Módulo de Aprendizaje 25: Paneles de Video Control. Serie Básica 101

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1 Módulo de Aprendizaje 25: Paneles de Video Control Serie Básica 101

2 Temario En este módulo, estudiaremos con detalles cada uno de estos temas: Introducción 4 Un poco de Historia 4 Función de los Operadores en Plantas 4 Tecnología HMI antes de los años 1980s 5 La Interface Electrónica de Video Control 6 Repaso 1 10 La Era de los Dispositivos con HMI Electrónicas 11 Aplicaciones: Discreta Vs. Proceso 11 Dónde se utilizan los Dispositivos con HMI Electrónicas? 11 Entornos Eléctricamente Ruidosos 11 Fabricación de Partes Especiales 11 Expansión en la Fabricación 12 Cómo la HMI Electrónica beneficia al Usuario? 13 Arquitectura Básica de la HMI Electrónica 14 Pantalla 15 Sección de Electrónica 16 Metodología de Entrada de Operador 17 Gráficos y Cómo están relacionados con Datos? 17 Comunicación con PLCs, Redes, y otros Sistemas de Automatización en Planta 20 Repaso 2 22 Herramientas y Métodos Comunes de HMI Electrónica 23 Iconos, Símbolos, Plantillas 23 Efectos de Color, Parpadeo, Animación 24 Características Avanzadas 24 Entrada con Botón Pulsador y Entrada Numérica 24 Cálculos Matemáticos y Sub-rutinas 25 Referencia a Nombre de Etiqueta 25 Carga y Descarga de Aplicaciones 25 Lógica de Boole y sus Aplicaciones 26 Paquetes de Software de HMI que funcionan en Equipo de PC 26 Precio y Rangos de Desempeño para Productos Actuales con HMI Electrónica 26 Repaso 3 27 Glosario 28 Respuestas del Repaso 1 31 Respuestas del Repaso 2 31 Respuestas del Repaso 3 31 Página 2

3 Bienvenido Notas sobre estilos de Fuente Glosario Bienvenido al Módulo 25, Paneles de Video Control. Los paneles de video control, abreviadas frecuentemente HMI, son la tecnología que permite a los seres humanos controlar y monitorear máquinas y operaciones en plantas. Formas iniciales de HMI incluyeron medidores de presión de vapor en locomotoras antiguas y botones pulsadores y registradores de curvas. Comenzando en los años 1980, los dispositivos electrónicos de paneles video control proporcionaron una forma compacta, cómoda y flexible para que el personal de la planta pudiera interactuar con los procesos. HMI electrónicas presentan típicamente algún tipo de despliegue luminoso e incluyen frecuentemente un método para que el personal pueda ingresar datos. Utilizando un software, una HMI electrónica puede reemplazar en pantalla pilotos luminosos, medidores, despliegues de mensajes y otros dispositivos convencionales. El resto de este módulo se dedica al diseño y función de los productos HMI electrónicos. Como los demás módulos en esta serie, este módulo presenta pequeñas secciones de material nuevo seguidas por una serie de preguntas. Estudie el material cuidadosamente y después conteste a las preguntas sin regresar a lo que acaba de leer. Usted será el mejor juez de su asimilación del material. Repase el material tan frecuentemente como sea necesario. Lo más importante es establecer una base sólida a partir de la cual usted podrá pasar de tema en tema y de módulo en módulo. Los puntos esenciales se presentan en negritas. Los elementos del Glosario se presentan en cursivas y subrayados la primera vez que aparecen. Las versiones impresas tienen el glosario al final del módulo. Usted puede también hojear el Glosario seleccionándolo en el margen izquierdo. Página 3

4 Introducción Un poco de Historia En la cabina de una locomotora de vapor de los años 1800, los medidores de presión de vapor e indicadores de suministro de agua eran el Panel de Video Control. Estos dispositivos HMI informaban a la tripulación sobre el estado de la caldera y permitían la toma de decisiones. En el siglo 20, cuadros de alarmas, medidores, lámparas de estado, y registradores de curvas ayudaron al personal en plantas a revisar el estado y a tomar decisiones en operaciones industriales. Pilotos luminosos, selectores, y potenciómetros permitieron a los técnicos suministrar datos para modificar y controlar eventos. Figura 1. Panel de Video Control: Antes y Ahora Eventualmente, conforme las computadoras y la tecnología de Controladores Lógicos Programables (PLC) se volvió disponible, grandes volúmenes de información pudieron ser observados y manipulados por los operadores. Debido a que eventos impredecibles pueden ocurrir, el ser humano sigue siendo una parte importante del control y monitoreo de la planta. Sin embargo, el volumen de información disponible ha llevado a veces a cantidades exageradas de despliegues alambrados y dispositivos de entrada en los paneles de control (Véase Figura 2). Figura 2. Un Panel Alambrado Función de los Operadores en Plantas El personal en las plantas interactúa con dispositivos cableados en paneles de control con dispositivos de paneles de video control y electrónicos. Ambos necesitan soportar los mismos tipos de funciones. Ejemplos incluyen: Control (funciones discretas de arranque/paro) Entrada de datos Monitoreo y despliegue de estado Anuncio de alarma Mensajes Diagnóstico y soporte para detectar fallas Página 4

