VII SIMPOSIO MARÍTIMO Y SIMPOSIO SYMMTECCHNAVAL 2012 Sistema de Control y Monitoreo Automatizado Ing. Carlos Davison Aguiar, Especialista de primera Ing. Anabel Zuaznabar Horta Ing. Yohana García Morales Centro de Investigación y Desarrollo Naval (CIDNAV) Estrada Palma No13, Casablanca, Municipio Regla La Habana, Cuba cid5@reduim.cu Resumen En la actualidad asistimos a un enorme avance y desarrollo de la ciencia y las tecnologías, especialmente en los campos de la automatización, las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones, así como a un gran esfuerzo en el campo de la investigación, el desarrollo y la innovación tecnológica, tornándose imperiosa la necesidad de mantener un alto nivel de seguridad. Resulta entonces de extrema importancia la implementación e implantación de sistemas orientados a la mejora, disponibilidad y fiabilidad de la información. En la Industria Marítima este espectacular desarrollo ha incidido intensamente en aras de lograr modernización y control de las nuevas tecnologías. Los proyectos SCADA (Supervisión, Control y Adquisición de Datos) usualmente se refieren a un sistema central que monitoriza y controla un sitio completo o una parte de ello que interese. El presente trabajo pretende difundir un Sistema de Monitoreo y Control Automatizado realizado por el Centro de Investigación y Desarrollo Naval. Dicho sistema se extiende desde la investigación, diseño, desarrollo, instalación y mantenimiento del mismo. Actualmente se encuentra en explotación en algunos buques de la marina mercante cubana y en período de prueba en el Buque Escuela Carlos Manuel de Céspedes, obteniéndose en ellos gran fiabilidad y seguridad. Palabras claves: Sistema, monitoreo, control, automatizado, planta. Abstract At the present time we helped a colossal advance and development of science and the technologies, specially at the fields of automatization, Information Technologies and Communications, thus like to a heave at the field of investigation, development and technological innovation, becoming imperious the need to maintain a high security level. He proves to be of extreme importance the implementation and implantation of systems guided to the improvement, availability and reliability of information then. At The Maritime industry this spectacular development has affected intensely for the sake of achieving modernization and control of new technologies. The projects SCADA (Supervision, Control and Data Acquisition) usually they refer to a central system than
capture and it controls a complete place or a part of it that he be interesting. The present work intends to spread out Monitoring System and Automatized Control accomplished for the Research Center and Development Naval. Said system ranges from investigation, I lay plans, development, installation and maintenance of the same one. At present he finds himself in exploitation in merchant marine's some ships and in trial period in the Training Ship Carlos Manuel de Céspedes, getting in them great reliability and certainty. Nail words: System, monitoring, control, automatized.
1. Introducción El desarrollo de las nuevas tecnologías ha jugado un importante papel en el avance de la ciencia y de la ingeniería dando respuesta a las crecientes exigencias de los procesos productivos en cuanto a rendimiento, calidad y eficiencia. Sistemas SCADA s El término SCADA, acrónimo de Supervisory Control and Data Acquisition, es utilizado mundialmente para definir a todo Sistema que realice tareas de adquisición de datos y control supervisor. Constituyen, entonces, aplicaciones de software especialmente diseñadas con el fin de ser ejecutadas sobre ordenadores en el control de procesos industriales, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo y propiciando un control automático desde la pantalla del ordenador (1). Entre las funciones más importantes de los SCADA s se encuentran: Adquisición de datos para adquirir, procesar y almacenar la información recibida. Representación gráfica y animada de variables de proceso y monitorización de éstas por medio de alarmas, tendencias, etc. Control para modificar la evolución del proceso actuando directamente sobre el proceso mediante Entradas/ Salidas (E/S) de diversos tipos (TAD, módulos de E/S). En nuestro país los sistemas de supervisión de los procesos industriales navales en los buques nacionales eran obsoletos, formados por un gran número de tarjetas y de componentes electrónicos que acarreaban consigo problemas de alimentación, espacio e inexactitudes en las mediciones debido al registro manual de los parámetros de trabajo. En la actualidad, como parte del esfuerzo realizado en aras del ahorro de combustible en el sector estatal, y en respuesta a la imperante necesidad de alcanzar autonomía en el control de los procesos industriales navales, se desarrolló un Sistema SCADA, Sistema SCADA DADIVA, dirigido a la supervisión y control automático de los parámetros de funcionamiento de motores principales y máquinas auxiliares en las embarcaciones nacionales, basado en la alta confiabilidad y flexibilidad en el cumplimiento de dichas tareas. El presente trabajo muestra dicho Sistema como resultado del impacto de las nuevas tecnologías en esta rama ingenieril. 2. Sistema SCADA DADIVA El Centro de Investigación y Desarrollo Naval (CIDNAV) con vistas al impacto que han creado las nuevas tecnologías en la Ingeniería Naval y continuando con el avance de las mismas, creó un SCADA dirigido especialmente a los sistemas ingenieros navales
