ADEX Toolkit para LabVIEW 8Toolkit ADEX para LabVIEW 8 FIGURA 1 – DIRECTORIOS DE INSTALACIÓN...

Adaptive Predictive Expert Control

ADEX Toolkit para LabVIEW 8 Manual de Usuario

Edición Abril de 2008 UM‐TK‐LV8‐01‐ES

Toolkit ADEX para LabVIEW 8

Tabla de Contenido

Sobre este Manual.................................................................................................................. 3 Organización de este Manual ............................................................................................. 3 Convenios Utilizados en este Manual ................................................................................ 3 Documentación Relacionada.............................................................................................. 3

Sobre el Toolkit ADEX para LabVIEW 8................................................................................... 4 Contenido del Paquete....................................................................................................... 4 Requisitos del Sistema........................................................................................................ 4 Procedimiento de Instalación............................................................................................. 4 Aplicaciones del Toolkit ADEX para LabVIEW 8.................................................................. 5

Parte I

Integración de los Controladores ADEX en LabVIEW 8 de National Instruments.................. 6 Introducción ....................................................................................................................... 6 Características básicas del Toolkit ADEX para LabVIEW..................................................... 6 Bloques ADEX ..................................................................................................................... 8 ADEX Initialization .......................................................................................................... 8 ADEX TCP Listener .......................................................................................................... 9 ADEX Controller ............................................................................................................10 ADEX Read Parameter ..................................................................................................11 ADEX Write Parameter .................................................................................................12

Buscador de Parámetros ADEX.........................................................................................13

Parte II

Ejemplo de un problema de control simulado con el Toolkit ADEX .................................... 15 Descripción del Problema de Control...............................................................................15 Representación y Simulación del Sistema en LabVIEW ...................................................16

Manual de Usuario UM‐TK‐LV8‐01‐ES 2


Sobre este Manual

Este manual describe el Toolkit ADEX para LabVIEW 8 de National Instruments. El Toolkit incluye todas las herramientas necesarias para la configuración y ejecución de los controladores ADEX en el entorno LabVIEW.

Organización de este Manual

El manual está dividido en dos grandes bloques: Parte I ‐ Integración de los Controladores ADEX en LabVIEW 8 de National Instruments – se describen los bloques ADEX que componen la librería del Toolkit. Parte II ‐ Desarrollo de un Ejemplo en LabVIEW ‐ se describe la problemática de una aplicación real para el control de la temperatura en un horno de vigas galopantes llegando a la definición de estrategia basada en los controladores ADEX.

Convenios Utilizados en este Manual

Este icono denota una nota, la cual le avisa de información importante.

Este icono denota una advertencia, la cual le avisa de información que no debe pasar por alto para el correcto funcionamiento del sistema.

Documentación Relacionada

La siguiente documentación contiene información que le puede ser de ayuda mientras lee este manual: Metodología ADEX Configurador ADEX



Sobre el Toolkit ADEX para LabVIEW 8

Esta sección lista el contenido del Toolkit ADEX para LabVIEW 8. Describe el procedimiento de instalación y las aplicaciones de Toolkit ADEX para LabVIEW 8.

Contenido del Paquete

El Toolkit ADEX para LabVIEW 8 contiene lo siguiente:

CD del Toolkit ADEX para LabVIEW 8. Manual de Usuario del Toolkit ADEX para LabVIEW 8. Llave Hardware (USB) que proporciona las licencias necesarias para el

uso del sistema ADEX.

Requisitos del Sistema

Su ordenador debe cumplir con los siguientes requisitos mínimos para el uso del Toolkit ADEX para LabVIEW 8. Windows 2000/XP/Vista. LabVIEW 8.0.1 o superior.

Procedimiento de Instalación

Complete los siguientes pasos para la instalación del Toolkit ADEX para LabVIEW 8: 1. Inserte el CD del Toolkit ADEX para LabVIEW 8. 2. Ejecute setup.exe. 3. Especifique la ruta donde se instalará ADEX COP 2 Configurator (dentro

del directorio ADEX, ver Figura 1), y continúe con los pasos de instalación.

