Sistema SCADA para control de proceso virtual

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(1)Título: Sistema SCADA para control de proceso virtual. Autor: Osvany Herrera Ramos Tutor: Dr.C. Roberto Luis Ballesteros Horta. , julio de 2018.

(2) 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: Atribución- No Comercial- Compartir Igual. Para cualquier información contacte con: Dirección de Información Científico Técnica. Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830 Teléfonos.: +53 01 42281503-1419.

(3) i. PENSAMIENTO. Las cosas buenas se deben hacer sin llamar al universo para que lo vea a uno pasar; se es bueno porque sí, y porque allá dentro se siente como un gusto cuando se ha hecho un bien, o se ha dicho algo útil a los demás José Martí.

(4) ii. DEDICATORIA. En especial a mis padres por su entrega y apoyo incondicional durante cada etapa de mi vida..

(5) iii. AGRADECIMIENTOS. A mi tutor Roberto Luis Ballesteros Horta por sus acertadas observaciones, exigencias y enseñanzas en todo este tiempo.. A mis compañeros de aula por el apoyo brindado durante el transcurso de la carrera.. A todos los profesores que de una forma u otra han contribuido a mi formación profesional..

(6) iv. RESUMEN. Los entrenadores de procesos actuales empleados en la realización de prácticas de laboratorio contribuyen a la adquisición de conocimientos y habilidades por parte de los estudiantes. La carrera de Ingeniería Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas no cuenta en sus laboratorios con todo el equipamiento necesario para la realización de dichas prácticas y en ocasiones no se explotan al máximo las ventajas de la simulación. En esta problemática se sustenta la presente investigación. Se desarrolla un sistema SCADA con un proceso virtual para simular el control de velocidad de un motor de corriente directa. El diseño de la aplicación se realiza en el software Movicon y se expone de manera detallada el desarrollo de sus interfaces gráficas. Con la finalidad de demostrar el correcto funcionamiento del software se realizan un gran número de pruebas. Se parte de una configuración inicial para evaluar las respuestas obtenidas del proceso ideal. En un segundo momento se introducen consideraciones prácticas a la simulación para lograr un mayor acercamiento a las situaciones reales de la vida cotidiana. Finalmente se arriba a conclusiones y recomendaciones que demuestran la factibilidad y viabilidad de la investigación realizada..

(7) v TABLA DE CONTENIDOS. PENSAMIENTO................................................................................................................. i DEDICATORIA ................................................................................................................ ii AGRADECIMIENTOS ..................................................................................................... iii RESUMEN ....................................................................................................................... iv INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1 Objetivo General ................................................................................................................ 3 Objetivos Específicos ......................................................................................................... 3 Tareas de investigación ...................................................................................................... 3 Resultados .......................................................................................................................... 3 Impacto posible .................................................................................................................. 4 Metodología de Trabajo: .................................................................................................... 4 CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES 5. 1.1. Sistemas SCADA ................................................................................................. 5. 1.1.1. Características generales de un SCADA ........................................................ 6. 1.1.2. Subsistemas y funciones de un sistema SCADA ............................................ 7. 1.1.3. Software para el desarrollo de sistemas SCADA ........................................... 8. 1.2. El controlador PID ............................................................................................. 10. 1.2.1. Tipos de PID ............................................................................................... 11. 1.2.2. PID digital................................................................................................... 13. 1.3. Consideraciones prácticas aplicadas a los sistemas de control ............................. 15. 1.4. Simulación. ........................................................................................................ 17.

(8) vi 1.4.1. Aplicaciones de la simulación ......................................................................... 18. 1.4.2. Simulación en sistemas SCADA ..................................................................... 18. 1.5. Antecedentes de sistemas SCADA con fines educativos. .................................... 20. 1.6. Consideraciones finales del capítulo ................................................................... 21. CAPÍTULO 2. 2.1. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL .... 22. Caracterización del Movicon .............................................................................. 22. 2.1.1. Movicon como software SCADA ................................................................ 23. 2.1.2. Potencialidades para la simulación y control................................................ 23. 2.2. Selección del modelo del proceso ....................................................................... 25. 2.2.1. El proceso ................................................................................................... 25. 2.2.2. Consideraciones prácticas aplicadas al proceso............................................ 27. 2.3. El Regulador ...................................................................................................... 27. 2.3.1. Discretización del PID................................................................................. 28. 2.3.2. Consideraciones prácticas aplicadas al regulador ......................................... 28. 2.4. Script para el proceso virtual en Movicon ........................................................... 29. 2.4.1. Configuración del evento para la ejecución del script .................................. 29. 2.4.2. Variables utilizadas en el proceso ................................................................ 31. 2.5. Desarrollo de la interfaz gráfica HMI ................................................................. 32. 2.5.1. Definición de los niveles de acceso a los componentes de la interfaz ........... 33. 2.5.2. Pantallas o sinópticos que conforman la interfaz del SCADA ...................... 34. 2.6. Consideraciones finales del capítulo ................................................................... 40. CAPÍTULO 3.. PRUEBAS DEL SCADA Y ANÁLISIS DE RESULTADOS .............. 41. 3.1. Configuración inicial para la simulación ............................................................. 41. 3.2. Pruebas con consideraciones prácticas del regulador y proceso ideal .................. 42.

(9) vii 3.3. Implementación del proceso en MATLAB ......................................................... 45. 3.3.1. Pruebas realizadas en MATLAB y análisis comparativo de los resultados ... 46. 3.4. Pruebas con consideraciones prácticas del regulador y del proceso ..................... 47. 3.5. Guía práctica de laboratorio ................................................................................ 52. 3.6. Valoración técnica-económica-medioambiental .................................................. 53. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 54 Conclusiones ................................................................................................................ 54 Recomendaciones ......................................................................................................... 55 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 56 ANEXOS ......................................................................................................................... 58 Anexo I Anexo II. Variación del período de muestreo .............................................................. 58 Práctica de laboratorio ............................................................................. 60.

(10) INTRODUCCIÓN. 1. INTRODUCCIÓN. Los sistemas SCADA por sus siglas en inglés: Supervisory Control And Data Adquisition, revolucionaron la industria moderna al posibilitar el surgimiento de procesos automatizados a gran escala y de alta complejidad. Desde sus inicios los SCADA o también conocidos como sistemas supervisorios destacaron por su eficiencia y fiabilidad, factores que generalizaron su utilización a nivel mundial. Se hacen indispensables para la rápida detección de fallas o errores, determinar la causa de origen y actuar en consecuencia para evitar que se repitan dichos acontecimientos. Permiten la gestión y control de cualquier sistema local o remoto gracias a la implementación de una interfaz gráfica de fácil comprensión para los operadores. Esto constituye una aplicación de software diseñada para comunicarse con los dispositivos de campo tales como: autómatas programables, sensores y actuadores para controlar procesos simultáneos desde la pantalla de la computadora. Los sistemas SCADA ofrecen una perspectiva integrada de todos los recursos de control e información de la planta. De esta manera, los ingenieros, supervisores, gerentes y operadores pueden visualizar e interactuar con los procesos mediante sus representaciones gráficas. De forma general sus funcionalidades abarcan la recolección de grandes volúmenes de información y estados del proceso, el análisis y procesamiento de los datos recopilados, visualización de dichos datos en las interfaces gráficas correspondientes y la transmisión al proceso de las acciones de control realizadas por el operador. En ocasiones el costo y la complejidad del equipamiento que requieren los procesos industriales actuales dificultan reproducirlos en laboratorios con fines académicos. Esta problemática da lugar al surgimiento de los procesos virtuales y a los sistemas SCADA con procesos virtuales que utilizan como base la simulación a partir de parámetros reales. Actualmente son utilizados en gran medida a nivel industrial para incrementar la capacitación.

