Abstract— The main propose of this project is to design a

multi-agent system platform on a Flexible Manufacturing Cell (FMC). Taking into consideration all levels of functional issues, cellular architecture, standardization, and technical configurations, we take advantage of features released on a graphical programming commercial software, such as object oriented programming, distributed intelligence, and block function representation. The approach is addressed to encourage the usage of holonic and multiagent concepts in traditional manufacturing systems, with friendly software based upgrade and a minimum low cost hardware expansion. The intention is to develop a system that will fit into different levels of an enterprise, including shop-floor and manufacturing execution systems, and simultaneously we will deal with technological migration from conventional manufacturing structure to a holonic-ready FMC.

Keywords— Holonic system, manufacturing control architectures, multiagent systems Parallel algorithms, Parallel processing, Petri Networks.

I. INTRODUCCIÓN A palabra “holon” viene del griego “holos” que

significa todo, mientras que el sufijo “on”, como en protón o neutrón sugiere el significado de particular o parte [1].Un holon puede ser considerado como un bloque autónomo, cooperativo, el cual puede actuar como una parte o un todo, para el caso de estudio, sistemas de manufactura puede fungir como un subsistema de transporte, almacenamiento y/o validación de información. Un sistema de holones que cooperan para lograr un objetivo limitado por reglas de interacción se le conoce como holarquía [2].

Desde la pasada década los investigadores han concentrado sus esfuerzos en la teoría y el diseño de los sistemas holónicos de manufactura, donde podemos encontrar dos principales aspectos que incluso hasta ahora siguen siendo perfeccionados. Por un lado tenemos la problemática asociada con el desarrollo de sistemas holónicos, por otra parte como estos sistemas pueden ser efectivamente implementaos en los

Este trabajo ha sido apoyado en parte por el concejo de ciencia y tecnología de México a través de los proyectos J110256, así como por el programa de graduados del ITESM. J. M. Gamboa, M. J. Ramírez, Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM) Campus Monterrey, Departamento de mecatrónica y automatización, Av. E. Garza Sada 2501, 64849, Monterrey, Nuevo León, México.

{a00778197, miguel.ramirez}@itesm.mx

ambientes de manufactura actuales [3]. A pesar de contar con un extenso número de estructuras holónicas propuestas así como algoritmos complejos, aun no se tiene la suficiente fuerza para desplazar la metodología de producción actual, aún cuando es bien conocido que en poco tiempo, incluso en la actualidad el mercado sufre cambios constantes y se deberán tomar acciones para satisfacer las nuevas y cada vez más demandantes costumbres del consumidor. Los sistemas de control para la manufactura deberán ser basados en sistemas distribuidos y a la vez independientes, autónomos y expandibles, siendo posible la adición de nuevos componentes sin detener o restablecer los procesos. Todos las necesidades mencionadas sugieren el desarrollo de sistemas agiles de manufactura, eficientes y robustos [4]. Productos cada vez más complejos, cambios rápidos y repentinos en el diseño de los mismos como causa de un consumidor más exigente, y la constante necesidad de reducir costos, todas estas son perturbaciones y su aparición en los sistemas causan severos impactos en el desempeño de los sistemas de manufactura, siendo también necesario la atención y mejora de los sistemas en términos de la repuesta al cambio [4], [5]. Es importante mencionar que en buena medida la falta de aceptación también es causada por el requerimiento de algunos métricos que permitan la evaluación de los diseños, construcción y operación de un sistema holónico contra los sistemas actuales de producción en masa, de todo esto se puede resumir que es esencial contar con una herramienta adecuada de programación que permita el acercamiento correcto de los conceptos holónicos al diseño del sistema [3]. Este artículo presenta un novedosa propuesta, en la que se trabaja con la interacción del nivel de piso o procesos a través de un sistema de ejecución de manufactura (SEM) con los niveles gerenciales y administrativos de una empresa (Ver fig.1). De acuerdo con la estructura presentada en la figura 1, la cual se basa en trabajos previos realizados [6], [7], se basará el desarrollo de la plataforma que a lo largo de este trabajo se hablará a detalle. Este proyecto usa un software comercial que incluye algunas características distintivas, como flexibilidad para escalar la plataforma sin perder el concepto base, que aunque esta es la principal idea de la programación orientada a objetos, es mucho más ilustrativo el manejo de bloques funcionales gráficos que líneas extensas de código. Una vez que un holon es desarrollado este deberá ser lo más general

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Holonic System J.M. Gamboa, Member IEEE, and M. J. Ramírez, Member IEEE

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posible para poder ser adaptado en un amplio rango de equipos industriales que caigan en categorías de producción similares, dependiendo solo de ligeros cambios físicos y de entrenamiento inteligente. Este proyecto se referirá a una plataforma multi-agente de manufactura implementada en el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey (ITESM), campus Monterrey al norte de México, y a lo largo de este trabajo la coordinación holónica será implementada en uno de los sub-sistemas que conforman la celda, así como los ajustes técnicos necesarios para la implementación de estos conceptos en una CFM tradicional.

