DISENO E IMPLEMENTACION DE SISTEMAS SCADAPARA AUTOMATISMOS, BASADOS EN HARDWARE

Y SOFTWARE LIBRE

Jorge Eliecer Suarez Pinzon

Director: German A Holguın LGrupo de Investigacion en Automatica

Universidad Tecnologica de Pereira

Disertacion PublicaIngenierıa Electrica

Mayo 25, 2015

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PRESENTACION DEL GRUPO

GRUPO DE INVESTIGACION EN AUTOMATICA - U.T.P.

Fundado en 1997

Fundador y director: Alvaro A Orozco G. PhD.Nuevas Tecnologıas (hasta 2002), Instrumentacion y Control (hasta2012), Automatica (actual)

CLASIFICACION A1 - Marzo 2014.COP$1600 millones en el ultimo ano fiscal8 Profesores de la planta

Productos

86 Artıculos Indexeados, 15 Libros, 10 Software+ 200 graduados de pregrado ( ≈ 50 en curso )+ 50 graduados de maestrıa ( ≈ 30 en curso )6 Estudiantes de Doctorado

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CONTENIDO

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE

3 METODOLOGIA

4 EXPERIMENTOS

5 RESULTADOS

6 CONCLUSIONES

7 BIBLIOGRAFIA

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INTRODUCCION

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE

3 METODOLOGIA

4 EXPERIMENTOS

5 RESULTADOS

6 CONCLUSIONES

7 BIBLIOGRAFIA

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INTRODUCCION

Motivacion

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).

Sistema para controlar datos de planta de forma automatica desde lapantalla del computador [1, 2].

Por los costos de un SCADA las PYMES no pueden automatizar susprocesos.

Por lo tanto se estudian nuevas formas de construir un sistema contecnologıa de distribucion libre y de codigo abierto [3, 4].

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INTRODUCCION DEFINICION DEL PROBLEMA

El Problema ...

Los SCADA son importantes en las industrias por funciones demonitoreo, supervision y control de procesos [5, 6].

La automatizacion ha estado tradicionalmente dominada porproductos de hardware y software propietarios [7, 8]

No permiten modificar su codigo fuente en caso de que sea necesariorealizar una adaptacion al sistema [9].

Los procesos pequenos y medianos no pueden ser implementadosmediante un sistema SCADA debido al costo de las licencias deoperacion [5].

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INTRODUCCION DEFINICION DEL PROBLEMA

La Solucion ...

Condicion que restringe y retarda el desarrollo industrial.

1 Disenar estructuras de bajo costo.

2 Revertir esta situacion mediante el uso de tecnologıas de codigoabierto.

3 Romper la barrera del software y hardware propietarios.

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INTRODUCCION OBJETIVOS

Objetivo General

Determinar metodologıas para la implementacion de sistemas SCADAutilizando herramientas de hardware y software libre que permitan serusados en el area de control.

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INTRODUCCION OBJETIVOS

Objetivos Especıficos

1 Adaptar una plataforma de sistema embebido como controlador logicoprogramable (PLC) principal para un proceso automatico.

2 Integrar un software HMI para la representacion y simulacion demımicos, diagramas de sistemas electricos y de control.

3 Establecer un canal de comunicacion entre el maestro del proceso yun punto de control esclavo en el sistema.

4 Establecer su validez y compararlo con un sistema SCADA tradicional.

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INTRODUCCION JUSTIFICACION

Justificacion

Se requiere aumentar la eficiencia y disminuir riesgos en procesosmanuales [5, 10].

La globalizacion tecnologica actualmente esta obligando a lasempresas a unirse al cambio en sus tecnologıas propietarias a las libres.

El SCADA componente costoso en todo el sistema deAutomatizacion, por lo que desarrollar tecnologıas libres tendrıa unalto impacto en el costo total de la aplicacion [11, 12].

Es necesario desarrollar para las PYMES una aplicacion HMI/SCADA,con todas las caracterısticas necesarias para procesos pequenos,medianos o en laboratorios remotos [5].

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ESTADO DEL ARTE

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE

3 METODOLOGIA

4 EXPERIMENTOS

5 RESULTADOS

6 CONCLUSIONES

7 BIBLIOGRAFIA

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ESTADO DEL ARTE

ESTADO DEL ARTE

En los 80 los PLCs son provistos de sistemas de programacion(Ladder ) [1, 2].

En los 90 aparece Visual Basic que permite crear , controles graficos einterfaces de usuario [6, 12].

Gracias al avance electronico y modernas tecnologıas decomunicaciones aparecen sistemas con redes hıbridas, comunicacionpor cable y radiofrecuencia[1, 11, 12].

Estos sistemas permiten conocer el estado del proceso desde unaterminal centralizada [8, 13].

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ESTADO DEL ARTE

ESTRUCTURA DE SISTEMAS SCADA

1 Un ordenador como unidad central maestra (MTU) [1, 5, 14, 10].

2 Protocolo de comunicacion de datos [15, 16].

3 Sistema embebido como unidad remota (RTU) [17, 15].

4 Transductores y dispositivos de campo (sensores, actuadores) [2, 18, 6].

Figura 1. Esquema de conexion de los elementosJorge E. Suarez P (I.E.) SCADA de bajo costo Automatica, U.T.P. 13 / 38

ESTADO DEL ARTE

Aplicaciones de distribucion libre

Diseno de entornos graficos

Acimut Monitoriza for Arduino.

Advanced HMI.

MyOpenLab.

Snap4Arduino.

PLCs Open Source de software y hardware libre

Open PLC, Open MOLO, Klic de Koyo, PC104

Plataformas:

Beagleboard

Arduino Mega

Raspberry Pi

SheevaPlug

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METODOLOGIA

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE

3 METODOLOGIA

4 EXPERIMENTOS

5 RESULTADOS

6 CONCLUSIONES

7 BIBLIOGRAFIA

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METODOLOGIA

Metodologıa

Estudiar el funcionamiento, requerimientos y elementos necesarios deun sistema HMI/SCADA.

Analizar sistemas embebidos o PLCs de codigo abierto y distribucionlibre que puedan ser adaptados a una estructura SCADA.

Determinar el hardware controlador de campo teniendo en cuentaalgunas caracterısticas como

1 Numero de E/S.

2 Capacidad de memoria,

3 Potencia de calculo

4 Posibilidad de conexiones de perifericos modulos especiales ycomunicaciones.

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METODOLOGIA

Estudiar las herramientas HMI de software libre que permitan usarseen aplicaciones de control y automatizacion tanto a nivel delaboratorio, como a pequena y mediana escala industrial .

Determinar el software mas compatible para comunicarse con losdispositivos de campo como arduino, PLCs, RTU etc.

Estudiar algunas formas de comunicacion implementadas en losSCADAs, protocolo MODBUS, buses especiales, comunicacion serial,redes LAN o Ethernet.

Disenar un SCADA con su interfaz grafica, se haran simulaciones y severifica su funcionamiento y comunicacion entre la planta y la centralmaestra (MTU).

.

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EXPERIMENTOS

Progreso...

1 INTRODUCCION

2 ESTADO DEL ARTE

3 METODOLOGIA

4 EXPERIMENTOS

5 RESULTADOS

6 CONCLUSIONES

7 BIBLIOGRAFIA

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EXPERIMENTOS IMPLEMENTACION

IMPLEMENTACION

Con las tecnologıas estudiadas se implementaron estructuras SCADAs.

1 (MTU) con en el software “Acimut Monitoriza for Arduino” [19, 20].

2 Protocolo de comunicacion Motbus RTU [19, 20, 21, 22].

3 Plataforma “Arduino Mega” como unidad remota (RTU) [23, 15, 24].

4 Finalmente los transductores y dispositivos de campo (sensores,actuadores) [1, 2].

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EXPERIMENTOS IMPLEMENTACION

Se programa el Arduino creando los registros de esclavos.

MB_REG0, entrada analogica

MB_REG13, salida digital

MB_REGS, numero total de registros sobre esclavo

int regs[MB_REGS]; mapa de datos modbus del esclavo

Se configura el modo de trabajo de E/S.

pinMode(13, OUTPUT)

Se ingresan instrucciones.

int Ao = analogRead(0); Lectura analogica

regs[MB_REG0]= Ao; Registrar lectura en la MTU

regs[MB_REG0]<500; Condicion de control

digitalWrite(13, HIGH);regs[MB_REG13] = true; Registrar lectura en la MTU

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EXPERIMENTOS IMPLEMENTACION

En Acimut Monitoriza se configura el puerto de comunicaciones COMM y lavelocidad de comunicacion (Speed)

Se configuran las propiedades de cada variable (Server, Group y Variable)[23, 20].

