Introducción Del Operario Mediante Guía Gemma

7/23/2019 Introduccin Del Operario Mediante Gua Gemma

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Introduccin del Operario Humano en el Ciclo de Automatizacin de Procesos Ponsa

Introduccin del Operario Humano en el Ciclo de

Automatizacin de Procesos Mediante la Gua GEMMAPere Ponsa(1), Ramn Vilanova(2)y Marta Daz(3)

Universidad Politcnica de Catalua, (1) Departamento de Ingeniera de Sistemas, Automtica eInformtica Industrial, (3) Departamento de Organizacin de Empresas, Av. Vctor Balaguer s/n,08800 Vilanova i la Geltr-Espaa (e-mail: [email protected]; [email protected])(2) Universidad Autnoma de Barcelona, Departamento de Telecomunicacin e Ingeniera deSistemas, ETSE, 08913 Bellaterra-Espaa ([email protected])

Resumen

En este artculo, se presenta el estudio concreto de la intervencin de operarios en sistemasautomatizados a los que se ha aplicado la metodologa llamada gua GEMMA (Estudio de Modos deMarchas y Paros). Siendo esta gua, una buena aproximacin metodolgica para resolver problemascomplejos de automatizacin. Aunque su uso no es extenso, constituye una gua rigurosa quepermite abordar la transicin de los ejemplos acadmicos a las especificaciones industriales. Lainclusin del operario humano, as como la comunicacin con los dispositivos de automatizacin,necesita de guas metodolgicas que puedan aunar la estructuracin propuesta en la gua GEMMAcon diversos conceptos extrados de la ergonoma cognitiva y la interaccin persona-ordenador. Seconcluye que la gua GEMMA presenta una metodologa integradora concebida para clarificar el rol deloperario humano en el ciclo de automatizacin de sistemas complejos con aplicacin en el control ysupervisin de procesos industriales.

Palabras claves: control, supervisin, automatizacin, interaccin persona-ordenador, gua GEMMA

GEMMA Guide Approach for the Introduction of the Human Operatorinto the Automation Cycle

Abstrac t

The use of the design guide to start and stop modes, GEMMA guide, is known as a good approach todeal with the task of solving complex automation problems. Even not widely used, it constitutes areally good methodological approach that allows to smooth the transition from academical examples

to industrial settings. The purpose of this paper is to show an additional advantage of the GEMMAguide that should motivate its use as well as introduce the consideration of the human operator as anintegral part of the automation procedure. The inclusion of the human operator as well as hiscommunication with the automation device needs some guidelines that can be drawn from joining theGEMMA structured approach with some concepts borrowed from cognitive ergonomic theory andhuman-computer interaction.Keywords: control, supervision, automation, human-computer interaction, GEMMA guide

Informacin TecnolgicaVol. 18(5), 21-30 (2007)

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INTRODUCCINEl diseo de sistemas de produccin complejos requiere de nuevas herramientas y metodologas.Desde el punto de vista acadmico, se ha contribuido mediante el uso de las redes de Petri (PetriNets-PN), sobre problemas diversos de modelado de procesos en automatizacin (Kontogiannis,2005). Uno de los aspectos no resueltos mediante el formalismo de las redes de Petri, es laintroduccin de las tareas humanas en el modelo descrito en forma de estados y transiciones. Entodo problema de automatizacin, la secuencia de operaciones a realizar por la mquina tan solo esuna parte. Es necesario analizar como el operario humano accede y participa tambin en el ciclo deoperaciones bsicas. De igual modo, es importante poner de manifiesto cmo se lleva a cabo lainteraccin entre el operario humano y el controlador lgico programable (PLC), encargados ambosde compartir las tareas de control de las operaciones. Para aunar automatizacin y tareas humanases necesario acercar las disciplinas automatizacin industrial e interaccin persona-ordenador(Armengol et al., 2000; Caas, 2004; Cavara, 2007; Mondelo, 2001; Carver y Turoff, 2007; Ponsa yDaz, 2007). Antes de proceder a estudios de campo o a la aplicacin de mtodos etnogrficos parala obtencin de la elicitacin del conocimiento es menester empezar por la investigacin en ellaboratorio mediante estudios prcticos de escenarios en los que aplicar las tcnicas de ergonoma yusabilidad.

