Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica. Interfaz Humano-Máquina para la familia de PLC s Unitronics.

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica IE 0502 Proyecto Eléctrico Interfaz Humano-Máquina para la familia de PLC s Unitronics. Por: Alexánder Barrantes Muñoz

2 ii Interfaz Humano-Máquina para la familia de PLC s Unitronics. Por: Alexánder Barrantes Muñoz Sometido a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Costa Rica como requisito parcial para optar por el grado de: BACHILLER EN INGENIERÍA ELÉCTRICA Aprobado por el Tribunal: M.Sc. Geovanny Delgado Cascante Profesor Guía Ing. Roberto Rodríguez Rodríguez Profesor Lector Dr. Jorge Arturo Romero Chacón Profesor Lector

3 DEDICATORIA iii A mi mamá por estar siempre incondicional, cuando la ocupé, por brindarme la oportunidad de estudiar y porque su muerte no culminó con su deseo, el hacerme una persona de bien. A mis hermanas por ayudarme en mi carrera, por ser mi admiración y modelo a seguir. A Fátima por estar siempre a mi lado, y por dar de sí misma algo que no tiene valor, amor. A mis amigos por hacerme sentir especial.

4 iv RECONOCIMIENTOS Carlos Manuel Calvo Muñoz Por su constante ayuda en este proyecto A mis Profesores Por compartir con tanto gusto su experiencia y conocimiento

5 v ÍNDICE GENERAL ÍNDICE DE FIGURAS... vii ÍNDICE DE TABLAS...viii NOMENCLATURA... ix LSTA DE MARCAS REGISTRADAS... xi RESUMEN... xii CAPÍTULO 1: Introducción Objetivo General Objetivos específicos Metodología...2 CAPÍTULO 2: Generalidades de una Aplicación HMI Generalidades de un PLC Concepto Funciones... 6 Las funciones básicas que posee un PLC común son: Componentes Aplicaciones Fortalezas y Debilidades Generalidades de los Sistemas SCADA Concepto Funciones de un Sistema SCADA Elementos necesarios para un sistema SCADA Protocolos de Comunicación Concepto Protocolo DDE Enlaces OLE para Windows Generalidades de un Servidor OPC Compilador Gráfico Delphi CAPÍTULO 3: Desarrollo de una Interfaz HMI Breve reseña de la compañía Unitronics Misión Historia de sus productos... 26

6 vi Breve Organigrama de la compañía Puntos Claves Productos La familia de productos de Unitronics Características generales de los productos El modo de información La estructura de memoria de la serie M Variables Comunicación Puerto Serial Características Generales del M90 OPLC Tipos de datos del sistema Especificaciones Técnicas Acceso de datos Nombre de los Ítems Desarrollo del programa SCADA para la interfaz HMI...46 CAPÍTULO 4: Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones Recomendaciones...51 BIBLIOGRAFÍA ANEXOS... 53

7 vii ÍNDICE DE FIGURAS Figura N 2.1 Funcionamiento e Interfaces de OPC Figura N 2.2 Modelo de Objetos del Servidor de Automatización OPC Figura N 3.1 Organigrama de la Co. Unitronics Figura N 3.2 Familia de PLCs de Unitronics Figura N 3.3 Conectando la PC con un Controlador Figura N 3.4 PLC M Figura N 3.5 Pantalla de Conexión de UniScada Figura N 3.6 Pantalla de Conexión de UniHMI... 49

8 viii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2.1 Descripción de la colección de objetos de la especificación OPC Tabla 3.1 Descripción de registros internos del M Tabla 3.2 Distribución de pines del puerto RS Tabla 3.3 Descripción de conexión para el puerto CANbus Tabla 3.4 Categorías de información que se pueden alcanzar en el modo de Información Tabla 3.5 La función de los bits del sistema Tabla 3.6 Funciones de Bits del Sistema del teclado Tabla 3.7 Funciones de los Enteros del Sistema Tabla 3.10 Descripción de los tipos de ítems del M

9 NOMENCLATURA ix ActiveX ADO Baud rate BDE CCFL COM CORBA CPU DCOM DDE DLL DSR DTR HMI ID NetDDE Ladder LCD OCX OLE OPC OPLC PC Pcom PID PLC PWM Tecnología de Acceso a Datos Objetos de Base de Datos ActiveX Tasa de transmisión de datos en bps Motor de Base de Datos de Borland Lámpara fluorescente Modelo Componente del Objeto Arquitectura Común del Corredor de la Petición del Objeto Unidad Central de Proceso Distribución COM Protocolo de Intercambio de datos dinámico Librería de Enlace Dinámico Entrada Datos preparados, listo para iniciar diálogo Patilla de terminal de listo datos del puerto RS232 Interfaz Humano-Máquina Identificación Red de DDE Programa de configuración de PLCs en lenguaje escalera Pantalla de cristal líquido Librería de programación Enlace e inclusión de objetos OLE para Control de Procesos Serie de PLCs Unitronics Computadora Personal Protocolo propietario de Unitronics Proporcional Integral Derivativo Controlador Lógico Programable Modulación de Anchura de Pulso

10 x QVGA RAD RAM RxD RS232 RJ-11 SCADA STL Tag TxD UCR VCA VCD VisiLogic WebPLC I/O Clase de tecnología Desarrollo Rápido de Aplicaciones Memoria de acceso lectura Patilla de recepción de datos del puerto RS232 Puerto Serial de la PC Cable para conexión del módem a la base de la red telefónica Supervisor de Control y Adquisición de Datos Librería estándar de plantillas Conjunto de caracteres que se añade a un elemento de los datos para identificarlo Patilla de transmisión de datos del puerto RS232 Universidad de Costa Rica Voltaje de Corriente Alterna Voltaje de Corriente Directa Programa para PLC s Unitronics Serie de PLCs Unitronics basados en comunicación por web Entradas/Salidas

