Contenido INTRODUCCIÓN .............................................. .................................................................................................... ...................................................... .......................... I PLANTEAMIENTO PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ......................................................................... ......................... II JUSTIFICACIÓN JUSTIFICACIÓN .......................................................................... ..................... ..................................................... ................................................... III OBJETIVO GENERAL ................................................. ..................................................... ................ IV OBJETIVOS ESPECÍFICOS..................................................... .................................................... .......IV CAPÍTULO 1 ................................................... ......................................................................................................... ...................................................... ......................... 6 1.1
PRECEDENTES DE LA INTERFAZ HUMANO-MAQUINA (HMI) ........................................................... 6
1.2
ANTECEDENTES DE SISTEMAS DE SUPERVISIÓN , CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS (SCADA) .............. 7
1.3
ANTECEDENTES DEL CONTROL DISTRIBUIDO .............................................. ................................................................................ .................................. 8
1.4
PRECEDENTES DEL CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE (PLC) .................................................. 12
1.5
PROYECTOS SIMILARES....................................................... ................................................. 16
1.5.1 SISTEMA SCADA PARA UNA RED DE AGUA POTABLE ........................................................................... 16 1.5.2 METODOLOGÍA PARA IMPLEMENTAR SISTEMAS SCADA CON RSVIEW. .................................................. 17 1.5.3 IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA, EN UNA EMPRESA DE AUTOPARTES, PARA TRABAJAR EN UN ENFOQUE JUSTO A TIEMPO. DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD PROPORCIONAL SCADA PARA UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA "CD". .......................................................................................................... 17 1.5.4 DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE VELOCIDAD PROPORCIONAL SCADA PARA UN MOTOR DE CORRIENTE DIRECTA "CD”. ........................................................................................................................................... 18 1.5.5 DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE PANTALLAS EN UN SISTEMA SCADA PARA MONITOREO EN PROCESO DE SERVICIOS GENERALES EN PLANTA FARMACÉUTICA........................................................................................... 18 CAPÍTULO 2 ................................................... ......................................................................................................... ...................................................... ....................... 20
2.1 PROCESO INDUSTRIAL .............................................. ................................................................................................... ..................................................... ............... 20 2.1.1 TIPOS DE PROCESO : ............................................................................................................................ 20 2.1.1.1 Continuos ................................................................................................................................... 20 2.1.1.2 Discretos ..................................................................................................................................... 20 2.1.1.3 Bach ............................................................................................................................................ 20 2.1.2 PROCESOS INDUSTRIALES DE MAYOR APLICACIÓN ................................................................................... 21 2.1.2.1 Plantas de proceso Nivel y flujo ................................................................................................. 22 2.1.2.2 Planta de proceso de pH ............................................................................................................ 23 2.2 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMABLE .................................................. ........................................................................................... ......................................... 25 2.2.1 TIPOS DE PLC ................................................................................................................................. 26 2.2.1.1
PLC tipo Nano .................................. ................. .................................. ................................... ................................... .................................. ................................... .................... 26
2.2.1.2
PLC tipo Compacto .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... ........................... .......... 27
2.2.1.3
PLC tipo Modular .................................. ................. ................................... ................................... ................................... ................................... .............................. ............. 28
2.2.2
SIEMENS ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .............................. ............ 28
2.2.2.1
S7-300 ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .............................. ............ 29
2.2.2.2
STEP 7 .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... .............................. ............ 30
2.3
INTERFAZ HUMANO-MÁQUINA .................................................... ......................................... 32
2.3.1 TIPOS DE HMI: .............................................................................................................................. 33 2.3.2 SOFTWARES PARA HMI ................................................................................................................... 33 2.3.2.1
LabVIEW ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................... ......... 34
2.4
COMUNICACIÓN INDUSTRIAL ............................................................................................ .... 34
2.4.1 ACTUADOR SENSOR INTERFACE ......................................................................................................... 35 2.4.2 PROFIBUS ......................................................................................................................................... 35 2.4.3 PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN ABIERTO ............................................................................................. 36 2.5 SISTEMAS DE SUPERVISIÓN , CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS (SCADA) ............................................. ....................................... ...... 37 2.5.1 SISTEMAS DE CONTROL ....................................................................................................................... 39 2.5.1.1 Sistemas de Control de Lazo Abierto ......................................................................................... 39 2.5.1.2
Sistemas Sistema s de Control de Lazo Cerrado .................................. ................. ................................... ................................... ................................. ................ 39
2.5.2 SISTEMAS SCADA (SUPERVISIÓN, CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS ) ................................................... 40 2.5.2.2
Objetivos Objetivo s de un sistema SCADA ................................... ................. ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 41
2.5.2.3
Prestaciones Presta ciones del sistema SCADA .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 42
2.5.2.4
Ventajas Ventaja s de los sistemas SCADA .................................. ................ ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 43
2.5.2.5
El Entorno .................................. ................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 43
2.5.2.6
Criterios Criter ios de selección ................................. ................ ................................... ................................... ................................... ................................... ........................ ....... 44
2.5.2.7
Arquitectura Arquit ectura de un sistema SCADA ................................. ............... ................................... .................................. ................................... ...................... .... 45
2.5.2.8
Hardware Hardwa re................................... .................. .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................ ...... 47
2.5.2.9
Software Softwa re ................................. ................ .................................. ................................... ................................... ................................... .................................... ........................... ......... 47
2.5.3 SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO.................................................................................................. 48 CAPÍTULO 3 ................................................................................................................................. 51 3.1 DIAGRAMA A BLOQUES...................................................... .................................................... ...... 51 3.1.1 DIAGRAMA A BLOQUES PARA EL DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMA SCADA PARA GOBIERNO Y MONITOREO DE LAS PLANTAS DE P H Y NIVEL .................................................................................................. 51 3.2 DIAGRAMA DE FLUJO .................................................................................................................. 53 3.2.1 DIAGRAMA DE FLUJO DEL SISTEMA SCADA ............................................................................................ 53 3.3 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO ........................................................................................................... 55 3.3.1 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DEL SISTEMA SCADA .................................................................................... 55 ESQUEMÁTICO DE LA CONEXIÓN DE LO S COMPONENTES DEL SISTEMA SCADA ............................. 56 3.3.2 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO
3.4 DIAGRAMA DE CIRCUITO ELÉCTRICO.............................................. ................................................................................................ .................................................. 57 3.4.1 CIRCUITO AMPLIFICADOR .................................................................................................................... 58 3.4.2 TABLERO DE CONTROL ........................................................................................................................ 60 3.5 CÁLCULOS Y CONFIGURACIONES .................................................... ................................................. 60 3.5.1 CIRCUITO AMPLIFICADOR .................................................................................................................... 60 3.6 PROGRAMACIÓN Y ALGORITMO .................................................... ................................................. 61 3.6.1 SIMATIC STEP 7 ................................................................................................................................. 63 3.6.2 LABVIEW 2013 ................................................................................................................................. 64 CAPÍTULO 4 ................................................................................................................................. 68 4.1 PRUEBA DE LA PLANTA DE P H 38-716 ......................................................................................... .... 68 4.1.1 FUNCIONAMIENTO DEL TABLERO DE P H 38-716 ..................................................................................... 69
4.1.2 OBSERVACIONES DEL TABLERO DE P H RIG PROCESS 38-716 ..................................................................... 70 4.1.3 PLANTA DE P H AUTOMATIZADA CON PLC S7-300 ................................................................................... 72 4.1.4 PROTOCOLO OPC Y HMI EN LA PLANTA DE P H ...................................................................................... 73 4.2 PRUEBA DE LA PLANTA DE PROCESOS DE NIVEL Y FLUJO 38-100 ........................................................... 75 4.2.1 FUNCIONAMIENTO DE LA PLANTA DE NIVEL Y FLUJO PROCESS RIG 38-100 ................................................. 75 4.2.2 OBSERVACIONES DE LA PLANTA DE NIVEL Y FLUJO PROCESS RIG 38-100.................................................... 77 4.2.3 PLANTA DE NIVEL Y FLUJO CONTROLADA CON PLC S7-300....................................................................... 78 4.2.4 PROTOCOLO OPC Y HMI EN LA PLANTA DE NIVEL Y FLUJO ....................................................................... 79 CONCLUSIONES ..................................................................................................................... LXXXII RECOMENDACIONES..................................................................................................... ............... 84 BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................... ....................... 86 CIBEROGRAFÍA ............................................................................................................................ 87 ANEXO I VIABILIDAD Y FACTIBILIDAD .............................................................................. ............. 89 VIABILIDAD .................................................................................................................................... 89 FACTIBILIDAD..................................................... ...................................................... ....................... 89 CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES .................................................................................................................... 89 LISTA DE MATERIALES Y COSTOS .................................................................................................................... 90 ANEXO II NORMATIVIDAD .............................................................................................. ............. 91 ANEXO III HOJAS TÉCNICAS ............................................................................................. ............. 99 ANEXO IV ACRÓNIMOS ...................................................... .................................................... .... 111 ANEXO V GLOSARIO...................................................................................................... ............. 113
Índice de Figuras Capítulo 1…………………………………………………………………………………………………………………………………..13
Fig. 1.1 Marshall McLuhan .................................................................................................................. 6 Fig. 1.2 Depósito de Agua desde una Mina ......................................................................................... 7 Fig. 1.3 Depósito de Agua desde una Min........................................................................................... 8 Fig. 1.4 (1959) RW-300 ........................................................................................................................ 8 Fig. 1.5 (1960) IBM 1800 ..................................................................................................................... 9 Fig. 1.6 (1970) Sistema de 1010 y Sistema FOX1 ............................................................................. 10 Fig. 1.7 (1975) Centium TDC 2000 y DCS .......................................................................................... 10 Fig. 1.8 (1978) Damatic .................................................................................................................... 11 Fig. 1.9 (1980) DCI-4000 .................................................................................................................... 11 Fig. 1.10 Modicon 084 ....................................................................................................................... 13 Fig. 1.11 Simatic S30.......................................................................................................................... 14 Fig. 1.12 Sucos-PS1 ............................................................................................................................ 14 Fig. 1.13 S5 ........................................................................................................................................ 15 Fig. 1.14 Simatic S7............................................................................................................................ 15 Fig. 1.15 Marcas involucradas en la industria de los PLC .................................................................. 16 Capí tulo 2…………………………………………………………………………………………………………………………………..30 Fig. 2.1 Estrategia de control de temperatura y Estrategia de control de flujo................................ 22 Fig. 2.2 Esquema de la planta de control de nivel y flujo ................................................................. 23 Fig. 2.3 Esquema General de un Tablero para el Control de pH ....................................................... 25 Fig. 2.4 PLC tipo nano ....................................................................................................................... 27 Fig. 2.5 PLC tipo compacto ............................................................................................................... 27 Fig. 2.6 PLC tipo modular .................................................................................................................. 28 Fig. 2.7 PLC Siemens S7-300 ............................................................................................................. 30 Fig. 2.8 Software LabVIEW ................................................................................................................ 34 Fig. 2.9 Comunicación Cliente-Servidor OPC .................................................................................... 36 Fig. 2.10 Sistema SCADA ................................................................................................................... 38 Fig. 2.11 Sistema de control a lazo abierto ....................................................................................... 39
Fig. 2.12 Sistema de control Retroalimentado o de lazo cerrado ..................................................... 40 Fig. 2.13 Principio de Redundancia ................................................................................................... 44 Fig. 2.14 Estructura de un sistema de supervisión de mando .......................................................... 46 Fig. 2.15 Estructura básica de un sistema SCADA ............................................................................. 46 Fig. 2.16 Arquitectura básica de Hardware de SCADA ..................................................................... 47 Fig. 2.17 Arquitectura General del software de un SCADA ............................................................... 48 Fig. 2.18 Estructura de un control Distribuido .................................................................................. 49 Capítulo 3…………………………………………………………………………………………………………………………………..68
Fig. 3.1 Sensores de nivel, flujo y pH ................................................................................................. 58 Fig. 3.2 OPAMP No Inversor .............................................................................................................. 61 Capítulo 4…………………………………………………………………………………………………………………………………..86
Fig. 4.1 Feedback Basic Process Rig 38-100 ...................................................................................... 75
Índice de Diagramas Capítulo 3…………………………………………………………………………………………………………………………………..61
Diagrama 3.1 Diagrama a Bloques para el Diseño e Implementación de Sistema SCADA para Gobierno y Monitoreo de las Plantas de pH y Nivel .............................................................................. 52 Diagrama 3.2 Diagrama de Flujo del sistema SCADA ........................................................................ 54 Diagrama 3.3 Diagrama Esquemático de Sistema SCADA ................................................................ 55 Diagrama 3.4 Diagrama esquemático de la conexión de los componentes del sistema SCADA ...... 57 Diagrama 3.5 Circuito Amplificador .................................................................................................. 59
Índice de Impresiones de Pantalla Capítulo 3…………………………………………………………………………………………………………………………………..71
Impresión de Pantalla 3.1 Step 7 Simatic V 5.4 SIEMENS ................................................................. 62 Impresión de Pantalla 3.2 LabView 2013 .......................................................................................... 62 Impresión de Pantalla 3.3 Bastidor de diseño del PLC ...................................................................... 63 Impresión de Pantalla 3.4 Diagramas de Escalera ............................................................................ 64 Impresión de Pantalla 3.5 Ventanas de Panel Frontal ...................................................................... 65
Impresión de Pantalla 3.6 Ventanas de Diagrama a Bloques ........................................................... 66 Capítulo 4…………………………………………………………………………………………………………………………………..84
Impresión de Pantalla 4.1 Representación gráfica de la Planta de pH ............................................. 74 Impresión de Pantalla 4.2 Representación gráfica de la Planta de Nivel y Flujo .............................. 80
Índice de Fotografías Capítulo 3…………………………………………………………………………………………………………………………………..68
Fotografía 3.1 Circuito Amplificador de Voltaje ................................................................................ 59 Fotografía 3.2 Tablero de Control ..................................................................................................... 60 Capítulo 4…………………………………………………………………………………………………………………………………..78
Fotografía 4.1 Feedback pH Process Rig 38-716 ............................................................................... 68 Fotografía 4.2 Bombas del tablero pH Process Rig 38-716 ............................................................... 69 Fotografía 4.3 Residuos de sales en el tablero Feedback pH Process rig 38-716 ............................. 70 Fotografía 4.4 bomba del tablero Feedback pH Process rig 38-716 ................................................. 71 Fotografía 4.5 Planta de pH (parte central e izquierda) ................................................................... 71 Fotografía 4.6 Pruebas del funcionamiento del medidor de pH....................................................... 72 Fotografía 4.7 Sensor de pH con acoplador ...................................................................................... 72 Fotografía 4.8 Planta de pH automatizada con PLC .......................................................................... 73 Fotografía 4.9 Planta de pH con HMI ................................................................................................ 74 Fotografía 4.10 Funcionamiento Basic Process Rig 38-100 .............................................................. 76 Fotografía 4.11 Servoválvula y Compuerta ....................................................................................... 77 Fotografía 4.12 Reparación de la Servovalvula ................................................................................. 77 Fotografía 4.13 Montaje de los engranes ......................................................................................... 78 Fotografía 4.14 Planta de Nivel y Flujo controlada con PLC ............................................................. 79 Fotografía 4.15 Planta de Nivel y Flujo con HMI ............................................................................... 80
Introducción En el sector industrial los avances en control y automatización de los procesos han sido vitales para su mejor funcionamiento, un claro ejemplo de esto es la supervisión, control y adquisición de datos de manera remota de las variables involucradas, mejor conocido como sistema SCADA. Los sistemas SCADA son actualmente los más utilizados a nivel industrial para controlar las diversas variables existentes en un proceso. En el presente trabajo se describe el desarrollo del proyecto “Diseño e Implementación de un Sistema SCADA para Gobierno y Monitoreo de las Plantas de Nivel y pH” que apoyan el aprendizaje práctico para los estudiantes en el laboratorio de la Especialidad de Control en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacán. En el presente escrito se mencionan los antecedentes más relevantes para el desarrollo de este proyecto, su invención y desarrollo a través del tiempo. Así como los proyectos similares al sistema SCADA realizado a nivel educativo. De igual manera se describe cada parte fundamental del sistema y sus especificaciones. Siguiendo con este orden, se describe de diversas formas el funcionamiento del sistema SCADA, como por ejemplo; diagrama a bloques que describe el proceso realizado y el diagrama de flujo que explica la lógica del programa. También se muestra un diagrama esquemático de la forma física de la cual está compuesto el sistema, así como los sistemas electrónicos aplicados y los cálculos requeridos. Por último se explican las pruebas realizadas para comprobar el correcto funcionamiento del sistema, iniciando con cada elemento, hasta la prueba del funcionamiento general.