En este artculo se presenta el estudio concreto de la intervencin de operarios en sistemasautomatizados a los que se ha aplicado la metodologa llamada gua GEMMA (ADEPA, 1981),detallada en las dos siguientes secciones (La gua GEMMA, Diseo estructurado). Siguiendo eldesarrollo de la metodologa presentada, la seccin llamada Diseo de panel industrial muestra cmola ergonoma puede aplicarse al diseo de paneles de mando en automatizacin industrial. El centrodocente de la Escuela Politcnica Superior de Ingeniera de Vilanova i la Geltr (EPSEVG), disponede un Laboratorio docente de Sistemas de Produccin en el que se reproduce de forma didctica lastareas de los operarios de planta (mantenimiento, automatizacin, vigilancia del proceso controlado,intervencin del operario mediante panel de mando, supervisin mediante herramientas grficascomerciales, seguridad del sistema persona-mquina), en un sistema de fabricacin acadmico. Laseccin citada muestra las tareas llevadas a cabo por ingenieros tcnicos sobre un panel de mandodidctico en el que se presentan indicaciones ergonmicas para la mejora del panel utilizado. En laseccin de conclusiones se valora los resultados obtenidos y se plantean las lneas siguientes detrabajo a acometer.

LA GUA GEMMA

La gua GEMMA procede de los trabajos llevados a cabo durante dos aos por la Agencia NacionalFrancesa para el Desarrollo de la Produccin Aplicada a la Industria (ADEPA, 1981). Las siglasGEMMA (Guide dEtude des Modes de Marches et dArrets), significan Gua de Estudio de los Modosde Marcha y Paro. En el contexto de su creacin, a lo largo del ao 1993, se concibe para que esten consonancia con las normas de seguridad de la Unin Europea. Bajo la norma nacional francesaUTE C 03-191, se complementa con la representacin GRAFCET (Grafo de estados y transiciones),(AFCET-ADEPA, 1995) y pretende dar cabida a una metodologa que incluya los modos de marcha yparo del control secuencial, el funcionamiento correcto del proceso controlado junto alfuncionamiento deteriorado ante anomalas, e incluso el tratamiento de situaciones de emergencia enprevisin de posibles daos humanos o materiales (Garcia, 2004). La metodologa presente en lagua GEMMA (Ponsa y Vilanova, 2005) consiste en un conjunto de fases:

- Automatizacin

- Control Supervisor (Supervisory control)- Interaccin- Implantacin- Test

La aproximacin clsica se focaliza en los aspectos de automatizacin, ya que los futuros operarioshan cursado estudios reglados en el rea de ingeniera y son expertos en controladores lgicosprogramables PLC, neumtica, robtica y sensrica (Fig. 1).

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Fig. 1: Interaccin persona-mquina en automatizacin industrial

En la fase de control supervisor, se pretende remarcar el rol de vigilancia del proceso controlado porparte del operario humano (Catal et al., 2000; Petersen, 2004; Ponsa y Catal, 1999). En la fase deinteraccin, el operario interviene mediante un panel de mando. Es importante plantear el diseo delpanel de mando, en funcin de las acciones fsicas del operario sobre dispositivos y la recepcin deseales informativas visuales o acsticas (Oncins, 2007). En la fase de implantacin se procede a laprogramacin de la gua GEMMA dentro del automatismo (controlador lgico o PLC). En la fase detest el operario, se puede verificar el correcto funcionamiento, e introducir mejoras de forma iterativaen cada una de las fases mencionadas. La gua GEMMA se presenta como una lista grfica demodos que permiten al operario humano definir desde el inicio todas las operaciones y susconsecuencias sobre la mquina (Kontogiannis, 1996). La gua GEMMA parte de diversos conceptosbsicos:

- condiciones previas de conexin de energa a la mquina- procedimientos de marcha y paro de la mquina (control manual y/o control automtico)- procedimientos de funcionamiento de la mquina (funcionamiento normal o anmalo)- procedimientos de fallos y/o defectos de la mquina (tratamiento de situaciones de emergencia,

reconduccin de la mquina a situaciones seguras de funcionamiento)

A partir de estas ideas, la gua GEMMA se crea como una representacin grfica del conjunto deconceptos descritos en forma de modos operativos (asociados en familias de procedimientos A, F, D)y transiciones entre modos. A continuacin se describen los modos ms relevantes.

