Diseño de Interfase Virtual para reemplazo de HMI industrial mediante el uso de OPC Server s y Visual C#

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1 Octavo Coloquio Interdisciplinario de Posgrado 2015 Universidad Popular Autónoma del Estado de Puebla Diseño de Interfase Virtual para reemplazo de HMI industrial mediante el uso de OPC Server s y Visual C# Mayorquín Robles Jesús 1, Medina Muñoz Luis Arturo 2, Villalvazo Laureano Efraín 1 1 Universidad Popular Autónoma de Puebla 21 Sur 1103 Barrio Santiago Puebla, México C.P Universidad Tecnológica de Nogales Av. Universidad 271 Col. Universitaria Nogales, Son. CP ing.mayo@hotmail.com, lmedina@utnogales.edu.mx, efrainhazur@hotmail.com Resumen El presente trabajo describe el procedimiento, implementación y obtención de resultados de un proyecto basado en una interfase virtual diseñada en el ambiente de programación de Visual C#, un controlador lógico programable, PLC, utilizando protocolos de comunicación de Ethernet o seriales enlazados entre sí mediante el uso del software OPC Server de Kepware. El PLC como elemento central de un sistema de control automático, contiene registros internos los cuales guardan la información digital o analógica que se lee de los elementos sensores o que se genera internamente por acción de un programa. Estos registros pueden ser accesados y mostrados en los objetos que sirven de indicadores de Visual C# mediante la configuración adecuada de los parámetros de comunicación en el OPC Server. Esta información sirve para que de manera visual el usuario pueda monitorear, determinar una posible falla en algún elemento sensor o actuador del sistema automático sin necesidad de estar presente en el lugar donde el proceso se esté desarrollando o el desarrollo de reportes del sistema productivo en tiempo real. Palabras Clave Interfase Virtual, PLC, OPC Server, sensor, actuador, sistema automático. 1. Introducción Visual C# es un lenguaje de programación orientado a objetos desarrollado y estandarizado por Microsoft como parte de su plataforma.net, que después fue aprobado como un estándar por la ECMA (ECMA-334) e ISO (ISO/IEC 23270). C# es uno de los lenguajes de programación diseñados para la infraestructura de lenguaje común. Su sintaxis básica deriva de C/C++ y utiliza el modelo de objetos de la plataforma.net, similar al de Java, aunque incluye mejoras derivadas de otros lenguajes. El nombre C Sharp fue inspirado por la notación musical, donde '#' (sostenido, en inglés sharp) indica que la nota (C es la nota do en inglés) es un semitono más alta, sugiriendo que C# es superior a C/C++. Aunque C# forma parte de la plataforma.net, ésta es una API, mientras que C# es un lenguaje de programación independiente diseñado para generar programas sobre dicha plataforma. Microsoft, [1] En la actualidad las empresas de manufacturación de software y equipos; que realizan el control, adquisición y monitoreo de datos, se han convertido en los proveedores de tecnología, para ello utilizan estándares industriales que permiten la integración de diversos fabricantes para realizar complejos sistemas de adquisición de datos y control por supervisión llamados SCADA. Los sistemas SCADA están constituidos principalmente por sistemas de comunicación de datos entre dispositivos, protocolos de comunicación, servidores de datos OPC y otros, por lo tanto, estos sistemas se convierten en el pilar del control por supervisión de la información. La adquisición de tecnología capaz de implementar un sistema SCADA de cualquier tipo de proceso obliga al consumidor a utilizar costosos productos, PLC s, controladores, software servidores de datos y HMI, los mismos que sólo permiten ser modificados por el usuario final bajo ciertas condiciones, además de requerir las asesorías para cada uno de los fabricantes de los diferentes componentes del sistema SCADA. Un autómata programable industrial, API o 1

2 Programable logic controller, PLC, es un equipo electrónico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales. Un PLC trabaja en base a la información recibida por los elementos sensores y un programa lógico interno, lo cual resulta en una acción sobre los elementos actuadores. El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. [2]. El problema histórico ha sido que los datos de diferentes sistemas tienen diferentes formatos y protocolos de comunicación. Esto ocurre, por ejemplo, cuando dispositivos son conectados a un sistema PC basado en un sistema SCADA o DCS. Claramente el desarrollo realizado por los fabricantes de software al crear drivers únicos para cada tipo diferente de equipo de control, no solo llevó a una duplicación de esfuerzos, sino que añade inherentemente riesgos adicionales a la consecución con éxito y a tiempo de un proyecto como así también el desarrollo de nuevo hardware. Es por estas razones, por lo que cinco empresas Intellution, Opto-22, Fisher-Rosemount, Rockwell Software e Intuitiv Software, junto a Microsoft, decidieron trabajar juntas para eliminar estas barreras de comunicación y definieron las interfaces basadas en OLE/COM, Object Linking and Embedding/Common Object Model, que sentó las bases para OPC, Ole Process Control. OPC es un mecanismo estándar de comunicación, interconecta en forma libre numerosas fuentes de datos, donde se incluyen dispositivos de planta en la fábrica,plc s, Variadores de Frecuencia, etc., o un banco de datos en un cuarto de control, Dispositivos entrada/salida. [3]. El presente trabajo tiene la finalidad de formar una red con dispositivos de control de uso industrial los cuales mínimamente cuentan con un puerto serial de comunicaciones RS232 o de ethernet, de tal manera que, estos puedan enviar y recibir información mediante estaciones de monitoreo remoto, como PC`s, laptop, tablets y Smartphone, con la intención de: 1. Conocer en todo momento el comportamiento de determinado proceso industrial, como puede ser, por ejemplo, la producción diaria o parcial. 2. Hacer cambios de configuración para diferentes modelos de producción sin necesidad de estar presente en proceso. 3. Verificar tiempos caídos por efectos de mantenimiento preventivo y correctivo. 4. Tener información visual disponible para el momento de informar a la alta gerencia. II. Metodología Primeramente, se implementa una red Ethernet, utilizando para ello el PLC Micrologix 1100 el cual tiene dos canales de comunicación, el primero, es un puerto de comunicación RS-232/485, identificado como el canal 0, y un puerto de comunicaciones de Ethernet, llamado canal 1, como lo muestra la figura 1. Figura 1: Distribución de puertos en el PLC 1100 El puerto de comunicaciones de Ethernet, canal 1, permite conectar al PLC en una red de área local utilizando solamente un cable con conectores RJ-45 en sus extremos, no es necesario ningún tipo de adaptador especial, como el uso de la interfase de red 1761-NET-ENI o 1761-NET-ENIW. El puerto Ethernet del controlador lógico Micrologix 1100, está conformado en base al estándar ISO/IEC el cual permite conectar mediante un cable 2

3 de par trenzado de 8 hilos el puerto de Ethernet a un HUB o SWITCH, una topología típica de una red se muestra en la figura 2. HUB o SWITCH Hacia tarjeta de red en la PC Hacia puerto 1 del PLC Micrologix 1100 Figura 2: Topología típica de una red Hay dos formas básicas de configurar el canal 1 de Ethernet de un PLC Micrologix Vía BOOTP y/o peticiones a un DHCP al encender el PLC. BOOTP son las siglas de Bootstrap Protocol. Es un protocolo de red UDP utilizado por los clientes de red para obtener su dirección IP automáticamente. Normalmente se realiza en el proceso de arranque de las computadoras o del sistema operativo. DHCP, Dynamic Host Configuration Protocol, el cual es del tipo de configuración dinámica, es un protocolo de red que permite a los clientes de una red IP obtener sus parámetros de configuración automáticamente. Se trata de un protocolo de tipo cliente/servidor en el que generalmente un servidor posee una lista de direcciones IP dinámicas y las va asignando a los clientes conforme éstas van estando libres, sabiendo en todo momento quién ha estado en posesión de esa IP, cuánto tiempo la ha tenido y a quién se la ha asignado después.los pasos a seguir en el proceso de asignación de IP s para establecer una red Ethernet con PLC del tipo Micrologix 1100 son los siguientes: 1. Primero se le debe asignar una IP fija al equipo que hará la función de servidor BOOTP/DHCP. La Dirección IP para este ejemplo será , mascara de Subred Ver figura 3. Figura 3: Asignación de IP para servidor con protocolo BOOTP/DHCP 2. El segundo paso es abrir el BOOTP-DHCP versión 2.3, el cual es un servidor que viene con la instalación del software que es provisto por Rockwell Automation. Se selecciona la pestaña correspondiente a herramientas, Tools, luego en Network Settings, para declarar la máscara de la subred y Gateway que es la IP de nuestra computadora, finalmente presionar el botón de OK, como lo muestra la figura 4. 3

4 Figura 4: Configuración de la red mediante BOOTP-DHCP 3. Mediante la implementación del paso 2, el servidor BOOTP/DHCP ya está listo para escuchar peticiones de los equipos conectados en red. Cuando se encienda el PLC, en su rutina de inicio buscará si existe algún servidor DHCP en la red local, si es así, hará una petición por medio del protocolo BOOT, la cual podremos ver en la figura 5 y quedará registrada en la opción de request history. Figura 5: Historial de peticiones de red 4. Seleccione el dispositivo de la lista de Request History, como lo muestra la figura 6, y de click en la opción add to relation list. Asigne el IP que desee, de preferencia en el rango de su red local, ejemplo , por ultimo presione OK Figura 6: Asignación de IP al PLC 5. Esperar el tiempo necesario y suficiente para que el PLC tome la IP correctamente. Lo siguiente es abrir CMD para realizar una prueba. Escriba el comando ping y presione la tecla de enter, deberá obtener respuesta del PLC 6. Por último, seleccionar la opción disable BOOTP/DHCP, para evitar que el PLC haga peticiones de IP al servidor, para que el PLC pueda mantener la IP asignada previamente mediante el servidor DHCP. 4