Fig. 1. Diseño del nivel “piso” o procesos con coordinación holónica, se incluye la interacción a través de un SEM con el nivel de planeación estratégica.

II. DISEÑO DE UNA PLATAFORMA MULTI-AGENTE La arquitectura convencional de un SMF consiste en

maquinaria, celdas, y procesos, cuyas funciones están relacionadas en base a la interacción en tiempo real y a una secuencia de operaciones rígidas que limitan la planeación y la reestructuración del nivel de piso en una empresa. La difícil adaptación ante cambios, hacen de los sistemas tradicionales sistemas centralizados, añadiendo que su estructura no es compatible con la infraestructura ideal holónica [8]. Este proyecto define una estructura genérica, que podrá ser aplicada en los sistemas tradicionales de manufactura, donde la expansión holónica implicaría únicamente de la actualización de un ordenador o estación de trabajo que adoptaría las características del coordinador del sistema. De esta manera, tomando ventaja de la infraestructura tradicional de interacción del nivel “Piso” (base de la pirámide); como comunicaciones basadas en OPC, librerías dinámicas, funciones ActiveX, es posible desarrollar una base genérica que a nivel software mejoraría los actuales procesos de producción. Es esencial para este desarrollo preservar la configuración de hardware tradicional. Uno de los principales objetivos es evitar la implementación de hardware nuevo y costoso, que alejen la viabilidad de la propuesta para su implementación en sistemas tradicionales, en lugar de eso se busca actualizar uno dos ordenadores que integren autonomía, cooperación, organización, y reconfigurabilidad a los sistemas actuales. Existen 2 principales razones acerca de porque se

decidió aplicar Sistemas de manufactura holónicos (SMH) y estructuras multi-agente usando la plataforma de desarrollo de LabView; el paralelismo y los sistemas distribuidos. Para términos de codificación línea por línea el concepto de paralelismo suele ser un reto difícil, la ejecución en paralelo es un tema crítico en sistemas de automatización, donde múltiples tareas y elementos están en tiempo real completándose, cerrando ciclos de control mientras que la información tiene que ser comunicada simultáneamente a las interfaces de usuario o sistemas embebidos. Este tipo de sistemas son llamados sistemas distribuidos [9], en la plataforma utilizada (LabView) permite que en una sola estación de trabajo o dispositivo sea posible el control de diferentes elementos simultáneos. Los sistemas distribuidos convencionales demandan varios procesadores haciéndose cargo de los diferentes elementos íntimamente ligados a cada elemento, y estos procesadores a su vez se encuentran interconectados en una red compleja susceptible al ruido y a la alteración de datos. Lo que se propone es colocar esta red compleja en un mismo procesador que ayude a evitar la alteración de la información haciendo de estos datos algo más confiables. LabView también ofrece el concepto de programación orientada a objetos de manera gráfica, que permite algunas de las características más importantes del los sistemas multi-agente, reconfigurabilidad y fácil expansión sin líneas de código redundante, el modelo de comunicación y procesamiento se es ilustrado en la figura 2 (Ver fig. 2).

Fig. 2. Un modelo Multi-Agente, funcionalidades y capas de interacción. Con respecto a la figura 2, el modelo pretende mostrar

como interactuaran los agentes, ilustrando cuales son las principales actividades a desempeñar y los responsables de efectuarlas. Como puede ser observado los holones de mantenimiento están fuertemente relacionados con los niveles superiores, sus procesos vienen directamente de la información procesada por SEMs, esta capa está a cargo de la administración y del monitoreo de servicios como ciclo de vida, recolección, y almacenamiento de bases de datos. A través de estos datos los holones de Calendarización de actividades y roles, aceptan y actualizan ordenes. Algunos holones temporales pueden ser declarados para cumplir con algunas funciones, sin embargo una vez el producto es terminado y evaluado por algún proceso de inspección estos holones pueden ser desechados o rehusados por procesos consecuentes [10]. Aunque el siguiente nivel es una capa

