Programación de interfaces humano-máquina para una red de PLC

Transcripción

1 Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería Escuela de Ingeniería Eléctrica Programación de interfaces humano-máquina para una red de PLC Por: Jorge Bonilla Umaña Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica noviembre de 2013

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3 Programación de interfaces humano-máquina para una red de PLC Por: Jorge Bonilla Umaña IE-0499 Proyecto eléctrico Aprobado por el Tribunal: Dr. José David Rojas Fernández Profesor guía Dr. Víctor M. Alfaro Ruiz Profesor lector Dr. Orlando Arrieta Orozco Profesor lector

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5 Resumen Una interfaz humano máquina, llamada de ahora en adelante HMI, permite una interacción directa entre un controlador lógico programable (PLC) y un usuario. En este proyecto se utiliza una pantalla SIMATIC HMI KTP600 Basic color PN, que permite la visualización de estados de variables de un proceso así como también brinda la posibilidad de manipular variables directamente usando para esto la pantalla ya que esta, mediante su función táctil, permite crear una interfaz gráfica con botones virtuales, los cuales se pueden usar para cambiar el estado de actuadores en un sistema. Adicionalmente, esta HMI permite obtener información sobre el estado de variables de un proceso controlado por medio de un PLC, ya sean variables analógicas o digitales. La HMI se comunica con el PLC mediante red, y todo fue programado en la plataforma STEP 7 de SIEMENS con un PLC S El conocimiento adquirido durante este proyecto se plasmó en un manual para futuras referencias. Además, la pantalla fue debidamente montada, se comprobó su funcionamiento controlando y supervisando el trabajo de la maqueta conocida como grúa de tres ejes del Laboratorio de Automatización Industrial y el sistema de control de flujo de LabVolt. v

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7 Índice general Índice de figuras Índice de cuadros Nomenclatura ix ix xi 1 Introducción Objetivos Metodología Marco teórico Controlador lógico programable (PLC) Interfaz humano máquina Red PLC (PROFINET) Programación del PLC y de la HMI SCADA Sistemas de simulación de procesos Grúa de tres ejes Planta de control de flujo Diseño de los algoritmos de control Planta de control de flujo Grúa de tres ejes Diseño de interfaces entre la pantalla HMI y el PLC Grúa de tres ejes Planta de control de flujo Manual de uso Conclusiones y recomendaciones 35 Bibliografía 39 A Tabla de variables del programa 41 B Normalización y escalamiento 45 vii

8 C Bloque PID Compact 49 D Diagrama de contactos 53 viii

9 Índice de figuras 2.1 PLC SIEMENS SIMANTIC S (PLC, 2013) HMI SIMATIC KTP600 Basic color PN.(HMI, 2013) Grúa de tres ejes Planta de control de flujo. (Rojas, 2013) Escalamiento y normalización de las entradas analógicas, señal controlada Escalamiento y normalización de las entradas analógicas, valor deseado Bloque PID Compact Normalización y escalamiento de la señal de salida Objeto PID conectado Configuración de entradas y salidas del bloque PID Parámetros del bloque GRAFCET de operación grúa de tres ejes GRAFCET de emergencia grúa de tres ejes Conexión de los contadores asociados a los encoder incrementales Transición de estados en diagramas de contactos en el TIA Portal Ilustración de referencia para crear las imágenes del HMI Menú principal en la pantalla HMI Menú para grúa de tres ejes Menú de monitoreo para grúa de tres ejes Menú de controles manuales para grúa de tres ejes Menú para planta de control de flujo Menú de selección de modo para planta de control de flujo Menú de monitoreo planta de control de flujo Índice de cuadros 3.1 Elementos en la Grúa de tres ejes ix

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11 Nomenclatura GRAFCET Graphe Fonctionnel de Commande Etape Transition, Gráfico de mando etapa/transición. HMI IP ISO PD PI PID PLC Human Machine Interface, interfaz humano máquina. Internet Protocol, protocolo de internet. International Organization for Standardization, Organización Internacional para la Estandarización. Proporcional derivativo. Proporcional integral. Proporcional integral derivativo. Programmable Logic Controller, controlador lógico programable. PROFINET Red Ethernet PLC. SCADA TIAPortal Supervisory Control And Data Acquisition. Supervisión, control y adquisición de datos. Totally Integrated Automation Portal xi

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13 1 Introducción Según el diccionario de la Real Academia Española interfaz se refiere a una conexión física y funcional entre dos aparatos o sistemas independientes. Una interfaz humano máquina, HMI por sus siglas en inglés, Human Machine Interface, es entonces el dispositivo o sistema que permite la interfaz entre la persona y la máquina (Cobo, 2013) y permite que el usuario u operador del sistema de control o supervisión interactúe con los procesos (Vásquez, 2013), teniendo estas definiciones se puede ver que un HMI puede ser desde un simple teclado en una computadora, hasta un complejo panel de control de una central nuclear. En este proyecto se usa una pantalla SIMATIC HMI KTP600 Basic color PN que permite interactuar con un proceso automatizado. En particular, este modelo se comunica mediante profinet con un PLC de la marca SIEMENS. Su función táctil permite crear una interfaz gráfica con botones virtuales, los cuales se pueden utilizar para provocar una actuación sobre el sistema u obtener información de éste. Adicionalmente, esta HMI es capaz de obtener información sobre el estado de variables de un proceso controlado por medio de un PLC, ya sean variables analógicas o digitales. La HMI se conecta con el PLC mediante red, y se programa con la plataforma STEP 7 de SIEMENS además el controlador que se utilizó en este proyecto es el SIEMENS S Con la finalización de este proyecto se obtuvo un conocimiento sobre la programación de esta HMI y este conocimiento fue plasmado en un manual para futuras referencias. Además se dejó la pantalla debidamente instalada y funcionando. Para esto se comprobó su funcionamiento controlando y supervisando el trabajo de la maqueta conocida como grúa de tres ejes del Laboratorio de Automatización Industrial y del sistema de control de flujo LabVolt. 1.1 Objetivos Objetivo general Instalar al menos una de las pantallas SIMATIC HMI KTP600 Basic color PN en la red Profinet del laboratorio de Automatización Industrial y crear una interfaz humano-máquina que se enlace con un PLC Siemens S para controlar una maqueta de laboratorio. 1

