UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA
UNA ESTACIÓN MECATRÓNICA DIDÁCTICA, UTILIZANDO
AL MENOS UN PUERTO EN SERIE DE LA PLACA ARDUINO.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA
MECATRÓNICA
MARLEN PAMELA JARAMILLO ARIAS
DIRECTOR: ING. DANIEL MIDEROS, PHD
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 0803224872
APELLIDO Y NOMBRES: JARAMILLO ARIAS MARLEN PAMELA DIRECCIÓN: 6 DE DICIEMBRE Y GASPAR DE VILL. EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 3360109
TELÉFONO MOVIL: 0992778258
DATOS DE LA OBRA
TITULO: DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA UNA ESTACIÓN MECATRÓNICA DIDÁCTICA, UTILIZANDO AL MENOS UN PUERTO EN SERIE DE LA PLACA ARDUINO.
AUTOR O AUTORES: PAMELA JARAMILLO FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN: 24 DE SEPTIEMBRE DE 2015 DIRECTOR DEL PROYECTO DE
TITULACIÓN: ING. DANIEL MIDEROS
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE OPTA:
RESUMEN: Mínimo 250 palabras Los sistemas SCADA están diseñados sobre equipos informáticos que permiten: supervisar la secuencia y funcionamiento adecuado de procesos automatizados, controlar a distancia los componentes de una instalación o sistema, y adquirir datos provenientes del proceso los cuales pueden estar acumulados en registros históricos y servidores de almacenamiento de datos. El alcance del presente trabajo es la simulación del proceso automatizado de una estación mecatrónica mediante el diseño de una interfaz gráfica que permita el monitoreo, control y registro de las entradas y salidas provenientes del componente de control de la
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estación, en tiempo real e históricos de los parámetros configurados. Con lo que se puede automatizar procesos industriales aplicando nuevas tecnologías, pues sabemos que constantemente la tecnología se encuentra evolucionando simplificando estructuras y mejorando procesos existentes, lo que impulsa a crear este proyecto de manera tal que los alumnos puedan poner en práctica lo aprendido en la teoría de manera sencilla y abierta.
El prototipo de la estación Mecatrónica está destinada al llenado dinámico y envasado de frascos. El sistema SCADA diseñado permite adquirir y supervisar los datos provenientes de los sensores y actuadores de la estación, a través de una placa Arduino configurada como una tarjeta de adquisición de datos, se transfiere señales a la PC, mediante la aplicación PLX-DAQ y Microsoft Excel configurado para almacenar los datos. Asimismo existe la conexión del PLC a través del puerto Ethernet, con KepServer software encargado de transformar los datos de las variables de entrada y salida en tiempo real.
PALABRAS CLAVES: Mecatrónica, Automatización, Redes Industriales, Estación Mecatrónica, Telemetría, Sistemas SCADA, Adquisición de señales, Control Industrial, Intouch Wonderware, KepServer, Supervisión control y adquisición de datos, Simulación de procesos.
monitoring, control and recording of inputs and outputs from the control component of the station, real-time and historical the set parameters. With what can automate industrial processes using new technologies, as we know that constantly technology is evolving simplifying structures and enhancing existing processes, which drives us to create this project so that students can put into practice what they learned in the theory of simple and open manner.
The prototype of the Mechatronics station is intended for dynamic filling and packaging vials. The SCADA system designed allows to acquire, monitor and control data from the sensors and actuators of the station through an Arduino board that allows to acquire the signals are transferred to the PC by USB connection, Microsoft Excel is set to server data transmitted via the PLX-DAQ application, allowing the DDE connection with Intouch. There is also the connection of the PLC via the Ethernet port with software KepServer responsible for transforming the data input and output variables in real time.
AGRADECIMIENTOS
A la Universidad Tecnológica Equinoccial por todos los años de formación profesional recibida, el apoyo y guía constante.
Al PHD. Daniel Mideros director de tesis, por su firme apoyo, ayuda, sugerencias y guía durante el desarrollo de este proyecto.
Al Ing. Vladimir Bonilla, director de la carrera, por su aporte fundamental en toda mi etapa educativa.
DEDICATORIA
A Dios, por ser la guía en mi camino, que me ilumina en cada paso y me da oportunidades para seguir adelante y por haberme ubicado junto a personas maravillosas.
A mi padre Miguel, por su apoyo, amor, paciencia y esfuerzo por sacar adelante a mi familia y a mí. Insistiendo siempre en la importancia de la formación profesional.
A mi madre Patricia, por sus consejos y pasión, quien en ningún momento
me permitió rendirme y siempre me exigió seguir adelante.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN………...….………I ABSTRACT….………...………....……….……….II 1. INTRODUCCION………....………..3 OBJETIVO GENERAL...……….3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS………...….………..31.1. SISTEMAS EMBEBIDOS DE CONTROL………...…….….…..3
1.2. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL………..………….…4
1.2.1. NIVELES DE AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL……..………...…5
1.2.2. SISTEMAS MODULARES………..……….….6
1.3. SISTEMAS SCADA………..………...……6
2. METODOLOGIA………..………..….10
2.1. REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO………...………..…11
2.2. DISEÑO GENERAL DEL SISTEMA………...11
2.3. SISTEMA SCADA CON PLC……….……..12
2.3.1. DISEÑO DE HARDWARE……….……..13
2.3.2. CONEXIONES ELÉCTRICAS DEL PLC……….……..13
2.3.2. DISEÑO DE SOFTWARE……….…...15
3.2.2.1. PROGRAMACIÓN DEL PLC……….…17
3.2.2.2. COMUNICACIÓN ENTRE PLC Y KEPSERVER………19
3.3.2.3. CONFIGURACIÓN KEPSERVER……….20
2.4. SISTEMA SCADA CON ARDUINO………..22
2.4.1. DISEÑO DE HARDWARE………22
2.4.1.1. CONEXIONES ELÉCTRICAS ARDUINO………23
2.5.1. DISEÑO DE SOFTWARE……….…...24
2.5.1.1. CONEXIONES ELÉCTRICAS ARDUINO………24
3. RESULTADOS………..27
3.1. METODOS DE ADQUISICION DE DATOS………...28
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………30
3.1. CONCLUSIONES……….30
3.2. RECOMENDACIONES………31
BIBLIOGRAFÍA………..32
ÍNDICE DE FIGUERAS
Figura 1.Sistema Embebido de Control……….4
Figura 2.Pirámide de automatización industrial………5
Figura 3.Fases de la metodología de automatización modular……….6
Figura 4.Sistema de control con SCADA………..7
Figura 5.Modelo V para el desarrollo de sistemas……….10
Figura 6.Funcionalidad del sistema SCADA con Arduino……….11
Figura 1Funcionamiento del sistema SCADA con PLC………...………12
Figura 8.Diseño CAD tablero de control PLC Siemens S7-1200………...….13
Figura 9.Conexiones de la bornera del tablero de control………14
Figura 10.Diseño CAD de la estación mecatrónica y sus componentes………16
Figura 11.Diagramas de flujo……….…………17
Figura 12.Bloque retardo a la conexión……….……...18
Figura 13.Bloque contador ascendente………...…….18
Figura 14.Bloque impulso………18
Figura 25.Configuración de mecanismos de conexión Tia portal……….19
Figura 16.Configuración de propiedades del proyecto en KepServer……….21
Figura 17.Configuración del directorio de variables en Intouch para PLC………..21
Figura 18.Configuración del nombre de acceso Intouch para PLC………..22
Figura 19.Diagrama de conexiones arduino mega..………...………23
Figura 20.Programa de Arduino……….24
Figura 21.Administrador de dispositivos de Arduino………...………24
Figura 22.Interfaz del Data Acquisition for Excel………...……….25
Figura 23.Configuración del directorio de variables en Intouch para Arduino………25
Figura 24.Configuración del nombre de acceso Intouch para Arduino………26
Figura 25.Diagrama del sistema SCADA de la estación Mecatrónica……….28
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.Conexiones de la bornera y PLC S7-1200……….14
Tabla 1.Nombre y características de componentes de la estación Mecatrónica………..….15
Tabla 3.Nombre y dirección de Tags en PLC Siemens S7-1200……….….19
Tabla 2.Nombre, dirección y descripción de variables en KepServer………..20
Tabla 5.Nombre y dirección de Tags en Arduino……….23
El sistema SCADA permite monitorear y registrar de manera rápida, en tiempo real los parámetros principales de la estación mecatrónica, los datos son transferidos del PLC a la PC mediante protocolo ethernet, la aplicación Kepserver se encarga de administrar virtualmente las variables del PLC y transferir el estado de las señales al software Intouch, que contiene el diseño animado de la estación. En el caso del arduino los datos son ordenados en Excel a través del software PLX-DAQ, que permite la conexión DDE para visualizarlos en Intouch, con la finalidad de supervisar el proceso a distancia, facilitando la retroalimentación en tiempo real con los dispositivos de campo sensores y actores.
El objetivo general del trabajo es diseñar e implementar una interfaz gráfica para la simulación del funcionamiento de una estación mecatrónica mediante la supervisión y adquisición de datos provenientes de los componentes de automatización. Y los objetivos específicos son: diseñar una interfaz que permita la visualización del estado de las entradas y salidas de los módulos de la estación mecatrónica en tiempo real, implementar el sistema SCADA, realizar pruebas del funcionamiento del sistema SCADA.
1.1. SISTEMAS EMBEBIDOS DE CONTROL
Los sistemas embebidos de control son una combinación que integran dentro de su desarrollo hardware, software y algunos componentes mecánicos.
El primer sistema embebido de control se desarrolló por el laboratorio MIT para las misiones de Apolo hacia la luna en el 1960, siendo calificado el elemento que más riesgo representaba a la misión. En 1962 se los fabricó en masa por primera vez, teniendo una importante variación, que permitía reprogramar los algoritmos de guía del misil Minuteman II para el que fue diseñado. (Galeano, 2005)
Están creados para realizar acciones específicas de control y respuesta en tiempo real, conectados a ambientes físicos a través de sensores y actuadores, teniendo como su principal características los bajos costos y consumo de potencia. (Llinares, 2012)
Un sistema embebido de control está comúnmente formado por un CPU, donde se encuentra la capacidad de cómputo del sistema, así mismo cuenta con memoria interna o externa donde se guardan los programas a ejecutarse, y con una serie de salidas y entradas que se comunican con los mecanismos a controlar. (BOLTON, 2013)
procesamiento computacional que es el componente más importante, cumple con las funciones designadas al equipo en tiempo real.
Figura 1.Sistema Embebido de Control.
(Semantic Web, 2014)
Existe un sin número de sistemas embebidos que se pueden conectar a diferentes tipos de redes o Internet para mejorar sus características y desempeño, en la actualidad se está planteando la evolución de los “Sistemas Embebidos” a “Sistemas Inteligentes”, en donde la principal diferencia para considerarlos como inteligentes es que deben estar conectados a otro dispositivo (M2M, Comunicación Maquina a Maquina) o en especial a Internet.
1.2. AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
La automatización industrial ha tenido un progreso enorme en las últimas décadas, con el desarrollo de hardware cada vez más potente y de las redes de comunicación industrial, permitiendo reducir los tiempos de implementación de los sistemas de automatización industrial. (Moreno, 2004)
las máquinas fueron capaces de suplantar la energía humana o animal por formas naturales de energía renovable, tales como el viento, las mareas, o un flujo de agua. (Ruedas, 2010)
1.2.1. Niveles de automatización industrial
Los niveles de automatización industrial son muy complejos, pues normalmente están estructurado dentro de varios niveles jerárquicos, y cada uno maneja su propio lenguaje de comunicación, estableciendo diferentes exigencias en la comunicación de red. (UNAD, 2014)
Dentro del campo de la producción industrial, desde los inicios de la era industrial hasta la actualidad, la automatización ha pasado de ser una herramienta de trabajo deseable a una herramienta indispensable para competir en el mercado globalizado. Ningún empresario puede omitir la automatización de sus procesos para aumentar la calidad de sus productos, reducir los tiempos de producción, realizar tareas complejas, reducir los desperdicios o las piezas mal fabricado y especialmente aumentar la rentabilidad. (Ruedas, 2010)
Todos los sistemas de automatización industrial constan de varios niveles de administración como vemos en la Figura 3 (nivel de gestión, de supervisión, de control, y por último el nivel de campo). (ANTIOQUIA, 2012)
Figura 2.Pirámide de automatización industrial.
(Ruedas, 2010)
1. El primer nivel o "nivel de campo" incluye los dispositivos físicos presentes en la industria, como los actuadores y sensores.
3. El"nivel de supervisión"(tercer nivel) corresponde a los sistemas de supervisión, control y adquisición de datos (SCADA).
4. La cúspide de la pirámide"nivel de gestión"la componen los sistemas de gestión integral de la empresa (ERP).
1.2.2. Sistemas modulares
La automatización modular es el conjunto de técnicas que dividen un proceso identificando y jerarquizando las necesidades de la línea de producción, para automatizarla mediante etapas, teniendo como principal ventaja la disminución de la inversión inicial, aunque parece sencillo el proceso de segmentación de un proceso, hay que tomar en cuenta diversos aspectos antes de segmentar un sistema. (Hodson, 1996)
Figura 3.Fases de la metodología de automatización modular.
(Hodson, 1996)
1.3. SISTEMAS SCADA
Según estudios realizados es posible remontar el desarrollo en evolución de los sistemas informáticos y la necesidad del hombre de no querer contar con los dedos automatizando el cálculo matemático. Con el pasar del tiempo se fue implementando y cambiando incluso la forma en que se emitían las señales a los procesadores, que se desarrollaron durante la segunda guerra mundial con una tarea específica de calcular trayectorias de tiros, pero su sistema de programación conocido como ENIAC era muy complejo, por lo que
Automatización
modular
1.- Identificación de
módulos
independientes.
2.- Jerarquización
de los módulos.
en 1945 Von Neumann sugirió una serie de mejoras que se mantienen hasta el día de hoy: (Navas, 2013)
• Utilizar un sistema binario para programar, en lugar del decimal.
• Colocar las instrucciones, junto con los datos, en la memoria del ordenador.
A partir de este momento la evolución fue mucho más acelerada, consiguiendo llegar a las computadoras utilizadas hoy en día.
El Sistema SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition o Control con Supervisión y Adquisición de datos) es un software que permita el acceso a datos remotos de un proceso, utilizando las herramientas de comunicación necesarias en cada caso, y controlando las variables del proceso. El sistema SCADA incluye un hardware de señal de entrada y salida, controladores, interfaz hombre-máquina (HMI), redes, comunicaciones, base de datos y software. (Rodríguez Penin, 2008)
Figura 4.Sistema de control con SCADA.
(ANTIOQUIA, 2012)
La topología de un sistema SCADA varía adecuándose a las características de cada aplicación. Entre sus funciones principales tenemos (Radvanovsky & Brodsky, 2013):
• Adquisición de datos, para recoger, procesar y almacenar la información recibida.
• Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control. Tienen además la capacidad de ejecutar programas que puedan supervisar y modificar el control previamente establecido, y bajo ciertas condiciones, anular o modificar tareas asociadas a los autómatas, evitando la continua supervisión humana.
• Control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.) bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.
• Transmisión de información con dispositivos de campo y otros PC.
• Base de datos gestión de datos con bajos tiempos de acceso.
Cuando hablamos de un sistema SCADA no hay que olvidar que hay algo más que las pantallas que nos informan de cómo van las cosas en la instalación. Tras estás se encuentran multitud de elementos de regulación y control, sistemas de comunicaciones y múltiples utilidades de software que pretenden que el sistema funcione de forma eficiente y segura. (María Isabel Hernández, 2010)
Las ventajas más evidentes de los sistemas de control automatizado y supervisado son:
• El actual nivel de desarrollo de los paquetes de visualización permite la creación de aplicaciones funcionales.
• Un sistema PLC está concebido para trabajar en condiciones adversas.
• La modularidad de los autómatas permite adaptarse a las necesidades actuales y ampliarlos posteriormente si es necesario.
• Un conjunto de manuales permite el manejo a terceros sin dificultad alguna.
• Los programas de control pueden documentarse convenientemente de manera que puedan ser fácilmente interpretados por los técnicos de mantenimiento.
• Los sistemas de diagnósticos implementados en los elementos de control informan continuamente de cualquier incidencia en los equipos.
• La tecnología WEB permite el acceso desde cualquier punto geográfico a nuestro sistema de control.
El diseño V permite tener una perspectiva más acertada en el desarrollo de los proyectos mecatrónicos, pues se enfoca en minimizar los riesgos del proyecto, mejorando la calidad del producto y reduciendo los costos totales en el transcurso de desarrollo del proyecto. (Institute, 2010)
De acuerdo a la figura 5 se inicia con el análisis de los requerimientos, que indican de manera clara y precisa el objetivo. El diseño e implementación del proceso, busca desarrollar un sistema SCADA que permita adquirir, supervisar y controlar los datos de la estación mecatrónica, diseñada por el Ingeniero Paul Pérez. Dividiendo las funciones del proyecto, asignándole las tareas y elementos necesarios. En el diseño detallado se definen las variables que se tomaran en cuenta para que se desarrolle correctamente cada sub-función. Luego se integra el sistema, uniendo cada una de los programas desarrollados, para asegurar que funcionen correctamente y que se cumpla el objetivo principal. Por último luego del aseguramiento de las propiedades y modelamiento de las funciones en cada una de las etapas se obtiene el diseño final, cumpliendo con los requerimientos establecidos previamente.
Figura 5.Modelo V para el desarrollo de sistemas.
2.1. REQUERIMIENTOS DEL PROYECTO
• Diseñar el sistema SCADA mediante el software Intouch Wonderware.
• Contar con una interfaz gráfica para el monitoreo de las entradas y salidas de la estación mecatrónica.
• Determinar servidores que sirvan de interfaz entre el software SCADA y los componentes de adquisición de datos, PLC siemens s7-1200 y la placa Arduino mega.
• Diseñar una tarjeta electrónica modular al Arduino mega, para la adquisición de datos de la estación mecatrónica.
2.2. DISEÑO GENERAL DEL SISTEMA
La grafica del funcionamiento del sistema SCADA basado en la automatización con Arduino se encuentra en la figura 6.
Todos los sensores y actuadores de la estación mecatrónica están conectados a la tarjeta electrónica acoplada al Arduino, que controla la recepción y emisión de datos, y la automatización de la estación mecatrónica. La comunicación entre el Arduino y el computador es mediante la configuración de un puerto en seria mediante cable USB, la trasferencia de datos es mediante la aplicación PLX-DAQ que transmite los datos en tiempo real del Arduino a una hoja de Microsoft Excel. El software Intouch Wonderware contiene la animación de la estación mecatrónica, la configuración para comunicar el sistema SCADA con el estado de las entradas y salidas del Arduino contenidas en Microsoft Excel es mediante protocolo DDE.
El funcionamiento del sistema SCADA con PLC se observa en la figura 7. Los sensores y actuadores están conectados directamente al PLC siemens S7 1200, la comunicación entre el PLC y el computador es mediante un cable de red. Para la trasferencia de datos el PLC y el computador deben estar conectados a la misma red para permitir la transmisión del estado de las entradas y salidas del PCL. La adquisición de los datos es mediante el software KepServer que permite comunicar, monitorizar y controlar distintos dispositivos de automatización industrial. El software se comunica mediante la dirección IP configurada en el PLC, los datos son recibidos y enviados en tiempo real. En el Intouch se configura un servidor virtual que permite la comunicación con el KepServer para la adquisición final de los datos del PLC.
Figura 1Funcionamiento del sistema SCADA con PLC.
2.3. SISTEMA SCADA CON PLC
El sistema SCADA con PLC está basado en la figura 7, la comunicación física entre el computador y el PLC es mediante un cable de red rj-45 apegado a la norma TIA-568B. En el computador está instalado el software SCADA Wonderware Intouch configurado como cliente, que permite realizar peticiones del estado de los diferentes Tags configurados en el PLC.
2.3.1. DISEÑO DE HARDWARE
En la figura 8 se observa el diseño CAD del tablero de control, consta de un marco de aluminio estructural que sostiene canaletas y una barra de metal normalizada a las medidas de la norma DIN3.
La bornera y el PLC Siemens S7-1200 tienen un soporte en la parte posterior con las medidas de la norma DIN, lo que facilita acoplar estos elementos al tablero de control. La dimensión global del tablero es 260x200x110(mm).
Figura 8.Diseño CAD tablero de control PLC Siemens S7-1200.
2.3.2. CONEXIONES ELÉCTRICAS DEL PLC
Figura 9.Conexiones de la bornera del tablero de control.
En la Tabla 1 se detallan las conexiones de la bornera y el PLC.
Tabla 1.Conexiones de la bornera y PLC S7-1200
PLC S7-1200 Bornera Festo
Q0.0a G
Q0.1a V
Q0.2a U
Q0.3a T
Q0.4a S
Q0.5a R
Q0.6a Q
Q0.7a P
Q0.0b H
Q0.1b J
I0.0a A
I0.1a B
I0.2.a C
M S
2.3.3. DISEÑO DE SOFTWARE
Para crear el programa de automatización es necesario conocer todos los procesos ejecutados en los módulos de la estación, los sensores y actuadores que interfieren.
En la tabla 2 se observa el nombre asignado a los sensores o actuadores de la estación mecatrónica, su característica y el módulo al que pertenece el componente.
Tabla 1.Nombre y características de componentes de la estación Mecatrónica. N° Nombre Tags CARACTERISTICA
1 SENSOR_1 Sensor infrarrojo módulo de llenado
2 SENSOR_2 Sensor infrarrojo módulo de tapado 3 SENSOR_3 Sensor infrarrojo módulo de sellado
4 PISTON_1 Pistón neumático módulo de llenado 5 PISTON_2 Pistón neumático módulo de llenado
6 VALVULA Electroválvula módulo de llenado 7 LINEAL Actuador lineal módulo de llenado
8 PISTON_3 Pistón neumático módulo de tapado
9 GIRATORIO Actuador giratorio neumático módulo de tapado
10 VENTOSA Ventosa de succión módulo de tapado 11 PISTON_4 Pistón neumático módulo de sellado
12 PISTON_5 Pistón neumático módulo de sellado 13 BANDA Motor de banda transportadora
El proceso de automatización inicia al activar el botón START, el pistón que detiene a los frasco se retrae permitiendo el ingreso de las botellas a la banda trasportadora, posterior otro pistón del módulo dispensador se activa permitiendo el avance del frasco sobre la cinta.
frasco, para finalizar el proceso en el módulo de tapado se desactiva el actuador giratorio y se activa el pistón de paso y la banda transportadora.
Al activarse el sensor del módulo de sellado se detiene la banda, la ventosa y el pistón del módulo de tapado regresan a su estado inicial, aquí se realiza un bucle para activar el pistón encargado de ejercer fuerza sobre la tapa, al activarse 3 veces el pistón se acciona la banda y el pistón que permite el paso del frasco, finalizando con el proceso completo de la estación mecatrónica.
En la figura 10 se observa el diseño asistido por computadora de la estación mecatrónica y los componentes numerados. Cada componente pertenece a un módulo diferente y cumple una función específica dentro de la línea de producción automatizada.
Figura 10.Diseño CAD de la estación mecatrónica y sus componentes.
(Pérez, 2015)
Figura 11.Diagramas de flujo.
3.2.2.1Programación del PLC
Para la programación del PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C ac/dc/rly modelo 6ES7 214-1BG40-0XB0, se utilizó el software TIA PORTAL V13 que permite la configuración de este modelo de dispositivo. El programa de automatización está basado en los diagramas de flujo que se observan en la figura 12.
Para iniciar la programación en el software se configura el modelo y CPU del PLC, posterior se asigna una dirección IP al dispositivo en este caso la dirección es [192.168.0.1]. Con esta configuración es posible crear y cargar el programa de automatización de la estación Mecatrónica.
El programa de automatización está en lenguaje ladder, es un lenguaje grafico basado en esquemas eléctricos de control y estandarizado bajo la norma IEC 61131-3. Para esquematizar el programa se utilizó bloques de función especial, que permiten cumplir con la secuencia y cumplimiento de los requisitos basados en los diagramas de flujo.
Figura 12.Bloque retardo a la conexión.
Para efectuar el sellado del frasco según el diagrama de flujo del módulo 4 se utiliza el bloque de función “contador ascendente”, tiene variables necesarias para funcionar, “CU” es la variable de entrada que incrementa el contador cada vez que se detecta un flanco de señal ascendente, “R” resetea el contador al detectar un flanco de señal ascendente, “PV” es el valor entero a contar, “Q” es la salida del contador que se activa al cumplirse “PV”, el contador ascendente se lo observa en la figura 13.
Figura 13.Bloque contador ascendente.
Otro bloque de función utilizado es “impulso” figura 14, que al detectar un flanco de señal ascendente en la entrada “IN”, el bloque de función impulso activa la salida “Q” durante el tiempo programado en “PT”, independiente de un nuevo cambio en la señal de entrada.
Figura 14.Bloque impulso.
Tabla 3.Nombre y dirección de Tags en PLC Siemens S7-1200.
N° Nombre TAG DIRECCION PLC
1 START %I0.0
2 STOP %I0.7
3 SENSOR_1 %I1.0
4 SENSOR_2 %I1.1
5 SENSOR_3 %I1.2
6 PISTON_1 %Q0.0
7 PISTON_2 %Q0.1
8 VALVULA %Q0.2
9 LINEAL %Q0.3
10 GIRATORIO %Q0.4
11 VENTOSA %Q0.5
12 PISTON_3 %Q0.6
13 PISTON_4 %Q0.7
14 PISTON_5 %Q1.0
15 BANDA %Q1.1
3.2.2.2Comunicación entre PLC y KEPSERVER
Para la comunicación entre el PLC y el servidor KEPSERVER se configura el acceso de comunicación PUT/GET que permite la conexión de datos entre el PLC y un servidor OPC. Esta configuración se realiza en el software TIA Portal en la sección general de seguridad del equipo, en la opción mecanismos de conexión como se observa en la figura 15.
Figura 25.Configuración de mecanismos de conexión Tia portal.
se elige el modelo y la dirección IP del mismo, posterior se configura el adaptador de red que se utiliza como enlace entre el dispositivo y el servidor.
En la tabla 4 están los Tags configurados para el sistema SCADA.
Tabla 2.Nombre, dirección y descripción de variables en KepServer. NOMBRE DIRECCION DESCRIPCION
BANDA Q1.1 BANDA TRANSPORTADORA
GIRATORIO Q0.4 ACTUADOR GIRATORIO MODULO TAPADO
LINEAL Q0.3 ACTUADOR LINEAL MODULO LLENADO PISTON_1 Q0.0 PISTON MODULO DISPENSADOR
PISTON_2 Q0.1 PISTON MODULO DISPENSADOR PISTON_3 Q0.6 PISTON MODULO TAPADO
PISTON_4 Q0.7 PISTON MODULO SELLADO PISTON_5 Q1.0 PISTON MODULO SELLADO
SENSOR_1 I0.4 SENSOR MODULO LLENADO SENSOR_2 I0.5 SENSOR MODULO TAPADO SENSOR_3 I0.6 SENSOR MODULO SELLADO
START I0.0 INICIO DE PROCESO
STOP I0.7 DETIENE EL PROCESO
VALVULA Q0.2 VALVULA MODULO LLENADO
VENTOSA Q0.5 VENTOSA DE SUCCION MODULO TAPADO
Para acceder a los Tags de la memoria del PLC se los configura individualmente en el programa KEPSERVER, deben tener nombre de identificación, la dirección asignada dentro del PLC, y una descripción de funcionalidad.
3.3.2.3Configuración KEPSERVER
Figura 16.Configuración de propiedades del proyecto en KepServer.
Configuración WONDERWARE INTOUCH a KEPSERVER
En los sistemas SCADA cada grafico tiene una animación proporcional al cambio de estado de las variables del PLC. Al crear una variable dentro de Intouch se asigna el nombre y el tipo de variable, en el caso de las variables provenientes del PLC la configuración es “I/O Discretas” para variables booleanas y “I/O Intergras” para variables análogas.
En la figura 17 se observa la configuración del directorio de variables, en la casilla “Tagname” se edita el nombre del Tag, en la casilla “Ítem” se configura la dirección del PLC a la cual hace referencia la variable.
Figura 17.Configuración del directorio de variables en Intouch para PLC.
En la casilla “Access” se configura el nombre del acceso para los Tags dentro del programa INTOUCH. La casilla “Node Name” hace referencia al host donde se ejecuta el sistema SCADA. En la casilla “Application Name” se configura el nombre general de conexión con el servidor, en este caso con el software KEPSERVER. El “Topic Name” es el nombre de OPC configurado con las variables del PLC. En la figura 18 se observa la configuración utilizada para el sistema SCADA.
Figura 18.Configuración del nombre de acceso Intouch para PLC.
2.4. SISTEMA SCADA CON ARDUINO
El sistema SCADA con Arduino está basado en la figura 6, el PLC es el encargado de controlar el proceso de la estación Mecatrónica y está directamente conectado a la tarjeta electrónica, la comunicación física entre el Arduino y el computador es mediante un cable USB. Para la transferencia de datos entre el Arduino y el software SCADA Wonderware Intouch se utiliza una hoja de cálculo de Excel.
La comunicación virtual entre el Arduino y Microsoft Excel es mediante la aplicación “DATA ACQUISITION FOR EXCEL”, encargado de acceder al estado en tiempo real de los Tags del Arduino y almacenarlos en una hoja de Excel.
2.4.1. DISEÑO DE HARDWARE
Figura 19.Diagrama conexiones arduino mega.
2.4.1.1.Conexiones eléctricas Arduino
En la tabla 5 se observan las conexiones entre el PLC y el Arduino, incluyendo el nombre de variable de cada salida y entrada.
Tabla 5.Nombre y dirección de Tags en Arduino.
ARDUINO Bornera Festo
A1 G
A2 V
A3 U
A4 T
A5 S
A6 R
A7 Q
A8 P
A9 H
A10 J
Ai A
Aii B
Aiii C
2.5.1. DISEÑO DE SOFTWARE
Para el diseño del software es necesita adquirir la señal de las entradas y salidas, el programa utilizado para el Arduino es proporcionado por la aplicación Data Acquisition for Excel, con algunas variables que se las puede observar en la figura 20.
Figura 20.Programa de Arduino.
2.5.1.1.Conexiones eléctricas Arduino
La comunicación entre Microsoft Excel y la placa electrónica Arduino, es mediante una aplicación de adquisición de datos que maneja el protocolo serial, diseñada por la empresa PARALLAX Inc.
Para configurar la aplicación Data Acquisition for Excel es necesario conocer el número de puerto conectado a la placa Arduino, esta información se obtiene del administrador de dispositivos de Windows como se observa en la figura 21.
Figura 21.Administrador de dispositivos de Arduino.
Arduino y el computador son: el número de puerto y la velocidad en Baud de la comunicación serial, que es configurada en el programa descargado en la placa Arduino.
Figura 22.Interfaz del Data Acquisition for Excel.
Configuración WONDERWARE INTOUCH a Excel
La configuración de las variables para la comunicación con Excel es similar a la configuración para el KEPSERVER, la diferencia es el valor del “Ítem” que contiene el número de fila y columna de la celda a la cual se hace referencia y el nombre del “Access Name” como se observa en la imagen 23.
La configuración del Access Name para Excel se observa en la imagen figura 24.
Figura 24.Configuración del nombre de acceso Intouch para Arduino.
En la casilla “Node Name” se configura local host que hace referencia a la comunicación mediante un servidor local de Windows. En “Application Name” se configura el nombre del programa de acceso. El “Topic Name” es el nombre de la hoja de cálculo.
En la figura 25 se observa la pantalla del sistema SCADA diseñado en el software Wonderware Intouch.
En la sección A se observa el HMI del sistema SCADA, este panel cuenta con 2 botones para iniciar el proceso y detener el proceso en cualquier momento. Además de 3 alarmas visuales para animar el encendido y apagado de la cinta transportadora, el actuador lineal, sensor del módulo de llenado, sensor del módulo de tapado y sensor del módulo de sellado.
En la sección B se observa el diagrama SCADA de la estación Mecatrónica, se representan los 4 módulos que constan la estación:
Módulo dispensador contiene la estructura vertical para el almacenaje de los frascos y 2 alarmas visuales que simulan la activación y desactivación de los 2 pistones neumáticos. Módulo de llenado compuesto por el actuador lineal, el tanque de reserva de líquido, la bomba, el sensor y una alarma visual que simula el funcionamiento de la electroválvula. Módulo de tapado consta de una alarma visual para el pistón que detiene el frasco, un pistón neumático para simular el actuador giratorio y el sensor de movimiento. Módulo de sellado consta de un pistón neumático, sensor y una alarma visual para el pistón que detiene el frasco.
