departamento de control automático

Departamento de Control Automático

Título: Entrenador en Sistemas Supervisorios para la enseñanza.

Autor: Jorge Eduardo Cossio Mariño

Tutor: DrC. Roberto Luis Ballesteros Horta

, junio 2019

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las

Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui

Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la

mencionada casa de altos estudios.

Se autoriza su utilización bajo la licencia siguiente:

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Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830

Teléfonos.: +53 01 42281503-1419

i

PENSAMIENTO

¨Nuestra recompensa se encuentra en el esfuerzo y no en el resultado. Un esfuerzo total

es una victoria completa. ¨

Mahatma Gandhi

ii

DEDICATORIA

A mis abuelos Jorge Eliseo Cossio Bartuti y Eduardo Andrés Mariño Betancourt, que

deben estar orgullosos de mi como yo lo estoy de ellos.

iii

AGRADECIMIENTOS

Quisiera agradecer a mi familia por su apoyo y comprensión en todo momento, sobre todo

la comprensión.

A las amistades de la familia, que poder contar con ellos, constituye una garantía.

A mis amigos que muchos se convirtieron en familia e incluyo a sus padres.

A los profesores de la carrera, muchos son amigos, gracias a ellos soy el profesional de

hoy.

Quiero agradecer especialmente al profesor Ballesteros que me aceptó como tesiante

cuando decidí cambiar el tema.

A la profesora Elaine quien me propuso optar por el estudio de Ingeniería Automática.

iv

RESUMEN

Los sistemas didácticos de entrenamiento son muy utilizados en los centros de enseñanza

para el desarrollo de personal altamente calificado necesario en la industria. Esta

investigación tiene como objetivo diseñar un entrenador en sistemas suupervisorios para la

enseñanza, tanto para procesos reales y virtuales compuesto por varios niveles de

automatización que permita la realización de prácticas de laboratorios para diferentes

asignaturas. Se desarrolló el HMI del SCADA en el software Movicon. Se utiliza la

maqueta con servomotor SAD-100 como proceso y el software LabVIEW para su control.

Para la valoración de los resultados se analiza el caso del control de velocidad del motor de

corriente directa. Se simula con los valores de configuración inicial y se introducen varias

consideraciones prácticas para interpretar el efecto en la salida del sistema. Finalmente se

arriba a conclusiones a partir de los resultados obtenidos y se brindan algunas

recomendaciones.

v

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i

DEDICATORIA .................................................................................................................... ii

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii

RESUMEN ............................................................................................................................ iv

INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1

Organización del informe ................................................................................................... 3

CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMAS SCADA .......................................... 5

1.1 Sistemas SCADA ..................................................................................................... 5

1.1.1 Características de los sistemas SCADA ........................................................... 6

1.1.2 Componentes de hardware de un sistema SCADA y sus principales funciones

7

1.1.3 Componentes de sofware de un sistema SCADA y sus funciones ................... 8

1.1.4 Principales software para la implementación de un SCADA ........................... 9

1.2 Protocolos generales para el intercambio de datos entre aplicaciones SCADA .... 12

1.2.1 Definición de protocolo .................................................................................. 13

1.2.2 Elementos que definen un protocolo .............................................................. 13

1.2.3 Funciones de un protocolo .............................................................................. 13

1.2.4 Protocolos comúnmente utilizados ................................................................. 15

1.3 Sistemas didácticos de control de procesos ........................................................... 18

vi

1.3.1 Partes fundamentales de los sistemas didácticos de control de procesos ....... 19

1.3.2 Funciones básicas de los sistemas didácticos de control de procesos ............ 20

1.4 Estudios anteriores relacionados con el tema ......................................................... 22

1.5 Consideraciones finales del capítulo ...................................................................... 23

CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR .................................................. 24

2.1 Caracterización de Movicon .................................................................................. 24

2.2 Caracterización del instrumento virtual ``SCD SAD-100.vi´´ ............................... 26

2.3 Caracterización de la maqueta ALECOP SAD-100 ............................................... 28

2.4 Caracterización de la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212 ..................... 33

2.5 Diseño de los niveles tres y cuatro del entrenador ................................................. 34

2.5.1 Arquitectura del entrenador ............................................................................ 34

2.5.2 HMI del software SSEServidor ...................................................................... 35

2.5.3 HMI del supervisor cliente SSECliente .......................................................... 36

2.5.4 Conexión entre las aplicaciones utilizando OPC ............................................ 37


CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS ................................... 41

3.1 Pruebas realizadas al software SSEControl con proceso real ................................ 41

3.1.1 Controlador PI con ganancia proporcional Kc ............................................... 41

3.1.2 Controlador PI utilizando banda proporcional ................................................ 42

3.1.3 Otras pruebas reales realizadas realizadas ...................................................... 43

3.2 Pruebas realizadas al software SSEControl con proceso simulado ....................... 43

3.2.1 Prueba realizada con proceso lineal ................................................................ 43

3.2.2 Prueba realizada incorporando zona muerta ................................................... 44

3.2.3 Prueba realizada incorporando varias alinealidades ....................................... 45

vii

3.3 Pruebas de comunicación entre aplicaciones ......................................................... 45

3.4 Pruebas al HMI de los niveles tres y cuatro ........................................................... 47

3.5 Guía para práctica de laboratorio ........................................................................... 50

3.6 Análisis técnico-económico-medioambiental ........................................................ 51


CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................... 53

Conclusiones ..................................................................................................................... 53

Recomendaciones ............................................................................................................. 54

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 55

ANEXOS ................................................................................................................................. i

Anexo I Tabla de la característica estática del servomotor ............................................. i

Anexo II Otras pruebas realizadas ............................................................................... iv

Anexo III Guia prática de laboratorio ............................................................................ x

INTRODUCCIÓN 1

INTRODUCCIÓN

Debido a la demanda de personal altamente calificado que presenta la industria moderna es

necesario transformar el método en el que los estudiantes reciben el conocimiento de

manera teórica por parte de los profesores a el conocimiento innovador, donde el estudiante

aplica sus conocimientos de forma práctica en sistemas didácticos que simulan de cierta

manera el comportamiento de los procesos en el entorno industrial. Con la realización de

estas prácticas es posible reducir la brecha existente entre el conocimiento teórico y la toma

de decisiones en práctica. Con este propósito existen desarrolladores especializados que se

dedican a la elaboración de módulos didácticos y software de entrenamiento que presentan

ambientes amigables, pautas de aprendizaje determinadas y estructuras robustas. Sin

embargo, presentan como desventaja que crean una dependencia completa a las tecnologías

extranjeras, las metodologías establecidas por el desarrollador, presentan altos costos de

compra y/o capacitación para el profesor (Bautista, 2016).

Los entrenadores de procesos surgen como soporte para el desarrollo de las tareas

complejas desempeñadas por el operador, tiene como objetivo suplir sus posibles

deficiencias producto, entre varios motivos, por la sobrecarga de información o la fatiga y

la complejidad del proceso a controlar. Los esfuerzos son dirigidos dentro de lo posible a la

automatización del análisis de los datos, la detección de fallos, así como su diagnóstico y la

toma de decisiones o propuesta de acciones concretas. Es relevante su importancia sobre

todo cuando la complejidad de la planta a controlar es de alto grado. Estos sistemas

capacitan para comprender detalladamente el proceso asignado y simular situaciones reales

comunes en la industria (Moreno, 2017).

La aplicación de los conocimientos adquiridos por los estudiantes en procesos con

consideraciones prácticas reales de la industria fomenta el interés en la investigación

INTRODUCCIÓN 2

continua y se ejercita la habilidad de toma de decisiones ante situaciones comunes en los

procesos industriales. Por las ventajas que ofrecen los sistemas didácticos que simulan

procesos de entornos industriales y a sus altos costos de adquisición, los centros de

enseñanza de nivel superior dirigen esfuerzos para el desarrollo e implementación de estos

sistemas.

En el Departamento de Control Automático de la Facultad de Eléctrica de la Universidad

Central ¨Marta Abreu¨ de Las Villas no se cuenta con un Sistema Supervisorio que

interactúe sobre procesos ya sean reales o virtuales como módulo de entrenamiento. El

análisis y diseño de los procesos controlados se realiza a partir de las estrategias

convencionales lo que constituye un trabajo monótono. Los estudiantes de sistemas de

control no se benefician de las ventajas de la simulación en tiempo real y no se realizan

prácticas donde se opere sobre sistemas automatizados.

De lo anterior surge como problema científico:

La ausencia de un entrenador en sistemas supervisorios para procesos reales y virtuales con

consideraciones reales en los laboratorios de la carrera de Ingeniería en Automática, que

permita adquirir conocimientos, habilidades para el análisis y operación de los sistemas de

control mediante prácticas de laboratorio.

Para dar solución al problema científico se plantea como objetivo general: Diseñar un

entrenador en sistemas supervisorios para procesos virtuales y reales compuesto por varios

niveles de automatización que permita la realización de prácticas de laboratorio para

diferentes asignaturas.

Para el cumplimiento del objetivo general, se proyectan los objetivos específicos

siguientes:

Analizar la bibliografía existente sobre sistemas SCADA, simuladores,

entrenadores.

Caracterizar las funcionalidades de los estudios anteriores relacionados con el tema.

Proponer la arquitectura del sistema supervisorio.

Desarrollar los niveles tres y cuatro del sistema supervisorio para el control del

proceso.

INTRODUCCIÓN 3

Simular en tiempo real un proceso con función transferencial configurable y su

control automático.

Valorar los resultados de las pruebas realizadas en tiempo real del sistema

supervisorio.

Proponer una guía de práctica de laboratorio.

Con este trabajo se logra la implementación de un sistema automatizado de cuatro niveles

para procesos virtuales o reales. Un nivel de sensores y actuadores que puede ser simulado

o real a partir de la utilización de la maqueta ALECOP SAD-100 y la tarjeta de adquisición

de datos NI USB-6212. El segundo nivel de control está basado en una computadora con

LabVIEW para el control. Se conecta un tercer nivel de supervisión en una computadora

con un software SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition) y un cuarto nivel

como cliente del nivel de supervisión que interactúa con el anterior a través del protocolo

OPC (OLE for Process Control).

Como resultados del trabajo se tiene una sistematización del conocimiento sobre sistemas

SCADA y entrenadores para la enseñanza. Así mismo los software SSEControl,

SSEServidor, SSECliente y una guía para una práctica de laboratorio que a su vez sirve de

base para realizar otras prácticas.

Con la implementación de este sistema automatizado se puede contribuir a la adquisición

de conocimientos y habilidades en la operación de sistemas supervisorios. También permite

un acercamiento de los estudiantes y profesores a situaciones industriales reales mediante el

uso de consideraciones prácticas, sin la necesidad de grandes inversiones de tiempo y

recursos.

Organización del informe

El informe de la investigación se estructura en introducción, capitulario, conclusiones y

recomendaciones, bibliografía y anexos.

En la introducción se deja definida la importancia, actualidad y necesidad del tema que se

aborda y se dejan explícitos los elementos del diseño teórico.

Capitulario

INTRODUCCIÓN 4

CAPÍTULO I: Se realiza una conceptualización de los sistemas SCADA así como un

análisis de los más utilizados actualmente, de sus funciones, de las redes industriales y

corporativas a las cuales es capaz de acoplarse; principalmente se hace énfasis en el

protocolo OPC. Se realiza un análisis de la bibliografía existente sobre entrenadores,

simuladores y laboratorios virtuales. Por último, se efectúa una breve caracterización de los

antecedentes.

CAPÍTULO II: Se caracteriza la maqueta ALECOP SAD-100. Se hace una propuesta de la

arquitectura del sistema Supervisorio y son explicados los pasos del desarrollo de los

niveles tres y cuatro.

CAPÍTULO III: Se dedica a la valoración de las pruebas realizadas al sistema propuesto en

sus dos modalidades proceso simulado como real. Se elabora una guía para una práctica de

laboratorio. Se finaliza con un análisis económico y medioambiental.

CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMA SCADA 5

CAPÍTULO 1. ENTRENADORES EN SISTEMAS SCADA

Con el avance de la tecnología el crecimiento de la industria ha tomado pasos agigantados,

cada vez son más los procesos controlados por lo que la supervisión de estos se ha tornado

más complejo para el operador. Los sistemas SCADA constituyen la herramienta indicada

que ha suprimido tales necesidades pues estos muestran de manera organizada y resumida

los parámetros que resultan de mayor interés para el operador. Permite al operador

interactuar con el proceso y realizar un análisis más efectivo de la información. Por lo

anterior explicado es necesario que el personal este altamente capacitado en la operación de

estos. Es posible ejercitar habilidades con la utilización de sistemas didácticos que permiten

el entrenamiento en ambientes seguros.

En este capítulo se conceptualizan los sistemas SCADA, se realiza un análisis de las partes

que los componen y se mencionan algunos de los más utilizados. También se explica en

qué consisten los sistemas didácticos de entrenamiento y se describen sus partes

fundamentales.

1.1 Sistemas SCADA

La expresión “SCADA” deriva de las siglas en inglés de “Supervisory Control And Data

Adquisition”, que traducidas al idioma español se interpreta como “Control Supervisorio y

Adquisición de Datos”. Con la premisa de que los primeros sistemas de supervisión se

dieron a conocer en los Estados Unidos, se ha generalizado la utilización de las siglas

SCADA para hacer referencia a dichos sistemas (Lakhoua, 2009).

Un sistema SCADA o también llamado “Sistema Supervisorio” es una aplicación o

conjunto de aplicaciones de hardware y software. El HMI (Human Machine Interface) está

diseñado para funcionar sobre computadoras de control de producción, con acceso a la


planta mediante la comunicación digital con instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica

de alto nivel para el operador (Pérez-López, 2015).

Aunque en sus inicios sólo era un software que permitía la supervisión y adquisición de

datos de un proceso controlado. En los últimos tiempos han surgido una serie de productos

de hardware y buses especialmente diseñados o adaptados para este tipo de sistemas. El

sistema es capaz de comunicarse con los dispositivos de campo para controlar el proceso de

forma automática desde la pantalla de la computadora. La interfaz es configurada a partir

de las necesidades del usuario y puede ser modificada con facilidad. Además, provee a

diversos usuarios, de toda la información que se genera en el proceso productivo.

1.1.1 Características de los sistemas SCADA

Los sistemas SCADA presentan como principal característica el control supervisorio

(Pérez-López, 2015). El operador supervisa el control sobre el proceso, no solo monitorea

el estado de las variables que actúan sobre la planta; sino que puede actuar y modificar las

variables de control en tiempo real, algo que pocos sistemas permiten con la facilidad que

ofrecen los sistemas SCADA. La diferencia principal radica en que las variables de control

en los clásicos están distribuidas sobre los controladores electrónicos de la planta. Esto

dificulta mucho las variaciones en el proceso, ya que una vez implementados, estos

sistemas no permiten optimizar el control en tiempo real.

Según (Gómez, 2008) los sistemas SCADA se caracterizan principalmente por la

adquisición y el almacenamiento de datos para procesar y almacenar la información

recibida de forma continua y confiable. Muestran una representación gráfica y animada de

las variables de procesos y su monitorización por medio de alarmas, permiten la ejecución

de acciones de control para modificar la evolución del proceso ya que estos permiten al

operario actuar ya sea sobre los reguladores autónomos básicos o directamente sobre el

proceso. Los SCADA presentan arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación

y adaptación, conectividad con dispositivos de campo, otras aplicaciones y bases de datos,

entre otras. Se caracterizan por poseer sistemas de alerta sobre cambios detectados en la

planta, tanto aquellos que no se consideren normales como los que se produzcan en su

operación diaria que son usualmente conocidos como alarmas y eventos respectivamente.

Todo esto sin excluir la característica de control supervisorio.


1.1.2 Componentes de hardware de un sistema SCADA y sus principales funciones

Para (Gómez, 2008), como cualquier aplicación industrial, un sistema SCADA consta de

determinados componentes para poder procesar y gestionar la información, los cuales se

describen a continuación.

Computadora Central o MTU (Master Terminal Unit)

La computadora central es en la que se supervisa y se recoge la información ya sea

directamente de los instrumentos de campo o de otras computadoras a las que esté

conectada si el sistema es más complejo. De esta manera se entiende que el sistema

menos complejo es en el que el MTU es la única unidad de computo que lo

compone. Este componente normalmente se encuentra en el tercer nivel del sistema.

El MTU tiene como principales funciones:

Intercambio de información con los RTU (Remote Terminal Units) donde

generalmente se sigue un esquema servidor-cliente.

Funciona como interfaz HMI donde se muestran los estados de las variables en

tiempo real, se realiza la administración de alarmas y son recolectados y

presentados los datos en históricos.

Unidades de cómputo remotas o RTU

Estas unidades son las que están situadas en nodos estratégicos encargadas de

ejercer el control automático de los subprocesos; reciben la señal de los

instrumentos de campo, manipulan elementos acción final y ejecutan el software de

la aplicación encargado del control. Se encuentran en un nivel, normalmente

llamado segundo, intermedio entre los MTU y los instrumentos de campo.

Red de comunicación

Este es el componente encargado de la gestión de la información entre los

elementos de campo y las computadoras que se encuentren en la red. El protocolo

de comunicación empleado puede ser muy variado en dependencia de las

características del sistema ya que los software para implementar SCADA y los

elementos de campo no permiten el trabajo con todos los protocolos que pueden ser

implementados. Los clientes SCADA correspondientes al nivel administrativo


generalmente son implementados sobre sistemas WAN (Wide Area Network) de

comunicaciones, ya que los RTU suelen estar deslocalizados geográficamente. Sin

embargo, la interacción entre sensores, actuadores y RTU, correspondientes a los

primeros tres niveles, se realiza a través de buses de campo.

Instrumentos de Campo

Son aquellos que permiten la automatización o control del sistema, integrado por

controladores y actuadores encargados de ejecutar la acción de control e interactuar

con subsistemas para obtener cambios respectivamente; por otra parte, se

encuentran los sensores que captan la información incluyendo el estado de las

variables. A este componente es conocido como primer nivel del sistema.

1.1.3 Componentes de sofware de un sistema SCADA y sus funciones

Los módulos de software que para (Gómez, 2008) integra un SCADA junto a sus funciones

se describen a continuación:

Configuración

La configuración permite el diseño del entorno de la aplicación conforme con las

necesidades del operador y delimita los niveles de acceso para la variedad de

usuarios. La configuración con la selección de los drivers de comunicación

garantiza el intercambio de información con los elementos de campo y su

intercomunicación en red o no. Es donde se indican en forma de tabla o lista las

variables a visualizar, procesar o controlar de tal manera que queden definidas para

facilitar el proceso de programación.

Interfaz gráfica del operador

La interfaz gráfica ofrece la posibilidad de la generación de reportes, representación

de alarmas y la supervisión como funcionalidades distintivas. Los datos adquiridos

se utilizan para la generación de representaciones gráficas, predicciones, gestión de

la producción y gestión administrativa-financiera, entre otras. Con la gestión de

alarmas se mantiene al tanto al operador de situaciones no aceptables o perjudiciales

a través de señales visuales o sonoras. La supervisión es llevada a cabo por el


usuario a partir de la evolución de las variables de control y así tomar decisiones

más acertadas.

Módulo del proceso

En el módulo del proceso es donde se realiza la adquisición de los datos y el

control. Se recolecta, procesa y almacena de forma ininterrumpida la información

recibida de los elementos de campo. Con el procesamiento de la información

recolectada se toman acciones sobre los elementos de acción final que pueden ser de

forma manual o automática y así modificar la evolución del proceso.

Gestión y archivo de datos

Se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, según formatos

compatibles para elementos periféricos de hardware o software del sistema tales

como impresoras, bases de datos, hojas de cálculo, entre otros; de forma que otra

aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.

1.1.4 Principales software para la implementación de un SCADA

A causa de la utilidad e importancia demostrada de los sistemas SCADA en la industria,

son numerosas las firmas desarrolladoras de tecnologías para el control de procesos que

dirigen esfuerzos en la fabricación de este tipo de aplicación. A continuación, se describen

algunos de estos software separados por fabricante.

Proveedor: National Instruments

LabView

Esta herramienta según (Acosta, 2017) presenta un ambiente de desarrollo

gráfico sencillo para dominar por ingenieros. Posibilita el desarrollo fácil de

interfaces de usuario sin la necesidad de utilizar código de programación ya

que las funciones son implementadas por diagrames de bloque.

El lenguaje está basado en un modelo de programación de flujo de datos el

cual está denominado G, que elimina la rigidez de la programación por

texto. También se puede agregar que es el único sistema de programación

gráfica que presenta un compilador que genera código optimizado

comparable con lenguajes como C en cuanto a velocidad de ejecución. Este


software es capaz de reconocer cualquier instrumento mediante un asistente

que esté conectado a la computadora mediante un asistente que instala los

controladores necesarios para su funcionamiento facilitando la

comunicación al instante.

Debido a que ofrece una integración incomparable con dispositivos de

hardware, presenta numerosas bibliotecas integradas para el análisis avanzado y

visualización de datos y a la facilidad de construir aplicaciones en un

ambiente gráfico, las últimas versiones se han utilizado ampliamente para

desarrollar aplicaciones para la supervisión y control de procesos.

Lookout

Este software es presentado por su fabricante como el principal para el

desarrollo de HMI de sistemas SCADA. Igual que el anterior presenta

control ActiveX para aplicaciones industriales. Brinda la posibilidad a los

usuarios de utilizar cualquier producto con control ActiveX disponible

independientemente que este pertenezca a National Instruments o a terceros

para el desarrollo de las aplicaciones.

El software HMI/SCADA orientado a objetos y de fácil uso es un

contenedor ActiveX para integrar y controlar objetos, y desarrollar las

aplicaciones de manera sencilla y rápida. Es importante enunciar la

característica de su integración plena con las funciones de internet, como es

la creación de reportes HTML (HyperText Markup Language), envío de

correos electrónicos y exportar algunos procesos a través de la web para no

solamente monitorizar, sino controlar algunos procesos en forma remota

(Acosta, 2017).

Proveedor: Opto 22

FactoryFloor Software

Se trata de un conjunto de productos de software integrados en uno para el

control industrial que es capaz de resolver la mayoría de las necesidades de

automatización de una planta. OptoControl es un ambiente de desarrollo


gráfico e intuitivo que combina control analógico, control digital,

comunicaciones seriales y de red. OptoDisplay provee funciones completas

para HMI con capacidad multimedia. OptoServer es el servidor de datos

para clientes OPC y DDE (Dynamic Data Exchange) en ambiente Microsoft

Windows. OptoConnect proporciona una interface bidireccional entre los

sistemas de datos y los sistemas de control, con extensión hacia Microsoft

SQL Server y bases de datos de Microsoft Access (Opto22, 2019).

Proveedor: Siemens

WinCC Profesional

Siemens ofrece un sistema SCADA/HMI que está perfectamente integrado

en el “Portal TIA” y con el cual está preparado de manera óptima para los

requisitos de la creciente digitalización de los procesos de producción. Es un

sistema de control y monitorización de procesos basados en PC para

visualización y control de procesos, flujos de producción, máquinas y

plantas en todos los sectores, desde la simple estación de un solo usuario

hasta los sistemas multiusuario distribuidos y soluciones de ubicación

cruzada con clientes web. La funcionalidad de los sistemas se puede ampliar

aún más si se emplean opciones para WinCC RT Professional u opciones

SCADA (Siemens, 2019).

Proveedor: SERCONI

EROS

EROS es un sistema de supervisión y control de procesos industriales.

Realiza variadas funciones dentro del entorno de la dirección de los

procesos. Facilita a los operadores, ingenieros, supervisores y directivos

operar y dirigir cualquier proceso con más eficiencia y productividad. Puede

trabajar acoplado con diversos sistemas de colección de datos y control,

como elemento único o formando parte de una red industrial. Cumple con la

plataforma multiusuario, el EROS es un sistema distribuido en el cual sus

diferentes componentes se interconectan a través de la intranet empresarial.

Los componentes que cooperan entre si son: Estaciones de Medición,


Estaciones de Visualización, Servidores de Reportes y Servidores de

Tiempo. Estos componentes pueden estar en computadoras separados

vinculados a través de una red ethernet o en un mismo computadora (EROS,

2016).

Proveedor: Progea

Movicon

Este software no solo proporciona una gran variedad de herramientas para

crear potentes sistemas de visualización y control con gran facilidad, sino

que también incorpora las tecnologías más innovadoras para permitir una

fácil integración de aplicaciones en todo el mundo, tanto en la distribución

de información hacia sistemas de gestión de información empresarial, como

la distribución de información a clientes locales o remotos a través de la

web. Está completamente basado en estándares XML (eXtensible Markup

Language) y tecnologías bien establecidas como servicios web, gráficos

SVG (Scalable Vector Graphics), OPC, SQL (Structured Query Language),

ODBC (Open DataBase Connectivity), .Net, así como tecnología Java.

Permite realizar cualquier tipo de aplicación de supervisión ya sea simple o

compleja. Incluye el control de E/S, sistemas de visualización HMI locales y

potentes aplicaciones SCADA. Posibilita el desarrollo de ventajosos

sistemas de adquisición y análisis de datos para la gestión y optimización de

la productividad. Presenta sistemas de alarma por avisador, que notifican al

personal de guardia mediante control remoto (Progea, 2019).

1.2 Protocolos generales para el intercambio de datos entre aplicaciones SCADA

Las organizaciones han tenido la necesidad de integrar todas sus áreas funcionales con el

propósito de disponer de información desde la parte operativa hasta los niveles gerenciales

de la empresa. El mercado proporciona a la industria soluciones diferentes a nivel

administrativo con respecto a los sistemas para la supervisión y control de procesos. Al

tratar de integrarlas deben enfrentar un alto grado de heterogeneidad debido a las diferentes

tecnologías, metadatos, lenguajes de programación e interfaces utilizadas (Montero, 2004).


Las organizaciones reconocidas en el campo de la integración industrial han estado

trabajando en estándares que permitan llevar el proceso de integración empresarial a un

nivel de abstracción, donde la interoperabilidad y adaptación en las empresas de

manufactura ayuden a cumplir con los requerimientos de la industria actual, por lo que son

numerosos los estándares empleados.

1.2.1 Definición de protocolo

Un protocolo de comunicación es un conjunto de normas y especificaciones que deben

cumplir las aplicaciones para lograr el intercambio de información entre ellas. Es ``el

lenguaje común que utilizan´´ por lo que deben conocer su sintaxis, gramática y todas las

reglas para poder entablar la comunicación de manera satisfactoria (Chacón, 2012).

1.2.2 Elementos que definen un protocolo

Existen tres elementos fundamentales que definen un protocolo:

Sintaxis

Se refiere al formato, codificación y niveles de señal de datos.

Semántica

Es la información de control y gestión de errores.

Temporización

Se refiere a la coordinación entre la velocidad y orden secuencial de las señales.

1.2.3 Funciones de un protocolo

Durante el intercambio de datos entre aplicaciones deben quedar claramente establecidas

ciertas funciones para que la conexión sea caracterizada por protocolo. Las principales

funciones de un protocolo se describen a continuación:

Segmentación

Para que exista una comunicación eficiente, es recomendable dividir los bloques de

datos en unidades pequeñas e iguales en tamaño. El bloque básico de segmento en

una cierta capa de un protocolo se le llama PDU (Protocol Data Unit).


Encapsulado

Se refiere al proceso de adherir información de control al segmento de datos. Esta

información de control es el direccionamiento del emisor/receptor, código de

detección de errores y control de protocolo.

Control de conexión

Hay bloques de datos, sólo de control además de datos y control. Cuando se utilizan

datagramas, todos los bloques incluyen control y datos ya que cada PDU se trata

como independiente. Hay protocolos más sencillos que otros, por lo que los

protocolos de los emisores y receptores deben ser al menos compatibles.

Entrega ordenada

El envío de los PDU puede acarrear el problema de que, si hay varios caminos

posibles, lleguen al receptor desordenados o repetidos, por lo que el receptor debe

tener un mecanismo para reordenarlos. Hay sistemas que tienen un mecanismo de

numeración; con un módulo suficientemente alto como para que sea imposible que

haya dos segmentos en la red al mismo tiempo y con el mismo número.

Control de flujo de datos

Existen controles de flujo de parada y espera o de ventana deslizante. El control de

flujo es necesario en varios protocolos ya que el problema de saturación del receptor

se puede producir en cualquier momento.

Control de errores

Generalmente se utiliza un temporizador para retransmitir una trama una vez que no

se ha recibido confirmación después de expirar el tiempo del temporizador. Cada

capa del protocolo debe tener su propio control de errores.

Direccionamiento

Cada dispositivo intermedio de almacenamiento debe tener una dirección única para

evitar conflictos. A su vez, en cada terminal o sistema final puede haber varios

agentes o programas que utilizan la red, por lo que cada uno de ellos tiene asociado

un puerto.


Multiplexión

Esto se refiere a la capacidad de multiplexar las conexiones de una capa hacia otra,

es decir que, de una única conexión de una capa superior, se pueden establecer

varias conexiones en una capa inferior del modelo OSI (Open System

Intercomunication), o también se puede en forma inversa.

Servicios de transmisión

Entre los servicios que puede prestar un protocolo está por ejemplo el servicio de

“Prioridad”, este se refiere como su nombre lo indica a la prioridad de algunos

mensajes deben tener sobre otros, en este sentido se puede mencionar por ejemplo

que los mensajes de control tienen prioridad sobre los mensajes de monitorización.

1.2.4 Protocolos comúnmente utilizados

Son numerosos los protocolos de comunicación utilizados usualmente en la industria.

Algunos de los más utilizados se caracterizan a continuación.

DNP3 (Distributed Network Protocol)

Es un protocolo diseñado específicamente para su uso en aplicaciones SCADA

(Dijort, 2012). Permite a las Unidades Centrales o MTU obtener datos de las RTU a

través de comandos de control predefinidos. En el diseño del protocolo no se tuvo

en cuenta mecanismos de seguridad, por tanto, carece de cualquier forma de

autenticación o cifrado. Puede ir encapsulado sobre TCP/IP (Transmission Control

Protocol/Internet Protocol).

Una nueva versión del protocolo llamada DNPSec ha sido diseñada para incluir

confidencialidad, integridad y autenticación sin mucho impacto en las

implementaciones DNP3 ya existentes (Chacón, 2012).

ICCP (Interconnection-Center Communication Protocol)

Este protocolo es comúnmente usado en los sistemas SCADA/DCS de compañías

de generación y distribución de energía. Es un protocolo especialmente adaptado a

las necesidades de comunicación de las compañías eléctricas (Martinez, 2013).

Proporciona conectividad entre subestaciones y centros de control y supervisión. El


intercambio de datos consiste típicamente en monitorización en tiempo real, datos

de control, valores de medida, programación, contabilidad y mensajes de operador.

Modbus

Protocolo de la capa de aplicación empleado sobre RS-232, RS-422, RS-485 o

TCP/IP. La principal ventaja es su simplicidad y es ampliamente usado en procesos

de control de sistemas SCADA. Para el caso de redes Ethernet existen dos

especificaciones: Modbus Plus y Modbus/TCP. Destaca en el modelo de

arquitectura Modbus/TCP el módulo ``Access Control Module´´, diseñado para

restringir el acceso a servidores desde determinados clientes en entornos críticos. Se

basa en listas de IP autorizadas.

Modbus TCP/IP se ha convertido en uno de los estándares industriales debido a su

simplicidad, necesidades mínimas en cuanto a componentes de hardware, es un

protocolo abierto y de bajo costo. Se utiliza para monitorizar, gestionar e

intercambiar información entre dispositivos, así como para la gestión de

entradas/salidas distribuidas por lo que es uno de los protocolos más popular entre

los fabricantes (Rueda, 2010).

La combinación de Ethernet que es una red física versátil y escalable con el estándar

universal de inter-redes TCP/IP unido a la representación de datos independientes

de fabricantes como Modbus, proporciona una red abierta y accesible para el

intercambio de datos de procesos.

El protocolo Modbus TCP encapsula una trama Modbus en un segmento TCP. TCP

brinda un servicio orientado a conexión fiable, esto significa que toda consulta

espera una respuesta. Esta técnica de consulta-respuesta encaja perfectamente con la

naturaleza maestro/esclavo de Modbus, unido a la ventaja de determinismo que las

redes Ethernet conmutadas brindan a los usuarios en la industria. La utilización del

protocolo abierto Modbus con TCP otorga una solución para la gestión desde unos

pocos a decenas de miles de nodos.

Las prestaciones dependen prácticamente de la red y el hardware. Si se utiliza

Modbus TCP/IP sobre internet, las prestaciones serán las correspondientes a

tiempos de respuesta en internet, que no siempre serán las aspiradas para un sistema


de control. Sin embargo, pueden ser suficientes para la comunicación destinada a

depuración y mantenimiento, evitando así desplazamientos al lugar de la

instalación. Si disponemos de una internet de altas prestaciones con conmutadores

ethernet de alta velocidad la situación es completamente diferente (Nuñez, 2009).

OPC

OPC es una interfaz de comunicación de aplicaciones estándar, basada en OLE

(Object Linking and Embedding), que puede simplificar el desarrollo de drivers de

E/S y mejorar el rendimiento de los sistemas de interfaz. Con OPC el usuario decide

libremente que componente de hardware es el mejor para una determinada

aplicación dado que no habrá discusiones sobre el desarrollo de drivers. Cada

fabricante de software y hardware solo tendrá que implementar una interfaz, sin ser

necesario ya un driver para cada sistema de hardware producido por fabricantes

diferentes (OPCFundation, 2019).

OPC establece una línea de comunicación entre los proveedores de hardware y los

diseñadores de software. OPC provee un mecanismo para registrar datos de una

fuente de información y comunicarla a cualquier cliente, en forma transparente. Un

fabricante puede desarrollar un servidor reusable, favorablemente perfeccionado,

que se comunique con la fuente de datos, y mantenga a su vez un mecanismo para

acceder a la fuente de datos y dispositivos en forma eficaz. OPC proporciona una

interfaz entre el servidor y cualquier cliente, para así poder acceder a los

dispositivos. Se diseñó para permitir aplicaciones donde el cliente accede a datos

entre los niveles de automatización de una manera consistente.

Con aceptación por parte de los principales fabricantes, OPC proporciona

beneficios (OPCFundation, 2019) tales como:

Los fabricantes de hardware sólo tienen que desarrollar e integrar

componentes al software para que los clientes o usuarios, entiéndase por

quien realiza la aplicación, los puedan utilizar en sus aplicaciones.

Los diseñadores de software no tendrán que volver a reescribir sus

drivers (Upgrade) debido a cambios de las características de su

hardware.


Los clientes tienen más opciones de desarrollar sus sistemas de varios

niveles, si hacen uso de la integración de una gama más amplia de

sistemas de hardware de diversos fabricantes.

Tipos de Servidores OPC

Son varios los tipos de servidores OPC definidos por la Fundación OPC,

entre los que se tienen:

OPC DA Server - Basado en la especificación OPC Data Access -

Especialmente diseñado para la transferencia de datos en tiempo real.

OPC HDA Server - Basado en la especificación OPC Historical Data

Access - Provee los clientes OPC HDA con datos históricos.

OPC A&E Server - Basado en la especificación OPC Alarms & Events -

Transfiere la información de alarmas y eventos a clientes OPC A&E.

OPC UA Server – Basado en la especificación Arquitectura Unificada.

Es la más reciente desarrollada, permite al OPC Server intercambiar

cualquier tipo de dato.

1.3 Sistemas didácticos de control de procesos

Los entrenadores de procesos surgen como sustento para el desarrollo de las tareas


deficiencias producto, entre varios motivos, por la sobrecarga de información o la fatiga y

la complejidad del proceso a controlar. Los esfuerzos son dirigidos dentro de lo posible a la

automatización del análisis de los datos, la detección de fallos, así como su diagnóstico y la

toma de decisiones o propuesta de acciones concretas. Es relevante su importancia su

importancia sobre todo cuando la complejidad de la planta a controlar es de alto grado.

Estos sistemas capacitan para comprender detalladamente el proceso asignado y simular

situaciones reales comunes en la industria. Debido al auge de la implementación de

sistemas didácticos de entrenamiento en el desarrollo de personal altamente calificado en

los centros de enseñanza se ha redirigido esfuerzos a su estudio. A partir de las

investigaciones estos han sido definidos además de haberse elaborado metodologías que

describen su funcionamiento.


1.3.1 Partes fundamentales de los sistemas didácticos de control de procesos

Los sistemas didácticos de entrenamiento están compuestos por tres partes fundamentales:

software, hardware y planta didáctica (Ramirez, 2016); como se observa en la Figura 1.1.

Figura 1.1 Partes de los sistemas didácticos de control de procesos

Las tres partes interrelacionadas son las encargadas de traducir del entorno gráfico y fácil

de operar a un entorno de manejo de potencia además de conversiones de datos físicos a

digitales, necesarios en el cómputo de los controladores y manejo de las variables.

Software de control y simulación (Software)

El software es la herramienta que utiliza el usuario para establecer la comunicación

con el sistema. Es la interfaz en la cual se observa el proceso simulado y es posible

la configuración y el ajuste de los parámetros del sistema.

Módulo central de procesamiento (Hardware)

El hardware son los dispositivos utilizados para el control de procesos y el soporte

del software. Es común encontrar dispositivos como PLC, microcontroladores,

circuitos empotrados, PC, entre otros. Son los encargados de recibir las señales

mediante transductores, procesarlas y tomar acciones sobre el sistema.

Planta didáctica

Las plantas didácticas son plantas a escala de maqueta que emulan procesos

comunes en la industria con objetivo pedagógico. Estas están enfocadas a facilitar la


comprensión del control y automatización apoyando la labor de enseñanza y

aprendizaje.

1.3.2 Funciones básicas de los sistemas didácticos de control de procesos

Según (Moreno, 2017), en los sistemas didácticos de entrenamiento es necesario

implementar teniendo en cuenta una metodología bien definida dos funciones básicas, la

simulación y el entrenamiento; a las cuales, por supuesto, debe dárseles igual importancia a

cada una de ellas ya que constituyen componentes claves para un correcto desempeño del

sistema que se implemente.

Simulación

La utilización de simuladores de procesos ha tomado auge ya que esta permite el

estudio, diseño, análisis y optimización de sistemas y procesos industriales. Estos

beneficios constituyen ahorro de tiempo y recursos en el análisis y evaluación de

procesos a nivel industrial, que por su complejidad resultaría demasiado engorroso

su implementación en un laboratorio para realizar estudios en tiempo real.

El uso de los simuladores en las industrias se originó durante la crisis energética del

petróleo en los años 70, en la que estas se vieron obligadas a optimizar sus procesos,

y a reducir los costos de inversión. Inicialmente se dieron a conocer en

universidades de los Estados Unidos y en algunas industrias varios programas de

simulación con estructuras rígidas para la introducción de las variables de entrada y

con resultados de difícil comprensión para los operadores (Gonzalez, 2010).

Los simuladores tienen como característica en común la representación virtual de

situaciones reales a través de un modelo que constituye una abstracción de la

realidad. Estos tienen como objetivo comprender el comportamiento del sistema y

evaluar de esta manera diferentes tipos de estrategias para su mejor operación, por

medio de elementos matemáticos y tecnológicos. Dentro de los simuladores más

usados encontramos hardware de simuladores, destacándose IPA Virtual, LabVolt

Modul A6 y PLC Sim-S7 y simuladores de procesos con microcontroladores. Otros

de estos simuladores son los software de simulación por computadora (Zurita,

2014).


Con la utilización de los simuladores en la educación son numerosos los autores que

han reconsiderado las prácticas de laboratorio. La decisión se debe a que el

potencial de la simulación incluye recursos didácticos tales como la visualización de

los procesos de manera digital fomentando el interés del estudiante. Esto favorece el

aprendizaje y optimiza el tiempo presencial disponible en el laboratorio (Quesada,

2014).

Entrenamiento

El entrenamiento es la acción que se refiere a la adquisición de conocimientos,

habilidades, y capacidades como resultado de la enseñanza de habilidades o

prácticas y conocimiento relacionado con aptitudes que encierran cierta utilidad.

Este forma el centro del aprendizaje y proporciona la base de los contenidos en las

personas que estén desarrollando esta actividad (Gonzalez, 2010).

Actualmente el entrenamiento está vinculado con varias herramientas, una de ellas

es la simulación, esta es usada en el entrenamiento o preparación de las personas. La

simulación es fundamental ya que se utiliza cuando es prohibitivamente caro o

simplemente muy peligroso permitirle usar equipo real a un aprendiz en el mundo

real. Su importancia está en que las personas aprenden valiosas lecciones en un

ambiente virtual seguro y que estas pueden cometer errores durante el

entrenamiento para un sistema crítico de seguridad.

Los entrenadores de procesos surgen como sustento para el desarrollo de las tareas


deficiencias producto, entre varios motivos, por la sobrecarga de información o la

fatiga y la complejidad del proceso a controlar. Los esfuerzos son dirigidos dentro

de lo posible a la automatización del análisis de los datos, la detección de fallos, así

como su diagnóstico y la toma de decisiones o propuesta de acciones concretas. Es

relevante su importancia su importancia sobre todo cuando la complejidad de la

planta a controlar es de alto grado. Estos sistemas capacitan para comprender

detalladamente el proceso asignado y simular situaciones reales comunes en la

industria (Moreno, 2017).


1.4 Estudios anteriores relacionados con el tema

En el trabajo Diseño y montaje de un entrenador con el controlador lógico

programable PLC S7-200 de SIEMENS, se construye un módulo para configurar,

programar y usar un autómata de SIEMENS. El sistema consiste en un simulador de

entradas. Estos dispositivos se usan para que el PLC “testee y actúe” según su

programación. El sistema de supervisión y control se realiza desde el autómata aunque se

puede realizar la monitorización desde una PC (Perez, 2008).

El proyecto Diseño e implementación de un entrenador de Controladores Lógicos

Programables con Interfaz Humano-Máquina para el desarrollo de prácticas y

proyectos en el área de automatización y control industrial, para el Laboratorio de

Control e Instrumentación de La Universidad de Nueva Esparta, se enfoca en el diseño

e implementación de un entrenador de PLC con interfaz humano-máquina. La estación de

entrenamiento implementada está equipada con dispositivos de entrada y salida similares a

elementos de campo que permiten la recreación de múltiples procesos. La estación posee

una conexión a un bus industrial que además de interfaz de programación permite la

capacidad de monitorizar el proceso en tiempo real de manera local o remota a través de

una interfaz humano-máquina desarrollada y simulada en la plataforma software STEP-7

Professional V11(García, 2013).

El Instituto Politécnico Nacional, en Querétaro, desarrolló un software para el

entrenamiento en control de procesos, en el cual el estudiante puede variar entre diferentes

tipos de controladores y modificar a su entender los parámetros, así como seleccionar la

señal de entrada que recibirá el proceso. El software es aplicable a procesos de control de

velocidad, nivel y posición. También presenta la flexibilidad de incluir nuevos procesos y

visualizar su comportamiento, observándose en la pantalla el comportamiento instantáneo

de las principales variables del proceso para su control. Para el desarrollo de la interfaz

gráfica se utilizó el software Visual Studio implementando el lenguaje de programación

C++ (Bautista, 2016).

Análisis de los casos seleccionados

Los estudios anteriormente mencionados solo se le presta atención a la capacitación en la

operación del proceso y el control. No se tiene en cuenta que el operador para interactuar


con la planta debe ser capaz de dominar sistemas anteriores que constituyen el vínculo,

tales como los SCADA, por lo que no fomentan habilidades en la implementación de estas

herramientas.

1.5 Consideraciones finales del capítulo

Los sistemas SCADA constituyen un pilar fundamental en la automatización de procesos

por lo que son comúnmente encontrados en las industrias. La comunicación entre software

e instrumentación facilitan el control de los procesos debido a la numerosa información que

se maneja. El protocolo OPC es una alternativa viable donde la heterogeneidad de

desarrolladores de herramientas para el control está presente en los sistemas automatizados.

Son numerosos los software utilizados para la implementación de sistemas SCADA, los

cuales ofrecen una variada gama de herramientas para el procesamiento de los datos aunque

cada uno se especializa en una parte del sistema. Dentro de los analizados destaca el

software LabVIEW para la sintonización de reguladores por los diferentes paquetes de

herramientas que brinda, especializados en el desarrollo de la teoría del control. También

resalta el software Movicon por las facilidades que ofrece para la creación del HMI, la

gestión de sistemas de alarma y la forma de manejar los datos en forma de históricos para

su almacenamiento y procesamiento.

La implementación de entrenadores garantiza la adquisición de conocimientos y

habilidades con la realización de prácticas seguras. Brindan un acercamiento entre los

estudiantes y los procesos comúnmente encontrados en la industria resultando una mayor

capacitación a la hora de enfrentarse a situaciones reales.

CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR 24

CAPÍTULO 2. DESARROLLO DEL ENTRENADOR

Para la elaboración del sistema son diversas las herramientas de software y hardware

existentes. Dentro de las más importantes se encuentran los software Movicon y SCD

SAD-100.vi, la maqueta ALECOP SAD-100, la tarjeta de adquisición de datos NI USB-

6212, entre otras. En este capítulo son descritos y caracterizados los materiales y métodos

utilizados para el desarrollo de la aplicación.

2.1 Caracterización de Movicon

Movicon (Monitoring, Vision and Control) es un software SCADA/HMI distribuido por

Progea inicialmente diseñado para industrias especializadas en automática y control de

procesos para edificios inteligentes (Contreras, 2011, Valdéz, 2009). Después de varios

años de su uso y adquisición de experiencias recibió mejoras que posibilitaron incrementar

sus prestaciones y funcionalidades lográndose su aplicación a numerosas industrias.

Actualmente ha sido implementado en procesos tales como: las industrias de maquinarias,

distribución eléctrica, automotriz, la domótica, farmacéutica y textil. En el contexto

internacional goza de gran prestigio por lograr integrar simplicidad y potencia. En Cuba lo

comercializa la empresa COPEXTEL. Actualmente se comercializa la versión Movicon

11.4 (Suazo, 2014). Una valoración sobre sus características y prestaciones se realiza a

continuación.

Simplicidad de uso:

Presenta un espacio de trabajo cómodo para los usuarios que prefieren Windows

como Sistema Operativo, asistentes integrados para realizar funciones comunes y

herramientas para la importación de variables.


Escalabilidad:

Posee un entorno de desarrollo para aplicaciones desde Windows CE hasta Windows

XP, los desarrolladores pueden implementar pequeñas aplicaciones para terminales

HMI, así como aplicaciones de mediana y gran complejidad para plantas de

procesamiento.

Sistema abierto:

Movicon se diseña como sistema abierto que utiliza estándares de Microsoft tales

como:

ActiveX permite insertar los objetos de los terceros.

ODBC se utiliza para la gerencia de la base de datos.

VBA para la programación en elementos tales como sinópticos y scripts.

OPC para la conectividad, importación y exportación de los datos.

Windows API (Application Program Interface) para garantizar la extensión de

sistema a través del DLL (Dynamic-Link Library).

Es una plataforma basada en XML, por tanto, los proyectos realizados sobre

este entorno de desarrollo son archivos de texto que pueden ser abiertos y

editados en cualquier editor XML.

Seguridad de los datos:

Utiliza algoritmos de encriptación de 128 bits en los archivos de texto, las funciones

de administración de usuarios y contraseñas que aseguran control de acceso por

niveles y/o áreas.

Uso de tecnologías estandarizadas:

Está completamente basado en estándares: SOAP (Simple Object Access Protocol),

Servicios Web, TCP-IP, UDP (User Datagram Protocol), HTTP, SQL; que

garantizan transparencia, fácil acceso a los datos y seguridad a la inversión del

desarrollador en el producto.


Alto rendimiento:

Esta mejora se debe a la renovación del concepto de “thread pooling” (asociación

de hilos) y el nuevo mecanismo de gráficos basado en SVG.

Alta conectividad:

El software ofrece drivers de comunicación que incluyen funcionalidades de

importación de variables (tags), conectividad remota vía modem, conceptos de

multiestación para protocolos punto a punto y pruebas de cableado inmediatas. Las

bibliotecas de drivers se incluyen sin costos adicionales.

Eficiente sistema de redes:

La administración integrada del sistema de redes se basa en las tecnologías

multiplataforma SOAP y SOA (Service Oriented Architecture). Soporta los

protocolos UDP, HTTP, TCP-IP y conexiones remotas automáticas vía RAS

(Remote Access Services). Ofrece tecnologías de Servicios Web para las cuales la

distribución de la información puede soportar redes públicas, como Internet, que

garantizan la seguridad sin ser perjudicial para ningún cortafuego.

Arquitectura “Web-enabled” (habilitada para la Web):

Se integra la tecnología JAVA con XML, SVG y las tecnologías de Servicios Web.

Así se permite acceso al servidor usando un navegador de internet sobre cualquier

sistema operativo. Posibilita conexión de usuarios múltiples, bidireccionalidad, alto

rendimiento y seguridad.

2.2 Caracterización del instrumento virtual ``SCD SAD-100.vi´´

El software se caracteriza por presentar dos ventanas de trabajo. La primera permite la

configuración del sistema como puede ser la modificación de las constantes del filtro

utilizado, los parámetros del controlador, la configuración de la tarjeta de adquisición de

datos, entre otros ver Figura 2.1.


Figura 2.1 Ventana de configuración

La segunda ventana constituye la de operación, donde el usuario es capaz de observar la

variación de las variables del proceso a partir de cambios que realice en el setpoint y

alternar entre el control automático y manual del proceso ver Figura 2.2.

Figura 2.2 Ventana de operación

El controlador utilizado para el desarrollo del software fue un PID, para lo cual se empleó

el PID.vi, propio del LabVIEW. Este instrumento virtual posee algunas consideraciones

prácticas como son: la selección del período de muestreo y la compensación del efecto

windup.


Para realizar la simulación del proceso se tomó el instrumento virtual Plant Simulator in

Engineering Units.vi perteneciente al ejemplo Manual-Automatic Control with Engineering

Units de LabVIEW. En el software desarrollado se implementaron filtros exponenciales

paso bajo de primer orden, puesto que el filtraje de las señales es de gran importancia para

eliminar los ruidos siempre presentes. Los mismos fueron colocados en el valor deseado, en

la salida del controlador y en la señal medida.

Para la implementación del sistema de entrenamiento es necesario cambios, que se explican

más adelante en el escrito.

2.3 Caracterización de la maqueta ALECOP SAD-100

El servosistema ALECOP SAD-100 consiste en una maqueta didáctica que permite el

control de velocidad y posición de un motor de corriente directa. El sistema está compuesto

por dos segmentos fundamentales (Alecop, 1986). El primero está integrado por: un eje

extendido para montaje directo del motor (1), el freno magnético (2), discos de inercia o

masa (3), encoder (4), potenciómetro (5) y tacodinamo (6), como se muestra en la Figura

2.3.

Figura 2.3 Eje extendido de la maqueta

La señal de mando necesaria oscila en el rango de +100V hasta -100V debido a la

existencia de un amplificador por medio del motor y el actuador.

El segundo fragmento hace alusión al panel actuador mostrado en la Figura 2.4 formado

por módulos o bloques: la fuente de potencia (7), el acondicionamiento del sensor de

velocidad (13), los acondicionamientos de los sensores deposición (9 y 10) que son el


potenciómetro analógico y el encoder, los generadores del valor deseado (11), el

accionamiento del freno magnético (13), el regulador PI (14). Entre los esenciales se

pueden describir:

Figura 2.4 Panel actuador de la maqueta

El bloque 7 posee dos funciones donde la primaria es la encargada de entregarle al sistema

los voltajes (+15, -15, +5) necesarios para su funcionamiento. Adyacentemente este bloque

participa como driver de potencia (Driver DC-DC) del motor, presentando la electrónica

adecuada para entregarle la energía suficiente para su accionamiento. Este driver recibe

valores referentes que oscilan entre +10V y -10V, donde 0V corresponde al reposo del

motor, 10V a la velocidad máxima en el sentido directo y -10V la velocidad máxima en

sentido inverso.

El bloque 11 lo integran amplificadores de instrumentación con una elevada impedancia de

entrada que permiten que al conectar al sistema un periférico tal como una tarjeta de

adquisición de datos no se produzca sobrecargas que afecten el funcionamiento. Este

bloque permite regular valores en el rango de +10V hasta -10V que actúan como setpoint

para el sistema en lazos de control.