4. A continuación siga los pasos para instalar los drivers HASP para la llave Hardware.



FIGURA 1 – DIRECTORIOS DE INSTALACIÓN

Nota: La librería del Toolkit ADEX para LabVIEW se instalará en el directorio user.lib de la versión más reciente de LabVIEW encontrada en su ordenador.

Después de haber completado la instalación, asegúrese de conectar la llave hardware que contiene las licencias para la ejecución de los sistemas ADEX antes de usar el Toolkit ADEX para LabVIEW 8.

Aplicaciones del Toolkit ADEX para LabVIEW 8

La misión de este Toolkit es proporcionar al cliente medios para el diseño de Sistemas ADEX sobre un entorno con el que esté familiarizado con anterioridad. Este es el motivo por el cual se ha realizado la integración de este mecanismo de control adaptativo predictivo experto en LabVIEW, pues se trata de un escenario común tanto en empresas como en centros de estudios de ciencia e ingeniería. El Toolkit ADEX para LabVIEW 8 contiene las herramientas necesarias para el desarrollo de aplicaciones de control, basados en la metodología ADEX, en el entorno de programación LabVIEW, tanto para sistemas basados en PC como para su implementación en sistemas Real‐Time.



Parte I

Integración de los Controladores ADEX en LabVIEW 8 de National Instruments

Introducción

ADEX Toolkit para LabVIEW es una herramienta que permite añadir controladores ADEX a sus VIs que representan sistemas de control basados en esta metodología. Esta librería se integra en LabVIEW 8.x como una librería más, dentro del menú de usuario, por lo que es conveniente que adquiera unos conocimientos básicos de este programa previamente a la utilización de este Toolkit. Para más información sobre este entorno, se recomienda visitar la página web de National Instruments (http://www.ni.com/). En este manual, se describe desde la instalación hasta las características del la herramienta, así como los bloques que la componen. En la Ayuda del toolkit, accesible desde los propios módulos, se incluye un programa a través del cual el usuario podrá conocer los datos de los parámetros ADEX, necesarios para configurar el controlador.

Características básicas del Toolkit ADEX para LabVIEW

Una vez instalado, se podrá acceder a la librería desde la Paleta de Funciones de LabVIEW, como se aprecia en la Figura 2:


http://www.ni.com/


FIGURA 2 – ADEX TOOLKIT EN LA PALETA DE FUNCIONES

La librería de ADEX en LabVIEW consta de cinco elementos, que serán descritos con detalle en las secciones siguientes:

Bloque ADEX Initialization. Bloque ADEX TCP Listener. Bloque ADEX Controller. Bloque ADEX Read Parameter. Bloque ADEX Write Parameter.

El esquema más básico que podremos implementar en LabVIEW contendrá solamente los tres primeros bloques. Los bloques Read Parameter y Write Parameter son opcionales, aunque siempre aparecerán acompañados del conjunto anterior en el caso de que se utilicen. Con ellos conseguiremos mejoras en el sistema, ya que su función es manipular los parámetros de configuración del controlador. Así, por ejemplo, son útiles para el tratamiento de excepciones o limitaciones del proceso real, en los que se desee actuar cambiando algún parámetro ante un evento determinado. Para implementar un proceso controlado por un dispositivo ADEX, el sistema precisa de las siguientes carpetas:

Directorio Ctlrs: En él se almacenarán los ficheros de los controladores de los VIs. Así, si no existe un controlador con el nombre deseado, éste se creará en este directorio, y cada vez que se referencie se tomará este archivo, con los parámetros anteriormente configurados. Además, en esta carpeta tiene que constar un controlador por defecto, denominado ctlrcnf.dfl.



Directorio Logs: Se almacenará en él un archivo de texto cuya finalidad es registrar los mensajes de información o error generados por el/los controlador/es.