11 xi LSTA DE MARCAS REGISTRADAS Delphi Enterprise 5.0: Borland Pascal Unitronics: M90, OPC Server Microsoft: Windows, Office(Word, Excel, Access), Internet Explorer, NetDDE, DDE, OLE, DCOM, ADO, BDE, InterBase, InstallShield OPC Foundation: Intellution, Opto-22, Fisher-Rosemount, Rockwell Software y Intuitiv Software Siemens C++, Visual Basic, VBScrip, JavaScript DeviceNet

12 RESUMEN xii El objetivo principal es una aplicación HMI, Interfaz Humano Máquina, para el modelo de PLCs de Unitronics M90, por medio de la implementación de un programa SCADA en la plataforma de programación Delphi Enterprise 5.0, con lenguaje Borland Pascal. Se empezó por estudiar dicha plataforma, que utiliza programación orientada a objetos. Después se estudió la estructura interna del PLC M90, se estableció comunicación con el PLC en pequeñas pruebas de manipulación de registros internos en Excel por medio del protocolo de comunicación DDE. Seguidamente se trasladaron estas pruebas a desarrollos con Delphi y poco a poco se fueron solventando problemas que aparecían en el transcurso de la implementación. Las fuentes de información fueron obtenidas en su gran parte de Internet. Se utilizaron variables tales como el servidor OPC de Unitronics, los enlaces OLE de Windows y el protocolo DDE, entre otros. Se han podido experimentar las ventajas de utilizar herramientas diseñadas especialmente para la creación de sistemas SCADA. Los resultados fueron: Se Desarrolló una Interfaz Humano-Máquina (HMI) para la familia de PLC s Unitronics con la creación de las aplicaciones UniScada y Uni_HMI, Se practicó en el desarrollo de aplicaciones en Borland Delphi, Se estudió la arquitectura de los PLC s Unitronics, Se Desarrolló una aplicación de comunicación entre Delphi y el OPC Server de Unitronics, Se Realizó una aplicación de lectura de registros del PLC, Se Desarrolló la aplicación HMI de despliegue de registros, pues se obtuvo un prototipo de lo que hoy en día es materia de mercado, asimismo, se eliminó el desconocimiento en dicho tema, haciendo más familiar futuras experiencias con programas SCADA comerciales en el campo laboral.

13 1 CAPÍTULO 1: Introducción Lo que se pretendió en este trabajo fue la creación de un programa básico de monitoreo estilo SCADA, como es mencionado comercialmente, implementándolo en una plataforma de programación gráfica, Delphi 5.0, en donde se estableció una comunicación entre un PLC y la PC, de manera que el usuario pueda tener una cómoda interacción con el dispositivo. Se seleccionó el controlador lógico programable de la familia de Unitronics, enfatizando en el modelo M90, a pesar de que toda la línea de PLC s de dicha familia (Unitronics) posee características extremadamente similares, en donde es posible que sus diferencias significativas no sean más que sus capacidades de memoria, pero su estructura interna es muy parecida y para efectos de este proyecto la comunicación y manipulación de datos son idénticas, pues hasta los registros internos poseen los mismos nombres. Este dispositivo (M90) fue seleccionado por su simple estructura interna y su fácil manipulación, como más adelante se mencionará. La plataforma de programación Borland Pascal de Delphi fue seleccionada por sus características gráficas y de compatibilidad con los sistemas OPC. El fin que posee este proyecto fue desarrollar una interfaz HMI, para adentrar al estudiante en aplicaciones industriales muy usadas hoy en día, con el objetivo de actualizar al estudiante con materia de mercado en el área de control automático. Un objetivo futurista de este trabajo pretende utilizar las bases creadas para la realización de un software competitivo en el mercado industrial, de manera que se optimice y se produzcan nuevas implementaciones con mayor detalle y versatilidad, dejando un software abierto. Este legado pretende motivar al estudiante en la creación de este tipo de softwares.

14 2 1.1 Objetivo General Desarrollar una Interfaz Humano-Máquina (HMI) para la familia de PLC s Unitronics. M Objetivos específicos Entrenamiento en el desarrollo de aplicaciones en Borland Delphi. Estudiar la arquitectura de los PLC s Unitronics M90. Desarrollar una aplicación de comunicación entre Delphi y el OPC Server de Unitronics. Realizar una aplicación de lectura de registros del PLC. Desarrollar la aplicación HMI de despliegue de registros. 1.2 Metodología La metodología utilizada para la realización de este proyecto, comenzó con una distribución del tiempo secuencial para cada objetivo específico antes mencionado. El cronograma de las actividades realizadas inició con el establecimiento de rangos de tiempo determinados por la dificultad del objetivo. En primer lugar se dependía y a su vez se limitaba a ser desarrollado en un lapso de cuatro meses, dictado por la división de los periodos lectivos establecidos por la UCR. Como parte del procedimiento se tuvieron que realizar constantes y aleatorias reuniones profesor guía-estudiante, según la necesidad de respaldo e información que el estudiante necesitara en el proceso tanto de elaboración como en el de investigación del trabajo. En dichas reuniones se definieron en primer lugar el tema a realizar, el procedimiento a seguir, las fuentes de información necesarias y consultoría. Conforme pasó el tiempo se tuvo que acudir a asesorías con personas expertas o familiarizadas con los temas, en donde si no precisamente fue función total del profesor guía, el mismo brindaba las dichas fuentes asesoras. El estudiante por su parte también acudió a asesores según su comodidad, debe entenderse que los asesores encontrados no poseían en su totalidad conocimiento de aplicaciones similares a la realizada y que su conocimiento comprendía desde control-