5 Figura 7: Deshabilitación del servidor DHCP Algoritmo para programación del PLC El diagrama mostrado en la figura 8 nos indica el modo secuencial y combinacional del proceso automatizado llamado Sistema de llenado semiautomático de cajas, programado en el PLC. Cada uno de los estados, indicados por círculos, muestra la manera de como estarían activándose y apagándose cada uno de los actuadores, motores, válvulas electroneumáticas. Las flechas indican el proceso de secuencia en base a la señal activa, en su momento, para llevarnos de un punto a otro definido en el diagrama, y ejecutado por la activación de los elementos sensores y las funciones de tiempo indicadas en cada una de las flechas. M2 Estado 2 Temporizador 1 Vllenado Sensor 1 Motor1 = off Vllenado = on Sensor 2 Vllenado = off Motor2 = on Sensor 3 Estado 3 Inicio M1 Motor1 = on Motor2 = off Estado 1 Temporizador 2 Figura 8: Diagrama de estados de máquina llenadora Interfase Hombre Maquina Las Interfases Hombre Máquina, HMI, son herramientas virtuales que sustituyen el modo de ejercer el control tradicional, basado en la construcción de un panel de control con botones y perillas, con accionamiento mecánicos, y de lámparas indicadoras del momento en el cual se encuentra el proceso automático. Obviamente, esto representa algunas ventajas en cuanto al mantenimiento necesario para tener estos sistemas trabajando dentro de normas aceptables y que llegado el momento afecten lo menos posible por paros inesperados el proceso de producción automático, como se indica en la figura 9. 5

6 Figura 9: Interfase Hombre Maquina virtual en visual c# Configuración del OPC Server Kepserver es un herramienta de software, cuya función es ser un servidor o un medio mediante el cual los datos pueden ser enviados y recibidos entre la interfase basada en Visual C# y el PLC utilizado. La configuración implica crear un canal con el protocolo de comunicación adecuado para establecer el flujo de datos entre el PLC y el programa diseñado en la computadora, similar a lo que se observa en la figura 10. Figura 10: Selección del protocolo de comunicaciones Posteriormente hay que agregar el componente en visual C# ClientAce, que es una herramienta con una interfase drag-and-drop con la cual fácil y rápidamente podemos relacionar las propiedades de los objetos en Visual CSharp con los elementos creados en el OPC de Kepserver, figura 11. Es posible programar en una interfase para.net con una serie de instrucciones o podemos utilizar la interfase DA JUNCTION el cual es un componente localizado en la ventana de herramientas que facilita a los programadores el desarrollo de aplicaciones con OPC SERVER. Solamente es necesario localizarlo en la ventana de herramienta y arrastrarlo hacia la aplicación en C Sharp, como lo muestra la figura 11. 6

7 Figura 11: Control de ClientAce en CSharp La figura 12, nos muestra en la ventana superior izquierda los elementos creados desde el OPC Server e identificados por un nombre asignado que hace referencia a la función que desempeñan. En la parte superior derecha aparecen los nombres de los objetos usados en la aplicación de Visual C Sharp y a los cuales se les relaciona con al menos un elemento de los que se crean en el OPC server. En la parte inferior se muestra la información necesaria con respecto a la relación existen entre los elementos del OPC y los objetos en C Sharp, como es la comunicación entre estos elementos, ya sea desde el objeto hacia el elemento en el OPC o viceversa, la propiedad que se va a modificar cuando se presente un cambio en la información de los elementos de ambos lados y por último el evento del objeto que modificará la información en los elementos del OPC y los objetos en Visual C Sharp. Es muy importante observar que la comunicación esté correcta, indicado con un color verde a la izquierda de la ventana inferior de esta interfase. Una señalización en este punto de color rojo indica que la relación y configuración hecha no es la correcta. Si todo está de manera correcta hay que seleccionar la opción de aplicar los cambios y aceptarlos, en los botones correspondientes y automáticamente tendremos establecida la comunicación. Figura 12: Ventana de configuración de ClientAce 7