I
Planteamiento del Problema
Tras una investigación realizada en las instalaciones de Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Culhuacán del Instituto Politécnico Nacional, se observó que dentro de los laboratorios de Instrumentación Industrial y Controladores Lógicos Programables existen distintos tipos de plantas de proceso cómo lo son: nivel de fluidos, presión, temperatura y pH, que sirven para realizar prácticas de la especialidad de Control. A pesar de tener estos sistemas, no todos cuentan con los elementos necesarios para su funcionamiento, además de que no se cuenta con una herramienta que ayude al estudio del comportamiento de las distintas variables involucradas. Otra deficiencia de este laboratorio es que las plantas de procesos son sistemas que se analizan de forma independiente, por lo tanto los alumnos demoran en la obtención de datos de cada una de las plantas, esto genera retraso en la elaboración de las prácticas. Además se cuenta con un Controlador Lógico Programable (PLC) marca SIMENS modelo S7-300 el cual está en condiciones de abandono ya que carece de la microtarjeta de programación.
II
Justificación En la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Culhuacán del Instituto Politécnico Nacional existen distintos laboratorios de la carrera de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, entre ellos se encuentran los de la especialidad de Control, uno de estos se enfoca en Instrumentación Industrial y Controlador es Lógicos Programables en el cual se presenta la necesidad de desarrollar un sistema SCADA que contribuya al estudio y análisis de las plantas de proceso de nivel y pH de fluidos, es por eso que en el desarrollo de este proyecto se realizará un sistema de gobierno y monitoreo que sirva como material didáctico dentro de las instalaciones de esta unidad académica. El desarrollo del sistema SCADA ayudará tanto a los alumnos como a profesores, a un mejor desarrollo y análisis de las prácticas programadas en el curso; además, en este proyecto se abarca gran parte del temario de la especialidad de control. A nivel industrial se manejan un sin número de variables dentro de sus procesos, debido a esta problemática se requiere de un monitoreo y control constante sobre las plantas de procesos industriales, es por eso que es necesario desarrollar un interfaz capaz de obtener datos para el manejo apropiado de las distintas variables que intervienen en las plantas de procesos; para un ingeniero es necesario conocer las distintas formas de obtención de datos para un desarrollo profesional óptimo. Un método de obtención de este tipo de datos es un sistema SCADA, por esta razón es imprescindible para los alumnos aprender y comprender el funcionamiento de este tipo de sistemas, para así obtener una preparación óptima para su desarrollo profesional (véase anexo I).
III
Objetivo General Diseñar e implementar un sistema SCADA para gobierno y monitoreo de las plantas de proceso de nivel de agua y pH en el laboratorio de control de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacán, para el uso didáctico.
Objetivos específicos
Diseñar un sistema SCADA para el control y monitoreo de dos plantas de procesos cuyas variables son nivel y pH, utilizando el PLC S7-300 SIEMENS.
Monitorear los datos de las variables de los tableros de procesos mediante una interfaz gráfica diseñada en el software LabView.
Establecer comunicación entre los sistemas de gobierno y monitoreo mediante el protocolo OPC.
Implementar el sistema desarrollado en el laboratorio de control de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacán.
IV
Capítulo 1 Estado del Arte
V
Capítulo 1 Estado del Arte En este capítulo se hablará sobre la historia, antecedentes y actualidad de los sistemas de control distribuido, así como, sistemas de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA), Interfaz Humano-Máquina (HMI) y los Controladores Lógico Programable (PLC).
1.1 Precedentes de la Interfaz Humano-Maquina (HMI) Antes de definir lo que es un interfaz interfaz humano-máquina (HMI), se debe mencionar a Marshall McLuhan (figura 1.1), este hombre fue quien dio origen a este concepto y logro reestructurar varios términos que posteriormente originó que los investigadores se basarán en su trabajo para desarrollar el concepto de HMI.
Fig. 1.1 Marshall McLuhan
A lo largo del tiempo tiempo se han hecho distintas definiciones de lo lo que es un HMI, HMI, entre ellas se encuentran la definición hecha por Booth (1989) quien dice que un HMI “Es el intercambio de símbolos entre dos o más partes asignando a los participantes en el proceso comunicativo los significados de estos símbolos”. También se encuentra la definición de Johnson (1992), el cual indica que “la interacción hombre-máquina es el estudio de la interacción entre la gente, los 6
ordenadores y las tareas”. Además tareas”. Además Lewis y Reina definen el HMI como “todos “todos aquellos canales por los cuales se permite la comunicación entre el hombre y la má quina”. Después de conocer algunas definiciones de HMI, podemos hacer referencia a uno de estos sistemas, como es la telemetría, en la cual la presentación de los datos era de forma intangible, pues el control y monitoreo de las variables involucradas es a distancia, un ejemplo de este tipo de sistemas es el llenado de un depósito de agua desde una mina (figura 1.2); donde los sensores se encargan de vigilar el nivel de agua del depósito de lámina, informando a la bomba cuando debe activarse o desactivarse según el nivel de agua que haya para bombear.
Fig. 1.2 Depósito de Agua desde una Mina
1.2 Antecedentes de Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) Para hablar de los antecedentes históricos de un sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) no se puede dejar de lado a los “Sistemas de Control Distribuido” (DCS) ya que los sistemas SCADA modernos fueron cr eados cr eados a partir de estos. Los primeros SCADA eran sistemas de telemetría que proporcionaban reportes periódicos de las condiciones de campo vigilando las señales que representaban medidas y/o condiciones de estado en ubicaciones de campo remotas. Y fueron 7
altamente modificados con programas de aplicación específicos para atender a requisitos de algún proyecto particular, ejemplo de esto es el control en un depó sito de agua desde una mina (figura 1.3).
Fig. 1.3 Depósito de Agua desde una Mina
1.3 Antecedentes del Control distribuido El primer sistema informático de control industrial, construido en el 1959 Texaco Port Arthur, Texas, con una refinería RW-300 de la Empre sa Ramo-Wooldridge (figura 1.4)
Fig. 1.4 (1959) RW-300
8
Los primeros miniordenadores fueron utilizados en el control de procesos industriales desde el comienzo de la década de 1960. La IMB 1800 (figura 1.5), por ejemplo, fue una de las primeras computadoras que había de entrada/salida de hardware para recoger señales de proceso en una planta de conversión de los niveles de contacto sobre el terreno y las señales analógicas al dominio digital.
Fig. 1.5 (1960) IBM 1800
A principios del decenio de 1970 Taylor Instrument Company, ha desarrollado el sistema de 1010 (figura 1.6), Foxboro sistema FOX1 (figura 1.6) y Bailey controla los sistemas de 1055. Todos estos eran aplicaciones de control digital directo (DDC) utilizadas en minicomputadoras y conectado a la Entrada propietaria/hardware de salida. Así como el control continuo por lotes sofisticado se llevó a cabo de esta manera, un enfoque más conservador se estableció en el control del punto donde los equipos de procesos supervisados son grupos de controladores de procesos analógicos. La disponibilidad de una interfaz gráfica de usuario completamente funcional era una forma de distancia.
9
Fig. 1.6 (1970) Sistema de 1010 y Sistema FOX1
Los DCS fueron introducidos en 1975. Tanto por Honeywell y la firma de ingeniería eléctrica japonesa Yokogawa que introdujo sus propios DCSs de producción independiente paralelamente, con los sistemas de Centum TDC 2000 (figura 1.7), respectivamente. Basada en Bristol EE.UU. también presentó su controlador universal de 3000 UCS en 1975.
Fig. 1.7 (1975) Centium TDC 2000 y DCS
10
En 1978, Metso introdujo su propio sistema de DCS se llama Damatic (figura 1.8).
Fig. 1.8 (1978) Damatic
En 1980, Bailey introdujo el sistema RED 90. También en 1980, Fischer y Porter Company introdujo DCI-4000 (figura 1.9).
Fig. 1.9 (1980) DCI-4000
Algo fundamental para el modelo DCS, fue la inclusión de bloques de funciones de control. Los bloques de función evolucionaron a partir de los primeros conceptos de control digital directo más primitivos de "Table Driven"; software orientado a objetos 11
donde los bloques de función eran "bloques" independientes de código que las tareas de control de hardware emulaban componentes analógicos así como actividades que eran esenciales para el control de procesos, tales como la ejecución de los algoritmos PID. En la actualidad los bloques de función continúa siendo el método predominante de control para los proveedores de DCS, y se apoyan en tecnologías clave como la Foundation Fieldbus. Sistemas Midac, de Sydney, Australia, desarrolló un sistema de control digital directo distribuido orientado en 1982. El sistema central corrió 11 microprocesadores que comparten las tareas y la memoria común, así como conectada a una red de comunicación serie de controladores distribuidos, cada ejecución de dos Z80’s. El sistema fue instalado en la Universidad de Melbourne. La comunicación digital entre los controladores distribuidos, estaciones de trabajo y otros elementos de computación fue una de las principales ventajas de los DCS. La atención se centró debidamente en las redes, que proporcionan las líneas de suma importancia de la comunicación que, para aplicaciones de proceso, tuvieron que incorporar funciones específicas, tales como el determinismo y la redundancia. Como resultado, muchos proveedores adoptaron el estándar de red IEEE 802.4 (véas e anexo II). Esta decisión sentó las bases para la ola de migraciones de tecnología de la información necesaria cuando se mudó a la automatización de procesos y IEEE 802 .3 IEEE 802.4 más que prevaleció como la LAN de control.
1.4 Precedentes del Controlador Lógico Programable (PLC)
La automatización industrial ha evolucionado a la par con el desarrollo de los sistemas mecánicos, eléctricos, electrónicos y de informática. En sus inicios, para automatizar un proceso se utilizaban palancas mecánicas, montaje de levas, engranajes, relevadores, pequeños motores, etcétera.
