INSTRUMENTACIÓN AVANZADA Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica Facultad de Ingeniería Universidad Nacional de Mar del Plata

Transcripción

1 Ing. Guillermo Murcia Ing. Jorge Luis Strack

2 Qué es un Scada? Scada significa: Supervisory Control and Data Acquisition. Scada realiza Control Supervisado (también llamado telemetría o monitoreo) usando datos adquiridos. El operador (hombre) toma decisiones que hacen al control de un sistema a partir de los datos monitoreados. 2

3 Funciones de un Scada: Principal Funcionalidad SCADA: Monitorear y Controlar un Proceso Recabar, almacenar y mostrar información, en forma continua y confiable, correspondiente a la señalización de campo: estados de dispositivos, mediciones, alarmas. Ejecutar acciones de control iniciadas por el operador (abrir o cerrar válvulas, arrancar o parar bombas). Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de la planta (eventos). Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis. Realizar reportes, gráficos de tendencia, historial de variables, cálculos, predicciones, detección de fugas, basadas en la información obtenida por el sistema. 3

4 Para Monitorear y Controlar un Proceso hace falta establecer un sistema de comunicaciones industriales Se puede definir las comunicaciones industriales como el área de la tecnología que estudia la transmisión de información entre circuitos y sistemas electrónicos utilizados para llevar a cabo tareas de control y gestión del ciclo de vida de los productos industriales. Distintos niveles de exigencia: a nivel de planta. a nivel de oficina técnica. a nivel de gerencia. 4

5 Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) 5

6 Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) En los niveles inferiores de la pirámide CIM (Niveles 0, 1 y 2) las tares son críticas, por lo que las comunicaciones industriales deber ser deterministas, es decir, deben tener la capacidad de garantizar que un paquete de datos es enviado y recibido en un determinado período de tiempo compatible con las necesidad de la máquina o proceso que controlan. 6

7 Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) En los niveles superiores de la pirámide CIM (Niveles 3 y 4), las tares no son críticas por lo que las comunicaciones industriales pueden ser no deterministas, es decir se acepta cierto nivel de fallas en la comunicación o demoras en el intercambio de la información. 7

8 Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) En los niveles inferiores de la pirámide CIM (Niveles 0, 1 y 2) las redes industriales deben ser capaces de ser deterministas en las condiciones de funcionamiento que impone un ambiente industrial: (temperatura, vibración, interferencias, suciedad, etc.). En los niveles inferiores de la pirámide CIM (Niveles 0, 1 y 2) se intercambia poca información pero el tiempo de respuesta debe ser bajo (comunicación en tiempo real). 8

9 Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) 9

10 Modelo OSI (Open System Interconection) Publicado por la ISO en Es un modelo que explica por todas las fases por las que atraviesa un mensaje para llegar desde un origen a un destino. Cada capa añade al mensaje un encabezado (excepto la capa 1) Sirve por ejemplo para clasificar protocolos. 10

11 Modelo OSI (Open System Interconection) Dos sistemas A y B se comunican a través de la arquitectura de capas (redes públicas y/o privadas) sin importar diferencias entre componentes físicos 11

12 Clasificación de las redes Redes Industriales Redes de datos u "ofimaticas" (redes no deterministas) Redes de campo o "buses de campo" (redes deterministas) Redes de área ampliada (WAN) (Nivel 4 CIM) Redes área local (LAN) o (WLAN) (Nivel 3 CIM) Redes de Controladores (Nivel 0, 1 y 2 CIM) Redes de sensores/actuadores (Nivel 0 CIM) 12

13 Redes de Sensores / Actuadores 13

14 Ejemplo red de Sensores/Actuadores: Red AS-i 14

15 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus Lineamientos: El protocolo de comunicaciones industriales MODBUS fue desarrollado en 1979 por la empresa norteamericana MODICON y debido a que es público, relativamente sencillo de implementar y flexible se ha convertido en uno de los protocolos de comunicaciones más populares en sistemas de automatización y control. MODBUS funciona en modo maestro-esclavo ( cliente - servidor ), siendo el maestro ( cliente ) quien controla en todo momento las comunicaciones con el o los esclavos. Los esclavos ( servidores ) se limitan a retornar los datos solicitados o a ejecutar la acción indicada por el maestro (cliente). 15