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intermedia, su aplicación corre en el misma unidad de procesamiento, es por ello que a esto se le asigna el nombre de procesamiento multi-agente en paralelo, aquí es donde la inteligencia distribuida toma lugar. Una red determinista es aplicada a nivel software para separar los ciclos de algunos procesos de otros, cuya ocurrencia suele ser al mismo tiempo. De esta manera, el control y el monitoreo de los sistemas está integrado en una plataforma solida; sin embargo al mismo tiempo cada uno de los elementos está aislado ya que los ciclos son independientes, con esto se logra que los efectos causados por errores independientes no afecten al desempeño de otros ciclos. Por último se menciona a los holones Ejecutables, estos son la base del modelo de manufactura, por una parte estos holones reciben información más específica, como por ejemplo ordenes de movimiento y ejecución de programas, por otra parte también están a cargo de la comunicación de datos, directamente con la maquinaría en tiempo real (ejemplo; estatus de un producto, información de comienzo y finalización, producción y mantenimiento).

III. MIGRACIÓN TECNOLÓGICA DE UNA CFM ESTÁNDAR A UNA “CFM HOLÓNICA-LISTA”

Las ya establecidas CFM han resuelto los problemas de producción por años, sin embargo el mercado crece rápidamente, de tal manera que llegará un momento en que las líneas convencionales de producción dejaran de satisfacer las necesidades del mercado; por mencionar algunas de estas tenemos: productos cada vez más complejos, requerimientos de mayor calidad, rapidez de introducción de productos, y sobre todo la necesidad de reducir costos. Como se ha mencionado en la parte introductoria de este trabajo, los sistemas de control de manufactura deben ser basados en entidades distribuidas, autónomas y expandibles [4], además de ser capaces de producir una familia de productos sin grandes tiempos de arranque y preparación. Las siguientes secciones muestran como una CFM comercial (Ver fig.3) es adaptada para convertirse en una CFM con características holónicas, basadas en una estructura multi-agente; a la cual le llamaremos “CFM holónica-lista”.

IV. CELDA DE MANUFACTURA DEL ITESM En las instalaciones del instituto (ITESM) se encuentra el

laboratorio de automatización de sistemas de manufactura, el cual consiste en dos celda idénticas, equipadas cada una con una banda transportadora, un robot (Motoman UP6), un robot de almacenamiento automático con 4 grados de libertad, instalado en el almacén general de 2x12 casillas, una máquina de control numérico (CNC) fresadora (EMCO PC MILL 155), así como una mesa para ensambles con diferentes dispositivos de sujeción (Ver fig.3). Las bandas transportadoras cuentan con tres estaciones: estación robot, inspección y almacenamiento. Cuando la materia prima es introducida por un operador, las ordenes de producción deben ser programadas, de manera que cada uno de los módulos de la celda este enterados de las tareas y roles que se deberán desempeñar para efectuar la orden de producción.

Fig. 3. Diseño de la CFM (Celda Flexible de Manufactura) ITESM, caso de estudio.

Cuando un lote de materia prima es depositado en la banda

transportadora (Agente banda transportadora), el agente correspondiente deberá contar en todo momento con la información acerca de cuáles tareas han sido asignadas a cada pallet que navega a través de la banda. Dependiendo de las tareas asignadas el holon banda transportadora interactuará con el agente correspondiente para parar el pallet en la estación determinada para ejecutar el proceso asignado. Cuando algún material es bloqueado en la estación de robot, este puede ser entregado a la CNC o a las casillas de ensamblaje, esta interacción se logra mediante la intervención del robot Motoman. Que se le realizará a la materia prima y cuando deberá ser efectuada, son ejemplos de la información que debe ser entregada por los holones de órdenes, mismos que juegan el papel de mensajeros entre las dos partes de la pirámide ilustrada en figura 1, parte administrativa o gerencial y parte de procesos y control, las ordenes entregadas se hacen llegar a los holones ejecutables a cargo de un área o sector de la celda en especifico.

A pesar de las características flexibles con las que cuenta la CFM antes de la aplicación del concepto multi-agente y holónico, la estructura tradicional no es compatible con la infraestructura holónica ideal, todo esto hace que sea muy difícil su adaptabilidad a cambios y sus características centralizadas no permiten la escalabilidad y mejora del sistema, aunado a esto cualquier condición de error provoca paros prolongados en la producción y difíciles procedimientos de restablecimiento. El concepto habitual de producción puede ser ilustrado con claridad separando su parte dinámica de la parte estática, a continuación se mostrarán ambos estatutos, para ilustrar el desempeño de las celdas antes de aplicar la migración “CFM Holónica-lista”.