12
Posteriormente con el desarrollo de la electrónica, ya se utilizaban transistores y señales eléctricas de bajo voltaje. Luego con la aparición de los circuitos integrados y en especial del microprocesador, los automatismos revolucionaron la industria de una forma sorprendente, ya que efectuaban el proceso de muchas señales simultáneas y entregaban una respuesta muy rápida para ese entonces. Las computadoras también empezaron a formar parte en el control automático de procesos industriales, pero debido a que su sistema de entradas y salidas era limitado para estas labores, surgieron controladores especializados y programables con las herramientas necesarias para controlar líneas de producción completas. Así́ entonces, es que aparece el P. L. C. o Autómata, un dispositivo progra mable que puede ajustarse a las necesidades de determinado proceso que se quiera automatizar, brindando economía, robustez, confiabilidad y flexibilidad en los diseños para los cuales es elegido. Primer PLC Creado en 1968 por Dick Morley, con el Nombre de Modicon 084 (figura 1.10), Controlador Digital Modular, en E.U.A. Para General Motors.
Fig. 1.10 Modicon 084
13
Después en 1973 en Alemania se creó Simatic S30 (figura 1.11) por Siemens.
Fig. 1.11 Simatic S30
También en Alemania en el año de 1976, Klockner Moeller crea el Sucos-PS1 (figura 1.12).
Fig. 1.12 Sucos-PS1
14
En 1979 se crea el Simatic S5 (figura 1.13) de Siemens sucesor del S3.
Fig. 1.13 S5
Para 1995 es creado el Simatic S7 (figura 1.14) de SIEMENS sucesor del S5
Fig. 1.14 Simatic S7
15
El extraordinario éxito del PLC ha sido su evolución y su creciente aplicación, desde la propia automatización o la regulación de magnitudes físicas, hasta la seguridad de las personas o del medio ambiente. Su sencillez, versatilidad y amplia divulgación le han dado un carácter universal, pues es difícil encontrar la fábrica o la infraestructura que no utilice algún PLC, por esto cada vez más empresas se especializan en estos autómatas (figura 1.15).
Los PLC’s siguen actualmente dedicados específicamente al control de procesos, pero vienen dotados de sistemas de comunicaciones que los acoplan de una manera óptima a las redes de computadoras, permitiendo así́ las funciones de Producción Integrada por Computadora.
Fig. 1.15 Marcas involucradas en la industria de los PLC
1.5 Proyectos Similares 1.5.1 Sistema SCADA Para Una Red De Agua Potable Autor: Caballero Guadarrama y Eduardo Enrique Escuela: Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Digital del IPN. Fecha: 20-oct-2008
16
Nivel: Posgrado Objetivo General
Desarrollar un sistema SCADA para el monitoreo y control de sistema de distribución de agua y aplicarlo en primera instancia, a la red de agua potable de la ciudad de Tijuana, Baja California, México.
1.5.2 Metodología para Implementar Sistemas SCADA con RSVIEW. Autor: Marcial Santiago, Cástulo; Marcial Santiago, Vicente Escuela: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME). Fecha: 16-dic-2009 Nivel: Superior. Objetivo General:
Establecer la metodología la cual permita al usuario (HMI: Human Machine Interface, Interfaz Humano-Maquina) realizar cualquier aplicación mediante el uso de variables, analógicas y digitales, que puedan realizar un sistema SCADA (adquisición de datos, control de supervisión), capaz de realizar la monitorización y control de procesos mediante la interfaz gráfica de control RSVIEW de Alien.
1.5.3 Implementación De Un Sistema SCADA, En Una Empresa De Autopartes, Para Trabajar En Un Enfoque Justo A Tiempo. Diseño De Un Sistema De Control De Velocidad Proporcional SCADA Para Un Motor De Corriente Directa "Cd". Autor: Sanjuan Gijon, Juan C. Escuela: Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y Administrativas (UPIICSA). Fecha: 11-mar-2010 Nivel: Superior Objetivo General:
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Implementar un sistema SCADA a los procesos de producción para que se puedan trabajar de manera integrada y flexible en un sistema JIT.
1.5.4 Diseño de un Sistema de Control de Velocidad Proporcional SCADA para un Motor de Corriente Directa "Cd . ”
Autor: Montiel Chable, Marcos Escuela: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) Unidad Azcapotzalco. Fecha: 15-jun-2012 Nivel: Superior Objetivo General:
Desarrollar e implementar un sistema SCADA para un motor de corriente directa “CD” que funcione de manera eficiente y eficaz, por medio de ALLEN-BRADLEY, y ofrecerlo como guía para la enseñanza, y aprendizaje de automatización.
1.5.5 Desarrollo e Implementación de Pantallas en un Sistema SCADA para Monitoreo en Proceso de Servicios Generales en Planta Farmacéutica. Autor(es): Ramírez Contreras, Julio Cesar; Navarro Soto, Ricardo; Mendoza Arriaga, Adrián. Escuela: Escuela: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) Unidad Profesional Adolfo López Mateos Fecha: 19-sep-2014 Nivel: Superior Objetivo General:
Desarrollar un SCADA para manipular los procesos de servicios generales de una empresa farmacéutica, para producción de hemoderivados.
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Capítulo 2 Marco Teórico
XIX
Capítulo 2 Marco Teórico En este capítulo se abordaran temas clave relacionados con el proyecto “Diseño e Implementación de Sistema SCADA para Gobierno y Monitoreo de las Plantas de pH y Nivel”. Se habla de los elementos que lo conforman las plantas de procesos de nivel y de pH, se dará una descripción del funcionamiento y su interrelación entre ellas. Así mismo se menciona como es y de qué manera funciona el sistema SCADA (Sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos) que se emplea y el HMI (Interfaz Humano-Máquina).
2.1 Proceso Industrial Un proceso industrial se define como el conjunto de actividades enlazadas entre sí que, partiendo de una o más entradas las transforma en salidas. Es un conjunto de actividades enlazadas lógicamente que toman un insumo y le agregan valor con sentido específico para un cliente o grupo de interés, generando así un resultado o servicio.
2.1.1 Tipos de Proceso: 2.1.1.1 Continuos En un proceso continuo los productos se fabrican transfiriendo el material entre los diferentes equipos especializados en la realización de una tarea determinada del proceso. Cada uno de estos equipos opera en un sólo estado estable.
2.1.1.2 Discretos En un proceso discreto, una cantidad específica de producto es movida como una unidad (grupo de partes) entre estaciones y cada parte mantiene su única identidad. La salida de un proceso discreto aparece una por una o en cantidades de partes.
2.1.1.3 Bach Los procesos tipo Bach no son continuos ni discretos, estos tienen características tanto de procesos continuos como discretos, los procesos Bach pueden llegar a 20
confundirse con los procesos discretos sin embargo, la salida aparece en lotes o en cantidades de material. Un proceso Bach es un proceso que induce la producción de cantidades finitas de material, sometiendo a las cantidades de material de entrada a un conjunto ordenado de actividades de procesamiento sobre un periodo finito de tiempo usado una o más piezas de equipo.
2.1.2 Procesos Industriales de Mayor Aplicación En la actualidad la automatización de los procesos industriales ha traído como consecuencia el desarrollo de sistemas de control especializados utilizados en el control de procesos de plantas industriales. Las principales aplicaciones del control a nivel industrial son:
Plantas de Fabricación Industrial de la Energía Eléctrica
Industria de las Telecomunicaciones de los Hidrocarburos
Industrias Químicas y Petroquímicas
Industria Metalúrgica y Siderúrgica de Transporte Sector Agroindustrial
Industria de Procesamiento de Alimentos Sector Servicios Públicos y Privados Industria Automotriz.
Entre otros. Dentro de estas industrias existen distintos procesos que deben ser controlados, entre ellos se encuentra el control de flujo, el contro l de nivel, el control de temperatura etc. A continuación se ilustran estas plantas que ayudan al control de las distintas variables dentro de estos procesos, figura 2.1.
21
Fig. 2.1 Estrategia de control de temperatura y Estrategia de control de flujo
2.1.2.1 Plantas de proceso Nivel y flujo El manejo de las variables de nivel y flujo, comprende la utilización de señales análogas, en cada señal del proceso, tanto de actuadores, sensores como controladores. El control de nivel, trabaja midiendo directamente la altura del líquido sobre una línea de referencia en este caso opera según el desplazamiento por un flotador producido por el propio líquido. El instrumento de flotador consiste en un flotador situado en el seno del líquido y conectado al exterior del tanque indicando directamente el nivel. Para el control de flujo se parte de la toma de una medida de la variable indirectamente, este se realiza midiendo la resistencia formada por dos electrodos posicionados en forma perpendicular a la sección transversal del ducto de salida del líquido. La planta (figura 2.2) consta básicamente de un tanque alimentador que será el encargado de suministrar el líquido a un segundo tanque, en el cual se hará el control de nivel del líquido, dependiendo del set point del sistema. El abastecimiento del líquido al tanque secundario se realiza por medio de una electrobomba y el suministro de flujo constante se establece mediante el posicionamiento de una llave ubicada como salida del tanque secundario. Para esta aplicación, la alimentación del tanque primario es por método manual. 22
Fig. 2.2 Esquema de la planta de control de nivel y flujo
En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en plantas pilotos la medición del flujo de los líquidos y gases es muy importante porque de esto depende la regulación de los diferentes volúmenes a trabajar, que no solo implica el correcto funcionamiento de los procesos, sino el correcto uso de los recursos que se tengan. Existen varios métodos clasificados principalmente en dos categorías, medidores volumétricos y medidores de masa. Los volumétricos se terminan el flujo en volumen del fluido bien sea directamente (desplazamiento) o indirectamente por deducción (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida, torbellino). Los medidores de masa efectúan su medida a partir de una referencia volumétrica compensándola para las variaciones de densidad del flujo o bien, determinar el caudal-masa aprovechando las características medibles de esta. Los sensores de flujo son muy usados a nivel industrial para todo tipo de aplicaciones, generalmente para plantas de tratamiento de aguas residuales se usan de tipo electromagnético y de rueda de paletas, siendo más económico el segundo. Estos sensores basan su principio en la medición de la velocidad del flujo, por lo tanto se requiere que exista un flujo totalmente turbulento para medidas exactas y precisas.
2.1.2.2 Planta de proceso de pH El pH o Potencial de Hidrógeno es una forma convencional y conveniente de expresar según una escala numérica el grado de acidez o basicidad y se define como 23
una medida de la actividad de los iones hidrógeno en una solución electrolítica. El pH de una solución puede medirse de distintas maneras y co n distintos instrumentos como papel indicador o tornasol, uso de sustancias químicas (naranja de metileno y fenolftaleína), pH-metro. En la mayoría de los procesos industriales el control de los niveles de pH (figura 2.3) que presentan los productos o soluciones elaborados, e s un factor importante. Su medición se emplea normalmente como indicador de calidad. La medición del pH es importante en la medicina, la biología, la química, la agricultura, la silvicultura, la ciencia de los alimentos, las ciencias ambientales, la oceanografía, la ingeniería civil, la ingeniería química, la nutrición, el tratamiento y purificación de agua, y muchas otras aplicaciones. Para dar una referencia del uso del control de pH en la industria, se mencionan algunas de las ramas de la Industria Alimenticia en las que la medición del pH es fundamental en los procesos.
Industria Cervecera: El control de nivel de pH en la producción de la cerveza es muy importante para poder evitar la activación de agentes indeseados, pero sobre todo para obtener el sabor característico de cada cerveza, un valor de pH menor a 4.2 produce acidez y un valor a 4.5 provoca activación de microorganismos.
Industria Azucarera: La importancia en esta industria con la medición del pH es básicamente por la contaminación de agentes y se realiza durante todo el proceso de fabricación, sobre todo la clarificación donde se elimina la mayor cantidad de impurezas que posee el jugo de caña. Dentro de este proceso existen subprocesos donde también se deben vigilar los niveles de pH.
24
Fig. 2.3 Esquema General de un Tablero para el C ontrol de pH
2.2 Controlador Lógico Programable Se entiende por Controlador Lógico Programable (PLC), toda máquina electrónica, diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial mediante secuencias lógicas de control automático, basado en técnicas digitales con microprocesador o microcomputador, inicialmente solo con entradas y salidas binarias. Otra definición de PLC es un microprocesador para uso en control general que emplea memoria programable para almacenar instrucciones e implementar funciones lógicas, de secuencia de temporización de conteo y aritméticas. El PLC se programa de modo que el programa de control puede ingresar mediante un lenguaje sencillo. En general los Autómatas programables, también llamados Controladores Lógicos Programables (PLC), son dispositivos electrónicos de procesamiento que poseen entradas y salidas de diferentes tipos de señal. Su funcionamiento depende de un programa que se le ha introducido previamente, con el cual se ejecuta cierta secuencia en forma completamente automática. El programa se elabora a partir de unas reglas o condiciones que dependen del proceso en s ́ a automatizar y del tipo de señales que deben manejar.