PZ1: Puesta del control sin energa. Cuando el automatismo se queda sin energa, este estado seocupa de los procedimientos a realizar para garantizar la seguridad.

F1: Produccin normal. Estado en el que la mquina est produciendo normalmente, realizando latarea para la que est concebida. En su interior, se encuentra el algoritmo bsico, expresadohabitualmente como GRAFCET de produccin o GRAFCET de base.

F4: Marcha de verificacin sin orden. Permite certificar movimientos individuales del ciclo, sinrespetar el orden habitual (usualmente, en vaco). Es asimilable a la intervencin del operario en laforma de control manual.

A1: Parada en el estado inicial. Estado inicial de reposo de la gua GEMMA. Se suele correspondercon el estado inicial del GRAFCET.



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A2: Parada a final de ciclo. Cuando se solicita este paro, la mquina debe completar el ciclo y luegodetenerse en el estado inicial. En caso contrario, no se produce interrupcin alguna y el ciclo serepite automticamente.

A5: Preparacin para la Puesta en Marcha despus de un Fallo. En este estado, deben efectuarselas operaciones necesarias para una nueva puesta en marcha despus de un fallo/defecto (vaciado,limpieza, reposicin de producto, etc.). Se trata de reconfigurar el sistema y, una vez concluida lapreparacin, habitualmente se asocia a un pulsador con la finalidad de rearme.

D1: Parada de emergencia (o parada para asegurar la seguridad). Estado al que evoluciona elsistema despus de accionar el paro de emergencia. Debe preverse un cese de actividades lo ms

rpido posible y las actuaciones necesarias para limitar las consecuencias del paro (tanto en laproduccin como para los operarios).

D2: Diagnstico de fallos/defectos y/o tratamiento de fallos/defectos. Acciones a ejecutar paradeterminar el origen del fallo o el origen del defecto. Pueden realizarse con la ayuda del operario.

DISEO ESTRUCTURADO

La principal idea asociada a la gua GEMMA que conviene matizar es que se trata de un enfoque dediseo estructurado (Fig. 2). Ante la complejidad de los factores que intervienen en la automatizacinde procesos, es conveniente utilizar el diseo estructurado con el fin de modelar, de forma parcial,las tareas. En el diseo estructurado de un sistema automatizado, aparecen tres mdulos:

- Mdulo de seguridad- Mdulo de modos de marcha- Mdulo de produccin

La representacin de la gua GEMMA tiene en cuenta la presencia de estos mdulos, junto con lasrelaciones internas existentes entre mdulos.

La jerarqua ilustrada en la Fig. 2, pretende intensificar la atencin en el aspecto de seguridad de lossistemas automatizados en entornos productivos, como por ejemplo en situaciones de emergencia,en situaciones de fallos de dispositivos, o en situaciones de produccin defectuosa, de forma que,ante estas contingencias, el mdulo de seguridad es prioritario respecto a los otros mdulos. Ensegundo lugar, es notoria la intervencin del operario como parte integrante del sistema, pues aportaexperiencia en el cambio de modo automtico a modo manual cuando el funcionamiento del procesolo requiere. Es decir, el control global del proceso puede ser debido a fragmentos de controlintermitentes entre control automtico y control manual. En tercer lugar, aparece el mdulo deproduccin, que se entiende que est supeditado a los mdulos precedentes, y en el que tenemos elfuncionamiento de ejecucin secuencial de activacin y desactivacin de estados mediante la lecturalgica de las transiciones.

