Departamento de Control Automático
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Departamento de Control Automático
Título: Entrenador en Sistemas Supervisorios para la enseñanza.
Autor: Jorge Eduardo Cossio Mariño
Tutor: DrC. Roberto Luis Ballesteros Horta
, junio 2019
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las
Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui
Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la
mencionada casa de altos estudios.
Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:
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Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830
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i
PENSAMIENTO
¨Nuestra recompensa se encuentra en el esfuerzo y no en el resultado. Un esfuerzo total
es una victoria completa. ¨
Mahatma Gandhi
ii
DEDICATORIA
A mis abuelos Jorge Eliseo Cossio Bartuti y Eduardo Andrés Mariño Betancourt, que
deben estar orgullosos de mi como yo lo estoy de ellos.
iii
AGRADECIMIENTOS
Quisiera agradecer a mi familia por su apoyo y comprensión en todo momento, sobre todo
la comprensión.
A las amistades de la familia, que poder contar con ellos, constituye una garantía.
A mis amigos que muchos se convirtieron en familia e incluyo a sus padres.
A los profesores de la carrera, muchos son amigos, gracias a ellos soy el profesional de
hoy.
Quiero agradecer especialmente al profesor Ballesteros que me aceptó como tesiante
cuando decidí cambiar el tema.
A la profesora Elaine quien me propuso optar por el estudio de Ingeniería Automática.
iv
RESUMEN
Los sistemas didácticos de entrenamiento son muy utilizados en los centros de enseñanza
para el desarrollo de personal altamente calificado necesario en la industria. Esta
investigación tiene como objetivo diseñar un entrenador en sistemas suupervisorios para la
enseñanza, tanto para procesos reales y virtuales compuesto por varios niveles de
automatización que permita la realización de prácticas de laboratorios para diferentes
asignaturas. Se desarrolló el HMI del SCADA en el software Movicon. Se utiliza la
maqueta con servomotor SAD-100 como proceso y el software LabVIEW para su control.
Para la valoración de los resultados se analiza el caso del control de velocidad del motor de
corriente directa. Se simula con los valores de configuración inicial y se introducen varias
consideraciones prácticas para interpretar el efecto en la salida del sistema. Finalmente se
arriba a conclusiones a partir de los resultados obtenidos y se brindan algunas
recomendaciones.
v
TABLA DE CONTENIDOS
PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i
DEDICATORIA .................................................................................................................... ii
AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii
RESUMEN ............................................................................................................................ iv
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1
Organización del informe ................................................................................................... 3
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMAS SCADA .......................................... 5
1.1 Sistemas SCADA ..................................................................................................... 5
1.1.1 Características de los sistemas SCADA ........................................................... 6
1.1.2 Componentes de hardware de un sistema SCADA y sus principales funciones
7
1.1.3 Componentes de sofware de un sistema SCADA y sus funciones ................... 8
1.1.4 Principales software para la implementación de un SCADA ........................... 9
1.2 Protocolos generales para el intercambio de datos entre aplicaciones SCADA .... 12
1.2.1 Definición de protocolo .................................................................................. 13
1.2.2 Elementos que definen un protocolo .............................................................. 13
1.2.3 Funciones de un protocolo .............................................................................. 13
1.2.4 Protocolos comúnmente utilizados ................................................................. 15
1.3 Sistemas didácticos de control de procesos ........................................................... 18
vi
1.3.1 Partes fundamentales de los sistemas didácticos de control de procesos ....... 19
1.3.2 Funciones básicas de los sistemas didácticos de control de procesos ............ 20
1.4 Estudios anteriores relacionados con el tema ......................................................... 22
1.5 Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 23
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR .................................................. 24
2.1 Caracterización de Movicon .................................................................................. 24
2.2 Caracterización del instrumento virtual ``SCD SAD-100.vi´´ ............................... 26
2.3 Caracterización de la maqueta ALECOP SAD-100 ............................................... 28
2.4 Caracterización de la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212 ..................... 33
2.5 Diseño de los niveles tres y cuatro del entrenador ................................................. 34
2.5.1 Arquitectura del entrenador ............................................................................ 34
2.5.2 HMI del software SSEServidor ...................................................................... 35
2.5.3 HMI del supervisor cliente SSECliente .......................................................... 36
2.5.4 Conexión entre las aplicaciones utilizando OPC ............................................ 37
2.6 Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 40
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS ................................... 41
3.1 Pruebas realizadas al software SSEControl con proceso real ................................ 41
3.1.1 Controlador PI con ganancia proporcional Kc ............................................... 41
3.1.2 Controlador PI utilizando banda proporcional ................................................ 42
3.1.3 Otras pruebas reales realizadas realizadas ...................................................... 43
3.2 Pruebas realizadas al software SSEControl con proceso simulado ....................... 43
3.2.1 Prueba realizada con proceso lineal ................................................................ 43
3.2.2 Prueba realizada incorporando zona muerta ................................................... 44
3.2.3 Prueba realizada incorporando varias alinealidades ....................................... 45
vii
3.3 Pruebas de comunicación entre aplicaciones ......................................................... 45
3.4 Pruebas al HMI de los niveles tres y cuatro ........................................................... 47
3.5 Guía para práctica de laboratorio ........................................................................... 50
3.6 Análisis técnico-económico-medioambiental ........................................................ 51
3.7 Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 51
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 53
Conclusiones ..................................................................................................................... 53
Recomendaciones ............................................................................................................. 54
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 55
ANEXOS ................................................................................................................................. i
Anexo I Tabla de la característica estática del servomotor ............................................. i
Anexo II Otras pruebas realizadas ............................................................................... iv
Anexo III Guia prática de laboratorio ............................................................................ x
INTRODUCCIÓN 1
INTRODUCCIÓN
Debido a la demanda de personal altamente calificado que presenta la industria moderna es
necesario transformar el método en el que los estudiantes reciben el conocimiento de
manera teórica por parte de los profesores a el conocimiento innovador, donde el estudiante
aplica sus conocimientos de forma práctica en sistemas didácticos que simulan de cierta
manera el comportamiento de los procesos en el entorno industrial. Con la realización de
estas prácticas es posible reducir la brecha existente entre el conocimiento teórico y la toma
de decisiones en práctica. Con este propósito existen desarrolladores especializados que se
dedican a la elaboración de módulos didácticos y software de entrenamiento que presentan
ambientes amigables, pautas de aprendizaje determinadas y estructuras robustas. Sin
embargo, presentan como desventaja que crean una dependencia completa a las tecnologías
extranjeras, las metodologías establecidas por el desarrollador, presentan altos costos de
compra y/o capacitación para el profesor (Bautista, 2016).
Los entrenadores de procesos surgen como soporte para el desarrollo de las tareas
complejas desempeñadas por el operador, tiene como objetivo suplir sus posibles
deficiencias producto, entre varios motivos, por la sobrecarga de información o la fatiga y
la complejidad del proceso a controlar. Los esfuerzos son dirigidos dentro de lo posible a la
automatización del análisis de los datos, la detección de fallos, así como su diagnóstico y la
toma de decisiones o propuesta de acciones concretas. Es relevante su importancia sobre
todo cuando la complejidad de la planta a controlar es de alto grado. Estos sistemas
capacitan para comprender detalladamente el proceso asignado y simular situaciones reales
comunes en la industria (Moreno, 2017).
La aplicación de los conocimientos adquiridos por los estudiantes en procesos con
consideraciones prácticas reales de la industria fomenta el interés en la investigación
INTRODUCCIÓN 2
continua y se ejercita la habilidad de toma de decisiones ante situaciones comunes en los
procesos industriales. Por las ventajas que ofrecen los sistemas didácticos que simulan
procesos de entornos industriales y a sus altos costos de adquisición, los centros de
enseñanza de nivel superior dirigen esfuerzos para el desarrollo e implementación de estos
sistemas.
En el Departamento de Control Automático de la Facultad de Eléctrica de la Universidad
Central ¨Marta Abreu¨ de Las Villas no se cuenta con un Sistema Supervisorio que
interactúe sobre procesos ya sean reales o virtuales como módulo de entrenamiento. El
análisis y diseño de los procesos controlados se realiza a partir de las estrategias
convencionales lo que constituye un trabajo monótono. Los estudiantes de sistemas de
control no se benefician de las ventajas de la simulación en tiempo real y no se realizan
prácticas donde se opere sobre sistemas automatizados.
De lo anterior surge como problema científico:
La ausencia de un entrenador en sistemas supervisorios para procesos reales y virtuales con
consideraciones reales en los laboratorios de la carrera de Ingeniería en Automática, que
permita adquirir conocimientos, habilidades para el análisis y operación de los sistemas de
control mediante prácticas de laboratorio.
Para dar solución al problema científico se plantea como objetivo general: Diseñar un
entrenador en sistemas supervisorios para procesos virtuales y reales compuesto por varios
niveles de automatización que permita la realización de prácticas de laboratorio para
diferentes asignaturas.
Para el cumplimiento del objetivo general, se proyectan los objetivos específicos
siguientes:
Analizar la bibliografía existente sobre sistemas SCADA, simuladores,
entrenadores.
Caracterizar las funcionalidades de los estudios anteriores relacionados con el tema.
Proponer la arquitectura del sistema supervisorio.
Desarrollar los niveles tres y cuatro del sistema supervisorio para el control del
proceso.
INTRODUCCIÓN 3
Simular en tiempo real un proceso con función transferencial configurable y su
control automático.
Valorar los resultados de las pruebas realizadas en tiempo real del sistema
supervisorio.
Proponer una guía de práctica de laboratorio.
Con este trabajo se logra la implementación de un sistema automatizado de cuatro niveles
para procesos virtuales o reales. Un nivel de sensores y actuadores que puede ser simulado
o real a partir de la utilización de la maqueta ALECOP SAD-100 y la tarjeta de adquisición
de datos NI USB-6212. El segundo nivel de control está basado en una computadora con
LabVIEW para el control. Se conecta un tercer nivel de supervisión en una computadora
con un software SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) y un cuarto nivel
como cliente del nivel de supervisión que interactúa con el anterior a través del protocolo
OPC (OLE for Process Control).
Como resultados del trabajo se tiene una sistematización del conocimiento sobre sistemas
SCADA y entrenadores para la enseñanza. Así mismo los software SSEControl,
SSEServidor, SSECliente y una guía para una práctica de laboratorio que a su vez sirve de
base para realizar otras prácticas.
Con la implementación de este sistema automatizado se puede contribuir a la adquisición
de conocimientos y habilidades en la operación de sistemas supervisorios. También permite
un acercamiento de los estudiantes y profesores a situaciones industriales reales mediante el
uso de consideraciones prácticas, sin la necesidad de grandes inversiones de tiempo y
recursos.
Organización del informe
El informe de la investigación se estructura en introducción, capitulario, conclusiones y
recomendaciones, bibliografía y anexos.
En la introducción se deja definida la importancia, actualidad y necesidad del tema que se
aborda y se dejan explícitos los elementos del diseño teórico.
Capitulario
INTRODUCCIÓN 4
CAPÍTULO I: Se realiza una conceptualización de los sistemas SCADA así como un
análisis de los más utilizados actualmente, de sus funciones, de las redes industriales y
corporativas a las cuales es capaz de acoplarse; principalmente se hace énfasis en el
protocolo OPC. Se realiza un análisis de la bibliografía existente sobre entrenadores,
simuladores y laboratorios virtuales. Por último, se efectúa una breve caracterización de los
antecedentes.