25
Para la Programación de los PLC’s, se tienen varias opciones, dependiendo del tipo de PLC y especialmente del proceso a automatizar. Por ejemplo, se puede programar en forma de símbolos o lenguaje de esquema de contactos (diagramas tipo escalera), lista de instrucciones o en diagrama funciones, en órdenes o sentencias que se ejecutan en forma secuencial y hasta en lenguajes de alto nivel. La función del PLC depende de la programación que le sea introducida previamente a su aplicación, con lo cual se ejecutará dicho programa en forma completamente automática. El programa se puede elaborar de distintas formas dependiendo el tipo de PLC, el proceso a automatizar y por consiguiente las variables a manejar en dicho proceso. En la actualidad, un método empleado para la construcción de sistemas lógicos industriales que se ha vuelto popular, consiste en la toma de decisiones del sistema que se lleva a cabo por instrucciones codificadas las cuales se almacenan en un chip de memoria y se ejecutan en un microprocesador. Ahora, si el sistema de control necesita modificarse, sólo es necesario cambiar las instrucciones codificadas. Tales cambios se denominan cambios de software, y son implementados rápida y fácilmente sólo con pulsar las teclas del teclado. Este nuevo método se denomina en algunas ocasiones automatización flexible, para distinguirla de la automatización dedicada.
2.2.1 Tipos de PLC La gran variedad de tipos de PLC, tanto en sus funciones, en su capacidad, en el número de entradas y salidas, en su tamaño de memoria, en su aspecto físico, entre otros, es que es posible clasificar los distintos tipos en tres grandes categorías.
2.2.1.1
PLC tipo Nano
Generalmente el PLC de tipo compacto, que consta de Fuente, CPU e I/O (entradas y salidas) integradas que puede manejar un conjunto reducido de I/O, normalmente en un número inferior a 100. Permiten manejar I/O digitales y algunos módulos especiales (Figura 2.4). 26
Fig. 2.4 PLC tipo nano
2.2.1.2
PLC tipo Compacto
Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y módulos de I/O (entradas y salidas) en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos (alrededor de 500 I/O), su tamaño es superior a los Nano PLC y soportan una gran variedad de módulos especiales (figura 2.5), tales como:
Entradas y salidas análogas
Módulos contadores rápidos
Módulos de comunicaciones
Interfaces de operador
Expansiones de I/O
Fig. 2.5 PLC tipo compacto
27
2.2.1.3
PLC tipo Modular
Estos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el cont rolador final (figura 2.6), estos son: Rack
Fuente de Alimentación
CPU
Módulos de I/O
Comunicaciones
Fig. 2.6 PLC tipo modular
Funciones especiales De estos tipos existen desde los denominados MicroPLC que soportan gran cantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar miles de I/O.
2.2.2 SIEMENS Siemens AG es una empresa multinacional de origen alemán y dedicada a las telecomunicaciones, el transporte, la iluminación, a través de Osram, a la medicina, al financiamiento, Equipos Eléctricos, Motores, Automatización, Instrumentación
28
Industrial
y
a
la
energía,
entre
otras
áreas
de
la
ingeniería.
Es el principal productor de PLC’s.
2.2.2.1
S7-300
El autómata programable S7-300 es uno de los dispositivos más utilizados del mercado, contando con aplicaciones en multitud de sectores:
Tecnología de fabricación
Industria del automóvil
Maquinaria
Construcción en serie de máquina
Transformación de plásticos
Industria de embalajes
Industria de alimentación y bebidas
Industria de procesos
Algunas aplicaciones y prestaciones que presenta el PLC S7-300 son:
Compacto, montaje sobre perfil soporte.
Amplio abanico de funciones integradas en la CPU.
No precisa mantenimiento de datos gracias a la remanencia de datos en Micro Memory Card.
Variantes de seguridad.
Controlador tecnológico de seguridad.
El aspecto físico del PLC S7-300 (figura 2.7) consta de una carcasa de plástico, en la que se encuentran alojados los componentes electrónicos, estos son:
Microprocesador : es el encargado de dirigir el funcionamiento del PLC. Recibe las órdenes del programa, lo ejecuta y realiza sus funciones.
Memoria: Es el lugar donde reside el programa. El programa irá leyéndose de la memoria instrucción a instrucción a medida que se ejecute. 29
Entradas/Salidas: Conexiones especiales para comunicarse con el exterior, recibir señales externas para procesar o activar salidas en función del proceso del programa.
Fuente de Alimentación: Encargada de suministrar energía a todo el conjunto.
Fig. 2.7 PLC Siemens S7-300
El PLC S7-300 de Siemens es un autómata concebido especialmente para el sector de los sistemas de automatización, con un amplio abanico de aplicaciones en las cadenas de procesos de fabricación y que podemos encontrar tanto en soluciones centralizadas como descentralizadas. Dispone de una amplia variedad de módulos, incluidos los de comunicaciones Ethernet/PROFINET. Cuenta con una versión de elementos conocida como para condiciones ambientales extremas como, por ejemplo, elevado rango de temperatura y utilización en atmosferas agresivas o con condensación (véase anexo III).
2.2.2.2
STEP 7
La programación de un autómata programable o PLC consiste en el establecimiento de una secuencia ordenada de instrucciones que resuelven una determinada tarea de control. Dicha secuencia establece la relación entre las distintas variables lógicas y constituye el programa del autómata programable.
30
STEP7 es un Software de Programación de PLC de Siemens. El sistema de programación STEP7 esta ́ formado por dos tipos de lenguajes de programación diferentes: A. Lenguajes literales Las instrucciones de este tipo de lenguajes están formadas por letras, números y símbolos especiales. Son lenguajes de este tipo:
El lenguaje de lista de instrucciones que en STEP7 se denomina STL (Statement List) o AWL (del alema ́n “Anweisungsliste”) que significan precisamente “Lista de Instrucciones”. Es el lenguaje ensamblador de STEP7.
El lenguaje de texto estructurado, que en STEP7 se denomina SCL (Structured Control Language), es un lenguaje de alto nivel similar al Pascal que cumple la norma IEC 1131-3. Se utiliza para la programación de tareas complejas en las que es necesario realizar un procesamiento de gran cantidad de datos.
B. Lenguajes gráficos Son lenguajes en los que las instrucciones se representan mediante figuras geométricas. Son lenguajes de este tipo:
El lenguaje de esquema de contactos que en STEP7 se denomina LAD (Ladder Diagram) o KOP (del alemán Kontakts Plan).
El lenguaje de diagrama de funciones que en STEP7 se denomina FBD (Function Block Diagram) o FUP (del alemán Funktions Plan).
El Diagrama funcional de secuencias SFC (Sequential Function Chart) que en STEP7 se denomina S7-GRAPH, cuyo principal antecedente es el lenguaje GRAFCET (Grafo de control etapa - transición) desarrollado por la Asociación Francesa para la Cibernética Económica y Técnica (AFCET).
El Diagrama de transición de estados S7-HiGraph y el lenguaje de conexión de bloques CFC (Continuous Function Chart) similar al diagrama de funciones, en el que cada bloque es a su vez un programa.
31
Todos estos lenguajes facilitan la labor de programación del usuario y la elección de uno u otro depende de su experiencia y conocimientos (en Electrónica Digital, Informática, realización de sistemas de control con relés, etc.), de la forma en que se especifica el problema de control a resolver y de la complejidad del mismo.
2.3 Interfaz Humano-Máquina La sigla HMI es la abreviación en inglés de Interfaz Humano Máquina. La interfaz humano-máquina (HMI) es el punto de acción en que un hombre entra en contacto con una máquina. El caso más simple es el de un interruptor: No se trata de un humano ni de una "máquina" (la lámpara), sino una interfaz entre los dos. Para que una interfaz hombre-máquina (HMI) sea útil y significativa para las personas, de be estar adaptada a sus requisitos y capacidades. Por ejemplo, programar un robot para que encienda la luz sería demasiado complicado y un interruptor en el techo no sería práctico para una luz en un sótano. Los sistemas HMI en computadoras se les conocen como software HMI o de monitoreo y control de supervisión. Las señales del proceso son conducidas al HMI por medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida de la computadora, PLC (controladores lógicos programables), RAC (unidades remotas de I/O) o DRIVE (variadores de velocidad de motores), todos estos dispositivos deben tener una comunicación que entienda el HMI. Un HMI ejecuta varias funciones dentro de su marco de operación los cuales se definen como monitoreo, supervisión, alarmas, control y registros históricos.
Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en tiempo real. Estos datos se pueden mostrar como números, texto o gráficos que permitan una lectura más fácil de interpretar.
Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.
Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del proceso y reportarlos. Las alarmas son basadas en límites de control preestablecidos. Es 32
la capacidad de aplicar algunos algoritmos que ajustan los valores del proceso y así mantener estos valores dentro de ciertos límites.
Control va más allá del control de supervisión removiendo la necesidad de la interacción humana. Sin embargo, la aplicación de esta función desde un s oftware corriendo en una PC puede quedar limitada por la confiabilidad que quiera obtenerse del sistema.
Registros Históricos. Es la capacidad de muestrear y almacenar en archivos, datos del proceso a una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es una poderosa herramienta para la optimización y corrección de procesos.
2.3.1 Tipos de HMI: Existen dos tipos de HMI que se acoplan a las diversas aplicaciones que puedan tener. Los tipos de HMI se definen de la siguiente manera.
Terminal de Operador , consistente en un dispositivo, generalmente construido para ser instalado en ambientes agresivos, donde pueden ser solamente de despliegues numéricos, o alfanuméricos o gráficos. Pueden ser además con pantalla sensible al tacto (touch screen).
PC + Software, esto constituye otra alternativa basada en un PC en donde se carga un software apropiado para la aplicación. Como PC se puede utilizar cualquiera según lo exija el proyecto, en donde existen los llamados Industriales (para ambientes agresivos), los de panel (Panel PC) que se instalan en gabinetes dando una apariencia de terminal de operador, y en gener al se ven muchas formas de hacer una PC, pasando por el tradicional PC de escritorio. Respecto a los softwares a instalar en el PC de modo de cumplir la función de HMI que se hablará a continuación.
2.3.2 Softwares para HMI Estos softwares permiten entre otras cosas las siguientes funciones: Interfase gráfica de modo de poder ver el proceso e interactuar con él, registro en tiempo real e histórico de datos, manejo de alarmas. Si bien es cierto sólo con la primera función enunciada es la propiamente HMI, casi todos los proveedores incluyen las otras dos ya sea en el mismo paquete o bien como opcionales. También es normal que 33
dispongan de muchas más herramientas. Al igual que en los terminales de operador, se requiere de una herramienta de diseño o desarrollo, la cual se usa para configurar la aplicación deseada, y luego debe quedar corriendo en el PC un software de ejecución (Run Time). Por otro lado, este software puede comunicarse directamente con los dispositivos externos (proceso) o bien hacerlo a través de un software especializado en la comunicación, lo cual es la tendencia actual.
2.3.2.1
LabVIEW
LabVIEW es una plataforma de programación gráfica que ayuda a ingenieros a escalar desde el diseño hasta pruebas y desde sistemas pequeños hasta grandes sistemas. Ofrece integración sin precedentes con software legado existente, IP y hardware al aprovechar las últimas tecnologías de cómputo. LabVIEW (figura 2.8) ofrece herramientas para resolver los problemas de hoy en día y la capacidad para la futura innovación, más rápido y de manera más eficiente.
Fig. 2.8 Software LabVIEW
2.4 Comunicación Industrial Un sistema de automatizado o de control no tiene por qué ser un sistema aislado. Ni un sistema de automatización o control se compone de un solo autómata. Hoy en día los autómatas requieren comunicarse con otros autómatas y dispositivos, es por ello que es necesario contar con algún sistema de comunicación industrial. Los buses de comunicación se emplean para facilitar el intercambio de información de una manera eficiente con el mínimo cableado posible.
34
Aunque existen varias soluciones, entre las más empleadas actualmente están las siguientes: AS-i
Profibus
OPC
2.4.1 Actuador Sensor Interface El bus AS-i (Actuador Sensor Interface) nació con la idea de eliminar el cableado entre los actuadores y sensores a la vez que proporciona alimentación eléctrica a los dispositivos, todo ello por un mismo sistema de cableado de dos hilos, así, solo se lleva un único cable de dos hilos al cual se conectan todos los dispositivos: sensores, contactores, señalizadores, etc. Sus características principales son:
Es un sistema maestro-esclavo en el cual se realiza un muestreo con un tiempo máximo de 5 milisegundos.
Un maestro controla hasta 32 esclavos.
Es posible la comunicación con módulos analógicos.
La longitud máxima del bus es de 100 m. sin repetidores.
2.4.2 Profibus Es un bus tipo maestro-esclavo de altas prestaciones el cual cuenta con tres versiones:
Profibus-DP (Distributed peripherals).
Profibus-PA (Process Automation).
Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification). Profibus emplea una topología de bus con terminación de impedancia en los
extremos. El cableado puede ser de par trenzado o de fibra óptica.