5 Tecnología HMI antes de los años 1980s Despliegue de información más avanzada, por ejemplo determinación de tendencias Para ser efectivos, los dispositivos de HMI deben proporcionar métodos eficientes y flexibles para soportar estos tipos de funciones de HMI. En los años 70 y 80, el Controlador Lógico Programable se volvió la herramienta electrónica dominante en plantas para controlar, secuenciar y almacenar datos. Dispositivos de video control montados en paneles, cableados convencionales estaban conectados a entradas de PLC (pilotos luminosos, selectores, etc.) y salidas (lámparas, cuadrantes, lecturas numéricas y de texto. (Véase Figura 3). Figura 3. Panel de HMI Típico anterior a 1980 La Figura 4 muestra que, con un panel de control convencional, cada dispositivo de panel individual consume capacidad de entrada/salida (E/S) del PLC. Esto se vuelve una carga triple sobre el PLC, la carga de entrada, de salida y de procesamiento: Cada botón pulsador requiere de una conexión de terminal de entrada física y asignación de memoria de PLC. Cada lámpara en el panel ocupa una conexión de terminal de salida y un bit de memoria de salida. El PLC debe tener programación para monitorear y controlar los dispositivos en el panel de video control. Puesto que estos dispositivos típicamente no tienen inteligencia propia, el PLC debe asumir toda la responsabilidad de cálculos numéricos, comparaciones lógicas, monitoreo de alarmas, etc. Página 5

6 Figura 4. Cargas en el PLC La Interface Electrónica de Video Control El resultado final es que los dispositivos en un panel convencional cableado utilizan una gran parte de la capacidad del PLC que podría utilizarse de otra forma para controlar y monitorear los dispositivos reales en una máquina o en la planta. Existen otras consecuencias por la adición de varias decenas de dispositivos de interfaces de operador cableados a un panel: Son costosos para su instalación (diseño de panel, cableado, módulos E/S de PLC, etc.) Requieren de mucho espacio Provocan una distribución confusa para el operador Pueden ser difíciles de modificar o ampliar Como se mencionó arriba, los paneles de video control presentan típicamente algún tipo de despliegue luminoso, e incluyen frecuentemente un método para que los operadores hagan operaciones de entradas y salidas. Las HMI s Electrónicas pueden ser tan pequeños como un libro de bolsillo, con funcionalidad enfocada, y pueden costar menos de $500 USD. Pueden también presentar pantallas de hasta 15 pulgadas o más, efectuar numerosas funciones y costar más de $5,000 USD. Página 6

7 La Figura 5 muestra una HMI Electrónica moderna típica. Obsérvese que no hay teclado ni ratón: Los operadores tocan los iconos en la pantalla para ingresar datos. Figura 5. HMI Electrónica Moderna Típica Una HMI Electrónica no solamente resuelve algunos de los problemas de entrada, salida y procesamiento planteados por el cableado convencional; incrementa la capacidad de utilización del sistema, y extiende la información a través de redes. Vamos a contrastar este diagrama de conectividad de HMI electrónica al PLC (véase Figura 6) con el panel de control convencional descrito en la sección previa. Página 7

8 Figura 6. Conexión Unifilar de Conexión HMI a PLC Página 8

9 Aún cuando los detalles de diseño de la HMI electrónica y su forma de comunicación con el PLC se retomarán más adelante, las ventajas principales son: 1. En muchos casos, la HMI electrónica no requiere de capacidad de punto E/S de PLC real la mayoría de los dispositivos de HMI electrónicas están conectados a un puesto de comunicación de PLC o red de PLC a través de un solo cable. 2. Puesto que la mayoría de los dispositivos de HMI electrónicas tienen por lo menos una cierta inteligencia local (capacidades matemáticas y de comparación lógica), se requiere de mucho menos programación de PLC dedicada mucho menor para soportar la HMI electrónica. 3. La misma HMI electrónica puede frecuentemente comunicar con más que un PLC o bien otro dispositivo, a través de redes de comunicación. 4. La capacidad de HMI electrónica para agrupar información en varias pantallas o páginas permite una mejor organización de la información de tal manera que los operadores pueden comprender y responder más fácilmente a los datos. (Véase Figura 7). 5. Si la HMI permite el uso de color, parpadeo, efectos de animación, o bien imágenes visuales adaptadas, entonces se puede lograr una interface humana más rápida y más efectiva. 6. Puesto que la HMI electrónica está configurada empleando un paquete de software, permite cambios rápidos y flexibles al contenido y distribución de las pantallas HMI. Los dispositivos de HMI electrónica se han vuelto extremadamente populares debido a su flexibilidad y potencia. Finalmente, ayudan al personal en la planta a desempeñar mejor su trabajo de toma de decisiones y acciones, lo que permite que los procesos en la planta funcionen según lo contemplado. Figura 7. Utilización de un Panel con HMI Electrónica Página 9

10 Repaso 1 Conteste las siguientes preguntas sin referirse al material que se le acaba de presentar. Empiece la segunda sección cuando esté seguro que entiende lo que acaba de leer. 1. Conforme cantidades cada vez mayores de información comenzaron a acumularse cuál fue el problema que se observó con paneles de video control convencionales? 2. En sistemas alambrados convencionales, cada dispositivo del panel consume capacidad de entrada/salida del PLC. VERDADERO FALSO 3. Liste tres actividades del personal que opera en la planta a) b) c) 4. Sí los paneles de video control electrónicas tienen cierta inteligencia, cómo pueden reducir la demanda de procesamiento sobre los PLCs?. 5. Presente una lista de dos indicaciones visuales que puede suministrar una HMI electrónica para hacer posible una interface humana más efectiva. a) b) 6. El efecto de la configuración de HMI electrónica con paquetes de software es que se pueden hacer cambios rápidos y más flexibles tanto a como a de pantallas de video control. Página 10