16 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus La capa física puede ser RS-232, RS-485 o Ethernet. RS-232 Full Dúplex (un línea recibe y otra transmite) Punto-punto DTE y DCE (-12;-3)V y (3,12)V Flow Control Handshaking Asíncrono por carácter síncrono por bit Longitud máxima: 25 m con un cable de 100 pf/m. Se puede simplificar a 3 lineas: RX, TX y GND. 16

17 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus La capa física puede ser RS-232, RS-485 o Ethernet. RS-232 Full Dúplex (un línea recibe y otra transmite) Punto-punto DTE y DCE (-12;-3)V y (3,12)V Flow Control Handshaking Asíncrono por carácter síncrono por bit Longitud máxima: 25 m con un cable de 100 pf/m. Se puede simplificar a 3 lineas: RX, TX y GND. 17

18 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus La capa física puede ser RS-232, RS-485 o Ethernet. RS-485 Half-Dúplex Multipunto Topologías Bus Anillo No Flow Control Handshaking (-1.5;-6)V y (+1.5;6V) Pueden usarse repetidores 18

19 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus La capa física puede ser RS-232, RS 485 o Ethernet. 3 cables (+D o A, -D o B y GND) que trabajan en modo diferencial Puede funcionar en canales ruidosos 19

20 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus Las capas superiores del protocolo Mosbus adosan encabezado y finales al mensaje (trama) para lograr la filosofía maestro-esclavo: 20

21 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485 Las comunicaciones MODBUS sobre RS 485 se pueden realizar en modo ASCII o en modo RTU por RS485. En modo ASCII los bytes se envían codificados en ASCII, con su representación hexadecimal. En modo RTU se envían en binario. Forma general de un mensaje Modbus: En modo ASCII la forma pasa a ser: En modo RTU (más usado) la forma pasa a ser: Donde T1, T2, T3 y T4 son demoras de una duración determinada 21

22 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485 Adress field Modbus: 22

23 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485 Códigos de función Modbus: 23

24 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485 Data en Modbus: Si el mensaje es desde el Maestro al Esclavo (una petición), Data son las direcciones Modbus que se quieren leer o escribir y el valor lógico que se quiere escribir en el Esclavo. Si el mensaje es desde el Esclavo al Maestro (una respuesta), Data son los estados lógicos de las variables consultadas. 24

25 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485 Cada dispositivo que utiliza MODBUS implica que tiene lugares de memoria (bits o registros) a los cuales se permite acceder desde un maestro. Generalmente se sigue la siguiente codificación pero puede haber otra que especifique el fabricante del equipo en cuestión. Registros MODBUS (codificación) Salida digital 1 bit por dirección para indicar el estado de una salida, mando o relé Entrada digital 1 bit por dirección para leer el estado de una entrada digital Lectura el protocolo MODBUS estándar no hace uso de este rango de direcciones Registro 16 bits por dirección con el estado de las medidas o entradas analógicas Registro 16 bits con los registros de salidas analógicas o de propósito general Lectura/escritura Lectura Lectura/escritura 25

26 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485 CRC o LRC en Modbus: Son dos caracteres que se agregan a la trama para detectar si ocurre un error en la transmisión del mensaje. Se denomina LRC para ASCII y CRC para RTU. Se toma un mensaje M (palabra binaria) y antes de enviarlo, se divide esta palabra por una palabra clave k (establecida previamente y conocida por el emisor y el receptor). Al hacer la división se obtiene un resto r 1, el cual se adjunta a la trama del mensaje original. Este valor r 1 es el denominado código CRC. Cuando el receptor recibe M y r 1, toma el mensaje M y realiza la misma división con la palabra clave K (que es la misma que la palabra clave que utilizó el emisor), obteniendo un resto r 2. 26

27 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485 CRC o LRC en Modbus:» M: Single binary word (Mensaje)» k: key word (palabra llave )» r: remainder (resto de la división) r 1 = r 2? E M, r 1 R si no OK 27 Error

28 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485 Ejemplo: Petición de un maestro al esclavo 6 queriendo leer (función 3) el valor de tres registros a partir de la dirección modbus (registro N ) de dicho esclavo. Ejemplo: Respuesta del esclavo 6 al maestro donde le indica que le envía 6 bytes con el valor de cada uno de los tres registros (el , y ) 28