de los buques de la Marina cubana. Los objetivos principales del sistema son, basados en el comportamiento de los parámetros bajo estudio, son: Analizar en tiempo real en funcionamiento de la Planta. Detectar anomalías y/o fallas en la misma. Realizar estudios profilácticos con el fin de realizar estadísticas de fallas y determinar acciones de mantenimiento a las instalaciones energéticas de los buques. De esta manera se pretende alargar la vida útil de las mismas. La estructura del sistema presenta una configuración en la que intervienen un conjunto de elementos relacionados entre sí a través de los niveles jerárquicos que se muestran a continuación: Fig.1: Configuración general del Sistema DADIVA. El Nivel de Campo lo conforman todos los elementos conectados a los diferentes equipos de la planta industrial, y que permiten el control y la monitorización remota de los mismos. Estos elementos pueden ser transductores, tarjetas de adquisición de datos, variadores de frecuencia, etc. En el Nivel de Control se ubican elementos como los Controladores Lógicos Programables (PLC) con almacenamiento interno de instrucciones que implementan funciones lógicas, secuenciales, de temporización, conteo y aritméticas; para controlar, a través de módulos de E/S digitales y analógicas, cualquiera sea la Planta analizada. El Nivel de Supervisión lo integran las interfaces Hombre- Máquina permitiendo la interacción entre el usuario y la Planta, siendo este el nivel superior y más importante del Sistema. 2.1 Softwares utilizados Se trabaja con softwares de licencia libre y autorizados bajo las normas de registro cubano de Buque y las normas ISO 9001 para estos sistemas.
2.1.1 Software de programación CONCEPT V2.6 El software empleado para la programación del PLC es el Concept V2.6. Contiene los lenguajes de programación Function Block Diagram, FBD (Diagrama de módulo de función) y Sequential Function Chart SFC (Gráfico de función secuencial), así como un subconjunto de tipos de datos de la norma internacional IEC 1131-3. Para su instalación no requiere de excesivas exigencias de hardware. Puede ser empleado sobre la plataforma: Windows 98, Windows NT o Windows 2000. Una de sus potencialidades es la posibilidad de simulación de la lógica implementada por el programador. Esto presupone la comprobación previa del correcto funcionamiento de dicha lógica (3). 2.1.2 Generador de aplicaciones industriales El GeneRador de AplicaCiones IndustriaLes, GRACIL 32 V2.0, es un software destinado para controlar y supervisar Sistemas Automatizados de Dirección de Procesos tecnológicos (SAD-PT) [2]. Este programa permite crear sistemas de adquisición de datos y control de procesos a nivel de laboratorio, planta piloto o industrial. Entre algunas de las posibilidades que ofrece están: Lazos de control PID, registro de variables, alarmas, control lógico secuencial, pantallas animadas e intercambio de datos y supervisión. Todas sus opciones son totalmente configurables y no son necesarios conocimientos de programación para crear las aplicaciones. Como todo sistema de control y supervisión, GRACIL32 posee diferentes niveles de acceso, protegidos por contraseña que facilitan su explotación de forma confiable y segura (2). 2.2 Sistema de Seguridad El sistema DADIVA está provisto de un Sistema de seguridad encargado de diagnosticar e informarle al usuario los estados de funcionamiento indeseables conformado por: Sistema de alarma: Cuando existan anomalías en el funcionamiento o alteraciones en los parámetros de trabajo de la Planta se activa una señalización sonora y lumínica indicando lugar. Sistema de parada: Cuando por alguna falla se pone en peligro la integridad de la Planta se activa una señalización sonora y lumínica indicando lugar y se emite una orden eléctrica (acción de control), que activa una electroválvula la cual corta el suministro de aire o combustible según sea el caso. La existencia del Sistema de parada es el que incorpora el carácter controlador a nuestro sistema. Una vez detectado algún estado de parada la ejecución de la misma puede llevarse a cabo de las siguientes formas: Régimen Manual: Ejecución manual de la parada por el usuario. Régimen Automático: Ejecución autónoma de la parada por parte del Sistema.