11 La Era de los Dispositivos con HMI Electrónicas Aplicaciones: Discreta Vs. Proceso Ahora que usted ha visto los antecedentes que llevaron a la HMI electrónica, vamos a examinar cómo enfoca diferentes tipos de aplicaciones, y revisar ejemplos en los cuales se utilizan HMI electrónicas. Existen términos utilizados en toda la industria con los cuales usted debe familiarizarse; y lo que es más importante, cómo las HMI electrónicas benefician a los operadores en el campo. La HMI electrónica es efectiva para controlar y monitorear dos estilos de fabricación, discreta y proceso. Los paneles de video control utilizados para el control de fabricación discreta se enfrentan a retos de diagnóstico, retos de productividad asociados con líneas de transferencia, montaje y otras máquinas utilizadas en fabricación a gran escala. Las pantallas de video control contienen típicamente Plantillas que proporcionan control de máquina, instrucción para diagnóstico, registro de fallas, monitoreo del movimiento, y lineamientos para el operador. Figura 8. Distribución Típica de Sistema de HMI Electrónica Dónde se utilizan los Dispositivos con HMI Electrónicas? Entornos Eléctricamente Ruidosos Fabricación de Partes Especiales Las interfaces de operador utilizadas para el control de la fabricación resuelven el problema de diagnóstico, mantenimiento, control de proceso estadístico, manejo de recetas, y retos de productividad asociados con procesos en lotes. Las plantillas del panel de video control contienen típicamente plantillas que proporcionan control de máquinas, mensajes de diagnóstico, gráficas de barras de temperatura, medidores de flujo, y editores de composiciones. Dónde se utilizan los dispositivos con HMI electrónicas? Donde se utilizan PLCs o redes industriales Donde se requieren de controles de operadores (pilotos luminosos, selectores, etc.) Donde se utilizan despliegues de mensajes y gráficas A continuación presentamos algunos ejemplos de la vida real de aplicaciones en donde las HMI electrónicas han ofrecido ventajas de costo o proceso. Un fabricante de calentamiento por inducción opera una línea de montaje cerca de un oscilador de 150 kw. Este tipo de equipo es voluminoso, y su fabricación crea un entorno eléctricamente rudo. La HMI electrónica requiere de un menor cableado y de menos cajas de control lo que libera espacio y requiere de una menor demanda de electricidad. La tecnología de Pantalla Plana, Panel Plano, permitió un monitoreo y control completo sin interferencia electromagnética que distorsiona las imágenes en la pantalla. Un integrador y fabricante de líneas de montaje de productos especiales requirió de una flexibilidad significativa. Los Dispositivos cableados convencionales requerirían de demasiado tiempo para su reconfiguración. Página 11

12 Figura 9. Plantillas de HMI Electrónicas Típicas Expansión en la Fabricación Términos que se refieren a la HMI Electrónica Una HMI electrónica incluye plantillas estándares que proporcionan reemplazos visuales para dispositivos tradicionales cableados tales como cuadros de alarmas y visualización, medidores, pilotos luminosos de estado, y pantallas de mensaje. Cuando un fabricante de máquina amplió sus operaciones, los requerimientos de control elevaron también significativamente la necesidad de despliegues de mensajes. Para lograr esto en un sistema cableado convencional se era excesivamente costoso. La HMI electrónica proporcionó la distribución de mensajes requerida, a menores costos, y en un solo alambre. Varias expresiones han sido utilizadas para referirse al monitoreo y control de la actividad de las máquinas. Interface Hombre-Máquina (MMI): Esta abreviatura inicial ha sido reemplazada más recientemente por el término Interface Ser Humano-Máquina o HMI. Control de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA): Conforme las computadoras comenzaron a conectarse a operaciones de control por máquinas, su capacidad para procesar y almacenar información fue resumida bajo estas siglas. Interface Ser Humano-Máquina (HMI): Este término más reciente, se utiliza a veces para referirse a productos de HMI electrónica que proporcionan mayor capacidad y características más avanzadas. Página 12

13 Cómo la HMI Electrónica beneficia al Usuario? Porque ayuda al personal en la planta a tomar mejores decisiones más rápidamente y a actuar más efectivamente, los dispositivos con HMI electrónicas pueden generar beneficios tales como: Mayor confianza y cooperación de operador Figura 10. Los Iconos pueden representar visualmente lo que está ocurriendo en la Planta Menores pérdidas de material por reducción de chatarra Tiempo inactivo reducido porque suministra diagnósticos más rápidamente Calidad mejorada del producto a través de un monitoreo más preciso de los parámetros de producto Además, conforme los dispositivos con HMI electrónicas se hicieron más inteligentes, pudieron descargar las tareas relacionadas con paneles de video control de los PLCs y otros dispositivos de control. Lo hacen mediante la realización de cálculos y comparaciones lógicas, rastreo de alarmas, generación de resúmenes impresos y efectuando tareas adicionales que puede representar una carga adicional para el PLC, red, o bien otro dispositivo de control. Figura 11. Dispositivos con HMI Electrónicas pueden efectuar cálculos y comparaciones Página 13

14 El siguiente escenario es típico de los beneficios que resultan de la instalación de una HMI electrónica con un sistema de control basado en PLC. En Campo Originalmente, esta operación de máquina de transferencia presentaba diagnóstico generado por PLC, mostrado por una pantalla de texto. Cuando se detectaba una falla, se generaba un simple mensaje de falla. Después los técnicos tenían que: 1. Localizar diagramas de cableados y diagramas lógicos 2. Utilizar un programador de PLC manual para confirmar el estado de E/S 3. Rastrear el problema 4. Llevar a cabo la reparación Figura 12. Operación de Transferencia de Máquina El personal de la planta instaló después una HMI electrónica cuya información desplegada incluyó: 1. Una pantalla de resumen que identificó las fallas de estación mediante la aparición intermitente de una representación pictórica de la estación. 2. Mensajes específicos de falla 3. Instrucciones para operadores para seleccionar pantallas adicionales para una vista más detallada del problema 4. Vista detallada de cada estación incluyendo formas y colores adaptados para un reconocimiento fácil 5. Otras pantallas con resúmenes de conteos de ciclo de herramienta, tiempos de ciclo y procedimientos de reanudación Como resultado de la instalación de la HMI electrónica, el personal a nivel operador pudo detectar y diagnosticar fallas elementales sin requerir de técnicos en electrónica. Pudieron dirigir más rápidamente los equipos de reparación hacia la fuente del problema. Página 14

