1 Introduccin y objetivos

1.1 Breve historia de los sistemas de control industriales

Los sistemas de control industrial han evolucionado durante las ltimas

decadas. Los sistemas de control distribuido, DCS en adelante, surgen de la

necesidad de obtener datos de los procesos y ejercer el control sobre stos en

una gran superficie y en tiempo real. Estos sistemas evolucionaron de la

necesidad de extender los sistemas de control neumtico ms all de una

pequea rea de una refinera.

Los PLC (computadores de lgica programable) evolucionaron de la

necesidad de reemplazar racks de rels en forma de escalera. Estos rels no eran

particularmente fiables, dificiles de recablear y complicados de diagnosticar en

caso de fallos. Originalmente, los PLC carecian de racks de I/O y muchos ni

siquiera podan llevar a cabo el control analgico ms rudimentario.

5

Ilustracin 1: PLC Siemens Simatic S7-400

La aparicin de los SCADA (control supervisado y adquisicin de datos)

tiene sus raices en las aplicaciones de distribucin, tales como electricidad, gas

y aguas, donde la necesidad de recogida de datos remotos a traves de medios

poco fiables, de poco ancho de banda o alta latencia. Los sistema SCADA usan

un control en lazo abierto con procesos separados bastante entre s. Los

sistemas escada usan RTU ( unidades terminales remotas) para enviar datos de

supervisin al centro de control. Normalmente estos RTU tienen una limitada

capacidad de control local en caso de que el centro de control no este

disponible. Con el paso de los aos los RTU son capaces de manejar el control

local de forma ms eficaz.

Los lmites que separaban a estos diferentes sistemas se diluyen conforme

pasa el tiempo. Los diferentes lmites tecnolgicos que llevaron al diseo de los

anteriores sistemas no son un problema actualmente. Muchos PLC actuales

pueden actuar a la manera de un pequeo DCS. Los SCADA pueden realizar

control en lazo cerrado a grandes distancias gracias a las nuevas infraestructuras

de comunicacin. Los DCS, gracias a los nuevos procesadores, ofrecen cada

vez ms subsistemas a forma de PLC que no estaban disponibles cuando fueron

diseados.

6

1.2 Software libre

Para definir el software libre, seguiremos los consejos de la Free

Software Foundation, organizacin creada en 1985 por Richard M. Stallman

con el objetivo de difundirlo frente al modelo Open Source.

Se denomina Software libre aquel que cumple todas y cada una de los

siguientes aspectos (llamadas las 4 libertades del soft ware libre):

Ejecutar el programa con cualquier propsito (privado, educativo,

pblico, comercial, militar, etc.)

Poder estudiar y modificar el programa (para lo cual es necesario poder

acceder al cdigo fuente).

Copiar y distribuir el programa de manera libre.

Permitir mejorar el programa y publicar las mejoras.

7

Ilustracin 2: Richard

Stallman

Desde que en 1983 el propio Stallman anunciara el proyecto GNU, se

empez a generar el movimiento del software libre. En 1991, un estudiante

finlands de informtica, Linus Torvalds, escribi el ncleo Linux y comenz a

distribuirlo con licencia GPL. Con este tipo de licencia, el autor conserva los

derechos de autor (copyright), y permite la redistribucin y modificacin

asegurndose de que todas las versiones modificadas del software permanecen

bajo los trminos ms restrictivos de la propia GNU GPL. Esto hace que sea

imposible crear un producto con partes no licenciadas GPL: todo tiene que ser

GPL.

Se cre por tanto el modelo colaborativo para el desarrollo de software,

construyendo el sistema operativo GNU/ Linux. En la actualidad existen

innumerables proyectos de software libre GPL en continuo desarrollo (debian,

apache,...) con una importancia capital en el panorama informtico mundial.

El software libre abre la posibilidad de creacin de nuevos modelos de negocio.

El software propietario es un producto por el que se debe pagar mientras que el

libre se adquiere de modo gratuito. Aunque en un primer momento se puede

pensar que no es posible hacer negocio con l, la filosofa es que el software no

es un producto sino un servicio. Esta idea

adems coincide con las necesidades de cualquier empresa, ya que

generalmente no desea comprar simplemente una caja en la que viene

empaquetado un software, sino que tambin quiere obtener un servicio de valor

aadido.

8

1.3 Proview

Proview es probablemente el primer software de codigo libre para el

control de procesos y atomatizacin en general en el mundo. Originalmente fue

desarrollado en Suecia por Mandator y SSAB Oxelsund como un sistema de

control de procesos basado en ordenadores estandar, el sistema ha llegado a

convertirse en una solucin integrada, de bajo coste y completamente

desarrollado que es ejecutado en Pcs estandard con Linux como sistema

operativo.

Proview es software libre y su licencia es GNU/GPL. Proview se puede

descargar, usar, modificar y redistribuir tanto como se quiera siempre que se

sigan los trminos de la licencia.

La configuracin de un sistema Proview se realiza grficamente,

haciendo la adaptacin a la aplicacin simple y flexible. Proview es un sistema

distribuido, lo que significa que el sistema puede consistir de varios

ordenadores conectados por red, preferiblemente ethernet. Un sistema tpico de

Proview consiste de un sistema controlador del proceso y una o ms estaciones

para operadores. Es fcil configurar una estacin de proceso para ser el sistema

HMI de varios procesos.

La programacin es posible con un editor grfico para el PLC y con

lenguajes de alto nivel (tales como C, C++m Java o FORTRAN).

La gran ventaja de usar hardware standard es que el tamao del sistema,

las propiedades y el rendimiento est principalmente limitado por el sistema

operativo y el hardware en el que corre. En Proview no hay limites en el

nmero de I/O, lazos PID, programas PLC, contadores etc. El tiempo de

muestreo de un lazo PLC es menor de 1 milisegundo.

