, se exponen las técnicas de detección y diagnóstico de fallas; luego, se hace énfasis en los modelos de Redes Neuronales Artificiales para identificación y detección de fallas. Posteriormente, se describe el sistema de control de un proceso térmico utilizado como caso de estudio. Un sistema de monitorización permite el registro de datos en condiciones normales de operación para la identificación usando el modelo NN-NARX. El modelo es utilizado para la generación en línea de residuos ante fallas que son introducidas aleatoriamente. Finalmente, se presentan los resultados de la generación y evaluación de residuos. El sistema diseñado es útil para la implementación a través de un dispositivo hardware que puede incorporarse en el equipo del proceso y apoyar al operador ante la presencia de fallas

Metodología de evaluación de usabilidad de interfaces humano-máquina

This paper presents the implementation and validation of an Usability Evaluation methodology of Human-Machine Interfaces (HMI) in industrial supervision systems. Initially, the basic aspects of Usability Evaluation of software-based systems are presented. Then, the methodology; which uses a Supervisory Control and Data Acquisition system (SCADA), an event log system (EVENT LOGGER), a classification program of events in usability criteria, and an Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System (ANFIS) is described. The methodology was applied to various operator interfaces for plant monitoring. Finally, to check the validity of the methodology, a hypothesis test was performed against two other traditional methods: expert inspection and user inquiry. It was determined that the proposed methodology is equivalent to the other two, but its advantage is being fully automated. The results will be considered for widespread application in the design of Human-Machine Interfaces in any technological system to improve the performance of the evaluation.Este artículo presenta la aplicación y validación de una metodología para la evaluación de la usabilidad de interfaces humano-máquina (IHM) en sistemas de supervisión industrial. Inicialmente, se presentan los aspectos fundamentales de evaluación de usabilidad de sistemas basados en software. Luego, se describe la metodología, que utiliza un sistema de adquisición de datos para supervisión y control de procesos (SCADA), un sistema de registro de eventos (EVENT LOGGER), un programa de clasificación de eventos en criterios de usabilidad, y un sistema adaptativo de inferencia neuro-difusa (ANFIS). La metodología fue aplicada a varias interfaces de operador para la monitorización de una planta. Finalmente, para comprobar la validez de la metodología se realizó una prueba de hipótesis frente a otras dos metodologías tradicionales: inspección por el experto e indagación a los usuarios. Se determinó que la metodología propuesta tiene equivalencia con las otras dos, pero tiene la ventaja de ser completamente automatizada. Los resultados permitirán ser retomados para su aplicación generalizada en el diseño de interfaces humano-máquina en cualquier sistema tecnológico para mejorar las prestaciones de la evaluación

Visión artificial aplicada al proceso de manufactura

This article presents the results of the implementation of artificial vision and image processing projects applied to a parts manufacturing process. In a first scenario, three-dimensional computational geometric models of the parts to be manufactured were obtained from the capture and processing of thermo-graphic images. In a later stage of the manufacturing process, a direct measurement system for cutting tool wear was implemented using HD images with image processing software using NI Lab VIEW from National Instruments®. In the final stage of parts manufacturing, the development of software (UDmetaL Handbook) for the quantitative metallographic analysis of micrographs for hypoeutectoid steels is presented. The software determines the type of steel based on the percentage of carbon and finds the mechanical properties of the material in a database that is incorporated into the software. The software's basis of operation is computational analysis through digital processing of metallographic images obtained through experimental laboratory processes using NI Lab VIEW software from National Instruments®.En este artículo se presentan los resultados de la implementación de proyectos de visión artificial y procesamiento de imágenes aplicados a un proceso de manufactura de piezas. En un primer escenario se obtuvieron modelos geométricos computacionales tridimensionales de las piezas a fabricar a partir de la captura y procesamiento de imágenes termográficas. En una fase posterior del proceso de fabricación se implementó un sistema de medición directo del desgaste de la herramienta de corte mediante imágenes HD con un software de procesamiento de imagen por medio de NI LabVIEW de National Instruments®. Y en una de las fases finales de manufactura de las piezas se presenta el desarrollo de un software (UDmetaL Handbook) para el análisis metalográfico cuantitativo de micrografías para aceros hipoeutectoides. El software es capaz de determinar el tipo de acero de acuerdo al porcentaje de carbono y con base a éste encontrar las propiedades mecánicas del material con una base de datos que viene incorporada al software. La base de funcionamiento del software es el análisis computacional mediante el procesamiento digital de imágenes metalográficas obtenidas mediante procesos experimentales de laboratorio por medio del software NI LabVIEW de National Instruments®

Tecnologías automatizadas implementadas en la FMS HAS200

This paper presents the automation implemented through a series of projects oriented towards the continuous improvement and development of the didactic systems present in HAS200 flexible manufacturing cells of the Facultad Tecnológica of the Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Through these projects, it has been possible to implement a series of automated improvements such as (i) a virtual environment of the flexible manufacturing cell, geometrically modeled for remote simulation of the didactic processes; (ii) a new automated station for recycling pellets that is integrated with the other stations to classify the raw material in three separate colors; (iii) a new user-machine interface for a Melfa Mitsubishi RV-M1 manipulator arm, which allows the recycling station to be integrated with the rest of the flexible manufacturing cell; iv) an automated gripper design for handling and subsequent opening of containers within the cell; v) an artificial vision system implemented to alternate autonomous transport of product between stations using unmanned ground vehicles; vi) a virtual course for the management and operation of the flexible manufacturing cell. The automation strategies proposed in the HAS200 can be extrapolated to real production environments under the same automation concepts, which makes each result obtained doubly beneficial.En este artículo se presenta la automatización implementada a través de una serie de proyectos orientados hacia el continuo mejoramiento y desarrollo de los sistemas didácticos presentes en celdas de manufactura flexibles HAS200 de la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Por medio de dichos proyectos se ha logrado implementar una serie de mejoras automatizadas como por ejemplo: i) un entorno virtual de la celda de manufactura flexible, modelado geométricamente para la simulación remota de los procesos didácticos; ii) una novedosa estación automatizada para el reciclaje de pellets que se integra con las demás estaciones para clasificar la materia prima en tres colores separados; iii) una nueva interfaz de usuario-máquina para un brazo manipulador Melfa Mitsubishi RV-M1, que permite integrar la estación de reciclaje con el resto de la celda de manufactura flexible; iv) un diseño de gripper automatizado, para la manipulación y posterior apertura de recipientes dentro de la celda; v) un sistema de visión artificial implementado al transporte autónomo alterno de producto entre estaciones mediante vehículos terrestres no tripulados; vi) un curso virtual para el manejo y operación de la celda de manufactura flexible. La automatización propuesta en la HAS200 puede ser extrapolable hacia entornos productivos reales bajo los mismos conceptos de automatización, lo cual hace que cada resultado obtenido sea doblemente beneficioso

Diseño de controladores robustos para una columna de destilación

Objetivo: Este artículo presenta el diseño de contro­ladores robustos para una columna de destilación usando un editor gráfico. Con el desarrollo de la he­rramienta gráfica el proceso de diseño se simplifica.Métodos: El editor gráfico ayuda a calcular las funcio­nes de peso de los criterios de desempeño y de la in­certidumbre de la planta debido a las perturbaciones y realiza su interconexión. Posteriormente, se diseñaron tres tipos de controladores y se analizó su robustez.Resultados: Se realizaron simulaciones en lazo ce­rrado sobre el modelo no lineal, modificando los valores para la tasa de alimentación F y de la com­posición de alimentación zF, y se realizaron simula­ciones suponiendo incertidumbre en los parámetros de las válvulas de control y los sensores.Conclusiones: De las simulaciones en lazo cerrado, se muestra que el proceso logra su estabilidad cum­pliendo con los criterios de desempeño. Los resul­tados obtenidos para la composición en el fondo, presentaron errores inferiores al 0.8%. El controla­dor LMI tuvo resultados satisfactorios para la compo­sición en la cima y en el fondo bajo cualquier tipo de perturbación.Objective: This paper presents the design of robust controllers for a distillation column using a graphi­cal editor. The graphical tool simplifies the design process.Methods: The graphical editor helps calculate wei­ghting functions of the performance criteria and the uncertainty of the plant due to disturbances, and perform their interconnection. Subsequently, three types of controllers were designed and analyzed the robustness.Results: We performed closed loop simulations on the non-linear model, modifying the values of the feed rate F and the feed composition zF, and as­suming uncertainty in the parameters of the control valves and sensors.Conclusions: Closed loop simulations showed that the process achieves its stability by meeting the per­formance criteria. The obtained results for bottom compositions showed errors under 0.8%. The LMI controller obtained satisfactory results for top and bottom compositions under any kind of disturbance