La selección de un régimen u otro se realiza mediante un conmutador ubicado en la cabina del Cuarto de máquinas. 3. Aplicación del DADIVA. Actualmente el sistema se encuentra implantado en algunos buques de la marina cubana y en período de prueba en la Buque Escuela Carlos Manuel de Céspedes. En el Nivel de Campo los transductores, ubicados en los puntos de interés (temperatura de los cilindros, presión de aceite antes del filtro, rpm, etc.), se conectan a los módulos de E/S que convierten en códigos las señales eléctricas (de 4 a 20 ma) recibidas. El procesamiento posterior se realiza en el PLC de la serie Momentum M1E cuyas características se muestran a continuación: Denominación: Adaptador de Procesador 171 CCC 760 10 Flash RAM: 512 Kbytes Velocidad de reloj: 32 MHz Memoria de Programa 240 Kbytes Puertos: Puerto Modbus RS232 y Puerto de bus de E/S Acoplado al Adaptador de Procesador se encuentra el Adaptador Opcional 172 JNN 210 32, igualmente de la serie Momentum, que incorpora un puerto de comunicación serie RS232/RS485 (seleccionable mediante software) y una batería que permite, al interrumpirse la tensión de alimentación al sistema por cualquier motivo, guardar el estado de la configuración existente en ese momento para que una vez inicializado nuevamente, las operaciones continúen bajo las mismas condiciones. Mediante el protocolo de comunicación Modbus se establece el intercambio de datos entre el PLC y el ordenador. En este último se encuentra implementado el software que le permite al usuario el monitoreo en tiempo real de los parámetros de trabajo de la Planta. Características Generales del Sistema: Alimentación.24 ± 4 Volt CD Consumo de la red de +24VCD no mayor de 10 A. Temperatura de trabajo PLC+MC.30 C. Pizarras E/S...40 C. 3.1 Interfaz Hombre Máquina Al software se accede a través de permisos jerarquizados que le permiten al usuario, en dependencia de su nivel, disfrutar de privilegios en la explotación de la aplicación. Al ejecutarse el software se muestra una ventana de autenticación solicitando el usuario y la contraseña para entrar al sistema. De igual manera ocurrirá a la salida
(Ver Fig. 2). Por cuestiones jerárquicas el aborto de la aplicación no puede efectuarse por el operador. Solo usuarios con mayor grado podrán hacerlo. Fig. 2: Ventana de autenticación. El software supervisorio implementado en el Buque Escuela cuenta con varias interfaces donde se visualizan todos los parámetros de temperaturas, presiones y RPM correspondientes a cada máquina. Fig.3: Interfaz del Motor Propulsor Fig.4: Interfaz de Máquina Principal. 3.1.1 Eventos Uno de los elementos más importantes del Sistema es la detección de la ocurrencia de eventos: estados indeseables en el comportamiento de los parámetros de trabajo (alarmas lumínicas y sonoras), cambios de ajustes, acceso de usuarios, etc. (Ver
Fig.5). Este elemento forma parte del Sistema de Seguridad al cual se hizo referencia en el apartado 2.2. Fig.5: Pantalla de Máquina Principal. 3.1.2 Registros Durante la explotación del sistema se puede observar gráficamente el estado, en tiempo real, de las variables registradas así como crear un reporte del mismo. Hasta 4 variables pueden ser mostradas simultáneamente en un solo gráfico con el fin para realizar comparaciones en línea. Fig.6: Gráfico de parámetros registrados. 3.1.3 Históricos En correspondencia con el objetivo principal del Sistema el software implementado, una vez ejecutado, comienza automáticamente la salva de registros cada 15 segundos generando los históricos de los parámetros de trabajo de la Planta y el almacenamiento de estos en ficheros en formato Excel.
Fig.7: Reporte histórico de parámetros en Excel. De esta manera, el usuario cuenta con un grupo de funcionalidades que le permiten: una mayor facilidad en la comprensión de la Planta gracias a la representación de la misma (mímicos), el análisis en tiempo real de los parámetros de interés, el estudio de las tendencias de los resultados registrados, así como la toma de decisiones ante situaciones anómalas.
4. Conclusiones El Sistema SCADA DADIVA desarrollado representa una herramienta pionera en la Supervisión y Control de los procesos industriales navales en las embarcaciones nacionales. Surge como un Sistema autónomo, de arquitectura abierta, capaz de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes del cliente, brindando confiabilidad, alta veracidad de la información y reduciendo o eliminando averías complejas; en consonancia con el avance de las nuevas tecnologías en la Ingeniería Naval. Se recomienda expandir el uso de las tecnologías empleadas en otros sistemas navales para lograr una supervisión y control integral de las embarcaciones nacionales. 5. Bibliografía Referenciada 1. Katsuhiko Ogata. Ingeniería de Control Moderna. 3ª Ed, 1998. 2. Toledano Pulgar, Sergio L; Izquierdo García, Jesús. Manual de Usuario, ICINAZ. En: GRACIL 32 V 2.0, Quivicán, Cuba, 1998. 3. Schneider Electric GmbH, En: Readme para Concept V2.6, 1995-2003. 6. Bibliografía Consultada 1. Revista Ingeniería Naval, 859a Ed. mayo 2008. 2. Revista GIGA, 1a Ed. 2011. 3. Mendiburu D. H., 2011, http://hamd.galeon.com. 4. Schneider Electric GmbH, En: Readme para Concept V2.6, 1995-2003. 5. Cesar Eugenio. Notas de Clase. Sistemas de Automatización, 2008-2009.