Sistema Data Acquisition PLC LABVIEW SCADA (1)
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Sistemas de
adquisición de datos
Muestreo,
retenedor y
convertidor
A/D
Computadora
digital
Convertidor
digital a
analógico
D/A
Circuito
retenedor
Actuador Planta o
proceso
Transductor
Estructura de un controlador digital
Muestreo y retenedor. Es un circuito que recibe como entrada una señal
analógica y mantiene esa señal durante un período de tiempo suficiente para
ser utilizada como entrada al convertido A/D.
Convertidor analógico-digital (A/D). Es un dispositivo que convierte una señal
analógica a una señal digital. Usualmente es un señal de codificada
numéricamente propicia para su manipulación en un dispositivo digital (PC).
Sistemas de control en tiempo discreto
Estructura de un controlador digital
Computadora digital . Es donde se realiza la manipulación numérica
necesaria para proveer un algoritmo de control. Es el “cerebro” del
controlador digital. Recibe una señal codificada del A/D, realiza cálculos y
ofrece una acción de control con datos codificados que posteriormente se
transforman en una señal física adecuada al sistema.
Convertidor digital-analógico (D/A). Es un dispositivo que convierte una señal
digital a una señal analógica. La señal de codificada proveniente del
controlador digital se transforma en una señal física propicia para su
utilización en el sistema.
Circuito retenedor. La señal física del convertidor D/A generalmente muestra
una serie de discontinuidades, el circuito retenedor se encarga de
“suavizarlas” generando una señal menos discontinua y más adecuada para
el sistema a controlar. El retenedor más popular en sistemas de control es el
retenedor de orden cero, el cual solo mantiene el valor constante hasta el
próximo valor de la señal del D/A.
Sistemas de control en tiempo discreto
Estructura de un controlador digital
Actuador. La señal de salida del retenedor en su gran mayoría no es una
señal adecuada para ser introducida al sistema. Ya sea por la cantidad de
potencia requerida o por el tipo de variable de entrada al sistema. El
actuador es la unión final entre la señal de control y el sistema a controlar.
En este caso, es el encargado de manipular la variable física de entrada al
sistema por medio de la acción de control que viene desde el controlador
digital.
Planta o proceso. Es el sujeto a ser controlado. Generalmente un conjunto
de partes que funcionan de manera conjunta para llevar a cabo un objetivo
común. Es de naturaleza “analógica”.
Transductor. Es un dispositivo que convierte una señal de entrada a otra
señal de naturaleza diferente. En este esquema, se utiliza para transformar
la señal de salida del sistema a controlar en una señal adecuada para ser
introducida al algoritmo de control.
Sistemas de control en tiempo discreto
Transductor AmplificadorFiltro
paso-bajas
Multiplexor
analógico
Muestreador
y retenedor
Convertidor
A/D
Variables
físicas
Registro
De-
multiplexorConvertidor
D/ARetenedor
Al
actuador
Controlador
digital
Sistema de adquisición y distribución de datos.
Adquisición y distribución de datos.
Sistemas de control en tiempo discreto
Tipo de señales
Señales continuas en el tiempo. Son
señales definidas sobre un rango continuo
de tiempo, la amplitud puede asumir un
rango continuo de valores o un número finito
de distintos valores.
Señales analógicas. Están definidas sobre
un rango continuo de tiempo y un rango
continuo de amplitud.
Señales continuas en el tiempo y
cuantizadas en amplitud. Es una señal
definida sobre un rango continuo de tiempo
con un conjunto de valores finitos en la
amplitud.
t
)(tx
)(tx
t
Sistemas de control en tiempo discreto
Señales de tiempo discreto. Es una señal
definida sobre sobre instantes discretos de
tiempo, es decir la variable t es cuantizada.
Si la amplitud de la señal puede asumir un
rango continuo de valores, entonces la señal
es llamada señal de muestreo.
Señal digital. Es una señal definida sobre
instantes discretos en tiempo y amplitud. El
uso de controladores digitales requiere la
cuantización de señales en tiempo y
amplitud. Este tipo de señales puede ser
representada por una secuencia de
números, por ejemplo números binarios.
