Laboratorio Remoto Virtual de Ingeniería de Control basado en Foundation Fieldbus Ferreiro García R*, Perez Castelo J**, Piñon Pazos A***, Calvo Rolle J.L.*** *ETSNM, UDC,**ETS. Ing. Ind.UDC, *** E. U. Politécnica UDC Universidade da Coruña, A Coruña, España Resumen En este artículo se redescribe la tarea de desarrollo e implementación de un laboratorio virtual de control de procesos destinado a la realización de prácticas relacionadas con las arquitecturas de control basadas en buses de campo digitales bidireccionales (Ethernet Industrial y Foundation Fieldbus). La implementación del sistema se halla sobre una plataforma PlantWeb, lo que supone la vanguardia del estado del arte en comunicaciones digitales industriales. Palabras Clave: Control de procesos, Control remoto, Ethernet Industrial, Foundation Fieldbus, Laboratorio virtual, Planta Piloto. 1 INTRODUCCIÓN Las limitaciones de espacio físico, personal especializado y presupuesto para la dotación, implementación y operación y mantenimiento de laboratorios de control de procesos basado en plantas piloto supone una razón de peso suficiente para justificar el desarrollo e implementación de soluciones basadas en laboratorios virtuales. Con tal estrategia se consigue la ampliación de equipos y la obtención de un ratio (alumno/unidad de prácticas) equilibrado acorde con las necesidades deontológicas enfocadas a la adquisición de habilidades y destrezas en relación con el aprendizaje y/o la investigación en el campo de la ingeniería de control de procesos industriales [1], [2]. El Laboratorio Virtual de Ingeniería de Control (LVIC), al que se refiere este artículo se ha decantado como una versátil y poderosísima herramienta de apoyo en el desarrollo y seguimiento de las prácticas de laboratorio, así como prácticas de adquisición de experiencia en el manejo de plantas de proceso a escala industrial. Brindar al alumnado la posibilidad de flexibilizar el esfuerzo y dedicación en relación con la gestión del tiempo, estableciendo libremente su ritmo de adquisición de conocimiento. Supone tácitamente el aprovechamiento del tiempo de forma óptima ya que evita desplazamientos físicos desde el lugar de estudio (hogar, cyber-aulas, cyber-cafés, etc) hasta el lugar de ubicación física del laboratorio de prácticas. En el LVIC propuesto se desarrollan dos tipos de ejercicios remotos: Ejercicios sobre planta piloto mediante control local o remoto. Ejercicios sobre plantas de proceso virtuales mediante control local o remoto. Los ejercicios sobre plantas de proceso virtuales consisten en una serie de programas de simulación creados exclusivamente para satisfacer las necesidades didácticas de asignaturas relacionadas con la ingeniería de control. Disponen estos programas de ayuda en línea, con una extensa y clara explicación teórica asociada a la descripción del método y los procedimientos a seguir. Co tal metodología, tales ejercicios de prácticas constituyen un apoyo de gran valía a las prácticas reales de laboratorio, pero incluso podría tomarse en consideración la utilización de estos entornos de trabajo de forma autónoma operando remotamente en ausencia total del laboratorio "real". La colección de programas de simulación susceptibles de aplicación para incrementar las capacidades del LVIC continúa en fase de desarrollo con el objeto de enriquecer su contenido de tal manera que esta característica hace que supere de modo relevante en mucho las capacidades de las plantas piloto por su versatilidad a coste eficiente. A medida que se gana experiencia en las técnicas de simulación de procesos, se incrementan las capacidades de entrenamiento del LVIC. El desarrollo de herramientas abiertas de software para simular, visualizar y programar equipos o instalaciones costosas, permitirán a estudiantes, profesores maestros e investigadores, mejorar el proceso de aprendizaje e investigación. Básicamente el propósito de este laboratorio remoto es facilitar la herramienta capaz de operar bajo un entorno virtual de ingeniería de procesos que permita implementar experimentos sobre equipos reales o simulados de procesos industriales, particularmente en sistemas de control, aunque se podría destinar a otras áreas técnicas independientemente de que incluyan o no control de procesos. Desde una perspectiva global se tiene como principal objetivo el desarrollo de aplicaciones que permitan la adquisición de conocimientos sobre el manejo y visualización de experimentos tele-operados. En un contexto o marco general, el desarrollo de SCADAs