Es el usuario el que debe asegurarse de que estas carpetas existen, pues si el sistema no las encuentra, el bloque ADEX Initialization (que se verá más adelante) devolverá un error y no funcionará adecuadamente.

Bloques ADEX

ADEX Initialization

Este VI es el encargado de inicializar el sistema ADEX. Se debe ejecutar una vez al comienzo del primer ciclo, es decir, no es necesario que se vuelva a inicializar el sistema en todas las ejecuciones (en la misma sesión de LabVIEW) si no se introduce un cambio en los parámetros de este bloque. Podemos ver sus terminales en la Figura 3:

FIGURA 3. ADEX INITIALIZATION

Tenemos las siguientes entradas:

Controllers Dir Path (Directorio de controladores): Este terminal se refiere al path al directorio Ctlrs mencionado anteriormente.

Logs Dir Path (Directorio de logs): Como su propio nombre indica, este path será el correspondiente a la carpeta de Logs.

Log Level (Nivel de registro): Según el valor que le apliquemos a este terminal así de concreto será el registro realizado, de tal forma que:

0: Modo de depuración. 1: Mensajes de error e información. 2: Mensajes de error únicamente.

Max Log Lines (Número máximo de líneas): Este número



indicará la longitud del archivo de logs, lo que significa que si se sobrepasara este límite se sobrescribirían las primeras líneas del fichero.

Además de los terminales ya citados, este módulo tiene una salida para verificación:

Error out (Error): En él se podrá leer el resultado de la operación, de tal manera que será 0 si el proceso es correcto. En el caso opuesto, este VI devolverá un código de error. Para más información acerca de los errores, se puede consultar el fichero de texto generado en la carpeta Logs, así como darle valor 0 (depuración) a Log Level.

ADEX TCP Listener

La función de este bloque es poner un puerto TCP a la escucha para comunicar con el Configurador. Por lo tanto, esta parte de la inicialización debe hacerse a la vez que el bloque ADEX Initialization, una vez en la primera simulación del VI. El icono es el siguiente:

FIGURA 4. ADEX TCP LISTENER

Existe una única entrada:

Port (Puerto): Se le pasa el número de puerto a inicializar, por defecto es el 3030.

Por último, incluye un pin de salida:

Error out (Error): Si la salida es distinta de 0 significa que ocurrió

un error durante su ejecución. Para más información acerca de los errores, se puede consultar el fichero de texto generado en la carpeta Logs, así como darle valor 0 (depuración) a Log Level en el bloque ADEX Initialization.



ADEX Controller

Este módulo es el centro de los Sistemas ADEX pues es el controlador propiamente dicho. El icono con sus entradas y salidas aparece representado en la Figura 5:

FIGURA 5. ADEX CONTROLLER

Con respecto a sus terminales de entrada:

SP (Set Point): Valor de consigna o deseado para PV. PV (Process Value): Salida del proceso a controlar. PERT (Perturbation): Entrada disponible para la introducción de

perturbaciones que afecten a PV. AI (Actual Input): Valor real de la última acción de control que

se le aplicó a la planta. Ambos valores no tienen necesariamente que coincidir, debido a limitaciones en el sistema u otras causas.

MODE: Modos de operación del controlador. RC (Rate of Change): Expresa la máxima velocidad de cambio en

PV cuando se encuentra cerca de SP. CP (Control Period): Periodo de control, en segundos. Initialization: La primera vez que se ejecute este VI, este valor

debe ser 1, en el resto de periodos deberá valer 0. COM: Si los datos se reciben correctamente, el usuario deberá

escribir un 1 en este pin. Y sus salidas son las siguientes:

OUT: Acción de control que se debe aplicar a la planta. Error out (Error): En él se podrá leer el resultado de la

operación, de tal manera que será 0 si el proceso es correcto. En el caso opuesto, este VI devolverá un código de error. Para más información acerca de los errores, se puede consultar el fichero de texto generado en la carpeta Logs, así como darle valor 0 (depuración) a Log Level en el bloque ADEX Initialization.



Se debe tener en cuenta que las dimensiones de SP, PV, OUT, AI, MODE y RC han de ser iguales para evitar errores. Además, si no se desean incluir perturbaciones ni especificar los parámetros RC o CP, se pueden dejar sin conectar. Si se desea modificar algún valor de los parámetros internos del controlador, esta operación se podrá hacer empleando la aplicación ADEX COP 2 Configurator, o bien, los VIs ADEX Read Parameter y ADEX Write Parameter descritos en capítulos posteriores. Para finalizar esta sección, a continuación se van a resumir los diferentes pasos que hay que llevar a cabo para integrar un controlador ADEX en un VI de LabVIEW:

1. Ejecutar ADEX Initialization y ADEX TCP Listener. Este paso sólo es necesario en la primera simulación.

2. Ejecutar ADEX Controller con Initialization = 1. 3. Repetir hasta el final de la simulación la ejecución del

controlador con Initialization = 0.

ADEX Read Parameter

La librería consta, además, de un módulo lector de parámetros, es decir, es un elemento que devuelve el valor actual de un parámetro interno del controlador. Su representación es la que se puede ver en la Figura 6:

FIGURA 6. ADEX READ PARAMETER

Sus entradas son:

Controller Name (Nombre del controlador): El módulo lector necesita saber el controlador cuyos parámetros desea leer. Es materia del usuario asegurarse que ese controlador existe pues de lo contrario el bloque devolverá error.

Parameter Name (Nombre del parámetro): Es una cadena de caracteres que identifica un parámetro concreto. Al no tratarse de un nombre trivial, en la Ayuda se encuentra disponible un buscador de nombres del que se hablará posteriormente en otra



sección. Los terminales de salida son:

Parameter Value (Valor): Valor del parámetro leído. Error out (Error): Es una señal de verificación, de tal manera que

será 0 si el proceso es correcto. Si la lectura ha fallado, este VI devolverá un código de error. Para más información acerca de los errores, se puede consultar el fichero de texto generado en la carpeta Logs, así como darle valor 0 (depuración) a Log Level en el bloque ADEX Initialization.

ADEX Write Parameter

El último elemento de la librería de ADEX es el que aparece en la Figura 7, el escritor de parámetros. Su función es modificar el valor de un parámetro interno del controlador. Estos cambios se realizan en tiempo de simulación, es decir, no es necesario detener la ejecución del programa.

FIGURA 7. ADEX WRITE PARAMETER

Al igual que el bloque de lectura sus entradas y salidas son bastante intuitivas. En el grupo de las primeras tenemos:

Controller Name (Nombre del controlador): Nombre del controlador cuyos parámetros el usuario desea cambiar. Previamente hay que asegurarse que ese controlador existe pues de lo contrario el módulo devolverá error.

Parameter Name (Nombre del parámetro): Es una cadena de caracteres que identifica un parámetro concreto. Al no tratarse de un nombre trivial, en la Ayuda se encuentra disponible un buscador de nombres del que se hablará posteriormente en otra sección.

Parameter Value (Valor del parámetro): Valor que se desea escribir.

Tiene una única salida:



Error out (Error): Es un terminal de verificación, de tal manera

que será 0 si el proceso es correcto. Si la lectura ha fallado, este VI devolverá un código de error. Para más información acerca de los errores, se puede consultar el fichero de texto generado en la carpeta Logs, así como darle valor 0 (depuración) a Log Level en el bloque ADEX Initialization.

Buscador de Parámetros ADEX

Una vez se ha explicado el funcionamiento de los bloques, se necesita saber el nombre de un parámetro para que éste sea leído o escrito correctamente. Por ello, se ha incluido un buscador (Figura 8) que a partir del nombre del parámetro que se usa en ADEX COP 2 Configurator obtiene los índices y los nombres completos correspondientes. Se habla en plural porque aunque estemos buscando un parámetro concreto, éste podrá tener diferentes identificadores y nombres según el dominio al que pertenezca y la PV a la que afecte. En la mayor parte de los casos, la clave a introducir coincide con las iniciales del nombre del parámetro en inglés (por ejemplo, el periodo de muestreo es ST, Sampling Time). Se puede acceder a él desde la Ayuda de los módulos Read Parameter y Write Parameter. El buscador se abre entonces en una ventana del navegador predeterminado en el sistema del usuario (esto es, en Internet Explorer, Mozilla Firefox o similar), y tiene este aspecto:

FIGURA 8. BUSCADOR DE PARÁMETROS ADEX



Para simplificar las búsquedas, se puede especificar el tipo de controlador que estamos utilizando, pues los nombres e índices no siempre coinciden en las diferentes estructuras. Los tipos son los siguientes:

1x1: Son controladores de esta clase aquéllos con una sola PV sin perturbaciones.

6x1: Estos son aquéllos con una PV también, pero con perturbaciones, hasta 5.

9x3: Aquí se engloban todos los demás, es decir, aquéllos con un máximo de tres PVs y 6 PERTs.

Por ejemplo, si deseamos conocer el nombre del parámetro asociado al Horizonte de Predicción en un controlador 6x1, deberemos escribir PH en el buscador y seleccionar la estructura adecuada, dando como resultado lo siguiente:

6x1

ADEXCOP 2 Configurator key Index Parameter name Process Var Domain Description

PH 26 Pvg1.Ap1.ln PV1 AP-L Prediction horizon

PH 61 Pvg1.Ap2.ln PV1 AP-C Prediction horizon

PH 96 Pvg1.Ap3.ln PV1 AP-U Prediction horizon

FIGURA 9. RESULTADOS BÚSQUEDA EJEMPLO

Otra característica del buscador es que también funciona a la inversa: si introducimos en el cuadro de texto un índice, este programa devolverá los datos del parámetro correspondiente.



Parte II

Ejemplo de un problema de control simulado con el Toolkit ADEX

Con este apartado se pretende que el usuario del Toolkit observe cómo implementar en LabVIEW un ejemplo de Sistema ADEX. Por lo tanto, el fin no es el de ser una guía de configuración de controladores adaptativos predictivos expertos, aunque a menudo aparezcan sus conceptos, si no la familiarización del cliente con la herramienta sobre la que versa este manual.

Se puede acceder a la demo a través de la aplicación NI Example Finder de LabVIEW (Industry Applications / Process Control).

Descripción del Problema de Control

Se requiere controlar la temperatura dentro de un horno de tratamiento térmico de vigas de acero a través de la regulación de la acción de control maestra que incide sobre la relación aire‐combustible. El objetivo del control automático es mantener la temperatura interior en el valor de la consigna, evitando en todo momento que este valor se exceda. Ahora bien, debido principalmente a la entrada, salida y traslado de las vigas dentro del horno, la temperatura en el interior no es homogénea. Por lo anterior, se han instalado dos sensores de temperatura en diferentes puntos y se pretende controlar en función de la mayor de las dos. La Figura 10 muestra el proceso a controlar.



FIGURA 10. HORNO DE TRATAMIENTO TÉRMICO DE VIGAS DE ACERO

La estrategia consiste en tener dos controladores ADEX, cada uno de ellos operando sobre una de las temperaturas leídas (PV1 o PV2). Ambos reciben como señales de entrada comunes: la consigna de temperatura (SP), la salida actual de la acción de control (AI) y el modo (manual/automático) de operación (MODE). La acción de control a aplicar es la del controlador que esté recibiendo la mayor de las dos temperaturas. La operación simultánea de ambos controladores ADEX presenta la ventaja de que el controlador que no está enviando la acción de control, mantiene el mecanismo de adaptación funcionando y al momento de entrar en operación conoce el proceso.