35
2.4.3 Protocolo de Comunicación Abierto OPC (OLE for Process Control) es un estándar abierto que permite acceder a los datos desde dispositivos de campo. El método de acceso es siempre el mismo, sin depender del tipo y origen de los datos. Se basa en la tecnología COM de Microsoft, que permite definir cualquier elemento de campo mediante sus propiedades, convirtiéndolo en una interfaz. De esta manera es posible conectar fácilmente cualquier elemento de campo con un servidor de datos local (COM) o remoto (DCOM). Los componentes OPC se pueden clasificar en:
Cliente OPC: Aplicación que solo utiliza datos. Cualquier cliente OPC se puede comunicar con cualquier servidor OPC sin importar el tipo de elemento que recoge esos datos (desde el punto de vista de los datos, no importa el fabricante del equipo).
Servidor OPC: Es una aplicación que realiza la recopilación de datos de los diversos elementos de campo y permite el acceso libre a estos elementos. Cada fabricante proporciona un servidor OPC con el driver que hace de interfaz con sus datos específicos. Un mismo cliente OPC puede acceder así a cualquier servidor OPC de cualquier fabricante (figura 2.9).
Fig. 2.9 Comunicación Cliente-Servidor OPC
Esto permite, por ejemplo, acceder a los datos de un PLC, sin impor tar su marca, si disponemos de un servidor OPC para el mismo. Este servidor OPC se puede 36
ejecutar en un PC conectado al PLC por cualquiera de sus puertos de comunicaciones, o incluso en un módulo de comunicaciones del propio PLC (por ejemplo, la red local Ethernet). De este modo, el cliente local o remoto utilizará siempre el mismo estándar de datos (OPC). Un servidor OPC se compone de varios objetos que se ajustan a la norma COM:
El objeto servidor: contiene información sobre la configuración del servidor OPC y sirve de contenedor para los objetos tipo grupo.
El objeto grupo: sirve para organizar los datos que leen y escriben los clientes (por ejemplo, valores en una pantalla MMI o en un informe de producción). Se pueden establecer conexiones por excepción entre los clientes y los elementos de un grupo. Un grupo puede ser público, es decir compartido por varios clientes OPC.
El objeto ítem: representa conexiones a fuentes de datos en el servidor (no son las fuentes de datos en sí). Tiene asociados los atributos Value, Quality y Time Stamp. Los accesos a los ítems OPC se hacen a través de los grupos OPC y los clientes
pueden definir el ritmo al cual el servidor les informara sobre cambios en los datos. El acceso a los objetos COM se hace a través de interfaces, que son lo único que ven los clientes OPC. Los objetos descritos son representaciones lógicas que no tienen por qué coincidir con la implementación que se haga del servidor OPC.
2.5 Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) SCADA es un sistema completo que incluye HMI’s y además es capaz de registrar datos, generar alarmas y administrar un sistema de control distribuido a través de una red de hardware (PLC o PAC). Los sistemas SCADA fueron creados a partir de los “Sistemas de Control Distribuido”, se puede decir que es la versión mejorada de los mismos, a pasar de tener algunas diferencias este tipo de sistemas, no son tan significativas ya que los elementos que utilizan los DCS los pueden utilizar dentro de un SCADA. 37
Hoy en día, los proveedores de SCADA están diseñando sistemas que son pensados para resolver las necesidades de muchas industrias con módulos de software industriales específicos disponibles para proporcionar las capacidades requeridas comúnmente. No es inusual encontrar software SCADA comercialmente disponible adaptado para procesamiento de distintos procesos, como el procesamiento del papel y celulosa, industrias de aceite y gas, hidroeléctricas, gerenciamiento y provisión de agua, control de fluidos, entre otros. Los compradores de estos sistemas a menudo dependen del proveedor para una comprensiva solución a su requisito, y generalmente procurar seleccionar un vendedor que pueda ofrecer una completa solución con un producto estándar que esté apuntado hacia las necesidades específicas del usuario final. El sistema SCADA se compone por diversos elementos, que se pueden categorizar como se muestra en la figura 2.10
Fig. 2.10 Sistema SCADA
a) Múltiples Unidades de Terminal Remota Se conectan el equipo físico. Leen los datos de un interruptor o válvula, o mediciones como temperatura, flujo, presión, etc. Pueden realizar control automatizado. b) Estación Maestra/Computadoras HMI Presenta la información al operador. Incluye monitoreo, control de lazo abierto, generación de alarmas, registro de datos y seguridad. 38
c) Infraestructura de comunicación. Medio físico que conecta a las diferentes terminales remotas y las estaciones en el sistema.
2.5.1 Sistemas de Control 2.5.1.1 Sistemas de Control de Lazo Abierto Los sistemas de control a lazo abierto (figura 2.11) son aquellos en los cuales la salida no tiene efecto sobre la acción de control, es decir, un sistema de lazo abierto no mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada. En cualquier sistema de lazo abierto la señal de salida no se compara con la entrada de referencia, así a cada entrada le corresponde una condición de operación fija, como respuesta a esto, la precisión del sistema depende de la calibración del sistema a controlar. Ante la presencia de perturbaciones, un control a lazo abierto no realiza la tarea deseada.
Fig. 2.11 Sistema de control a la zo abierto
2.5.1.2
Sistemas de Control de Lazo Cerrado
Los sistemas de control a lazo cerrado, también son llamados sistemas de control retroalimentados, son aquellos en los que para conseguir reducir la señal de error y llevar la salida a un valor deseado; como se muestra en la figura 2.12, se alimenta a un controlador la señal de error de actuación, que es la diferencia entre las señales de entrada y la señal de retroalimentación, que puede ser la propia señal de salida y sus derivadas y/o integrales. 39
Fig. 2.12 Sistema de control Retroalimentado o de lazo cerrado
2.5.2 Sistemas SCADA (supervisión, control y adquisición de datos) Un sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) es cualquier software que permita el acceso a datos remotos de un p roceso; Este no se trata de un sistema de control, sino de un software de monitorización o supervisión, que realiza la tarea de interfaz entre los niveles de control (PLC) y los de gestión, a un nivel superior. Para que un sistema SCADA sea aprovechado de la mejor manera se deben plantear los siguientes objetivos:
Funcionalidad completa de manejo y visualización para cualquier sistema operativo.
Arquitectura abierta que permita la combinación con aplicaciones estándar y de usuario, que permitan a los integradores crear soluciones de mando y supervisión optimizadas (Active X para aplicaciones de prestaciones, OPC para las comunicaciones con terceros, OLE-DB para comunicación con base de datos, lenguaje estándar integrado como VB ó C, acceso a funciones y funciones mediante API).
Sencillez de instalación, sin exigencias de hardware elevadas, fáciles de utilizar y con interfaz amigable con el usuario.
Permitir la integración con las herramientas ofimáticas y de producción. 40
Fácilmente configurable y escalable, debe ser capaz de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa.
Ser independiente del sector y la tecnología.
Funciones de mando y supervisión integradas.
Comunicaciones flexibles para poder comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta con el resto de la empresa (redes locales y de gestión).
2.5.2.2
Objetivos de un sistema SCADA
Los sistemas SCADA son una herramienta de supervisión y mando que deben cumplir objetivos, de los cuales podemos destacar los siguientes:
Economía: Es más fácil ver qué ocurre en la instalación desde la oficina que enviar a un operador a realizar la tarea.
Accesibilidad: Sera posible modificar los parámetros de funcionamiento de un sistema, poniendo fuera de servicio las anomalías detectadas en los lugares específicos, y así dar solución al problema.
Mantenimiento: La adquisición de datos materializa la posibilidad de obtener datos de un proceso, almacenarlos y presentarlos de manera intangible para un usuario no especializado.
Ergonomía: Es la ciencia que procura hacer que la relación entre usuario y el proceso sea lo menos tirante posible.
Gestión: todos los datos recopilados pueden ser valorados de múltiples maneras mediante herramientas estadísticas, graficas, etc.
Flexibilidad: cualquier modificación de alguna de las características del sistema de visualización no significa un gasto en tiempo, pues no hay modificaciones físicas.
Conectividad: Se buscan los sistemas abiertos, es decir, sin secretos ni sorpresas para el integrador. Todos los sistemas, de mayor o menor complejidad, orientados a lo anterior,
aparecen bajo el nombre de HMI (Human Machine Interface, Interface Humano 41
Maquina). Desde este interface podemos encontrar planos, fotografías, esquemas eléctricos, gráficos de tendencias etc., bajo un númer o de pantallas con mayor o menor información.
2.5.2.3
Prestaciones del sistema SCADA
Un sistema SCADA con un HMI, comprende una serie de funciones que encaminan a establecer una comunicación entre el proceso y el operador, a continuación se presentan algunas prestaciones que nos brinda un SCADA.
La monitorización: Representación de datos en tiempo real a los operadores de la planta
La supervisión: Supervisión, mando y adquisición de datos de un proceso y herramientas de gestión para la toma de decisiones.
La adquisición de datos de los procesos observados: Obtener valores y evaluarlos posteriormente.
La visualización de los estados de las señales del sistema (Alarmas y eventos): Reconocimiento de eventos excepcionales acaecidas en la planta y su inmediata puesta en conocimiento a los operadores para efectuar las acciones pertinentes.
El Mando: Posibilidad de que los operadores puedan cambiar consignas u otros datos claves del proceso directamente desde el ordenador.
Grabación de acciones o recetas. En algunos procesos se utilizan combinaciones de variables que son siempre las mismas. Un sistema de recetas permite configurar toda la planta de producción ejecutando un solo comando.
Garantizar la seguridad de los datos. Él envió y la repartición de datos debe estar protegidas de influencias no deseadas, intencionadas o no (fallos en la programación, intrusos etc.).
Garantizar la seguridad en los accesos. Restringiendo zonas del programa comprendidas a usuarios no autorizados, registrando todos los accesos y acciones llevadas a cabo por cualquier operador. 42
Posibilidad de la programación numérica. Permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador.
2.5.2.4
Ventajas de los sistemas SCADA
Las ventajas de usar un sistema SCADA para el control y monitores de procesos son muchas entre ellas están las siguientes:
El actual nivel de desarrollo de los paquetes de visualización permite la creación de aplicaciones funcionales sin la necesidad de ser un experto en la materia.
Un sistema PLC está concebido para trabajar en condiciones adversas, proporcionando robustez y fiabilidad al sistema que controla.
Gracias a las herramientas de diagnóstico, se consigue una localización más rápida de errores. Esto permite minimizar los periodos de paro de instalaciones y repercute en la reducción de costos de mantenimiento.
Los sistemas de diagnóstico implementados en los elementos de control informan continuamente de cualquier incidencia en los equipos.
Los protocolos de seguridad permiten una gestión segura y eficiente de los datos limitados en el acceso a personas no autorizadas.
Posibilidad de mantenimiento por parte de suministradores locales de servicios.
Distribución de recursos y control sobre la red permite una mejor coordinación entre las estaciones remotas en caso de fallos en una de ellas.
Mediante las redes de comunicaciones, el sistema SCADA se integra en la red corporativa, permite la integración entre los niveles de campo y gestión y completa así la estructura CMI (Computer Integrated Manufacturing). Estas solo son algunas de las ventajas de usar un sistema SCADA ya que existen
un gran número de ellas.
2.5.2.5
El Entorno
La automatización de sistemas, desde el estado inicial de aislamiento productivo, ha pasado a formar parte del ámbito corporativo y se engloba dentro del paquete empresarial con la finalidad de optimizar la productividad y mejorar la calidad. 43
La figura 2.13 representa los flujos de información dentro de una empresa y representa como se realiza la integración a todos los niveles, similar a la pirámide de la automatización CIM (Computer Integrated Manufacturing).
Fig. 2.13 Principio de Redundancia
2.5.2.6
Criterios de selección
Los sistemas de control, cualquiera que sea este, es útil evidentemente mientras este sea funcional, en caso contrario puede traer problemas de forma directa o indirecta. La reacción de un sistema ante las distintas situaciones que se presentan determinara su grado de fiabilidad, es decir el tiempo de operación del sistema el cual puede mejorarse mediante las técnicas de diseño adecuadas. Los parámetros que se toman en cuenta para el diseño de estos sistemas se engloban en las siguientes denominaciones:
Disponibilidad: Se entiende este término como la medida en la que los parámetros de funcionamiento se mantienen dentro de las especificaciones de diseño. Se basa en el hardware y software.
Robustez: Ante un fallo de diseño, un accidente o una intrusión, un sistema bien diseñado debe poder mantener un nivel operativo mínimo suficiente para mantener un servicio. 44
Seguridad: Un fallo en el diseño del sistema, un usuario mal intencionado una situación imprevista podrían alterar los parámetros de funcionamiento de un sistema. Cualquier sistema puede utilizar uno o varios métodos de comunicación para enlazar todos los puntos de control de un proceso.
Prestaciones: esto se refiere al tiempo de respuesta del sistema. Durante el desarrollo normal de un proceso, la carga de trabajo de los equipos y el personal se considera que es mínima y está dentro de los parámetros que determinan el tiempo real de un sistema.
Mantenibilidad: Los tipos de mantenimiento pueden reducirse al mínimo si el sistema está previsto de unas buenas herramientas de diagnóstico que permitan realizar tareas de mantenimiento preventivo, modificaciones y pruebas de forma simultánea al funcionamiento normal del sistema.
Escalabilidad: Esto se refiere a la posibilidad de ampliar el sistema con nuevas herramientas o prestaciones y los requerimientos de tiempo necesarios para implementar estas aplicaciones debido a: o Espacio disponible. o Capacidad del equipo informático (memoria, procesamiento, alimentaciones). Capacidad del sistema de comunicaciones (limitaciones físicas, protocolos, o tiempo de respuesta).