Analizando estos mdulos de forma inversa, la gua GEMMA pretende conservar la metodologa demodelado GRAFCET, pero teniendo en cuenta que en el diseo estructurado de un sistemaautomatizado coexisten diversos GRAFCET parciales, los cuales hay que relacionar y jerarquizarconvenientemente. As, en el mdulo de produccin se concibe el organigrama de control bsico encondiciones idneas de funcionamiento, organigrama que se conoce como el GRAFCET deproduccin o GRAFCET de base; en el mdulo de modos de marcha, el operario vigila el GRAFCETde produccin y puede llegar a intervenir, si la situacin lo requiere, mediante el cambio de controlautomtico a manual (o viceversa, para reestablecer la situacin) en este mdulo, el organigrama seconoce como GRAFCET de conduccin; finalmente, en el mdulo de seguridad se procede altratamiento de emergencias, fallos y defectos, con la posibilidad, por ejemplo, de que, se realiceparadas de emergencias sobre el sistema, con las convenientes fases de solucin de problemas yreconfiguracin para volver a la condicin de reinicio de la marcha y produccin. En este ltimomdulo, el organigrama se conoce como GRAFCET de seguridad. Uno de los factores importantes



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en el diseo estructurado aplicado a sistemas de automatizacin es la presencia del operariohumano y la posibilidad de introducir decisiones sobre dispositivos a travs del mdulo de seguridady el mdulo de modos de marcha. Para clarificar la intervencin del operario humano convienedisear un panel de mando que contemple las posibles decisiones humanas con los modos de lagua GEMMA (Rasmussen, 1986; Vicente, 1999; Ponsa y Daz, 2006). Para el diseo del panel demando se utilizan conceptos que aparecen en la normativa de seguridad en mquinas, as comoespecificaciones ergonmicas y el conjunto de situaciones a tratar mediante la gua GEMMA, talcomo se desarrolla a continuacin (Shneiderman, 1998; Ponsa y Daz, 2007).

Fig. 2: Esquema de diseo estructurado

DISEO DE PANEL INDUSTRIAL

En automatizacin industrial existe una gran diversidad de dispositivos, que se engloban en lo que seconoce como interfaz persona-mquina, de manera que aqu no se pretende abordar el tema endetalle sino tan solo ofrecer un panel de mando apto para su uso con la gua GEMMA.

Los componentes elementales de un panel de mando (indicadores, pulsadores, selectores) cumplencon diversas especificaciones de seguridad en mquinas, como por ejemplo el grado de proteccinIP 54 o IP 65 (Nogareda, 2007).

Uno de los aspectos recogidos en estas normas, es la asociacin del dispositivo con un color enconcreto y una finalidad fijada. As, un pulsador de marcha se representa mediante el color verde. Elpulsador de paro convencional se representa mediante el color negro. Un pulsador de rearme, esdecir cuando se suprimen las condiciones anormales y se reestablece el ciclo automticointerrumpido, se representa mediante el color amarillo o azul. La parada de emergencia serepresenta con un dispositivo que se llama paro de emergencia y consta de una seta de color rojodentro de un crculo amarillo, siendo de un tamao netamente mayor al resto de pulsadores. Elselector de posiciones se representa mediante el color negro con una pestaa en color blanco(Cavara, 2007). En cuanto a los leds indicadores si se dispone de un led con luz blanca se asocia auna informacin general de servicio como por ejemplo la presencia de tensin en la mquina. Un ledamarillo (mbar) indica precaucin. Se est ante una alarma que puede conducir a una situacinpeligrosa, como por ejemplo que se indique que la presin est fuera de los lmites habituales defuncionamiento. El led verde indica que la mquina est preparada para entrar en funcionamiento. Elled rojo indica una situacin de fallo que requiere de la intervencin inmediata del operario.