14 2 1 Introducción Objetivos específicos Instalar al menos una de las pantallas SIMATIC HMI KTP600 Basic color PN en el Laboratorio de Automática. Esta instalación tiene que tomar en cuenta el soporte para la instalación física de las pantallas. Crear una interfaz humano-máquina utilizando dicha pantalla de manera que un controlador S controle, junto con la pantalla, una maqueta de prácticas de laboratorio. Escribir un manual de uso y programación de la pantalla para que sea utilizada por los estudiantes del curso de Automatización Industrial. 1.2 Metodología Mediante una búsqueda bibliográfica y la experimentación, se determinó la mejor manera de conectar la pantalla con el PLC, así como la forma de alimentarla eléctricamente para su correcto funcionamiento. Teniendo ya una conexión entre el PLC y la HMI se procedió a programar una interfaz gráfica para usar la HMI, comprobando así su funcionamiento, en conjunto con el PLC, en lo que se refiere a lectura y escritura de variables digitales. El siguiente paso correspondió a probar el funcionamiento con variables analógicas, con lo que se pudieron crear animaciones más interactivas en la pantalla. Comprobando estos funcionamientos se procedió a hacer uso de la HMI para controlar la maqueta conocida como grúa de tres ejes del Laboratorio de Automatización Industrial, así como la planta de control de flujo LabVolt. En cada paso se documentó el trabajo en una especie de diario digital el cual fue la base para crear un manual de uso y programación de la HMI para futuras referencias. Gracias al aprendizaje adquirido en la realización de este proyecto, mediante la elaboración del manual de uso de la pantalla y la instalación física de ésta, se dejara un aporte importante al Laboratorio de Automatización Industrial y a la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la UCR, el cual permitirá simular el control y monitoreo de procesos a distancia mediante la comunicación de la pantalla HMI con el PLC y las maquetas de procesos en el laboratorio.

15 2 Marco teórico 2.1 Controlador lógico programable (PLC) Hasta no hace mucho tiempo, antes de finales de la década de los sesentas, el control de procesos industriales se venía haciendo de forma cableada por medio de contactores y relés. Al operario que se encontraba a cargo de este tipo de instalaciones, se le exigía tener altos conocimientos técnicos para poder realizarlas y posteriormente mantenerlas. Además, cualquier variación en el proceso suponía modificar físicamente gran parte de las conexiones de los montajes, siendo necesario para ello un gran esfuerzo técnico y un mayor desembolso económico. El controlador lógico programable (Programmable Logic Controller) denominado PLC, nació como solución al control de circuitos complejos de automatización (Villafañe, 2010). Un controlador lógico programable se define según Peña (2003), como una máquina electrónica diseñada para controlar en tiempo real y en entornos industriales, procesos de naturaleza combinacional y secuencial. Entre las principales funciones de un PLC se pueden citar: Temporizaciones. Conteos ascendentes o descendentes. Enclavamiento de contactos. Conexionado de contactos en serie y paralelo. Operaciones y cálculos aritméticos. Ejecución de funciones lógicas. Comunicaciones industriales. Procesamiento de señales analógicas y digitales. Procesos de autodiagnóstico. Sistemas de control como PID, PI o PD. 3

16 4 2 Marco teórico PLC SIMANTIC S Para este proyecto se utiliza un PLC marca SIEMENS R modelo SIMANTIC S7-1200, el cual según Siemens (2009b) posee las siguientes características generales: CPU 1214C. 14 entradas y 10 salidas digitales. 2 entradas analógicas. 1 puerto de comunicación Ethernet. Este PLC puede además dotarse de un Signal Board, el cual le permite contar con una salida analógica. Este PLC puede apreciarse en la figura 2.1. Figura 2.1: PLC SIEMENS SIMANTIC S (PLC, 2013) Las entradas digitales permiten detectar cuando una variable pasa de un valor lógico cero que se refiere a 0 V (máximo 5 V) a un valor lógico uno que corresponde a 24 V (mínimo 15 V), esto según lo especificado en Siemens (2009b). Al detectarse estos cambios según sea la lógica programada que tenga el sistema se pueden activar o desactivar las salidas digitales, esto se hace al cerrar o abrir relés colocados dentro de la circuitería del PLC los cuales permiten el paso o no de corriente pudiéndose así controlar el momento en que se desean activar actuadores conectados al PLC. Las salidas digitales pueden soportar niveles de tensión que estén entre los rangos de 5 V a 30 V DC o de 5 V a 250 V AC y como máximo 2 A de corriente. Las dos entradas y la salida analógica según Siemens (2009b) son de tipo tensión, y están en un rango de tensión de 0 V hasta los 10 V. Estas entradas

17 2.2. Interfaz humano máquina 5 pueden ser interpretadas por el PLC según sea su proporción. De esta forma, con los sensores adecuados, se puede obtener datos precisos de algún proceso de interés, como por ejemplo el nivel de un tanque, el cual con entradas digitales solo sería posible saber puntos específicos como totalmente lleno o vacío, pero con las entradas analógicas se puede conocer con precisión el nivel del tanque citado en este ejemplo. Este PLC tiene un puerto de comunicación Ethernet, el cual permite conectar el PLC a una red, así como también poder configurarlo desde una computadora. El hecho de que el sistema se pueda configurar a distancia mediante Ethernet, permite que el usuario no tenga que desplazarse hasta la ubicación física del aparato, facilitando así su programación. Este puerto como se mencionó, permite conectar el PLC a una red, de esta forma se pueden compartir estados de variables mediante una pantalla HMI o un software de supervisión de procesos especializado. 2.2 Interfaz humano máquina Una HMI es una interfaz, por ejemplo una pantalla, que permite a un usuario u operador del sistema de control interactuar con los procesos mediante la observación de estados de tareas programadas en un PLC o incluso teniendo control del proceso desde la pantalla. En este caso la HMI utilizada es una pantalla modelo SIMATIC KTP600 Basic color PN de SIEMENS. Este dispositivo está dotado de una pantalla táctil de 6 pulgadas (15,24 cm) con una resolución de 320 x 240 pixeles, además de seis teclas de función (Siemens, 2009c), esta HMI se muestra en la figura 2.2. La HMI cuenta con un puerto Ethernet el cual le permite conectarse con una red y así ser programada, además esta conexión le permite monitorear procesos de un PLC conectado a la misma red, la HMI por sí solo no es capaz de conectarse directamente con el proceso industrial, por ello siempre se debe utilizar en conjunto con un PLC. Dado que la pantalla es a colores, se pueden diseñar interfaces gráficas amigables con el usuario. Además, al aprovechar la interfaz táctil, el usuario puede sentir pleno control de un proceso ya que con un solo toque podrá estar dando una orden al PLC de cambiar alguna variable y así manipular un proceso que se esté supervisando. Cabe mencionar que existen normas sobre los colores, aspecto y diseño que deben tener las pantallas de visualización. Una de estas es la norma ISO (Sanz, 1996), la cual en su parte número 8 se refiere a Requisitos para las pantallas en color, esto haciendo alusión a la relación con la representación de textos y gráficos simples, que no requieran gradaciones continuas de tonalidad, en donde se establece entre otras cosas que los colores extremos del espectro (rojo y azul saturados) no deben ser presentados simultáneamente en