En un primer plano podemos observar la convencional operación estática de la celda, (Ver fig. 4); solo permite un solo producto por plan de producción, gastando la mayor parte de los recursos ubicados en la celda y prolonga los tiempos de producción, aun cuando se puede considerar una buena base para comenzar el desarrollo del ambiente holónico se puede demostrar que esta configuración es muy rígida para muchos aspectos como la aplicación de planes de producción simultáneos ya sea para el mismo tipo de producto o quizá para productos diferentes.

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Fig. 4. UML para la representación del desempeño estático de la celda estándar.

En segundo plano se menciona la parte dinámica del sistema (Ver fig. 5), a pesar de la alta flexibilidad en hardware que presentan los dispositivos que conforman la celda, muchos de estos recursos son desperdiciados, obsérvese que ante cualquier ocurrencia de error, el sistema colapsa y todo el plan de producción es detenido, sin notificar cual es la causa y hacer uso eficiente de esta información.

Fig. 5. Petri Net para la representación del desempeño dinámico de la celda estándar.

Todos estos aspectos son restricciones de los sistemas establecidos de manufactura, invitando a reconsiderar el desarrollo de una plataforma genérica que permita la migración de los sistemas establecidos a un sistema “Holónico-listo”, fácil de ser adaptado a las estructuras multi-agente holónicas, sin fracturar o corromper la infraestructura actual del hardware establecido.

V. “CFM HOLÓNICA-LISTA” Desde que la tecnología multi-agente ha sido reconocida

como un concepto clave en la visión de una nueva generación de sistemas altamente distribuidos, inteligentes, reconfigurables y robustos, los conceptos tradicionales como solución a los problemas de la manufactura, se han vuelto vulnerables a cambios [11]. La adaptabilidad ante adversidades como detección de fallas, reconfigurabilidad, flexibilidad ante cambios en el ambiente de producción, así como la magnitud y volúmenes de producción, son algunas de las necesidades que hacen atractiva la idea de mejorar los sistemas tradicionales de manufactura.

Para lograr este proyecto; el desarrollo del sistema multi-agente esta implementado sobre una software comercial, el cual permite el uso de programación gráfica, programación orientada a objetos, procesamiento de sistemas distribuidos, comunicación mediante librerías *.dll, funciones ActiveX, y manejo de código externo en lenguajes compatibles como C++, java, Matlab, etc. La tabla 1 (Ver tab.1) presenta algunas de las características que esta alternativa comercial ofrece y su ventaja sobre otro lenguaje de programación (C++) que si bien es de suma importancia, su utilización en conjunto lo hace aun más poderoso y versátil.

TABLA I

ESTA TABLA MUESTRA UNA COMPARACIÓN ENTRE LOS DIFERENTES TIPOS DE CÓDIGOS DE PROGRAMACIÓN; LABVIEW AND C++.

Tomaremos como caso general para justificar la aplicación de la programación orientada a objetos (POO), el caso de la banda transportadora. La descripción previa de la CFM hace referencia a tres estaciones de trabajo. Es de suma importancia conservar la generalidad en el desarrollo de la plataforma, pensando siempre en los casos extremos de manera que se puedan cubrir todas las posibilidades de aplicación (banda transportadora con “n” estaciones). Para

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satisfacer las necesidades de generalidad nosotros definimos métodos, eventos, y características que modificarían una clase definida por estación (Ver fig.6). Aplicando esta lógica y brindándole al sistema la capacidad de herencia, la expansión de la banda transportadora no dependerá de cuantas estaciones hay en la celda. Además, la estructura y diseño de la celda puede ser comparado con la organización del código, ya que este por ser gráfico puede ser “dibujado” de tal manera que coincida con la situación actual de la celda. En la figura 6 las tareas de los métodos son los que toman la información acerca de la situación actual de la estación (ejemplo; identificación del pallet, órdenes de bloqueo, liberación, y manejo de tiempos de bloqueo y retardo).

Fig. 6. La estructura de programación orientada a objetos implementada, así como su codificación análoga a la organización de la celda.

Las habilidades holónicas (inteligencia) deberá ser

conectado a los agentes independientes programados, adaptados a las entradas y salidas de cada uno de los instrumentos virtuales programados. Las entidades inteligentes holónicas pueden ser elaboradas en diferentes plataformas de programación como Matlab, C++, JAVA, etc. Aplicando los estándares conocidos para su interacción con los agentes, estos nuevos bloques pueden ser encapsulados como un bloque de código externo que a su vez pueda ser utilizado en diferentes interfaces.