2.5.2.7
Arquitectura de un sistema SCADA
Las primeras inclusiones en el campo de la automatización localizaban todo el control en la PC y tendían progresivamente a la distribución de control de la planta. D e esta manera el sistema queda dividido en tres partes fundamentales (figura 2.14).
Software de adquisición de datos (SCADA).
Sistema de adquisición de mando (sensores y actuadores).
Sistema de interconexión (comunicaciones).
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Fig. 2.14 Estructura de un sistema de supervisión de mando
Un sistema SCADA (figura 2.15) es una apliación de software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de la producción que proporciona comunicación entre los dispositivos de campo, llamados tambien RTU (Remote Terminal units o unidades remotas), donde se pueden e ncontrar lo elementos como controladores autónomos o autómatas programables, y un centro de control o unidad central (MTU, Master terminal Unit), donde se controla el proceso de forma automática desde la pantalla de uno o varios valores.
Fig. 2.15 Estructura básica de un sistema SCADA
46
2.5.2.8
Hardware
El concepto de un sistema SCADA está dividido en dos grandes bloques:
Captadores de datos que son los que recopilan la información de los elementos de control del sistema y los procesan para su utilización. Son los servidores del sistema.
Utilizadores de Datos, que son los que utilizan la información recopilada por los catadores para que se puedan usar como herramienta de análisis de datos.
Fig. 2.16 Arquitectura básica de Hardware de SCADA
El hardware de un sistema SCADA, como se puede observar en la figura 2.16, está formado principalmente de manera básica por los siguientes elementos.
Interface Humano-Máquina HMI: comprende los sistemas de presentación gráfica.
Unidad Central MTU: Centraliza el mando del sistema
Unidad remota RTU: son los elementos alujados del centro de control que hacen labores de supervisión a distancia.
Sistema de comunicaciones: El intercambio de información entre servidores y clientes.
2.5.2.9
Software
Un programa del tipo HMI se ejecuta en un ordenador gráfico y unos programas específicos le permiten comunicarse con los dispositivos de control de la planta y los 47
elementos de gestión. Estos programas se les denominan controladores de comunicación. En un programa SCADA tendremos dos bloques, uno es el programa de desarrollo, que engloba las utilidades relacionadas con la creación y edición de las diferentes ventanas de aplicación así como sus características; y el otro bloque es el programa de ejecución o Run-Time, este permite ejecutar la aplicación creada con el programa de desarrollo. En la figura 2.17 se muestra la estructura general de un Software para un sistema SCADA.
Fig. 2.17 Arquitectura General del software de un SCADA
2.5.3 Sistemas de control Distribuido Un sistema de control distribuido se refiere a un sistema de control por lo general de fabricación, proceso o cualquier tipo de sistema dinámico, en el que los elementos del controlador no son centrales en la ubicación, pero se distribuyen en todo el sistema con cada componente del sub-sistema controlado por uno o más controladores. En la figura 2.18 se muestra un esquema de un control distribuido donde se puede observar que este tipo de control no es centralizado, pero su estructura es muy similar al control centralizado multicapa, solo que aquí se comunicación entre el controlador de proceso (comunicación Horizontal). 48
Fig. 2.18 Estructura de un control Distribuido
49
Capítulo 3 Diseño e Implementación
L
Capítulo 3 Diseño e Implementación En este capítulo se muestran los diagramas fundamentales del proyecto, como son: diagrama a bloques, diagrama de flujo, diagrama esquem ático y diagrama de circuitos eléctricos, así como los cálculos, configuraciones, programación y algoritmo(s) que se utilizan para el desarrollo del proyecto.
3.1 Diagrama a Bloques El diagrama a bloques es una representación sencilla de un proceso donde gráficamente se muestran las relaciones entre las variables de un sistema. En él, cada bloque representa una operación o una etapa completa del proceso y las flechas los interrelacionan indicando el flujo de la(s) variable(s) señalando el paso de una operación a otra, dentro del proceso.
3.1.1 Diagrama a Bloques para el Diseño e Implementación de Sistema SCADA para Gobierno y Monitoreo de las Plantas de pH y Nivel En el diagrama 3.1 se puede observar la parte medular del proyecto, en el cual se muestra el proceso que se llevar a cabo y como se manipulan las variables a sensar. Este proceso se divide en 6 etapas y se enumeran los procesos que se desarrollan para gobernar y monitorear las plantas de procesos de nivel y pH.
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2
3
4
1
5 6
Diagrama 3.1 Diagrama a Bloques para el Diseño e Implementación de Sistema SCADA para Gobierno y Monitoreo de las Plantas de pH y Nivel
1. Desde el tablero de control se acciona el sistema a través de la tarjeta de entradas digitales del PLC, cuando las plantas de nivel y de pH están en funcionamiento se realiza el sensado de las variables de nivel, flujo y pH, por medio de los sensores correspondientes instalados en dichas plantas, los cuales transforman el flujo, el nivel y el pH en señales eléctricas de 0 a 10v o de 4 a 20mA. 2. El PLC recibe la señal de los sensores por medio de las entradas analógicas, la tarjeta de entradas analógicas comunican las señales que entregan los sensores con el CPU. 3. El programa de lecturas procesa las señales por medio de códigos preestablecidos para realizar el monitoreo y control de las plantas. 4. Una vez que se procesaron las entradas analógicas se procesa esta información, de acuerdo a lo estipulado previamente por el alumno en la programación del PLC. 5. Para el control de las variables por medio de las salidas digitales y analógicas se manda la información a las plantas para activar los actuadores a través de las tarjetas de salida, analógica y digital respectivamente. Los actuadores se
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activan y realizan el programa cargado en el PLC para controlar y monitorear los procesos. 6. Todo esto es mostrado en una HMI por medio de la comunicación OPC al usuario en una PC con el programa LabVIEW. La HMI le mostrará las variables involucradas y su comportamiento en el sistema para que así se pueda llevar un mejor control de estas en el proceso.
3.2 Diagrama de Flujo Un diagrama de flujo es una forma esquemática de representar ideas y conceptos en relación. A menudo, se utiliza para especificar algoritmos de manera gráfica, representa gráficamente las distintas etapas de un proceso y sus interacciones, para facilitar la comprensión de su funcionamiento. Se utilizan distintas formas de interpretación, a través de dibujos, de símbolos de ingeniería, de figuras geométricas, etc., que transmitan una indicación de lo que se quiere representar. Es útil para diseñar un proceso, analizar el proceso actual y/o proponer mejoras.
3.2.1 Diagrama de Flujo del sistema SCADA En el diagrama 3.2 se pueden observar la forma en la que fluyen y se manipulan las variables para realizar su control y monitoreo.
Sensado de las Variables de Control. Se toman las señales de los sensores de las plantas para procesarlas y enviarlas al PLC Maestro.
Lectura de Entradas Analógicas. Con la tarjeta de expansión esclavo se leen las entradas analógicas que obtienen los valores obtenidos de los sensores.
Monitoreo y Control. Se analizan los valores obtenidos y se muestran al usuario por medio del HMI.
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HMI. Para que el usuario pueda visualizar y controlar las variables obtenidas tiene una computadora conectada por medio del OPC al PLC, con esto se monitorean las plantas de procesos y se pueden obtener las variables que se están sensando.
Actualización de Salidas Analógicas. Una vez que se obtuvieron y analizaron las variables de control, si es necesario, se accionan los actuadores en cada planta de procesos, esto se hace por medio de la actualización de las salidas para activar los actuadores.
Activación de Actuadores Analógicos y Digitales. La actualización de las salidas analógicas y digitales provoca cambios en los actuadores de las plantas para esto el PLC activa los actuadores necesarios para mantener los parámetros preestablecidos.
No Si
Diagrama 3.2 Diagrama de Flujo del sistema SCADA
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3.3 Diagrama Esquemático Es una representación pictórica de un circuito, un dibujo realista de un circuito eléctrico, que muestra la apariencia física de sus elementos. Se ha usado este tipo de diagramas para simplificar el aprendizaje, puesto que no son necesarios conocimientos especiales para entenderlos. Se utiliza esta herramienta gráfica para explicar las conexiones y funcionamiento del sistema, así como para mostrar la distribución del sistema en el espacio de aplicación.
3.3.1 Diagrama Esquemático del sistema SCADA En el diagrama 3.3 se muestra la conexión física del sistema SCADA implementado en los laboratorios de control de la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica Y Eléctrica Unidad Culhuacán.
Diagrama 3.3 Diagrama Esquemático de Sistema SCADA
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1) Tablero de proceso de Nivel y Flujo 2) Tablero de proceso de pH 3) Tablero de control 4) PLC 5) PC-HMI
Como se puede observar en el diagrama, el sistema está instalado en mesas, donde se encuentran ambos tableros (números 1 y 2). En la misma mesa se ubica el tablero de control (numero 3), con el cual se puede controlar el paro y arranque del sistema, así como, la activación y desactivación de la válvula solenoide de descarga del tanque superior del tablero de niel y flujo. En el PLC (número 4), montado en la pared, se programa la secuencia de control para ambos tableros y con la HMI (número 5), se muestran los parámetros involucrados para su adquisición y control, esta se puede observar en una PC con ayuda del programa LabVIEW.
3.3.2 Diagrama esquemático de la conexión de los componentes del sistema SCADA
En el diagrama 3.4 se puede observar cómo se distribuye la conexión de los componentes para la realización del sistema SCADA, así como el sentido de las variables y la dirección en la que fluyen por el sistema para que se muestren al usuario.
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Diagrama 3.4 Diagrama esquemático de la conexión de los componentes del sistema SCADA
Este diagrama ayuda a observar con mayor claridad las conexiones del sistema debido a que cada componente tiene sus propios elementos que lo conforman, se destaca en los cuadros con línea punteada. También se muestran las actividades que se realizan en el proceso del sistema.
3.4 Diagrama de Circuito Eléctrico Para poder implementar el sistema SCADA se necesita de elementos electrónicos que apoyen en la lectura de los sensores así como al control para su activación y desactivación. Estos son parte fundamental del sistema para poder ser instalado tanto el PLC como las plantas de procesos y el tablero de control.
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3.4.1 Circuito Amplificador Al manejar sensores de precisión se obtienen respuestas de bajo voltaje. El sensor de flujo y el sensor de nivel muestran una respuesta proporcional de voltaje de 0 a 2 VDC, mientras que el sensor de pH de 0 a 5 VCD, figura 3.1.
Fig. 3.1 Sensores de nivel, flujo y pH
El PLC S7-300 de Siemens trabaja con señales de voltaje de 0 a 10 volts. Para que se cubra todo el rango de voltaje en el PLC se deben amplificar las señales de los sensores con arreglos de amplificadores operacionales que se muestran en el diagrama 3.5
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Diagrama 3.5 Circuito Amplificador
Posteriormente se realizó el circuito físicamente para amplificar las señales de voltaje de los sensores, fotografía 3.1.
Fotografía 3.1 Circuito Amplificador de Voltaje
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3.4.2 Tablero de Control Como se puede observar en la fotografía 3.2 el tablero cuenta con botones normalmente abiertos y normalmente cerrados con los cuales se controlan las entradas para el tablero de nivel y flujo, así como el encendido del sistema en general.
Fotografía 3.2 Tablero de Control
3.5 Cálculos y Configuraciones Los circuitos empleados en el proyecto conllevan un cálculo matemático previo para obtener los parámetros deseados, los cuales se explicaran detalladamente a continuación.
3.5.1 Circuito Amplificador Como se mencionó anteriormente el sistema requiere de un circuito amplificador y este a su vez requiere de ciertos cálculos pertinentes para poder obtener los resultados deseados. Para amplificar la señal se requiere de un amplificador operacional (OPAMP) no inversor que se caracteriza el escalamiento de voltajes, es decir, multiplicar el voltaje de salida de algún componente por una constante K para obtener el voltaje deseado.
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Esto se logra a través de la configuración que se le haga al Amplificador Operacional, es decir, como se conecten los componentes necesarios para realizar esta acción; la configuración para este caso se observa en la figura 3.2.
Fig. 3.2 OPAMP No Inversor
Y se rige por la ecuación 3.1. =
=1+
Ecuación 3.1 OPAMP No Inversor
Siguiendo este modelo y proponiendo el valor de R f igual a 1KΩ se obtiene el valor de Ri de 220Ω para una ganancia de 5.
3.6 Programación y Algoritmo Los PLC basan su funcionamiento en programas que el usuario le carga para que este haga lo deseado por el programador, de igual manera para el desarrollo de la programacion del sistema SCADA, se emplearon los siguientes software: 1.- Simatic Step 7 Este programa, impresión de pantalla 3.1, ayuda al desarrollo del diagrama de escalera que se usará para controlar las distintras entradas del sistema, ya sean
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digitales o analogicas; ademas ayuda a seleccionar los distintos elementos que conforman el PLC que se emplearán.
Impresión de Pantalla 3.1 Step 7 Simatic V 5.4 SIEMENS
2.- LabView 2013 Para el monitoreo de las distintas variables se realizó una interfaz gráfica, que nos muestra los datos obtenidos en tiempo real. Para ello se emplea el software LabView 2013, impresión de pantalla 3.2.