29 Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre TCP/IP Las comunicaciones MODBUS también se pueden hacer sobre TCP/IP. Forma general de un mensaje Modbus: Se conservan los campos de función y datos originales de Modbus Serial, denominándose PDU (Protocol Data Unit). Estos datos se encapsulan en una ADU (Aplication Data Unit ) al añadirle un MBAP Header (encabezado Modbus Aplication Protocole). Todos los ADU Modbus TCP/IP están registrados en el puerto 502 (puerto reservado) 29

30 Scada con LabVIEW Ejercicios de la Guía 9: Tienen por objetivo comunicar LabVIEW a un dispositivo industrial usando Modbus (en este caso modbus sobre TCP/IP) Componentes necesarios LabVIEW Zelio logic + Ethernet extension module Compatible Zelio Logic modular 24 VDC Connecteur RJ45 10/100 T + Modbus TCP/IP server Adresse IP : acquisition static or dynamic Configuration : Zelio Soft 2, FBD language SR3 B...BD SR3 NET01BD 30

31 Modbus en LabVIEW Existen librerías de LabVIEW para trabajar con el protocolo Modbus que se pueden descargar gratuitamente. Contienen herramientas para escribir/leer coils (bits) o Holding Registers (bytes), tanto en medios físicos RS-485 como en Ethernet Estas herramientas permiten acceder a las direcciones Modbus de un dispositivo conectado a la PC, solo hay que saber que direcciones consultar 31

32 Modbus sobre Ethernet en Zelio Ethernet extension configuration - Zelio Soft 2 1 Menu edition : Select Program configuration 2 Menu Program configuration : Click on tab Ethernet extension FBD Language 32

33 Modbus sobre Ethernet en Zelio Ethernet extension configuration - Zelio Soft 2 3 In the IP Address field : - Click on dynamic Address if the network have a boot server - Otherwise click on Static Address and enter IP Address, Sub-network mask (here Class C network), and Gateway address 4 If the Ethernet extension must be constantly connected to a client, enter the client address in the reserved Address field 5 Modification of the Time-out : time after which the Ethernet extension must close an inactive connection The Ethernet extension manage until 4 connections in simultaneous. 33

34 Modbus sobre Ethernet en Zelio Intercambio de datos con el cliente Se puede acceder a 8 palabras vía lenguaje BDF 4 Input words : J1XT1 a J4XT1 4 Output words : O1XT1 a O4XT1 Modbus TCP/IP Exchanges Modbus function code Modbus register Input/Output Zelio Logic 4 Input words (16 bits) 03 (Reading n words) 06 (Writning 1 word 16 (Writing n words) Reg. 16 Reg. 17 Reg. 18 Reg. 19 J1XT1 J2XT1 J3XT1 J4XT1 4 Output words (16 bits) 03 (Reading n words) Reg. 20 Reg. 21 Reg. 22 Reg. 23 O1XT1 O2XT1 O3XT1 O4XT1 34

35 Modbus sobre Ethernet en Zelio Intercambio de datos con el cliente También se puede acceder al estado del relé y a su reloj calendario Modbus TCP/IP Exchanges Reading/Writing of the clock Reading Status of Zelio Modbus function code 03 (Reading of n words) 06 (Writing of 1 word) 16 (Writing of n words) 03 (Reading of n words) Modbus Registers Reg. 32 : Day of the week, Second Reg. 33 : Minutes, Hours Reg. 34 : Day of the month, Month Reg. 35 : Year, Century Reg. 48 : bit 0 = Run/Stop, bit 1 = Monitoring, bit 2 = Alarm, bit 3 = Error, bit 7 = Time out bit 8 à F = Alarme code 35

36 Modbus sobre Ethernet en Zelio 4 words J1XT1 to J4XT1 accessible in writing/reading 4 words O1XT1to O4XT1 accessible in reading OUTPUT INPUT 36

37 GUÍA DE EJERCICIOS N 9: Ejercicio 1: Utilizando las herramientas Modbus de LabView muestre en un panel frontal la fecha y la hora programada en un relé Zelio vía Ethernet Ejercicio 2: Programe un arranque estrella triangulo en Zelio y agregue controles para comandarlo y monitorearlo desde LabView vía Ethernet. Ejercicio 3: Programe un contador en Zelio y mediante LabView cambie el valor de preselección y supervise el conteo vía Ethernet. 37

38 Guía de Ejercicios N 9 38