PDF de programación - Simulador para control y automatización utilizando un entorno virtual 3D interactivo y configurable

SIMULADOR PARA CONTROL Y

AUTOMATIZACIÓN UTILIZANDO UN

ENTORNO VIRTUAL 3D INTERACTIVO Y

CONFIGURABLE



Departamento de Sistemas y Automática. Escuela Superior de Ingenieros.

Universidad de Sevilla.

Diciembre 2012



PROYECTO FIN DE CARRERA

AUTOR: D. ADOLFO JUAN SÁNCHEZ DEL POZO FERNÁNDEZ

TUTOR: D. EDUARDO FERNÁNDEZ CAMACHO

CO-TUTOR: D. JUAN MANUEL ESCAÑO GONZÁLEZ







AGRADECIMIENTOS



A mi familia, en especial a mis padres y mis hermanas por estar siempre a mi

lado.

A mis amigos por aguantarme y a Juan Manuel por su apoyo y amistad.





Índice
1 INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1
1.2 ESTADO DEL ARTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 OBJETIVOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 ESTRUCTURA DEL DOCUMENTO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2 INTRODUCCION TEORICA

2.1 SITUACION DE PARTIDA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 DESCRIPCION DE LA APLICACIÓN OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Conexión mediante Server OPC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Conexión mediante puerto USB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 TECNOLOGIAS Y HERRAMIENTAS DE DESARROLLO . . . . . . . . . . . . .
2.3.1
INTRODUCCIÓN A C# Y XNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.2 ENTORNOS DE MODELADO 3D. INTRODUCCION A AC3D. . . . . . .
2.3.3 OPC (OLE FOR PROCESS CONTROL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 DISEÑO E IMPLEMENTACION DEL SIMULADOR

3.1 MOTOR FÍSICO Y SISTEMA DE COLISIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 ESTRUCTURA DE LA APLICACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 PROGRAMA PRINCIPAL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 CLASES PARA LOS ELEMENTOS INDUSTRIALES . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 CINTA TRANSPORTADORA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 PLATAFORMA GIRATORIA + CINTA . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.3 GRÚA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.4 RAMPA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.5 DESTRUCTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.6 PISTON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.7
SENSORES DE BARRERA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.8 MONTACARGAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.9 ROBOT 5 GRADOS DE LIBERTAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.10 CONEXION CLIENTE OPC - SERVIDOR OPC - PLC . . . . . . . . . . .
3.4.11 CUADRO DE CONTROL Y OPCIONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 ESCENARIO PROTOTIPO Y EDITOR DE ESCENARIOS

4.1 ESCENARIO DESARROLLADO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2 EDITOR DE ESCENARIOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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5 MANUAL DE USUARIO

5.1
INSTALACIÓN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.2 CONFIGURACIÓN DE UNITY PRO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3 CONFIGURACIÓN OPC OFS 3.31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4 DESCRIPCIÓN DEL SIMULADOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.5 OBJETIVOS DEL ESCENARIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.6 DESCRIPCIÓN DE LOS ACTUADORES Y SENSORES DEL ESCENARIO . .
5.7 NORMAS PARA LA IMPLEMENTACIÓN DEL PROGRAMA DE CONTROL EN
81
UNITY PRO XL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
5.8 CONEXIÓN Y EJECUCIÓN PLC-OPC-SIMULADOR . . . . . . . . . . . . . . .
5.9 MODIFICACIONES DEL PROYECTO EN UNITY PRO . . . . . . . . . . . . . .
83
5.10 VIDEO DE EJEMPLO DE CONEXION Y FUNCIONAMENTO DE LA PLANTA 84

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6 CONCLUSIONES Y FUTURAS LINEAS DE TRABAJO

7 BIBLIOGRAFIA

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Lista de Figuras

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giratorias.