Representación y Simulación del Sistema en LabVIEW

Para realizar la representación en LabVIEW, en primer lugar hay que crear las carpetas de Ctlrs y Logs mencionadas anteriormente. Cabe recordar, además, los pasos que nuestro VI de ejemplo debe respetar:

1. Ejecutar ADEX Initialization y ADEX TCP Listener. Este paso sólo es necesario en la primera simulación.

2. Ejecutar ADEX Controller con Initialization = 1. 3. Repetir hasta el final de la simulación la ejecución del

controlador con Initialization = 0. Para empezar debemos colocar una estructura Stacked Sequence como la de la Figura 11 con el fin de separar el paso de inicialización (1 y 2), que sólo ha de realizarse en la primera simulación, del resto de la representación (3).



FIGURA 11. STACKED SEQUENCE

Para los pasos 1 y 2, en el primer marco se implementará el siguiente esquema:

FIGURA 12. FASE DE INICIALIZACIÓN

De esta forma, en el primer frame de la Figura 12 se localizarán las carpetas Ctlrs y Logs en el directorio de trabajo, y se inicializará el puerto TCP de escucha, el 3030. En el segundo, se realiza el paso 2: se ejecutan los controladores con Initialization = 1. El booleano ini? con su respectivo case es un flag para indicar si ha de realizarse esta fase o no. En otro marco posterior se incluirá la etapa 3 (Figura 13). Además, a través de la inclusión de una estructura while, estos procesos formarán el bucle de simulación propiamente dicho.



FIGURA 13. BUCLE DE SIMULACIÓN

Como se puede observar en la imagen superior, el bucle while se ha dividido en dos marcos que se ejecutan secuencialmente: por un lado se ha dejado la estrategia de control, y por otro se ha modelado del horno y los sensores de temperatura. Centrémonos primero en la parte de la estrategia de control. Como se había diseñado previamente, se han utilizado dos instancias del controlador ADEX, con nombres TC1 y TC2. Dado que estos VIs manejan arrays, se han utilizado otros VIs de LabVIEW para “convertir” las señales implicadas en esas estructuras y viceversa. Una vez generadas las acciones de control se elegirá aquélla cuya señal PV sea mayor, con lo que nos aseguramos que no se superará el límite de consigna. Previamente a la simulación, deberemos configurar el valor por defecto de ini? poniéndolo a TRUE. De esta forma al comienzo del ensayo se ejecutarán las funciones de inicialización, ADEX Ini y ADEX TCP Listener (Figura 12). A continuación pasaremos a la Figura 13. Como se observa en ella, la primera pasada que se realiza sobre los controladores es con ini? = TRUE (Initialization = 1), e inmediatamente después este valor se pone a FALSE (o lo que es lo mismo Initialization = 0). Al volver a ejecutar los controladores, ini? no habrá cambiado de estado con lo que hasta el final de la simulación se mantendrá Initialization igual a 0. Además, en el caso de emplear el booleano AUTO a FALSE el sistema impondrá como acción de control la señal de OUT anterior.



Otro punto a considerar es el modelo del horno y sus sensones, reflejado en la parte derecha de la Figura 13. Se han incluido dos Formula Node para cada PV, uno para representar la ecuación del modelo y otro colocado anteriormente para provocar variaciones en el coeficiente B1 del proceso. Con todo ello, ya procedemos a simular nuestro VI de ejemplo. Una vez ajustados los parámetros de ambos controladores podemos observar los resultados en las gráficas del Panel Frontal (Figuras 14 y 15):

FIGURA 14. RESULTADOS DEL CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO

FIGURA 15. DETALLE DEL CONTROL DE TEMPERATURA DEL HORNO



Los resultados obtenidos demuestran la precisión alcanzada con la estrategia de control diseñada basada en controladores ADEX. En la Figura 15 se puede apreciar claramente la manera en la cual el objetivo de control se cumple, ya que a pesar de las oscilaciones de las temperaturas, se logra que la temperatura global no rebase la consigna en más de 0.5 ºC. Este problema sirve para mostrar la versatilidad de esquemas de control y opciones adicionales que se pueden lograr mediante el uso de la herramienta ADEX Toolkit. Esto le permite al usuario integrar en el entorno LabVIEW estrategias de control automático no convencionales, diseñadas ad hoc para el proceso a controlar.


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