Inspirados en estructuras holónicas previamente planeadas y experimentadas, en trabajos de investigación anteriores, basaremos el diseño de los módulos inteligentes holónicos que serán adaptados a los agentes de la plataforma [11].

Ya que en este trabajo los esfuerzos son mas orientados al diseño y construcción de la plataforma que ofrece una fácil migración a los bloques que brindarían la inteligencia a la CFM, no se tratara a profundidad el diseño holónico, sin embargo si se presenta un caso en particular para ejemplificar la metodología y como los holones serían aplicados.

VI. EJEMPLO DE LA IMPLEMENTACIÓN HOLÓNICA Como caso general se hablará de diferentes contingencias

que pueden ser cubiertas por inteligencia artificial, por ejemplo algunos de los casos más comunes y metódicos son; la falta de materia prima al comienzo de la producción, la demanda de material o pallets para ser transportados, colisiones del robot, deshabilitar equipo por falla o falta de mantenimiento, falta de estabilidad en el control de alguno de los procesos, cambios en la demanda de producción en cuanto

a cantidad de piezas o diferentes productos al mismo tiempo, entre otros. (Ver fig.7)Como descripción general del diagrama de petri mostrados en la figura 7 caso ante cambios repentinos de producción; el SEM notificaría acerca de los cambios en la orden de producción a los bloques centrales, donde el procesamiento en paralelo es llevado a cabo. Al mismo tiempo los agentes reprograman la calendarización de ocurrencia de los procesos para poder resolver la nueva problemática. Los holones de tareas deberán tener registro de cualquier programa necesario en la producción para activarlos directamente a los holones ejecutables una vez que los cambios han sido establecidos. Es vital para el concepto de manufactura inteligente, que la producción actual no resulte afectada por cualquiera de los cambios efectuados y así mismo el proceso de manufactura continúe normalmente, incluso cuando otra producción es efectuada simultáneamente.

Fig. 7. Petri Net for holonic actions due to productions changes

VII. CONCLUSIONES El prototipo desarrollado revela que el uso de un ambiente

grafico para la programación que además ofrece las funciones comunes de código necesario para el desarrollo de la plataforma, puede ser una opción que logre la mejor adopción de estos nuevos conceptos a la manufactura tradicional, fomentando la aplicación de plataformas “holónicas-listas”.

El trabajo en este artículo está orientado directamente a la aplicación en líneas de producción reales, e incluso se una metodología que orienta la adopción del concepto holónico, comenzando de una CFM convencional sin realizar cambios representativos en la infraestructura, creando una nueva y fácil tendencia a la ejecución holónica. Más adelante, la aplicación de SEM será realizado y este deberá adaptarse con facilidad a la estructura distribuida planteada.

El trabajo en este desarrollo continuara mejorando el diseño y el desempeño de las capas de agentes; además de presentar nuevas líneas de investigación en el desarrollo de los diferentes bloques inteligentes que agregarán autonomía a la CFM.

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Jorge M. Gamboa recibió su titulo profesional como ingeniero en electrónica y comunicaciones, en el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey, Nuevo León en el año 2005. Desde el 2006 ha impartido clases en el área de automatización, sistemas de manufactura, y control de procesos, en los laboratorios del departamento de mecatrónica. Como experiencia laboral ha trabajado en el

departamento de mantenimiento electrónico en de electrodomésticos Across Whirlpool, Vitroflex industria dedicada al desarrollo de partes automotrices (parabrisas). Sus áreas de interés incluyen sistemas de control de procesos, automatización, manufactura inteligente y robótica. Actualmente se encuentra finalizando su maestría en automatización y control.

Miguel J. Ramírez recibio su titulo de maestro en sistemas electronicos, en el Instituto Tecnológico de estudios Superiores, Monterrey, Nuevo León, con una certificacione en Tecnologias de Manufactura (CMfgT) por la asociación SME. Desde el año 2002 el es profesor del campus en el departamento de mecatrónica. Enseñea y coordina áreas como sistemas de manufactura y sistemas integrados de

manufactura. Su experiencia profesional incluye el desarrollo de programas de entrenamiento y consultoría relacionados con tecnologías de control numérico, sistemas de robótica, y diseño de lineas de produccion automatizadas, estos trabajos orientados en su mayoria al trabjo de metales, dando servicios a empresas como Danfoss Compressors, Johnson Controls, IBM, Nemak corporative, Visteon y otras. Actualmente el es candidato al grado de doctor en sistemas mecatrónicos en el ITESM, habiendo tenido participaciones internacionas de investigación con estancias en España, Inglaterra, y Alemania.

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