Modelado de un enlace vía Internet para aplicaciones de teleproceso

Mario R. Modesti
2006
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Tesis de Doctorado en Ingeniería Mención Electrónica
Facultad Regional Córdoba, Universidad Tecnológica Nacional
Ing. Mario R. Modesti
“Modelado de un enlace vía interNET para aplicaciones de teleproceso”
Director:
Dr. Ing. José F.Postigo
CoDirector: Dr. Ing. Luis R. Canali
Resumen:
La comunicación de datos se ha convertido en una parte fundamental de los sistemas en
general, ya sea como medios y tecnologías de información o de control como se ha
expresado en algunos medios de jerarquía [The Economist].
Debido a la proliferación de sistemas de comunicaciones de diferentes protocolos y
estándares se debió optar por mecanismos de comunicación que pudieran interconectarse sin importar las diferencias de plataforma y prestaciones.
Un gran aporte hacia esta integración fue el desarrollo de las redes de datos en sus
diferentes tipologías y prestaciones
Lamentablemente las redes de datos son entidades independientes que tienen como
objetivo satisfacer las necesidades del grupo al que pertenecen. El usuario selecciona el
hardware de acuerdo a las prestaciones que pretende obtener, algunos requieren
velocidad de datos, sacrificando grandes distancias de cobertura, otros requieren volumen
de comunicaciones, o cubrir áreas distantes sin importar la velocidad.
Durante los últimos años ha evolucionado una nueva tecnología que permite interconectar
muchas redes físicas diferentes y hacerlas funcionar en modo coordinado, de esta manera
nace lo que se conoce como InterNETworking.
Esta tecnología de red de redes permite la conectividad sin importar los detalles de
hardware de red y permite una comunicación independientemente de las conexiones
físicas.
Debido que los protocolos citados son la base de InterNET, es necesario tener una clara
visión de la diferencia entre sistemas de redes que se conectan por medio de ellos y la
arquitectura de InterNET misma.
Asumiendo que InterNET es una herramienta cada vez más presente en nuestro medio,
sea académico, corporativo, o industrial, es necesario tener una idea cabal del comportamiento de la red de redes en el caso que se encuentre inscripta en el medio de un
sistema de control de procesos, como parte de el.
La motivación de este trabajo de Tesis se resume en la necesidad de adquirir un
conocimiento más profundo del comportamiento del enlace de datos llevado a cabo por
medio de una red como la descripta, y además disponer de herramientas de evaluación y
modelado capaces de brindar un modelo matemático que represente el enlace de datos a
ser utilizado.
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Considerando que el futuro de las comunicaciones pasa por la integración de diferentes
sistemas para conformar un único ambiente multipropósito, y aceptando que InterNET es
el paso final hacia dicha integración, es posible aceptar que las tecnologías de
comunicaciones y transmisión de datos anteriores solo fueron los pasos preliminares que
permitan comprender esta evolución.
Un sistema de control de proceso, donde los actuadores y sensores están interconectados por medio de una red datos como la planteada, conforma un verdadero sistema de
control distribuido en tiempo real.
La red se explota en diferentes áreas de trabajo, no tan solo para uso gubernamental o
universitario, sino que InterNET también se encuentra disponible para todos los niveles
de la sociedad.
Como un aporte en este terreno, se propone este trabajo que permita el análisis de un
sistema a lazo cerrado por medio de un enlace vía interNET.
Existen infinidad de aplicaciones descentradas que requieren de un enlace eficiente y los
casos se multiplican a escala industrial en la medida que las empresas y corporaciones
comienzan a distribuir sus recursos.
Existen otros casos donde los riesgos que implican la cercanía al proceso obligan a
alejarse del mismo para operarlo. A continuación se citarán algunas de las aplicaciones
más requeridas en diferentes ámbitos
Aún es incipiente la integración de medios de control a lazo cerrado por medio de redes
como interNET debido a la limitada confiabilidad del enlace, no obstante marcan una
tendencia firme para el mediano plazo.
La innovación que se propone en la Tesis responde a la integración de nuevos conceptos
tecnológicos para generar aplicaciones reales en la industria [Modesti M., Canali L. R.,
Destefanis E.,2001].