15 3 automático solamente hasta simple programación, por lo que la base teórica obtenida fue compuesta por información de fuentes diversas. El primer apartado del cronograma correspondió al a) Entrenamiento en el desarrollo de aplicaciones en Borland Delphi. Nótese que la Escuela de Ingeniería Eléctrica carece de cursos obligatorios de introducción a la programación orientada a objetos en su plan de estudios, por lo que se debió familiarizar con dicho tema, y se debe recalcar que esta es la base de este proyecto, por lo que se destinó, al ser este uno de los objetivos de mayor dificultad, un periodo de un mes y medio. El resto del tiempo fue destinado para los demás objetivos. Una vez emprendido el trayecto con los conocimientos básicos de la plataforma Delphi y de programación orientada a objetos, se procedió al siguiente paso b) Estudiar la arquitectura de los PLC s Unitronics M90. Es necesario citar que la familia de PLC s Unitronics poseen características muy parecidas, me refiero al ámbito de sus registros internos, que además son relativamente simples y de fácil comprensión; por lo que el tiempo destinado a esta etapa no fue excesivo; por el contrario, este puede que fuese el más fácil de los objetivos, como se refiere en el capítulo 3, basta más que leer ese capítulo del informe para darse por enterado y comprendido todo lo referente a este tipo de PLC s. Se debe recalcar que el mayor asesor sobre este tema fue el profesor guía, pues además de que posee vasta experiencia en el área de automatización, es un experto de la familia de PLC s Unitronics. El tercer apartado fue: c) Desarrollar una aplicación de comunicación entre Delphi y el OPC Server de Unitronics, d) Realizar una aplicación de lectura de registros del PLC e) Desarrollar la aplicación HMI de despliegue de registros. Estas aplicaciones (puntos c, d y e) se realizaron por primera vez en la hoja de cálculo Excel, por su gran comodidad, facilidad y documentación, pues en la ayuda del driver OPC Server existe información de comunicación Excel -Servidor OPC; se estableció comunicación entre el PLC y la PC, en donde se probaron los registros internos, de manera que se comprobó las diferentes utilidades de cada registro, conociéndolas más profundamente. Este paso fue muy fácil gracias a los protocolos de comunicación tipo

16 4 DDE que posee Windows, pues con este protocolo se pudo comunicar Excel con el OPC Server. Se prosiguió con una pequeña implementación de comunicación en la plataforma Delphi. Este objetivo puede que fuese el más difícil de todos, y el que tomó mayor tiempo, pues fue imposible importar el DLL del OPC Server al compilador Delphi 5.0, problema que se atribuye a la incompatibilidad de este OPC Server (de Unitronics Co) con la versión del Delphi Enterprise (5.0). Todavía se desconoce si de verdad esta fue la razón o simple desconocimiento. Al no tener mucho tiempo para determinar el motivo, se decidió tomar una medida paralela y alterna, la cual correspondió a la creación de una clase Excel (Excel Application), que se puede hacer en Delphi Enterprise 5.0, que permite emular partes de la hoja de Excel, tales como una celda. El último objetivo fue f) Completar la aplicación HMI de forma gráfica. Este objetivo necesitó mucha creatividad e información, pues es aquí donde se empezó a desarrollar la interfaz gráfica. Se trabajó con archivos, entre muchos elementos de programación, lo cual implicó gran cantidad de consultas acerca de información sobre la implementación de determinados elementos, realizadas en Internet.

17 5 CAPÍTULO 2: Generalidades de una Aplicación HMI Para iniciar en el desarrollo de este proyecto, se especifican algunas conceptos de relevancia con respecto a los PLC s, en términos generales, y sobre nuestra aplicación se especifican su definición, funciones, estructura física Hardware o componentes, aplicaciones, debilidades y fortalezas. Seguido a esto procede definir conceptos como definiciones de un sistema SCADA y sus funciones, protocolos de comunicación, protocolo DDE, OLE para Windows y Servidor OPC, además la utilidad del compilador Delphi en el proyecto, entre otras cosas de conocimiento imprescindible. Esta es la teoría que se debe tener muy clara antes de empezar a desarrollar una aplicación HMI. Se espera que cualquier persona que lea el informe puede iniciarse en el tema, conociendo los principios básicos para desarrollar una aplicación HMI. 2.1 Generalidades de un PLC Concepto Las siglas PLC significan Programmable Logic Controller, lo que en español sería Controlador Lógico Programable. Resulta ser simplemente a grandes rasgos un equipo que se puede programar en un lenguaje simbólico, y está diseñado para controlar procesos industriales e implementar máquinas. Cuando se refiere a programar en un lenguaje no informático, se habla de que estos aparatos se programan en un lenguaje denominado Escalera, un tipo de programación muy simple, fácil y amigable de manera que no hace falta escudriñar en profundidad las notaciones que poseen generalmente los compiladores comerciales, donde es necesario estar familiarizado con algún lenguaje para entenderlo. Este lenguaje se basa en una notación gráfica de bloques (en algunos casos, tales son los PLC s marca SIEMENS), o con figuras simples como esquemáticos de contactores, bobinas y otros. Al no estar este tema en nuestro marco de análisis, pues la aplicación está directamente relacionada con la manipulación de los registros internos del PLC, se retoma este tema en el Capítulo 3. Un PLC recibe por sus entradas o captadores, información que será procesada por un programa lógico interno determinado, que ejecutará acciones específicas sobre sus

18 6 accionadores en sus salidas. Por lo que los PLC son funcionales en sistemas que poseen procesos de monitorear, control, entre otros. Es necesario utilizar PLC en el caso que se presenten situaciones tales como 1 : Espacio reducido Procesos de producción periódicamente cambiante Procesos secuénciales Maquinaria de procesos variables Instalaciones de procesos complejos y amplios Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso Funciones Las funciones básicas que posee un PLC común son 2 : Detección: Lectura de la señal de las entradas distribuidos por el sistema de fabricación. Mando: Elaborar y enviar las acciones al sistema mediante las salidas y preaccionadores. Diálogo hombre máquina: Mantener un diálogo con los operarios de producción, obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso. Programación: Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del autómata. El diálogo de programación debe permitir modificar el programa incluso con el autómata controlando la máquina. Hoy en día los PLC s poseen nuevas funciones tales como: Redes de comunicación: Permiten establecer comunicación con otras partes de control. Las redes industriales permiten la comunicación y el intercambio de datos entre autómatas en tiempo real. Sistemas de supervisión: También los autómatas permiten comunicarse con ordenadores provistos de programas de supervisión industrial. Esta comunicación se 1 Puntos tomados de 2 Funciones tomadas de:

19 7 realiza por una red industrial o por medio de una conexión por el puerto serie del ordenador. Control de procesos continuos: Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los autómatas llevan integradas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de módulos de entrada y salida analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores PID que están programados en el autómata. Entradas- Salidas distribuidas: Los módulos de entrada salida pueden estar distribuidos por la instalación y se comunican con la unidad central del autómata mediante un cable de red. Buses de campo: Mediante un solo cable de comunicación se pueden conectar al bus de entradas y salidas, reemplazando al cableado tradicional. El autómata consulta cíclicamente el estado de las entradas y actualiza el estado de las salidas Componentes Entre los principales componentes de un PLC básico se encuentran los siguientes 3 : Gabinete Principal: Este elemento es sobre el que se "enchufan" o conectan el resto de los elementos. Puede alojar a un número finito de elementos dependiendo del fabricante y conectarse a otros gabinetes similares mediante un gabinete de expansión. Fuente de Alimentación: La tensión de entrada es normalmente de 110/220VCA de entrada y 24 VCD de salida que es con la que se alimenta a la CPU. CPU: Es el cerebro del PLC. Consta de uno o varios microprocesadores (según el fabricante) que se programan mediante un software propio. La mayoría de ellos ofrecen varias formas de programación (lenguaje de contactos, neumónico o instrucciones, de funciones, etc.). Normalmente trabajan con buses de 16 bits, aunque algunos modernos trabajan con buses de 32 bits. Hoy en día la potencia de cálculo de estos PLC's es grandísima, sobre todo si se trabaja con números reales o coma flotante, dando unas resoluciones más que deseables. Trabajando con programas digitales puede alcanzarse un ciclo de exploración de 10 ms. 3 Información tomada de:

20 8 El programa alojado en la CPU va escrito en un lenguaje propio de la misma, se ejecuta en una secuencia programable y tiene un principio y un final. El tiempo que transcurre entre los dos se llama ciclo de exploración y hay un temporizador interno que vigila que este programa se ejecute de principio a fin, llamado perro guardián o watchdog. Si este temporizador finaliza y el programa no ha ejecutado la instrucción END, el PLC pasará a estado de STOP. Tarjetas entradas/salidas digitales: Se enchufan o conectan al gabinete y comunican con la CPU a través de la citada conexión. En el caso de las entradas digitales transmiten los estados 0 ó 1 del proceso a la CPU. En el caso de las salidas, la CPU determina el estado de las mismas tras la ejecución del programa y las activa o desactiva en consecuencia. Normalmente se utilizan tarjetas de entradas de 24 VCD y salidas de 24 VCD, aunque también las hay de 110 y 220 VCA, depende de las preferencias y normativas locales. Las hay de 8, 16 y 32 entradas o salidas o mezclas de ambas. Tarjetas entradas/salidas analógicas: Se enchufan o conectan al gabinete de igual manera que las anteriores, pero teniendo en cuenta que en algunos modelos de PLC s han de estar situadas lo más cerca posible de la CPU (por problemas de caída de tensión). Estas tarjetas leen un valor analógico e internamente lo convierten en un valor digital para su procesamiento en la CPU. Esta conversión la realizan los convertidores analógico-digitales internos de las tarjetas que en algunos casos es uno para todos los canales de entrada o salida aunque actualmente se tiene uno por cada canal de entrada o salida. En este último caso el procesamiento de las señales analógicas es mucho más rápido que en el otro. Estas tarjetas son normalmente de 2, 4, 8 ó 16 entradas/salidas analógicas, llamándose a cada una de ellas canal. Los rangos de entrada están normalizados siendo lo más frecuente el rango de 4-20 ma (miliamperios) y 0-10 VCD, aunque también existen de 0-20 ma, 1-5V, 0-5V, etc. Tarjetas especiales: Se enchufan o conectan al gabinete y comunican con la CPU a través de la citada conexión. Se utilizan normalmente para control o monitorización de variables o movimientos críticos en el tiempo, ya que usualmente realizan esta labor independientemente de la CPU. Son algunas muestras las siguientes: Tarjetas de posicionamiento de motores

21 9 Tarjetas de regulación Aplicaciones Entre las aplicaciones más comunes que puede tener un PLC podemos mencionar algunos ejemplos tales como 4 : Maniobra de máquinas Maquinaria industrial de plástico Maquinaria de embalajes Maniobra de instalaciones: Instalación de aire acondicionado, calefacción, etc. Instalaciones de seguridad Señalización y control: Chequeo de programas Señalización del estado de procesos Fortalezas y Debilidades Las principales virtudes del uso de un PLC son 5 : Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que: No es necesario dibujar el esquema de contactos No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande. La lista de materiales queda sensiblemente reducida, ya que un PLC es un equipo con muchos elementos integrados, y al elaborar el presupuesto correspondiente se elimina parte del problema que supone el contar con diferentes proveedores, distintos plazos de entrega. Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos. Mínimo espacio de ocupación. Menor costo de mano de obra de la instalación. 4 Ejemplos tomados de: 5 Información tomada de:

22 10 Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiabilidad del sistema, al eliminar contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías. Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata. Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado. Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción. En contraposición a sus cualidades se puede citar algunas de sus inconvenientes: Es necesario un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido. El costo inicial es alto. 2.2 Generalidades de los Sistemas SCADA Concepto Las siglas HMI son provenientes del inglés Human Machine Interface, lo que en español es Interfaz Humano Máquina. Esto se refiere a un programa interfaz, que suele correr en un computador tipo PC, el cual es utilizado por el operario del proceso industrial para monitorear y/o controlar un sistema determinado. Este programa interfaz está en constante comunicación y transmisión de datos con el PLC. Antes de seguir refiriéndose al tema es importante definir otro concepto elemental, el de sistema SCADA. Cuando se hable de sistemas SCADA se refiere exclusivamente al software, en este apartado, pero es necesario aclarar que no es lo único que comprende el sistema como tal, pero se hace para efectos de interés. Las siglas SCADA provienen del inglés: Supervisory Control and Data Adquisition, lo que traducido al español y de forma más explícita, es un software supervisor que realiza la adquisición de datos desde PLC hacia una PC comúnmente, y el envío de datos en sentido contrario. El carácter de los datos a transferir en ambos sentidos es de control (pueden ser simple monitorear, instrucciones, etc.), generalmente de tipo industrial. El objetivo primordial es que por medio de un programa interactivo, gráfico y amigable

23 11 simule los procesos que se realizan en una planta (como control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc.), de tal manera que realice un sensado en tiempo real y los despliegue en la pantalla del PC que utiliza el operador, o también, que envíe instrucciones que actúen directamente sobre los diferentes dispositivos, de tal manera que sea tan cómodo como el presionar una tecla del computador. De una manera más personal, agregando a la definición anterior, un programa SCADA es un software creador de aplicaciones programadas específicas de un proceso determinado. Un ejemplo es el de monitorear alarmas de un Banco. Los procesos que se realizan son: recoger la información de los censores en las entradas de un PLC y visualizar las entradas en la PC (el PLC ya posee una programación que realizará con una entrada específica programado a lenguaje escalera). El programa SCADA está basado en los iconos necesarios para comunicar el estado de las alarmas, por lo que no se necesita más que esta aplicación en el programa de monitoreo. Pero si es el vendedor de PLC s y cada cliente necesita una aplicación distinta o actualizar la que ya tiene, ocupa tener un programa que cree los distintos softwares para cada aplicación, a este programa padre o creador le denomino SCADA. Continuando con las características generales de las HMI, cada uno tiene su software propio y la comunicación generalmente se da a través del puerto serial RS232. Una descripción general propuesta de cómo deben ser los módulos que componen un software SCADA es la siguiente 6 : Configuración: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA, adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar. Interfaz gráfico del operador: proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete. 6 Tomado de

24 12 Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales de variables leídas. Gestión y archivo de datos: se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. Comunicaciones: se encarga de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión. Algunos requisitos importantes sugeridos, sobre las cualidades que debe poseer un programa SCADA son los siguientes: Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión). Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario Funciones de un Sistema SCADA Las principales funciones de un sistema SCADA son las siguientes 7 : Visualizar y parametrizar datos del proceso (lectura y/o escritura de variables) Gestión de alarmas del proceso, con textos de ayuda al operario para la resolución de las mismas Recopilación de alarmas sucedidas en el tiempo (histórico de alarmas) Impresión de las citadas alarmas 8 Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones. Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador Elementos necesarios para un sistema SCADA 7 Información tomada de 8 Tomado de

25 13 Como en el apartado se refirió a un sistema SCADA solamente en su software, ahora se mencionará un poco de los elementos necesarios para el sistema SCADA como tal, los cuales son los siguientes: Software SCADA Tarjeta de comunicación PC-PLC Driver de comunicación: programa que realiza la traducción entre el sistema SCADA-HMI y el PLC. PC 2.3 Protocolos de Comunicación Concepto Un protocolo de comunicación, son las reglas de comunicación que autorizan la transmisión de datos entre diferentes dispositivos que hablan sus propios idiomas. Cuando se requiere establecer comunicación entre dispositivos, se deben establecer algunos puntos elementales entre ellos tales como la sincronización y los procedimientos para el intercambio de datos o Protocolos. 9 Los protocolos son implementados vía procesos (son los programas que se ejecutan en un hardware). Un proceso se ejecuta en un procesador virtual o lógico. Un proceso es auto contenido No se da cuenta (y no le interesa), que un procesador real comparta sus recursos entre varios procesos activos. Los procesos existen en: Equipos de una red. Sistema multiprocesador, para controlar interacción de procesos paralelos. Aplicaciones en tiempo real para el control de dispositivos. La entrada a los procesos ocurre por puertas lógicas de software, por donde el proceso recibe mensajes desde procesos residentes en el mismo o en otro procesador. 9 Tomado de

26 14 Un conjunto de datos privados definen el estado actual de un proceso y determinan la acción a tomar por el receptor de un mensaje. El resultado de la computación ejecutada por el proceso se envía por una puerta lógica de salida. Cómo opera un protocolo como DDE? Un proceso recibe un mensaje, lo procesa y envía una respuesta, sin que exista relación entre este evento y otro anterior o posterior. El proceso origen, conocerá la dirección del proceso destino y la incluirá en el mensaje. Esta dirección, identificará únicamente a un procesador, quien conocerá al proceso destino. El originador cuando despacha un mensaje, entra a un estado de espera de la respuesta en una de sus puertas. El proceso destino ejecuta la función especificada en el mensaje, construye la respuesta (con resultados y dirección del origen) y envía el mensaje respuesta por una puerta de salida, (quedando libre para aceptar otro mensaje). La respuesta llega al originador, quien realiza un chequeo para asegurarse que viene del lugar correcto antes de aceptarla, luego, pasa al estado no espera respuesta en esa puerta de entrada Protocolo DDE El protocolo de comunicación DDE (siglas derivadas del inglés Dynamic Data Exchange), es un protocolo de intercambio de datos de Microsoft para aplicaciones Windows. 10 El intercambio de datos dinámico (DDE) permite enviar/recibir datos e instrucciones hacia/desde una a otra aplicación. Esto implementa una relación clienteservidor entre dos aplicaciones en ejecución al mismo tiempo. El uso del servidor proporciona los datos y acepta peticiones de cualquier otra aplicación interesada en sus datos. Las aplicaciones que solicitan se llaman clientes. Algunas aplicaciones tales como Microsoft Excel pueden simultáneamente ser cliente y servidor. NetDDE amplía la 10 Traducido del manual de ayuda del OPC Server de la compañía Unitronics

27 15 funcionalidad estándar del DDE de Windows para incluir comunicación sobre redes de área local a través de puertos seriales. Las extensiones de red están disponibles para permitir enlaces DDE entre las aplicaciones corriendo en diversas computadoras conectadas vía redes o módems. 11 El protocolo DDE está basado en el sistema de mensajería construido por Windows. Así, dos programas de aplicación bajo Windows realizan una "conversación DDE" enviándose mensajes entre ellos. Una conversación DDE se inicia con el programa que actúa como cliente. Este transfiere un mensaje a todos los programas que se están ejecutando en ese momento en Windows. Dicho mensaje indica una categoría general de datos que el cliente necesita. Un servidor DDE que posee dichos datos puede responder a este mensaje. En este instante comienza la conversación. Un único programa puede ser cliente para un programa, y servidor para otro, pero esto requiere dos conversaciones DDE distintas. Un servidor puede entregar datos a múltiples clientes y un cliente puede obtener datos desde múltiples servidores, pero esto requiere múltiples conversaciones DDE. Un programa implicado en una conversación DDE no necesita codificarse específicamente para trabajar con otro programa DDE. Generalmente el diseñador de un servidor DDE hace público cómo se identifican los datos. Como DDE utiliza el sistema de mensajería incluido en Windows, el programa se integra perfectamente en el entorno Windows. En DDE ambas aplicaciones deben estar ejecutándose y las dos deben dar a Windows una dirección a sus funciones de llamada antes de que la comunicación de DDE pueda comenzar. La función de llamada acepta cualquier mensaje de DDE que Windows envía a la aplicación. Un cliente de DDE comienza una conversación con otra aplicación (un servidor de DDE) enviando un mensaje de conexión. Después de establecer una conexión, el cliente puede enviar órdenes o datos al servidor y a cambio puede pedir el valor de datos que el servidor maneja. Cuando la comunicación DDE para una conversación es completada, el cliente envía un mensaje de cerrar la conversación al servidor. 11 Tomado de

28 16 Un cliente estándar DDE soporta cinco operaciones básicas: Open: Abrir enlace al servidor. Execute: Enviar comandos para ser ejecutados por el servidor. Peek (Request): Leer un elemento de datos desde el servidor. Poke: Enviar un elemento de datos al servidor. Close: Cerrar el enlace al servidor. Las diferentes aplicaciones clientes pueden tener nombres diferentes para estas funciones, sin embargo, funcionarán igual a como se describieron. Ahora, para poder habilitar el uso de esas cinco funciones, se tiene que conocer algunas cosas acerca de la aplicación Servidora. Por ejemplo, es muy difícil abrir un enlace a la aplicación servidora sin conocer el nombre de la aplicación. Para desarrollar una comunicación DDE o una conversación en términos de DDE, se tiene que ser capaz de identificar el tipo de dato que se desea. Esta operación se realiza con las tres cadenas de caracteres con información acerca de la aplicación Servidora: Application name /service Justamente el nombre de la aplicación: servicio Data topic! Define el elemento de interés en la aplicación: tema Data item! El actual elemento de intercambio: elemento Por tanto, se necesita el nombre de la aplicación o servicio (generalmente es el nombre del archivo ejecutable de la aplicación) que especifica el nombre del servidor de aplicación al cual, el cliente está enlazando; el tópico de datos (a menudo es el nombre de un archivo, pero esta definición puede variar) para abrir el enlace a la aplicación servidora, por último, necesitará el elemento de dato (el cual, es frecuentemente el nombre de una variable). Los Datos y comandos son transferidos en formato texto por convención. El tema es el segundo nivel en las tres cadenas de caracteres y define el objeto de una conversación DDE, y es usualmente significativo tanto para la aplicación servidor y cliente. El elemento identifica el dato o valor que se está pasando durante la conversación DDE entre el servidor y el cliente. De acuerdo con los mensajes utilizados del entorno Windows hay tres tipos de conversaciones DDE: enlace frío (cold-link), enlace caliente (hot-link) y enlace templado (warm-link).

29 Enlaces OLE para Windows Las siglas OLE provienen del inglés Object Linking and Embedding, lo que traducido al español sería enlace e inclusión de objetos. 12 Es una especificación de Microsoft creada para trabajar en Windows haciendo posible la integración de objetos entre aplicaciones, lo que permite crear documentos con entidades provenientes de distintas aplicaciones. Los objetos pueden ser casi cualquier tipo de información, incluyendo texto, imágenes de mapa de puntos, gráficos vectoriales e incluso anotaciones de sonido y vídeo. A través de OLE es posible que los programas se comuniquen entre sí e intercambien información sin pérdida de detalle, independientemente de su origen. Pero el proceso no se produce de forma automática, de modo que es preciso conocer su funcionamiento para poder aprovechar sus posibilidades. OLE fue introducido en 1991 como una extensión del protocolo DDE, que fue creado para pasar datos entre aplicaciones, y en especial, desde la hoja de cálculo Excel. Los programas que en la actualidad admiten el uso de OLE, lo hacen conforme a las normas de OLE1 u OLE2, siendo esta última versión más moderna (1993) y eficaz que la primera, permitiendo entre otras cosas el paso de datos mediante la técnica drag and drop (arrastrar y soltar) y la edición in situ de los datos. OLE no es soportado por Windows de forma directa, lo que quiere decir que no todos los programas de este entorno gráfico trabajan en OLE, ya que es preciso que las aplicaciones hayan sido diseñadas para soportar sus funciones. La especificación OLE permite incorporar enlaces entre determinadas partes de los programas, y así, es posible controlar desde una aplicación lo que se está realizando en otra. Una aplicación que trabaja con OLE puede actuar como servidor, como cliente o como las dos cosas. 12

30 18 Para que se puedan pasar los datos entre aplicaciones, se requiere que existan copias completas de los datos en la memoria, para permitir controlar qué datos van siendo pasados. OLE permite el intercambio de datos de dos formas: enlace e inclusión, también conocidas como vinculación e incrustación, posibilitando la creación de documentos compuestos, o sea, documentos formados por varios objetos de datos provenientes de múltiples aplicaciones. Un objeto incluido está totalmente contenido dentro de la aplicación cliente. Un objeto enlazado tiene una conexión en la aplicación cliente y sólo es accesible a través de la aplicación que contiene los datos originales. En cualquiera de los dos casos, si se pulsa dos veces seguidas sobre el objeto, se activa el programa servidor para permitir la edición de los datos. 13 Podemos considerar que OLE es un subconjunto de la tecnología ActiveX, encargada de la vinculación e incrustación de objetos, y ambas se sustentan sobre COM (Component Object Model). COM proporciona un mecanismo para permitir la comunicación entre los objetos de una aplicación o entre distintos procesos, proporcionando mecanismos para que un objeto pueda mostrar su funcionalidad a través de una interfaz. Por tanto, COM nos proporciona las conexiones y los interfaces que serán utilizadas desde OLE para conseguir la automatización, para que una aplicación pueda ofrecer una interfaz programable. Las aplicaciones que vienen con Microsoft Office (Word, Excel, Access), el propio Microsoft Internet Explorer, entre otros, soportan la automatización OLE. OLE no es soportado por Windows de forma directa, lo que quiere decir que no todos los programas de este entorno gráfico trabajan en OLE, ya que es preciso que las aplicaciones hayan sido diseñadas para soportar sus funciones. La especificación OLE permite incorporar enlaces entre determinadas partes de los programas, y así, es posible controlar desde una aplicación lo que se está realizando en otra. Una aplicación que trabaja con OLE puede actuar como servidor, como cliente o como las dos cosas. 13 Tomado

31 19 Para que se puedan pasar los datos entre aplicaciones, se requiere que existan copias completas de los datos en la memoria, para permitir controlar qué datos van siendo pasados. 2.5 Generalidades de un Servidor OPC 14 El OPC (en inglés OLE for Process Control), o en español OLE para control de procesos, es una especificación técnica no propietaria definida por la Entidad OPC Foundation (OPC Foundation es una entidad sin fines de lucro, encargada de administrar la especificación OPC) y consiste básicamente en un Sistema de Interfaces Estándar basado en OLE/COM y DCOM de Microsoft. Con OPC es posible ínter operar dispositivos industriales con sistemas de información o aplicativos de escritorio. En otras palabras, el OPC permite desarrollar de una manera muy práctica y eficiente aplicaciones que pretendan comunicarse con equipos industriales controlados por PLC s. 15 Desde un punto de vista general muchos aspectos de OPC son similares al DDE, pero la diferencia principal está en la puesta en práctica usando la tecnología de COM de Microsoft (modelo componente del objeto). Permite intercambio rápido con datos de proceso de la automatización y el interfaz abierto de OPC, permite el acceso a los datos del servidor de OPC de la misma manera estándar de los usos del cliente de OPC. 16 OPC es un conjunto de protocolos para interfaces OLE/COM estándar destinados a estimular una mayor interacción entre las aplicaciones de control/automatización, los dispositivos/sistemas de campo y las aplicaciones de ofimática/gestión en la industria de control de procesos. En cooperación con Microsoft, cinco empresas, Intellution, Opto-22, Fisher- Rosemount, Rockwell Software y Intuitiv Software, se unen para crear OPC Foundation en Mayo de El objetivo del comité conformado fue proporcionar una interfaz de programación de aplicaciones estándar para el intercambio de datos que pudiese simplificar el desarrollo de drivers de I/O y mejorar el rendimiento de los sistemas de interfaz. 14 Tomado de 15 Traducido del manual de ayuda del OPC Server de la compañía Unitronics 16 Tomado de