)(tx
)(tx
t
t
Sistemas de control en tiempo discreto
PLC, (Programmable Logic Controller)
Su historia se remonta a finales de la década de 1960
Los PLC fueron inventados en respuesta a las necesidades de
la industria automotriz norteamericana por el ingeniero
Estadounidense Dick Morley.,
En 1968 GM Hydramatic (la división de transmisiones automáticas
de General Motors) ofertó un concurso para una propuesta del
reemplazo electrónico de los sistemas cableados.
SEÑALES FÍSICAS
La velocidad, temperatura, presión, caudal; son señales continuas en el
tiempo (o sea que no se interrumpen en ningún momento). A este tipo de
señales se las denomina : “SEÑALES ANALÓGICAS”
Cuando la señal depende de un evento, como por ejemplo presionar la
llave de luz (existe o no existe). A estas se las llaman: “SEÑALES
DIGITALES”
SEÑAL ELÉCTRICA - SENSORES
•Los sensores convierten las
señales físicas de distintas
naturalezas, en señales
eléctricas (de tensión “Volt” o
corriente “Amperes”)
EJEMPLOS
El caudalimetro mide el caudal de la tubería y
convierte esa información en una señal
eléctrica proporcional. Señal ANALOGÍCA
El sensor inductivo detecta o no la presencia
de un metal y envía una señal constante de
tensión (24V ó 0V). Señal DIGITAL
NUMERACION BINARIA
S0
+24V
LÓGICO01
UN BIT
0
1 Alto
Bajo
QUE ES UN PLC
UN CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE ES:
•Un equipo electrónico, basado en un microprocesador o
microcontrolador, que tiene generalmente una configuración
modular, puede programarse en lenguaje no informático y esta
diseñado para controlar procesos en tiempo real y en ambiente
agresivo (ambiente industrial).
CLASIFICACION DE LOS PLC:
ESTRUCTURA COMPACTA:
En un solo bloque todos sus elementos: fuente de
alimentación, CPU, memorias de entradas/salidas, etc.
Aplicaciones en el que el número de entradas/salidas es
pequeño, poco variable y conocido a priori.
Carcasa de carácter estanco, que permite su empleo en
ambientes industrialmente especialmente hostiles.
Estructura modular:
Permite adaptarse a las necesidades del diseño, y a las
posteriores actualizaciones. Configuración del sistema
variable.
Funcionamiento parcial del sistema frente a averías
localizadas, y una rápida reparación con la simple sustitución
de los módulos averiados.
El esquema de un proceso controlado por PLC es el siguiente:
ACTUADORES PROCESOSENSORES
SALIDAS PLC ENTRADAS
Control Continuo
La variable controlada, toma valores en un rango continuo, se
mide y se actúa continuamente sobre un rango de valores
del actuador
Variable
Manipulada
Variable
Controlada Referencia
LT LC
Perturbación
Control discreto
Detector de máxima
y mínima altura
Electroválvula
ON/OFF
Relé
Las variables solo
admiten un conjunto
de estados finitos
Diagramas de proceso P&I
Instrumentos de
medida y regulación
representados por
círculos con
números y letras
Unidades de proceso
y actuadores
representados con
simbolos especiales
Lineas de conexión
LT
102
LC
102
qa
Control de flujo
FCwu
Control de nivel
q
LC
w
u
LT
qi
h
Control de temperatura
Medir
Comparar
Decidir
Actuar
DIAGRAMA DE BLOQUES
ProcesoControladoruw y
SP CV
PV
v
MV
OP
DV
Implementación
Tecnologías:
Neumática
Electrónica
Digital
Controladores de lazo (PID)
Autómatas (PLC)
Sistemas de Control Distribuido (DCS)
Control por ordenador (PC)
EL REGULADOR PID
regulador basado en señal, no incorpora
conocimiento explícito del proceso
3 parámetros de sintonia Kp, Ti, Td
diversas modificaciones
e t w t y t
u t K e tT
e d Tde
dtp
i
d
( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( )
1
Señales normalizadas
ProcesoControlador
Transmisor
Actuadorw u y
4-20 mA
4-20 mA
SP 45
PV 45.5
4-20 mAdel
transmisor
4-20 mA al
actuador
M
V
38
Controladores
Proceso
w ue+
-
Transmisor
edt
T
1eKu
i
p
y
Actuadory
Controlador PI
Panel de
control
Sala de Control
4 – 20 mA
Campo
Operación
Control por computador
ProcesoMicroprocesador AO
AIT
y(kT)
u(kT)
T periodo de muestreo
Potencia, Ethernet AI AO Controlador DI DO
Arquitecturas
HART I/O
H1
AS-i
DeviceNet/Profibus
Diagnosis, configuration
Estructura Modular
COMPONENTES DE UN PLC
ENTRADABLOQUE
DE
ENTRADAS
CPUBLOQUE
DE
SALIDASSALIDA
Unidad central de proceso (CPU)
Este bloque es el cerebro del autómata.