18 6 2 Marco teórico Figura 2.2: HMI SIMATIC KTP600 Basic color PN.(HMI, 2013) pantalla, dado que pueden someter al usuario a esfuerzos excesivos de acomodación o a ciertos efectos indeseables de profundidad. Además para optimizar la discriminación así como la identificación de los colores, se recomienda usar alguno de los siguientes sistemas de representación: Figuras en color sobre fondo acromático. Figuras acromáticas sobre fondo en color. Esto debido a que se establece en la norma mencionada que los fondos acromáticos, como el negro o el gris medio u oscuro maximizan la visibilidad de las representaciones en color. 2.3 Red PLC (PROFINET) En el Laboratorio de Automatización Industrial de la Escuela de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Costa Rica, se cuenta con una red de PLC. Esta consiste en varios PLC conectados a una red Ethernet por lo que a cada terminal se le asigna una dirección IP, la cual permite poder configurarlo desde cualquier equipo que posea el software necesario y que pertenezca a la misma red. El término PROFINET se refiere a un estándar abierto y no propietario basado en Industrial Ethernet que permite un acceso directo y transparente desde el nivel de gestión hasta el nivel de campo. Para ello PROFINET apuesta por los estándares establecidos de las tecnologías de la información y soporta

19 2.4. Programación del PLC y de la HMI 7 TCP/IP sin ningún tipo de restricciones (Siemens, 2009a). A una red de este tipo se le puede agregar una HMI y como ya se ha mencionado antes se podrá tener control e información sobre los procesos que están llevando a cabo los PLC de la red. 2.4 Programación del PLC y de la HMI Se ha mencionado con anterioridad que el PLC puede ser programado desde un computador que esté conectado a él mediante una red, así mismo pasa con la HMI. Esto es posible gracias a un software de la empresa SIEMENS que se llama Totally Integrated Automation Portal, o TIA Portal como se abrevia por sus siglas en inglés. Este software posee dentro de sí, otro software llamado SIMATIC STEP 7 que permite programar el PLC. Además. posee otro software llamado WinCC (Siemens, 2012) que es el software para todas las aplicaciones HMI. El TIA Portal es una poderosa herramienta que permite programar los controladores con diagramas escalera, o bloques funcionales así como la posterior programación de la interfaz gráfica que se carga en la memoria del HMI y de la interconexión de variables y eventos entre ambos dispositivos. Este software permite también activar una función de visualización la cual muestra cómo cambian las variables en el PLC y poder verificar así si el programa cargado está cumpliendo la lógica como se supone que debería. Esto para poder corregir errores y cargar una versión definitiva y dejar el PLC ya trabajando por su cuenta. 2.5 SCADA SCADA se refiere a las siglas en inglés de Supervisory Control And Data Acquisition que se podría traducir como control supervisado y adquisición de datos y se denomina como cualquier software que permita el acceso a datos remotos de un proceso y el control del mismo mediante las herramientas de comunicación necesarias (Rodríguez, 2007). Hay que aclarar que un SCADA no es un sistema de control, sino que es una herramienta de monitorización que se convierte en una interfaz entre los niveles de control como el PLC y los de gestión a nivel superior. El software SCADA se instala en una computadora y desde esta, se pueden monitorear los procesos, mediante interfaces gráficas atractivas para el usuario que muestran los procesos de forma que el operador pueda tener una idea de lo que sucede en cada momento en el sistema. La conexión de la HMI con el PLC mediante PROFINET al parecer se asemejan mucho a un sistema SCADA. Pero hay que tener en cuenta que

20 8 2 Marco teórico varios HMI y PLC pueden formar parte de pequeñas redes industriales que podrían formar parte de una red más grande que está siendo supervisada por un SCADA.

21 3 Sistemas de simulación de procesos Como se ha mencionado con anterioridad, la combinación del PLC con la HMI permite supervisar procesos así como interaccionar con ellos permitiendo controlar variables del sistema. En este caso se busca controlar dos procesos: la maqueta conocida como grúa de tres ejes y la planta de control de flujo LabVolt. 3.1 Grúa de tres ejes Este modelo simula una grúa de manipulación de piezas, el cual cuenta con un espacio de trabajo tridimensional que se utiliza para trasladar dichas piezas de un lado al otro hacia unidades de procesado o clasificación de las mismas. Este modelo se puede observar en la figura 3.1. Cuenta con un brazo que es movido por tres motores que le permiten desplazarse en las direcciones X, Y, y Z. Además cuenta con un electroimán con el cual es capaz de atrapar piezas metálicas y trasladarlas de un lugar a otro. La finalidad del modelo es que se realice la siguiente tarea: tomar las piezas metálicas de la estación de almacenamiento por medio del brazo que posee un electroimán, luego mantenerlas sujetas a éste y son transportarlas hasta la estación de descarga y dejarlas allí. Para iniciar este proceso, la pinza electromagnética se mueve en las direcciones X y Y hasta que logra posicionarse sobre la estación de almacenamiento de piezas, se utilizan encoders incrementales, los cuales son elementos que envían un pulso indicando la rotación de un elemento, estos pulsos basados en dicha rotación se usan para conocer la posición de la pinza electromagnética. Luego, la pinza se mueve en la dirección Z hasta tocar la pieza, el imán se enciende y la pieza queda unida a este. Ahora, el imán se mueve en la dirección +Z y sube hasta su posición original. Acto seguido, se mueve en las direcciones X y Y hasta que logra posicionarse sobre la estación de descarga y entonces nuevamente se mueve en la dirección Z hasta poner la pieza en la estación de descarga, donde es reconocida por un sensor de proximidad. La pieza es retirada desactivando la pinza electromagnética. Para poder llevar a cabo esta tarea. el modelo cuenta con una serie de sensores y actuadores que le envían y reciben datos del PLC, estos elementos 9

22 10 3 Sistemas de simulación de procesos Figura 3.1: Grúa de tres ejes Cuadro 3.1: Elementos en la Grúa de tres ejes Elementos Cantidad Sensores Interruptor de Proximidad 1 Interruptores mecánicos 8 Encoders incrementales 2 Actuadores Motores 3 Electroimán 1 se muestran en el cuadro Planta de control de flujo Este equipo simula un proceso térmico y de caudal y permite el control de lazo abierto o de lazo cerrado para ambos procesos. Este instrumento consiste básicamente de un ducto por donde fluye aire, un ventilador que hace circular el aire, una compuerta utilizada para crear

23 3.2. Planta de control de flujo 11 Figura 3.2: Planta de control de flujo. (Rojas, 2013) cambios de carga o perturbaciones; un elemento de calefacción y sensores de temperatura y caudal. En este trabajo se utiliza únicamente el proceso de flujo de aire. El proceso de esta planta funciona de la siguiente manera (Lab-Volt, 2001): El ventilador produce que el aire fluya a través del ducto creando una presión baja, cerca del abanico. Esto causa que la presión atmosférica presione el aire a la entrada del ducto donde se tiene una presión determinada. Esta situación crea un gradiente de presión hacia el ventilador. De aquí que, entre mayor sea la velocidad del ventilador, mayor será la diferencia de presiones y por tanto mayor será el flujo de aire en el ducto. De acuerdo con la ley de la conservación de la masa, la masa que entra al ducto en un instante dado es igual a la masa de aire que sale del ducto en otro instante. Por tanto, para mantener el caudal constante, la velocidad del aire debe aumentar cuando el aire pasa a través del venturi, debido a que disminuye el área de sección transversal del ducto. Esto significa que la velocidad del aire en el lado de la entrada del venturi es menor que la velocidad del aire dentro del tubo venturi. Según la ecuación de Bernoulli, si la velocidad del aire aumenta, entonces la presión del aire disminuye. Esto significa que la presión del aire en el lado de entrada del venturi es mayor que la presión del aire dentro del tubo venturi y esto produce un aumento en la presión diferencial a través del venturi. La planta de control de flujo posee salidas y entradas de tensión o corriente, las cuales se utilizan para intercambiar datos con el controlador encargado del proceso en la planta y así poder controlar el proceso de de flujo de aire.

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25 4 Diseño de los algoritmos de control Para controlar los procesos de la grúa de tres ejes y de la planta de control de flujo, se usó el PLC SIEMENS modelo SIMANTIC S7-1200, y el diseño de los programas que se cargaron a la memoria de este dispositivo se hicieron mediante el software TIA Portal. 4.1 Planta de control de flujo Para crear el algoritmo de control de este sistema se debe hacer uso de variables analógicas por lo que primeramente se debe obtener un escalamiento correcto del valor de la entrada analógica del PLC, Para conocer la discretización que realiza el PLC en los valores de entrada, se procedió a utilizar una fuente de tensión y al haber 5 V en la entrada analógica, el PLC reconoce esa tensión como un valor de tipo entero de una magnitud de aproximadamente 14100, por lo tanto, se usa esa escala para normalizar las entradas analógicas como se muestra en la figura 4.1. Como se ve en la figura 4.1 la entrada analógica puede dar un valor máximo de según se obtuvo experimentalmente, lo cual corresponde a 5 V, esa entrada debe normalizarse, para eso se usa el bloque que se muestra, el bloque NORM X y se pasa la variable tipo entero a una tipo real y se guarda en una posición de memoria la cual se usa en el bloque SCALE X para obtener esa entrada pero en porcentaje. Ahora para el valor deseado se realiza el mismo procedimiento descrito antes con la misma escala y el mismo valor de tensión, pero con diferentes Figura 4.1: Escalamiento y normalización de las entradas analógicas, señal controlada 13

26 14 4 Diseño de los algoritmos de control Figura 4.2: Escalamiento y normalización de las entradas analógicas, valor deseado Figura 4.3: Bloque PID Compact variables, se ilustra en la figura 4.2. Ahora que se tienen esas dos señales escaladas, se puede proceder a introducir el objeto PID, pero teniendo el cuidado de que este se debe introducir en un bloque tipo interrupción cíclica o Cyclic Interrupt o si no el bloque no funcionará. Para controlar la planta con el PLC se utiliza el bloque PID Compact el cual se muestra en la figura 4.3. Este bloque se encuentra disponible en el TIA Portal y utiliza las entradas y salidas analógicas del PLC para realimentarse con datos y enviar señales de control en combinación con las entradas y salidas de la planta de control de flujo. Entre los parámetros de entrada del bloque PID Compact están: Setpoint : establece la consigna del regulador PID. Input : establece el valor de entrada de la señal controlada. Input PER : establece una variable analógica como la señal controlada. Manual Enable : un flanco positivo en esta señal selecciona el modo de operación manual, un flanco negativo selecciona un modo de operación activo anteriormente.

27 4.1. Planta de control de flujo 15 Manual Value : establece un valor de salida del controlador cuando se está en modo manual. Reset : reinicia el regulador. Como parámetros de salida se tienen: ScaledImput : es la salida del valor real escalado. Output : es el valor de salida del controlador en el formato real. Output PER : es un valor de salida analógico. Output PWM : es el valor de salida modulado por ancho de pulso. Setpoint Limit H : cuando esta salida se pone en alto, significa que se ha alcanzado el límite superior del Setpoint. Setpoint Limit L : cuando esta salida se pone en alto, significa que se ha alcanzado el límite inferior del Setpoint. Input Warning H : cuando esta salida se pone en alto, significa que se ha alcanzado o rebasado el límite superior de advertencia de la entrada de la señal controlada. Input Warning L : cuando esta salida se pone en alto, significa que se ha alcanzado o rebasado el límite inferior de advertencia de la entrada de la señal controlada. State : Indica el estado actual de operación del regulador, de la siguiente manera: State = 0: inactivo State = 1: optimización inicial State = 2: optimización fina State = 3: modo automático State = 4: modo manual Error : indica si hay o no errores. Como se aprecia en las variables de entrada y de salida del regulador PID Compact, este no cuenta con entradas para poder cambiar sus parámetros de ganancia, tiempo integral o tiempo derivativo. Lo único que puede ser modificado mediante variables externas al bloque es el valor deseado o Setpoint.