15 Arquitectura Básica de la HMI Electrónica Hoy en día se utilizan dos categorías básicas de dispositivos de HMI electrónica: 1. El diseño propio, caracteriza tanto hardware como software único para una marca particular. Ejemplos de este enfoque incluyen los productos de la serie P820 PanelMate de Cutler-Hammer y el producto PanelView de Allen-Bradley. 2. El diseño de plataforma abierta, que presenta un software único, pero que funciona típicamente en una plataforma de computadora personal basada en Windows. La gama de productos HMI encontrados en la primera categoría es inmensa. Sin embargo, la mayoría de estos productos comparten las siguientes características de diseño: Pantalla Sección Electrónica Método de entrada de operador Método de Creación de Imagen y Enlace Comunicación con PLCs, redes o bien otro dispositivo de automatización de planta Figura 13. Vista de los elementos de Dispositivos Típicos con HMI Electrónicas Pantalla Examinemos a continuación cada una de estas áreas con detalles. Los productos de HMI más económicos, más pequeños presentan frecuentemente pantallas de cristal líquido (LCD) que pueden presentar textos o gráficas muy sencillas, de manera monocromática, sin sombreado. Estos dispositivos son limitados a resoluciones de pantalla de 320 x 240 puntos ( Pixels ) o menos. Figura 14. Pantalla Monocromática de texto de cuatro renglones en un pequeño Dispositivo de HMI Electrónica Página 15

16 El siguiente nivel de opciones de despliegue incluye monitores con capacidad para escala de grises o color, o bien pantallas planas. Permiten típicamente por lo menos 8 colores o bien 8 variaciones de escala de grises. Las resoluciones de las pantallas de estos dispositivos son frecuentemente las mismas que las encontradas en las pantallas de las computadoras personales actuales: 640 x 480 pixeles, o mejores. En el pasado, la tecnología de monitor (tubo de rayos catódicos, o CRT) era dominante, pero las nuevas tecnologías de pantallas planas se están volviendo cada vez más luminosas, económicas y por consiguiente más populares. Las pantallas planas toman menos espacio, generan menos calor y no son afectadas por los campos electromagnéticos (a diferencia de CRTs). Figura 15. Monitor de Tubo de Rayos Catódicos Figura 16. Despliegue Típico de Pantalla Plana, vista Frontal y vista Lateral Sección de Electrónica Existen dos tipos de tecnologías de pantallas planas a color: Las pantallas a color LCD son actualmente las más económicas, pero tienen un ángulo de vista relativamente limitado y son menos luminosas. Pantallas a color de transistor de película delgada de Matriz Activa o TFT son más costosas que la tecnología LCD o CRT, pero las pantallas TFT son muy brillantes y agradables a la vista. La sección de electrónica contiene el cerebro del panel de video control. Almacena información de configuración, entradas de operador de procesos y comunica con PLC(s) y red de campo. El módulo de electrónica es esencialmente una computadora que contiene un procesador, RAM, un almacenamiento no volátil y capacidad de entrada/salida tanto para el operador como para el controlador. Los módulos de electrónica pueden ser de diseño propio o abierto. Las unidades propias tienen típicamente la ventaja de un precio menor puesto que son diseñadas para uso dedicado como interface de operador. Los diseños abiertos se basan típicamente en una arquitectura de PC Intel, permitiendo el uso de hardware y software de venta generalizada para ampliar las capacidades de los paneles de video control. Los sistemas abiertos actuales son Página 16

17 Metodología de Entrada de Operador Gráficos y Cómo están relacionados con Datos? típicamente un poco más costosos que los diseños propios; sin embargo esto está cambiando rápidamente. La metodología de Entrada de Operador ofrece a los operadores la capacidad de hacer entradas a través de una tecnología adecuada para su entorno, así como adecuada para el tipo y la complejidad de información que tienen que ingresar. Algunos ejemplos de estas técnicas que permiten ingresar datos en el sistema incluyen: Pantallas Touch Screen - Los operadores hacen selecciones en la pantalla touch screen tocando la pantalla con un dedo. Las pantallas touch screen detectan la acción de los dedos mediante la detección de presión o cambios en la capacitancia eléctrica. Kioskos de información son ejemplos comunes de pantallas touch screen. A continuación se presenta una lista de varias formas de pantallas touch screen: Pantallas Touch Screen Resistivas representan la tecnología más popular en uso en entornos industriales, debido a que responden a activación con dedo, estilete, guante, o bien borde de tarjeta de crédito. Pantallas Touch Screen Capacitivas no son muy adecuadas para el entorno industrial puesto que no pueden ser calibradas simultáneamente para funcionar con dedo, guante o bien otro objeto. Pantallas Touch Screen Infrarrojas reaccionan diferentemente cuando son tocadas con uña o dedo, y pueden reaccionar antes de que se toque realmente la pantalla. Pantalla Touch Screen Digitales tienen ubicaciones de conmutador discretas grabadas en la película de poliéster con un número predefinido de conmutadores. Los Teclados son dispositivos de entrada que, al activarse, registran una entrada individual. Las teclas de Tipo Membrana están cubiertas por una envoltura de plástico transparente. Las teclas tienen muy poco movimiento, pero son sensibles a la presión aplicada. Las teclas de membrana están selladas para proteger los componentes de circuito contra manchas de polvo. Cojines para Ratones son dispositivos para apuntar con dos sensores de rastreo X, Y internos que traducen la posición del ratón a la pantalla a través de un Cursor. La mayoría de productos de HMI electrónicas hoy en día ofrecen paquetes de software basados en Windows con los cuales los usuarios pueden crear imágenes en pantalla, y después relacionar las imágenes con datos disponibles en un PLC o bien a través de una red. Las imágenes son frecuentemente representaciones de herramientas, por ejemplo iconos, plantillas o símbolos. Página 17