Arquitectura paralela robótica: modelado y simulación con siemens nx®

This article describes the development of parallel architecture using Siemens NX ® platform modeling shown-, given as multifunctional devices designed to move parts or tools through programmed to perform specific tasks movements, consisting of kinematic chains connected to a fixed link. Through the kinematic trajectories versus time links joined by joints which limit their mobility are studied. The development perspective shown is on track to guide classroom implementations of basic robotics labs.  Se muestra el desarrollo de modelamientos basados en la arquitectura paralela, describiendo detalladamente el proceso con la plataforma Siemens NX®; vista esta como dispositivos multifuncionales diseñados para mover partes o herramientas a través de movimientos programados para la realización de tareas específicas, compuestos por cadenas cinemáticas conectadas a un eslabón fijo. Gracias a esta cinemática es posible estudiar las trayectorias de los eslabones en función del tiempo, unidos por juntas, las cuales limitan su movilidad. La perspectiva de desarrollo que se muestra está en la vía de orientar implementaciones de laboratorios presenciales en robótica básica

METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE SALAS DE CONTROL

Una acertada utilización del análisis de Factores Humanos (FH), contribuye de forma primordial al desarrollo de diseños de sistemas tecnológicos altamente especializados, como lo son las Salas de Control (SDC) para la supervisión deprocesos o sistemas. El buen desempeño de las funciones que realizan los operarios en una SDC, depende de la Interacción Humano-Máquina (IHM). La calidad del diseño de una SDC, depende de la exactitud del método adoptado por el tratamiento de los FH con respecto a la automatización, control supervisor e interacciones dinámicas humanas.Un modelo Cognitivo Simple (MCS), basado en la combinación de la Ergonomía Cognitiva (EC) con la Ingeniería, para estudiar el comportamiento humano en actividades de supervisión con miras al diseño de SDC, comprende cuatro fases de modelamiento: un paradigma del comportamiento humano, una clasificación relacionada con las acciones humanas erróneas y su relación con el ambiente de trabajo, y un procedimiento para la aplicación de la metodología en el diseño de SDC. El presente artículo pretende mostrar una metodología de diseño de SDC, adoptando el modelo MCS involucrando el concepto de usabilidad y accesibilidad de producto, a fin de lograr la satisfacción en el contexto de la supervisión de procesos o sistemas

Desarrollo de una metodología de evaluación de usabilidad de interfaces humano-máquina (IHM) para la mejora del Proceso de toma de decisiones en tareas de supervisión industrial