Proview se puede comunicar con otros ordenadores via red ethernet y via

mecanismos en serie. Proview soporta diferentes protocolos, tales como UDP o

TCP via ethernet y Siemens 3934R o conexiones serie.

9

El sistema de I/O mas comn de Proview es Profibus/DP, un robusto y

ampliamente probado bus de campo. Existe tambin soporte para Modbus TCP,

y USB I/O de diferentes dispositivos como Motion Control y PSS9000. El

diseo modular de los sistemas de I/O y el hecho de que Proview est basado en

Linux y lenguajes de alto nivel hace fcil el diseo e implementacin de otros

sistemas de I/O con drivers disponibles o el desarrollo de nuevos sistemas.

Proview es el nico sistema de control en el mercado que puede trabajar

realmente de una forma orientada a objecto. La programacin se puede hacer de

una manera tradicional con bloques de funciones y simples seales. Proview, no

obstante, tiene soporte para crear objetos complejos y funciones que trabajan

con ellos. Conceptos de sistemas orientados a objeto como la herencia y los

mtodos estn presentes en Proview.

10

1.4 Motivaciones y razn del proyecto

Este proyecto nace con la intencin de ofrecer un marco para el desarrollo

y prueba de un SCADA/DCS basado en un software de libre distribucin.

Englobando tanto la instalacin y configuracin del software como el desarrollo

de cdigo en diversos lenguajes de programacin, principalmente C.

El trmino SCADA normalmente hace referencia a un sistema

centralizado que monitoriza y controla grupos de sistemas repartidos en grandes

superficies. La mayora de las acciones de control son llevadas a cabo RTU o

computadores PLC.

Las acciones del SCADA son normalmente de supervisin o de cambios

en los valores de referencia por parte de un operario.

La adquisicin de datos comienza en los PLC o RTU e incluyen lecturas

de sensores e informacin acerca del status de diversos dispositivos. Los datos

son entonces comunicados al SCADA. All son compilados y formateados de

manera que el operario, mediante una interfaz humano mquina, en adelante

HMI, es capaz de visualizar y ajustar los valores oportunos o tomar el control

del proceso en lugar del PLC/RTU.

Con Proview todo este sistema se encuentra englobado en un solo PC

corriendo un sistema operativo, prefiblemente en tiempo real. De esta manera

con un solo PC se puede controlar diversos procesos cada uno de ellos mediante

un hilo PLC, que puede correr diferentes programas PLC a la vez, con un

tiempo de muestreo y prioridad diferentes.

De esta forma es posible tener un solo PC que se encargue de varios

procesos, recibiendo datos de ellos y obrando en consecuencia a cada programa

PLC que alberga y tener diferentes PCs a modo de SCADA/HMI para los

operarios que supervisan cada proceso.

11

Definicin de objetivos

En este apartado se definen los objetivos fijados, antes del inicio del

desarrollo, para alcanzar la realizacin del proyecto.

Se distinguen dos tipos de objetivos, en primer lugar los objetivos

generales extraidos del motivo del proyecto, las lineas generales para constatar

que el proyecto cumple las necesidades que lo motivan, la instalacin y

configuracin de Proview, as como la conclusin de las pruebas realizadas.

En segundo lugar se presentan los objetivos funcionales, es decir, los

necesarios para que se cumplan los objetivos generales de una manera

satisfactoria.

Objetivos generales

El objetivo principal es la creacin de un SCADA de cdigo libre en un

PC de sobremesa para el control de un proceso real.

Para ello es necesario la instalacin del programa Proview en el

ordenador que controlar el proceso, la configuracin y programacin de

Proview para que el sistema controlo el proceso en cuestin y la realizacin

final de pruebas en el sistema controlado.

12

Objetivos funcionales

Para que el PC pueda controlar el proceso se han de concretar una serie de

funcionalidades que se detallan a continuacin.

Comunicacin del PC con el sistema de adquisicin de datos/Controlador

El PC se comunicar con un PID que hace las veces de mdulo de I/O y

de controlador mediante el protocolo Modbus/TCP. Para ello ser necesario

conocer las direcciones de cada registro del Modbus y programar en Proview la

adquisicin y escritura de datos va Modbus.

Creacin de nuev os componentes en Proview para la interaccin con el PID

La creacin de nuevas clases para manejar el comportamiento del PID y

la interaccin del operario con ste. Este paso incluye la creacin de cdigo en

C que se ejecutar en el programa PLC donde se incluya la clase

correspondiente. Adems cada componente est asociado a una grfica creada

en el editor grfico de Proview.

Programacin en Proview

Toda la programacin hecha en el entorno de Proview, as como la

creacin de los mmicos y grficos necesarios del proceso.

Puesta en marcha y pruebas del servidor web

Proview permite que el proceso sea accesible mediante web, as las

grficas son compiladas a java y pueden ser accedidas remotamente por el

operario.

Este paso requiere de la instalacin del JDK de java y de diversos

retoques en archivos de script de proview.

13

Programacin de un controlador en C y ejecucin desde Proview

De nuevo es necesaria la creacin de un nuevo componente en Proview y

el cdigo C correspondiente para la ejecucin en cada ciclo del PLC. La

creacin de las grficas asociadas a ese componente desde el editor grfico de

Proview tambien forma parte de este objetivo.

Prueba del servidor OPC y su interconexin con otros sistemas

El montaje y prueba del servidor OPC incluido en Proview y el diseo de

un controlador avanzado en Matlab que controle mediante los datos del OPC el

sistema.

14