18 Figura 17. Editor Típico basado en Windows para su uso con un Dispositivo de HMI Electrónica Frecuentemente, algún tipo de hoja de cálculo o cuadro de diálogo permite a los desarrolladores relacionar las imágenes en la pantalla u objetos con los datos. En algunos paquetes de software, se puede hacer referencia directamente a direcciones de red o PLC. Figura 18. Software que presenta capacidad de Referencia Directa como DeviceNet En otros paquetes, los desarrolladores tienen la posibilidad de crear Nombres de Etiqueta, que pueden emplearse como referencia a una dirección real de PLC o punto de datos. En la Figura 18, el icono relaciona un nombre de etiqueta, que es asociada a un software, con un punto de procesamiento específico. Página 18

19 Figura 19. Software que presente Nombres de Etiqueta Cómo las direcciones, puntos de datos y nombres de etiqueta comunican entre ellos y con el programa central? Típicamente, el desarrollador crea las imágenes y los enlaces deseados utilizando el software en un entorno de PC basado en Windows. La información es condensada por el software en un archivo transportable que es descargado en la plataforma de hardware de la HMI, en general utilizando un cable con una transferencia serial. El software soporta típicamente otras tareas de mantenimiento necesarias. Estas tareas incluyen la descarga de nuevo software executive (que contiene las características básicas o funciones) a la HMI y descargar nuevo software de comunicaciones (para soportar la conexión con PLCs o redes diferentes). Página 19

20 Comunicación con PLCs, Redes, y otros Sistemas de Automatización en Planta Una interface proporciona un medio para transferir datos. La mayoría de todas las interfaces con PLCs, redes y otros sistemas de automatizaciones en plantas emplean la transferencia serial de datos. La transferencia serial de datos incluye un maestro y por lo menos uno o varios esclavos. Una vez establecida la conexión, los datos son transferidos en forma de una serie de bits (1s y 0s). Los PLCs iniciales incorporaban el Sistema Bell de transferencia de datos serial mediante la incorporación de la interface de RS232 en plataforma de hardware. Conforme la necesidad de transferencia de datos seriales siguió creciendo, se desarrollaron nuevas interfaces para permitir la comunicación sobre distancias más grandes (20 MA, RS422) y finalmente para permitir que varios emisores y receptores ocuparan el mismo alambre físico (RS485, Propio). A finales de 1980, se desarrollaron altas velocidades para permitir la transferencia de datos seriales a velocidades mayores y para permitir la conexión de un mayor número de dispositivos en el mismo alambre físico. Estos puntos resumen las técnicas generales para conectar un dispositivo con HMI a otro equipo: Comunicación Serial (RS232, RS422, RS485) con otro dispositivo, típicamente un PLC. Estas formas de comunicaciones son más lentas, pero generalmente disponibles. La mayoría de los dispositivos individuales pueden conectarse entre ellos a través de puertos seriales. Figura 20. Comunicación Serial Comunicación propia de Alta Velocidad con redes de PLC propias (por ejemplo, DH+, Genius I/O, Modbus). Protocolos de comunicación que ofrecen transmisión de alta velocidad, pero requieren que todos los dispositivos conectados lean y transmitan su software. Sistemas críticos para la misión pueden requerir de esta velocidad de transmisión y pueden preferir la seguridad ofrecida por los sistemas propios. Página 20

21 Figura 21. Comunicación propia de Alta Velocidad La comunicación con otras redes (DeviceNet, Profibus) incluyen redes industriales de capas múltiples tales como Ethernet-Controlnet-DeviceNet o Ethernet-Profibus, DeviceBus, Fieldbus, Ethernet. Son redes de comunicación de volúmenes más altos que unen a través de una serie de compuertas o formas estandarizadas de intercambio de información. Esto permite que redes casi propias exporten datos a una red de campo amplio. Los Sistemas de control de edificios utilizan estos tipos de redes. Figura 22. Comunicación con Otras Redes Página 21

22 Repaso 2 Conteste las preguntas siguientes sin hacer referencia al material que se le acaba de presentar. Empiece la sección siguiente cuando esté seguro que haya entendido lo que ya leyó. 1. Cuál es la diferencia entre el software utilizado para sistemas de plataforma abierta y sistemas propios? 2. Cuál de los siguientes NO es un beneficio de la utilización de una HMI Electrónica? A. Participación y control reducido del operador B. Calidad mejorada de productos a través de un monitoreo más preciso de los procesos C. Tiempo muerto reducido a través de diagnósticos más rápidos D. Menos chatarra 3. Viendo solamente la imagen abajo, porqué podría usted sospechar que no se trata de un producto de HMI simple, con una pantalla monocromática? Razón: 4. Un trabajador toca una pantalla con un guante. Otro trabajador se acerca a la misma pantalla y la toca con el extremo de borrador de un lápiz. Un tercer trabajador utiliza el dedo para hacer un cambio. La pantalla touch screen es resistiva o capacitiva? 5. Relacione el nombre del tipo de comunicación con la expresión que resume la ventaja de este método. 1. Red A. Protocolo de comunicación estándar, ampliamente disponible. Utiliza frecuentemente RS Serial B. Puentea múltiples capas de información a través de compuertas. Puede exportar datos. 3. Propio de Alta Velocidad C. Nivel más rápido de respuesta de control combinado con niveles más elevados de seguridad de datos. Página 22