A partir de una gua ergonmica diseada para interfaces industriales, se dispone a nivel vertical detres niveles conceptuales sobre el panel de mando (Ponsa y Daz, 2007). A la izquierda serepresenta la situacin de servicio, en el centro, los dispositivos asociados a los modos de Marcha yParo convencional, y finalmente a la derecha se disponen los dispositivos asociados a la Seguridad.Se ha preferido no situar el paro de emergencia en medio del resto de dispositivos y lo se ha situado



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abajo a la derecha para facilitar la accesibilidad sin ambigedades. La Fig. 3, muestra la disposicinfinal del panel de mando. En la parte de Servici se dispone un selector (0, 1) de manera que es elpropio operario el que procede a poner en servicio la mquina o proceso; el led blanco indica estaaccin. En la parte de Modos de Marcha/Paro el operario dispone de un selector de cuatroposiciones (MAN, 0, CaC, AUT). El modo 0 permite al operario detener la mquina en un instanteconcreto sin perjuicio del funcionamiento de la misma. La seleccin de 0 implicar que se deseaparar la mquina al cabo de un instante, en contraste a CaC que significa el paro de la mquina alfinalizar el presente ciclo. Las opciones MAN/AUT permiten el paso de control semiautomtico aautomtico y viceversa. El selector se complementa con un pulsador de forma que realmente eloperario primero selecciona y luego valida su decisin presionando el pulsador, evitando as situacionesaccidentales que se podran dar de manera fortuita. El led indicador de color verde informa del buenfuncionamiento. En la parte de Seguridad se dispone del paro de emergencia y del pulsador de rearme

para reestablecimiento del ciclo. Los leds indicadores mostrados informan de un posible fallo de undispositivo (en este caso de un sensor, o de un actuador) y de una situacin de alarma (en la que hayque estar precavidos ante un posible agotamiento de materia prima por ejemplo). Ntese que los ledsquedan ordenados de izquierda a derecha como en un semforo, verde, mbar, rojo, facilitando que eloperario asemeje este escenario a su representacin mental, basada en el sentido comn, y seacoherente con otras representaciones presentes en la sociedad.

Fig. 3: Panel industrial necesario para la intervencin del operario humano mediante el uso de la

gua GEMMA

SISTEMA DE FABRICACIN EDUCACIONAL

El entrenamiento de estudiantes universitarios en el mbito de la ingeniera tcnica industrialmediante la aplicacin de la gua GEMMA sobre sistemas de fabricacin educacionales, permitevalidar la gua GEMMA como una metodologa til en la formacin de futuros profesionales expertosen la automatizacin integral de procesos.

El centro docente Escola Politcnica Superior dEnginyeria de Vilanova i la Geltr, dispone de unsistema de fabricacin flexible sobre el que realizar pruebas de aplicacin de la gua GEMMA (Fig. 4)(Ponsa et al., 2005). Cada una de las estaciones dispone de un controlador lgico programable PLCpor lo que se realizan tareas de automatizacin y supervisin (mediante programa control supervisory adquisicin de datos SCADA In TOUCH):

- Estacin 1: alimentacin, deteccin y distribucin de piezas- Estacin 2: mecanizacin emulada y verificacin de mecanizado- Estacin 3: Inspeccin y control de calidad de piezas mediante web cam- Estacin 4: Paletizacin o Ensamblaje de piezas mediante robot manipulador- Estacin 5: sistema rectangular cerrado de transporte con gestin de colas de espera en estaciones



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Fig. 4: Sistema de fabricacin educacional

Fig. 5: Panel industrial suministrado por casa comercial de automatizacin

El sistema dispone de una red de comunicacin Device Net y una red Profibus DP entre loscontroladores lgicos. La monitorizacin y supervisin se realiza mediante herramientas grficas comoLabVIEW o el SCADA InTouch. Los estudiantes de ingeniera tcnica industrial, especialidad electrnicaindustrial, desarrollan diversas tareas para la puesta en marcha de la gua GEMMA sobre el sistema defabricacin educacional:

- Seleccin del controlador lgico- Creacin de la representacin grfica de la gua GEMMA y realizacin del GRAFCET de una

estacin- Realizacin del cdigo de programacin del controlador- Test del uso del panel de mando fabricado por el distribuidor comercial (vase Fig. 5), y test del uso

de la gua GEMMA- Propuesta de mejoras

Los estudiantes proceden a la intervencin mediante el panel de mando de la Fig. 5. Para ello, seaborda la utilizacin de un panel de mando convencional diseado previamente por una casacomercial para finalidad de uso didctico con la estacin ya comentada. Se comentan las ventajas einconvenientes y la valoracin hecha por los usuarios para la mejora del mismo. Las ventajasobservadas en ste panel desde el punto de vista de la casa comercial son: bajo coste, posibilidadde trabajo individual o integrado entre estaciones y presencia de paro de emergencia. Las ventajas

observadas en ste panel por parte de los ingenieros tcnicos son: facilidad en el aprendizaje de suuso como interfaz, fcil conectividad fsica con el automatismo. Las desventajas constatadas por losingenieros tcnicos y recopiladas en el proyecto final de carrera llevado a cabo a lo largo de 6 mesesson: dificultad de implementacin de todas las situaciones contempladas en la gua GEMMA, yausencia de leds indicadores informativos. Los ingenieros y estudiantes de ingeniera que hanutilizado este panel presentan una serie de mejoras a incluir en el diseo de un futuro panel demando que se adapte mejor a la cooperacin entre operario-mquina (Fig. 6). A destacar: aadir ledsinformativos, aadir pulsadores para el accionamiento individual de actuadores neumticos.



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Fig. 6: Panel industrial diseado por los estudiantes de ingeniera electrnica

Fig. 7: Diseo ergonmico de panel industrial

En este sentido, los autores de este trabajo valoran las especificaciones de los usuarios y los criteriosde diseo genricos del apartado anterior para remodelar algunos aspectos concernientes a estepanel de mando didctico como:

- Debe suprimirse la ambigedad en algunos pulsadores considerando una sola funcin para cadadispositivo.



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- Hay que incrementar notoriamente la presencia de dispositivos informativos visuales con la finalidadde informar claramente a los operarios de las posibles contingencias que puedan aparecer(finalizacin de tareas en una estacin, el lote de piezas se acaba y hay que reponer material, etc.).

- En un escenario industrial el operario puede aportar su experiencia al diseador del panel demando para discutir la mejor disposicin de pulsadores e indicadores de informacin.

- El panel de mando didctico est situado sobre la estacin y debera considerarse la posibilidad desituarlo de forma vertical para la mejora de la accesibilidad.

La versin definitiva del panel de mando se aprecia en la Fig. 7. A pesar del incremento de lacomplejidad del panel de mando respecto al representado en la Fig. 3, es conveniente indicar que enfuncin de la tarea a realizar por parte del operario, la fase de Verificacin es clave para preverincidencias en la mquina/proceso, de ah que es preferible mejorar el mantenimiento preventivo y la

seguridad del sistema persona-mquina al coste econmico del panel de mando.CONCLUSIONES

La gua GEMMA presenta una metodologa integradora, concebida para clarificar el rol del operariohumano en el ciclo de automatizacin de sistemas complejos, con aplicacin en el control y supervisinde procesos industriales.

Los aspectos ms destacables son:

- La gua GEMMA permite entrenar estudiantes de ingeniera en electrnica industrial como futurosoperarios humanos

- Una aproximacin multidisciplinar (estableciendo la relacin entre control supervisor, automatizacin e

interaccin persona ordenador) es necesario para resolver sistemas complejos de automatizacin- Es necesario enfatizar el diseo ergonmico del panel de mando y la incorporacin del usuario

(operario humano) en las fases iniciales del modelo de proceso de ingeniera en el ciclo deautomatizacin

Como trabajos a realizar en un futuro cercano, es importante valorar los paneles diseados paraverificar la mejora de la eficiencia del sistema persona mquina.

Otro factor interesante a considerar, es la integracin de la representacin de la gua GEMMA en elmarco de los sistemas SCADA tradicionales, y la integracin de estos con otras herramientas de lossistemas productivos, como las herramientas de ejecucin de la produccin (Manufacturing ExecutionSystemMES) e incluso de gestin de la produccin (Enterprise Resource PlanningERP).

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