28 16 4 Diseño de los algoritmos de control Figura 4.4: Normalización y escalamiento de la señal de salida Figura 4.5: Objeto PID conectado Los parámetros antes mencionados solo pueden ser modificados mediante la programación del Bloque usando el TIA Portal. En este caso, la HMI sirve únicamente como interfaz de monitorización y modificación de valor de consigna, pero no puede ser usada como interfaz de configuración. Se debe ahora conectar las respectivas entradas y salidas del bloque PID Compact. Como entradas se tendrán las dos señales que se explicaron anteriormente, que son el valor deseado y la salida del control de flujo del LabVolt, la salida del bloque va a ser la entrada de control de la unidad LabVolt, pero la salida del PID es de tipo real, por lo que se debe normalizar y hacer un proceso similar con las entradas analógicas solo que ahora inverso. Para esto se toma esa salida real del PID y se normaliza a real usando una escala 100, luego se debe convertir de real a entero, y se debe saber que esa señal no debe sobrepasar los 5 V pero como ya se obtuvo que el numero entero en el PLC equivale a 5 V en las entradas analógicas, se usa el mismo número para escalar la salida analógica. Estos bloques se muestran en la figura 4.4. El bloque objeto PID conectado a las respectivas variables de entrada y salida se muestra en la figura 4.5 Antes de cargar el programa al PLC, se debe ingresar a los ajustes básicos del bloque PID Compact y seleccionar como entrada la terminal Input y

29 4.2. Grúa de tres ejes 17 Figura 4.6: Configuración de entradas y salidas del bloque PID como salida la terminal Output como se muestra en la figura 4.6. Una vez cargado el programa al PLC, se debe activar el bloque PID, para eso se pulsa en el ícono del bloque que tiene unas herramientas. Aparecerá una ventana cuyo título es optimización. En esa ventana en la posición medición se le debe presionar Start para poder ver un gráfico con el cambio de las variables de entrada salida y consigna. Pero lo más importante es en la parte inferior derecha, donde dice estado del regulador asegurarse de que diga Activado solo así se inicia el control con el bloque PID en el PLC. Se selecciona ahora el bloque como un controlador PI, para eso hay que ir a la pestaña de ajustes avanzados y ahí a Parámetros PID. En esa ventana también aparecen varios parámetros, los cuales se muestran en la figura 4.7, estos fueron obtenidos con la función de Optimización fina, la cual permite obtener automáticamente los parámetros del controlador a usar. El tipo de controlador usado se selecciona arbitrariamente. No se pretende el control óptimo de la planta si no mostrar la comunicación del PLC con la pantalla HMI, a pesar de la decisión arbitraria, se comprobó que el regulador seleccionado realizaba un buen proceso de control de la planta. Luego de obtener los parámetros mediante la Optimización fina estos deben ser cargados nuevamente al PLC. De esta manera ya se tendrá la planta de control de flujo lab-volt, siendo controlada por un controlador PI que esta programado en el PLC. 4.2 Grúa de tres ejes Para crear el algoritmo de control de este modelo se hará uso de un sistema secuencial de estados, en el cual según el estado se ejecutaran tareas asignadas. Para el control del sistema se necesita usar variables únicamente de tipo digi-

30 18 4 Diseño de los algoritmos de control Figura 4.7: Parámetros del bloque tal. Para la dinámica de la automatización del sistema se crea un GRAFCET. El término GRAFCET es el acrónimo de Graph Fonctionnel de Commande Etape Transition. Surge en Francia en 1977 como iniciativa de algunos fabricantes de autómatas (Telemecanique, Aper y otros) junto con los organismos oficiales AFCET (Asociación Francesa para la Cibernética, Economía y Técnica) y ADEPA (Agencia Nacional para el Desarrollo de la Producción Automatizada)(San Segundo, 2013). La norma IEC 60848:2002 define al GRAFCET como un lenguaje que permite modelar el comportamiento de la parte secuencial de un sistema automatizado. Actualmente es una de las mejores herramientas, por su sencillez y expresividad, para representar sistemas de fabricación automatizados. (San Segundo, 2013) El GRAFCET de control de la grúa de tres ejes se muestra en la figura 4.8, como se ve, se tienen nueve estados. Estos estados están representados por cuadrados, para pasar de un estado a otro se presentan líneas horizontales que representan condiciones las cuales al cumplirse permitirán que el sistema avance de un estado al otro. Además, junto a cada estado, se presentan rectángulos lo cuales describen la acción que se realiza en ese respectivo estado. Los estados del GRAFCET de la grúa de tres ejes de la figura 4.8 serán descritos a continuación:

31 4.2. Grúa de tres ejes 19 Figura 4.8: GRAFCET de operación grúa de tres ejes Estado 1 (E1): En este estado la grúa comienza a moverse hacia la dirección X+, que es donde están las piezas que debe recoger la grúa. Por acción del respectivo motor, hace esto hasta que se cumpla X1, donde X1 es la cuenta del encoder en X+. Experimentalmente se determinó que la cuenta en esta dirección debía ser 44 (esta cuenta se refiere a pulsos que genera el encoder al moverse). Al cumplirse esto pasa al siguiente estado. Estado 2 (E2): En este estado como se ha llegado a la posición a la que están las piezas, el motor Z- se activa para bajar el brazo hasta la posición en las que están las piezas. Cuando ya se ha llegado a la posición de las piezas, se activa el final de carrera de Z- (Int Z-). Así se pasa al