23 Herramientas y Métodos Comunes de HMI Electrónica Iconos, Símbolos, Plantillas Arriba comentamos como los operadores ingresan físicamente la información. Ahora veremos los tipos de información que ingresan los operadores y las herramientas de las cuales dispone la HMI electrónica para facilitar la entrada de datos y proporcionar la mejor información al operador. Los iconos y símbolos simulan visualmente el equipo y dispositivos en el campo, ayudando a los operadores a identificar inmediatamente la fuente de los datos. Se llevan a cabo las mismas tareas, solamente que se efectúan en software en vez de efectuarse a través de un grupo de dispositivos mecánicos cableados juntos. Se puede iniciar la acción de control oprimiendo el botón de control en pantalla. Figura 23. Un Operador selecciona Iconos y Plantillas a través de una Pantalla Touch Screen Las plantillas son iconos en la pantalla que replican un tipo de tareas específicas que solían requerir de varios dispositivos convencionales para llevarse a cabo. Figura 24. Esta Plantilla indicadora presenta el estado del Dispositivo, por ejemplo Encendido, Apagado, y Falla. Reemplaza hasta cinco Luces Indicadoras Convencionales Página 23

24 Figura 25. Esta Plantilla de Lectura, presenta en forma decimal, un Valor Primario y Puntos Opcionales o Valores Secundarios del PLC. Reemplaza Lecturas Digitales y Numéricas Convencionales Efectos de Color, Parpadeo, Animación Características Avanzadas Entrada con Botón Pulsador y Entrada Numérica El uso de color y animación permite al software replicar en la pantalla el proceso dinámico de la tarea real. Después de crear imágenes, o bien importándolas a partir de paquetes de CAD o bien software de otros terceros), el software puede resaltar el movimiento, velocidad y dirección del proceso. Una vez que tiene las imágenes, usted puede utilizarlas y copiarlas para varios propósitos. Efectos especiales, como por ejemplo parpadeo, pueden diferenciar entre niveles de severidad de condiciones de fallas. Una HMI Electrónica puede compilar, clasificar y desplegar patrones complicados de datos. La determinación de tendencia es un ejemplo en el cual el software registra la velocidad de cambio en el proceso y elabora acciones predictivas con base en la probabilidad de ocurrencia. Un programa de Módulo de Acceso de Temporizador Contador (TCAM) permite al usuario ver en el proceso y cambiar el programa (por ejemplo, seleccionar direcciones) sin tener que llamar a un programador. Aún cuando los operadores pueden oprimir botones en la pantalla para recrear en software lo que solían hacer a través de botones pulsadores alambrados, pueden también requerir de ingresar datos numéricos. Pueden hacerlo ya sea a partir de un teclado numérico o bien directamente en la pantalla. En la imagen siguiente, el dedo del usuario está seleccionando plantillas e ingresando puntos establecidos utilizando las teclas de membrana fuera de pantalla. Figura 26. Un Operador utiliza Botones Pulsadores y Teclado Fuera de Pantalla Página 24

25 Cálculos Matemáticos y Sub-rutinas Referencia a Nombre de Etiqueta Una de las ventajas de una interface electrónica moderna de operador es su capacidad de cómputo. La mayoría de las aplicaciones de HMI permiten al usuario configurar operaciones matemáticas automáticas con base en las condiciones monitoreadas. Una aplicación típica es para ampliar a escala o convertir datos, por ejemplo, de grados Celsius a Fahrenheit. Operaciones más complejas tales como multiplicación, división, operaciones de Boole, y muchas otras funciones matemáticas pueden ser aplicadas automáticamente a datos entrantes o ingresados por el operador. Esta capacidad de cómputo de las HMI electrónicas descargan efectivamente estas tareas del PLC, lo que significa que se requiere de menos procesamiento y memoria de PLC para una aplicación dada. La memoria de PLC es notoriamente costosa, lo que significa que la HMI electrónica puede ahorrar el dinero del usuario. Las etiquetas son nombres que representan datos de entrada/salida específicos mapeados a un dispositivo particular en el sistema. Un ejemplo de un nombre de etiqueta puede ser Retraer Solenoide, mientras que su información de datos puede ser Output_21_2. El nombre de etiqueta puede ser utilizado en programación (en lugar del dato mismo). Esto facilita la creación, lectura y detección de errores en los programas. Abajo se presenta una imagen de software que aplica nombres de etiqueta a un punto de datos. Figura 27. Nombre de Etiqueta aplicado a un Dispositivo que utiliza Software Carga y Descarga de Aplicaciones Aplicaciones diseñadas para funcionar en un panel de video control son típicamente configuradas en una PC estándar de escritorio o de tipo laptop. Una vez configurada la aplicación, se requiere de algún mecanismo para descargarla en el panel de video control. El método más común para transferir una aplicación a la HMI o a partir de la HMI es a través de puertos seriales estándares en la PC y HMI. La transferencia es iniciada de manera muy similar a una conexión módem típica. Otros métodos opcionales de transferencia de aplicación incluyen comunicaciones en redes propias de alta velocidad (por ejemplo, AB Data Highway Plus, Modicon Modbus Plus, etc.) o bien en redes de PC estándares (Ethernet) para abrir unidades de HMI de plataforma. Página 25