(11) INTRODUCCIÓN. 2. de los operadores cuando los riesgos que implica el proceso no le permiten entrenarse directamente en el mismo. Estos constituyen un ambiente seguro que permite cometer errores sin afrontar consecuencias. Puede simularse la ocurrencia de situaciones anómalas o el disparo de alarmas, para que el usuario responda a estos estados de emergencia e incremente su preparación para enfrentar los procesos reales. Como su nombre lo indica, este tipo de proceso no requiere la presencia física de equipamiento, por lo que resulta una alternativa económicamente viable en la mayoría de las ocasiones. La eficiencia y exactitud constituyen factores de gran importancia y dependen de la cantidad de consideraciones prácticas reales implementadas en la simulación. Existen varias investigaciones relacionadas con estas temáticas, entre ellas: (Pérez-López, 2015) donde el autor hace un enfoque directo a la importancia de los sistemas SCADA, destaca aspectos técnicos y funcionales que caracterizan los mismos y valora su impacto en la industria moderna. En el departamento de Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas se han realizado investigaciones relacionadas con la temática tratada anteriormente, ejemplo de ello lo constituye el trabajo de diploma de (Herrera Rodríguez, 2016) donde se utiliza un proceso virtual en el software LabVIEW pero no se considera un SCADA. (Moreno Corbea, 2017) en su trabajo de diploma desarrolla una interfaz gráfica diseñada en Movicon, pero para la simulación utiliza el software LabVIEW. La carrera de Ingeniería en Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas no cuenta en sus laboratorios con el equipamiento y la instrumentación necesaria para lograr una mejor comprensión de los procesos industriales actuales. Los costos elevados de los equipos dificultan su adquisición y a su vez, la realización de prácticas reales por parte de los estudiantes. En ocasiones no se aprovecha al máximo las potencialidades de la simulación en tiempo real que proveen software como el Movicon. Esta herramienta permite aplicar los contenidos impartidos y valorar los resultados independientemente de la complejidad del proceso. A partir de la problemática anterior se plantea como problema científico: No se dispone de un sistema SCADA para control de procesos virtuales que proporcione el desarrollo de diferentes prácticas de laboratorio e incremente el nivel de preparación de los estudiantes..

(12) INTRODUCCIÓN. 3. Objetivo General Diseñar un sistema SCADA para un control de proceso virtual que permita incrementar la preparación de los estudiantes en el desarrollo de prácticas de laboratorio.. Objetivos Específicos . Analizar la bibliografía existente sobre sistemas SCADA con procesos virtuales.. . Caracterizar las potencialidades de Movicon para la simulación y control de procesos en tiempo real.. . Simular en tiempo real el modelo de un proceso seleccionado con el uso de las funcionalidades de Movicon.. . Desarrollar un sistema supervisorio para el proceso virtual seleccionado.. . Valorar los resultados obtenidos de las pruebas realizadas al proceso virtual.. Tareas de investigación 1. Análisis de la bibliografía existente sobre procesos virtuales y entrenadores de SCADA. 2. Caracterización de las diversas funcionalidades del software Movicon. 3. Selección de las consideraciones prácticas para la simulación de control del proceso. 4. Elaboración del script de simulación. 5. Diseño de la interfaz gráfica de usuario (HMI). 6. Realización de diferentes pruebas al proceso. 7. Valoración de los resultados. 8. Elaboración del informe final de la investigación. Resultados Con este proyecto se obtiene la simulación de un proceso virtual a partir de un modelo seleccionado, su sistema supervisorio que garantiza el aprovechamiento de todas las funcionalidades y una guía que permite el desarrollo de prácticas de laboratorio..

(13) INTRODUCCIÓN. 4. Impacto posible La ejecución de este proyecto da solución a los problemas relacionados con la obtención de hardware de elevado costo y alta complejidad que requieren los procesos industriales actuales y cuya adquisición no constituye una alternativa viable para nuestra Universidad. Su implementación posibilita la obtención de una herramienta de simulación que permite el desarrollo de prácticas de laboratorio y complementa en gran medida la formación de los futuros ingenieros. Metodología de Trabajo: Para el desarrollo de la investigación se realiza un análisis documental sobre sistemas SCADA y procesos virtuales que conforma la base del marco teórico. La simulación se hace con Visual Basic for Aplication (VBA) que constituye el software para script de Movicon. La experimentación se basa en parámetros reales del proceso seleccionado.. CAPÍTULO I: En este capítulo se realiza un análisis de la bibliografía existente sobre los conceptos fundamentales que se abordan: SCADA, procesos virtuales y entrenadores con procesos virtuales. Se presentan los principales antecedentes relacionados con el tema y su valoración crítica. Se muestran las consideraciones finales del capítulo. CAPÍTULO II: Se caracteriza el software Movicon y sus posibilidades para la simulación y control de procesos en tiempo real. Se presenta el modelo seleccionado para el proceso virtual y se hace el diseño de su interfaz gráfica en Movicon. Para finalizar se exponen las consideraciones finales del capítulo. CAPÍTULO III: Se presentan las diferentes pruebas realizadas al proceso virtual con la utilización de parámetros reales. Se desarrolla una práctica de laboratorio y una guía que garantiza el máximo aprovechamiento de las funcionalidades del software. Se hace una valoración de los resultados obtenidos y un análisis de su impacto técnico-económico – medioambiental..

(14) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 5. CAPÍTULO 1. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. El desarrollo de aplicaciones computacionales implementadas en la industria ha permitido incrementar la complejidad, eficiencia y fiabilidad de los procesos. Específicamente los sistemas SCADA como elementos supervisorios y los procesos virtuales como herramientas de entrenamiento tienen un papel esencial en la industria moderna. Con el fin de lograr una mayor comprensión de los conceptos fundamentales asociados a estas temáticas en este capítulo se realiza un análisis de las generalidades de los sistemas SCADA. Posteriormente se trata el PID digital y algunas consideraciones prácticas a tener en cuenta para su simulación. Finalmente se presentan como antecedentes algunas investigaciones realizadas en este campo y se exponen las consideraciones finales del capítulo. 1.1. Sistemas SCADA. Los avances alcanzados en la tecnología han posibilitado la utilización de computadoras para el control industrial. Realizan tareas de recolección, almacenamiento y procesamiento de datos para luego mostrar de manera organizada la información sobre una pantalla. Muchas empresas se aprovecharon del rápido avance de las computadoras y realizaron programas de aplicación para atender requisitos específicos de algunos procesos. De esta forma surgen los software SCADA, que constituyeron una herramienta útil y una nueva experiencia para las empresas desarrolladoras de software (Lakhoua, 2009). La automatización industrial moderna consiste en manipular la actividad y la evolución de los procesos sin la intervención continua de un operador. Para este fin son empleados los sistemas SCADA. Estos permiten supervisar y controlar las distintas variables presentes en los procesos o plantas. Para ello se deben utilizar diversos periféricos, software de aplicación,.

(15) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 6. unidades remotas y sistemas de comunicación que le permiten al operador tener acceso completo al proceso mediante su visualización en diversas pantallas. Los primeros tipos de SCADA se utilizaron en aplicaciones tales como tuberías de gas y líquidos, la transmisión y distribución de energía eléctrica y en los sistemas de distribución de agua, para su control y monitorización (Shaw, 2006). Hoy en día pueden ser usados de manera conjunta con PLC (Programable Logic Control) para formar poderosos sistemas supervisorios con altas prestaciones. Permiten no solo supervisar el proceso sino tener acceso al historial de las alarmas y variables de control, combinar bases de datos relacionadas y presentar la información de manera simple y organizada lo que facilita en gran medida la labor de los operadores. En este epígrafe se tratarán aspectos relacionados con los sistemas SCADA a fin de lograr una mejor comprensión de su importancia para la automatización. Se abordan temáticas como sus características generales, principales funcionalidades y sus componentes fundamentales. Se presentarán algunos software empleados para su realización con énfasis en las principales prestaciones que estos pueden ofrecer. 1.1.1 Características generales de un SCADA Los sistemas SCADA, permiten la gestión y control de cualquier sistema local o remoto gracias a una interfaz gráfica que comunica al usuario con el sistema. Constituyen una aplicación o conjunto de aplicaciones de software especialmente diseñadas para funcionar sobre ordenadores 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. Según (Gómez et al., 2008) las características principales de un SCADA son las siguientes: . Adquisición y almacenamiento de datos para recoger, procesar y almacenar la información recibida en forma continua y confiable.. . Representación gráfica y animada de variables de proceso y su monitorización por medio de alarmas.. . Ejecución de acciones de control para modificar la evolución del proceso a partir de acciones sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús,) o directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.. . Arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación y adaptación..

(16) CAPÍTULO 1.. . SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 7. Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes de comunicación.. . Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control.. . Transmisión de información con dispositivos de campo y otras computadoras.. . Alertar al operador sobre cambios detectados en la planta, los que no se consideren normales como las alarmas y los que se produzcan en su operación diaria como los eventos. Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis.. 1.1.2 Subsistemas y funciones de un sistema SCADA Los sistemas SCADA para su correcto funcionamiento requieren de los siguientes subsistemas: . Una interfaz hombre-máquina (HMI) donde se presentan los datos del proceso y a través de esta el operador realiza las acciones de control.. . Un sistema de supervisión que garantiza la adquisición de datos desde el proceso y el envío de comandos al mismo.. . Unidades terminales remotas (RTU) que se conectan a los sensores en el proceso, convirtiendo las señales del sensor en datos digitales y enviando dichos datos al sistema de supervisión.. . Infraestructura de comunicación que conecta el sistema de supervisión con las RTU y con otros niveles superiores.. Estos presentan una amplia gama de funcionalidades de gran utilidad para la industria, según (Chacón Morales, 2012): Supervisión: Por medio de la HMI el operador puede observar los cambios detectados en la planta, ya sea el disparo de alarmas o la ocurrencia de eventos y de esta manera podrá iniciar las acciones de control correspondientes para solucionar dichas situaciones. Control: El sistema actúa sobre los elementos de control final: actuadores, válvulas, motores, bombas. La mayoría de los SCADA cuentan con modos de control manual y automático permitiéndole al operador intervenir en los parámetros del proceso en situaciones anómalas que requieran especial atención..

(17) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 8. Adquisición de datos: Se recolectan, procesan y almacenan los valores de las variables recibidos de los dispositivos de campo lo que permite la realización de análisis estadísticos sobre la estabilidad y la eficiencia del proceso que se controla. Manejo de alarmas: Se disparan alarmas en forma automática ante la detección de variables fuera del rango admisible. A través de señales visuales o sonoras el operador puede ejecutar a tiempo acciones de control que devuelvan al proceso a su estado normal. Generación de reportes: Basadas en la información obtenida por el sistema es posible generar gráficos de tendencia, históricos de variables, predicciones, análisis estadísticos y balances económicos que facilitan en gran medida el trabajo administrativo. 1.1.3 Software para el desarrollo de sistemas SCADA La importancia y utilidad demostrada por los SCADA para la industria ha permitido que múltiples empresas desarrolladoras de software se encaminen en la creación de estas aplicaciones. El objetivo fundamental es brindarle al desarrollador una herramienta flexible que pueda ser utilizada independientemente de la complejidad del proceso. Cuentan con un entorno de desarrollo amigable para facilitar el trabajo y brindan todos los recursos necesarios para la supervisión y el control. Dentro de los más utilizados se pueden mencionar: Movicon Este software creado por la empresa Progea según (Progea, 2018) se presenta como una aplicación flexible y escalable para el desarrollo de plataformas SCADA/HMI, con transparencia, simplicidad y alto rendimiento. Está completamente basado en estándares XML y tecnologías bien establecidas como servicios web, gráficos SVG, OPC, SQL, ODBC, .Net, así como tecnología Java y aplicaciones para soluciones de cliente web. Es una plataforma SCADA/HMI universal capaz de adaptarse a cualquier tipo de aplicación, independientemente del hardware empleado y la complejidad del proceso. Permite proyectar estaciones de supervisión de grandes plantas, con arquitecturas cliente/servidor, soporte para dispositivos móviles basados en el sistema operativo WinCE. Garantiza la comunicación con PLC, redes industriales y buses de campo (fieldbus) lo que amplía la propuesta de soluciones para el manejo y transmisión de la información..

(18) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 9. Entre sus características fundamentales se pueden mencionar: . Amplia biblioteca de controladores de E/S incluidos para extender los campos de aplicación.. . Editor gráfico vectorial con interfaz amigable y biblioteca de objetos encaminada a facilitar el desarrollo de la HMI.. . Gestión de alarmas con registro de eventos y realización de históricos en XML o base de datos.. . Administración de seguridad con usuario y contraseña establecidos en diferentes niveles de acceso.. . Visual Basic for Aplication (VBA) para la ejecución de script en tiempo real. Soporte para cliente Web, SQL CE, cliente OPC.. . Utilización de SMS o correo electrónico para el envío de notificaciones ante la ocurrencia de eventos.. Este software posee una elevada compatibilidad al incluir estándares de Microsoft tales como: . ActiveX permite insertar los objetos de los terceros.. . ODBC (Open Database Connectivity) se utiliza para la administración de base de datos.. . VBA (Visual Basic for Aplication) para la ejecución de código en sinópticos y scripts.. . OPC (Ole for Process Control) para la conectividad entre aplicaciones y para el manejo de datos y símbolos.. . Windows API (Application Program Interface) para permitir expansiones del sistema a través de DLL.. LabVIEW Ofrece un ambiente de desarrollo gráfico con una metodología de fácil comprensión para los ingenieros. Con esta herramienta se pueden crear fácilmente interfaces de usuario para la instrumentación virtual sin la obligación de elaborar código de programación, aunque en ocasiones puede utilizarse. Para especificar las funciones sólo se requiere construir diagramas de bloque. Se tiene acceso a una paleta de controles de la cual se pueden escoger desplegados.

(19) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 10. numéricos, medidores, termómetros, tanques, gráficas y una amplia gama de funciones programadas que aceleran el diseño de las aplicaciones. Se basa en un modelo de programación de flujo de datos denominado G, que libera a los programadores de la rigidez de las arquitecturas basadas en texto. Es además un sistema de programación gráfica que tiene un compilador que genera código optimizado, cuya velocidad de ejecución es comparable al lenguaje C. Los desarrollos construidos son compatibles con las normas VISA, GPIB, VXI y la alianza de sistemas VXI Plug & Play. Para facilitar aún más la operación cuenta con la inclusión de una herramienta asistente capaz de detectar automáticamente cualquier instrumento conectado a la computadora, se instalan los drivers apropiados y facilita la comunicación con el instrumento al instante. En sus inicios fue creado para construir instrumentación virtual: osciloscopios, generadores de función, voltímetros, entre otros. Debido a la amplia disponibilidad de tarjetas de adquisición 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. 1.2. El controlador PID. El controlador proporcional integral derivativo (PID) es una herramienta ampliamente utilizada en sistemas de control de procesos industriales. Este calcula y corrige el error entre una variable de proceso medida y su punto de ajuste establecido inicialmente. La acción correctiva puede ajustar el proceso rápidamente para mantener el error mínimo. El controlador PID calcula por separado los tres parámetros, es decir, los valores proporcionales, integrales y derivativos. El valor proporcional determina la reacción al error actual. El valor integral determina la reacción basada en la suma de errores recientes como error pasado. El valor derivado determina la reacción en función de la velocidad a la que el error ha estado cambiando como un error futuro. Al ajustar estas tres constantes en el algoritmo del controlador PID se puede proporcionar una acción de control que responda a requisitos específicos del sistema (Chopade et al., 2013). Algunas aplicaciones pueden requerir solo uno o dos parámetros del controlador PID para proporcionar el control apropiado en el sistema. En estos casos se denomina controladores.

(20) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 11. PI, PD o P según la ausencia de las acciones de control no deseadas. Los controladores PI son muy comunes, ya que la acción derivada es muy sensible al ruido en la medición y la acción integral garantiza que se alcance el valor objetivo establecido por el mando de control sin error en el estado estable. 1.2.1 Tipos de PID Los métodos empleados para el cálculo de los parámetros proporcional, integral y derivativo pueden variar de acuerdo a los requisitos del sistema donde se aplique. Esto da lugar a varias tipologías o formas modificadas usadas para obtener mejores respuestas. Entre la más utilizadas se encuentran: el PID básico, el PI-D y el I-PD. Control PID básico Es la configuración estándar del PID ver figura 1.1, donde las acciones proporcional, integral y derivativa se aplican simultáneamente a la diferencia entre la señal de referencia y la realimentación.. Figura 1.1 Sistema de control con PID El PID está representado por la ecuación (1.1). 1. 𝐺 (𝑠) = 𝐾 (1 + 𝑠𝑇 + 𝑠𝑇𝑑 ) 𝑖. Donde: K: Ganancia proporcional Ti: Constante de tiempo integral Td: Constante de tiempo derivativo. (1.1).

(21) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 12. Sin tener en cuenta las perturbaciones y el ruido, la función de transferencia en lazo cerrado entre la salida Y(s) y la entrada R(s) para este sistema corresponde con la ecuación (1.2). 𝐾𝑝 𝐺𝑝 (𝑠) 𝑌(𝑠) 1 = (1 + + 𝑇𝑑 𝑠) 1 𝑅(𝑠) 𝑇𝑖 𝑠 1 + (1 + 𝑇 𝑠 + 𝑇𝑑 𝑠) 𝐾𝑝 𝐺𝑝 (𝑠) 𝑖. (1.2). Donde: Kp: Ganancia proporcional Gp(s): Función de transferencia de la planta o proceso Control PI-D Se utiliza generalmente para atenuar el efecto de máximo sobre impulso. La acción derivativa se coloca en la realimentación y no se aplica directamente sobre la señal de referencia, ver figura 1.2.. Figura 1.2 Sistema de control PI-D En este caso la función de transferencia en lazo cerrado sin tener en cuenta perturbaciones y ruido se define por la ecuación (1.3):. 𝐾𝑝 𝐺𝑝 (𝑠) 𝑌(𝑠) 1 = (1 + ) 𝑅(𝑠) 𝑇𝑖 𝑠 1 + (1 + 1 + 𝑇 𝑠) 𝐾 𝐺 (𝑠) 𝑑 𝑝 𝑝 𝑇𝑖 𝑠. (1.3).

(22) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 13. Control I-PD En este caso las acciones proporcional y derivativa se mueven al camino de la realimentación con el fin de no afectar la señal de referencia. Esta solo es modificada por el control integral, razón por la cual es indispensable para el correcto funcionamiento del sistema de control, ver figura 1.3.. Figura 1.3 Sistema de control I-PD La función de transferencia en lazo cerrado si tener en cuenta perturbaciones y ruido queda definida por la expresión (1.4):. 𝐾𝑝 𝐺𝑝 (𝑠) 𝑌(𝑠) 1 =( ) 𝑅(𝑠) 𝑇𝑖 𝑠 1 + (1 + 1 + 𝑇 𝑠) 𝐾 𝐺 (𝑠) 𝑑 𝑝 𝑝 𝑇𝑖 𝑠. (1.4). Cada una de estas formas de utilización del PID introduce diferentes variaciones en la repuesta. La selección de una u otra depende en gran medida de las características del proceso a controlar. 1.2.2. PID digital. La mayoría de los trabajos e investigaciones en control automático consideran sistemas de control periódicos o activados por tiempo donde las señales de tiempo continuo se representan por sus valores muestreados a intervalos de muestreo equidistantes. La razón principal de esto es la existencia de una teoría de sistema bien establecida para sistemas de datos muestreados y sistemas de control muestreados (Åström and Wittenmark, 2013). Para implementar un controlador PID en una computadora, debe convertirse a formato digital. Una forma común de hacer esto es discretizar el controlador para aproximar las.

(23) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 14. derivadas de tiempo continuo con el uso de diferentes métodos, entre ellos: aproximación de diferencia hacia atrás, aproximación de diferencia hacia adelante y aproximación de Tustin. Los controladores PID son ampliamente utilizados como reguladores digitales en algoritmos de sistemas de control digital directo por computadora. Sea la ecuación ideal (1.5) de un PID analógico: t  d (t )  1 m(t )  K c e(t )   e(t )dt  Td e   m(0) Ti 0 dt  . (1.5). Donde: m(t): Salida del regulador. Kc: Constante proporcional. Ti: tiempo integral. Td: tiempo derivativo. m(0): valor de la salida en el instante t=0 e(t) = r(t) – c(t) Diferencia entre valor de entrada y valor de salida respectivamente Desde el punto de vista discreto se calcula como: . Acción proporcional:. P  Kce. . (1.6). Acción derivativa por diferencia hacia adelante:. Dk  (1 . NTm )Dk 1  K c N(ck  ck 1 ) Td. Donde: N: coeficiente de acción del filtro (generalmente N=8 ó N=10). (1.7).

(24) CAPÍTULO 1.. . SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. Acción derivativa por diferencia hacia atrás:.   Td KT N  Dk 1  c d ck  ck 1  Dk   Td  NTm  Td  NTm  . (1.10). Kc ek Ti. (1.11). Aproximación por Tustin:. I k  I k 1  Tm. 1.3. Kc ek 1 Ti. Acción integral por diferencia hacia atrás:. I k  I k 1  Tm . (1.9). Acción integral por diferencia hacia adelante:. I k  I k 1  Tm . (1.8). Aproximación por Tustin:.  2T  NTm  2K cTd N Dk 1  ck  ck 1  Dk   d 2Td  NTm  2Td  NTm . . 15. K c ek  ek 1 Ti 2. (1.12). Consideraciones prácticas aplicadas a los sistemas de control. Los PID se presentan en muchas ocasiones como la solución más completa para los sistemas de control. Su implementación garantiza rapidez y exactitud en la respuesta, pero en la práctica existen algunos efectos adversos que afectan su correcto funcionamiento. Entre ellos se pueden mencionar: Saturación del actuador Según (Karl J. Åström, 2009) deben tomarse en consideración algunos efectos no lineales. Todos los actuadores tienen limitaciones que influyen en su comportamiento. Un motor tiene una velocidad limitada por sus características físicas. Una válvula no puede estar más que totalmente abierta o totalmente cerrada. Para un sistema de control con un amplio rango de condiciones operativas, puede suceder que la variable de control alcance los límites del.

(25) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 16. actuador. Cuando esto sucede el lazo de realimentación se rompe y el sistema opera como un sistema en lazo abierto porque el actuador permanecerá en su límite independientemente de la salida del proceso. Si se utiliza un controlador con acción integral, el cálculo para la integración del error continúa si el algoritmo no se diseña adecuadamente. Esto significa que el término integral puede hacerse muy grande y se requiere entonces que el error tenga signo opuesto durante un largo período antes de que las cosas retornen a la normalidad. La consecuencia es que cualquier controlador con acción integral puede sufrir grandes transitorios cuando el actuador se satura. Transferencia suave entre modo el manual y el automático (bumpless transfer) Los sistemas de control pueden inicializarse en modo manual para llevar la variable hasta un valor cercano al punto de ajuste establecido. Según (Cantarero) es necesario disponer de un mecanismo adecuado para conmutar entre la acciones de control manual-automático y cambiar directamente la variable manipulada del proceso. Para corregir este efecto adverso puede emplearse el método de seguimiento de la integral. Este se basa en realimentar al controlador la diferencia entre la señal de error, la que éste genera, y la señal de control saturada, la que interpreta el actuador; de forma que la diferencia entre ambas sea utilizada por el controlador para llevar la señal de control al mismo valor que la señal saturada. Este método es el más eficaz, pues permite reducir mucho el tiempo de la saturación del término integral, pero necesita conocer en todo momento los límites físicos del actuador, ya sea por medición directa o incorporando un buen modelo del actuador. Zona muerta (death zone) La zona muerta constituye una no-linealidad inevitable en la gran mayoría de los sistemas de control. Representa un umbral donde no existen salidas para los cambios en los valores de entrada que estén dentro de su amplitud, ver figura 1.4. Si no se toma en cuenta puede producir error de régimen estable en los sistemas donde se presenta..

(26) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 17. Figura 1.4 Curva característica de entrada-salida para la no-linealidad de zona muerta. 1.4. Simulación.. En ocasiones es necesario saber cómo responderá un sistema ante determinadas acciones que se realicen sobre él. Esto podría hacerse por experimentación con el propio sistema; pero factores de costos, seguridad y otros hacen que esta opción generalmente no sea viable. A fin de superar estos inconvenientes, se reemplaza el sistema real por maquetas experimentales o por un modelo matemático. En ellos se pueden llevar a cabo las experiencias necesarias sin los inconvenientes planteados anteriormente. Al proceso de experimentar con un modelo se denomina simulación y si el plan de experimentación se lleva a cabo con el solo objeto de aprender a conducir el sistema, entonces se denomina entrenamiento o capacitación (Tarifa, 2001). Según (Garcia Dunna and Azarang Esfandiari, 1996) simulación se define como el desarrollo de un modelo lógico-matemático de un sistema, de tal forma que se obtiene una imitación de la operación de un proceso de la vida real o de un sistema a través del tiempo. Sea realizado a mano o en computadora, la simulación involucra la generación de una historia artificial de un sistema; la observación de esta historia mediante la manipulación experimental, nos ayuda a inferir las características operacionales de tal sistema. El desarrollo del modelo incluye la construcción de ecuaciones lógicas representativas del sistema y la preparación de un programa computacional. Una vez que se ha validado el modelo del sistema, la segunda fase de un estudio de simulación entra en escena, experimentar con el modelo para determinar cómo responde el sistema a cambios en los niveles de algunas variables de entrada..

(27) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 18. 1.4.1 Aplicaciones de la simulación Los avances alcanzados en las ramas computacionales permiten la utilización de la simulación como una potente herramienta para el desarrollo de aplicaciones. La gran mayoría de los procesos de alta complejidad son simulados en laboratorios donde son probados y evaluados antes de su construcción física. Según (Tarifa, 2001) la simulación debe emplearse cuando: los experimentos con el sistema real son imposibles debido a impedimentos económicos, de seguridad, de calidad o éticos. Un ejemplo de esto es la imposibilidad de provocar fallas en un avión real para evaluar las acciones del piloto en situaciones de emergencia. En proyectos donde se diseñan sistemas nuevos que no han sido probados en la práctica resulta de gran ayuda un modelo para la experimentación que garantice mejores resultados finales. En la educación con fines prácticos la simulación constituye una excelente herramienta para ayudar a comprender un sistema real debido a la flexibilidad del entorno, la posibilidad de detener el tiempo o ralentizar el proceso y además permite registrar valores de variables que no pueden ser medidas en el sistema real. 1.4.2 Simulación en sistemas SCADA El uso de los simuladores en las industrias, tiene su origen en la crisis energética del petróleo en los años 70, en los que estas se vieron obligadas a optimizar sus procesos, y la consecuente reducción de costos (García, 2010). A partir de esa fecha, inicialmente se desarrollaron en varias universidades y algunas industrias varios programas de simulación con estructuras rígidas para la introducción de las variables de entrada y con resultados de difícil entendimiento para los operadores. Con el avance de las computadoras y de la informática en general, diferentes empresas especializadas en desarrollo de software crearon programas para la simulación de procesos industriales con entornos más amigables. Un simulador según (García Jaimes, 2009),es una configuración de hardware y software en el cual, mediante algoritmos de cálculo, se reproduce el comportamiento de un proceso o sistema físico determinado. En dicho proceso se sustituyen las situaciones reales por otras diseñadas virtualmente, de las cuales se aprenderán acciones, habilidades, hábitos y/o competencias, para posteriormente transferirlas a situaciones de la vida real con igual.

(28) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 19. efectividad; en esta actividad no sólo se acumula información teórica, sino que se lleva a la práctica. Los simuladores constituyen una herramienta, tanto para la formación de conceptos y construcción en general de conocimientos, como para la aplicación y experimentación de los mismos. El uso de un simulador de procesos industriales según (Landaeta, 2014), representa un acercamiento a las condiciones y comportamientos reales de éstos, lo que permite la adquisición de destrezas y conocimientos por parte de los operadores antes de su vinculación directa con la práctica. Existen gran variedad de herramientas propietarias y personalizadas para la simulación de procesos, con diferentes grados de complejidad, presentación y funcionalidad, pero con un aspecto en común, que está dado por las aplicaciones y usos de los modelos matemáticos bajo distintas herramientas informáticas para su análisis e interpretación. El uso de maquetas o entrenadores físicos a escala no se considera en ocasiones una opción viable por recursos económicos, factores de riesgo o simplemente porque la complejidad del proceso no admite su reproducción. Los paquetes de software que permiten el desarrollo de sistemas SCADA cuentan con herramientas para la simulación. Estos simuladores de procesos son ampliamente utilizados a nivel industrial y educativo, permiten el estudio, diseño, análisis y optimización de sistemas y procesos industriales. Representan un ahorro de tiempo y recursos para la institución donde se implemente y un invaluable instrumento como medio de enseñanza. Su mayor importancia resalta por la posibilidad de simular la ocurrencia de eventos y alarmas que en la práctica son poco frecuentes. De esta manera aumenta la capacitación de operadores inexpertos y los de mayor experiencia, pueden entrenarse en estas situaciones esporádicas. Otro elemento de gran importancia lo constituye el ambiente de trabajo seguro que proporcionan donde se pueden modificar parámetros para experimentar las respuestas del sistema sin temor a provocar fallas o defectos en el mismo..

(29) CAPÍTULO 1.. 1.5. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 20. Antecedentes de sistemas SCADA con fines educativos.. Existen varias investigaciones y proyectos relacionados con la temática tratada donde se desarrollan aplicaciones con el fin de realizar actividades prácticas y de entrenamiento. Entre ellos podemos mencionar: Diseño y montaje de un entrenador con el controlador lógico programable PLC S7-200 SIEMENS (Pérez Rojas, 2013) El entrenador es un módulo para configurar, programar y usar un autómata SIEMENS. Se realiza un simulador de entradas para que el PLC responda según su programación. En este caso la aplicación no se considera un SCADA, la supervisión y el control se llevan a cabo desde el PLC y de manera conjunta se puede monitorizar en una computadora. Implementación de control de velocidad de un motor dc con controlador PID convencional y fuzzy P-PI-PID con diferentes tipos de entradas utilizando software LabVIEW (Chico, 2015) Consiste en una placa electrónica que incluye varios sensores y actuadores típicos en los sistemas de control tales como: temperatura, velocidad, posición, señales analógicas de corriente continua, alterna, digital, y tren de pulsos. Está diseñado para conectar a una computadora mediante una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) de National Instruments. Incluye varios programas realizados en la plataforma de desarrollo gráfico LabVIEW para realizar prácticas de laboratorio. A pesar de utilizar las ventajas de la simulación requiere de la utilización de instrumentación real. Entrenador de Servosistemas (motores C.C.)(Edibon, 2009) Se trata de un equipo desarrollado para el estudio de servosistemas y servomecanismos. Es un entrenador para el control de velocidad en motores de corriente continua de pequeña potencia. No se utiliza un SCADA para la supervisión y se requieren elementos físicos como motores y tacómetros. Se emplea un programa como simulador de fallos y averías que complementa la realización de las prácticas. Sistema SCDADA para un entrenador de proceso del servosistema ALECOP SAD-100 (Corbea and Alberto, 2017).

(30) CAPÍTULO 1.. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES. 21. Se desarrolla una herramienta para la supervisión y control del servomecanismo ALECOP SAD-100. La interfaz gráfica de usuario se diseña en Movicon, pero la simulación se realiza en LabVIEW a partir de los datos almacenados del proceso real. Entrenador digital de lazo de control con consideraciones prácticas reales (Herrera and Dani, 2016) En este caso se utiliza un proceso virtual para simular el control de velocidad de un motor de corriente directa y el control de posición de un servomotor de corriente directa. La simulación se realiza en tiempo real pero no se considera un SCADA y se implementa completamente en el software LabVIEW. 1.6. Consideraciones finales del capítulo. Los sistemas SCADA constituyen una herramienta de vital importancia para la supervisión y control de los procesos industriales. Garantizan un manejo óptimo y organizado de la información tanto en sistemas locales como en remotos. Existen diversas consideraciones prácticas tales como: zona muerta, atraso de transportación, histéresis, variación de la carga y saturación que afectan el correcto funcionamiento de los reguladores y lazos de control. Incluirlas en los procesos simulados garantiza que las respuestas obtenidas estén lo más cerca posible a los valores reales. El Movicon es un software para el desarrollo de sistemas SCADA con grandes prestaciones. Permite el diseño y desarrollo de interfaces gráficas con relativa facilidad además de proveer una amplia gama de herramientas que garantizan la supervisión y el control. El modo desarrollador de este software funciona sin una licencia pagada lo que permite la realización de proyectos de manera gratuita, la licencia solo se paga si el proyecto se aprueba para su implementación. Los avances en las ramas computacionales hacen de los procesos virtuales una alternativa viable para el entrenamiento y estudio de los procesos industriales. Económicamente son más accesibles al no requerir la utilización de instrumentación real. Se destacan por la posibilidad de simular fallas o errores para lograr una mejor preparación de los operadores..

(31) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 22. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. En este capítulo se abordan las características principales del software Movicon como herramienta para el desarrollo de sistemas SCADA. Se ofrece una panorámica de las posibilidades y potencialidades que presenta como plataforma SCADA en la simulación y control de procesos. Además, se selecciona un modelo con diversas consideraciones prácticas y se desarrolla un script para la simulación. Todo con el fin de realizar prácticas de laboratorio que fortalezcan la formación de futuros profesionales. 2.1. Caracterización del Movicon. El Movicon se presenta como una herramienta para el desarrollo de plataformas SCADA para prácticamente cualquier aplicación de supervisión. Ha sido utilizado en diversos sectores de la industria, entre ellos: industrias de maquinarias, distribución eléctrica, industria automotriz, farmacéutica y textil. Fue diseñado originalmente para empresas dedicadas a la automatización y control de procesos y edificios inteligentes. Después de varios años de utilización y constantes mejoras, sus prestaciones y funcionalidades permitieron incrementar las posibilidades de implementación. Hoy en día constituye una aplicación con un gran prestigio internacional y amplio uso, en gran medida porque ha sido capaz de mantener los conceptos de simplicidad, potencia y sistema abierto. En Cuba lo comercializa la empresa COPEXTEL, (Amador Contreras, 2011)..

(32) CAPÍTULO 2.. 2.1.1. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 23. Movicon como software SCADA. El software Movicon ha desarrollado el concepto de la supervisión industrial, al introducir tecnologías extremadamente innovadoras y modernas para sistemas de automatización. Además de las herramientas para la rápida creación de aplicaciones de control y visualización también introduce las últimas tecnologías que permiten integrar fácilmente la aplicación con el resto del mundo. Permite crear potentes y compactos sistemas de visualización de interfaz hombre-máquina. Convierte el panel de operador en una pequeña estación SCADA la que ofrece independencia del hardware, conectividad con los sistemas superiores de información, lo que incrementa la potencia de la máquina (Pascual, 2009). El desarrollo de cada proyecto se caracteriza por su funcionamiento modular donde se agrupan los diferentes recursos y componentes que definen el SCADA. El núcleo del proyecto o Kernel está constituido por la base de datos de tiempo real, donde se almacenan los valores en tiempo real de las variables de la aplicación. Con este módulo principal interactúan los restantes módulos: comunicaciones, servidor web, scripts VBA y lógicas IL (Instruction List), planificadores de comandos y eventos, registradores de datos (Data Logger) y recetas, administración de alarmas, registros de eventos históricos y rastreo de variables, interfaces de usuario y administración de usuarios y contraseñas. El Movicon permite la función de supervisión de los procesos productivos mediante interfaces gráficas denominadas sinópticos. Cuenta con ventanas o cuadros de diálogos para la programación de comandos o la introducción de valores (setpoints) en el proceso. Presenta además innumerables funciones para la manipulación y organización de la información que garantizan una gestión de proceso completa y funcional de un modo simple y seguro. 2.1.2. Potencialidades para la simulación y control. Las funcionalidades para el control de procesos son una característica de gran importancia en el software Movicon. Combina un grupo de herramientas que le permiten al operador conocer el estado de la planta en todo momento. Permite una configuración de parámetros de trabajo de manera rápida e intuitiva con la posibilidad de utilizar ventanas de diálogo para guiar al operador. Las operaciones se inician y controlan a través de paneles táctiles o computadoras remotas debido a la gran cantidad de soluciones de comunicación que presenta este software. Durante la operación, se muestra en gráficos o esquemas el estado de los.

(33) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 24. elementos de control: motores, válvulas, bombas y se recolectan los valores de las variables medidas por la instrumentación de campo. Además, se resaltan las condiciones de alarma auxiliándose de señales visuales y sonoras. Esto brinda a los operadores una imagen clara de la información en tiempo real del proceso en las diferentes etapas de producción. Otro elemento de importancia para el control lo constituyen los comentarios y mensajes programados que se asocian a las diferentes alarmas o eventos. Brindan información útil para el operador o el personal de mantenimiento lo que incrementa la velocidad y eficiencia de la respuesta en consecuencia. Todas las alarmas y eventos importantes se registran en una base de datos, lo que permite realizar un análisis histórico para prevenir futuros fallos de control o facilitar la toma de decisiones ante diversas situaciones. El Movicon puede utilizarse como aplicación de tiempo real lo que posibilita la implementación de programas que se ejecuten según una base de tiempo seleccionada. Cuenta con VBA (Visual Basic for Aplication), software para la ejecución de script. Esta funcionalidad hace posible la realización de simulaciones útiles en aplicaciones como entrenadores de procesos. En el modo desarrollador se programan los diferentes eventos que definen las condiciones ante las cuales debe activarse determinado script, de esta manera pueden ser usados para simular fallos, generar alarmas o para poner al operador ante situaciones que no enfrenta cotidianamente. Definición de script Los scripts son programas secuenciales que se implementan ya sea como recursos vinculados directamente en las propiedades de ejecución de un objeto o como código asociado a los eventos de una alarma, dibujo o símbolo. La utilización de los scripts está justificada por la funcionalidad que desea darle el operador para su comodidad. Bibliotecas Basic Script Constituyen una herramienta de Movicon con el fin de facilitar al usuario el desarrollo de script. Por esta vía es posible acceder a una serie de funciones suplementarias. Estas permiten interactuar con el proyecto y realizar funciones como por ejemplo: Leer y escribir las variables de la Real Time DB de Movicon, efectuar cambios de página, interactuar con las propiedades de los símbolos, entre otras..

(34) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 25. Eventos Se define como eventos a las rutinas puestas a disposición del sistema que son llamadas automáticamente al ocurrir sucesos que cumplen determinadas condiciones. Estos pueden ser introducidos en los scripts. Su uso está fundamentado por la necesidad del desarrollador de detectar cambios significativos que puedan ocurrir esporádicamente. Es posible crear eventos personalizados sobre variables específicas de la Real Time DB de Movicon. Esto permite utilizarlos para determinar el cambio de estado de una variable o para encuestar sus valores cada un período de tiempo determinado. 2.2. Selección del modelo del proceso. El entrenador SAD-100 es una maqueta utilizada para el control de velocidad de un servomecanismo de corriente directa. En este caso se selecciona su modelo matemático para la realización del proceso virtual. Su disponibilidad permite comparar los resultados obtenidos en la simulación con los valores reales y a pesar de ser un modelo relativamente sencillo se pueden demostrar las funcionalidades del Movicon aplicables a cualquier otro proceso. 2.2.1 El proceso La planta real utilizada como referencia para la creación del proceso virtual cuenta con los siguientes elementos enumerados en la figura 2.1. Figura 2.1 Servomecanismo de corriente directa ALECOP SAD-100.

(35) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 26. El diagrama en bloques para este sistema se corresponde con un lazo cerrado de control donde la planta principal es el motor de corriente directa (CD), el regulador está constituido por un PID y la realimentación o medición está dada por la señal del tacodinamo, ver figura 2.2.. Figura 2.2 Lazo cerrado de control para el SAD-100 El modelo de esta planta se corresponde con un sistema de primer orden según se muestra en la ecuación 2.1 𝑉𝑒𝑙(𝑠) 𝐾𝑚 = 𝑉𝑜𝑙𝑡(𝑠) 𝒯𝑝 𝑠 + 1. (2.1). Donde: Vel(s): Velocidad del motor Volt(s): Voltaje de alimentación Km: Ganancia del proceso 𝒯p: Constante de tiempo del proceso El software Movicon no trabaja con valores en el campo s, para poder implementar este modelo en una simulación se hace necesario discretizar la ecuación 2.1. De esta forma el modelo discreto queda según la ecuación 2.2. 𝒯𝑝 𝒯𝑝 𝑉𝑒𝑙(𝑠) = 𝑉𝑒𝑙𝐾−1 + 𝐾𝑚 𝑉𝑜𝑙𝑡(𝑠) 𝒯𝑝 + 𝒯𝑚 𝒯𝑝 + 𝒯𝑚 Donde: Vel(s): Velocidad del motor. Volt(s): Voltaje de alimentación. VelK-1: Velocidad en el instante de muestreo anterior.. (2.2).

(36) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 27. 𝒯p: Constante de tiempo del proceso. Km: Ganancia del proceso. 𝒯m: Período de muestreo.. 2.2.2 Consideraciones prácticas aplicadas al proceso Para el desarrollo e implementación del proceso virtual se hace necesario la selección de algunas consideraciones prácticas. El uso de las mismas permite a los usuarios enfrentar situaciones reales que se presentan en los procesos industriales. Incluirlas en la aplicación incrementa la veracidad de los resultados y complementa la formación de los usuarios al exigir conocimientos y habilidad para enfrentar estas situaciones. Para el sistema desarrollado en la simulación se seleccionan las siguientes consideraciones prácticas:. 2.3. . Saturación del actuador y del proceso. . Zona muerta. . Ruido en la medición. . Ruido en la señal de mando. . Variación de la carga El Regulador. Con la finalidad de explotar al máximo las funcionalidades del proceso virtual se selecciona un regulador PID según se muestra en la ecuación 2.3 en el dominio de la frecuencia. Este es el más completo al presentar las tres acciones de control: proporcional, integral y derivativa, lo que le brinda al usuario la libertad de escoger entre ellas o combinarlas a partir de diferentes métodos de ajuste para evaluar las respuestas del sistema. 𝐺(𝑠) = 𝐾𝑐(1 +. 1 + 𝒯𝑑 𝑠) 𝒯𝑖 𝑠. Donde: Kc: Constante de acción proporcional 𝒯i: Tiempo de acción integral. (2.3).

(37) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 28. 𝒯d: Tiempo de acción derivativa 2.3.1 Discretización del PID Para poder implementar la función del PID en la simulación es necesario digitalizarlo para la computadora. Una forma de hacerlo es discretizar el controlador, es decir, aproximar las derivadas de tiempo continuo para que se ajusten a los ciclos de reloj de los microprocesadores. En este caso la acción proporcional queda según la ecuación 2.4, la acción derivativa de la ecuación 2.5 y la acción integral de la ecuación 2.6 se obtienen por el método de diferencia hacia atrás.. 𝑃𝑘 = 𝐾𝑐 ∗ 𝑒𝑘 𝐷𝑘 =. (2.4). 𝒯𝑑 𝐾𝑐 𝒯𝑑 𝑁 𝐷𝐾−1 + (𝑒 𝑒 ) 𝒯𝑑 + 𝑁𝒯𝑚 𝒯𝑑 + 𝑁𝒯𝑚 𝑘− 𝑘−1. 𝐼𝑘 = 𝐼𝑘−1 + 𝒯𝑚. 𝐾𝑐 𝑒 𝒯𝑖 𝑘. (2.5) (2.6). Donde: ek: Error actual ek-1: Error anterior Dk-1: Acción proporcional anterior Ik-1: Acción integral anterior N: Coeficiente para acción del filtro (normalmente 8~10) 𝒯m: Período de muestreo 2.3.2 Consideraciones prácticas aplicadas al regulador Al igual que en el epígrafe 2.2.2 existe otro conjunto de consideraciones prácticas de igual importancia que se deben tener en cuenta, solo que esta vez están vinculadas con el funcionamiento del regulador. Estas son necesarias para evitar respuestas adversas del regulador ante determinados eventos. Para la simulación se seleccionaron las siguientes consideraciones:.

(38) CAPÍTULO 2.. 2.4. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. . Saturación del mando. . Efecto Wind-up. . Cambio manual-automático. . Transferencia suave de manual a automático (bumpless transfer). . Selección entre banda proporcional y unidades de ingeniería. 29. Script para el proceso virtual en Movicon. Para crear el script donde se desarrollará el proceso virtual hay que insertar un nuevo recurso en el proyecto. Para ello se elige la opción “Add a new Script” del menú que se despliega al dar clic derecho sobre el ítem “Basic Script” del “Project Explorer”, ver figura 2.3. Una vez realizada esta operación aparece el nuevo recurso que puede ser renombrado a conveniencia del programador. Además, se abre la ventana del editor de código del script recién creado.. Figura 2.3 Creación de un nuevo script en el proyecto. 2.4.1 Configuración del evento para la ejecución del script Un aspecto de gran importancia luego de haber creado el script lo constituye la definición de su forma de ejecución. En este caso se utiliza la activación por eventos por la facilidad que brindan a la hora de ejecutar el script cíclicamente. Para la creación de un nuevo evento se selecciona la opción “Add a new Event Object” del menú que se despliega al dar clic derecho sobre el ítem “Events” del “Project Explorer” ver figura 2.4..

(39) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 30. Figura 2.4 Creación de un nuevo evento en el proyecto. Inicialmente se debe configurar el evento creado para ejecutarse cíclicamente cada un segundo. Para ello se selecciona la opción “Properties” del menú desplegado al dar clic derecho sobre dicho evento. Luego de haber accedido a sus propiedades en el campo “Event Variable” se selecciona la variable de sistema “ActTimeSec”. Una vez realizada esta operación se le da la funcionalidad al evento de ejecutar el script. De igual forma se accede a sus propiedades y en el campo “Commands” se agrega el script a ejecutar, ver figura 2.5.. Figura 2.5 Configuración del evento..

(40) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 31. 2.4.2 Variables utilizadas en el proceso La definición de las variables está dada por los requisitos de las ecuaciones del PID y del proceso utilizadas para la simulación, además se agregan otras para almacenar valores anteriores. Se seleccionan los diferentes tipos de datos según la funcionalidad que se asigne, ya sea almacenar valores numéricos o identificar estados activos. En la Tabla 2.1. se muestran las variables empleadas para la programación del PID. Tabla 2.1 Variables Relacionadas con el PID. Variables. Tipo. Descripción. e. Float. Valor actual del error. eant. Float. Valor anterior del error. m. Float. Mando del PID en automático. Pk. Float. Acción proporcional del PID. Dk. Float. Acción derivativa del PID. Dkant. Float. Acción derivativa anterior del PID. Ik. Float. Acción integral del PID. Ikant. Float. Acción integral anterior del PID. N. Float. Coeficiente para el filtro (generalmente 8~10). Se considera importante definir otro grupo de variables entre las que se encuentran la entrada y salida del proceso simulado. Algunas se emplean para configurar los valores de las consideraciones prácticas aplicadas y otras para determinar estados o condiciones que rigen el funcionamiento de la simulación, ver Tabla 2.2..

(41) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 32. Tabla 2.2 Variables Relacionadas con el proceso y el estado de la simulación Variables. Tipo. Descripción. _SysVar_. -----. Conjunto de variables del sistema (ActTimeSec). BP. Float. Banda proporcional en %. MANAUT. Bit. Determina el estado de control actual manual (0), automático(1). MANAUTant Bit. Guarda el estado de control inmediato anterior. Unidad. Bit. (0) Unidades de ingeniería, (1) Banda proporcional. ZonaMuerta. Float. Valor asignado a la zona muerta del proceso. Voltaje. Float. Acción de mando manual asignada por el operador (-10 a 10V). MandoActual Float VelocidadSP. 2.5. Float. Acción de mando automático aplicado al proceso (-10 a 10V) Punto de ajuste de velocidad (-2000 a 2000rpm ). Desarrollo de la interfaz gráfica HMI. La interfaz hombre-máquina o HMI es uno de los componentes fundamentales en el desarrollo de un sistema SCADA. Se realizan con el objetivo de mostrar al operador todas las opciones para la configuración, supervisión y control. Para su diseño se deben tener en cuenta varios aspectos que contribuyan a alcanzar todas las funcionalidades que se requieren en el proceso con la mayor simplicidad posible. Un paso importante lo constituye la selección de los colores y debe respetarse la estandarización de los mismos. Por ejemplo, se asocia el color rojo con alarmas o situaciones de peligro, el naranja o amarillo con advertencias y precauciones y el verde con el funcionamiento correcto dentro de los parámetros del proceso. Además, debe seleccionarse un color de fondo cuyo brillo e intensidad no canse la vista del operador dado que este debe pasar varias horas observando la pantalla de la interfaz, generalmente se utilizan escalas de grises o negro para este fin..

(42) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 33. 2.5.1 Definición de los niveles de acceso a los componentes de la interfaz El Movicon tiene por default varios grupos de usuarios con configuraciones predefinidas para facilitar el trabajo de los desarrolladores. Estos grupos se pueden modificar o agregar otros en función de los requerimientos para el desarrollo del sistema SCADA. Administradores es el grupo con máximo permiso en la ejecución del proyecto, una vez que el sistema se inicia tienen acceso a todas sus funcionalidades. Desarrolladores es un grupo especial dado que son los usuarios que pueden abrir el proyecto para su edición o modificación. Invitados, es por default el grupo que incluye a personas que comúnmente no se le da permiso para operar, incluso se le puede ocultar objetos y pantallas. Normalmente se pueden incluir grupos de operadores u otros usuarios con diferentes niveles de usuarios, y a su vez cada uno puede tener su propio nivel de acceso. Por lo que cada usuario tiene su nivel de usuario y nivel de acceso, ver figura 2.6.. Figura 2.6 Configuración de niveles de usuario y niveles de acceso..

(43) CAPÍTULO 2.. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL. 34. Para que el proyecto sea protegido para su edición se debe acceder a las propiedades del ítem “Users And User Groups” del “Project Explorer” y habilitar la opción “Password Protected Project”. Además, debe habilitarse la opción “Enable Password Manager” para que el sistema de niveles de usuario y niveles de acceso sea efectivo, ver figura 2.7.. Figura 2.7 Habilitación de protecciones y niveles de acceso En este proyecto se implementan tres usuarios con los diferentes niveles. Un “Operador” con acceso a las pantallas de supervisión y control, no se le permite la visualización ni la modificación de los parámetros que configuran el proceso virtual. Se agrega un usuario “Admin” perteneciente al grupo administradores con total acceso al proyecto durante la ejecución, puede modificar los parámetros que rigen el proceso virtual. Además, se incluye un usuario “Desarrollador” dentro del grupo desarrolladores para permitir futuras modificaciones al proyecto, esto garantiza que se puedan continuar perfeccionando sus funcionalidades.. 2.5.2 Pantallas o sinópticos que conforman la interfaz del SCADA Para el desarrollo de este proyecto se implementan cinco pantallas: Principal, Control, Configuración, Registros y Alarmas. Estas garantizan la supervisión, control y configuración de las variables utilizadas en la simulación del proceso virtual. La interfaz cuenta con una barra de navegación común para todas las pantallas que permite acceder a cualquiera de ellas en el momento que sea necesario..