y aplicaciones de supervisión de procesos captan el enfoque de aplicaciones de aprendizaje de mayor peso. La justificación del LVIC se fundamenta en los siguientes aspectos: Facilidades para compartir los recursos tecnológicos existentes. Posibilita el ensayo de equipos no disponibles en el laboratorio. Posibilitar el ensayo "personal" del alumno y eliminar las barreras impuestas por las limitaciones de tiempo de ensayo a pie de máquina. Apoyo en el proceso de enseñanza aprendizaje, así como la adquisición de experiencia mediante ejemplos de aplicación práctica. Para la realización de las prácticas virtuales tanto locales como remotas, se dispone de un aula dotada de estaciones de trabajo basadas en PC's, que se encuentra situada a escasos metros del laboratorio y permite el trabajo in situ bajo el control del profesorado así como autónomo. En los casos de aprendizaje en modo local, si bien no es estrictamente necesaria la presencia física del profesorado o tutores, una vez explicado el método operativo de la sesión de prácticas, es preferible la tutorización completa del proceso para obtener el máximo rendimiento. Al alcanzar determ9nado nivel de conocimientos, los alumnos administran su tiempo en modo remoto obteniendo mayor rendimiento en las tareas de aprendizaje. 2 ARQUITECTURA FÍSICA PROPUESTA PARA EL LVIC Habiendo sido diseñado para satisfacer los requerimientos comentados, está constituido por ua planta piloto, la cual dispone de un sistema de control local por computador denominado DeltaV de la familia PlantWeb de Emerson Process Management, implementado sobre tecnología Foundation Fieldbus. Las técnicas de control remoto son inherentes a la arquitectura de PlantWeb [3]. Está constituido por una planta piloto diseñada para controlar un proceso físico del control multivariable con lazos de presión, nivel, temperatura y caudal. Con respecto al diseño de los ejercicios relacionados con el control de procesos virtuales, en términos prácticos, sus aplicaciones están exclusivamente restringidas a los límites impuestos por la capacidad de desarrollo de modelos matemáticos precisos y/o fiables. La figura 1 muestra el esquema de principio de conexión de los equipos del laboratorio vinculados con la red de Internet para proporcionar acceso remoto desde los lugares particulares de trabajo, tales como los hogares y otros sitios públicos de acceso a Internet. En modo local existen dos medios de comunicación entre dispositivos del sistema de control Red de control local constituida por un bus de campo basado en la tecnología Foundation Fieldbus para intercomunicación bidireccional entre dispositivos de campo y un controlador de procesos capaz de soportar el software DeltaV Bus de comunicación entre estaciones locales y/o remotas de trabajo basado en Ethernet Industrial. El aspecto de los componentes de la planta piloto comprendiendo las estaciones de trabajo (desarrollo de aplicaciones y entrenamiento) así como los dispositivos de campo se hallan en la figura 2. Los puestos para alumnos de prácticas son accedidos en modo local o remoto. El acceso en modo remoto se realiza vía conexión remota desde el escritorio remoto disponiendo de las IPs públicas y sus parámetros de acceso (seguridad) correspondientes a las estaciones locales de prácticas (Puestos para alumnos de prácticas). Asimismo se puede acceder remotamente a las estaciones de desarrollo de aplicaciones, restringido a alumnos avanzados, desarrolladores de software de aplicaciones y/o investigadores orientados a la ingeniería de procesos y control. El acceso a esta opción se halla restringido una sola persona activa entre las autorizadas por el administrador del sistema. Esta característica supone la necesidad de administrar el tiempo de acceso individual para permitir la actividad de desarrollo a las personas autorizadas sin interferencias entre sí. 3 HERRAMIENTAS DE DESARROLLO DE SOFTWARE El software de desarrollo de aplicaciones DeltaV con sus herramientas asociadas o toolboxes permite la programación de aplicaciones sobre dos familias de lenguajes estandarizados: CFC o ContinuoUs Function Chart SFC o Sequential Function Chart El CFC o diagrama de funciones continuo, dispone de un conjunto de bloques función susceptibles de ser enlazados bajo el principio de operación causaefecto, enlazados o vinculados mediante el flujo de señales. Es un lenguaje intuitivo que evoluciona a medida que aparecen necesidades de aplicación de nuevos bloques función. Su versatilidad permite el diseño de nuevos bloques función definidos por el usuario. El SFC o Grafcet, está destinado al desarrollo de aplicaciones secuenciales o procesos por lotes (Batch Control) y en su implementación están permitidos los cinco lenguajes de programación del estándar IEC- 61131-3, destacando que el lenguaje estructurado ST es el mas versátil para el desarrollo de aplicaciones. Cada uno de estos lenguajes es utilizado de acuerdo con las necesidades de descripción del sistema de control. La combinación de ambos en aplicaciones complejas facilita el desarrollo e implementación de