CAPÍTULO II: Se caracteriza la maqueta ALECOP SAD-100. Se hace una propuesta de la
arquitectura del sistema Supervisorio y son explicados los pasos del desarrollo de los
niveles tres y cuatro.
CAPÍTULO III: Se dedica a la valoración de las pruebas realizadas al sistema propuesto en
sus dos modalidades proceso simulado como real. Se elabora una guía para una práctica de
laboratorio. Se finaliza con un análisis económico y medioambiental.
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 5
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMAS SCADA
Con el avance de la tecnología el crecimiento de la industria ha tomado pasos agigantados,
cada vez son más los procesos controlados por lo que la supervisión de estos se ha tornado
más complejo para el operador. Los sistemas SCADA constituyen la herramienta indicada
que ha suprimido tales necesidades pues estos muestran de manera organizada y resumida
los parámetros que resultan de mayor interés para el operador. Permite al operador
interactuar con el proceso y realizar un análisis más efectivo de la información. Por lo
anterior explicado es necesario que el personal este altamente capacitado en la operación de
estos. Es posible ejercitar habilidades con la utilización de sistemas didácticos que permiten
el entrenamiento en ambientes seguros.
En este capítulo se conceptualizan los sistemas SCADA, se realiza un análisis de las partes
que los componen y se mencionan algunos de los más utilizados. También se explica en
qué consisten los sistemas didácticos de entrenamiento y se describen sus partes
fundamentales.
1.1 Sistemas SCADA
La expresión “SCADA” deriva de las siglas en inglés de “Supervisory Control And Data
Adquisition”, que traducidas al idioma español se interpreta como “Control Supervisorio y
Adquisición de Datos”. Con la premisa de que los primeros sistemas de supervisión se
dieron a conocer en los Estados Unidos, se ha generalizado la utilización de las siglas
SCADA para hacer referencia a dichos sistemas (Lakhoua, 2009).
Un sistema SCADA o también llamado “Sistema Supervisorio” es una aplicación o
conjunto de aplicaciones de hardware y software. El HMI (Human Machine Interface) está
diseñado para funcionar sobre computadoras de control de producción, con acceso a la
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 6
planta mediante la comunicación digital con instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica
de alto nivel para el operador (Pérez-López, 2015).
Aunque en sus inicios sólo era un software que permitía la supervisión y adquisición de
datos de un proceso controlado. En los últimos tiempos han surgido una serie de productos
de hardware y buses especialmente diseñados o adaptados para este tipo de sistemas. El
sistema es capaz de comunicarse con los dispositivos de campo para controlar el proceso de
forma automática desde la pantalla de la computadora. La interfaz es configurada a partir
de las necesidades del usuario y puede ser modificada con facilidad. Además, provee a
diversos usuarios, de toda la información que se genera en el proceso productivo.
1.1.1 Características de los sistemas SCADA
Los sistemas SCADA presentan como principal característica el control supervisorio
(Pérez-López, 2015). El operador supervisa el control sobre el proceso, no solo monitorea
el estado de las variables que actúan sobre la planta; sino que puede actuar y modificar las
variables de control en tiempo real, algo que pocos sistemas permiten con la facilidad que
ofrecen los sistemas SCADA. La diferencia principal radica en que las variables de control
en los clásicos están distribuidas sobre los controladores electrónicos de la planta. Esto
dificulta mucho las variaciones en el proceso, ya que una vez implementados, estos
sistemas no permiten optimizar el control en tiempo real.
Según (Gómez, 2008) los sistemas SCADA se caracterizan principalmente por la
adquisición y el almacenamiento de datos para procesar y almacenar la información
recibida de forma continua y confiable. Muestran una representación gráfica y animada de
las variables de procesos y su monitorización por medio de alarmas, permiten la ejecución
de acciones de control para modificar la evolución del proceso ya que estos permiten al
operario actuar ya sea sobre los reguladores autónomos básicos o directamente sobre el
proceso. Los SCADA presentan arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación
y adaptación, conectividad con dispositivos de campo, otras aplicaciones y bases de datos,
entre otras. Se caracterizan por poseer sistemas de alerta sobre cambios detectados en la
planta, tanto aquellos que no se consideren normales como los que se produzcan en su
operación diaria que son usualmente conocidos como alarmas y eventos respectivamente.
Todo esto sin excluir la característica de control supervisorio.
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 7
1.1.2 Componentes de hardware de un sistema SCADA y sus principales funciones
Para (Gómez, 2008), como cualquier aplicación industrial, un sistema SCADA consta de
determinados componentes para poder procesar y gestionar la información, los cuales se
describen a continuación.
Computadora Central o MTU (Master Terminal Unit)
La computadora central es en la que se supervisa y se recoge la información ya sea
directamente de los instrumentos de campo o de otras computadoras a las que esté
conectada si el sistema es más complejo. De esta manera se entiende que el sistema
menos complejo es en el que el MTU es la única unidad de computo que lo
compone. Este componente normalmente se encuentra en el tercer nivel del sistema.
El MTU tiene como principales funciones:
Intercambio de información con los RTU (Remote Terminal Units) donde
generalmente se sigue un esquema servidor-cliente.
Funciona como interfaz HMI donde se muestran los estados de las variables en
tiempo real, se realiza la administración de alarmas y son recolectados y
presentados los datos en históricos.
Unidades de cómputo remotas o RTU
Estas unidades son las que están situadas en nodos estratégicos encargadas de
ejercer el control automático de los subprocesos; reciben la señal de los
instrumentos de campo, manipulan elementos acción final y ejecutan el software de
la aplicación encargado del control. Se encuentran en un nivel, normalmente
llamado segundo, intermedio entre los MTU y los instrumentos de campo.
Red de comunicación
Este es el componente encargado de la gestión de la información entre los
elementos de campo y las computadoras que se encuentren en la red. El protocolo
de comunicación empleado puede ser muy variado en dependencia de las
características del sistema ya que los software para implementar SCADA y los
elementos de campo no permiten el trabajo con todos los protocolos que pueden ser
implementados. Los clientes SCADA correspondientes al nivel administrativo
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 8
generalmente son implementados sobre sistemas WAN (Wide Area Network) de
comunicaciones, ya que los RTU suelen estar deslocalizados geográficamente. Sin
embargo, la interacción entre sensores, actuadores y RTU, correspondientes a los
primeros tres niveles, se realiza a través de buses de campo.
Instrumentos de Campo
Son aquellos que permiten la automatización o control del sistema, integrado por
controladores y actuadores encargados de ejecutar la acción de control e interactuar
con subsistemas para obtener cambios respectivamente; por otra parte, se
encuentran los sensores que captan la información incluyendo el estado de las
variables. A este componente es conocido como primer nivel del sistema.
1.1.3 Componentes de sofware de un sistema SCADA y sus funciones
Los módulos de software que para (Gómez, 2008) integra un SCADA junto a sus funciones
se describen a continuación:
Configuración
La configuración permite el diseño del entorno de la aplicación conforme con las
necesidades del operador y delimita los niveles de acceso para la variedad de
usuarios. La configuración con la selección de los drivers de comunicación
garantiza el intercambio de información con los elementos de campo y su
intercomunicación en red o no. Es donde se indican en forma de tabla o lista las
variables a visualizar, procesar o controlar de tal manera que queden definidas para
facilitar el proceso de programación.
Interfaz gráfica del operador
La interfaz gráfica ofrece la posibilidad de la generación de reportes, representación
de alarmas y la supervisión como funcionalidades distintivas. Los datos adquiridos
se utilizan para la generación de representaciones gráficas, predicciones, gestión de
la producción y gestión administrativa-financiera, entre otras. Con la gestión de
alarmas se mantiene al tanto al operador de situaciones no aceptables o perjudiciales
a través de señales visuales o sonoras. La supervisión es llevada a cabo por el
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 9
usuario a partir de la evolución de las variables de control y así tomar decisiones
más acertadas.
Módulo del proceso
En el módulo del proceso es donde se realiza la adquisición de los datos y el
control. Se recolecta, procesa y almacena de forma ininterrumpida la información
recibida de los elementos de campo. Con el procesamiento de la información
recolectada se toman acciones sobre los elementos de acción final que pueden ser de
forma manual o automática y así modificar la evolución del proceso.
Gestión y archivo de datos
Se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, según formatos
compatibles para elementos periféricos de hardware o software del sistema tales
como impresoras, bases de datos, hojas de cálculo, entre otros; de forma que otra
aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.
1.1.4 Principales software para la implementación de un SCADA
A causa de la utilidad e importancia demostrada de los sistemas SCADA en la industria,
son numerosas las firmas desarrolladoras de tecnologías para el control de procesos que
dirigen esfuerzos en la fabricación de este tipo de aplicación. A continuación, se describen
algunos de estos software separados por fabricante.
Proveedor: National Instruments
LabView
Esta herramienta según (Acosta, 2017) presenta un ambiente de desarrollo
gráfico sencillo para dominar por ingenieros. Posibilita el desarrollo fácil de
interfaces de usuario sin la necesidad de utilizar código de programación ya
que las funciones son implementadas por diagrames de bloque.
El lenguaje está basado en un modelo de programación de flujo de datos el
cual está denominado G, que elimina la rigidez de la programación por
texto. También se puede agregar que es el único sistema de programación
gráfica que presenta un compilador que genera código optimizado
comparable con lenguajes como C en cuanto a velocidad de ejecución. Este
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 10
software es capaz de reconocer cualquier instrumento mediante un asistente
que esté conectado a la computadora mediante un asistente que instala los
controladores necesarios para su funcionamiento facilitando la
comunicación al instante.
Debido a que ofrece una integración incomparable con dispositivos de
hardware, presenta numerosas bibliotecas integradas para el análisis avanzado y
visualización de datos y a la facilidad de construir aplicaciones en un
ambiente gráfico, las últimas versiones se han utilizado ampliamente para
desarrollar aplicaciones para la supervisión y control de procesos.
Lookout
Este software es presentado por su fabricante como el principal para el
desarrollo de HMI de sistemas SCADA. Igual que el anterior presenta
control ActiveX para aplicaciones industriales. Brinda la posibilidad a los
usuarios de utilizar cualquier producto con control ActiveX disponible
independientemente que este pertenezca a National Instruments o a terceros
para el desarrollo de las aplicaciones.
El software HMI/SCADA orientado a objetos y de fácil uso es un
contenedor ActiveX para integrar y controlar objetos, y desarrollar las
aplicaciones de manera sencilla y rápida. Es importante enunciar la
característica de su integración plena con las funciones de internet, como es
la creación de reportes HTML (HyperText Markup Language), envío de
correos electrónicos y exportar algunos procesos a través de la web para no
solamente monitorizar, sino controlar algunos procesos en forma remota
(Acosta, 2017).
Proveedor: Opto 22
FactoryFloor Software
Se trata de un conjunto de productos de software integrados en uno para el
control industrial que es capaz de resolver la mayoría de las necesidades de
automatización de una planta. OptoControl es un ambiente de desarrollo
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 11
gráfico e intuitivo que combina control analógico, control digital,
comunicaciones seriales y de red. OptoDisplay provee funciones completas
para HMI con capacidad multimedia. OptoServer es el servidor de datos
para clientes OPC y DDE (Dynamic Data Exchange) en ambiente Microsoft
Windows. OptoConnect proporciona una interface bidireccional entre los
sistemas de datos y los sistemas de control, con extensión hacia Microsoft
SQL Server y bases de datos de Microsoft Access (Opto22, 2019).
Proveedor: Siemens
WinCC Profesional
Siemens ofrece un sistema SCADA/HMI que está perfectamente integrado
en el “Portal TIA” y con el cual está preparado de manera óptima para los
requisitos de la creciente digitalización de los procesos de producción. Es un
sistema de control y monitorización de procesos basados en PC para
visualización y control de procesos, flujos de producción, máquinas y
plantas en todos los sectores, desde la simple estación de un solo usuario
hasta los sistemas multiusuario distribuidos y soluciones de ubicación
cruzada con clientes web. La funcionalidad de los sistemas se puede ampliar
aún más si se emplean opciones para WinCC RT Professional u opciones
SCADA (Siemens, 2019).
Proveedor: SERCONI
EROS
EROS es un sistema de supervisión y control de procesos industriales.
Realiza variadas funciones dentro del entorno de la dirección de los
procesos. Facilita a los operadores, ingenieros, supervisores y directivos
operar y dirigir cualquier proceso con más eficiencia y productividad. Puede
trabajar acoplado con diversos sistemas de colección de datos y control,
como elemento único o formando parte de una red industrial. Cumple con la
plataforma multiusuario, el EROS es un sistema distribuido en el cual sus
diferentes componentes se interconectan a través de la intranet empresarial.
Los componentes que cooperan entre si son: Estaciones de Medición,
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 12
Estaciones de Visualización, Servidores de Reportes y Servidores de
Tiempo. Estos componentes pueden estar en computadoras separados
vinculados a través de una red ethernet o en un mismo computadora (EROS,
2016).
Proveedor: Progea
Movicon
Este software no solo proporciona una gran variedad de herramientas para
crear potentes sistemas de visualización y control con gran facilidad, sino
que también incorpora las tecnologías más innovadoras para permitir una
fácil integración de aplicaciones en todo el mundo, tanto en la distribución
de información hacia sistemas de gestión de información empresarial, como
la distribución de información a clientes locales o remotos a través de la
web. Está completamente basado en estándares XML (eXtensible Markup
Language) y tecnologías bien establecidas como servicios web, gráficos
SVG (Scalable Vector Graphics), OPC, SQL (Structured Query Language),
ODBC (Open DataBase Connectivity), .Net, así como tecnología Java.
Permite realizar cualquier tipo de aplicación de supervisión ya sea simple o
compleja. Incluye el control de E/S, sistemas de visualización HMI locales y
potentes aplicaciones SCADA. Posibilita el desarrollo de ventajosos
sistemas de adquisición y análisis de datos para la gestión y optimización de
la productividad. Presenta sistemas de alarma por avisador, que notifican al
personal de guardia mediante control remoto (Progea, 2019).
1.2 Protocolos generales para el intercambio de datos entre aplicaciones SCADA
Las organizaciones han tenido la necesidad de integrar todas sus áreas funcionales con el
propósito de disponer de información desde la parte operativa hasta los niveles gerenciales
de la empresa. El mercado proporciona a la industria soluciones diferentes a nivel
administrativo con respecto a los sistemas para la supervisión y control de procesos. Al
tratar de integrarlas deben enfrentar un alto grado de heterogeneidad debido a las diferentes
tecnologías, metadatos, lenguajes de programación e interfaces utilizadas (Montero, 2004).
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 13
Las organizaciones reconocidas en el campo de la integración industrial han estado
trabajando en estándares que permitan llevar el proceso de integración empresarial a un
nivel de abstracción, donde la interoperabilidad y adaptación en las empresas de
manufactura ayuden a cumplir con los requerimientos de la industria actual, por lo que son
numerosos los estándares empleados.
1.2.1 Definición de protocolo
Un protocolo de comunicación es un conjunto de normas y especificaciones que deben
cumplir las aplicaciones para lograr el intercambio de información entre ellas. Es ``el
lenguaje común que utilizan´´ por lo que deben conocer su sintaxis, gramática y todas las
reglas para poder entablar la comunicación de manera satisfactoria (Chacón, 2012).
1.2.2 Elementos que definen un protocolo
Existen tres elementos fundamentales que definen un protocolo:
Sintaxis
Se refiere al formato, codificación y niveles de señal de datos.
Semántica
Es la información de control y gestión de errores.
Temporización
Se refiere a la coordinación entre la velocidad y orden secuencial de las señales.
1.2.3 Funciones de un protocolo
Durante el intercambio de datos entre aplicaciones deben quedar claramente establecidas
ciertas funciones para que la conexión sea caracterizada por protocolo. Las principales
funciones de un protocolo se describen a continuación:
Segmentación
Para que exista una comunicación eficiente, es recomendable dividir los bloques de
datos en unidades pequeñas e iguales en tamaño. El bloque básico de segmento en
una cierta capa de un protocolo se le llama PDU (Protocol Data Unit).
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 14
Encapsulado
Se refiere al proceso de adherir información de control al segmento de datos. Esta
información de control es el direccionamiento del emisor/receptor, código de
detección de errores y control de protocolo.
Control de conexión
Hay bloques de datos, sólo de control además de datos y control. Cuando se utilizan
datagramas, todos los bloques incluyen control y datos ya que cada PDU se trata
como independiente. Hay protocolos más sencillos que otros, por lo que los
protocolos de los emisores y receptores deben ser al menos compatibles.
Entrega ordenada
El envío de los PDU puede acarrear el problema de que, si hay varios caminos
posibles, lleguen al receptor desordenados o repetidos, por lo que el receptor debe
tener un mecanismo para reordenarlos. Hay sistemas que tienen un mecanismo de
numeración; con un módulo suficientemente alto como para que sea imposible que
haya dos segmentos en la red al mismo tiempo y con el mismo número.
Control de flujo de datos
Existen controles de flujo de parada y espera o de ventana deslizante. El control de
flujo es necesario en varios protocolos ya que el problema de saturación del receptor
se puede producir en cualquier momento.
Control de errores
Generalmente se utiliza un temporizador para retransmitir una trama una vez que no
se ha recibido confirmación después de expirar el tiempo del temporizador. Cada
capa del protocolo debe tener su propio control de errores.
Direccionamiento
Cada dispositivo intermedio de almacenamiento debe tener una dirección única para
evitar conflictos. A su vez, en cada terminal o sistema final puede haber varios
agentes o programas que utilizan la red, por lo que cada uno de ellos tiene asociado
un puerto.
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 15
Multiplexión
Esto se refiere a la capacidad de multiplexar las conexiones de una capa hacia otra,
es decir que, de una única conexión de una capa superior, se pueden establecer
varias conexiones en una capa inferior del modelo OSI (Open System
Intercomunication), o también se puede en forma inversa.
Servicios de transmisión
Entre los servicios que puede prestar un protocolo está por ejemplo el servicio de
“Prioridad”, este se refiere como su nombre lo indica a la prioridad de algunos
mensajes deben tener sobre otros, en este sentido se puede mencionar por ejemplo
que los mensajes de control tienen prioridad sobre los mensajes de monitorización.
1.2.4 Protocolos comúnmente utilizados
Son numerosos los protocolos de comunicación utilizados usualmente en la industria.
Algunos de los más utilizados se caracterizan a continuación.
DNP3 (Distributed Network Protocol)
Es un protocolo diseñado específicamente para su uso en aplicaciones SCADA
(Dijort, 2012). Permite a las Unidades Centrales o MTU obtener datos de las RTU a
través de comandos de control predefinidos. En el diseño del protocolo no se tuvo
en cuenta mecanismos de seguridad, por tanto, carece de cualquier forma de
autenticación o cifrado. Puede ir encapsulado sobre TCP/IP (Transmission Control
Protocol/Internet Protocol).
Una nueva versión del protocolo llamada DNPSec ha sido diseñada para incluir
confidencialidad, integridad y autenticación sin mucho impacto en las
implementaciones DNP3 ya existentes (Chacón, 2012).
ICCP (Interconnection-Center Communication Protocol)
Este protocolo es comúnmente usado en los sistemas SCADA/DCS de compañías
de generación y distribución de energía. Es un protocolo especialmente adaptado a
las necesidades de comunicación de las compañías eléctricas (Martinez, 2013).
Proporciona conectividad entre subestaciones y centros de control y supervisión. El
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 16
intercambio de datos consiste típicamente en monitorización en tiempo real, datos
de control, valores de medida, programación, contabilidad y mensajes de operador.
Modbus
Protocolo de la capa de aplicación empleado sobre RS-232, RS-422, RS-485 o
TCP/IP. La principal ventaja es su simplicidad y es ampliamente usado en procesos
de control de sistemas SCADA. Para el caso de redes Ethernet existen dos
especificaciones: Modbus Plus y Modbus/TCP. Destaca en el modelo de
arquitectura Modbus/TCP el módulo ``Access Control Module´´, diseñado para
restringir el acceso a servidores desde determinados clientes en entornos críticos. Se
basa en listas de IP autorizadas.
Modbus TCP/IP se ha convertido en uno de los estándares industriales debido a su
simplicidad, necesidades mínimas en cuanto a componentes de hardware, es un
protocolo abierto y de bajo costo. Se utiliza para monitorizar, gestionar e
intercambiar información entre dispositivos, así como para la gestión de
entradas/salidas distribuidas por lo que es uno de los protocolos más popular entre
los fabricantes (Rueda, 2010).
La combinación de Ethernet que es una red física versátil y escalable con el estándar
universal de inter-redes TCP/IP unido a la representación de datos independientes
de fabricantes como Modbus, proporciona una red abierta y accesible para el
intercambio de datos de procesos.
El protocolo Modbus TCP encapsula una trama Modbus en un segmento TCP. TCP
brinda un servicio orientado a conexión fiable, esto significa que toda consulta
espera una respuesta. Esta técnica de consulta-respuesta encaja perfectamente con la
naturaleza maestro/esclavo de Modbus, unido a la ventaja de determinismo que las
redes Ethernet conmutadas brindan a los usuarios en la industria. La utilización del
protocolo abierto Modbus con TCP otorga una solución para la gestión desde unos
pocos a decenas de miles de nodos.
Las prestaciones dependen prácticamente de la red y el hardware. Si se utiliza
Modbus TCP/IP sobre internet, las prestaciones serán las correspondientes a
tiempos de respuesta en internet, que no siempre serán las aspiradas para un sistema
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 17
de control. Sin embargo, pueden ser suficientes para la comunicación destinada a
depuración y mantenimiento, evitando así desplazamientos al lugar de la
instalación. Si disponemos de una internet de altas prestaciones con conmutadores
ethernet de alta velocidad la situación es completamente diferente (Nuñez, 2009).
OPC
OPC es una interfaz de comunicación de aplicaciones estándar, basada en OLE
(Object Linking and Embedding), que puede simplificar el desarrollo de drivers de
E/S y mejorar el rendimiento de los sistemas de interfaz. Con OPC el usuario decide
libremente que componente de hardware es el mejor para una determinada
aplicación dado que no habrá discusiones sobre el desarrollo de drivers. Cada
fabricante de software y hardware solo tendrá que implementar una interfaz, sin ser
necesario ya un driver para cada sistema de hardware producido por fabricantes
diferentes (OPCFundation, 2019).
OPC establece una línea de comunicación entre los proveedores de hardware y los
diseñadores de software. OPC provee un mecanismo para registrar datos de una
fuente de información y comunicarla a cualquier cliente, en forma transparente. Un
fabricante puede desarrollar un servidor reusable, favorablemente perfeccionado,
que se comunique con la fuente de datos, y mantenga a su vez un mecanismo para
acceder a la fuente de datos y dispositivos en forma eficaz. OPC proporciona una
interfaz entre el servidor y cualquier cliente, para así poder acceder a los
dispositivos. Se diseñó para permitir aplicaciones donde el cliente accede a datos
entre los niveles de automatización de una manera consistente.
Con aceptación por parte de los principales fabricantes, OPC proporciona
beneficios (OPCFundation, 2019) tales como:
Los fabricantes de hardware sólo tienen que desarrollar e integrar
componentes al software para que los clientes o usuarios, entiéndase por
quien realiza la aplicación, los puedan utilizar en sus aplicaciones.
Los diseñadores de software no tendrán que volver a reescribir sus
drivers (Upgrade) debido a cambios de las características de su
hardware.
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 18
Los clientes tienen más opciones de desarrollar sus sistemas de varios
niveles, si hacen uso de la integración de una gama más amplia de
sistemas de hardware de diversos fabricantes.
Tipos de Servidores OPC
Son varios los tipos de servidores OPC definidos por la Fundación OPC,
entre los que se tienen:
OPC DA Server - Basado en la especificación OPC Data Access -
Especialmente diseñado para la transferencia de datos en tiempo real.
OPC HDA Server - Basado en la especificación OPC Historical Data
Access - Provee los clientes OPC HDA con datos históricos.
OPC A&E Server - Basado en la especificación OPC Alarms & Events -
Transfiere la información de alarmas y eventos a clientes OPC A&E.
OPC UA Server – Basado en la especificación Arquitectura Unificada.
Es la más reciente desarrollada, permite al OPC Server intercambiar
cualquier tipo de dato.
1.3 Sistemas didácticos de control de procesos
Los entrenadores de procesos surgen como sustento para el desarrollo de las tareas
complejas desempeñadas por el operador, tiene como objetivo suplir sus posibles
deficiencias producto, entre varios motivos, por la sobrecarga de información o la fatiga y
la complejidad del proceso a controlar. Los esfuerzos son dirigidos dentro de lo posible a la
automatización del análisis de los datos, la detección de fallos, así como su diagnóstico y la
toma de decisiones o propuesta de acciones concretas. Es relevante su importancia su
importancia sobre todo cuando la complejidad de la planta a controlar es de alto grado.
Estos sistemas capacitan para comprender detalladamente el proceso asignado y simular
situaciones reales comunes en la industria. Debido al auge de la implementación de
sistemas didácticos de entrenamiento en el desarrollo de personal altamente calificado en
los centros de enseñanza se ha redirigido esfuerzos a su estudio. A partir de las
investigaciones estos han sido definidos además de haberse elaborado metodologías que
describen su funcionamiento.
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 19
1.3.1 Partes fundamentales de los sistemas didácticos de control de procesos
Los sistemas didácticos de entrenamiento están compuestos por tres partes fundamentales:
software, hardware y planta didáctica (Ramirez, 2016); como se observa en la Figura 1.1.
Figura 1.1 Partes de los sistemas didácticos de control de procesos
Las tres partes interrelacionadas son las encargadas de traducir del entorno gráfico y fácil
de operar a un entorno de manejo de potencia además de conversiones de datos físicos a
digitales, necesarios en el cómputo de los controladores y manejo de las variables.
Software de control y simulación (Software)
El software es la herramienta que utiliza el usuario para establecer la comunicación
con el sistema. Es la interfaz en la cual se observa el proceso simulado y es posible
la configuración y el ajuste de los parámetros del sistema.
Módulo central de procesamiento (Hardware)
El hardware son los dispositivos utilizados para el control de procesos y el soporte
del software. Es común encontrar dispositivos como PLC, microcontroladores,
circuitos empotrados, PC, entre otros. Son los encargados de recibir las señales
mediante transductores, procesarlas y tomar acciones sobre el sistema.
Planta didáctica
Las plantas didácticas son plantas a escala de maqueta que emulan procesos
comunes en la industria con objetivo pedagógico. Estas están enfocadas a facilitar la
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 20
comprensión del control y automatización apoyando la labor de enseñanza y
aprendizaje.
1.3.2 Funciones básicas de los sistemas didácticos de control de procesos
Según (Moreno, 2017), en los sistemas didácticos de entrenamiento es necesario
implementar teniendo en cuenta una metodología bien definida dos funciones básicas, la
simulación y el entrenamiento; a las cuales, por supuesto, debe dárseles igual importancia a
cada una de ellas ya que constituyen componentes claves para un correcto desempeño del
sistema que se implemente.
Simulación
La utilización de simuladores de procesos ha tomado auge ya que esta permite el
estudio, diseño, análisis y optimización de sistemas y procesos industriales. Estos
beneficios constituyen ahorro de tiempo y recursos en el análisis y evaluación de
procesos a nivel industrial, que por su complejidad resultaría demasiado engorroso
su implementación en un laboratorio para realizar estudios en tiempo real.
El uso de los simuladores en las industrias se originó durante la crisis energética del
petróleo en los años 70, en la que estas se vieron obligadas a optimizar sus procesos,
y a reducir los costos de inversión. Inicialmente se dieron a conocer en
universidades de los Estados Unidos y en algunas industrias varios programas de
simulación con estructuras rígidas para la introducción de las variables de entrada y
con resultados de difícil comprensión para los operadores (Gonzalez, 2010).
Los simuladores tienen como característica en común la representación virtual de
situaciones reales a través de un modelo que constituye una abstracción de la
realidad. Estos tienen como objetivo comprender el comportamiento del sistema y
evaluar de esta manera diferentes tipos de estrategias para su mejor operación, por
medio de elementos matemáticos y tecnológicos. Dentro de los simuladores más
usados encontramos hardware de simuladores, destacándose IPA Virtual, LabVolt
Modul A6 y PLC Sim-S7 y simuladores de procesos con microcontroladores. Otros
de estos simuladores son los software de simulación por computadora (Zurita,
2014).
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 21
Con la utilización de los simuladores en la educación son numerosos los autores que
han reconsiderado las prácticas de laboratorio. La decisión se debe a que el
potencial de la simulación incluye recursos didácticos tales como la visualización de
los procesos de manera digital fomentando el interés del estudiante. Esto favorece el
aprendizaje y optimiza el tiempo presencial disponible en el laboratorio (Quesada,
2014).
Entrenamiento
El entrenamiento es la acción que se refiere a la adquisición de conocimientos,
habilidades, y capacidades como resultado de la enseñanza de habilidades o
prácticas y conocimiento relacionado con aptitudes que encierran cierta utilidad.
Este forma el centro del aprendizaje y proporciona la base de los contenidos en las
personas que estén desarrollando esta actividad (Gonzalez, 2010).
Actualmente el entrenamiento está vinculado con varias herramientas, una de ellas
es la simulación, esta es usada en el entrenamiento o preparación de las personas. La
simulación es fundamental ya que se utiliza cuando es prohibitivamente caro o
simplemente muy peligroso permitirle usar equipo real a un aprendiz en el mundo
real. Su importancia está en que las personas aprenden valiosas lecciones en un
ambiente virtual seguro y que estas pueden cometer errores durante el
entrenamiento para un sistema crítico de seguridad.
Los entrenadores de procesos surgen como sustento para el desarrollo de las tareas
complejas desempeñadas por el operador, tiene como objetivo suplir sus posibles
deficiencias producto, entre varios motivos, por la sobrecarga de información o la
fatiga y la complejidad del proceso a controlar. Los esfuerzos son dirigidos dentro
de lo posible a la automatización del análisis de los datos, la detección de fallos, así
como su diagnóstico y la toma de decisiones o propuesta de acciones concretas. Es
relevante su importancia su importancia sobre todo cuando la complejidad de la
planta a controlar es de alto grado. Estos sistemas capacitan para comprender
detalladamente el proceso asignado y simular situaciones reales comunes en la
industria (Moreno, 2017).
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 22
1.4 Estudios anteriores relacionados con el tema
En el trabajo Diseño y montaje de un entrenador con el controlador lógico
programable PLC S7-200 de SIEMENS, se construye un módulo para configurar,
programar y usar un autómata de SIEMENS. El sistema consiste en un simulador de
entradas. Estos dispositivos se usan para que el PLC “testee y actúe” según su
programación. El sistema de supervisión y control se realiza desde el autómata aunque se
puede realizar la monitorización desde una PC (Perez, 2008).
El proyecto Diseño e implementación de un entrenador de Controladores Lógicos
Programables con Interfaz Humano-Máquina para el desarrollo de prácticas y
proyectos en el área de automatización y control industrial, para el Laboratorio de
Control e Instrumentación de La Universidad de Nueva Esparta, se enfoca en el diseño
e implementación de un entrenador de PLC con interfaz humano-máquina. La estación de
entrenamiento implementada está equipada con dispositivos de entrada y salida similares a
elementos de campo que permiten la recreación de múltiples procesos. La estación posee
una conexión a un bus industrial que además de interfaz de programación permite la
capacidad de monitorizar el proceso en tiempo real de manera local o remota a través de
una interfaz humano-máquina desarrollada y simulada en la plataforma software STEP-7
Professional V11(García, 2013).
El Instituto Politécnico Nacional, en Querétaro, desarrolló un software para el
entrenamiento en control de procesos, en el cual el estudiante puede variar entre diferentes
tipos de controladores y modificar a su entender los parámetros, así como seleccionar la
señal de entrada que recibirá el proceso. El software es aplicable a procesos de control de
velocidad, nivel y posición. También presenta la flexibilidad de incluir nuevos procesos y
visualizar su comportamiento, observándose en la pantalla el comportamiento instantáneo
de las principales variables del proceso para su control. Para el desarrollo de la interfaz
gráfica se utilizó el software Visual Studio implementando el lenguaje de programación
C++ (Bautista, 2016).
Análisis de los casos seleccionados
Los estudios anteriormente mencionados solo se le presta atención a la capacitación en la
operación del proceso y el control. No se tiene en cuenta que el operador para interactuar
CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 23
con la planta debe ser capaz de dominar sistemas anteriores que constituyen el vínculo,
tales como los SCADA, por lo que no fomentan habilidades en la implementación de estas
herramientas.
1.5 Consideraciones finales del capítulo
Los sistemas SCADA constituyen un pilar fundamental en la automatización de procesos
por lo que son comúnmente encontrados en las industrias. La comunicación entre software
e instrumentación facilitan el control de los procesos debido a la numerosa información que
se maneja. El protocolo OPC es una alternativa viable donde la heterogeneidad de
desarrolladores de herramientas para el control está presente en los sistemas automatizados.
Son numerosos los software utilizados para la implementación de sistemas SCADA, los
cuales ofrecen una variada gama de herramientas para el procesamiento de los datos aunque
cada uno se especializa en una parte del sistema. Dentro de los analizados destaca el
software LabVIEW para la sintonización de reguladores por los diferentes paquetes de
herramientas que brinda, especializados en el desarrollo de la teoría del control. También
resalta el software Movicon por las facilidades que ofrece para la creación del HMI, la
gestión de sistemas de alarma y la forma de manejar los datos en forma de históricos para
su almacenamiento y procesamiento.
La implementación de entrenadores garantiza la adquisición de conocimientos y
habilidades con la realización de prácticas seguras. Brindan un acercamiento entre los
estudiantes y los procesos comúnmente encontrados en la industria resultando una mayor
capacitación a la hora de enfrentarse a situaciones reales.
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 24
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR
Para la elaboración del sistema son diversas las herramientas de software y hardware
existentes. Dentro de las más importantes se encuentran los software Movicon y SCD
SAD-100.vi, la maqueta ALECOP SAD-100, la tarjeta de adquisición de datos NI USB-
6212, entre otras. En este capítulo son descritos y caracterizados los materiales y métodos
utilizados para el desarrollo de la aplicación.
2.1 Caracterización de Movicon
Movicon (Monitoring, Vision and Control) es un software SCADA/HMI distribuido por
Progea inicialmente diseñado para industrias especializadas en automática y control de
procesos para edificios inteligentes (Contreras, 2011, Valdéz, 2009). Después de varios
años de su uso y adquisición de experiencias recibió mejoras que posibilitaron incrementar
sus prestaciones y funcionalidades lográndose su aplicación a numerosas industrias.
Actualmente ha sido implementado en procesos tales como: las industrias de maquinarias,
distribución eléctrica, automotriz, la domótica, farmacéutica y textil. En el contexto
internacional goza de gran prestigio por lograr integrar simplicidad y potencia. En Cuba lo
comercializa la empresa COPEXTEL. Actualmente se comercializa la versión Movicon
11.4 (Suazo, 2014). Una valoración sobre sus características y prestaciones se realiza a
continuación.
Simplicidad de uso:
Presenta un espacio de trabajo cómodo para los usuarios que prefieren Windows
como Sistema Operativo, asistentes integrados para realizar funciones comunes y
herramientas para la importación de variables.
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 25
Escalabilidad:
Posee un entorno de desarrollo para aplicaciones desde Windows CE hasta Windows
XP, los desarrolladores pueden implementar pequeñas aplicaciones para terminales
HMI, así como aplicaciones de mediana y gran complejidad para plantas de
procesamiento.
Sistema abierto:
Movicon se diseña como sistema abierto que utiliza estándares de Microsoft tales
como:
ActiveX permite insertar los objetos de los terceros.
ODBC se utiliza para la gerencia de la base de datos.
VBA para la programación en elementos tales como sinópticos y scripts.
OPC para la conectividad, importación y exportación de los datos.
Windows API (Application Program Interface) para garantizar la extensión de
sistema a través del DLL (Dynamic-Link Library).
Es una plataforma basada en XML, por tanto, los proyectos realizados sobre
este entorno de desarrollo son archivos de texto que pueden ser abiertos y
editados en cualquier editor XML.
Seguridad de los datos:
Utiliza algoritmos de encriptación de 128 bits en los archivos de texto, las funciones
de administración de usuarios y contraseñas que aseguran control de acceso por
niveles y/o áreas.
Uso de tecnologías estandarizadas:
Está completamente basado en estándares: SOAP (Simple Object Access Protocol),
Servicios Web, TCP-IP, UDP (User Datagram Protocol), HTTP, SQL; que
garantizan transparencia, fácil acceso a los datos y seguridad a la inversión del
desarrollador en el producto.
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 26
Alto rendimiento:
Esta mejora se debe a la renovación del concepto de “thread pooling” (asociación
de hilos) y el nuevo mecanismo de gráficos basado en SVG.
Alta conectividad:
El software ofrece drivers de comunicación que incluyen funcionalidades de
importación de variables (tags), conectividad remota vía modem, conceptos de
multiestación para protocolos punto a punto y pruebas de cableado inmediatas. Las
bibliotecas de drivers se incluyen sin costos adicionales.
Eficiente sistema de redes:
La administración integrada del sistema de redes se basa en las tecnologías
multiplataforma SOAP y SOA (Service Oriented Architecture). Soporta los
protocolos UDP, HTTP, TCP-IP y conexiones remotas automáticas vía RAS
(Remote Access Services). Ofrece tecnologías de Servicios Web para las cuales la
distribución de la información puede soportar redes públicas, como Internet, que
garantizan la seguridad sin ser perjudicial para ningún cortafuego.
Arquitectura “Web-enabled” (habilitada para la Web):
Se integra la tecnología JAVA con XML, SVG y las tecnologías de Servicios Web.
Así se permite acceso al servidor usando un navegador de internet sobre cualquier
sistema operativo. Posibilita conexión de usuarios múltiples, bidireccionalidad, alto
rendimiento y seguridad.
2.2 Caracterización del instrumento virtual ``SCD SAD-100.vi´´
El software se caracteriza por presentar dos ventanas de trabajo. La primera permite la
configuración del sistema como puede ser la modificación de las constantes del filtro
utilizado, los parámetros del controlador, la configuración de la tarjeta de adquisición de
datos, entre otros ver Figura 2.1.
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 27
Figura 2.1 Ventana de configuración
La segunda ventana constituye la de operación, donde el usuario es capaz de observar la
variación de las variables del proceso a partir de cambios que realice en el setpoint y
alternar entre el control automático y manual del proceso ver Figura 2.2.
Figura 2.2 Ventana de operación
El controlador utilizado para el desarrollo del software fue un PID, para lo cual se empleó
el PID.vi, propio del LabVIEW. Este instrumento virtual posee algunas consideraciones
prácticas como son: la selección del período de muestreo y la compensación del efecto
windup.
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 28
Para realizar la simulación del proceso se tomó el instrumento virtual Plant Simulator in
Engineering Units.vi perteneciente al ejemplo Manual-Automatic Control with Engineering
Units de LabVIEW. En el software desarrollado se implementaron filtros exponenciales
paso bajo de primer orden, puesto que el filtraje de las señales es de gran importancia para
eliminar los ruidos siempre presentes. Los mismos fueron colocados en el valor deseado, en
la salida del controlador y en la señal medida.
Para la implementación del sistema de entrenamiento es necesario cambios, que se explican
más adelante en el escrito.
2.3 Caracterización de la maqueta ALECOP SAD-100
El servosistema ALECOP SAD-100 consiste en una maqueta didáctica que permite el
control de velocidad y posición de un motor de corriente directa. El sistema está compuesto
por dos segmentos fundamentales (Alecop, 1986). El primero está integrado por: un eje
extendido para montaje directo del motor (1), el freno magnético (2), discos de inercia o
masa (3), encoder (4), potenciómetro (5) y tacodinamo (6), como se muestra en la Figura
2.3.
Figura 2.3 Eje extendido de la maqueta
La señal de mando necesaria oscila en el rango de +100V hasta -100V debido a la
existencia de un amplificador por medio del motor y el actuador.
El segundo fragmento hace alusión al panel actuador mostrado en la Figura 2.4 formado
por módulos o bloques: la fuente de potencia (7), el acondicionamiento del sensor de
velocidad (13), los acondicionamientos de los sensores deposición (9 y 10) que son el
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 29
potenciómetro analógico y el encoder, los generadores del valor deseado (11), el
accionamiento del freno magnético (13), el regulador PI (14). Entre los esenciales se
pueden describir:
Figura 2.4 Panel actuador de la maqueta
El bloque 7 posee dos funciones donde la primaria es la encargada de entregarle al sistema
los voltajes (+15, -15, +5) necesarios para su funcionamiento. Adyacentemente este bloque
participa como driver de potencia (Driver DC-DC) del motor, presentando la electrónica
adecuada para entregarle la energía suficiente para su accionamiento. Este driver recibe
valores referentes que oscilan entre +10V y -10V, donde 0V corresponde al reposo del
motor, 10V a la velocidad máxima en el sentido directo y -10V la velocidad máxima en
sentido inverso.
El bloque 11 lo integran amplificadores de instrumentación con una elevada impedancia de
entrada que permiten que al conectar al sistema un periférico tal como una tarjeta de
adquisición de datos no se produzca sobrecargas que afecten el funcionamiento. Este
bloque permite regular valores en el rango de +10V hasta -10V que actúan como setpoint
para el sistema en lazos de control.
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 30
El bloque 13 lo componen dos submódulos. El accionamiento del freno le suministra al
freno magnético una diferencia de potencial, la cual puede ser variada mediante el
potenciómetro en la parte inferior de este bloque, produciendo un par de frenado
proporcional a este voltaje. El acondicionamiento del tacodinamo consiste en una etapa de
amplificación que brinda un primer acondicionamiento del tacodinamo. Mediante el
potenciómetro en la parte superior del bloque se puede variar la ganancia del tacodinamo
consiguiéndose niveles absolutos hasta 10V a máxima velocidad de 2000 revoluciones por
minuto (rpm).
Función transferencial del conjunto actuador-motor
La función transferencial del sistema se obtuvo mediante pruebas experimentales
por parte de (Martín, 2018). Primero se ajustó el tacogenerador situado en el bloque
13 con la ayuda de un multímetro.
La relación, dado por el fabricante, existente entre velocidad del motor y el voltaje
entregado por el tacogenerador presenta una ganancia ajustable como se muestra en
la ecuación 2.1.
Vt= 0.7*Kp*Vel (2.1)
Donde:
Vt: Voltaje entregado por el tacogenerador en mV
Kp: Constante del potenciómetro en vueltas, ajustable
Vel: Velocidad del motor en rpm
Se montó el circuito de la Figura 2.5 correspondiente al lazo abierto del control del
sistema y se alimentó al actuador con un voltaje de 6.98V.
Figura 2.5 Lazo abierto del control de la maqueta
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 31
El potenciómetro fue ajustado hasta que el tacogenerador entregó 6.98 V para un
valor de Kp = 7.14. Con este valor, donde Vt en volts, se obtiene la ecuación 2.2
para el cálculo de velocidad.
Vel = (Vt*1000)/4.998 (2.2)
La característica estática del sistema actuador-motor se obtuvo con el empleo de un
multímetro para leer diferentes valores de voltaje de alimentación y del
tacogenerador. Con los resultados obtenidos tabulados (ver anexo I) y la utilización
del software MATLAB fue posible la elaboración de la gráfica 2.6. Esta gráfica
describe la característica entrada vs salida del sistema donde se observan la zona
muerta y la no linealidad en su comportamiento. La zona muerta se puede apreciar
entre +1.7 V y -1.7 V mientras que el sistema se comporta de manera lineal en los
intervalos de 250 rpm hasta 2000 rpm en el sentido directo y -250 rpm hasta -2000
rpm en el sentido inverso.
Figura 2.6 Característica estática del conjunto actuador-motor
El software desarrollado durante el curso 2017/2018 en la asignatura Herramientas
de Software para el Control permitió obtener una característica dinámica mediante
la identificación del sistema. La característica dinámica obtenida que se muestra en
la Figura 2.7, resultó ser un modelo de primer orden sin retardo como lo especifica
el fabricante. Se utilizó el LabVIEW para la obtención de las muestras, mediante un
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 32
paso de 3 V a 7 V en la entrada del servomotor, con una frecuencia de muestreo de
1000 Hz, fueron tomadas 1500 muestras.
Figura 2.7 Característica dinámica del conjunto actuador-motor
En el manual de (Alecop, 1986) se especifica que el sistema actuador-motor con
masa se comporta como un modelo de primer orden, descrito por la ecuación 2.3:
Vel(𝑠)/Va(𝑠)=𝐾/(𝜏𝑠+1) (𝟐.𝟑)
Dónde:
𝑉𝑒𝑙: Velocidad del motor en rpm
𝑉𝑎: Voltaje aplicado al actuador en V
𝐾: Ganancia del sistema actuador-motor en rpm/V
𝜏: Constante de tiempo del sistema actuador-motor en segundo.
Con varios juegos de valores y el toolkit ident del MATLAB se obtuvieron los
valores de K y 𝜏, fueron promediados. El valor obtenido de ganancia es de K = 212
rpm/V. La constante de tiempo del sistema en estudio obtenida fue 𝜏= 0.215 s.
Una vez realizadas las sustituciones de K y 𝜏 se tiene que la función transferencial
del sistema es la que se observa en la ecuación 2.4:
𝑉𝑒𝑙(𝑠)/𝑉𝑎(𝑠)=212/(0.215𝑠+1) (𝟐.𝟒)
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 33
2.4 Caracterización de la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212
La tarjeta multifuncional de adquisición de datos NI USB-6212, que se muestra en la
Figura 2.8, es un dispositivo que ofrece E/S analógicas y digitales, así como dos contadores
de 32 bits. Posee un amplificador integrado designado para períodos de muestreo rápidos a
altas velocidades de procesamiento. Presenta tecnología de transmisión de señal que le
ofrece transmisión de datos bidireccional de alta velocidad de acceso directo a la memoria
(DMA) a través del bus serie universal (USB). El dispositivo es ideal para aplicaciones de
prueba, control y diseño, incluido el registro de datos portátil y monitorización de campo.
El USB 6212 cuenta con un encapsulado mecánico liviano y está alimentado por un bus
para un fácil transporte. Esta tarjeta posee un controlador NI-DAQ mx que facilita y
simplifica la configuración y las mediciones.
Figura 2.8 Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212
Dentro de sus características principales se encuentran (National_Instruments, 2018):
16 entradas analógicas simples y 8 diferenciales.
Tasa de muestreo máxima de 400 kS/s.
Rangos de entradas analógicas de ±0.2 V, ±1 V, ±5 V, ±10 V.
Razón de rechazo al voltaje en modo común (CMRR) con corriente directa y
frecuencia de 60 Hzde100 dB.
Impedancia de entrada de 10 GΩ en paralelo con100 pF.
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 34
Corriente de entrada de ±100 pA.
Dos canales de salida analógicos.
Tasa máxima de actualización de 250 kS/s por canal.
Rango de salida analógica de ±10 V.
Impedancia de salida de 0.2 Ω.
Rango de temperatura de operación de 0 ºC a 45 ºC.
2.5 Diseño de los niveles tres y cuatro del entrenador
El entrenador se caracteriza principalmente por presentar la posibilidad de alternar la
operación entre un proceso real, constituido por la maqueta ALECOP-SAD 100 y otro
simulado utilizando scripts implementados en el software Movicon. Se desarrolla el HMI
correspondiente al tercer nivel en el software SCADA/HMI Movicon, el cual fue titulado
SSEServidor. Con la utilización del protocolo de comunicación OPC es conectado al
software SSEControl, correspondiente al segundo nivel, implementado en LabVIEW
encargado del control y comunicación con la tarjeta NI USB-6212 para la adquisición de
los datos. Igualmente es conectado al cuarto nivel, software SSECliente desarrollado en
Movicon.
2.5.1 Arquitectura del entrenador
La arquitectura planteada permite el control y supervisión del proceso como nivel primario.
Utiliza una misma computadora con los software SSEControl, SSEServidor y SSECliente,
de manera simultánea que componen los niveles dos, tres y cuatro de automatización,
respectivamente. Es posible separarlos en computadoras diferentes, conectadas mediante el
protocolo TCP/IP, en una red de área local (LAN), ver Figura 2.9.
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 35
Figura 2.9 Arquitectura del Entrenador
La comunicación entre las aplicaciones se realiza mediante OPC y la comunicación entre el
servomecanismo y el software SSEControl, a través de una tarjeta de adquisición de datos
DAQ NI USB-6212. Se desarrolla un cliente en el software Movicon titulado SSECliente el
cual constituye el cuarto nivel de automatización.
2.5.2 HMI del software SSEServidor
La interfaz del software SSEServidor desarrollada en el software Movicon consta de cinco
pantallas de operación. La primera es titulada ¨Principal¨, es donde se le brindan las
posibilidades de seleccionar al usuario entre simular el proceso u observar los estados
reales de las variables del control automático de la maqueta ALECOP SAD-100, ver Figura
2.10. También presenta indicadores para seleccionar el setpoint de velocidad, muestra al
voltaje a la salida del actuador y la velocidad registrada del motor.
Figura 2.10 Pantalla ¨Principal¨ del SSEServidor
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 36
Por otra parte, se encuentran las pantallas de ¨Configuración¨ y ¨Control¨. La pantalla de
“Configuración” permite establecer como su título indica la configuración del proceso
como variación en la carga, ganancia y constante de tiempo, además incluye la
configuración del filtro y el controlador para su control automático. Sin embargo, la
interfaz titulada “Control”, ver Figura 2.11, es posible visualizar gráficamente el
comportamiento del setpiont, velocidad del motor y del voltaje a la salida del actuador.
También el usuario puede realizar la selección entre el control automático y el manual
asimismo como operar sobre las variables para el control del sistema.
Figura 2.11 Pantalla ¨Control¨ del SSEServidor
Se tienen las pantallas nombradas ¨Registros¨ y ¨Alarmas¨ donde se muestran los registros
de datos históricos del proceso automatizado y el estado de las alarmas activadas por el
valor de la velocidad a la que gira el motor respectivamente. Los valores de activación de
las alarmas están situados a las velocidades (en rpm) 1800 para Haigh, 1900 para High
High, -1800 para Low y -1900 para Low Low.
2.5.3 HMI del supervisor cliente SSECliente
Se crea un HMI para la supervisión en el cual las variables presentan permiso para solo
lectura del servidor OPC. Puede ser ejecutado desde otra PC conectada a la red mediante
TCP/IP. El cliente es configurado para leer las variables con las direcciones publicadas por
el servidor OPC sin tener permisos de escritura sobre estas. El software consta de una sola
pantalla que muestra gráficas, tablas e indicadores para la visualización de las variables que
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 37
describen el estado del proceso, ver Figura 2.12. Su uso está limitado a la supervisión de la
planta o del proceso simulado.
Figura 2.12 Pantalla del cliente SCADA
2.5.4 Conexión entre las aplicaciones utilizando OPC
Para establecer la comunicación entre la aplicación SSEControl y la aplicación
SSEServidor se deben seleccionar las variables a comunicar. Deben tenerse en cuenta el
tipo de variable y su tamaño para que exista compatibilidad al enviar y recibir los valores
de las mismas de una aplicación hacia la otra. Las principales variables comunicadas son la
que permite la selección del tipo de control, la velocidad deseada o setpoint, la velocidad a
la salida y el voltaje a la salida del actuador. La comunicación se establece en ambos
sentidos y se definen de esta forma adecuadamente las variables en: variables de solo
lectura o variables de lectura y escritura.
Para establecer la comunicación se activa el software SSEServidor como servidor OPC. En
el explorador del proyecto se accede a RealTimeDB (Base de Datos en Tiempo Real) y se
modifican sus propiedades al activar la opción OPCServerDA, ver Figura 2.13. Al
modificar cualquier propiedad en la configuración del servidor OPC este debe ser
registrado en la red.
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 38
Figura 2.13 Propiedades de Real Time DB
Se procede a declarar las variables con sus propiedades correspondientes y a publicarlas en
el servidor OPC al modificar su propiedad EnableOPCServer, ver Figura 2.14. Se realiza
este procedimiento con cada variable que se desee compartir con SSEControl. Las variables
quedan a disposición de cualquier cliente en la red que solicite sus valores.
Figura 2.14 Variable Velocidad_SPSAD100 publicada en el servidor OPC
Para realizar la comunicación con el segundo nivel se accede a las propiedades de la
variable correspondiente en SSEControl y se ejecuta el panel Data Binding. Se selecciona
Data Socket que constituye la forma básica de comunicación con un servidor OPC. Se elige
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 39
la propiedad de la variable: lectura o lectura y escritura como se desee en cada caso. Para
finalizar se selecciona la variable que fue publicada en el software SSEServidor y
automáticamente se muestra su dirección asociada en la red, ver Figura 2.15.
Figura 2.15 Selección de la variable a conectar en el panel Data Binding
Los valores que adquieren las variables que describen el sistema, son enviados desde una
aplicación hacia la otra en tiempo real. La conexión entre las mismas garantiza el control
total del sistema desde cualquiera de las dos aplicaciones.
Para establecer la comunicación del SSECliente con el servidor OPC se accede a las
propiedades de cada variable que debe ser sobrescrita y se le configura la dirección de la
red donde está publicada la variable compartida como se muestra en la Figura 2.16.
Figura 2.16 Configuración del cliente para comunicación
CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 40
2.6 Consideraciones finales del capítulo
El diseño de la interfaz del entrenador desde el punto de vista ergonómico cumple un papel
fundamental teniendo en cuenta que su distribución y formas de intervención del usuario
fundamenten los términos de usabilidad, capacidad de adecuación a la tarea; brinda al
usuario un entorno práctico, entendible y rápido con el cual pueda realizar sus tareas en
control y automatización del proceso enmarcados en carácter educativo.
Trabajar con OPC Fundation permite que cada empresa pueda desarrollar sus propias
aplicaciones para la automatización de procesos sin tener que depender o cumplir una
heterogeneidad con respecto a los proveedores. El protocolo OPC constituye un estándar de
aplicación en los dos software utilizados. Con la implementación del Servidor OPC DA se
realizó una conexión rápida del sistema entrenador que posibilitó una alta interacción y
eficiencia.
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 41
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS
Con el interés de fundamentar la correcta aplicación del software desarrollado es necesaria
la realización de pruebas que manifiesten su buen funcionamiento. Principalmente es
necesario comprobar si es posible la supervisión de procesos y verificar la simulación del
mismo. Primero se realizan pruebas de comunicación entre las aplicaciones mediante el
análisis de los cambios en los parámetros entre ellas. Posteriormente es necesario valorar la
operación del software desarrollado sobre la maqueta ALECOP SAD-100 para demostrar
las potencialidades de su aplicación pedagógica en el entrenamiento en sistemas SCADA.
3.1 Pruebas realizadas al software SSEControl con proceso real
Se realizaron varias pruebas simuladas en tiempo real con SSEControl, de las cuales son
descritas en el presente epígrafe las más sobresalientes. En cada caso el ajuste del regulador fue
realizado por el criterio de prueba y error. No se utiliza la acción derivativa debido a que esta
amplifica los niveles de ruido que posee el sistema de control de motor de CD si no se
implementa alguna modificación. Como proceso real se emplea la maqueta ALECOP SAD-100
conectada al software SSEControl mediante la tarjeta de adquisición de datos DAQ NI USB-
6212 para el control.
3.1.1 Controlador PI con ganancia proporcional Kc
Para realizar esta prueba se selecciona un PID académico (Normal) como controlador y
Ganancia (KC) como unidad proporcional. El controlador es ajustado con una ganancia
proporcional Kc = 0.0025 y como tiempo de integración Ti = 0.02 segundos. Como período
de muestreo se utilizó 5 milisegundos.
Como se puede observar en la Figura 3.1 la respuesta por parte del sistema es subamortiguada
con pocas oscilaciones.
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 42
Figura 3.1 Prueba real con controlador PI de ganancia proporcional
3.1.2 Controlador PI utilizando banda proporcional
Esta prueba se realizó con el objetivo de comprobar la utilización de la banda proporcional. El
tiempo de integración y período de muestreo utilizados coinciden con el de la prueba anterior
para comprobar la similitud de las respuestas. El valor de la banda proporcional fue situado en
200%. Como se puede observar en la Figura 3.2 la respuesta transitoria de la velocidad es
subamortiguada y es muy similar a la de la prueba realizada anteriormente.
Figura 3.2 Prueba real con controlador PI utilizando banda proporcional
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 43
3.1.3 Otras pruebas reales realizadas realizadas
Otras pruebas se efectuaron donde se varió la ganancia del controlador, se puede apreciar como
al disminuir la ganancia hasta Kc = 0.001 la respuesta transitoria se comporte de manera
sobreamortiguada y como el mando cambia bruscamente al sistema atravesar la zona muerta
caracterizada por estar cerca de los 2 V, ver Figura 3.3. Ver en el Anexo II las restantes pruebas
realizadas con sus correspondientes respuestas transitorias.
Figura 3.3 Prueba realizada con ganancia Kc = 0.001
3.2 Pruebas realizadas al software SSEControl con proceso simulado
Las pruebas empleando la simulación brindan la posibilidad de analizar el comportamiento
del sistema cuando se incorporan las alinealidades. El proceso simulado presenta una
ganancia K = 212 y constante de tiempo T = 0.21 segundos. A continuación, se muestran
algunos de los resultados obtenidos cuando el sistema presenta alinealidades.
3.2.1 Prueba realizada con proceso lineal
Esta prueba muestra el comportamiento del sistema sin la incorporación de de las
alinealidades. Como se puede observar en la Figura 3.4 la respuesta se comporta de manera
subamortiguada y la saturación del mando cuando se aplica el paso.
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 44
Figura 3.4 Prueba simulada si alinealidades
3.2.2 Prueba realizada incorporando zona muerta
Esta prueba se realizó con el objetivo de analizar los efectos negativos que aplica la zona
muerta sobre el sistema. La zona muerta, como su nombre lo indica, constituye una no
linealidad donde el sistema no responderá a los cambios en el mando que no superen su umbral.
Como se puede apreciar en la Figura 3.5 para cierta configuración el sistema comienza a
oscilar sostenidamente alrededor de ella.
Figura 3.5 Prueba simulada con zona muerta
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 45
3.2.3 Prueba realizada incorporando varias alinealidades
En la siguiente prueba se tienen en cuenta todas las consideraciones prácticas. Se mantiene el
mismo ajuste para el controlador PI. Se analizan otros factores como pueden ser variación de la
carga y nivel de ruido del tacogenerador. La Figura 3.6 muestra como el sistema comienza a
oscilar sostenidamente al margen de la inestabilidad.
Figura 3.6 Prueba simulada con varias alinealidades
3.3 Pruebas de comunicación entre aplicaciones
El correcto funcionamiento de la comunicación entre las aplicaciones es fundamental para
la supervisión del proceso. Además de establecer la comunicación entre los software se
incorpora la tarjeta de adquisición de datos conectada a la maqueta. Para la adquisición de
los datos se utilizan cuatro pines de la tarjeta dos de salida y dos de entrada utilizando una
señal diferenciada, ver Tabla 3.1. La tarjeta se conecta a la PC con los drivers necesarios
través de USB y es autodetectada por el software SSEControl.
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 46
Tabla 3.1 Pines utilizados de la tarjeta NI USB 6212
No. de Ping Nombre Tipo Descripción
12 AO0
--------
Salida conectada al
actuador
14 AOGND Tierra del sistema
21 AI3
Señal diferencial
Entrada analógica
desde el taco
22 AI11 Tierra del sistema
Se realiza el chequeo de la interacción entre las aplicaciones. Se revisa que al existir una
comunicación establecida con el SSEServidor correctamente se puede apreciar como un
LED (Lihgt Emisor Diode) emite un color verde. Si fuera todo lo contrario el color emitido
sería el rojo ver Figura 3.7.
Figura 3.7 SSEControl con la conexión establecida correctamente
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 47
Es posible apreciar que la comunicación está correctamente establecida y no existen
errores por la tonalidad alcanzada por los LED colocados junto a los parámetros
conectados. En la Figura 3.8 se puede observar las aplicaciones funcionando a la par
desde una misma computadora.
Figura 3.8 Aplicaciones SSEControl, SSEServidor y SSECliente interactuando
mediante OPC
3.4 Pruebas al HMI de los niveles tres y cuatro
Para realizar esta prueba se ejecutan los software simultáneamente en una misma PC por no
estar bien configurada red de los laboratorios donde se realizaron las pruebas. Se
configuran las aplicaciones para que quede establecida la comunicación del tipo servidor-
cliente con OPC entre las aplicaciones.
En el software HMI correspondiente al segundo nivel se realiza un cambio en setpoint
establecido en 1000 rpm y se observa el comportamiento del proceso en las gráficas que
muestran el estado estable, se chequea el estado de las alarmas y la documentación en las
bases de datos ver Figura 3.9.
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 48
Figura 3.9 Comportamiento del sistema en estado estable
La aplicación está configurada para llamar la atención con una alarma cuando el motor
alcance las 1800 rpm. En la pantalla correspondiente a las es posible apreciar su
comportamiento ver Figura 3.10.
Figura 3.10 Comportamiento de las alarmas
En el panel de datos históricos se muestran continuamente el estado de las variables del
prceso ver Figura 3.11.
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 49
Figura 3.11 Registro de datos históricos
Con la creación de las bases de datos es posible almacenar el comportamiento de las
variables a lo largo del tiempo de manera continua ver Figura 3.12.
Figura 3.12 Registro en las bases de datos
En el software desarrollado como cliente se puede apreciar el comportamiento del sistema,
visualización de alarmas, eventos y registra de igual manera el comportamiento de las
variables modificadas. De esta manera se puede realizar la monitorización vía remota ver
Figura 3.13.
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 50
Figura 3.13 Comportamiento del proceso observado desde el cliente
3.5 Guía para práctica de laboratorio
Las prácticas de laboratorio es el espacio donde los estudiantes ejercen su entrenamiento.
Con el objetivo de ejercer un buen uso del software desarrollado se presenta una guía de
práctica de laboratorio que sirva de base para posteriores. El software desarrollado se
caracteriza por su flexibilidad en la configuración de los parámetros que definen el proceso
y el regulador, esto amplía su campo de aplicación en las disímiles materias relacionadas
con el control de procesos.
La guía presentada está centrada primariamente en la familiarización con el sistema
entrenador. Por otra parte, se enfatiza en la utilización del software para ejercitar las
habilidades en la operación de sistemas automatizados. La guía a ser aplicada se muestra en
el Anexo III donde se exponen los detalles de la misma.
Durante la práctica de laboratorio los estudiantes deberán sintonizar diferentes
controladores y observar el comportamiento de los estados transitorio y estacionario del
proceso ante la acción integral y derivativa de los controladores. Para lograr un análisis más
profundo los estudiantes se enfrentarán al cálculo del sobreimpulso, tiempo de subida y
tiempo de establecimiento entre otros.
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 51
3.6 Análisis técnico-económico-medioambiental
La viabilidad y factibilidad de este proyecto está fundamentada en la autonomía económica
que logra la institución al desarrollar su propia plataforma de entrenamiento para la
formación de ingenieros; ya que estas no deben destinar fondos a la adquisición de estos
módulos didácticos y evita la dependencia a licencias y actualizaciones de software.
También es necesario resaltar impacto económico que constituye la implementación de los
sistemas SCADA en la producción industrial. Por su capacidad de realizar a distancia
operaciones de control, supervisión y registro de datos, resultan sumamente eficientes. En
un principio la puesta en marcha de un proceso industrial puede traer consigo gastos
significativos por concepto de adquisición e implantación del equipamiento acorde a las
necesidades y requisitos exigidos; pero con el tiempo esta inversión inicial es recuperada ya
que los SCADA reducen en gran medida los costos de producción, operación y
mantenimiento. De esta manera es de fácil compresión su estrecho vínculo con la
importancia de presentar en el puesto laboral un operador con habilidades y experiencia
incrementando la eficiencia en el control de procesos lo que se traduce en aumentos de
producción y ganancias económicas.
La simulación presenta la ventaja de reducir el empleo de tiempo y recursos en el análisis
de procesos complejos. Se pueden cometer errores durante el estudio sin afectaciones
materiales de los procesos ni despilfarro de materias primas.
3.7 Consideraciones finales del capítulo
Las pruebas realizadas al sistema de entrenamiento se realizaron de manera satisfactoria y
cumplen con las expectativas de diseño.
Con la utilización del protocolo de comunicación OPC es posible establecer una correcta
comunicación entre software diseñados tanto en LabVIEW como en Movicon. Con esta
interacción es posible desarrollar sistemas automatizados de varios niveles.
El control automático y la supervisión del servomecanismo ALECOP SAD-100 puede
realizarse con la utilización del sistema desarrollado. Las herramientas brindadas por el
sistema permiten un análisis más profundo de los procesos en estudio. Con la opción de
CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 52
simulación es posible incorporar varias alinealidades al sistema lo que permite el análisis de
procesos más complejos.
Las interfaces gráficas abarcan un amplio campo de contenidos que enriquecen el proceso
de entrenamiento en la utilización de sistemas SCADA y la operación de procesos
controlados.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 53
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Conclusiones
Tras el desarrollo del trabajo de diploma se puede plantear que se cumplen con los
objetivos propuestos para dar solución al problema científico y se establecen las
conclusiones siguientes:
1 La simulación y el entrenamiento en sistemas SCADA contribuyen a la adquisición
de habilidades prácticas en la operación de los mismos, en lo cual no se centran los
autores de investigaciones relacionados con el tema.
2 La arquitectura diseñada de cuatro niveles de automatización y la modularidad del
sistema entrenador permite el estudio y preparación en una variada gama de aspectos
de la automática.
3 La implementación del protocolo OPC permite establecer una fácil y correcta
comunicación entre aplicaciones desarrolladas tanto en LabVIEW como en Movicon.
4 La simulación y el control del proceso real ratifican la fiabilidad y utilidad del
sistema desarrollado para la preparación de los estudiantes en la operación de
sistemas de control.
5 La guía de práctica de laboratorio presentada facilita la incorporación del sistema al
proceso docente y sirve de base para la elavoración de otras posteriores.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 54
Recomendaciones
Como recomendaciones se enumeran las siguientes:
1 Incorporar el sistema desarrollado a prácticas de laboratorio de asignaturas
relacionadas con software para el control, la operación de lazos de control,
comunicación entre aplicaciones, entre otras, para fortalecer la formación de los
estudiantes.