26 Lógica de Boole y sus Aplicaciones Paquetes de Software de HMI que funcionan en Equipo de PC Precio y Rangos de Desempeño para Productos Actuales con HMI Electrónica La Lógica de Boole es un método para probar resultados deseados o estados, combinando datos, utilizando operadores matemáticos tales como Y, O y NO. La lógica de Boole es frecuentemente utilizada en PLCs para comparar datos ingresados con el objeto de generar salidas. El diseño de software de HMI para funcionar en hardware de PC proporciona ganancias significativas en cuanto a estandarización y disponibilidad, así como costos menores debido al desarrollo masivo mundial. Existen algunos otros beneficios no tan evidentes: Puesto que la automatización considera niveles cada vez mayores de control, la necesidad de efectuar tareas múltiples y respuestas en tiempo real crece también. Los microprocesadores de PC y sistemas operativos han evolucionado rápidamente para manejar proyectos de tareas múltiples. Los modelos de programación desarrollan capacidades avanzas en la plataforma de PC, por ejemplo recuperación de datos, determinación de tendencias y simulación de procesos. Los programas de PC pueden analizar e intercambiar datos con otros procesos de software que funcionan en el entorno de PC. Esto es posible a través de la adherencia a bibliotecas y códigos de programación estandarizados como por ejemplo Dynamic Link Library (DLL) y Dynamic Data Exchange and Networked DDE (DDE/NetDDE). Existe una gama extremadamente amplia de precios y desempeños disponibles hoy en día en el mercado de paneles de video control. En el extremo más bajo, se pueden comprar pantallas muy simples que presentan mensajes de texto solamente a un precio de $399 USD. Se puede comprar también pantallas con mayor capacidad de presentación de mensajes. La HMI completa solamente para textos empieza a un precio de aproximadamente $400 USD, hasta $1,595 USD. La HMI con capacidad para manejar textos/gráficas empieza a un precio de aproximadamente $799 USD hasta aproximadamente $9,845 USD. Capacidades matemáticas amplias empiezan a aproximadamente $1,000 USD hasta $1,500 USD Modelos para Gráficas VGA completos (escala de grises) empiezan a un precio de aproximadamente $995 USD. Modelos VGA a todo Color, de LCD o bien de matriz activa (TFT/Matriz Activa) VGA y SVGA, con rangos de presentación de 7.7 a 14, varían de $1,595 USD a más de $9,845 USD para pantallas de LCD muy grandes. Modelos de paneles de video control de plataforma abierta (con software) empiezan a $6,000 USD y más, según el tamaño de la pantalla, así como el número de opciones de PC y capacidad requerida para la aplicación. Página 26

27 Repaso 3 Conteste las preguntas siguientes sin referirse al material que se le acaba de presentar. 1. Las plantillas son iconos en la pantalla que replican un grupo de tareas específicas que solían requerir de varios dispositivos convencionales para llevarse a cabo. Identifique una plantilla en la pantalla abajo y describa qué dispositivos cableados podrían reemplazar. PLANTILLA: REEMPLAZOS: 2. Una forma lógica que reduce o compara resultados a través de operaciones tales como comandos Y, O, y NO se conoce como lógica. 3. Coloque en orden secuencial las características de HMI que incrementarían su precio: Capacidades matemáticas extensas Despliegues de Matriz Activa con pantallas touch screen Pantallas de mensaje de texto Pantallas a todo color de doble exploración 4. Cuál es la fuerza que impulsa los precios hacia abajo y las capacidades hacia arriba de software de HMI que funciona en hardware de PC? Página 27

28 Glosario Lógica de Boole CRT Cursor DDE/NetDDE LCD Ethernet Pantalla Plana, Panel Plano HMI E/S LCD Un método para probar resultados deseados o estados mediante la combinación de datos, utilizando operadores tales como Y, O y NO. La lógica de Boole es frecuentemente utilizada en PLCs para comparar datos ingresados con el objeto de generar salidas. Abreviatura en inglés de Tubo de Rayos Catódicos o monitor. Ha sido la tecnología de presentación dominante hasta finales de 1990, cuando la tecnología de panel plano comenzó a reemplazar los CRTs. Un indicador visual o dispositivo de visualización para llamar la atención del operador hacia un punto particular en la pantalla. Los cursores pueden tomar varias formas, desde subrayados de texto hasta sombreado de fondo, hasta cuadros. Dynamic Data Exchange (Networked DDE) [Intercambio Dinámico de Datos (DDE en red)]. Es un protocolo de software muy similar a un protocolo de PLC, diseñado para transferir bytes individuales de datos entre programas diferentes ya sea en la misma computadora (DDE), o bien a través de una red (NetDDE). Un tipo de despliegue en panel plano, de cristal líquido, a color. Los despliegues de doble exploración son bastante económicos, pero tienen una luminosidad y un ángulo de visión relativamente limitados. Ethernet es un protocolo de red de área local que utiliza una conexión física de bus y soporta transferencia de datos a 10/100 Mbps. El medio físico consiste de varios tipos de cables de cobre según la distancia de red requerida. Ethernet utiliza el método de Acceso Múltiple de Sentido de Portadora con Detección de Colisión (CSMA/CD) para manejar demandas simultáneas. Es uno de los estándares de red de área local más comúnmente implementado. Un nombre genérico para varios tipos de tecnologías de presentación planas y poco profundas. Abreviatura para interface Ser Humano - Máquina. Es una abreviatura para una categoría indistintamente definida de panel de video control electrónica que proporciona normalmente alta capacidad y características avanzadas. Abreviatura para el concepto de entrada y salida, como en las categorías de dispositivos manejados por PLCs y otros tipos de equipo de control. Abreviatura para despliegue de cristal líquido, un tipo de tecnología de despliegue retroiluminado. Despliegues de tipo LCD están disponibles a color, monocromáticos en escala de grises, pero todas las variedades tienen limitaciones en cuanto a luminosidad y ángulo de vista. Página 28