Su función es interpretar las instrucciones del
programa de usuario y en función de las
entradas, activar las salidas deseadas
Bloque de salidas
Decodifica las señales procedentes de la CPU, las
amplifica y las envía a los dispositivos de salida o
actuadotes, como lámparas, relees, contactares,
arrancadores, electro válvulas, etc.
Bloque de entradasAdapta y codifica de forma comprensible para la CPU las señales
procedentes de los dispositivos de entrada o captadores, como
por ejemplo, pulsadores, finales de carrera, sensores, etc.
Misión: proteger los circuitos internos del autómata,
proporcionado una separación eléctrica entre estos y los
captadores.
BLOQUES NECESARIOS PARA EL
FUNCIONAMIENTO DEL PLC
Fuente de alimentación
A partir de una tensión exterior proporciona las
tensiones necesarias para el funcionamiento de los
distintos circuitos electrónicos del autómata.
Batería, capacitor de alto rendimiento: para mantener el
programa y algunos datos en la memoria si hubiere en
corte de la tensión exterior.
Consola de programación
PC o consolas de programación
Periféricos
Son aquellos elementos auxiliares, físicamente
independientes del autómata, que se unen al mismo
mediante interfases, para realizar una función especifica
y que amplían su campo de aplicación o facilitan su uso.
Como tales no intervienen directamente ni en la
elaboración ni en la ejecución del programa. Ej.:
visualizador de mensajes, impresoras, lectores de barra,
etc.
LA UNIDAD CENTRAL DE PROCESO
La CPU (control processing unit) es la encargada de
ejecutar el programa de usuario y activar el sistema
de entradas y salidas.
La CPU ejecuta el programa de usuario, que reside
en la memoria, adquiriendo las instrucciones una a
una.
CICLO DE FUNCIONAMIENTO DE UN PLC
12
3
45
Tiempo de
Barrido
Encendido del
PLC, auto
chequeó e
inicialización.
Lectura de las entradas
físicas y actualización de la
imagen de entradas.
Ejecución del
programa.
Actualización de la
imagen de salida.
Lectura de
la imagen
de salidas y
actualizació
n física de
las salidas.
Procesar las peticiones de comunicación.
La CPU procesa los mensajes que haya
recibido por el puerto de comunicación.
Efectuar el auto
diagnostico de la
CPU. Se comprueba
el CPU y la memoria
del programa (solo en
modo RUN), así
como el estado de
los módulos de
ampliación.
PLC
Controlador
avanzado
Módulos de adquisición de datos
Módulos de adquisición de datos Lab View En el Laboratorio de la FIMCP tenemos módulos para adquisición de datos para
señales estándar de voltaje, corriente, temperatura y señales discretas (digitales). También existen módulos de salidas analógicas. Estos equipos se enlazan mediante un software (LabView) al computador.
Labview es un software deprogramación gráfica que tiene2 ventanas: El panel frontalque es en dónde se se diseñagráficamente el sistema y laventana de diagrama que esen dónde se construye eldiagrama de bloques o laprogramación del sistema.
Para cada elemento que seinserta en la ventana frontal, secrea automáticamente esteelemento en la ventana dediagrama.
En la ventana de diagramapodemos incluir funcionesmatemáticas y lazos que sontransparentes en la ventanafrontal.
Front Panel
Controles = Entradas
Indicatores = Salidas
Diagrama de Bloques
“programa” para panel
frontal
Componentes “cableados”
juntos
LabVIEW Virtual Instruments (VIs)
BooleanControl
DoubleIndicator
Waveform Graph
Panel ToolbarFront Panel
Diagrama de bloques
Numeric Constant
Thermometer TerminalCall to
subVI
While Loop
KnobTerminal
Stop ButtonTerminal
Stop LoopTerminal
TemperatureGraph
Controls and Functions Palettes
Graphical, floating palettes
Usado para colocar controles & indicadores en el panel frontal, o para construir el diagrama de bloques
Controls Palette(Panel Window)
Functions Palette(Diagram Window)
Operating Tool
Positioning/Resizing Tool
Labeling Tool
Wiring Tool
Shortcut Menu Tool
• Floating Palette
• Used to operate and modify
front panel and block diagram
objects.