Ésta tesis propone, a partir de los métodos y herramientas para la monitorización y supervisión de procesos industriales automatizados, los fundamentos de la ergonomía cognitiva (Cañas y Waern, 2001) y los conceptos de usabilidad de sistemas interactivos (Benyon, 2013), el desarrollo, aplicación y validación de una metodología para la evaluación de la usabilidad de interfaces de sistemas de supervisión industrial. Inicialmente, se ha planteado una revisión de conceptos sobre cómo se concibe en la actualidad la supervisión industrial en sus etapas básicas, el control, la monitorización, la protección, la detección, el diagnóstico y el aislamiento de fallas en las plantas de procesos industriales. Esta primera investigación, comprende la aproximación a las técnicas basadas en modelos, donde se muestra cómo los sistemas de adquisición de datos y monitorización que se utilizan en la actualidad pueden ser útiles para el diagnóstico del estado del proceso (Isermann, 2011). La información relevante con respecto a las causas y los posibles efectos sobre el proceso, le permitirá al operador de la planta tomar una acertada decisión frente al surgimiento de eventos de falla y el restablecimiento a las condiciones apropiadas de operación. El suministro de la información sobre el estado de la planta es hoy soportada por interfaces humano-máquina (IHM). Posteriormente, se rescatan los conceptos que forman parte del diseño orientado a humanos planteados por la ergonomía cognitiva. La ergonomía cognitiva es una disciplina que establece varios métodos para describir, modelar y simular el procesamiento cognitivo y de comportamiento, la confiabilidad humana y la interacción entre humanos y máquinas. Sin embargo, dado que los sistemas de supervisión se caracterizan por tener un alto grado de interacción entre el operador y las plantas de proceso, es necesario contar con metodologías en cierto grado confiables para la evaluación de las IHM. Para ello, se recurre entonces al concepto de usabilidad y los métodos que actualmente se utilizan para su evaluación. Como objetivo principal, es desarrollada una metodología automatizada para evaluar la usabilidad de IHM, que tiene como innovación un sistema tecnológico que utiliza un sistema de adquisición de datos para control y supervisión (SCADA), un sistema de registro de eventos (EVENT LOGGER), un sistema de clasificación de criterios de usabilidad de acuerdo a los eventos de interacción y un sistema adaptativo de inferencia neuro-difusa (ANFIS), para valorar la usabilidad de la interfaz de interacción del operador con la planta. Para el entrenamiento del ANFIS de la metodología, se utilizaron las interfaces de supervisión de una planta para un proceso de dosificación de líquidos y de un simulador de una planta para un proceso de pasterización. Las interfaces fueron elaboradas por estudiantes de cursos de automatización industrial, sin considerar estándares o aspectos de diseño y valoradas por un experto con base en diez criterios de evaluación de usabilidad. Posteriormente, se llevaron a cabo experimentos de interacción con 30 operadores, que fueron dejando huella de su actividad en el registrador de eventos. Tanto los operadores como el experto, respondieron un cuestionario sobre la valoración de las interfaces. Para la prueba del sistema se utilizaron ocho interfaces y para la validación siete. Para comprobar la exactitud del sistema tecnológico de la metodología, se realizó una prueba de hipótesis frente a la inspección por el experto y la indagación a los usuarios. Con ello, se estableció que la metodología propuesta, tiene equivalencia significativa con respecto a las dos metodologías tradicionales, pero con la ventaja de ser completamente automatizada. El sistema es utilizado para determinar la valoración de la interfaz de supervisión, por la interacción entre operadores y plantas de procesos, establecer las deficiencias y proponer los cambios para el mejoramiento de la interacción. La metodología desarrollada será una herramienta útil para su aplicación en el diseño de nuevas IHM de soporte al operador en actividades de monitorización, control y supervisión de procesos. Igualmente, este desarrollo permitirá ampliar la visión hacía una teoría de la supervisión industrial humana, integrando los conceptos de monitorización, control, detección y diagnóstico de fallas, modelamiento y simulación del procesamiento cognitivo y de comportamiento humano frente a procesos complejos de la ingenieríaAbstract : This thesis proposes, based on the methods and tools for monitoring and supervision of automated industrial processes, the foundations of cognitive ergonomics (Cañas and Waern, 2001) and the concepts of usability of interactive systems (Benyon, 2013), the development, implementation and validation of a methodology for evaluating the usability of interfaces for industrial supervision systems. Initially, it has proposed a revision of concepts on how currently conceived the industrial monitoring, its basic stages, control, monitoring, protection, detection, diagnosis and isolation of faults in industrial process plants. This first investigation, comprising the approach to model-based techniques, which shows how systems of data acquisition and monitoring that are used today, can be useful for the diagnosis of the process state (Isermann, 2011). Relevant information regarding the causes and possible effects on the process, will allow the plant operator make a decision about the emergence of fault events and restoration to the appropriate operating conditions. Providing information on the state of the plant is now supported by the human-machine interfaces (HMI). Subsequently, the concepts that are part of the human centered design taken from cognitive ergonomics design are rescued. Cognitive Ergonomics is a discipline that provides several methods to describe, model and simulate cognitive processing and behavior, human reliability and the interaction between humans and machines. However, given that monitoring systems are characterized by a high degree of interaction between the operator and process plants, are needed reliable methodologies for assessing the HMI. For this, is used the notion of usability and the methods currently used for its evaluation. Main objective is developed an automated methodology for evaluating the usability of HMI, whose technological innovation system using a supervisory control and data acquisition system (SCADA), an event log system (EVENT LOGGER), a system of classification of usability criteria according to interaction events and an adaptive system neuro-fuzzy inference (ANFIS) to assess the usability of the interface operator interaction with the plant. For ANFIS training methodology, a plant supervision interface for liquids dosing process and a plant simulator interface for pasteurization process was used. The interfaces were developed by students of industrial automation courses, regardless standards or design aspects and valued by an expert based on ten criteria for evaluating usability. Later, they conducted experiments of interaction with 30 operators, who were leaving traces of their activity in the event register. Both operators and skilled, they answered a questionnaire on the evaluation of interfaces. For test technological systems were used eight interfaces and for validation seven interfaces. To check the accuracy of the technological system of the methodology, a hypothesis test against inspection by the expert and the inquiry was made for users. This established that the proposed methodology has significant equivalence with respect to the two traditional methods, but with the advantage of being fully automated. The system is used to determine the valuation of the monitoring interface, based on the interaction between operators and process plants, establish gaps and propose changes to improve the interaction. The methodology developed will be a useful tool for use in the design of new IHM support the operator in monitoring activities, control and process monitoring. Also, this development will expand the vision was a theory of human industrial monitoring, integrating the concepts of monitoring, control, fault detection and diagnosis, modeling and simulation of human cognitive processing and behavior in complex engineering processesDoctorad