Impresión de Pantalla 3.2 LabView 2013
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3.6.1 Simatic Step 7 Una vez abierto el Simatic Step 7, se procedió a diseñar el tipo de PLC que se emplea para el sistema SCADA que se está desarrollando, como se muestra en la impresión de pantalla 3.3, se deben de cargar en el programa todos los datos del equipo al cual se le programará, empexando por el Bastidor y seguido el tipo de CPU y de fuente de alimentacion, despues de esto se agregan las tarjetas de entrada y salida con las que se cuenten, esto es para que el programa step 7 sepa con que herdware se cuenta y se puede trabajar y programar.
Impresión de Pantalla 3.3 Bastidor de diseño del PLC
Una vez completado lo anterior, se desarrolla la programacion en escalera que ayuda al control de las variables del sistema, como se muestra en la impresión de pantalla 3.4.
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Impresión de Pantalla 3.4 Diagramas de Escalera
Como se puede observar en el diagrama 3.4, el diagrama de escalera se divide en segmentos segmentos que contienen un “escalón”, es decir una pequeña parte de todo el diagrama que en conjunto con los demás escalones, componen un programa completo. Estos segmentos pueden contener diversos elementos internos del PLC a los que da acceso el software.
3.6.2 LabView 2013 Los programas de LabVIEW son llamados Instrumentos Virtuales o VI ya que su apariencia y operación imitan a los instrumentos físicos. LabVIEW contiene una
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extensa variedad de herramientas para adquirir, analizar, visualizar y almacenar d atos, así como herramientas para ayudarle a solucionar problemas en el código que escriba. Cuando crea un nuevo VI, ve dos ventanas: la ventana del panel frontal y el diagrama de bloques, como las que se muestran en las impresiones de pantalla 3.6 y 3.7 respectivamente, donde se trabajan las entradas y salidas analógicas o digitales, así como las distintas variables que intervienen en el desarrollo de proyecto. En la impresión de pantalla 3.5, se observa las ventanas del panel frontal, esta ventana es la interfaz de usuario para el VI.
Impresión de Pantalla 3.5 Ventanas de Panel Frontal
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Después de crear la ventana del panel frontal, se añade el código usando representaciones gráficas de funciones para controlar los objetos del panel frontal. La ventana del diagrama de bloques, impresión de pantalla 3.6, contiene este código de fuente gráfica
Impresión de Pantalla 3.6 Ventanas de Diagrama a Bloques
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Capítulo 4 Pruebas y Resultados
LXVII
Capítulo 4 Pruebas y Resultados En este capítulo se muestran las pruebas que se realizaron a lo largo del proyecto para su óptimo funcionamiento, así como los resultados obtenidos de dichas pruebas, documentando cada método aplicado a los componentes del proyecto y su progreso.
4.1 Prueba de la planta de pH 38-716 La planta de pH, figura 4.1, se compone de cuatro tanques; los dos tanques laterales es donde se depositan los reactivos a mezclar, en el tanque superior se realiza la mezcla y en el tanque central de mayor volumen se deposita la solución. Además cuenta con dos válvulas solenoides y una servoválvula de control, un agitador, un sensor de pH, tuberías y cableado de conexión (véase anexo II).
Fotografía 4.1 Feedback pH Process Rig 38-716
La parte posterior del tablero de pH, figura 4.2 está formada por dos bombas de agua conectadas a la tubería de la parte frontal del tablero, también se cuenta con una fuente de alimentación que trabaja a 220 VCA y convierte a un voltaje de 12 VCD.
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Fotografía 4.2 Bombas del tablero pH Process Rig 38-716
4.1.1 Funcionamiento del tablero de pH 38-716
En los tanques laterales (efluente y reactivo) se deposita el líquido que se va a mezclar; se enciende una bomba y la respectiva válvula solenoide para subir el fluido; posteriormente se enciende la otra bomba junto con la válvula solenoide correspondiente. Una vez que se cuenta con el suficiente líquido en el tanque superior, las bombas y las válvulas solenoides son desactivadas para que el líquido deje de sub ir. El agitador comienza a funcionar por un tiempo determinado, hasta que la mezcla sea homogénea. El sensor de pH se introduce en el tanque superior, desde que la mezcla está en contacto con el sensor se detecta el nivel de pH por medio de una señal eléctrica. Finalmente la solución obtenida de la mezcla con un determinado nivel de pH se pasa al tanque central al abrir una válvula manualmente (véase anexo III).
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4.1.2 Observaciones del tablero de pH Rig Process 38-716
La planta de pH 38-716 ha estado fuera de servicio por tres años. Se presentan algunas fallas en su funcionamiento, además tiene residuos de sales por la falta de limpieza tras el último uso del equipo, fotografía 4.3.
Fotografía 4.3 Residuos de sales en el tablero Feedback pH Process rig 38-716
Tras una revisión en los elementos del tablero, se encontró una falla en el arranque de una de las bombas; primeramente se detecta que uno de los fusibles de protección de la fuente ya no es funcional. Por tanto, se procedió a cambiar el fusible. Tras realizar el cambio de fusibles se encuentra otra falla: una de las bombas n o arranca, para la deteccion de esta falla fue necesario desmontar las dos bombas para su revision; la falla se debe al deterioro de un arrancador de protección, el cual no se acciona y por lo tanto la bomba queda fuera de servicio, fotografía 4.4.
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Fotografía 4.4 bomba del tablero Feedback pH Process rig 38-716
Al no encontrar un sustituto del arrancador de protección, se determinó utilizar únicamente una bomba de la planta de pH; por lo tanto, se emplea la parte central e izquierda de la planta, fotografía 4.5 sin afectar la demostración del monitoreo y control.
Fotografía 4.5 Planta de pH (parte central e izquierda)
Además de estas fallas en el tablero, también se tiene que el sensor de pH no funciona debido al abandono y descuido, así mismo, este se tiene que obtene r para el desarrollo de las prácticas y en este caso el monitoreo de dicha variable. En la fotografía 4.6 se muestran las pruebas realizadas para la comprobación del funcionamiento del medidor de pH.
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Fotografía 4.6 Pruebas del funcionamiento del medidor de pH
Al no obtener los resultados esperados se identificó que el sensor de pH ya no funcionaba; por lo tanto se procedió a adquirir uno nuevo de la familia Arduino, fotografía 4.7.
Fotografía 4.7 Sensor de pH con acoplador
4.1.3 Planta de pH automatizada con PLC S7-300 La planta de pH puede ser controlada y/o automatizada con un PLC. Se opta por la automatización por el proceso que se efectúa en la planta. Al arrancar el sistema el PLC envía una señal de 24 VCD de tipo digital al relevador para encender la válvula solenoide, enseguida el PLC manda una señal al
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relevador para activar la bomba y comienza a subir el líquido por un tiempo establecido, al finalizar este periodo se apaga simultáneamente la bomba y la válvula solenoide; después el PLC acciona los agitadores por un determinado periodo de tiempo. El sensor de pH se encuentra conectado en las entradas analógicas del PLC. Este dispositivo comienza a sensar el nivel de pH en el tanque superior al estar en contacto con la solución del recipiente; esta señal va a estar variando por la llegada de fluidos y por el movimiento del líquido. Sin embargo, el nivel de pH se va a estabilizar después de que el agitador termine de mezclar la sustancia. Finalmente se tiene una mezcla líquida con un nivel de pH medido. Para extraer la solución únicamente se debe abrir manualmente una válvula de descarga. El proceso descrito anteriormente se puede ver en la fotografía 4.8.
Fotografía 4.8 Planta de pH automatizada con PLC
El proceso puede repetirse al accionar nuevamente el botón de arranque. Y por seguridad se cuenta con un botón de paro de emergencia para detener el sistema en cualquier etapa del proceso.
4.1.4 Protocolo OPC y HMI en la Planta de pH El Protocolo de Comunicaciones Abierto se utiliza para transmitir los datos que se adquieren de la Planta de pH mediante el PLC S7-300 a la interfaz gráfica LabVIEW.
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En el software Labview se ha diseñado un sistema gráfico representativo de la Planta de pH, impresión de pantalla 4.1, para efectuar la demostración del funcionamiento en tiempo real de las variables.
Impresión de Pantalla 4.1 Representación gráfica de la Planta de pH
Al estar en operación la Planta de pH, los sensores y actuadores son monitoreados con la Interfaz Humano Máquina. El comportamiento del sistema se muestra en la fotografía 4.9.
Fotografía 4.9 Planta de pH con HMI
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4.2 Prueba de la Planta de procesos de Nivel y Flujo 38-100 La planta de nivel y flujo, figura 4.1, está compuesta de dos tanques; en el tanque inferior se deposita el agua con la cual funciona el sistema y el tanque superior que está dividido en dos partes (según se requiera un determinado volumen de agua). El tablero cuenta con una servoválvula, tres válvulas solenoides, cinco válvulas manuales que permiten o impiden el paso del fluido. También se compone de un flujómetro (analógico) y un sensor de flujo (digital) para determinar el caudal. Además tiene tuberías de ½ pulgada para distribuir el líquido.
Fig. 4.1 Feedback Basic Process Rig 38-100
En la parte posterior de la planta se tiene la bomba de agua que se encuentra conectada a la tubería mediante una manguera. También se cuenta con u na fuente de alimentación y con las entradas de voltaje para controlar las válvulas solenoides y la servoválvula (véase anexo II).
4.2.1 Funcionamiento de la Planta de Nivel y Flujo Process Rig 38-100 El tanque inferior se llena con agua (preferentemente purificada), se abren las válvulas manuales (la perilla se pone paralela a la tubería), se activan simultáneamente la bomba y la válvula solenoide.
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El agua comienza a circular por la tubería pasando por el flujometro en el cual se puede observar la cantidad de agua que circula en litros por minutos, posteriormente el agua corre dentro de un sensor d e flujo que manifiesta una señal de corriente proporcional al caudal que circula dentro del mismo. Después el agua pasa por una compuerta controlada por una servoválvula que puede limitar el flujo de agua dependiendo de la posición de la servoválvula; finalmente el agua llega al tanque superior donde se puede almacenar un volumen determinado, como medida preventiva se cuenta con una tubería d e descarga para evitar un posible desbordamiento por la parte superior del tanque. Sin embargo, el agua en el tanque superior puede ser drenada con la válvula manual y con un par de válvulas solenoides. Al realizar el drenado del tan que superior el agua desciende al tanque inferior, de esta manera se efectúa la retroalimentación del sistema y únicamente se emplea una mínima cantidad de agua que es reutilizada (véase anexo III). El proceso descrito anteriormente se puede ver en la fotografía 4.10.
Fotografía 4.10 Funcionamiento Basic Process Rig 38-100
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4.2.2 Observaciones de la Planta de Nivel y Flujo Process Rig 38-100 La planta Basic Process Rig 38-100 se encuentra en buen estado y muestran un buen desempeño todos sus elementos excepto la servoválvula y la compuerta, fotografía 4.11.
Fotografía 4.11 Servoválvula y Compuerta
Al poner en marcha la servoválvula se percibió que el tren de engranes tenía dificultades para mantenerse estable; paralelamente se notó que la compuerta no realizaba adecuadamente su función (abrir/cerrar en proporción al voltaje suministrado). Por lo tanto, se procedió a retirar la servoválvula del tablero y a desarmar el arreglo de engranes para detectar la falla, fotografía 4.12.
Fotografía 4.12 Reparación de la Servovalvula
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Una vez arreglado el problema que se presentó, se procedió a reajustar el tren de engranes y se montó con precisión la servoválvula en el tablero, fotografía 4.13.
Fotografía 4.13 Montaje de los engranes
Al final se comprobó que la compuerta ya respondía adecuadamente; es decir, permite el paso del agua cuando la servoválvula es alimentada en su máxima capacidad, mientras que limita el flujo del líquido conforme el voltaje disminuye.
4.2.3 Planta de Nivel y Flujo controlada con PLC S7-300 La planta de Nivel y Flujo puede ser controlada y/o automatizada con un PLC. Se opta por el control de la planta para realizar distintas demostraciones. Antes de encender el sistema se deben abrir las válvulas manuales correspondientes. Se recomienda encender primero la válvula solenoide y consecutivamente la bomba para comenzar a subir agua del tanque inferior al superior. Se cuenta con una servoválvula conectada al PLC, con la cual se puede limitar el flujo de agua, de esta manera el sensor de flujo puede variar su respue sta eléctrica, ya sea que aumente a disminuya el caudal dentro de la tubería. Asimismo el sensor de nivel también responderá cuando el agua ascienda o disminuya en el tanque superior.
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Cuando se ha llenado el tanque superior se puede desalojar el agua de dos formas distintas. La primera es accionando una válvula solenoide para descargar el líquido al tanque inferior. La segunda es abriendo manualmente una válvula de descarga. Y para efectuar un desalojo de agua más rápido se puede accionar la válvula solenoide y abrir la válvula manual. El proceso descrito anteriormente se puede ver en la figura 4.14.
