Martínez Sala / [email protected] Director Asociado / correo electrónico Alfredo de Nicolás / [email protected]. Título del TFG Sistema de adquisición de datos de consumo eléctrico mediante Modbus y análisis exploratorio en Python. Resumen En automatización industrial es muy común el uso del protocolo Modbus estándar para la comunicación y control entre dispositivos de campo con un servidor SCADA.
En el paradigma de la Industria 4.0, se necesita un análisis y procesamiento avanzado de datos para la toma de decisiones, no sólo para visualizar los datos en tiempo real. El objetivo del proyecto es monitorizar y registrar el consumo eléctrico de una red industrial en tiempo real mediante un analizador de redes que se comunica vía Modbus con el PLC Siemens S7-1200 utilizado en la empresa TESSAI. Se han establecido las bases para registrar los parámetros históricos de consumo recibiéndolos en un PLC, actuando como cliente Modbus y visualizándolos en SCADA.
A mis amigos por soportar mi época universitaria y siempre darme palabras de aliento y apoyo incondicional y celebrar conmigo cada logro como si fuera de ellos.
Introducción y objetivos
- Introducción y objetivos
- Herramientas software
- Dispositivos usados
- Estructura y organización del proyecto
Configurar la comunicación entre un PLC Siemens S7-1200 y un analizador de redes que se comunica mediante un gateway con diferentes protocolos Modbus. Analizador de redes ARE-MINI: es un instrumento que mide, calcula y visualiza los principales parámetros eléctricos en redes industriales trifásicas. Se trata de sistemas de suministro de energía eléctrica utilizados en entornos industriales y comerciales que utilizan tres corrientes eléctricas alternas, desfasadas entre sí a 120 grados. Puerta de enlace TCP1RS+: Es una puerta de enlace de comunicación para la conversión del medio físico Ethernet bajo paquetes TCP/IP a comunicación serial RS-485.
Se conectará vía Ethernet al PLC y mediante cable de par trenzado al conector RS-485 del analizador de redes. La base teórica de la comunicación entre dispositivos con protocolo Modbus, especialmente Modbus RTU y Modbus TCP. Se muestra y presenta el software Siemens TIA Portal para la programación de PLC.
Introducción al software COPA_DATA Zenon utilizado para crear el sistema SCADA utilizado.
Funcionamiento del protocolo Modbus
Arquitectura maestro-esclavo en Modbus y tipos de capa física
El protocolo Modbus es un protocolo de comunicación muy simple que se ejecuta en las capas física y de enlace de datos de la pila de protocolos OSI (Open Systems Interconnection). Modbus TCP es una variante del protocolo Modbus que se ejecuta sobre el protocolo de Internet TCP/IP (Protocolo de control de transmisión/Protocolo de Internet). Modbus TCP permite que los dispositivos industriales se comuniquen a través de redes Ethernet estándar utilizando el protocolo TCP/IP.
Modbus TCP se ejecuta sobre TCP/IP y aprovecha la capacidad de la red para enviar mensajes a través de múltiples nodos y administrar flujos de datos. En Modbus TCP, los datos se envían y reciben en forma de paquetes de datos TCP. Cada paquete de datos consta de un encabezado que contiene información como la dirección del dispositivo y el tipo de mensaje, seguido de los datos del mensaje en sí.
Velocidad de datos Hasta 115,2 kbps Control de errores CRC (verificación de redundancia cíclica) dependiente de la red.
Cronograma mensajes en el protocolo Modbus
Esta comunicación se establece a través de un puerto serie RS-485 o RS-232, lo que permite transferir datos a distancias más largas. Esta comunicación es bidireccional y siempre la inicia el dispositivo maestro que envía solicitudes al dispositivo esclavo. Los mensajes se envían en forma de bits, lo que permite una comunicación rápida y eficiente, donde cada bit está representado por un nivel de voltaje lógico.
Modbus RTU admite funciones de lectura y escritura, tanto de registros como de bobinas, y diagnóstico de estado del dispositivo. Cada byte de la trama se identifica conociendo las partes de una trama Modbus, en este caso Modbus TCP. Cada dato ocupa 2 bytes, por lo que en la respuesta la longitud de los datos al final de la trama Modbus es 8.
22 Por lo tanto, este fue el cronograma de comunicación, en el que se envía una trama cada 1000 ms como se configuró previamente. El maestro solicita 4 datos con la función número 03, que leerá los registros. El esclavo responde con la misma función y número de esclavo, cambiando la longitud de la trama.
Estos datos se envían en formato big-endian, es decir, se envía primero el byte más significativo.
Comunicación Modbus entre analizador de redes y PLC SIMATIC S7-1200
- Funcionamiento de la comunicación Modbus entre los dispositivos
- Características y funcionalidad del analizador de redes
- Introducción al software TIA Portal 15.1 para programación del autómata
- Programación del PLC SIMATIC S7-1200 para comunicación con el analizador de redes 27
- Pruebas del programa del PLC S7-1200
El uso de un analizador de redes es muy común en el campo de la ingeniería eléctrica y electrónica como herramienta para medir y analizar las propiedades de las señales, como la frecuencia, amplitud y fase, para diagnosticar problemas, optimizar el rendimiento y diseñar sistemas industriales. Esta herramienta es fundamental para el análisis técnico de diversas propiedades de una instalación de modo que se pueda conseguir un ahorro energético que conlleve un aumento de la eficiencia energética y una reducción de costes. Mediciones de amplitud y fase: Los analizadores de redes pueden medir la amplitud y fase de una señal en función de la frecuencia.