estrategias de control con altas prestaciones o rendimiento a coste efectivo. 3.1 Capacidades técnicas del sistema Entre los problemas de control mas comunes susceptibles de ser propuestos destacan entre otros: -Desarrollo de Plantas virtuales por simulación -Desarrollo de algoritmos de control: Todas las variedades de PIDs. Estructuras de control multivariable convencionales de control (Cascada, adelanto, Split Range, Relación, Variable computada, otros algoritmos específicos, etc.). IMC,. Control predictivo (MPC, DMC). Controlo difuso (Fuzzy Control) Control basado en Redes artificiales de neuronas (NN). Control Batch o control de procesos por lotes. En general cualquier estrategia y algoritmo de control definido por el usuario. -Desarrollo de SCADAs para la planta piloto real. -Desarrollo de SCADAs para plantas virtuales. -Desarrollo de estrategias de supervisión con diagnosis para ambas modalidades (planta piloto y procesos virtuales). 3.2 Características de lo ejercicios de prácticas susceptibles de aplicación La variedad de ejercicios susceptibles de aplicación está solamente limitada por los conocimientos y la imaginación de los desarrolladores de software. Así, sin limitar las potenciales aplicaciones cabe destacar: Desarrollo sofisticados de algoritmos de control. Ensayo de técnicas de ajuste de controladores convencionales. Entrenamiento relacionado con la operación de procesos y plantas industriales. Desarrollo de SCADAs. Investigación sobre técnicas de supervisión y diagnosis de fallos. 4 ADMINISTRACIÓN Y CONTROL DE ACCESOS Pueden acceder de modo simultáneo tantos clientes (alumnos dotados de autorización) desde cualquier lugar del mundo como estaciones disponibles existan en la red local. El mecanismo de acceso está basado en las facilidades de la familia de sistemas operativos basados en Windows para conexiones de escritorio remoto en donde se controla el acceso mediante claves de acceso asociadas con cada IP pública perteneciente a cada estación de trabajo. En la figura 3 se muestra la opción de conexión remota de un cliente por medio de cuadro de diálogo de conexión a Escritorio Remoto. El administrador asocia una contraseña a cada IP pública de estación de operador, de modo que solamente el poseedor de tal contraseña es capaz de acceder a las prácticas de laboratorio virtual remoto y/o planta piloto. 5 CONCLUSIONES El desarrollo, implementación y puesta en práctica del LVIC marca el final y principio de dos épocas tecnológicas en el campo del aprendizaje. El fin del uso y abuso de grandes espacios físicos para alojamiento de instalaciones complejas, peligrosas en términos de seguridad y costosas en mantenimiento requeridas para ofrecer el aprendizaje de modo efectivo. El principio de una época de ahorro en espacios físicos (reducido al mínimo) de capacidades ilimitadas, solamente restringidas a los conocimientos para el desarrollo de modelos de simulación) con elevadas tasas o capacidades de acceso remoto (alto flujo de alumnos clientes), versátiles a coste reducido frente a la tecnología convencional. La posibilidad de operar desde cualquier lugar del mundo asociada con la flexibilidad de horario (incluso en horas tradicionalmente de descanso) supone una reducción drástica de costes tanto en infraestructuras de aprendizaje (plantas piloto) como de monitorización del aprendizaje, tutorías y mantenimiento de laboratorios. Asimismo, la facilidad de potenciar las capacidades de simulación de procesos supone un incremento de capacidades de utilización en aquellos campos de la técnica donde los procesos son susceptibles de representación mediante simulación. Agradecimientos Con el apoyo del la Consellería de Innovación e Industria, Xunta de Galicia en el programa de Deseño e Producción Industrial, proyecto DPI 1 IN825N cod_web: 772 Referencias [1] Enlaces interesantes: laboratorios virtuales y/o remotos. CEA-IFAC, http://www.ceaifac.es/wwwgrupos/educontrol/enl-labs.html. [2] LabVIEW en la Enseñanza del Control: Laboratorios Virtuales y Remotos de Automática, http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-11089 [3] Emerson Process Management:PlantEwb, http://plantweb.emersonprocess.com/home/index.asp
Puestos de alumnos y/o desarrolladores de software (Clientes remotos via Web) Red de los usuarios de Internet (control remoto) Accesibles para los desarroladores de software de aplicaciones Estación de SCADA Estación de Aplicaciones GateWay Red de control de área ocal basado en (Foundation Fieldbus H) Red local Ethernet Industrial (conecta las estaciones de trabajo locales) Puestos de alumnos de prácticas (Acceso a los SCADAs:Clientes locales via ethernet) Figura 1. Esquema de principio de conexión de los equipos del laboratorio
Fig. 2. Aspecto de la planta piloto mostrando las estaciones de trabajo, los dispositivos de campo y el proceso controlado. Fig. 3. Aspecto del cuadro de diálogo para conexión a escritorio remoto.