32 20 4 Diseño de los algoritmos de control siguiente estado. Estado 3 (E3): El imán se activa en este estado para así poder sujetar la pieza. Además, se activa el motor para subir el brazo o sea el motor Z+. Esta acción de activar el motor se hace hasta que se llega al final de carrera Z+ (Int Z+), en ese momento se pasa al siguiente estado. Estado 4 (E4): La pieza continúa sujeta al imán, en este estado se desplaza la grúa hasta la posición de referencia en X. En ese momento el contador reinicia su conteo y lleva a la máquina hasta la posición deseada. Esto se mantiene hasta que el encoder cuente 55 (X2 ), en ese momento se pasa al siguiente estado ya que finalizó su movimientos en el eje x. Estado 5 (E5): Cuando se cumple la cuenta del encoder significa que la grúa ha llegado a la posición donde debe dejar las piezas, aún el imán se mantiene activo, pero ahora la grúa debe moverse en la posición Y+ para eso se activa el motor Y+, esto se hace hasta que el encoder en Y cuente 42 (Y1 ), al cumplirse eso se pasa al siguiente estado. Estado 6 (E6): En este estado se deben bajar las piezas hasta el receptor, el imán debe seguir activado para sostener las piezas. Para bajar el brazo se repite un proceso similar al de recoger las piezas, se debe activar el motor Z- para bajar el brazo, éste bajará hasta que el sensor de proximidad se active o en dado caso se active el final de carrera de Z-, cuando alguna de esas cosas suceda se pasa al siguiente estado. Nótese que el estado siguiente es el estado 8, o sea el estado 7 no se utilizó, esto porque la variable y estado E7 se usó en otra parte del programa y no en el programa principal o main como aparece en el TIA Portal, pero para respetar la nomenclatura se siguió así el GRAFCET de operación. Estado 8(E8): Cuando se llega a este estado ya se habrán dejado las piezas por lo tanto se desactiva el imán, se procede entonces a subir el brazo, para eso se activa el motor Z+ hasta que el brazo llegue a la posición Z+ que es indicada por el final de carrera (Int Z+), se pasa entonces al siguiente estado. Estado 9 (E9): Ahora se lleva la grúa a la posición de origen en Y- para eso se activa el motor Y- en este caso no hace falta el uso del encoder, solo se debe mover la grúa hasta que se activa el final de carrera en esta dirección (int Y-), cuando esto se logra se pasa al siguiente estado. Estado 10 (E10): En este estado se debe llevar la grúa hasta la posición inicial, para esto no hace falta el uso del encoder, simplemente se activa

33 4.2. Grúa de tres ejes 21 Figura 4.9: GRAFCET de emergencia grúa de tres ejes el motor X+ hasta que la grúa llegue a la posición de referencia en X. Una vez logrado esto el sistema vuelve a repetir todo el ciclo descrito anteriormente. Se crea además un GRAFCET de emergencia para resolver posibles problemas que se presenten en la operación de la grúa, este GRAFCET se muestra en la figura 4.9 En el GRAFCET de emergencia de la figura 4.9 se consideran varios estados de emergencia los cuales se describen a continuación: Estado de Emergencia 1 (EE1): En este estado se ha presentado una emergencia. Esta se provoca al accionar los interruptores Int X- o Int X+. Esto se da si el operario ve alguna emergencia en el sistema o si la grúa se movió más allá de los límites de operación normal. Estado de Emergencia 2 (EE2): Este estado comienza con el sistema detenido y con la grúa en subida. EE2 va a movilizar la grúa a la

34 22 4 Diseño de los algoritmos de control posición del sensor Int Y-. Es de esta de forma que el sistema va a estar alineado en Y para su restablecimiento. Con el sistema ya alineado en los ejes y y z se finaliza el estado EE2. Estado de Emergencia 3.1 (EE31): El estado EE31 mueve el sistema hacia Int Xref para que vuelva a operar. Como fue activado por el sensor Int X+ el estado activa el motor Motor X- para llevarlo a la posición correcta. Si se da la activación de este sensor por un operario y el sistema se encuentra en el otro sector, la grúa se movería hasta llegar a contacto con Int X-. De esta forma terminaría con el estado EE31 y pasaría al estado EE32 que lo movería en la dirección correcta. Estado de Emergencia 3.2 (EE32): El estado EE32 mueve el sistema hacia Int Xref, al igual que EE31 y tiene su mismo funcionamientos solo que hacia la dirección contraria. Además este estado se da al activar el sensor Int X-. Estado de operación (EO): En este estado ya el sistema no se encuentra en alarma y lo que se realiza es la operación normal de la máquina, la cual está especificada en el GRAFCET de operación. Los codificadores o encoders son dispositivos que convierten información de un tipo a otra. En este caso los encoders del sistema convierten información de distancia en pulsos. Por lo que cada vez que se cumpla una cierta distancia el dispositivo envía un pulso. Sumando el pulso se puede obtener un valor proporcional a la distancia recorrida. Se planteó el uso de los codificadores para lograr colocar la grúa en la posición deseada, ya que, tanto la caja de depósito como la de recolección se encuentran en coordenadas que no coinciden con los sensores de final de carrera presentes en el sistema. Por lo cual, primero de manera manual utilizando interruptores se movió la grúa de forma tal que quedara alineada en las dos posiciones deseadas. Tomando de partida el sensor Xref para los movimientos en el eje x y Int Y- como la referencia en el eje y. Para el estado E1 se necesita mover la grúa a la posición de la caja de recolección. La cual está en línea con el sensor Int Y- por lo que no es necesario usar el codificador, pero en el eje x se realizó una medición y se determinó que se tiene que mover un total de 44 pulsos del encoder para estar en el centro de la caja. Este contador se restablece en Xref y en el estado E5 para que una vez cumplido un ciclo vuelva a realizar la cuenta y para poder ser utilizada como una señal diferenciadora. Lo mismo se realizó para el estado E4, el cual lleva la grúa al otro extremo. El resultado fueron 55 pulsos en el mismo codificador. Al ser mayor esta cuenta que la anterior, el brazo podía ir de un lado al otro solo si se