Figura 2. Propiedades ModBUS RTU

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EXPERIMENTOS EVALUACION

EVALUACION

Se evaluo en una red multiple con 2 servidores ModBus RTU ver Figura 3.

Figura 3. Sistema SCADA Multipuesto

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EXPERIMENTOS EVALUACION

Se evaluo la interfaz de usuario del control de nivel de lıquido.

Se colocan diferentes indicadores, display y demas elementos de lasvariables del automata que se quieren acceder.[19].

Figura 4. SCADA con AcimutMonitoriza

.Jorge E. Suarez P (I.E.) SCADA de bajo costo Automatica, U.T.P. 23 / 38

EXPERIMENTOS EVALUACION

DESEMPENO

Computador con caracterısticas:

Hardware: Procesador AMD Radeon Graphics 1.30 GHz, Memoria RAMinstalada de 2.00 GB.

Software: Sistema operativo Windows 7 Home Basic de 64 bits.

Se verifico el sistema mediante una prueba operativa durante un intervalode tiempo con.

Velocidad de comunicacion de 19200 bps

Frecuencia de actualizacion de datos de grafica de 1 s

Registro de datos con resolucion de 10 bits [24].

Tensiones, entre 0 y 5 voltios, que son comprendidos entre 0 al 1023[23].

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RESULTADOS

Progreso...

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4 EXPERIMENTOS

5 RESULTADOS

6 CONCLUSIONES

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RESULTADOS

RESULTADOS

los resultados reales de los sensores se obtienen operando los datos.

se obtienen variables electricas.

int Ao = analogRead(0);

int voltios = Ao*(5v/1023);

int Ohmios = Ao*(1000/1023);

Variables del proceso.

int area = 1;

int nivel = analogRead(0);

int volumen = area*nivel;

Estas variables condicionan las variables digitales y se muestra la informacionen un ordenador

Se logro adaptar 2 aplicaciones HMI diferentes en una redModBusRTU.

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RESULTADOS

La placa permite usar diferentes alternativas de comunicacion como elestandar Firmata, firmware o modulos de transmision inalambrica [17].Se logro el control de 2 semaforos, con el lenguaje Scratch usandobloques de control que son organizados en la interfaz deSnap4Arduino,

Figura 5. SCADA con Snap4ArduinoJorge E. Suarez P (I.E.) SCADA de bajo costo Automatica, U.T.P. 27 / 38

RESULTADOS

En MyOpenLab Se analizo la senal del sensor LM35.

Podemos usar diagramas de bloques con sentencias condicionales ygenerosas librerıas de control [25].

Figura 6. Esquema de control

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RESULTADOS

Figura 7. Registro de temperatura

Para leer la temperatura con el Arduino usando el ModBusRTU .

int Ao = analogRead(0);

int voltios = Ao*(5v/1023);

int Celcius = Ao*(5000 mv/1023)*(°C/10 mv);

regs[MB_REG0]= Celcius;

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CONCLUSIONES

Progreso...

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2 ESTADO DEL ARTE

3 METODOLOGIA

4 EXPERIMENTOS

5 RESULTADOS

6 CONCLUSIONES

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CONCLUSIONES

CONCLUSIONES I

Con hardware y software libre, es posible crearsistemas SCADA de bajo costo.

Se diseno e implemento un SCADA, que influye en elpresupuesto de cualquier proyecto de automatizacion.

Al integrar el Arduino Mega en un sistema SCADA, sereducen enormemente los costos de diseno,beneficiando a las PYMES que estan en proceso deautomatizacion.

El Arduino puede funcionar como RTU, minimizandocostos sustituyendo el computador que es mucho mascostoso.

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CONCLUSIONES

CONCLUSIONES II

El sistema se verifico validando el funcionamiento con variasplacas, esto se puede hacer usando el protocolo ModBus RTU.

Los programas son una herramienta aplicable en multiplescampos de la electronica como de la automatizacion y la robotica.

Sirve para la implementacion de laboratorios virtuales ylaboratorios remotos como herramientas educativas en el area demedidas de senales electricas.

Al ser desarrollado con software libre, permite el dominio total dela tecnologıa y se presenta como una alternativa flexible paracualquier industria que quiera automatizar sus procesos a bajocosto.

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BIBLIOGRAFIA

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5 RESULTADOS

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MUCHAS GRACIAS !

“Jorge Eliecer Suarez Pinzon”<joelsuarez@utp.edu.co>

Grupo de Investigacion en AutomaticaIngenierıa Electrica

Universidad Tecnologica de Pereira