Usuarios de Half-Life 2 interactuando con objetos del escenario.
. . . . . . . . . .
Imagenes de varios escenarios de ITS PLC. a) Almacen automatizado. b) Mezclado
de pintura. c) Selección y empaquetado de piezas.
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Imagen mostrando la asignación estática de los sensores y actuadores en un escenario
de ITS PLC.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Captura de pantalla de una parte del modelo 3D de la grúa en AC3D.
. . . . . . .
4
Captura de pantalla de la texturización de un modelo en AC3D . . . . . . . . . . .
5
Esquema de conexión mediante OPC Server.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
Esquema de conexión, entradas/salidas e interfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ejemplos de uso de Bullet Physics.
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9
Ejemplos de uso de JigLibX.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10 Contacto entre 2 objetos penetrando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11 Objetos con composición geométrica simple a), y compuesta b). . . . . . . . . . . .
12 Estructura del proyecto JigLibX en Visual Express C#.
. . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13 Estructura de la aplicación. Diagrama de flujo.
14 Estructura del proyecto de la aplicación en Visual Express C#.
. . . . . . . . . . .
15 Ejemplo de código en C# de la declaración de las variables para incluir mesas
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16 Código en C# de la carga de contenidos 3D.
17 Código C# de uso repetitivo para inicializar un elemento.
. . . . . . . . . . . . . .
18 Código C# de la aplicación. a) Código repetitivo en bucle “for” para la actualización
de elementos de una misma clase. b) Código repetitivo para el renderizado de
modelos 3D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19 Estructura de métodos de la clase Elemento Industrial.
. . . . . . . . . . . . . . .
20 Código en C# mostrando la llamada a métodos “Opcionales”, de las clases Grúa y
Cinta2, tras la llamada al motor físico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Imágenes pruebas de transporte de un objeto físico por la cinta transportadora. . .
Imágenes de la Cinta transportadora parcialmente texturizada. a) Imagen en reposo.
b) Imagen transportando objetos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Imágenes del modelado final de la cinta transportadora y la zona de caída de cajas.
Imágenes del renderizado de los objetos físicos que realizan la simulación de la cinta
transportadora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25 Código en C# que describe el movimiento de la cinta giratoria mediante las variables
de velocidad.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Imágenes del renderizado de los modelos físicos y 3D de la plataforma giratoria. . .
27 Código en C# que calcula la posicion y ángulos de los modelos 3D de los rodillos
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28 Código en C# del método “Update2” de la plataforma giratoria que se ejecutará
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
tras el paso por el motor físico.
Imagen del modelo completo de la grúa del proyecto, garra abierta y bajada.
. . .
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Imagen del modelo completo de la grúa del proyecto, garra abierta y subida. . . . .
30
Imagen del modelo físico que simulará el funcionamiento de la grúa.
. . . . . . . .
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Imagen del modelo físico que simulará el funcionamiento de la grúa.
. . . . . . . .
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Imagen de la grúa sosteniendo una caja.
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Imagen de la grúa soltándo una caja en movimiento.
. . . . . . . . . . . . . . . . .
35 Código C# que se encarga del funcionamiento de la garra mediante detección de
colisiones añadidas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . .
Imágenes de los modelos a) 3D , b) físico de la rampa.
. . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .

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37 Código en C# de la declaración e inicialización de un elemento Rampa.
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Imágenes del renderizado 3D de un Destructor.
Imágenes del renderizado del modelo físico de un Destructor.

en función de la velocidad lineal del objeto físico.

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objetos del escenario y eliminarlos encaso positivo.

las distintas partes y se reajustan al comienzo del mismo.
Imágenes de los modelos físicos del brazo de 5 grados. 4 elementos más la garra.
Imágenes del brazo en 3 posiciones diferentes.

40 Código en C# para chequear las colisiones del objeto físico del Destructor con otros
. . . . . . . . . . . . . . . . . .
42 Código en C# donde se declaran las variables de objetos físicos. . . . . . . . . . . .
Imágenes del Pistón. a) Modelo 3D pistón recogido b) Modelo 3D pistón extendido.
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43 Código en C# para la simulación del movimiento del pistón.
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Imagen del pistón doble en resposo sobre la cinta transportadora. . . . . . . . . . .
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Imagen del pistón doble empujando una caja.
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Imagen del Sensor de barrera. Modelo 3D del Sensor con rayo.
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Imágenes del Sensor de barrera. a) Contacto límite entre objeto y sensor activandose.
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b) Objeto cercano sin colisionar con el sensor de barrera. . . . . . . . . . . . . . . .
48 Código C# que muestra como se detecta la colisión con el segmento y la
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .