Curso Scada Automatizacion - Labview

DISEÑO DE APLICACIONES SCADA CON LABVIEW Memoria del proyecto De Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas presentada por Enric Figueras Solé i dirigida por Juan José Ramos González

Escola Universitària d'Informàtica Sabadell, 25 de Enero de 1999

El abajo firmante, Juan José Ramos González, profesor de l'Escola Universitària d'Informàtica de la U.A.B,

CERTIFICA:

Que el trabajo al que corresponde la presente memoria se ha realizado bajo su dirección por en Enric Figueras Solé Y para que así conste firma la presente. Sabadell, 25 de Enero de 1999

-----------------------------Firmado: Juan José Ramos González

RESUMEN DE LA MEMORIA

SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Acquisition", es decir: adquisición de datos y control de supervisión . Se trata de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc.

Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite, se denomina en general sistema SCADA.

Los principales motivos por los cuales se realiza este proyecto son los siguientes: •

Estudio de los sistemas SCADA, en particular, LabVIEW de National Instruments.

•

Facilitar al alumno que cursa asignaturas dentro del campo de Control y Automatización de procesos una herramienta que le ayude a entender de manera sencilla las ventajas de dichos sistemas SCADA. Por ello se estudiarán en este proyecto dos sistemas en particular: Sistema de Depósitos y Sistema Servomotor, pertenecientes al laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Resumen de la Memoria -3-

ÍNDICE CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN ............................................................................................................6 1. SISTEMAS SCADA.............................................................................................................................6 1.1 Prestaciones. ..................................................................................................................................7 1.2 Requisitos. ......................................................................................................................................8 1.3 Módulos de un SCADA. ..................................................................................................................8 2. CONCEPTOS ASOCIADOS A SISTEMAS SCADA.......................................................................10 2.1 Tiempo real...................................................................................................................................10 2.2 Hardware en sistemas de supervisión: PLC y PC. .......................................................................11 2.3 Tarjetas de expansión...................................................................................................................12 2.4 La estructura abierta....................................................................................................................12 3. APLICATIVO PARA EL LABORATORIO DE AUTOMÁTICA ....................................................13 3.1 Motivación....................................................................................................................................13 3.2 Software y Hardware utilizado.....................................................................................................14 3.3 Objetivos del proyecto ..................................................................................................................14 CAPÍTULO II: LABVIEW .....................................................................................................................16 1. INTRODUCCIÓN..............................................................................................................................16 2. FILOSOFÍA DE LABVIEW...............................................................................................................17 3. EL PANEL FRONTAL Y EL DIAGRAMA DE BLOQUES .............................................................18 CAPÍTULO III: COMUNICACIÓN APLICACIÓN SCADA CON EL ENTORNO .......................21 1. TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS....................................................................................21 1.1 Sampling (Muestreo) ....................................................................................................................22 1.2 Convertidores Analógico/Digitales (ADC )..................................................................................23 1.2.1 Resolución del ADC .............................................................................................................................. 23 1.2.2 ADC No lineales .................................................................................................................................... 24 1.2.3 ADC Settling Time (Tiempo de fijación de la señal). ............................................................................ 25

1.3 Transferencia de Datos al Ordenador..........................................................................................25 1.4 Convertidores Digital/Analógicos (DAC) ....................................................................................27 1.5 Esquema típico de una Tarjeta de Adquisición de Datos .............................................................28 1.6 Tarjeta PCL-812PG .....................................................................................................................29 1.6.1 Características Técnicas......................................................................................................................... 29 1.6.2 Especificaciones del Producto................................................................................................................ 30

2. REDES LAN Y PROTOCOLO TCP/IP ..............................................................................................32 2.1 Conceptos básicos de Redes y protocolo TCP/IP.........................................................................32 2.2 Adquisición de Datos Locales y Comunicación Remota. .............................................................34 CAPÍTULO IV: APLICATIVO PARA EL LABORATORIO DE AUTOMÁTICA........................36 1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS. .........................................................................................................36 2. OBJETIVOS DEL APLICATIVO ..............................................................................................................38 3. DESCRIPCIÓN FUNCIONAL ...................................................................................................................39 4. ESTRUCTURA DEL APLICATIVO ...........................................................................................................42 5. EL APLICATIVO...............................................................................................................................44 5.1 Menú Principal.............................................................................................................................44 5.2 Configuración del Aplicativo........................................................................................................45 5.3 Simulación del Sistema de Depósitos ...........................................................................................46 5.4 Descripción del Sistema Servomotor............................................................................................47 5.5 Monitorización de señales ............................................................................................................48 5.6 Control de señales ........................................................................................................................49 5.7 Servidor/Cliente TCP/IP...............................................................................................................51 5.6 Requisitos del Sistema, Instalación y Ejecución...........................................................................53

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Índice -4-

CAPÍTULO V: CONCLUSIONES.........................................................................................................54 1. PRUEBAS REALIZADAS.........................................................................................................................54 2. DIFICULTADES INICIALES ....................................................................................................................55 3. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................55 4. POSIBLES MEJORAS ..............................................................................................................................58 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................................................................................59 ÍNDICE BIBLIOGRÁFICO...................................................................................................................59

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Índice -5-

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN 1. SISTEMAS SCADA SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Acquisition", es decir: adquisición de datos y control de supervisión. Se trata de una aplicación software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc.

En este tipo de sistemas usualmente existe un ordenador, que efectúa tareas de supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de procesos. La comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos.

Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite, se denomina en general sistema SCADA.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción -6-

1.1 Prestaciones. Un paquete SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes prestaciones: •

Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias.

•

Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo.

•

Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones.

•

Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador.

Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones para ordenadores (tipo PC, por ejemplo), con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco e impresora, etc.

Además, todas estas acciones se llevan a cabo mediante un paquete de funciones que incluye zonas de programación en un lenguaje de uso general (como C, Pascal, o Basic), lo cual confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad. Algunos SCADA ofrecen librerías de funciones para lenguajes de uso general que permiten personalizar de manera muy amplia la aplicación que desee realizarse con dicho SCADA.


1.2 Requisitos. Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada: •

Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa.

•

Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión).

•

Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario.

1.3 Módulos de un SCADA. Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes: •

Configuración: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA, adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar.

•

Interfaz gráfico del operador: proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.

•

Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales de variables leídas.


•

Gestión y archivo de datos: se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.

•

Comunicaciones: se encarga de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión.


2. CONCEPTOS ASOCIADOS A SISTEMAS SCADA En casa y en la oficina, el ordenador personal continúa con su progreso. El PC se ha establecido en un gran número de campos. Los componentes hardware y software están siendo cada vez más potentes y más rentables. Es lógico, por tanto, que la industria quiera tomar provecho de este hecho, para reducir costes y/o incrementar la productividad.

Ciertas tareas industriales están actualmente en manos de los ordenadores desde hace tiempo: desde emplear la tecnología Windows cuando se manejan pedidos y/o se ajustan parámetros de maquinaria hasta preparar o visualizar datos prácticamente de cualquier tipo.

No hay que sorprenderse entonces, que los especialistas en automatización y los usuarios estén pensando ahora en qué forma se pueden transferir al PC otras tareas, para poder llegar a un mayor ahorro. Más recientemente un gran número de simuladores de PLC (controladores lógicos programables) por software ha aparecido en el mercado, que están ayudando a transferir el control de tareas al disco duro y presentan una automatización más efectiva en costes en una simple pieza de hardware (el PC).

2.1 Tiempo real. La capacidad en tiempo real se refiere a la capacidad del ordenador en programas de procesamiento de datos para que siempre esté listo para procesar y proporcionar los resultados dentro de un tiempo especificado. En este contexto "estrictamente en tiempo real" significa que un sistema reacciona a los eventos externos dentro de un tiempo especificado en un 100% de los casos. Además si se habla de “tiempo real” el sistema debe responder en tiempos concretos también en un 100% de los casos. Si, de otra forma, los tiempos concretos de reacción pueden superarse en ciertos casos, como en sistemas no críticos, hablamos de "tiempo real suave".

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 10 -

2.2 Hardware en sistemas de supervisión: PLC y PC. El hecho es que las tareas automatizadas de control, visualización y computación pueden ser efectuadas por PLCs (conectados en red mediante los módulos adecuados) mejor que con sistemas exclusivos de control basados en PC. Lo que finalmente es práctico, no obstante, depende de un gran número de factores y la mayoría deben ser considerados individualmente para cada proyecto de automatización.

Así, por ejemplo, los actuales conocimientos y preferencias del usuario pueden jugar un mayor papel que la pura potencia del ordenador. Los factores cruciales, no obstante, son los atributos de capacidad en tiempo real y las propiedades de seguridad que hasta ahora han sido fuertemente asociadas con el PLC, aunque el PC también puede disponer de la característica de capacidad en tiempo real. Un sistema de control es inconcebible sin capacidad en tiempo real. Es común en sistemas de control por ordenador tener que elegir, según las características del sistema a supervisar, entre el PLC o el PC. Se debe elegir aquel hardware que mejor se adapte a las necesidades del sistema a supervisar.

Los controladores lógicos programables, en la mayoría de los casos, están diseñados específicamente para ser empleados en ambientes industriales exigentes y han sido continuamente desarrollados de forma que sus sistemas operativos en tiempo real representan su mayor virtud. Ellos son y seguirán siendo, no obstante, la primera elección para todo control de tareas críticas o extremas por su rendimiento y simpleza, en los que un PC podría estar simplemente "sobrecargado" debido al trabajo que le pueden suponer otras tareas de ámbito común, como la gestión y visualización de datos, accesos a periféricos, bases de datos, etc... Si, además del control de tareas, se necesita un procesamiento de datos, trabajo en red o visualización (una aplicación SCADA), un sistema basado en PC debe ser tomado en consideración. En cuanto a sistemas operativos, Windows NT, por ejemplo, no es estrictamente un sistema operativo en tiempo real como el de un PLC, pero puede actuar de forma suficientemente rápida para aplicaciones "suaves" en tiempo real, gracias a su arquitectura de micro-kernel. Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 11 -

2.3 Tarjetas de expansión. Como el sistema operativo sólo puede proporcionar respuestas suaves en tiempo real lo más simple es emplear extensiones hardware para las tareas críticas (placas de expansión PC) y soluciones software para el resto de tareas. Esto nos lleva a una compatibilidad con futuros sistemas operativos y una solución totalmente factible actualmente. Estas tarjetas de expansión asumen las tareas críticas en tiempo real que el ordenador (PC) no puede atender, se está hablando de tarjetas que incorporan DSPs (Procesadores de Señales Digitales) o microcontroladores y que aportan una ayuda a la anterior “sobrecarga” mencionada para los ordenadores (PC).

2.4 La estructura abierta. Aún no se ha establecido un estándar para poseer extensiones compatibles en tiempo real de sistemas operativos. De una forma estrictamente determinante, los sistemas estándar actuales deben ser modificados de forma general, así que la principal ventaja de un sistema basado en PC - su estructura abierta – pude llegar a ser un inconveniente. No obstante, la estructura abierta, permite a la empresa o el desarrollador más libertad en la elección de la herramienta adecuada para el análisis, diseño y programación del sistema SCADA. La solución comienza a ser propietaria nuevamente (cada empresa ofrece su solución) y la conversión a futuras generaciones de sistemas operativos lo hace más difícil.


3. APLICATIVO PARA EL LABORATORIO DE AUTOMÁTICA

Una vez descritos todos los conceptos principales de sistemas SCADA , en este punto se presentan las motivaciones por las cuales se ha realizado este proyecto, las herramientas hardware y software que se han usado y los objetivos que se han marcado para el proyecto.

3.1 Motivación Cada vez más, las empresas se plantean la automatización de una serie de procesos en su entorno industrial. Con ello se pretende mejorar la productividad, aumentar la calidad del producto final, además de aumentar la seguridad en el trabajo. Para conseguir estos objetivos, las empresas deben utilizar ordenadores y un software especializado en monitorización, control y adquisición de datos, sistemas SCADA.

La razón por la que se realizó el proyecto es por el amplio campo que ofrecen los sistemas SCADA, y por lo tanto la gran demanda que en el mercado informático y no informático están tomando. Además el estudio del sistema a monitorizar y/o controlar abre grandes puertas al conocimiento no sólo de informática, sino de otros campos. Cuando se quiere supervisar un sistema no sólo deben tenerse conocimientos de informática, sino que además es necesario saber como actúa, funciona y reacciona dicho sistema, por lo tanto es necesario el estudio del sistema en sí. Es la puerta de entrada al conocimiento de otros campos, al trabajo en grupo que puede estar formado por Químicos, Físicos, Ingenieros en Telecomunicación, Ingenieros Industriales donde cada individuo aporta sus conocimientos y adquiere de otros.


3.2 Software y Hardware utilizado El software principal utilizado es LabVIEW, una herramienta para la creación de sistemas SCADA. También se han utilizado paquetes gráficos para la creación y retoque de imágenes, y drivers y software relacionado con el protocolo TCP/IP.

El entorno de desarrollo y de ejecución es bajo Microsoft Windows 95, pero podría ser trasladado a Microsoft Windows NT sin ningún problema según especificaciones de LabVIEW.

El hardware utilizado es básicamente dos ordenadores PC-PENTIUM, una Tarjeta de Adquisición de Datos: PCL812PG y los dispositivos/elementos de los dos sistemas que el SCADA monitoriza y controla.

3.3 Objetivos del proyecto Desarrolar un SCADA con LabVIEW que permita supervisar y controlar dos sistemas que se encuentran en el Laboratorio de Automática. Para ello deben resolverse los siguientes puntos: •

Interface con los sistemas: resolver la adquisición de datos de los sistemas. Cuales son las señales que se quieren capturar y que se utilizará para dicha adquisición de datos.

•

Herramienta usada: elección de la herramienta en que se desarrollará la aplicación SCADA. Estudio de dicha herramienta, posibilidades que ofrece, limitaciones, funcionamiento.


•

Desarrollo de la aplicación: creación de una aplicación para la supervisión, monitorización y control de dos sistemas que se encuentran en el Laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

•

Conectividad por la red: transferencia de información a través de la red de la U.A.B. para la monitorización remota de los sistemas anteriormente citados. Creación de un cliente/servidor TCP/IP para dicha tarea.


CAPÍTULO II: LABVIEW 1. INTRODUCCIÓN LabVIEW es una herramienta diseñada especialmente para monitorizar, controlar, automatizar y realizar cálculos complejos de señales analógicas y digitales capturadas a través de tarjetas de adquisición de datos, puertos serie y GPIBs (Buses de Intercambio de Propósito General).

Es un lenguaje de programación de propósito general, como es el Lenguaje C o Basic, pero con la característica que es totalmente gráfico, facilitando de esta manera el entendimiento y manejo de dicho lenguaje para el diseñador y programador de aplicaciones tipo SCADA.

Incluye librerías para la adquisición, análisis, presentación y almacenamiento de datos, GPIB y puertos serie. Además de otras prestaciones, como la conectividad con otros programas, por ejemplo de cálculo, y en especial MatLAB.

Está basado en la programación modular, lo que permite crear tareas muy complicadas a partir de módulos o sub-módulos mucho más sencillos. Además estos módulos pueden ser usados en otras tareas, con lo cual permite una programación más rápida y provechosa.

También ofrece la ventaja de “debugging” en cualquier punto de la aplicación. Permite la posibilidad de poner “break points”, ejecución paso a paso, ejecución hasta un punto determinado y se puede observar como los datos van tomando valores a medida que se va ejecutando la aplicación. Además también lleva incorporado generadores de señales para poder hacer un simulador.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – LabView - 16 -

2. FILOSOFÍA DE LABVIEW. LabVIEW es un lenguaje completamente gráfico, y el resultado de ello es que es totalmente parecido a un instrumento, por ello a todos los módulos creados con LabVIEW se les llama VI (Instrumento Virtual).

Existen dos conceptos básicos en LabVIEW: el Front Panel (Panel Frontal) y el Block diagram (Diagrama de Bloque).El Panel Frontal es el interfaz que el usuario esta viendo y puede ser totalmente parecido al instrumento del cual se están recogiendo los datos, de esta manera el usuario sabe de manera precisa cual es el estado actual de dicho instrumento y los valores de las señales que se están midiendo, El diagrama de bloques es el conexionado de todos los controles y variables, que tendría cierto parecido al diagrama del esquema eléctrico del instrumento.

LabVIEW tiene la característica de descomposición modular ya que cualquier VI que se ha diseñado puede convertirse fácilmente en un módulo que puede ser usado como una sub-unidad dentro de otro VI. Esta peculiaridad podría compararse a la característica de procedimiento en los lenguajes de programación estructurada.

Es un sistema abierto, en cuanto a que cualquier fabricante de tarjetas de adquisición de datos o instrumentos en general puede proporcionar el driver de su producto en forma de VI dentro del entorno de LabVIEW. También es posible programar módulos para LabVIEW en lenguajes como C y C++, estos módulos son conocidos como Sub-VIs y no se difieren a los VI creados con LabVIEW salvo por el interfaz del lenguaje en el que han sido programados. Además estos Sub-VIs son muy útiles por ejemplo en el campo de cálculos numéricos complejos que no se encuentran incluidos en las librerías de LabVIEW.


3. EL PANEL FRONTAL Y EL DIAGRAMA DE BLOQUES Se podría decir que en cualquier VI existen dos caras bien diferenciadas: El Panel Frontal y el Diagrama de Bloques.

El Panel Frontal es la cara que el usuario del sistema está viendo cuando se está monitorizando o controlando el sistema, o sea, el interfaz del usuario. Este contiene controles e indicadores y existe una gran variedad de ellos, pero además incluso se pueden diseñar controles e indicadores personalizados, lo cual permite tener una amplia gama de dichos controles e indicadores. La Figura 3.1-II. es una pequeña demostración de algunos de los controles e indicadores.

Figura 3.1-II. Demostración de un sistema de control de Temperatura


Un control puede tomar muchas formas, y muchas de estas formas el dibujo real usado en instrumentos reales. Otros son estrictamente conceptos digitales o analógicos. Pero todos los controles tienen una forma visual que indican al usuario cual es el estado de dicho control en el instrumento real. Es muy importante en un sistema SCADA que el usuario no tenga que interpretar nada, sino que todo le sea claro y conciso, las interpretaciones pueden dar lugar a falsas actuaciones y, por consiguiente, podrían existir lamentables errores. Además, dos usuarios podrían interpretar de manera diferente cualquier evento.


El Diagrama de Bloques del VI sería la cara oculta del Panel Frontal, una cara que el usuario del sistema no puede ver. En ella están todos los controles e indicadores interconectados, pareciéndose mucho a un diagrama de esquema eléctrico. Esta cara es mucho menos conceptual que el Panel Frontal y para el usuario sería muy difícil entenderla. La siguiente Figura 3.2-II. es el diagrama de bloques de la Figura 3.1-II mostrada anteriormente.

Figura 3.2-II. Diagrama de bloques de un sistema de control de temperatura

Se puede observar como todos los módulos están interconectados, mediante líneas de conexión, por donde circulan los diferentes datos o valores del VI., de esta manera se logra que el VI funcione como un conjunto de elementos, módulos y submódulos.


CAPÍTULO III: COMUNICACIÓN APLICACIÓN SCADA CON EL ENTORNO En este capítulo se explicarán los conceptos básicos de la comunicación de un sistema SCADA con todo su entorno, para ello se estudiarán los siguientes temas: •

Adquisición de Datos para ordenadores, y en especial como funcionan las tarjetas de adquisición de datos.

•

Redes LAN y el protocolo TCP/IP, aplicaciones servidor/cliente.

1. TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS Otra forma de medir las señales y transferir los datos al ordenador es usando Tarjetas de Adquisición de Datos, llamadas comercialmente tarjetas DAQ. Estas tarjetas poseen Convertidores Analógico/Digitales (ADC) y Convertidores Digital/Analógicos (DAC) que permiten la entrada/salida de señales analógicas y digitales. Como se muestra en la Figura 1.1-III.

Figura 1.1-III Adquisición de Datos mediante Tarjetas ADQ-

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 21 -

1.1 Sampling (Muestreo) Los datos son capturados mediante un ADC usando un proceso de muestreo. Muestrear una señal analógica requiere la toma de muestras de dicha señal en tiempos determinados, tiempos discretos. La frecuencia en que la señal es muestreada es conocida como Frecuencia de Muestreo. El proceso de muestreo genera valores de la señal a intervalos de tiempo conocidos, como se muestra en la figura 1.1.1-III.

Figura 1.1.1-III Proceso de Muestreo-

La frecuencia de Muestreo determina la calidad de la señal analógica que se convierte. Cuanto más alta sea la Frecuencia de muestreo mejor será la conversión de la señal analógica, tendrá mayor parecido con la señal real. La frecuencia mínima de muestreo requerida para representar la señal adecuadamente debe ser como mínimo dos veces la frecuencia máxima de la señal analógica que se desea convertir (Principio de Nyquist). En la siguiente figura 1.1.2-III. se muestra un ejemplo de cómo se ve alterada la señal convertida en función de la Frecuencia de Muestreo. Puede observarse también que si la señal es muestreada a una Frecuencia de Muestreo menor que dos veces la frecuencia máxima de la señal, se produce el efecto de Aliasing.

Figura 1.1.2-III. Sampling y aliasing debido a una baja Frecuencia de muestreo


1.2 Convertidores Analógico/Digitales (ADC ) Una vez la señal ha sido muestreada, sus muestras necesitan ser convertidas a código digital. Este proceso se llama conversión Analógico/Digital. En la Figura 1.2.1-III. se muestra un ejemplo de conversión:

Figura 1.2.1-III. Conversión Analógico/Digital.

La mayoría de tarjetas también poseen un multiplexor que actúa como un switch para los diferentes canales del ADC. Esto hace posible capturar diferentes señales analógicas en paralelo, el inconveniente es que la Frecuencia de Muestreo debe ser dividida por el número de canales en paralelo que posee la tarjeta.

1.2.1 Resolución del ADC La precisión de la señal analógica de entrada convertida en formato digital depende del número de bits que el ADC usa. La resolución de la señal convertida esta en función del número de bits que el ADC usa para representar el dato digital. El rango de voltaje entre voltaje máximo y voltaje mínimo con el que la señal real puede ser representada analógicamente se subdivide en función del numero de bits de resolución digital. Por ejemplo un ADC de 8 bits puede dar hasta 256 niveles de representación digital (2^8 = 256). Esto quiere decir que el rango de voltaje de la señal real se dividirá en 256 niveles, en el que cada uno de ellos tomará un valor digital determinado.


Dependiendo de la precisión del ADC, puede ocurrir que los cambios más pequeños de voltaje de la señal analógica no puedan ser representados digitalmente. Por ello la resolución es una característica muy importante en las tarjetas ADQ. La figura 1.2.1.1-III muestra la resolución para un ADC de 3 bits:

Figura 1.2.1.1-III ADC de 3 Bits.

1.2.2 ADC No lineales Idealmente si el voltaje aplicado a la entrada de un ADC se incrementa linealmente, se espera que el resultado al convertir la señal a información digital también se incremente linealmente como se muestra en la Figura 1.2.2.1-III.:

Figura 1.2.2.1-III Características de transferencia de un ADC ideal.


No siempre ocurre de esta manera. Sólo las tarjetas DAQ perfectas son así, estas tarjetas, aunque existen, tienen un elevado costo, y normalmente se encuentran en el mercado tarjetas que tienen una pequeña variación lineal, como se muestra en la Figura 1.2.2.2-III.

Figura 1.2.2.2-III Características de transferencia de un ADC no ideal.

1.2.3 ADC Settling Time (Tiempo de fijación de la señal). En una tarjeta típica, la señal analógica primero es seleccionada por un multiplexor, y luego amplificada antes de ser convertida por el ADC. El amplificador usado entre el multiplexor y el ADC debe ser capaz también de rastrear, retener y fijar la señal que se desea convertir, si no el ADC convertirá una señal que aún está en transición. Un tiempo de fijación erróneo puede llegar a ser un gran problema. Para determinar un Tiempo de Fijación correcto debe tenerse en cuenta la Frecuencia de muestreo y la ganancia de la tarjeta DAQ.

1.3 Transferencia de Datos al Ordenador Normalmente, las tarjetas DAQ se instalan en los buses de alta velocidad del PC como los buses PCI. En función de la velocidad de la placa base del PC, la velocidad de transferencia de datos máxima entre componentes de dicha placa base suele estar entre el microprocesador y la memoria con valores que van desde los 20Mhz hasta los 40Mhz. Para mejorar la transferencia de datos, se implementa el Bus Mastering, que Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 25 -

permite a las tarjetas DAQ transferir datos directamente a la memoria, y con ello se logra acelerar el proceso de adquisición de datos. Ver los ejemplos siguientes de tarjetas sin y con Bus Mastering implementado.

Figura 1.3.1-III Transferencia de datos sin Bus Mastering (convencional)

Figura 1.3.1-III Transferencia de datos con Bus Mastering

Como se puede observar en la Figura 1.3.1-III el microprocesador está participando en la transferencia de datos, empleando en ello un tiempo en que podría estar haciendo otras tareas. Por otro lado se observa que en la Figura 1.3.2-III la transferencia de datos es directa a la memoria, con lo cual el microprocesador está libre para ser utilizado por otras tareas, esto se logra mediante la tecnología Bus Mastering.


1.4 Convertidores Digital/Analógicos (DAC) Las tarjetas multifunción también tienen integrado, normalmente, un convertidor Digital/Analógico (DAC). Un DAC puede generar una señal analógica en función de un dato digital.

Esto permite a las tarjetas de este tipo generar una señal analógica de salida, con voltajes en corriente continua (DC) o corriente alterna (AC). Al igual que el ADC, los DAC se encuentran limitados por el número de muestras que pueden procesar y el número de bits que usan para convertir el dato digital en señal analógica.

Figura 1.4.1-III Generación de una onda sinusoidal con resolución de 3 bits.

La Figura 1.4.1-III muestra cómo una onda sinusoidal es convertida por un DAC de 3 bits.

Es también importante en un DAC un tiempo de fijado (Settling Time) pequeño, ya que así podrá generar señales de frecuencia alta, debido a que el tiempo usado en fijar la señal de salida para un nuevo nivel de voltaje será bajo.


1.5 Esquema típico de una Tarjeta de Adquisición de Datos En la siguiente Figura 1.5.1-III se puede observar todos los componentes más importantes de una tarjeta de Adquisición de Datos.

Figura 1.5.1-III Tarjeta real de Adquisición de Datos-


1.6 Tarjeta PCL-812PG La tarjeta PCL-812PG es la tarjeta que se ha usado en el proyecto para la adquisición de datos y control de señales para la monitorización y control del Laboratorio de Automática. Es una tarjeta para PC/XT/AT y compatibles. Es de alta velocidad y rendimiento, además de ser multifunción.

1.6.1 Características Técnicas Las característica técnicas de la tarjeta son las siguientes: •

16 canales de entradas analógicas (single-ended).

•

Un convertidor standard industrial de 12-bit convirtiendo las señales de entradas analógicas por aproximaciones sucesivas. La máxima frecuencia de muestreo es de 30Mhz en Modo DMA.

•

Rangos de entradas analógicas programables por software. Bipolar : ± 5V, ± 2.5V, ±12.5V, ± 0.625V, ± 0.3125V.

•

Tres entradas analógicas con los siguientes modos Trigger: - Software Trigger. - Trigger de Nivel (programable). - Trigger de Pulso (programable).

•

Posibilidad de transferencia de datos A/D convertidos por interrupción o DMA.

•

Un Temporizador/Contador INTEL 8253-5.

•

Dos canales de salida D/A con resolución de 12 bits. Con rango de salida de 0 a +5V o 0 a +10V.

•

16 entradas digitales compatibles TTL/DTL.

•

16 salidas digitales compatibles TTL/DTL.


1.6.2 Especificaciones del Producto. Las especificaciones del producto son las siguientes: •

Entradas Analógicas (A/D Convertidor) -

Canales : 16 single-ended

-

Resolución : 12 bits

-

Rango de entrada : Bipolar : ± 5V, ± 2.5V, ±12.5V, ± 0.625V,

± 0.3125V. -

Sobre Voltaje: Continuo ± 30V max.

-

Convertidor : HADC574Z.

-

Velocidad de Conversión : 30 Mhz. max.

-

Precisión : 0.015 % leyendo ± 1 bit

-

Lineal en : ± 1 bit

-

Modos en Trigger : por software, por placa o externo.

-

Transferencia de datos : Control por programa, por interrupción o DMA.

•

•

Salidas Analógicas (D/A Convertidor) -

Canales : 2 canales

-

Resolución : 12 bits

-

Rango de salida : 0 a +5V o 0 a +10V.

-

Dispositivos Analógicos : AD7541AKN o equivalentes.

-

Lineal en : ± ½ bit

-

Settling Time : 30 microsegundos.

Entradas Digitales -

Canal : 16 bits

-

Nivel : TTL compatible

-

Voltaje de entrada : Bajo 0.8V max. Alto 2.0V min.


•

Salidas Digitales -

Canal : 16 bits.

-

Nivel : TTL compatible.

-

Voltaje de salida: Bajo 8mA a 0.5V max. Alto 0.05mA a 2.7V max.

•

•

•

Temporizador/Contador programable -

Dispositivo : INTEL 8253

-

Contadores : 3 canales de 16 bits.

-

Entrada, puerta : TTL/DTL/CMOS

-

Base de Tiempo : 2MHz.

Canal de Interrupción -

Nivel : IRQ 2 a 7, seleccionable por jumpers en placa.

-

Permitido : Vía S0, S1 y S2 del registro de CONTROL.

Canal DMA -

Nivel : 1 o 3, seleccionable por jumpers en placa

-

Permitido : Vía S0, S1 y S2 del registro de CONTROL.


2. REDES LAN Y PROTOCOLO TCP/IP Existen diferentes medios para que los datos puedan ser intercambiados entre los instrumentos de campo y el ordenador. Muchos de los instrumentos poseen un puerto serie, mediante el cual la información es enviada al ordenador o a otros instrumentos. El uso de GPIB (Buses de Intercambio de Propósito General) permiten transferir datos a través de puertos paralelos, puertos series y redes de instrumentos o ordenadores.

2.1 Conceptos básicos de Redes y protocolo TCP/IP Una de las principales evoluciones de la informática ha sido el paso del modo centralizado al modo distribuido o repartido. Uno de los efectos de los progresos realizados en el plano de los componentes físicos está, en muchos casos, en el abandono de la máquina central encargada de la ejecución de las diferentes tareas en beneficio de varias máquinas. En dicho entorno, rápidamente se hace sentir la necesidad de intercambio de información entre diferentes máquinas. Puede tratarse de intercambio de datos entre programas o de archivos o informaciones entre usuarios. El concepto de red corresponde a esta interconexión entre diferentes máquinas.

Las funcionalidades de las redes están en constante evolución y se pueden caracterizar por el paso del modo repartido al modo distribuido. En el primero, los recursos necesarios para una actividad deben localizarse explícitamente. Por tanto, un usuario tiene que tener una cierta idea de la topografía de la red. Con el concepto de distribución, los diferentes recursos de un mismo tipo constituyen un recurso virtualmente único. Por ejemplo, los discos de las diferentes unidades constituyen un disco virtual único al cual pueden acceder los diferentes sistemas de una manera totalmente transparente.

Un primer criterio de clasificación de redes es el alejamiento de sus diferentes componentes. En el caso de una red local, la distancia que separa los huéspedes no excede de varios kilómetros permitiendo una interconexión física que se realiza


mediante diferentes soportes. En una red a larga distancia para la unión entre dos huéspedes puede utilizarse como soporte la línea telefónica o satélites.

La multiplicación de redes locales que ofrecen servicios a un grupo restringido de usuarios, ha mostrado rápidamente sus límites y se ha dejado sentir la necesidad de superar el cuadro local de sus intercambios. El satisfacer estas necesidades ha chocado con la heterogeneidad de las redes. Por iniciativa del DARPA (Desfense Advanced Research Project Agency), se han realizado investigaciones para obtener una red lógica que, a priori, permita la interconexión de todas las redes, cualquiera que sea la tecnología. Estas investigaciones convergen en la definición de una serie de protocolos a los que generalmente se hace referencia nombrando los dos protocolos principales, es decir TPC/IP.

Los interfaces IP aseguran la gestión de los protocolos específicos a cada tipo de red física. Uno de los papeles que les incumbe es la fragmentación de los mensajes que se van a emitir: se trata de dividir los mensajes para enviarlos mediante un trama física. El protocolo IP se utiliza para el intercambio de paquetes de información en modo no conectado: por tanto no garantiza la llegada correcta de los mensajes. Esta funcionalidad se introducirá mediante el protocolo TCP. TCP es un protocolo orientado a conexión, que ofrece un servicio seguro de transporte de información (octetos), los octetos que se emiten desde un lado de la conexión se liberan en el mismo orden al otro lado de la conexión. Este grupo de octetos no tiene ninguna estructura. La conexión se realiza en modo duplex: por tanto, soporta una comunicación simultánea en los dos sentidos.

El modelo de servidor/cliente es el modo de interacción más corriente entre aplicaciones en una red. Un servidor es un programa que ofrece un servicio en la red, es decir, que realiza una función específica. En ciertas circunstancias, este término designará a una máquina. Este será el caso si dicha máquina está dedicada a un servicio particular (por ejemplo, servidor de datos adquiridos). Un cliente es un programa que dirige a un servidor una petición específica que corresponde a una demanda de servicio. De este modo, en el caso de aplicaciones que se comuniquen utilizando estos protocolos, se enviará una petición de un cliente a un servidor por mediación de un


paquete que contiene, en particular, un número de puerto que corresponde al servicio y el número del puerto donde el cliente espera la respuesta.

2.2 Adquisición de Datos Locales y Comunicación Remota. Muchos de los sistemas SCADA empleados necesitan comunicarse vía red, puertos GPIB, telefónica o satélite. Mientras existen unos ordenadores que están capturando datos en campo, normalmente llamados Estaciones Remotas, hay otros que se encargan de recoger la información y gestionarla, Centros de Control. En este proyecto se ha realizado una similitud con los sistemas SCADA de gran tamaño o que gestionan una gran información en cuanto a que existe un ordenador PC-PENTIUM que esta capturando los datos del Laboratorio de Automática y otros ordenadores que pueden encontrarse en cualquier punto de la red de la U.A.B. que están recibiendo la información que el ordenador del Laboratorio está capturando. Esto se ha realizado gracias a la red de la U.A.B el protocolo TCPI/IP y la implementación de un sistema cliente/servidor para LabVIEW. Este cliente/servidor de TCP/IP ha sido diseñado a partir de unos ejemplos demostrativos del funcionamiento de LabVIEW con TCP/IP, mejorado y adaptado para este proyecto. Ver la siguiente Figura 2.2.1-III. en la que queda representada dicha comunicación.

Figura 2.2.1-III Comunicación utilizada por el SCADA.


De esta manera se consigue que los datos que se están capturando en el ordenador del Laboratorio de Automática, pueden ser vistos por ejemplo desde el campus de Bellaterra o desde la Facultad de Informática E.U.I.S. Permitirá un apoyo y supervisión constante por parte del personal encargado del Laboratorio de Automática, que puede encontrarse en Bellaterra o en cualquier punto de la red de la U.A.B.

Al igual que en muchos grandes sistemas SCADA el control de los sistemas que se supervisan, o el envío de órdenes a esos sistemas a través de la red no se ha implementado ya que los sistemas que se supervisan son críticos, y podrían provocar consecuencias graves al no estar presentes en el Laboratorio.

Todos los ordenadores del Aplicativo tienen las mismas ventanas de supervisión. Lo que diferencia el servidor de los clientes, es que el primero tiene que ejecutar una ventana que será el servidor de datos para TCP/IP.


CAPÍTULO IV: APLICATIVO PARA EL LABORATORIO DE AUTOMÁTICA Este capítulo se centrará en el Aplicativo para el Laboratorio de Automática que se ha creado como resultado del estudio de los sistemas SCADA y su entorno. Se describen los sistemas a supervisar, así como los objetivos, la descripción funcional, estructura y manejo del aplicativo.

1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS. El aplicativo supervisa dos sistemas que se encuentran en el Laboratorio de Automática que se describen a continuación: •

Sistema Servomotor, en el Laboratorio de Automática hay un motor de corriente continua. Una fuente de alimentación proporciona la corriente necesaria para el funcionamiento de todos los elementos del sistema. El motor se alimenta con una señal que procede de un amplificador, el cual tiene la misión de multiplicar la señal de entrada por una ganancia elevada, para que a la salida se tenga la energía suficiente para hacer girar el motor. El motor está conectado a un dial de salida, que indica la posición (ángulo) en grados. Además, un tacómetro, incorporado al motor, genera una señal en Voltios proporcional a la velocidad de giro. La constante que determina la conversión de grados a voltaje se obtiene experimentalmente. De igual manera, el dial de salida da una señal eléctrica proporcional al ángulo, el valor de la constante que se encarga de hacer esta conversión también se obtendrá empíricamente. Un bloque preamplificador recibe dos señales en la entrada, que se suman, el resultado se multiplica por una cierta constante (de amplificación). La señal eléctrica resultante está conectada a la entrada del servoamplificador. Las entradas al preamplificador (en el montaje de lazo abierto que se encuentra

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 36 -

implementado) son, por una parte, la señal del tacómetro, que se multiplica por una ganancia de ½ mediante un atenuador (realimentación tacométrica) y la señal de salida de un bloque PID. El bloque PID entra la señal de error, que es la diferencia entre la señal de referencia y la señal de salida (dial de salida). La señal de entrada al sistema es proporcionado por otro dial (de entrada), similar al de salida, el cual genera una señal eléctrica proporcional al ángulo, con el mismo factor de conversión que el de salida. Las señales procedentes de los dos diales se restan mediante un bloque amplificador operacional, la salida del cual se envía al PID.

Las señales que son supervisadas por el aplicativo son la Posición de Salida y la Velocidad, la señal que es controlada o a la que se le puede enviar una orden es la Posición de Entrada. •

Sistema Depósitos, en este tipo de sistemas se suelen encontrar depósitos conectados entre sí mediante tuberías y válvulas. El estudio de este sistema se realizará para un depósito o dos depósitos conectados por una tubería y una válvula. Adicionalmente se ha incorporado un modelo, que calcula la apertura de la válvula del tanque para que el caudal de entrada y el de salida sean iguales en función de un nivel de referencia. Esta simulación permitirá al alumno realizar pruebas teóricas y observar las diferentes reacciones del sistema. Las señales que son supervisadas por el aplicativo son los niveles de agua en los dos tanques, y las señales que se controlan o a las que se les pueden enviar órdenes son las potencias en que las dos bombas de agua actúan, obteniendo más o menos caudal de entrada.


2. OBJETIVOS DEL APLICATIVO Los objetivos del aplicativo son los siguientes: •

Adquisición de datos por ordenador a través de la tarjeta de adquisición de datos PCL812-PG.

•

Aplicativo totalmente configurable.

•

Monitorización y control de la adquisición de datos mediante LabVIEW.

•

Presentación y descripción del sistema Servomotor.

•

Simulación de un modelo para el sistema de Depósitos.

•

Supervisión, monitorización y control del Sistema Servomotor del Laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

•

Supervisión, monitorización y control del Sistema de Depósitos del Laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

•

Telecomunicación a través de la red de la U.A.B y protocolo TCPI/IP, para poder presentar los datos adquiridos en cualquier punto de dicha red.

•

Herramienta útil y de manejo sencillo para aquellos alumnos que cursan asignaturas dentro del campo de Control y Automatica.

•

Se dejará preparado el aplicativo para actualizaciones posteriores.


3. DESCRIPCIÓN FUNCIONAL Por tanto el aplicativo en función de los objetivos que se han marcado en el apartado anterior, deberá realizar las siguientes funciones: •

Adquisición de datos en tiempo real mediante una tarjeta de adquisición de datos para ordenadores PC/XT/AT o compatibles. La adquisición de datos debe estar controlada desde LabVIEW, pudiéndose configurar los canales de entradas y salidas de las señales a adquirir o controlar. Exigir que los datos presentados en el aplicativo y su correspondiente valor real sea el mismo, no exista diferencia alguna.

•

Aplicativo totalmente configurable. Se parametrize a través de una ventana de configuración todas las variables necesarias para el correcto funcionamiento del aplicativo, esto implica la configuración de los canales de salida y entrada de las señales, y las direcciones y puertos TCP/IP. Esta ventana deberá ser ejecutada por el usuario al iniciar el aplicativo para que el sistema SCADA quede totalmente configurado.

•

Se monitorizarán y controlarán las siguientes señales de los sistemas: Sistema de Servomotor : Monitorizar la señal de Posición de Salida y la señal de velocidad del motor. Se controlará la señal de Posición de Entrada del motor y el error de ajuste del PID (de momento queda configurado y representado pero no se utiliza). Sistema de Depósitos : Monitorizar las señales de nivel de agua en los tanques, para el Tanque 1 y el Tanque 2. Se controlará las dos señales de potencia de las Bombas de Agua que repercuten en el caudal de entrada para el Tanque 1 y el Tanque 2.

•

Creación de una pantalla para el Sistema de Depósitos, que permitirá al usuario realizar el siguiente cálculo: en función de un nivel de referencia, se calculará la abertura de la válvula para que el caudal de salida y el caudal de entrada sea el mismo, ecuación diferencial que nos representará un transitorio y su posterior valor estable. Para el Sistema Servomotor se creará una ventana donde se encuentra un


gráfico detallado de los elementos y conexiones que configuran dicho sistema, esta herramienta será de gran utilidad para que el alumno pueda identificar cada elemento del sistema, además se incorporará una descripción del sistema y de cada uno de sus elementos. •

Creación de dos ventanas para el Sistema de Servomotor donde se visualizarán gráficamente los valores reales del sistema mediante elementos gráficos que tienen parecido con el modelo real, campos con los valores exactos de las señales y gráficas de evolución donde se podrá observar la tendencia del sistema. En una de las dos ventanas, la ventana de control, además se incorporará elementos gráficos y campos con el valor exacto de la señales a controlar, permitiendo al usuario que pueda cambiar los valores de dichos controles. En estas ventanas además se podrá configurar el tiempo de muestreo.

•

Creación de dos ventanas para el Sistema de Depósitos donde se visualizarán gráficamente los valores reales del sistema mediante elementos gráficos que tienen parecido con el modelo real, campos con los valores exactos de las señales gráficas de evolución donde se podrá observar la tendencia del sistema. En una de las dos ventanas, la ventana de control, además se incorporará elementos gráficos y campos con el valor exacto de la señales a controlar, permitiendo al usuario que pueda cambiar los valores de dichos controles. En estas ventanas además se podrá configurar el tiempo de muestreo.

•

Telecomunicación a través de la red de la U.A.B y protocolo TCPI/IP, para poder presentar los datos adquiridos en cualquier punto de dicha red. Esto implica crear una ventana que será el servidor remoto. Esta ventana deberá ejecutarse en el ordenador donde se estén adquiriendo los datos, para que otros ordenadores conectados a la red pueden visualizar dichos datos. Esto no implica tener un ordenador solo como servidor de red para TCP/IP, sino que este ordenador a la vez podrá presentar los datos localmente. También implica crear dos ventanas, una para cada sistema, que serán los clientes remotos, donde se visualizarán los datos a través de la red. En estas dos ventanas no se permitirán ni configurar el tiempo de muestreo, ya que podría provocar sobrecarga en la red, ni tampoco el control de las


señales de salida, ya que son críticas y podrían provocar actuaciones no deseadas sobre los sistemas al no estar presentes en el Laboratorio. Por ello en estas ventanas sólo se presentarán datos del estado actual del sistema. El manejo del servidor/cliente de TCP/IP es sencillo en cuanto a requisitos necesarios para el intercambio de información. El cliente deberá especificar al servidor que datos quiere - esto lo hará mediante el nombre de las variables- y de que VI - mediante el nombre del VI -, con esta simple operación, el servidor es capaz de enviar los datos que se han solicitado al cliente correspondiente. No es necesario hacer nada más. •

Herramienta útil y de manejo sencillo para aquellos alumnos que cursan asignaturas dentro del campo de Control y Automática. El aplicativo será totalmente gráfico e intuitivo, para que el alumno no se preste a malas interpretaciones y caiga en posibles errores.

•

El aplicativo queda totalmente abierto para posteriores actualizaciones, de manera que podrán generarse nuevas ventanas, o modificar las ventanas existentes, incorporar dichas ventanas al menú o incluso incorporar nuevas señales.


4. ESTRUCTURA DEL APLICATIVO Existen dos módulos de adquisición y control de datos, uno para cada sistema que están continuamente capturando y/o dando órdenes al sistema. Una ventana de configuración, que debe ejecutarse al iniciar el aplicativo para que el SCADA quede totalmente configurado. Una ventana que es el servidor remoto, que deberá ejecutarse cuando se quiera intercambiar información a través de la red. Y por último un menú donde se presentan todas las opciones del aplicativo. Esta estructura se ve reflejada en la siguiente Figura 4.1-IV.

Figura 4.1-IV Estructura del aplicativo

La figura 4.1-IV se interpreta de la siguiente manera: al iniciar el aplicativo lo primero que se hace es configurar todos los parámetros del mismo, se ve reflejado en la tarea ‘Configura Aplicativo’. A partir de aquí el aplicativo queda preparado para la Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 42 -

adquisición de datos y transferencia de información vía red LAN. El aplicativo entra en un bucle de adquisición y control de datos para los dos sistemas supervisados, se muestra mediante la flecha curvada que se encuentra en los procesos de ‘Adquisición/control de datos’ de ambos sistemas. Mientras se está haciendo la adquisición/control de datos el aplicativo puede ejecutar el servidor TCP/IP si hay la necesidad de transferir información por la red LAN, esto se refleja con la tarea ‘Servidor Remoto’. Por último, al mismo tiempo, el aplicativo muestra un menú ‘Menú Principal’ , donde se encuentran todas las opciones de monitorización, control y cliente TCP/IP de los sistemas que se supervisan. Además en este menú principal, aunque no se muestra en la figura, también hay las opciones de Simulación para el sistema de Depósitos y descripción del sistema para el sistema Servomotor.


5. EL APLICATIVO El aplicativo para el Laboratorio de Automática es un conjunto de elementos diseñados específicamente para la adquisición y supervisión de datos de los sistemas de Depósitos y Servomotor que se encuentran en dicho Laboratorio. Estos elementos son: un programa software, realizado con LabVIEW que actúa como SCADA, y una tarjeta de Adquisición de Datos para PC/XT/AT o compatibles, la tarjeta PCL812-PG de PCLabCard.

5.1 Menú Principal En el menú principal están todas las opciones posibles del aplicativo, desde configurarlo hasta ejecutar un cliente remoto. Es totalmente intuitivo, está construido mediante botones, los cuales llaman a la ventana correspondiente.

Figura 5.1.1-IV Menú Principal

Las ventanas del aplicativo deben llamarse siempre desde este menú principal, si se intenta ejecutar una ventana (un VI) directamente, dará un error al cerrarse, ya que la Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 44 -

ventana no se habrá llamado desde el menú principal. La diferencia radica en que cuando se llama una ventana desde el menú principal, primero se carga en memoria y posteriormente se ejecuta, de esta manera se logra que al estar la ventana o el VI en memoria su ejecución es más rápida. Si se ejecuta directamente lo que ocurre es que simplemente no se carga en memoria. Posteriormente al cerrar la ventana se descarga de memoria, por lo tanto si no está cargada dará el error de que no se encuentra dicha ventana.

5.2 Configuración del Aplicativo En esta ventana se configura el aplicativo. Los posibles parámetros configurables son los canales de E/S para la adquisición de datos, el puerto de conexión para el Servidor Remoto en el caso que dicha máquina se utilice como tal, y las direcciones IP y puertos de las máquinas servidores para que las máquinas cliente puedan comunicarse vía red con protocolo TCP/IP. Esta ventana debe ejecutarse al iniciar el SCADA para que éste quede totalmente configurado.

Figura 5.2.1-IV Inicia y configura el aplicativo


5.3 Simulación del Sistema de Depósitos En esta ventana se simula el siguiente modelo para un tanque: se calcula la apertura de la válvula del tanque para que el caudal de entrada y el de salida sea el mismo en función de un nivel de referencia (ecuación diferencial). El alumno podrá observar como el sistema entra en un transitorio para posteriormente estabilizarse cuando se varia el nivel de referencia o el caudal de entrada. Esta ventana muestra las gráficas siguientes además de todos los valores de las variables que participan en el cálculo: gráfica de caudal de entrada/caudal de salida, gráfica de altura del depósito/nivel de referencia y gráfica de apertura de la válvula.

Figura 5.3.1-IV Simulación del modelo para un tanque en el sistema de depósitos.


5.4 Descripción del Sistema Servomotor En esta ventana se muestra el gráfico correspondiente al sistema servomotor, se muestran todos sus elementos y las conexiones de estos elementos. La implementación de esta ventana se ha realizado para que el alumno pueda identificar rápidamente cuales son los elementos del sistema y tenga una descripción de dichos elementos y del sistema en general.

Figura 5.4.1-IV Esquema del sistema servomotor.


5.5 Monitorización de señales Hay dos ventanas dedicadas a la monitorización de las señales, una para cada sistema. En estas ventanas se podrá observar los valores de las señales mediante campos de valor, elementos gráficos que se asemejan a los del instrumento real de medición y gráficas que nos mostrarán la evolución del sistema. En estas ventanas se podrá modificar el tiempo de muestreo de las señales.

Figura 5.5.1-IV Ventana de monitorización del sistema de depósitos.


5.6 Control de señales Hay dos ventanas dedicadas al control de las señales, una para cada sistema. En estas ventanas se podrá observar los valores de las señales mediante campos de valor, elementos gráficos que se asemejan a los del instrumento real de medición y gráficas que nos mostrarán la evolución del sistema. Además existen elementos gráficos y campos de valor modificables para que el usuario pueda enviar el control o la orden que desee al sistema. En estas ventanas se podrá modificar el tiempo de muestreo de las señales.

Figura 5.6.1-IV Ventana de visualización y control manual para el sistema de depósitos


Figura 5.6.2-IV Ventana de visualización y control manual para el sistema servomotor

Se puede observar en las dos figuras anteriores que los controles manuales para el sistema de depósitos son objetos gráficos (tipo Gauge), y en cambio para el sistema servomotor los controles son campos donde se pondrá el valor deseado. Esto es así debido a que el sistema servomotor es un sistema donde la precisión del dato a actualizar debe ser la máxima posible. Cuando se manejan objetos gráficos (tipo Gauge) el valor no se puede precisar al máximo.


5.7 Servidor/Cliente TCP/IP La ventana del Servidor TCP/IP muestra el puerto por el cual se comunica con los clientes, el número de conexiones de clientes que se encuentran actualmente conectados (dos para cada cliente, lectura y escritura), el estado actual del servidor y una información adicional donde se muestra el VI y las señales de éste que se están transfiriendo. Esta última información ha sido utilizada sobretodo en tiempo de desarrollo del Servidor, pero en tiempo de ejecución esta información no es muy útil, ya que es imposible ver cuando se están transmitiendo datos debido a su velocidad, de todas maneras queda disponible en la ventana para que el usuario pueda ver en que consiste el servidor TCP/IP.

Figura 5.7.1-IV Servidor Remoto


Hay dos ventanas de Cliente Remoto, una para cada sistema. Estas ventanas son exactamente iguales a las ventanas de Monitorización, salvo que no se puede cambiar el tiempo de muestreo, ya que podría provocar sobrecarga en la red. Tampoco se pueden controlar los sistemas remotamente, debido a que las señales son críticas, y podría ser peligroso para el sistema enviar un control o orden sin estar presente en el Laboratorio.

En estas ventanas, además, se puede observar la dirección IP y el puerto de la máquina donde se encuentra el Servidor.

Figura 5.7.2-IV Cliente TCP/IP del sistema servomotor.


5.6 Requisitos del Sistema, Instalación y Ejecución •

Requisitos Software : para utilizar el aplicativo se necesita ejecutar Windows 95 o superior (Windows 98 o Windows NT según especificaciones de LabView) y LabView ver 4.1 o superior.

•

Requisitos Hardware: PC/AT o PENTIUM. Una vez instalado LabView se requieren 10Mb de espacio libre en disco duro para el aplicativo.

Para instalar el aplicativo se deben realizar los siguientes pasos: -

Abrir una sesión de Windows 95 o superior

-

Insertar el disquete de instalación en la disquetera

-

Ejecutar el programa setup.exe. Es posible que dicho programa muestre un mensaje de aviso o error al iniciarlo, esto es debido a que el instalador usa una DLL de versión muy reciente. Pulsar continuar y el Aplicativo se instalará de todas manera.

Para ejecutar el programa, pulsar el icono con el nombre “Aplicativo” que se ha creado en el grupo “Aplicativo Laboratorio Automática”.


CAPÍTULO V: CONCLUSIONES 1. PRUEBAS REALIZADAS Las pruebas realizadas han sido las siguientes, dando todas ellas un correcto funcionamiento: •

Adquisición de datos por ordenador a través de la tarjeta de adquisición de datos PCL812-PG.

•

Monitorización y control de la adquisición de datos mediante LabVIEW.

•

Simulación del modelo para el sistema de Depósitos.

•

Configuración del SCADA.

•

Supervisión, monitorización y control del Sistema Servomotor del Laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

•

Supervisión, monitorización y control del Sistema de Depósitos del Laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

•

Telecomunicación a través de la red de la U.A.B y protocolo TCPI/IP.

•

Telecontrol a través de la red de la U.A.B y protocolo TCPI/IP. Aunque no se ha dejado implementado por los motivos anteriormente citados.

Se han probado todas las opciones posibles a partir de la descripción funcional. Todas ellas han resultado satisfactorias.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Conclusiones - 54 -

2. DIFICULTADES INICIALES Los problemas encontrados han sido pocos pero de gran envergadura, son los siguientes: •

Desconocimiento de las características y funcionamiento de la tarjeta de adquisición de datos PCL812-PG. Problema resuelto a través del estudio del mismo, mediante el manual del producto y pruebas empíricas.

•

Desconocimiento de las posibilidades y programación de LabView. Problema resuelto a través del estudio del mismo, mediante los manuales del producto y los ejemplos que incorpora el producto.

•

Desconocimiento del funcionamiento de los sistemas. Problema resuelto mediante la explicación del Director de Proyecto.

•

Desconocimiento de LabView en cuanto a sus posibilidades en el trato de trasferencia de datos vía TCP/IP.

3. CONCLUSIONES Las conclusiones a las que se ha llegado en este proyecto son las siguientes : •

Se ha podido experimentar las ventajas de utilizar herramientas diseñadas especialmente para la creación de sistemas SCADA, en particular, la herramienta LabView. Esta herramienta está diseñada específicamente para la creación de estos sistemas, esto supone un gran ahorro en tiempo y trabajo realizado. Es cierto que el aplicativo que se ha desarrollado también se hubiera podido hacer con lenguajes de propósito general, de programación estructurada u Orientados a Objetos, pero si se intenta comparar este tipo de lenguajes con las herramientas diseñadas específicamente para este tipo de


aplicaciones se ve claramente que dichas herramientas ofrecen una facilidad inmejorable para la creación y manejo de sistemas de supervisión, en cuanto a la disponibilidad de librerías/drives para la adquisición de datos, la creación de interfaz con el usuario, gestión de datos en tiempo real, gestión de datos históricos, conectividad vía red, módulos de simulación y cálculos. Es obvio, pues, entender estas herramientas como un acercamiento fácil y rápido a la supervisión de sistemas que pueden llegar a ser muy complicados. Por otro lado, la herramienta LabView, permite construir módulos en lenguaje ‘C’, para aquellas aplicaciones que supervisan sistemas que necesitan de soluciones realmente particulares. •

Otra de las grandes ventajas encontradas en este proyecto ha sido la utilización de tarjetas de adquisición de datos. Tarjetas especialmente diseñadas para la captura de datos analógicos y digitales. Es evidente también que estos datos pueden ser capturados de muy diversas formas, mediante simples convertidores Analógicos/Digitales y circuitería especial y dedicada para la comunicación con el ordenador, vía puertos paralelo o serie en el caso de señales digitales, DSPs o microcontroladores que incorporan DACs, etc... Pero al comparar, se ve claramente que la captura de datos con tarjetas de adquisición de datos es muy simple y eficaz, puesto que para ello han sido diseñadas, logrando de esta forma una fácil interactividad entre el ordenador y el sistema supervisado.

•

Una de las aportaciones más importantes encontradas en el proyecto ha sido la capacidad que tiene LabView para el intercambio de información vía red. A partir de unos modelos y mediante las librerías propias de LabView se ha desarrollado un cliente/servidor TCP/IP que ofrece un alto rendimiento, en cuanto a versatilidad en el intercambio de información y funcionamiento autóctono a la aplicación. No es necesario dedicar en uso exclusivo una máquina para el funcionamiento del servidor TCP/IP y además no influye en las restantes tareas que el ordenador pueda estar realizando, de esta manera el ordenador puede estar intercambiando información y monitorizando o controlando el sistema al mismo tiempo.


•

Se han logrado de la mejor manera los objetivos propuestos en el proyecto y en el aplicativo. Inicialmente se tenían algunas dudas sobre las posibilidades del sistema SCADA a desarrollar en general, ¿las características de la tarjeta PCL-812PG serían suficientes para garantizar los datos en tiempo real, sobre todo en el sistema de servomotor?, ¿LabView sería capaz de comunicarse de forma eficiente vía red, podría realizar los cálculos del modelo del sistema servomotor (ecuaciones diferenciales) y a su vez poder generar un entorno gráfico suficientemente intuitivo?, ¿podría comunicarse vía red, presentar y controlar el sistema, y realizar cálculos complejos, todo a la vez, sin que se pierda información?. Los interrogantes a estas preguntas se han resulto de forma efectiva, sin la necesidad de crear soluciones particulares a estos problemas, usando las posibilidades de LabView y la tarjeta PCL-812PG ha sido suficiente.

•

Por último, queda uno de los grandes objetivos del proyecto, el intentar crear una herramienta útil y de manejo sencillo e intuitivo para el alumno que cursa asignaturas relacionadas en el campo de Automática. Obviamente, mi opinión en este punto no es muy objetiva, ya que como desarrollador del aplicativo conozco en exactitud dicho aplicativo, y no tengo la necesidad de que sea intuitivo, pero, por supuesto, creo que lo es en un 100%, ya que el aplicativo utiliza un interfaz con elementos y objetos gráficos semejantes al instrumento real de los sistemas supervisados. En cuanto a su utilidad para el alumno, aun siendo totalmente subjetivo y positivo, es evidente que sí, ya que con esta aplicación el alumno podrá: desde estudiar el modelo simulado para el sistema de depósitos hasta monitorizar y controlar dos sistemas diferentes, además de poder ser guiado por el profesor del Laboratorio de forma local o remota.


4. POSIBLES MEJORAS Como se ha mencionado anteriormente el proyecto queda totalmente abierto para nuevas actualizaciones, y, por ello se exponen las siguientes posibles mejoras: •

Seguridad: implementar claves de accesos para envío de controles y opciones de menú. Permitir sólo a usuarios privilegiados que puedan hacer según qué operaciones. Clave de acceso para usuarios remotos. Mediante el estudio que se ha realizado del producto LabView ver 5.0, una versión superior a la utilizada en el aplicativo, este punto no sería difícil de realizar.

•

Historia: almacenar datos históricos de la evolución de los sistemas. Este punto no se ha implementado ya que el interés del proyecto se centra en la adquisición de datos y monitorización en tiempo real.

•

DDE: gestión de la información que se ha adquirido a través de paquetes de ofimática.

•

Transportar el aplicativo a Internet. Mediante el estudio que se ha realizado del producto LabView ver 5.0, una versión superior a la utilizada en el aplicativo, este punto no sería difícil de realizar.

•

Monitorizar y controlar un tercer sistema del Laboratorio que funciona con un PLC. Este punto no se ha podido realizar debido al desconocimiento de las tramas del protocolo usado por el PLC.


BIBLIOGRAFÍA ÍNDICE BIBLIOGRÁFICO [1]

USER’S MANUAL PCL812-PG PC-LabCard Products

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CONJUNTO DE MANUALES DE LABVIEW NATIONAL INSTRUMENTS

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COMPUTER SYSTEMS FOR AUTOMATION AND CONTROL Gustaff Olsson Gianguido Piani Ed. M. J. GRIMBLE

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AUTOMATAS PROGRAMABLES Josep Balcells José Luis Romeral SERIE MUNDO ELECTRONICO, MARCOMBO EDITORES.

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SISTEMAS OPERATIVOS: CONCEPTOS FUNDAMENTALES James L. Peterson Abraham Silberschatz Ed. REVERTÉ

[6]

INTERNETWORKING with TCP/IP Douglas E. Comer PRENTICE HALL

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Bibliografía - 59 -

Curso Scada Automatizacion - Labview

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