32 20 El OPC eliminó problemas de duplicación de esfuerzo, inconsistencias entre vendedores de drivers, soporte para cambios en características de hardware, conflictos de Acceso, estableciendo una interfaz de comunicación común, lo cual ha beneficiado enormemente el desarrollo de aplicaciones HMI y sistemas SCADA. El OPC ofrece varias ventajas entre las cuales destacan las siguientes: Los fabricantes de hardware tienen que hacer solamente un conjunto de componentes de software para que los clientes los utilicen en sus aplicaciones. Los desarrolladores de software no tienen que rescribir drivers debido a cambios en características o adiciones en un hardware. Los clientes tendrán más opciones con las cuales puedan desarrollar diversos sistemas de aplicación a nivel industrial. Posibilidades con el OPC: Acceder a datos en línea: La lectura y la escritura eficiente de datos entre una estación central y un dispositivo de control de procesos se puede realizar de forma flexible y eficiente. Control de alarmas: El OPC provee mecanismos para que sus clientes sean notificados de la ocurrencia de acontecimientos y de condiciones de alarmas especificadas. Acceso a datos históricos: El OPC permite la lectura, procesamiento y corrección de datos históricos con un eficiente motor de acceso. Con la arquitectura OPC se aprovechan las ventajas de la interfaz COM para ampliar su funcionalidad. La especificación OPC incluye lo siguiente: Interfaz COM/DCOM para ser usada por clientes Locales o Remotos. Referencias a la Interfaz de Automatización OLE. Requerimientos de Funcionalidad: OPC es respaldado completamente por C++, Visual Basic y Delphi. Cualquier cliente con interfaz OLE. No respalda el uso con VBScript o JavaScript.

33 21 La especificación OPC requiere como Sistema Operativo Windows 95/98 (con DCOM), Windows NT 4.0 o Superior. En todos los casos es recomendable instalar la última versión de Services Pack correspondiente. La Figura siguiente representa el funcionamiento del OPC con las interfaces personalizada y automatizada. Figura N 2.1 Funcionamiento e Interfaces de OPC 17 El modelo jerárquico de objetos definido por OPC Foundation se representa en la siguiente figura: Figura N 2.2 Modelo de Objetos del Servidor de Automatización OPC La descripción de cada uno de los objetos del modelo anterior, se presenta en la siguiente tabla: 17 Tomado

34 22 Tabla 2.1 Descripción de la colección de objetos de la especificación OPC OBJETO DESCRIPCIÓN Servidor OPC Es una instancia de un servidor OPC. Se debe crear un objeto Servidor OPC antes de poder referenciar los otros objetos. Este contiene la colección Grupos OPC y el objeto Buscador OPC. Grupos OPC Es una colección de los objetos Grupo OPC que el cliente ha creado. Grupo OPC El propósito de este objeto es mantener la información de estado y proveer el mecanismo para ofrecer los servicios de adquisición de datos por la colección de objetos Ítem OPC. Ítems OPC Es una colección que contiene todos los objetos Ítem OPC que el cliente ha creado. Ítem OPC Es un objeto que mantiene la definición de los ítems, sus valores, estados y datos de la última actualización. Buscador OPC Es un objeto que permite buscar nombres de ítems en un servidor configurado. Un servidor de acceso a datos OPC está formado por varios objetos: el servidor, el grupo y el elemento. El servidor de objetos OPC ofrece información sobre el servidor y sirve como un contenedor de grupos de objetos OPC. El grupo de objetos OPC mantiene información acerca de sí mismo y proporciona los mecanismos para contener y organizar lógicamente los elementos OPC; los grupos OPC proporcionan una forma para organizar los datos de los clientes; por ejemplo, el grupo podría representar los elementos en una pantalla particular del operador o a través de un informe; los datos pueden ser leídos y escritos, y las conexiones basadas en excepciones, pueden ser creadas entre el cliente y los elementos en el grupo y pueden ser activadas y desactivadas según sea necesario; un cliente OPC puede configurar el porcentaje de los datos que deben ser cambiados antes de la actualización. Hay dos tipos de grupos, públicos y locales (o privados); los públicos se realizan para ser compartidos entre varios clientes, mientras que los locales son privados para el

35 23 cliente en cuestión. Existen interfaces específicas opcionales para los grupos públicos; dentro de cada grupo, el cliente puede definir uno o más elementos OPC Los elementos OPC representan conexiones a fuentes de datos dentro del servidor; un elemento OPC, no es accesible por el cliente como un objeto. Así pues, no hay una interfaz externa definida para un elemento OPC; todos los accesos al elemento OPC se realizan a través del objeto grupo OPC que contiene el elemento OPC, o simplemente el grupo en el que el elemento ha sido definido. Asociado a cada elemento existe un valor, calidad y valor temporal. Los elementos no son las fuentes de datos, sólo son conexiones a ellas; el elemento OPC debe ser entendido como la dirección de los datos, no como la fuente física actual de los datos a los que la dirección referencia, puesto que la fuente real de los datos es el dispositivo controlador, regularmente un PLC. 2.6 Compilador Gráfico Delphi. 18 Borland Delphi es un ambiente de Desarrollo Rápido de Aplicaciones (RAD: Rapid Application Development) para el lenguaje ObjectPascal en el sistema operativo Windows 95/98/NT/2000 es producto de BORLAND Corporation. Los sistemas RAD están orientados a facilitar la productividad en el desarrollo de software, a las velocidades de procesamiento que brinda actualmente el hardware. Algunas de las características que hacen de Delphi un sistema de alta productividad y excelencia son: Ambiente visual de desarrollo para aplicaciones controladas por intervenciones o eventos de usuario sobre interfaces gráficas. Fácil integración de informes y gráficos de gestión. Lenguaje de programación de excelencia en estilo y expresividad: ObjectPascal. ObjectPascal de Delphi es un Pascal Orientado a Objetos (OO), completamente comprometido con el modelado de objetos. Proporciona una jerarquía muy extensa de Clases de Objetos reusables y extensibles, con recursos de computación visuales y de procesamiento.