2 Incluir el protocolo de comunicación OPC dentro de los buses de campo estudiados
para la comunicación entre aplicaciones.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 55
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ACOSTA, J. 2017. Impacto de la Implementación del Sistema de Control y Monitoreo de
Incidencias utilizando C#.net para la Empresa Scurity Fast. Universidad Privada de
Tecna.
ALECOP 1986. Manual de Servosistemas SAD-100.
BAUTISTA, J. A. R. 2016. Desarrolo de interfaz gráfica hunano-máquina GHMI para
entrenamiento en control de procesos. Postgrado, Instituto Politécnico Nacional.
CHACÓN, R. S. 2012. Simulación SCADA (Control, supervisión y adquisición de datos)
de una planta generadora de energía eléctrica a base de energía geotérmica. .
UNIVERSIDAD DE EL SALVADOR.
CONTRERAS, Y. A. 2011. Implementación de la interfáz hombre-máquina para el
sistema de automática Dunas 5. Universidad Central ``Marta Abreu´´ de Las Villas.
DIJORT, O. 2012. Supervision y Control de Procesos. EUPVG-UPC. Laboratorio de
sistema de control
EROS, G. E. 2016. Manual de Usuario Sistema de Supervisión y Control EROS. Moa.
GARCÍA, C. R. A. 2013. Diseño e implementación de un entrenador de Controladores
Lógicos Programables con Interfaz Humano-Máquinapara el desarrollo de
prácticas y proyectos en el área de automatización y control industrial, para el
Laboratorio de Control e Instrumentación de La Universidad de Nueva Esparta.
Pregrado, Universidad de Nueva Esparta.
GÓMEZ, J. 2008. Temas especiales de instrumentación y control, Cuba, Editorial Félix
Varela.
GONZALEZ, R. 2010. Apuntes de simulacion y optimizacion, Centro de Investigacion y
Estudios de Postgrado.
LAKHOUA, M. 2009. Application of functional analysis on a SCADA system of a thermal
power plant. Advances in Electrical and Computer Engineering.
MARTÍN, J. A. 2018. Software para el control automático digital del servocontrol
ALECOP SAD-100. Pregrado, Universidad Central ``Marta Abreu´´ de Las Villas.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 56
MARTINEZ, B. 2013. Sistema de comunicaciones de altas prestaciones basado en DDS.
Universidad Carlos III de Madrid.
MONTERO, L. 2004. Sistemas de Ejecucion de Manufactura. Electroindustria.
MORENO, J. A. 2017. Sistema SCADA para un entrenador de proceso del servosistema
ALECOP SAD-100. Pregrado, Universidad Central ``Marta Abreu´´ de Las Villas.
NATIONAL_INSTRUMENTS. 2018. Specifications USB-6212 [Online]. Available:
http://www.ni.com/pdf/manuals/375196d.pdf [Accessed Febrero, 12].
NUÑEZ, E. 2009. Redes de Comunicación Industrial. Universidad Pública de
Bucaramanga.
OPCFUNDATION. 2019. OPC Unified Architecture [Online]. Available:
www.opcfundation.org/Default.aspx/01_about/UA.asp?MID=AboutOPC [Accessed
Enere, 30 2019].
OPTO22. 2019. FactoryFloor Overview [Online]. Available:
http://documents.opto22.com/1069_SNAP_FactoryFloor_Overview.pdf [Accessed
Enero, 20 2019].
PÉREZ-LÓPEZ, E. 2015. Los Sistemas SCADAS en la Automatización Industrial.
Tecnología en Marcha.
PEREZ, E. A. 2008. Diseño y montaje de un entrenador con el controlador lógico
programable PLC S7-200 de SIEMENS. Pregrado, Universidad Pontificia
Bolivariana.
PROGEA. 2019. Movicon Power HMI offering simple and powerful solutions [Online].
Available: www.progea.com/en/movicon-hmi/ [Accessed Enero,16 2019].
QUESADA, M. R. A. 2014. Nuevas tecnologias y aprendizaje significativo de las ciencias.
Enseñ.Las Cienc.
RAMIREZ, J. A. 2016. Desarrollo de Interfaz Grafica Humano Maquina GHMI para
entrenamiento en control de procesos. Centro de Investigacion en Ciencia Aplicada
y Tecnologia Avanzada
RUEDA, C. A. R. 2010. Implementación de LabVIEW como sistema SCADA para la
arquitectura de control SNAC PAC OPTO 22, mediante una aplicación OPC.
Monografía de Grado, Universidad Pontificia Bolivariana.
SIEMENS. 2019. The SCADA system without limits [Online]. Available:
w3.siemens.com/mcms/human-machine-interface/en/visualization-software/simatic-
wincc-open-architecture/Pages/Default.aspx [Accessed Enero, 27 2019].
SUAZO, M. A. 2014. Metodología para implementar Sistemas de Alarmas en Movicon.
Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas.
VALDÉZ, J. I. 2009. Sistema de guías sobre el entorno de desarrollo SCADA MOVICON
X2. Desarrollo Industrial Automatizado.
ZURITA, L. M. 2014. Diseñ de un simulador digital de procesos. Instituto Superior
Politecnico Jose Antonio Echeverria.
ANEXOS i
ANEXOS
Anexo I Tabla de la característica estática del servomotor
Voltaje de alimentación (V) Voltaje del tacogenerador
(V)
Velocidad del servomotor
(rpm)
-10 -12.254 -2451.8
-9.53 -11.192 -2239.3
-9.02 -10.565 -2113.8
-8.51 -9.986 -1998
-7.97 -9.35 -1870.7
-7.5 -8.771 -1754.9
-7.01 -8.153 -1631.3
-6.51 -7.487 -1498
-5.99 -6.773 -1355.1
-5.50 -6.146 -1229.7
-5.00 -5.48 -1096.4
-4.50 -4.805 -961.4
ANEXOS ii
-4.00 -4.188 -837.9
-3.501 -3.581 -716.5
-3.001 -2.872 -574.6
-2.501 -2.017 -403.6
-2.009 -1.07 -214.1
-1.65 0 0
+1.707 0 0
+2.027 +1.018 +203.7
+2.505 +1.89 +378.2
+3.008 +2.687 +537.6
+3.501 +3.392 +678.7
+4.00 +4.014 +803.1
+4.51 +4.631 +926.6
+4.99 +5.316 +1063.6
+5.51 +6.011 +1202.7
+5.99 +6.638 +1328.1
+6.51 +7.304 +1461.4
+7.01 +7.912 +1583
+7.49 +8.491 +1698.9
ANEXOS iii
+8.00 +9.089 +1818.5
+8.50 +9.629 +1926.6
+9.00 +10.208 +2042.4
+9.49 +10.71 +2142.9
+10.1 +11.328 +2266.5
ANEXOS iv
Anexo II Otras pruebas realizadas
Fueron numerosas las pruebas reales realizadas, se muestran algunas a continuación:
Figura II.A. Configuración I
Figura II.B. Respuesta transitoria con configuración I
ANEXOS v
Figura II.C. Respuesta transitoria con configuración I
Figura II.D. Configuración II
ANEXOS vi
Figura II.E. Respuesta transitoria con configuración II
Figura II.F. Respuesta transitoria con configuración II
ANEXOS vii
Figura II.G. Configuración III
Figura II.H. Respuesta transitoria con configuración III
ANEXOS viii
Figura II.I. Respuesta transitoria con configuración III
Figura II.J. Prueba manual I
ANEXOS ix
Figura II.K. Prueba manual II
Figura II.L. Prueba manual III
ANEXOS x
Anexo III Guia prática de laboratorio
Práctica de Laboratorio
Título: Operación sobre procesos simulados
Materiales y componentes:
Computadoras con los software Movicon 11, MATLAB y LabVIEW 10 o superior
instalados.
Los software SSEControl y SSEServidor.
Tiempo: Dos horas lectivas.
Objetivos:
Ajsutar controladores para controlar proceso de primer orden.
Operar el SSEControl para supervisar y analizar las respuestas transitorias
obtenidas.
Introducción:
El software SSEControl se caracteriza por presentar dos ventanas de trabajo. La primera
permite la configuración del sistema como puede ser la modificación de las constantes del
filtro utilizado, los parámetros del controlador, la configuración de la tarjeta de adquisición
de datos, entre otros ver Figura 1.1.
Figura 1.1 Ventana de configuración
ANEXOS xi
La segunda ventana constituye la de operación, donde el usuario es capaz de observar la
variación de las variables del proceso a partir de cambios que realice en el setpoint y
alternar entre el control automático y manual del proceso ver Figura 1.2. El controlador
utilizado para el desarrollo del software fue un PID, para lo cual se empleó el PID.vi,
propio del LabVIEW.
Figura 1.2 Ventana de operación
Por otra parte, se encuentra el software SSEServidor contiene la pantalla de ¨Control¨. En la
interfaz titulada ¨Control¨, ver Figura 1.3, es posible visualizar gráficamente el
comportamiento del setpiont, velocidad del motor y del voltaje a la salida del actuador.
También el usuario puede realizar la selección entre el control automático y el manual
asimismo como operar sobre las variables para el control del sistema.
Figura 1.3 Pantalla ¨Control¨ del SSEServidor
ANEXOS xii
Trabajo previo:
Estudiar las conferencias impartidas por el profesor de Ingeniería de Control I que
aborden el contenido tratado en esta práctica de laboratorio.
Parte práctica:
La actividad estará dividida en dos momentos. En la parte primaria los estudiantes deben
ajustar controladores utilizando el software MATLAB. En la segunda parte deben
configurar el software SSEControl con el diseño obtenido y operar el SSEServidor para
comparar las respuestas transitorias alcanzadas, con las obtenidas en MATLAB. El proceso
a controlar se caracteriza por presentar ganancia K = 200 rpm/V y constante de tiempo T =
1 seg. El período de muestreo que se utilizará es t = 0.005 seg.
1. Ejecutar el software MATLAB.
2. En el software MATLAB.
A. Ajustar un lazo de control PI con el cual se obtenga una respuesta
sobreamortiguada.
B. Ajustar un PI con el cual se obtenga una respuesta subamortiguada con MP
menor a 25%.
C. Ajustar un PI con el cual se obtenga una respuesta subamortiguada con MP
menor a 15% y tiempo de establecimiento 6 segundos.
3. Determinar ganancia Kc y tiempo de integración Ti de cada controlador.
4. Ejecutar los software SSEControl y SSEServidor.
5. Configurar el SSEControl para simulación con la planta y el ajuste obtenido
anteriormente.
6. En el software SSEServidor llevar manualmente la salida a 100 rpm.
7. Pasar el control a automático y esperar establecimiento.
8. Cambie el setpoint a 1000 rpm y compare el comportamiento de la velocidad con el
obtenido en MATLAB.
9. Cambie el período de muestreo y analice cómo afecta a la estabilidad del sistema.
10. Repita los pasos 4, 5, 6, 7, 8 y 9 para cada controlador ajustado.
ANEXOS xiii
Informe:
Cada estudiante debe entregar un informe que incluya:
1. Los controladores diseñados en el software MATLAB y argumentar su criterio de
diseño.
2. Las gráficas de las respuestas obtenidas tanto en MATLAB como en el
SSEServidor con una valoración de las comparaciones.
3. Las gráficas que describen el comportamiento del sistema ante el cambio del
período de muestro y una valoración del análisis realizado.