Scrolling Tool
Breakpoint Tool
Probe Tool
Color Copy Tool
Coloring Tool
Tools Palette
Automatic Selection Tool
Run Button
Continuous Run Button
Abort Execution
Pause/Continue Button
Text Settings
Align Objects
Distribute Objects
Reorder
Execution Highlighting Button
Step Into Button
Step Over Button
Step Out Button
Additional Buttons on the Diagram Toolbar
Status Toolbar
Sistemas SCADA
Sistema es conjunto de elementos que realizan una función o ejecutan una tarea que no pueden efectuarla sus componentes en forma individual
SCADA = Supervisón, Control y Adquisición de Datos (Supervisory Control And Data Acquisition)
En resumen es un conjunto de elementos que supervisa, controla y adquiere datos de un proceso.
Todos los datos adquiridos del proceso están enlazados a la base de datos del proceso de producción.
Sistema de Control Tradicional
Control Distribuido
Protocolo de red
Field Bus
Field Bus-Integrator
PLC’s
Servidor
SCADA ?SCADA ?SCADA ?
Supervisory
ControlAnd
DataAcquisition
Graficos y procesamiento de señalArchivo, seguimiento,
Control de acceso, Alarmas
Base de datos distribuido
PLC’s
Bus de campo
Servidor
Programas de Control
SCADA
Arquitectura abierta y flexible
SCADA funcionabilidad basica MMI
Alarm Handling and Trending
Access Control
Automation
Logging, Archiving, Report Generation
Interfaces to H/W and S/W
Development Tools
Generic Software Architecture
Tren-
ding
Alarm
Display
Log
Display
Active X
Controls
Active X
Container
SCADA Client
Recipe
DB
Recipe
Managt
Ref.
DB
Alarm Log ArchiveReport
Gener.
Log DB Archive DBSQL Alarm DB
RT & Event Manager
Data
Proces
SCADA Server
RT
DB
ODBC
DDEAPI/DLL
Private
ApplicationEXCEL Driver
PLC PLC
OPC
Graphics
Editor MMI
Driver
Toolkit
Project
Editor
Export
/
ImportCommercial
DB
Commercial
Devel.
tool
ASCII
Files
ASCII
File
Editor SC
AD
A D
evelop
t. En
viron
t.
Library
Data
R/W
VME
Client / Server - Publish / Subscribe - TCP/ IP
Sistemas SCADA
Cualquier sistema existente puede ser modificado para convertirlo en un sistema SCADA
Para ello se realiza estudios y diseños que permiten acondicionar y acoplar los sistemas actuales para que puedan recibir la implantación de un Sistema SCADA
Configuration
of SCADA Systems
Data Server PLC’sData Server
Different Namespaces!!
Configuration of SCADA Systems 2nd
PLCPrograms
CommunicationProcessor
•Analog-Input•Value-AI-0•Value-AI-1
•Analog-Output•Value-AO-0•Value-AO-1
Field Bus
•Analog-Input•Vacuum_VALUE
•Pressure_VALUE•Analog-Output
•Valve_1_OUT•Heater_1_OUT
Mapping
SCADA
Configuration
of SCADA Systems 3rd (Alarms)
•Analog-Input•Vacuum_VALUE•Pressure_VALUE
•Analog-Output•Valve_1_OUT•Heater_1_OUT
SCADAData Server
(generic) Alarm scripts:
IF (Pressure_VALUE > Pressure_HIHI_ALARMVAL){Pressure_ALARM_HIHI=TRUEPressure_ALARM_STATE=CRITICALPressure_ALARM_COLOR=RED }
IF (Pressure_VALUE < Pressure_LOLO_ALARMVAL){Pressure_ALARM_LOLO=TRUEPressure_ALARM_STATE=ATTETIONPressure_ALARM_COLOR=BLUE }
Alarm Generation
Data Access Mechanism's
Alarm Server typically
poll data from the data
server
( -> impact on network
bandwidth)
Data from field buses are
mainly polled
Asynchronous protocols
are difficult to handle Field Bus
Data Server
Alarm Server