El bloque 13 lo componen dos submódulos. El accionamiento del freno le suministra al

freno magnético una diferencia de potencial, la cual puede ser variada mediante el

potenciómetro en la parte inferior de este bloque, produciendo un par de frenado

proporcional a este voltaje. El acondicionamiento del tacodinamo consiste en una etapa de

amplificación que brinda un primer acondicionamiento del tacodinamo. Mediante el

potenciómetro en la parte superior del bloque se puede variar la ganancia del tacodinamo

consiguiéndose niveles absolutos hasta 10V a máxima velocidad de 2000 revoluciones por

minuto (rpm).

Función transferencial del conjunto actuador-motor

La función transferencial del sistema se obtuvo mediante pruebas experimentales

por parte de (Martín, 2018). Primero se ajustó el tacogenerador situado en el bloque

13 con la ayuda de un multímetro.

La relación, dado por el fabricante, existente entre velocidad del motor y el voltaje

entregado por el tacogenerador presenta una ganancia ajustable como se muestra en

la ecuación 2.1.

Vt= 0.7*Kp*Vel (2.1)

Donde:

Vt: Voltaje entregado por el tacogenerador en mV

Kp: Constante del potenciómetro en vueltas, ajustable

Vel: Velocidad del motor en rpm

Se montó el circuito de la Figura 2.5 correspondiente al lazo abierto del control del

sistema y se alimentó al actuador con un voltaje de 6.98V.

Figura 2.5 Lazo abierto del control de la maqueta


El potenciómetro fue ajustado hasta que el tacogenerador entregó 6.98 V para un

valor de Kp = 7.14. Con este valor, donde Vt en volts, se obtiene la ecuación 2.2

para el cálculo de velocidad.

Vel = (Vt*1000)/4.998 (2.2)

La característica estática del sistema actuador-motor se obtuvo con el empleo de un

multímetro para leer diferentes valores de voltaje de alimentación y del

tacogenerador. Con los resultados obtenidos tabulados (ver anexo I) y la utilización

del software MATLAB fue posible la elaboración de la gráfica 2.6. Esta gráfica

describe la característica entrada vs salida del sistema donde se observan la zona

muerta y la no linealidad en su comportamiento. La zona muerta se puede apreciar

entre +1.7 V y -1.7 V mientras que el sistema se comporta de manera lineal en los

intervalos de 250 rpm hasta 2000 rpm en el sentido directo y -250 rpm hasta -2000

rpm en el sentido inverso.

Figura 2.6 Característica estática del conjunto actuador-motor

El software desarrollado durante el curso 2017/2018 en la asignatura Herramientas

de Software para el Control permitió obtener una característica dinámica mediante

la identificación del sistema. La característica dinámica obtenida que se muestra en

la Figura 2.7, resultó ser un modelo de primer orden sin retardo como lo especifica

el fabricante. Se utilizó el LabVIEW para la obtención de las muestras, mediante un


paso de 3 V a 7 V en la entrada del servomotor, con una frecuencia de muestreo de

1000 Hz, fueron tomadas 1500 muestras.

Figura 2.7 Característica dinámica del conjunto actuador-motor

En el manual de (Alecop, 1986) se especifica que el sistema actuador-motor con

masa se comporta como un modelo de primer orden, descrito por la ecuación 2.3:

Vel(𝑠)/Va(𝑠)=𝐾/(𝜏𝑠+1) (𝟐.𝟑)

Dónde:

𝑉𝑒𝑙: Velocidad del motor en rpm

𝑉𝑎: Voltaje aplicado al actuador en V

𝐾: Ganancia del sistema actuador-motor en rpm/V

𝜏: Constante de tiempo del sistema actuador-motor en segundo.

Con varios juegos de valores y el toolkit ident del MATLAB se obtuvieron los

valores de K y 𝜏, fueron promediados. El valor obtenido de ganancia es de K = 212

rpm/V. La constante de tiempo del sistema en estudio obtenida fue 𝜏= 0.215 s.

Una vez realizadas las sustituciones de K y 𝜏 se tiene que la función transferencial

del sistema es la que se observa en la ecuación 2.4:

𝑉𝑒𝑙(𝑠)/𝑉𝑎(𝑠)=212/(0.215𝑠+1) (𝟐.𝟒)


2.4 Caracterización de la tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212

La tarjeta multifuncional de adquisición de datos NI USB-6212, que se muestra en la

Figura 2.8, es un dispositivo que ofrece E/S analógicas y digitales, así como dos contadores

de 32 bits. Posee un amplificador integrado designado para períodos de muestreo rápidos a

altas velocidades de procesamiento. Presenta tecnología de transmisión de señal que le

ofrece transmisión de datos bidireccional de alta velocidad de acceso directo a la memoria

(DMA) a través del bus serie universal (USB). El dispositivo es ideal para aplicaciones de

prueba, control y diseño, incluido el registro de datos portátil y monitorización de campo.

El USB 6212 cuenta con un encapsulado mecánico liviano y está alimentado por un bus

para un fácil transporte. Esta tarjeta posee un controlador NI-DAQ mx que facilita y

simplifica la configuración y las mediciones.

Figura 2.8 Tarjeta de adquisición de datos NI USB-6212

Dentro de sus características principales se encuentran (National_Instruments, 2018):

16 entradas analógicas simples y 8 diferenciales.

Tasa de muestreo máxima de 400 kS/s.

Rangos de entradas analógicas de ±0.2 V, ±1 V, ±5 V, ±10 V.

Razón de rechazo al voltaje en modo común (CMRR) con corriente directa y

frecuencia de 60 Hzde100 dB.

Impedancia de entrada de 10 GΩ en paralelo con100 pF.


Corriente de entrada de ±100 pA.

Dos canales de salida analógicos.

Tasa máxima de actualización de 250 kS/s por canal.

Rango de salida analógica de ±10 V.

Impedancia de salida de 0.2 Ω.

Rango de temperatura de operación de 0 ºC a 45 ºC.

2.5 Diseño de los niveles tres y cuatro del entrenador

El entrenador se caracteriza principalmente por presentar la posibilidad de alternar la

operación entre un proceso real, constituido por la maqueta ALECOP-SAD 100 y otro

simulado utilizando scripts implementados en el software Movicon. Se desarrolla el HMI

correspondiente al tercer nivel en el software SCADA/HMI Movicon, el cual fue titulado

SSEServidor. Con la utilización del protocolo de comunicación OPC es conectado al

software SSEControl, correspondiente al segundo nivel, implementado en LabVIEW

encargado del control y comunicación con la tarjeta NI USB-6212 para la adquisición de

los datos. Igualmente es conectado al cuarto nivel, software SSECliente desarrollado en

Movicon.

2.5.1 Arquitectura del entrenador

La arquitectura planteada permite el control y supervisión del proceso como nivel primario.

Utiliza una misma computadora con los software SSEControl, SSEServidor y SSECliente,

de manera simultánea que componen los niveles dos, tres y cuatro de automatización,

respectivamente. Es posible separarlos en computadoras diferentes, conectadas mediante el

protocolo TCP/IP, en una red de área local (LAN), ver Figura 2.9.


Figura 2.9 Arquitectura del Entrenador

La comunicación entre las aplicaciones se realiza mediante OPC y la comunicación entre el

servomecanismo y el software SSEControl, a través de una tarjeta de adquisición de datos

DAQ NI USB-6212. Se desarrolla un cliente en el software Movicon titulado SSECliente el

cual constituye el cuarto nivel de automatización.

2.5.2 HMI del software SSEServidor

La interfaz del software SSEServidor desarrollada en el software Movicon consta de cinco

pantallas de operación. La primera es titulada ¨Principal¨, es donde se le brindan las

posibilidades de seleccionar al usuario entre simular el proceso u observar los estados

reales de las variables del control automático de la maqueta ALECOP SAD-100, ver Figura

2.10. También presenta indicadores para seleccionar el setpoint de velocidad, muestra al

voltaje a la salida del actuador y la velocidad registrada del motor.

Figura 2.10 Pantalla ¨Principal¨ del SSEServidor


Por otra parte, se encuentran las pantallas de ¨Configuración¨ y ¨Control¨. La pantalla de

“Configuración” permite establecer como su título indica la configuración del proceso

como variación en la carga, ganancia y constante de tiempo, además incluye la

configuración del filtro y el controlador para su control automático. Sin embargo, la

interfaz titulada “Control”, ver Figura 2.11, es posible visualizar gráficamente el

comportamiento del setpiont, velocidad del motor y del voltaje a la salida del actuador.

También el usuario puede realizar la selección entre el control automático y el manual

asimismo como operar sobre las variables para el control del sistema.

Figura 2.11 Pantalla ¨Control¨ del SSEServidor

Se tienen las pantallas nombradas ¨Registros¨ y ¨Alarmas¨ donde se muestran los registros

de datos históricos del proceso automatizado y el estado de las alarmas activadas por el

valor de la velocidad a la que gira el motor respectivamente. Los valores de activación de

las alarmas están situados a las velocidades (en rpm) 1800 para Haigh, 1900 para High

High, -1800 para Low y -1900 para Low Low.

2.5.3 HMI del supervisor cliente SSECliente

Se crea un HMI para la supervisión en el cual las variables presentan permiso para solo

lectura del servidor OPC. Puede ser ejecutado desde otra PC conectada a la red mediante

TCP/IP. El cliente es configurado para leer las variables con las direcciones publicadas por

el servidor OPC sin tener permisos de escritura sobre estas. El software consta de una sola

pantalla que muestra gráficas, tablas e indicadores para la visualización de las variables que


describen el estado del proceso, ver Figura 2.12. Su uso está limitado a la supervisión de la

planta o del proceso simulado.

Figura 2.12 Pantalla del cliente SCADA

2.5.4 Conexión entre las aplicaciones utilizando OPC

Para establecer la comunicación entre la aplicación SSEControl y la aplicación

SSEServidor se deben seleccionar las variables a comunicar. Deben tenerse en cuenta el

tipo de variable y su tamaño para que exista compatibilidad al enviar y recibir los valores

de las mismas de una aplicación hacia la otra. Las principales variables comunicadas son la

que permite la selección del tipo de control, la velocidad deseada o setpoint, la velocidad a

la salida y el voltaje a la salida del actuador. La comunicación se establece en ambos

sentidos y se definen de esta forma adecuadamente las variables en: variables de solo

lectura o variables de lectura y escritura.

Para establecer la comunicación se activa el software SSEServidor como servidor OPC. En

el explorador del proyecto se accede a RealTimeDB (Base de Datos en Tiempo Real) y se

modifican sus propiedades al activar la opción OPCServerDA, ver Figura 2.13. Al

modificar cualquier propiedad en la configuración del servidor OPC este debe ser

registrado en la red.


Figura 2.13 Propiedades de Real Time DB

Se procede a declarar las variables con sus propiedades correspondientes y a publicarlas en

el servidor OPC al modificar su propiedad EnableOPCServer, ver Figura 2.14. Se realiza

este procedimiento con cada variable que se desee compartir con SSEControl. Las variables

quedan a disposición de cualquier cliente en la red que solicite sus valores.

Figura 2.14 Variable Velocidad_SPSAD100 publicada en el servidor OPC

Para realizar la comunicación con el segundo nivel se accede a las propiedades de la

variable correspondiente en SSEControl y se ejecuta el panel Data Binding. Se selecciona

Data Socket que constituye la forma básica de comunicación con un servidor OPC. Se elige


la propiedad de la variable: lectura o lectura y escritura como se desee en cada caso. Para

finalizar se selecciona la variable que fue publicada en el software SSEServidor y

automáticamente se muestra su dirección asociada en la red, ver Figura 2.15.

Figura 2.15 Selección de la variable a conectar en el panel Data Binding

Los valores que adquieren las variables que describen el sistema, son enviados desde una

aplicación hacia la otra en tiempo real. La conexión entre las mismas garantiza el control

total del sistema desde cualquiera de las dos aplicaciones.

Para establecer la comunicación del SSECliente con el servidor OPC se accede a las

propiedades de cada variable que debe ser sobrescrita y se le configura la dirección de la

red donde está publicada la variable compartida como se muestra en la Figura 2.16.

Figura 2.16 Configuración del cliente para comunicación



El diseño de la interfaz del entrenador desde el punto de vista ergonómico cumple un papel

fundamental teniendo en cuenta que su distribución y formas de intervención del usuario

fundamenten los términos de usabilidad, capacidad de adecuación a la tarea; brinda al

usuario un entorno práctico, entendible y rápido con el cual pueda realizar sus tareas en

control y automatización del proceso enmarcados en carácter educativo.

Trabajar con OPC Fundation permite que cada empresa pueda desarrollar sus propias

aplicaciones para la automatización de procesos sin tener que depender o cumplir una

heterogeneidad con respecto a los proveedores. El protocolo OPC constituye un estándar de

aplicación en los dos software utilizados. Con la implementación del Servidor OPC DA se

realizó una conexión rápida del sistema entrenador que posibilitó una alta interacción y

eficiencia.

CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS 41

CAPÍTULO 3. ANÁLISIS DE LAS PRUEBAS REALIZADAS

Con el interés de fundamentar la correcta aplicación del software desarrollado es necesaria

la realización de pruebas que manifiesten su buen funcionamiento. Principalmente es

necesario comprobar si es posible la supervisión de procesos y verificar la simulación del

mismo. Primero se realizan pruebas de comunicación entre las aplicaciones mediante el

análisis de los cambios en los parámetros entre ellas. Posteriormente es necesario valorar la

operación del software desarrollado sobre la maqueta ALECOP SAD-100 para demostrar

las potencialidades de su aplicación pedagógica en el entrenamiento en sistemas SCADA.

3.1 Pruebas realizadas al software SSEControl con proceso real

Se realizaron varias pruebas simuladas en tiempo real con SSEControl, de las cuales son

descritas en el presente epígrafe las más sobresalientes. En cada caso el ajuste del regulador fue

realizado por el criterio de prueba y error. No se utiliza la acción derivativa debido a que esta

amplifica los niveles de ruido que posee el sistema de control de motor de CD si no se

implementa alguna modificación. Como proceso real se emplea la maqueta ALECOP SAD-100

conectada al software SSEControl mediante la tarjeta de adquisición de datos DAQ NI USB-

6212 para el control.

3.1.1 Controlador PI con ganancia proporcional Kc

Para realizar esta prueba se selecciona un PID académico (Normal) como controlador y

Ganancia (KC) como unidad proporcional. El controlador es ajustado con una ganancia

proporcional Kc = 0.0025 y como tiempo de integración Ti = 0.02 segundos. Como período

de muestreo se utilizó 5 milisegundos.

Como se puede observar en la Figura 3.1 la respuesta por parte del sistema es subamortiguada

con pocas oscilaciones.


Figura 3.1 Prueba real con controlador PI de ganancia proporcional

3.1.2 Controlador PI utilizando banda proporcional

Esta prueba se realizó con el objetivo de comprobar la utilización de la banda proporcional. El

tiempo de integración y período de muestreo utilizados coinciden con el de la prueba anterior

para comprobar la similitud de las respuestas. El valor de la banda proporcional fue situado en

200%. Como se puede observar en la Figura 3.2 la respuesta transitoria de la velocidad es

subamortiguada y es muy similar a la de la prueba realizada anteriormente.

Figura 3.2 Prueba real con controlador PI utilizando banda proporcional


3.1.3 Otras pruebas reales realizadas realizadas

Otras pruebas se efectuaron donde se varió la ganancia del controlador, se puede apreciar como

al disminuir la ganancia hasta Kc = 0.001 la respuesta transitoria se comporte de manera

sobreamortiguada y como el mando cambia bruscamente al sistema atravesar la zona muerta

caracterizada por estar cerca de los 2 V, ver Figura 3.3. Ver en el Anexo II las restantes pruebas

realizadas con sus correspondientes respuestas transitorias.

Figura 3.3 Prueba realizada con ganancia Kc = 0.001

3.2 Pruebas realizadas al software SSEControl con proceso simulado

Las pruebas empleando la simulación brindan la posibilidad de analizar el comportamiento

del sistema cuando se incorporan las alinealidades. El proceso simulado presenta una

ganancia K = 212 y constante de tiempo T = 0.21 segundos. A continuación, se muestran

algunos de los resultados obtenidos cuando el sistema presenta alinealidades.

3.2.1 Prueba realizada con proceso lineal

Esta prueba muestra el comportamiento del sistema sin la incorporación de de las

alinealidades. Como se puede observar en la Figura 3.4 la respuesta se comporta de manera

subamortiguada y la saturación del mando cuando se aplica el paso.


Figura 3.4 Prueba simulada si alinealidades

3.2.2 Prueba realizada incorporando zona muerta

Esta prueba se realizó con el objetivo de analizar los efectos negativos que aplica la zona

muerta sobre el sistema. La zona muerta, como su nombre lo indica, constituye una no

linealidad donde el sistema no responderá a los cambios en el mando que no superen su umbral.

Como se puede apreciar en la Figura 3.5 para cierta configuración el sistema comienza a

oscilar sostenidamente alrededor de ella.

Figura 3.5 Prueba simulada con zona muerta


3.2.3 Prueba realizada incorporando varias alinealidades

En la siguiente prueba se tienen en cuenta todas las consideraciones prácticas. Se mantiene el

mismo ajuste para el controlador PI. Se analizan otros factores como pueden ser variación de la

carga y nivel de ruido del tacogenerador. La Figura 3.6 muestra como el sistema comienza a

oscilar sostenidamente al margen de la inestabilidad.

Figura 3.6 Prueba simulada con varias alinealidades

3.3 Pruebas de comunicación entre aplicaciones

El correcto funcionamiento de la comunicación entre las aplicaciones es fundamental para

la supervisión del proceso. Además de establecer la comunicación entre los software se

incorpora la tarjeta de adquisición de datos conectada a la maqueta. Para la adquisición de

los datos se utilizan cuatro pines de la tarjeta dos de salida y dos de entrada utilizando una

señal diferenciada, ver Tabla 3.1. La tarjeta se conecta a la PC con los drivers necesarios

través de USB y es autodetectada por el software SSEControl.


Tabla 3.1 Pines utilizados de la tarjeta NI USB 6212

No. de Ping Nombre Tipo Descripción

12 AO0

--------

Salida conectada al

actuador

14 AOGND Tierra del sistema

21 AI3

Señal diferencial

Entrada analógica

desde el taco

22 AI11 Tierra del sistema

Se realiza el chequeo de la interacción entre las aplicaciones. Se revisa que al existir una

comunicación establecida con el SSEServidor correctamente se puede apreciar como un

LED (Lihgt Emisor Diode) emite un color verde. Si fuera todo lo contrario el color emitido

sería el rojo ver Figura 3.7.

Figura 3.7 SSEControl con la conexión establecida correctamente


Es posible apreciar que la comunicación está correctamente establecida y no existen

errores por la tonalidad alcanzada por los LED colocados junto a los parámetros

conectados. En la Figura 3.8 se puede observar las aplicaciones funcionando a la par

desde una misma computadora.

Figura 3.8 Aplicaciones SSEControl, SSEServidor y SSECliente interactuando

mediante OPC

3.4 Pruebas al HMI de los niveles tres y cuatro

Para realizar esta prueba se ejecutan los software simultáneamente en una misma PC por no

estar bien configurada red de los laboratorios donde se realizaron las pruebas. Se

configuran las aplicaciones para que quede establecida la comunicación del tipo servidor-

cliente con OPC entre las aplicaciones.

En el software HMI correspondiente al segundo nivel se realiza un cambio en setpoint

establecido en 1000 rpm y se observa el comportamiento del proceso en las gráficas que

muestran el estado estable, se chequea el estado de las alarmas y la documentación en las

bases de datos ver Figura 3.9.


Figura 3.9 Comportamiento del sistema en estado estable

La aplicación está configurada para llamar la atención con una alarma cuando el motor

alcance las 1800 rpm. En la pantalla correspondiente a las es posible apreciar su

comportamiento ver Figura 3.10.

Figura 3.10 Comportamiento de las alarmas

En el panel de datos históricos se muestran continuamente el estado de las variables del

prceso ver Figura 3.11.


Figura 3.11 Registro de datos históricos

Con la creación de las bases de datos es posible almacenar el comportamiento de las

variables a lo largo del tiempo de manera continua ver Figura 3.12.

Figura 3.12 Registro en las bases de datos

En el software desarrollado como cliente se puede apreciar el comportamiento del sistema,

visualización de alarmas, eventos y registra de igual manera el comportamiento de las

variables modificadas. De esta manera se puede realizar la monitorización vía remota ver

Figura 3.13.


Figura 3.13 Comportamiento del proceso observado desde el cliente

3.5 Guía para práctica de laboratorio

Las prácticas de laboratorio es el espacio donde los estudiantes ejercen su entrenamiento.

Con el objetivo de ejercer un buen uso del software desarrollado se presenta una guía de

práctica de laboratorio que sirva de base para posteriores. El software desarrollado se

caracteriza por su flexibilidad en la configuración de los parámetros que definen el proceso

y el regulador, esto amplía su campo de aplicación en las disímiles materias relacionadas

con el control de procesos.

La guía presentada está centrada primariamente en la familiarización con el sistema

entrenador. Por otra parte, se enfatiza en la utilización del software para ejercitar las

habilidades en la operación de sistemas automatizados. La guía a ser aplicada se muestra en

el Anexo III donde se exponen los detalles de la misma.

Durante la práctica de laboratorio los estudiantes deberán sintonizar diferentes

controladores y observar el comportamiento de los estados transitorio y estacionario del

proceso ante la acción integral y derivativa de los controladores. Para lograr un análisis más

profundo los estudiantes se enfrentarán al cálculo del sobreimpulso, tiempo de subida y

tiempo de establecimiento entre otros.


3.6 Análisis técnico-económico-medioambiental

La viabilidad y factibilidad de este proyecto está fundamentada en la autonomía económica

que logra la institución al desarrollar su propia plataforma de entrenamiento para la

formación de ingenieros; ya que estas no deben destinar fondos a la adquisición de estos

módulos didácticos y evita la dependencia a licencias y actualizaciones de software.

También es necesario resaltar impacto económico que constituye la implementación de los

sistemas SCADA en la producción industrial. Por su capacidad de realizar a distancia

operaciones de control, supervisión y registro de datos, resultan sumamente eficientes. En

un principio la puesta en marcha de un proceso industrial puede traer consigo gastos

significativos por concepto de adquisición e implantación del equipamiento acorde a las

necesidades y requisitos exigidos; pero con el tiempo esta inversión inicial es recuperada ya

que los SCADA reducen en gran medida los costos de producción, operación y

mantenimiento. De esta manera es de fácil compresión su estrecho vínculo con la

importancia de presentar en el puesto laboral un operador con habilidades y experiencia

incrementando la eficiencia en el control de procesos lo que se traduce en aumentos de

producción y ganancias económicas.

La simulación presenta la ventaja de reducir el empleo de tiempo y recursos en el análisis

de procesos complejos. Se pueden cometer errores durante el estudio sin afectaciones

materiales de los procesos ni despilfarro de materias primas.


Las pruebas realizadas al sistema de entrenamiento se realizaron de manera satisfactoria y

cumplen con las expectativas de diseño.

Con la utilización del protocolo de comunicación OPC es posible establecer una correcta

comunicación entre software diseñados tanto en LabVIEW como en Movicon. Con esta

interacción es posible desarrollar sistemas automatizados de varios niveles.

El control automático y la supervisión del servomecanismo ALECOP SAD-100 puede

realizarse con la utilización del sistema desarrollado. Las herramientas brindadas por el

sistema permiten un análisis más profundo de los procesos en estudio. Con la opción de


simulación es posible incorporar varias alinealidades al sistema lo que permite el análisis de

procesos más complejos.

Las interfaces gráficas abarcan un amplio campo de contenidos que enriquecen el proceso

de entrenamiento en la utilización de sistemas SCADA y la operación de procesos

controlados.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 53

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

Tras el desarrollo del trabajo de diploma se puede plantear que se cumplen con los

objetivos propuestos para dar solución al problema científico y se establecen las

conclusiones siguientes:

1 La simulación y el entrenamiento en sistemas SCADA contribuyen a la adquisición

de habilidades prácticas en la operación de los mismos, en lo cual no se centran los

autores de investigaciones relacionados con el tema.

2 La arquitectura diseñada de cuatro niveles de automatización y la modularidad del

sistema entrenador permite el estudio y preparación en una variada gama de aspectos

de la automática.

3 La implementación del protocolo OPC permite establecer una fácil y correcta

comunicación entre aplicaciones desarrolladas tanto en LabVIEW como en Movicon.

4 La simulación y el control del proceso real ratifican la fiabilidad y utilidad del

sistema desarrollado para la preparación de los estudiantes en la operación de

sistemas de control.

5 La guía de práctica de laboratorio presentada facilita la incorporación del sistema al

proceso docente y sirve de base para la elavoración de otras posteriores.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 54

Recomendaciones

Como recomendaciones se enumeran las siguientes:

1 Incorporar el sistema desarrollado a prácticas de laboratorio de asignaturas

relacionadas con software para el control, la operación de lazos de control,

comunicación entre aplicaciones, entre otras, para fortalecer la formación de los

estudiantes.

2 Incluir el protocolo de comunicación OPC dentro de los buses de campo estudiados

para la comunicación entre aplicaciones.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 55

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http://documents.opto22.com/1069_SNAP_FactoryFloor_Overview.pdf

http://www.progea.com/en/movicon-hmi/

ANEXOS i

ANEXOS

Anexo I Tabla de la característica estática del servomotor

Voltaje de alimentación (V) Voltaje del tacogenerador

(V)

Velocidad del servomotor

(rpm)

-10 -12.254 -2451.8

-9.53 -11.192 -2239.3

-9.02 -10.565 -2113.8

-8.51 -9.986 -1998

-7.97 -9.35 -1870.7

-7.5 -8.771 -1754.9

-7.01 -8.153 -1631.3

-6.51 -7.487 -1498

-5.99 -6.773 -1355.1

-5.50 -6.146 -1229.7

-5.00 -5.48 -1096.4

-4.50 -4.805 -961.4

ANEXOS ii

-4.00 -4.188 -837.9

-3.501 -3.581 -716.5

-3.001 -2.872 -574.6

-2.501 -2.017 -403.6

-2.009 -1.07 -214.1

-1.65 0 0

+1.707 0 0

+2.027 +1.018 +203.7

+2.505 +1.89 +378.2

+3.008 +2.687 +537.6

+3.501 +3.392 +678.7

+4.00 +4.014 +803.1

+4.51 +4.631 +926.6

+4.99 +5.316 +1063.6

+5.51 +6.011 +1202.7

+5.99 +6.638 +1328.1

+6.51 +7.304 +1461.4

+7.01 +7.912 +1583

+7.49 +8.491 +1698.9

ANEXOS iii

+8.00 +9.089 +1818.5

+8.50 +9.629 +1926.6

+9.00 +10.208 +2042.4

+9.49 +10.71 +2142.9

+10.1 +11.328 +2266.5

ANEXOS iv

Anexo II Otras pruebas realizadas

Fueron numerosas las pruebas reales realizadas, se muestran algunas a continuación:

Figura II.A. Configuración I

Figura II.B. Respuesta transitoria con configuración I

ANEXOS v

Figura II.C. Respuesta transitoria con configuración I

Figura II.D. Configuración II

ANEXOS vi

Figura II.E. Respuesta transitoria con configuración II

Figura II.F. Respuesta transitoria con configuración II

ANEXOS vii

Figura II.G. Configuración III

Figura II.H. Respuesta transitoria con configuración III

ANEXOS viii

Figura II.I. Respuesta transitoria con configuración III

Figura II.J. Prueba manual I

ANEXOS ix

Figura II.K. Prueba manual II

Figura II.L. Prueba manual III

ANEXOS x

Anexo III Guia prática de laboratorio

Práctica de Laboratorio

Título: Operación sobre procesos simulados

Materiales y componentes:

Computadoras con los software Movicon 11, MATLAB y LabVIEW 10 o superior

instalados.

Los software SSEControl y SSEServidor.

Tiempo: Dos horas lectivas.

Objetivos:

Ajsutar controladores para controlar proceso de primer orden.

Operar el SSEControl para supervisar y analizar las respuestas transitorias

obtenidas.

Introducción:

El software SSEControl se caracteriza por presentar dos ventanas de trabajo. La primera

permite la configuración del sistema como puede ser la modificación de las constantes del

filtro utilizado, los parámetros del controlador, la configuración de la tarjeta de adquisición

de datos, entre otros ver Figura 1.1.

Figura 1.1 Ventana de configuración

ANEXOS xi

La segunda ventana constituye la de operación, donde el usuario es capaz de observar la

variación de las variables del proceso a partir de cambios que realice en el setpoint y

alternar entre el control automático y manual del proceso ver Figura 1.2. El controlador

utilizado para el desarrollo del software fue un PID, para lo cual se empleó el PID.vi,

propio del LabVIEW.

Figura 1.2 Ventana de operación

Por otra parte, se encuentra el software SSEServidor contiene la pantalla de ¨Control¨. En la

interfaz titulada ¨Control¨, ver Figura 1.3, es posible visualizar gráficamente el

comportamiento del setpiont, velocidad del motor y del voltaje a la salida del actuador.

También el usuario puede realizar la selección entre el control automático y el manual

asimismo como operar sobre las variables para el control del sistema.

Figura 1.3 Pantalla ¨Control¨ del SSEServidor

ANEXOS xii

Trabajo previo:

Estudiar las conferencias impartidas por el profesor de Ingeniería de Control I que

aborden el contenido tratado en esta práctica de laboratorio.

Parte práctica:

La actividad estará dividida en dos momentos. En la parte primaria los estudiantes deben

ajustar controladores utilizando el software MATLAB. En la segunda parte deben

configurar el software SSEControl con el diseño obtenido y operar el SSEServidor para

comparar las respuestas transitorias alcanzadas, con las obtenidas en MATLAB. El proceso

a controlar se caracteriza por presentar ganancia K = 200 rpm/V y constante de tiempo T =

1 seg. El período de muestreo que se utilizará es t = 0.005 seg.

1. Ejecutar el software MATLAB.

2. En el software MATLAB.

A. Ajustar un lazo de control PI con el cual se obtenga una respuesta

sobreamortiguada.

B. Ajustar un PI con el cual se obtenga una respuesta subamortiguada con MP

menor a 25%.

C. Ajustar un PI con el cual se obtenga una respuesta subamortiguada con MP

menor a 15% y tiempo de establecimiento 6 segundos.

3. Determinar ganancia Kc y tiempo de integración Ti de cada controlador.

4. Ejecutar los software SSEControl y SSEServidor.

5. Configurar el SSEControl para simulación con la planta y el ajuste obtenido

anteriormente.

6. En el software SSEServidor llevar manualmente la salida a 100 rpm.

7. Pasar el control a automático y esperar establecimiento.

8. Cambie el setpoint a 1000 rpm y compare el comportamiento de la velocidad con el

obtenido en MATLAB.

9. Cambie el período de muestreo y analice cómo afecta a la estabilidad del sistema.

10. Repita los pasos 4, 5, 6, 7, 8 y 9 para cada controlador ajustado.

ANEXOS xiii

Informe:

Cada estudiante debe entregar un informe que incluya:

1. Los controladores diseñados en el software MATLAB y argumentar su criterio de

diseño.

2. Las gráficas de las respuestas obtenidas tanto en MATLAB como en el

SSEServidor con una valoración de las comparaciones.

3. Las gráficas que describen el comportamiento del sistema ante el cambio del

período de muestro y una valoración del análisis realizado.

departamento de control automático

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