El crecimiento exponencial del tráfico en la interNET hace peligrar el enlace de datos a
una cadencia de muestreo determinada.
De manera que la motivación primaria de este trabajo, está inscripta en la utilización
masiva de redes interconectadas por medio de protocolos multiplataforma que permitan el
control a lazo cerrado de procesos, permitiendo un medio de comunicación económico
pero conociendo las limitaciones impuestas por la saturación operativa de las mismas.
En el ámbito de sistemas a lazo cerrado existen algunas aplicaciones emblemáticas por la
solicitud de recursos necesarios para garantizar la eficiencia requerida, a continuación se
presentan las más destacadas de los últimos años.
La telegestión robótica es una de ellas [Robetta Alberto, Sala Remo, Wen Xia, Togno
Arianna,1996], requiriendo retorno de información del manipulador para la correcta gestión
del manipulador sumamente delicado en el caso de cirugía.
Existen algunos ensayos para intentar reemplazar el enlace vía satélite, limitante a nivel
de costo y disponibilidad en tiempo, concretamente por medio de Internet [Oboe Roberto,
Fiorini Paolo].
En ambos casos es importante obtener un modelo lo más cercano posible para poder
disponer de certeza en la información de fuerza reflejada del manipulador operado
telemáticamente.
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El objetivo primario de esta Tesis es proveer un estudio en simulación del modelado de
sistemas a lazo cerrado por medio de redes de difusión cuyo caso general es el enlace de
un teleproceso vía interNET.
Se procederá a la selección de un proceso a lazo cerrado al cual se le incorporará la
vinculación del lazo directo y de realimentación por medio de InterNET a semejanza de un
proceso distribuido, donde la comunicación de datos de control del sistema estará
expuesta al comportamiento de retardo provocado por la red.
El problema primario de esta estructura es que el enlace de datos, lejos de ser
determinístico propone una estructura de variación de los tiempos de retardo variable.
Los factores que influyen en la variabilidad del enlace de datos pueden deberse a
diferentes razones, a detallar:
- Variación del tráfico
- Retardo de transmisión
- Pérdida de paquetes
- Diferentes ruteos de paquetes
El modelo final contemplará la variabilidad de retardo que es el problema central del
enlace de datos, modelado como un agente de distorsión en las señales reconstruidas
después del canal de comunicación.
Se propone un estudio detallado de los subsistemas que constituyen interNET inscriptos
en la recomendación ISO/OSI de sistemas abiertos, dando particular atención en el
impacto de retardo que producen los protocolos utilizados para la comunicación y el ruteo
de paquetes de dato.
Se implementará, a escala de simulación un modelo de control SISO cuyo tiempo de
muestreo sea del orden de la media de retardo del sistema de red que utilizará para
comunicar el lazo.
Se seleccionará un proceso de tal manera que incluya un enlace del lazo por medio de
interNET, cuyas características dinámicas permitan una incidencia notable de los retardos
de comunicaciones
El estudio de tiempos de servicio y tráfico de la red serán los ingredientes que afectarán el
enlace de datos.
Dadas las características de distribución geográfica de la red, lo que implica una difícil
implementación experimental, se propone el desarrollo de un modelo simulado de
interNET que contemple las características de un enlace real.
La plataforma de red seleccionada será por medio de la red Ethernet, el protocolo de
comunicación será TCP/IP o UDP/IP de acuerdo al resultado que arroje el estudio de
ambos protocolos, y la comunicación requerirá una interfase Socket.
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El modelo de red evolucionará, pasando de una topología LAN , a intraNET, y finalizará en
el modelo aceptable de interNET que permita ser incorporado en fase de simulación en el
lazo de control SISO para evaluar el comportamiento del enlace.
Para obtener el modelo de interNET simulado se propone una evolución sistemática
desde un segmento de red sin ruteo que será extraído de un modelo simulado existente
c
para un segmento 10Base-T 6 [M Garrity Stuart, 2002].
La última fase del trabajo propone el desarrollo de un modelo analítico de interNET que
permita estudiar la compensación adaptiva del sistema de control.