Fotografía 4.14 Planta de Nivel y Flujo controlada con PLC
Las válvulas solenoides, la bomba y la servoválvula pueden ser accionadas y detenidas en cualquier momento. Tambien se cuenta con un botón de paro general para la protección de los usuarios y del sistema.
4.2.4 Protocolo OPC y HMI en la Planta de Nivel y Flujo El Protocolo de Comunicaciones Abierto se emplea para tran smitir los datos que se adquieren de la Planta de Nivel y Flujo mediante el PLC S7-300 a la interfaz gráfica LabVIEW. En el software Labview se ha diseñado un sistema gráfico representativo de la Planta de Nivel y Flujo, impresión de pantalla 4.2, para efectuar la demostración del funcionamiento en tiempo real de las variables.
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Impresión de Pantalla 4.2 Representación gráfica de la Planta de Nivel y Flujo
Al estar en operación la Planta de Nivel y Flujo, los sensores y actuadores son monitoreados con la Interfaz Humano Máquina. El comportamiento del sistema se muestra en la Figura 9.
Fotografía 4.15 Planta de Nivel y Flujo con HMI
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Tabla de Pruebas y Resultados Prueba Planta de pH
Fecha 14 Mayo 2015
Planta de pH
15 Mayo 2015
Planta de pH
19 Mayo 2015
Planta de pH
20 Mayo 2015
Planta de nivel-flujo
19 Octubre 2015
Planta de nivel-flujo
20 Octubre 2015
Planta de nivel-flujo
29 Octubre 2015
Programación PLC
4 Diciembre 2015
Conexiones eléctricas de tableros y PLC
4 Diciembre 2015
Programación y pruebas HMI
5 Diciembre 2015
Comunicación OPC
5 Diciembre 2015
Pruebas sistema SCADA
5 Diciembre 2015
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Resultado Fallas en una de las bombas. Revisión de la fuente de alimentación y elementos de protección del sistema para descartar fallas. Revisión del sensor de pH y detección fallas en el censado. Funcionamiento del sistema con una sola bomba. Detección de falla en las servo-válvula Compostura de la servoválvula. El funcionamiento del tablero es correcto. Prueba de secuencias de control en el PLC. Las conexiones son correctas por que los actuadores responden de manera satisfactoria a la secuencia programada. El programa funciona correctamente y se observan los valores de las variables. La comunicación OPC no es posible y se concluye que es a causa de las distintas conexiones que se establecen entre el PLC y la PC. El sistema SCADA fue probado de manera parcial debido a que la comunicación OPC no fue establecida.
Conclusiones y Recomendaciones
LXXXII
Conclusiones El desarrollo de un sistema SCADA coadyuva en el aprendizaje de los alumnos de la ESIME Culhuacán de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica de la especialidad de Control. Se aplican conocimientos adquiridos en octavo semestre de las materias de Instrumentación de Procesos y Control de uso de PLC, así como de noveno semestre de Control Distribuido y Sistemas de Adquisición de Datos.
El uso del PLC S7-300 de Siemens es una gran herramienta de uso industrial, provee un control preciso del sistema, alta velocidad de respuesta, bajo consumo de energía, menor número de componentes en cableado, flexibilidad y una amplia adaptabilidad a distintos sistemas.
El monitoreo de las variables en las plantas de procesos mediante una interfaz gráfica (HMI) facilita al operador la supervisión de los procesos, el control de las operaciones y la gestión de los datos.
El Protocolo de de Comunicaciones Comunicaciones OPC
es un estándar que permite la
interoperabilidad entre LabVIEW y el PLC; a partir de drivers y software es posible la transmisión de datos de campo que son interpretados fácilmente por el usuario mediante una Interfaz Humano Máquina.
La implementación del sistema SCADA en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Culhuacán incita a los alumnos al aprendizaje de alto nivel impartido en la especialidad de Control.
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Recomendaciones En la planta de pH se sugiere adquirir un Sensor de pH idéntico al que llego con el equipo, para realizar prácticas en distintas materias de la especialidad de Control. También se invita a componer la bomba de este tablero; o en dado caso comprar una bomba con las mismas características.
Se recomienda agregar botones en el interfaz humano máquina para controlar el sistema desde la PC. También se sugiere hacer un registro de datos en algún software compatible como Excel.
Se aconseja elaborar un Manual de prácticas tanto para octavo semestre para las materias Instrumentación de Procesos y Control de uso de PLC y para las de noveno semestre de Control Distribuido y Sistemas de Adquisición de Datos.
Para tener un mejor control de las variables y un sistema estable se exhorta a desarrollar una programación en el PLC de control con retroalimentación o un control difuso.
Si se cuenta con un sistema operativo reciente, se recomienda programar el PLC S7-300 con la plataforma TIA de Siemens.
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Bibliografía y Ciberografía
LXXXV
Bibliografía
Aquilino Rodríguez Penin, Sistemas SCADA, 2ª edición, Alfaomega Grupo Editor, México, 2010.
Cecilio Ventura, Isaías; Sistema de Control de Motores Eléctricos
Industriales (Manual Técnico), México, 2008.
Creus, Antonio, Instrumentación Industrial, Octava Edición. Alfaomega Grupo Editor, México, Septiembre 2010.
E. Mandado, J. Marcos, C. Fernández, J. Armesto, Autómatas Programables
y Sistemas de Automatización, Segunda Edición, Editorial Marcombo, España, 2009.
Gallardo Vázquez, Isaías; Técnicas y procesos en instalaciones domóticas
y automáticas, Primera Edición, Editorial Paraninfo, España, 2013.
J. Rodríguez, L. M. Cerdá, R. Bezos, Automatismos Industriales, Primera Edición, Editorial Paraninfo, España, 2014.
Katsuhiko Ogata, Ingeniería De Control Moderna, 5ª Edición, Pearson Educación, Madrid, 2010.
Timothy J. Maloney; Electrónica industrial moderna, editorial Prentice Hall, México, 2006.
W. Bolton, Ingeniería de Control, Segunda Edición, Editorial Alfaomega, México, 2006.
Comité de Normalización de Petróleos Mexicanos y Organismos Subsidiarios ,
Protocolos De Comunicación En Sistemas Digitales De Monitoreo Y Control, NRF-046-PEMEX-2012.
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Ciberografía
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Anexos
LXXXVIII
Anexo I Viabilidad
La investigación documental de este proyecto tiene fundamento en distintos manuales de Siemens del PLC S7-300, manuales e instructivos de programación en LabVIEW, distintas tesis con contenido relacionado, algunos libros de sistemas SCADA e Instrumentación Industrial y Normas Internacionales. El proyecto se desarrolla en el Laboratorio de Control del IPN en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad “Culhuacán”; empleando la Planta de Nivel de Fluidos, la Planta de pH, el PLC S7-300 y una Computadora, como elementos indispensables para el desarrollo del Sistema SCADA, los cuales aportan el instituto.
Factibilidad
Cronograma de Actividades El tiempo requerido para el desarrollo de este proyecto está contemplado un periodo aproximado de 8-9 meses.
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Lista de Materiales y Costos Los elementos que requiere un Sistema SCADA para su implementación son suministrados por el Laboratorio de Control de la ESIME “Culhuacán”, con excepción de la tarjeta de programación del PLC con un costo estimado de $2,500 y del sensor de pH con un costo aproximado de $1,200. Además de la adquisición de garrafones de agua a lo largo del proyecto que tendrá un costo de $400, de un circuito amplificador y de diversos cables de conexión.
Lista de Materiales PLC S7-300 siemens Planta de Nivel de agua Planta de pH
Costo Proporcionado por el IPN, ya se encuentra en el laboratorio de control Proporcionado por el IPN, ya se encuentra en el laboratorio de control Proporcionado por el IPN, ya se encuentra en el laboratorio de control
Tarjeta de memoria para el PLC siemens S7-300
$2,500.00 pesos
Garrafones de agua
$ 400.00 pesos
Cableado
$800.00 pesos
Amplificador
$ 200.00 pesos
Sensor de pH
$1,200.00 pesos
Total
$5,100.00 pesos
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Anexo II Normatividad ISA 5.1- 5.4
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IEEE IEEE 802 es un estudio de estándares perteneciente al Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), que actúa sobre Redes de Ordenadores, concretamente y según su propia definición sobre redes de área local (LAN) y redes de área metropolitana (MAN). También se usa el nombre IEEE 802 para referirse a los estándares que proponen, y algunos de los cuales son muy conocidos: Ethernet (IEEE 802.3), o Wi‐Fi (IEEE 802.11), incluso está intentando estandarizar Bluetooth en el 802.15. Se centra en definir los niveles más bajos (según el modelo de referencia OSI o sobre cualquier otro modelo), concretamente subdivide el segundo nivel, el de enlace, en dos subniveles, el de enlace lógico, recogido en 802.2, y el de acceso al medio. El resto de los estándares recogen tanto el nivel físico, como el subnivel de acceso al medio.
Norma IEEE 802.4: token bus define cuadros Token Bus tipo ARCNET. IEEE ‐802.5. Define hardware para Token Ring. Debido a problemas inherentes del CSMA/CD como la característica probabilística de su protocolo que podría hacer esperar mucho tiempo a un frame, o la falta de definición de prioridades que podrían requerirse para transmisiones en tiempo real, se ha especificado esta norma diferente. La idea es representar en forma lógica un anillo para transmisión por turno, aunque implementado en un bus. Esto porque cualquier ruptura del anillo hace que la red completa quede desactivada. Por otra parte el anillo es inadecuado para una estructura lineal de casi todas las instalaciones. El token o testigo circula por el anillo lógico. Sólo la estación que posee el testigo puede enviar información en el frame correspondiente. Cada estación conoce la dirección de su vecino lógico para mantener el anillo.
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Anexo III Hojas Técnicas Hojas Técnicas Siemens Especificaciones técnicas del CPU 315
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Especificaciones técnicas SM 323 6ES7323-1BL00-0AA0
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Especificaciones tecnicas modulo SM334 6ES7 334-0CE01-0AA0
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Feedback Procon Rig Process
Interfaz
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Tablero de Nivel y Flujo
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Tablero de pH
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Anexo IV Acrónimos API: Interfaz para programa de aplicaciones AS-i: Interfaz Actuador /Sensor. CFC: Diagrama de funcionamiento continuoFinal del formulario. CMI: La fabricación integrada por ordenador COM: Modelo de Componentes de Objeto CPU: Unidad Central de Procesamiento DCS: Sistemas de Control Distribuido DDC: Control Digital Directo FBD: Diagrama de bloque de funciones HMI: Interfaz Humano-Máquina IEEE: Instituto de Ingenieros en Electricidad y Electrónica ISA: Sociedad Internacional de Automatización LAD: Diagrama de escalera LAN: Red de Área Local MMI: Interfaz Humano-Maquina MODICON: Controlador Digital Modular MPI: Interfaz multi-punto MTU: Unidad terminal maestra NI: National Instruments OLE: Objetos Vinculados e Insertados 111
OPAMP: Amplificador Operacional OPC: Protocolo de Comunicaciones Abierto PAC: Controlador de Automatización Programable PC: Controlador Programable Ph: Potencial de Hidrogeno PID: Controlador proporcional-integral-derivativo PLC: Controlador Lógico Programable PROFIBUS: Proceso de bus de campo Profibus-DP: Proceso de bus de campo de Periferia Distribuida Profibus-FMS: Especificación de mensajes Fieldbus Profibus-PA: Automatización de procesos PROFINET: Proceso de bus de red RTU: Terminales de Unidades Remotas SCADA: Sistema de Control, Supervisión y Adquisición de Datos SCL: Lenguaje de control estructurado SFC: Tabla de funciones secuenciales STL: La lista de declaraciones TIA: Automatización Totalmente Integrada VB: Visual Basic VCA: Voltaje de Corriente Alterna VCD: Voltaje de Corriente Directa VI: Instrumento Virtual 112
Anexo V Glosario. ActiveX: es una tecnología integrada en muchos de los principales sitios web para mejorar la experiencia de navegación. Puede utilizarse para reproducir vídeos y animaciones, así como para visualizar determinados tipos de archivos. API (Application Programming Interface): es el conjunto de subrutinas, funciones y procedimientos (o métodos, en la programación orientada a objetos) que ofrece cierta biblioteca para ser utilizado por otro software como una capa de abstracción. Canal de comunicaciones (bus). Medio de transmisión unidireccional o bidireccional de señales entre dos puntos, por línea física, radioelectricidad, medios ópticos u otros sistemas electromagnéticos. Controlador. Dispositivo que opera automáticamente para regular una variable controlada Equipo de control. Es el conjunto de componentes electrónicos que realizan el monitoreo de variables de un proceso, efectúan cálculos y comparaciones para finalmente modificar las señales de los elementos finales de control conectados al equipo. Está formado por unidad de procesamiento, módulos de entradas y salidas e interfaces de comunicación. Fieldbus. Grupo de canales (buses) de comunicación industrial Interfaz humano máquina (IHM). Ambiente gráfico por medio del cual un operador interactúa con un sistema de control y éste a su vez con el proceso. Ofimatica: La palabra informática nace de las palabras información y automática, haciendo referencia al control, administración o manejo de la información de u na forma automática, por medio de sistemas, herramientas ofimáticas, programas o aplicaciones inteligentes capaces de actuar y tomar decisiones previamente programadas
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