8 III. Resultados El programa realizado para el PLC de la serie Micrologix 1100 de Allen Bradley se hizo en un formato de diagramas de escalera siguiendo el proceso indicado por el algoritmo basado en diagramas de estados explicado en el subcapítulo 5.2. La figura 5.16 muestra el diagrama de escalera descargado en el PLC. En este diagrama, lo que en el algoritmo basado en estados mostraba para cada uno, es representado mediante un bit mapeado a una unidad de memoria direccionada como el registro B3:0/0, B3:0/1, B3:0/2. Estos primeros 3 renglones representan la parte secuencial del algoritmo. La parte combinacional está formada por los renglones donde aparecen las bobinas binarias, también, y direccionadas al registro de salidas mediante la anotación O:0/0, O:0/1, O:0/2, donde estarían conectadas los contactores para activar los motores y el relevador para energizar a la electroválvula neumática. También se muestra la utilización de 2 temporizadores mapeados a la dirección de memoria T4:0 y T4:1, desde donde es posible utilizar sus bits más representativos direccionados como T4:0/EN que indica que el temporizador ha iniciado su cuenta. T4:0/DN cuyo bit es activado en el momento que el temporizador ha finalizado con el tiempo programado. Finalmente se ha utilizado una dirección de memoria donde se ha mapeado un contador y definido por C5:0 para poder llevar el control de las piezas producidas. Se ha agregado un bit de reinicio del mismo contador para que el operador esté en libertad de reiniciar la cuenta de piezas cuando la producción asi lo exija. La figura 13 muestra la interfase virtual diseñada para el control automático y manual del sistema propuesto en el algoritmo del subcapítulo 5.2. Basado en el lenguaje de programación de Visual CSharp y utilizando como plataforma de comunicaciones un OPCServer de la empresa KEPWARE, que es Kepserver. Como mencionamos líneas antes, el sistema puede trabajar en modo manual y automático, de tal manera que podemos actuar de manera individual sobre cualquiera de los objetos virtuales presentes en la interfase HMI o podemos seleccionar una secuencia automática para la elaboración de un producto. Cuando seleccionamos la forma de trabajo manual, el botón de inicio de secuencia automática esta deshabilitado para funcionar y solamente pueden hacer su función los botones denominados motor 1 y motor 2, ya sea de forma individual o los 2 realizando el mismo efecto sobre los registros del PLC en el mismo tiempo, como lo muestran las figuras 14 y 15. Figura 13: Interfase virtual diseñada 8

9 Figura 14: Operación automática de HMI virtual Figura 15: Operación manual de HMI virtual IV. Conclusiones El trabajo muestra una manera de sustituír los sistemas HMI de uso industrial por una solución menos costosa, más flexible por el uso común del entorno de programación de C# y utilizando las ventajas de los proveedores de software de uso industrial que facilitan el acceso mediante la utilización de DEMOS. Mediante la utilización de estos sistemas virtuales es posible diseñar sistemas de menús con la finalidad de controlar y monitorear más de uno a la vez, poder hacer cambios de configuración en la producción de diferentes modelos. También es posible tener una comunicación directa con los departamentos encargados del mantenimiento y dirección de los sistemas automatizados mediante el conocimiento directo y en tiempo real de los puntos que retrasan un proceso de producción, así como, la de poder tener reportes de los puntos monitoreados por el sistema de control en tiempo real y en el formato requerido para las reuniones de planificación y administración de los procesos productivos. Trabajos futuros implican establecer redes industriales de tal forma que puedan establecerse comunicación con todos los procesos de producción de una fábrica o de un corporativo para evitar que la información por medio de terceras personas pueda distorsionarse. 9

10 Referencias [1] Salazar Altamirano Marco. (2005). Diseño e implementación de un servidor de datos y un protocolo de comunicación para microcontroladores. Latacunga: Universidad del ejército. [2] Ceballos Francisco. (2008). Microsoft C# lenguajes y aplicaciones. México: RA-MA. [3] [4] Mandado Pérez Enrique, Acevedo Jorge Marco, Pérez López Serafín. (2004). Controladores lógicos y autómatas programables. México: Alfaomega. [5] Címbranos Florencio. (2004). Sistemas de control secuencial. México: Marcombo. [6] Tanembaum Andrew. (1997). Redes de computadoras. México: Prentice Hall. [7] OPC Foundation. (1999). OPC data access custom interface specification. 02/04/2015, de OPC FOUNDATION Sitio web: [8] OPC Foundation. (1999). OPC Alarms and events. 02/04/2015, de OPC FOUNDATION. [9] OPC Foundation. (2001). OPC Historical data Access automation. 02/04/2015, de OPC FOUNDATION. [10] Halsall Fred. (1998). Comunicación de datos, redes de computadoras y sistemas abiertos. México: Addison Wesley Iberoamericana. 10