35 4.2. Grúa de tres ejes 23 Figura 4.10: Conexión de los contadores asociados a los encoder incrementales restablecía el conteo al pasar por Xref. Por último se midió la distancia en el eje y para que la grúa quedara alineada con la canasta de depósito el cual dio un resultado de 42 pulsos. Esta se restablece cuando la grúa vuelve a la posición inicial en Int Y-. Se agregó a la terminal de conteo el estado en el que se desea realizar la acción de conteo, para no tener activaciones no deseadas. La conexión de estos dispositivos a contadores ascendentes en el TIA Portal se muestra en la figura Para crear los estados en los diagramas escalera con los que se programa el PLC en el TIA Portal, se realizó la estructura de enclavamiento y desenclavamiento, según estados anteriores y arreglos de entradas. Se crean estos estados respetando las condiciones dadas en el GRAFCET de operación de la figura 4.8. Además, en cada estado consideraron condiciones

36 24 4 Diseño de los algoritmos de control Figura 4.11: Transición de estados en diagramas de contactos en el TIA Portal adicionales como estados de emergencia para evitar situaciones no deseadas. Un ejemplo de los diagramas escalera utilizados para configurar los estados se muestra en la figura Las flechas al final de cada línea se refieren a los estados uno y dos según el número con el que están etiquetadas. Se ve que para el estado E1 se tienen solo interruptores normalmente cerrados, por lo que ese estado funcionara apenas se acciona el sistema, al cumplirse la cuenta X1 del encoder, el respectivo contacto se abre, pero el estado queda enclavado por acción de la segunda línea. Sin embargo el estado E1 se desenclava apenas se activa el estado E2, el cual como se observa para poder activarse requiere que se cumpla que estén activos: el estado E1, que se cumpla la cuenta X1 y el interruptor Z-. Y que no estén activos: el estado de emergencia 1, el interruptor Z+ y el interruptor Y-. Como se ve, el estado E2 se activa justo cuando se cumple la cuenta X1, en ese momento E1 se desactiva, por lo que la primer línea del estado E2 ya no podrá habilitarlo, éste quedará habilitado por acción de la segunda línea, esto hasta que se cumpla el estado E3 que lo desenclavara. Una lógica similar se aplica para todos los demás estados del sistema.

37 5 Diseño de interfaces entre la pantalla HMI y el PLC A la hora de crear interfaces gráficas, se debe verificar qué es lo que se desea tener en esa interfaz, hay que revisar qué elementos se pueden monitorear y qué elementos se pueden controlar desde la pantalla HMI. Además valiéndose de los recursos que esta brinde se pueden obtener animaciones o interacciones entre el usuario y el proceso que resulten en una interfaz más llamativa e informativa para el usuario. Esta interfaz se busca que sea agradable a la vista, y se debe intentar dar una experiencia uniforme al operador a través de todas las pantallas. Para diseñar las imágenes que forman parte de los menús en el HMI se usa como base la figura 5.1 La Figura 5.1 representa la Escuela y además se toma como base el color RGB: R = 72, G = 109, B = 154. Se crea entonces una imagen que será la el menú principal en la pantalla HMI que muestra el logo de la Escuela y además dos botones para acceder a los respectivos menús de la Grúa de tres ejes y de la Planta de control de Flujo. como se muestra en la figura 5.2 Figura 5.1: Ilustración de referencia para crear las imágenes del HMI 25

38 26 5 Diseño de interfaces entre la pantalla HMI y el PLC Figura 5.2: Menú principal en la pantalla HMI 5.1 Grúa de tres ejes Para esta maqueta se cuenta con entradas y salidas digitales. Existen unas variables internas que se encargan de llevar la cuenta de los encoders incrementales que son de tipo entero, sin embargo en esta maqueta se busca mostrar el monitoreo y manejo de variables digitales por lo que será ese el enfoque que se dará. Como actuadores en este sistema se tienen tres motores capaces de moverse en dos direcciones, además de un imán. Estos elementos pueden ser controlados desde la pantalla HMI. Además, se tienen gran cantidad de sensores que pueden ser aprovechados para obtener información de ellos y presentarla en la pantalla HMI. Como desde el HMI se podrá controlar la grúa, se puede crear modos de operación manual y automático, los cuales podrán ser seleccionados desde la pantalla HMI. La grúa funciona mediante un modo automático, por lo que para añadir un modo manual, basta con colocar un interruptor que al estar desactivado no permita que la lógica del GRAFCET de la figura 4.8 avance, y en dado caso los motores solo puede activarse manualmente presionando botones en la HMI. Primeramente se busca crear un menú en el que se presentaran aspectos generales del comportamiento de la grúa, así como opciones para acceder aspectos más específicos. Esta primera imagen configurada se muestra en la figura 5.3 Como se ve en la figura 5.3, se tienen varios elementos tanto de control

39 5.1. Grúa de tres ejes 27 Figura 5.3: Menú para grúa de tres ejes como de monitoreo, por ejemplo se tienen dos botones, uno para seleccionar el modo Automático y otro para seleccionar el modo Manual. Dependiendo del modo en el que se encuentre el sistema, la flecha gris que brinda el acceso a las opciones Monitoreo Modo Automático o Controles manuales estará visible o no. Además también dependiendo del modo de operación se encenderán las luces piloto verdes que indican cuál modo está activo. La luz piloto roja y el mensaje de error aparecerán en forma intermitente cuando el sistema no pueda recuperarse de un error y manualmente sea necesario colocar la grúa en la posición inicial. Se tiene también un botón gris con un ícono de una casa, este sirve para volver al menú principal de la figura 5.2. Si se accede a la opción Monitoreo Modo Automático, se presenta en la pantalla el menú mostrado en la figura 5.4 En esta pantalla se tiene el nombre de todos los actuadores presentes en la grúa de tres ejes, junto a cada uno de estos se tienen dos luces piloto una roja y otra verde, se indica si ese actuador esta funcionando al encenderse una luz verde, o si esta fuera de funcionamiento al encenderse la luz roja. Se tienen tambien dos columnas, Acción y Estado, en la columna Acción se tienen los siguientes textos: Trasladándose: Este texto aparece en la pantalla en el momento en que la grúa se este moviendo de un lugar a otro, además se programó un texto secundario que dependerá de la acción que este realizando la grúa,