Para llegar al modelo analítico de internet, se estudiarán los fundamentos estocásticos de
un sistema LTI para seleccionar finalmente una estructura posible.
El modelo simulado de interNET será incrustado en el lazo de control, y por medio de
identificación se obtendrá el modelo que presente la mejor reproducción de
comportamiento.
Desde el estudio del comportamiento y análisis desde redes de área local, se toma como
base, Ethernet, que es comúnmente utilizada en cualquier ámbito sea industrial como
universitario.
Estas aplicaciones son las de mayor presencia en los estudios sobre redes y ofrecen
modelos matemáticos y de simulación que bien se pueden tomar como punto de partida.
En esta óptica se hace un aporte de base operativa, desarrollando un proceso de control
de un sistema SISO vinculado por medio de Ethernet, generando algunos resultados
experimentales sobre el problema preliminar de la incorporación de una red de datos de
difusión en el lazo de control, como se discutirá en capítulos posteriores.
A diferencia de los trabajos existentes, se propone un enlace totalmente asíncrono entre
los dos nodos participantes, vale decir no hay sincronización ni de hardware ni de
software, esto permite orientar el trabajo hacia la red de redes aportando mayor robustez
al planteo.
Se realizarán simulaciones por medio de transmisión de señales para determinar el
resultado de la distorsión producida en los nodos destino de la red simulada.
Se analizarán los resultados de la simulación del modelo propuesto de interNET, y la
justificación de considerarlo LTI en determinado rango de servicio de la red.
El modelo se identificará para obtener la formulación de la expresión de la función de
transferencia / ecuación de estado.
Se validará el sistema identificado, comparándolo con la respuesta del sistema propuesto
como interNET simulado, se dejará abierto el camino para la validación con el sistema real
y la posterior compensación del control.
Dado que se considera en este trabajo un enlace totalmente distribuido sin sincronización
entre nodos, y la distancia a la que se encuentran los mismos (a lo largo de interNET) no
permite una cómoda o al menos razonable política de adquisición de datos.
Se considera como un aporte el hecho de desarrollar un modelo de simulación de la red,
considerando algunos aportes de otros autores, para luego identificar el sistema
propuesto y en una fase de experimentación y validación del modelo se puedan comparar
los resultados experimentales con los reales, sin necesidad de grandes inversiones y
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onerosas implementaciones de hardware con el uso de una herramienta de simulación
formidable como es MatLab®.
Por otra parte el enfoque del modelo dirigido a la distorsión producida por los retardos y el
tráfico de la red constituye una visión diferente de los efectos producidos por la red en el
lazo de control.
Fecha de admisión a la carrera: Resolución CSU UTN 873/2000
09/11/2000
Defensa de Tesis:15/11/2006
Publicaciones generadas por este trabajo de Tesis
“Modelo Simulink® de una Intranet para procesos a lazo cerrado”
Mario R. Modesti, José F. Postigo, XVIII Congreso Argentino de Control Automático
AADECA 2004, Set 2004 Buenos Aires - Argentina
“Ethernet delay evaluation by an embedded real time Simulink® model PC in
asynchronous mode”, Mario R. Modesti, Luis R. Canali, XVIII Congreso Argentino de
Control Automático AADECA 2004, Set 2004 Buenos Aires - Argentina
“Real time platform for evaluation of processes with networks included in the loop”
Mario R. Modesti, X Reunión de Trabajo en Procesamiento de la Información y Control
RPIC, Oct 2003 San Nicolas – Argentina
"Telecontrol de una planta pasteurizadora vía intranet / internet ", J.F.Postigo, V.A.Smut,
L.A.Baigorria, M.R.Modesti, XVIII Congreso Argentino de Control Automático AADECA
2002, Sept 2002 Buenos Aires - Argentina
"Estructura Jerárquica de Buses para Control de un Vehículo Autónomo"
Mario Modesti, Luis Canali, Eduardo Destefanis, 5to Congreso Interamericano de
Computación Aplicada a la Industria de Procesos CAIP’2001, Oct 2001 San Pablo - Brasil
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