Análisis de distorsión: Es importante asegurarse de que las señales enviadas o recibidas no se debiliten demasiado, lo que puede afectar la calidad de la comunicación. Existe un PLC que actuará como cliente Modbus para iniciar la comunicación desde la instalación solicitando diferentes datos al analizador. TIA Portal utiliza diferentes tipos de datos y tipos de enteros que llamaremos en la programación del PLC.
Para ello utilizamos la instrucción "MB_CLIENT" incluida en la interfaz del TIA Portal en Instrucciones > Comunicaciones > Otros > Modbus TCP > MB_CLIENT. Este bloque permite la comunicación como cliente Modbus TCP a través de la conexión PROFINET de la CPU S7-1200. En el caso de CONNECT, el tipo de datos es TCON_IP_v4, ya que este es el encargado de establecer la conexión, la cual se establece llamando a la instrucción MB_CLIENT.
Para almacenar los datos leídos del analizador y recibidos del gateway, se creó una base de datos denominada Lectura_TCP_AR [DB6]. Ahora se define la función FC_Communication [FC2] en la que se añade la instrucción MB_CLIENT, con el bloque de datos DB_MB_CLIENT asociado. Cuando esto sucede, los datos de la variable de estado se mueven a una variable auxiliar (error_status) para que dicho código de error se almacene y se pueda acceder a él más tarde.
Este bloque se activa mediante un flanco ascendente de la señal DB_MB_CLIENT DONE. El puerto de comunicación utilizado (TCP1RS+) es el encargado de convertir el medio físico Ethernet, que en este caso sería el PLC, a comunicación serie RS-485. La interfaz del TIA Portal ofrece un modo de simulación para detectar posibles errores en el programa mediante la aplicación PLCSIM [7] con un controlador virtual.
No es posible probarlo en una instalación real por falta de disponibilidad de la empresa, pero el.
Configuración del SCADA en Zenon COPA-DATA y registro y análisis de datos de
- Características del software Zenon COPA-DATA usado en TESSAI y arquitectura del SCADA
- Comunicación entre PLC S7-1200 y SCADA. Registro de datos de consumo y visualización
- Análisis de datos de consumo e interfaz de usuario
- Pruebas de visualización de datos en el SCADA mediante emulación de datos de consumo
La función principal de SCADA será la de mostrar gráfica y visualmente los datos que se reciben del PLC en tiempo real. Primero, se crea una paleta de colores para nuestro proyecto para acceder rápidamente a ellos cada vez que se define un elemento. Además, se crea un marco llamado Barra lateral para mostrar los botones que se crean posteriormente.
Se denominan Analizador, que será la pantalla principal en la que aparecerán en el PLC los datos del analizador del que se recibe información, y Barra Lateral, donde se colocarán un conjunto de botones. Queremos configurar la pantalla de la barra lateral fija en todo momento. Para ello, en la pestaña Propiedades del proyecto, en el apartado de diseño gráfico y en la imagen de inicio, seleccione la pantalla mencionada. Otra cosa que se seleccionará en el apartado de diseño gráfico es la opción de pantalla completa.
Para ello se añade una nueva función del tipo “cambio de pantalla” y se selecciona como parámetro la pantalla del analizador. Para utilizar esta función, se crea un botón que se asociará con dicha función que se llamó. De igual forma se define una función de tipo Recargar, que estará conectada al botón naranja.
Es deseable que, como pantalla de inicio al iniciar la aplicación, aparezca inmediatamente la pantalla de análisis y la barra lateral. Para hacer esto, se agrega una función de cambio de pantalla en la barra lateral, tal como se hizo anteriormente con la pantalla del Analizador, y ambas funciones se agregan a un script llamado AUTOSTART. Vamos a agregar dos variables para representar los voltajes e intensidades promedio de las tres fases, llamadas Average_Voltage y Average_Intensity respectivamente, que serán útiles para el análisis de datos.
Para realizar la conexión entre las variables recibidas del PLC y las creadas pulsamos sobre el driver S7TIA añadido previamente y en la pestaña Opciones seleccionamos Símbolos del TIA Portal para que podamos importar el proyecto del TIA Portal. Para ello decidimos seleccionar el símbolo llamado “cinta universal” y conseguir la forma deseada. Ahora se agrega un símbolo para mostrar las variables deseadas en la pantalla del analizador.
La pantalla creada anteriormente proporciona información útil sobre variables como el voltaje promedio y la intensidad.
Conclusiones y trabajos futuros
Conclusiones
Grado de consecución de los objetivos y formación adquirida
Gracias a trabajar con Tessai, obtuve un profundo conocimiento de las metodologías y formas de trabajo de la empresa en los sectores electrónico e industrial, incluyendo el conocimiento de sus diferentes departamentos, talleres y la cooperación con diferentes empresas.
Trabajos futuros
Código fuente de la función FC_Secuencia del programa del PLC S7-1200