40 28 5 Diseño de interfaces entre la pantalla HMI y el PLC Figura 5.4: Menú de monitoreo para grúa de tres ejes este texto complementará la palabra Trasladándose con las palabras Con Pieza o Vacía según sea el caso. Recogiendo Pieza: Este texto aparece en el momento en que la grúa se encuentre en la posición de recolección de piezas. Dejando pieza: Este texto aparece en el momento en que la grúa se encuentre en la posición de deposición de piezas. Además en la columna Estado se tienen los siguientes textos: Trabajando: Este texto se muestra cuando la grúa esta operando sin ninguna eventualidad. Recuperandose de error: Cuando se presenta un estado de emergencia que el sistema puede resolver, este texto indicará que se esta presentando tal situación. Error Grave: Se presenta este texto en el caso en que se presente una situación o estado de emergencia que el sistema no logra resolver por si mismo. Adicionalmente se tiene un botón de paro de emergencia. Al ser presionado, el sistema detiene de inmediato su operación, y en la columna Estado aparece un texto indicando que se ha presentado un paro de emergencia, Para poner en funcionamiento el sistema, debe presionarse nuevamente el botón

41 5.1. Grúa de tres ejes 29 Figura 5.5: Menú de controles manuales para grúa de tres ejes de emergencia, así como un botón que permite volver al menú principal, o al menú de la grúa de tres ejes. Si en el menú de la figura 5.3 se selecciona la opción Controles Manuales se accede al menú mostrado en la figura 5.5 En este menú se tiene el nombre de cada uno de los ejes en los que es capaz de moverse la grúa. Seguidamente se tienen dos botones indicando la dirección positiva y negativa de cada eje. Estos botones sirven para controlar manualmente la grúa. Se tiene también un botón para encender el imán, al estar este encendido, la luz piloto verde cercana al botón mencionado también se encenderá, si el imán se apaga, la luz roja se encenderá indicando que este está fuera de operación. Se tienen también luces piloto alineadas con eje X y eje Y, estas indicarán la posibilidad de usar estos controles mediante la luz verde, ya que por seguridad estos controles se pueden utilizar solo cuando el brazo de la grúa esta en la posición máxima (Eje Z ) ya que de no ser así el brazo de la grúa podría golpear la estación de recolección o deposición de piezas y dañar el brazo. En este menú se tienen también textos que aparecen según sea la situación que se presente. Si se mueve la grúa en determinada dirección y se llega a una posición limite, aparecerá un texto que lo indica, y la grúa no se podrá mover más en esa dirección. Si se accede a este menú por la indicación de error de la figura 5.3, el usuario debe buscar la posición inicial del sistema, al ser alcanzada, un texto lo indicará. Adicionalmente se tiene un texto que está resaltado en amarillo para ser más llamativo, este aparece si el brazo no esta en la posición máxima en el eje

42 30 5 Diseño de interfaces entre la pantalla HMI y el PLC Z y se intenta moverlo en dirección X o Y. Se tienen además botones para volver al menú principal, o al menú de la grúa de tres ejes. 5.2 Planta de control de flujo Este sistema cuenta únicamente con entradas y salidas analógicas, las cuales se conectan al PLC y mediante el bloque PID Compact se logra el control de la planta. A la entrada analógica del PLC se conecta la salida de tensión de la planta de la figura 3.2, ésta corresponde a la Señal Controlada. A la salida analógica del PLC se conecta el puerto de tensión control de la planta que se puede ver también en la figura 3.2 ésta corresponde a la Salida del Controlador. Desde la pantalla HMI será posible monitorear el valor de las dos variables mencionadas, además se puede definir un valor deseado o SetPoint para el controlador programado en el PLC. Según los parámetros de entrada del bloque PID Compact citados en el capítulo 4, es posible colocarlo en modo manual y en ese modo definir un valor de operación, por lo que se podrá realizar este procedimiento desde la pantalla HMI. Entre los parámetros de salida, se tiene el parámetro Estado, el cual da un valor según sea el estado en el que se encuentre el bloque PID Compact, por lo que ese estado podrá ser también monitoreado desde la HMI. Teniendo una idea de las variables que pueden ser monitoreadas y modificadas desde la pantalla HMI, se procede a crear un menú como el que se muestra en la figura 5.6 En este menú se tienen cuatro secciones que son: Estado de la Planta: según el valor de esta variable aparecerá el texto indicado mostrando el modo en el que se encuentra trabajando el controlador de la planta. Señal Controlada: muestra el valor en porcentaje de la variable asociada. Salida Controlador: muestra el valor en porcentaje de la variable asociada. SetPoint: muestra el valor en porcentaje en el cual se ha fijado la variable asociada. Además, se tienen botones de acceso al menú Selección de Modo y Monitoreo, así como un botón para volver al menú principal. Si se selecciona la opción Selección de Modo se accede al menú mostrado en la figura 5.7

43 5.2. Planta de control de flujo 31 Figura 5.6: Menú para planta de control de flujo Figura 5.7: Menú de selección de modo para planta de control de flujo

44 32 5 Diseño de interfaces entre la pantalla HMI y el PLC Figura 5.8: Menú de monitoreo planta de control de flujo En este menú se muestra un botón con luz piloto, el cual al presionarse activa el modo manual del controlador en ese momento se encenderá la luz verde indicando que el modo manual está activo, a su vez muestra una vista miniatura de una gráfica del cambio de las señales con respecto al tiempo, también en ese momento se muestra espacio en el cual indica el valor manual que se le está ingresando al controlador así como al tocar ese valor se despliega un teclado en la pantalla para ingresar un valor. Además con dos flechas se podrá modificar ese valor en forma ascendente o descendente. Si el sistema está trabajando en modo automático se mostrarán las mismas opciones que para el modo manual. Además si no estuviera ninguno de los modos mencionados aparecerá un botón que permite restablecer el controlador y de esta forma intentar solucionar algún problema que sacara de operación al regulador. También sobre la gráfica de las señales se muestra un texto que indica el el modo en el que esta trabajando el regulador. Si en la figura 5.6 se selecciona la opción Monitoreo, se accede al menú mostrado en la figura 5.8. En esta figura se muestra una gráfica similar a la miniatura mostrada en la figura 5.7 solo que con mayor tamaño y así pueden observarse con mas detalle las señales de Control, Setpoint y Salida del Controlador. Se tienen también los controles para modificar el Setpoint en el modo automático o el valor manual en su respectivo modo, estos elementos pueden ser modificados mediante botones para aumentar o disminuir el valor deseado, o simplemente tocando el campo que muestra el valor y seleccionando el valor deseado mediante el teclado que se despliega en la pantalla, cabe mencionar