En la tabla 6 se observan los ítems de la sección B y el elemento al cual corresponde.
Tabla 6.Elementos del sistema SCADA Ítem Elemento
A Pistón 1 B Pistón 2 C Sensor 1 D Electroválvula E Actuador lineal F Sensor 2 G Pistón 3 H Actuador giratorio
I Ventosa J Sensor 3 K Pistón 4 L Pistón 5 M Motor cinta
En la sección C se observa el diagrama de supervisión de las electroválvulas neumáticas, contiene 7 alarmas visuales que representan el encendido y apagado de los pistones neumáticos.
3.1. METODOS DE ADQUISICION DE DATOS
Los métodos aplicados para la adquisición de datos fueron: el diseño de una placa electrónica con Arduino y la conexión directa desde el PLC.
La facilidad de configuración hace referencia a los procedimientos necesarios para comunicar la plataforma SCADA y los componentes de adquisición de datos.
El análisis del costo se centra en los componentes virtuales necesarios para la configuración, el PLC necesita un OPCserver para aplicaciones reales lo que significa costos elevados. A diferencia del Arduino que puede ser aplicable con software libre.
El tiempo de respuesta es la velocidad de cambio de estado de las variables entre el componente físico y el componente virtual. La diferencia radica en el protocolo de comunicación utilizado con los componentes, PLC utiliza el protocolo Ethernet que es más rápido a comparación del protocolo USB utilizado por Arduino.
3.2. TABLERO DEL PLC
En la figura 28 se observa el tablero construido para el control de la estación Mecatrónica.
Figura 26.Tablero de control de la estación Mecatrónica.
CONCLUSIONES
Se cumplió el objetivo principal de diseñar e implementar una interfaz gráfica diseñada en el software Wonderware Intouch, para la simulación del proceso de una estación mecatrónica que permite monitorear y adquirir datos de los actuadores y sensores en tiempo real.
El uso de la tarjeta Arduino mega como componente de adquisición de señales permite utilizar el bus serial como protocolo de transferencia de datos en tiempo real entre la estación Mecatrónica y el computador, utilizando Microsoft Excel como servidor OPC configurado para comunicarse con el cliente Intouch.
Entre el uso de la tarjeta Arduino y el controlador lógico programable como interfaz para la adquisición de datos, existen diferencias:
- El costo de implementar un sistema SCADA con PLC es más elevado al costo de la tarjeta Arduino.
- El PLC configurado como componente de automatización y adquisición de datos es más veloz, a comparación de la tarjeta Arduino.
- Usar la tarjeta Arduino requiere de un sistema de cableado extra, para ser configurado como interfaz de adquisición de datos, el PLC no requiere este sistema.
En la configuración del programa para la automatización de la estación mecatrónica con arduino se presentaron varios inconvenientes:
- La tarjeta arduino no presta las facilidades para acoplar cableado, es necesario diseñar una tarjeta que contenga borneras para ajustar cable 12 AWG.
- Para controlar las entradas y salidas a la placa arduino se necesita acoplar tarjetas extra que separen el flujo de corriente entre los componentes de campo y el arduino mega.
- La plataforma de programación del PLC es más fácil de utilizar en aplicaciones de automatización en comparación de la plataforma de arduino en aplicaciones industriales, pues el PLC maneja el lenguaje ladder.
RECOMENDACIONES
- Para un buen funcionamiento del sistema SCADA en el caso del PLC se recomienda:
Verificar la conectividad del cable de red.
Configurar el dominio de red del PLC y el computador para el intercambio de datos.
Comprobar la transmisión de datos en la plataforma del KepServer en la ventana de canal-dispositivo.
Constatar la información del Access Name en el Intouch.
- En el caso del sistema SCADA con Arduino se recomienda:
Revisar el programa actual de la placa Arduino, en caso de requerirlo volver a cargar el programa.
Confirmar que la placa Arduino esté conectada al computador desde el administrador de dispositivos de Windows.
Configurar todos los parámetros de la aplicación PLX DAQ. Abrir la hoja de cálculo de Microsoft Excel.
Constatar la información del Access Name en el Intouch.
- El sistema SCADA con KepServer como servidor no debe extender las dos horas de uso, pues este software solo otorga ese tiempo de empleo en la versión gratuita.
- Los PLC Siemens tienen la característica de ser escalables, por lo que es posible aumentar módulos para incrementar las variables de control y monitoreo en el sistema SCADA.
BIBLIOGRAFÍA
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