MODELAMIENTO TEÓRICO Y MODELAMIENTO EMPÍRICO DE PROCESOS, UNA SÍNTESIS.

A model is used as tool for analysis, design and process control system. There exist three fundamental problems that must be born in mind at the moment of the process models: the formulation, the parameters estimation and the validation of the model. The present article tries to show the actual situation of the knowledge of two actual currents used for obtain process models. Emphasizing in the beginning involved in unknown parameters estimation of the process model, and see it adapted that are for the analysis/control of the same one.Un modelo se utiliza como herramienta para el diseño y análisis de un proceso o para el diseño de su respectivo sistema de control. Existen tres problemas fundamentales que deben tenerse en cuenta a la hora de obtener modelos de procesos: la formulación del modelo, la estimación de parámetros y la validación del modelo. El presente artículo pretende mostrar el estado del arte de las dos corrientes actuales empleadas para la obtención de modelos de procesos. Se hace énfasis en los principios involucrados en la estimación de los parámetros desconocidos de un modelo de proceso, y ver lo apropiados que son para el análisis y/o control del mismo

Control robusto de un sistema mecánico simple mediante una herramienta grafica

En este artículo se presenta el diseño de un controlador robusto para un sistema masaresorteamortiguador . Con el fin de realizar un diseño simple, se tomó en cuenta únicamente la incertidumbre en los parámetros de la planta. Los cálculos del problema se realizaron con una interfaz gráfica desarrollada para el diseño de controladores robustos, disponible para la Toolbox de Control Robusto de Matlab Ò . Se pretende que este ejercicio sirva como tutorial de introducción al análisis y diseño de sistemas de control robusto mediante el uso de la interfaz gráfica