29 MMI Valores Nominales de NEMA Objeto Pixel PLC Paneles de Video Control Abreviatura para interface hombre-máquina. Esta abreviatura temprana para tecnología que proporciona un enlace de control y monitoreo entre seres humanos y máquinas u operaciones en planta ha sido reemplazada más recientemente por el término panel de video control o bien HMI. Abreviatura para National Equipment Manufacturer s Association. Los valores nominales de NEMA se refieren a una asignación numérica para maquinaria o equipo, que corresponde a un grupo bien definido de habilidades para resistir a condiciones ambientales. Un elemento visual en un despliegue gráfico almacenado y manipulado independientemente de otros objetos gráficos. En comparación a imágenes de mapas de bits, los objetos: requieren de una cantidad relativamente pequeña de memoria para almacenamiento pueden ser fácilmente editados pueden ser colocados visualmente en capas uno sobre el otro para producir imágenes más complejas y más útiles Abreviatura para elemento de imagen. Un pixel es el elemento más pequeño controlable que puede ser utilizable para formar imágenes visuales en una pantalla. Abreviatura para controlador lógico programable. El PLC es la herramienta dominante para el control de planta, monitoreo, y secuenciamiento de eventos que involucran dispositivos de entrada y dispositivos de salida. SVGA Super Matriz Gráfica de Video, un sistema de despliegue diseñado para ofrecer una mayor resolución que el sistema VGA estándar. Existen varios tipos de SVGA: 800 pixeles por 600 pixeles; 1024 por 728; 1280 por 1024, y 1600 por Todos los estándares SVGA soportan 16 millones de colores pero el número de colores desplegados simultáneamente es limitado por la memoria del sistema de cómputo. Nombres de Etiqueta Se refiere a cualquier nombre utilizado para representar un punto de dato en software de control o panel de video control. Esto permite la asignación de etiquetas significativas para datos. TFT/Matriz Activa Abreviatura de Transistor de Película Delgada - Un tipo de tecnología de despliegue a color de panel plano que, aún cuando relativamente costosa, presenta buena luminosidad y ángulo de vista. Página 29

30 Plantilla Pantallas Touch Screen VGA XGA Una herramienta visual estandarizada en pantalla utilizada en algunos dispositivos de HMI para efectuar la misma función que un tipo de dispositivo de panel de control alambrado. Por ejemplo, un templado de lectura en una pantalla de HMI puede desplegar información numérica de la misma manera que un medidor o dispositivo de lectura numérico dedicado. Se refiere a la tecnología que permite a un operador efectuar una selección en una pantalla de despliegue tocando la pantalla con un dedo. Las pantallas touch screen detectan en general la presencia del dedo mediante la detección de la presión o cambios en cuanto a capacitancia eléctrica. Matriz Gráfica de Video, un sistema de despliegue de gráficas desarrollado por IBM para computadoras personales. VGA ha sido de hecho uno de los estándares para despliegues en PC, proporcionando una resolución de 720 pixeles por 400 pixeles. En modo de gráfica, la resolución es ya sea 640 por 480 a 16 colores o bien 320 por 200 a 256 colores. Matriz Gráfica de Video Extendida. Los sistemas de despliegue XGA proporcionan una resolución dentro de un rango de 640 pixeles por 480 pixeles a 1024 por 768, todos con 65,000 colores simultáneamente. Página 30

31 Respuestas del Repaso 1 Respuestas del Repaso 2 Respuestas del Repaso 3 1. La respuesta debe decir básicamente: Números excesivos de dispositivos de despliegue y entrada alambrados ensamblados en paneles de video control. 2. Verdadero 3. Tres de los siguientes: control (arranque/parada) entrada numérica monitoreo y despliegue de estado respuesta a alarmas respuesta a mensajes suministrar diagnóstico y soporte para corrección de errores. interpretación de despliegue más avanzado de información 4. La respuesta debe decir básicamente: Reduce la cantidad de programación de PLC dedicada puesto que la HMI electrónica asume algunas de las responsabilidades de cálculos numéricos, comparaciones lógicas, monitoreo de alarmas, etc. 5. Dos de los siguientes: plantillas - iconos - símbolos 6. Contenido, distribución 1. La respuesta debe decir básicamente: El diseño propio presenta tanto software como hardware único para la marca particular de HMI. El diseño de plataforma abierta presenta un software que es único, pero que funciona típicamente en una plataforma de computadora personal basado en Windows 2. A 3. La respuesta debe decir básicamente: Si se tratara de una pantalla monocromática, podría contener solamente texto o bien gráficas muy sencillas; en otras palabras, la forma sofisticada de despliegue sugiere que se trata de una pantalla a color. 4. Resistiva 5. 1B, 2A, 3C 1. Plantilla: Circule ENCENDIDO, APAGADO, ó 5. Reemplace: La plantilla encendido y apagado reemplaza luces indicadoras; el 5 reemplaza lecturas digitales 2. de Boole 3. Despliegues de mensajes de texto Capacidades matemáticas extensas Despliegues de doble exploración a todo color Despliegues de matriz activa con pantallas touch screen 4. La respuesta debe decir básicamente: Ganancias importantes en estandarización y disponibilidad, así como costos reducidos por desarrollo masivo. Página 31