UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA TESIS DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL CENTRALIZADO PARA INTEGRAR LAS MINI PLANTAS DE CONTROL DE VELOCIDAD DE UN MOTOR AC DEL LABORATORIO DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA DE LA UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO - LAMBAYEQUE PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE INGENIERO ELECTRÓNICO ELABORADO POR Bach. César Augusto Salvador Bardales Torres Bach. Henderson Germán Jaramillo Mego Lambayeque, Perú 2017
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TESIS-Diseño de un sistema de control centralizado Rev1 ...
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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA
ELECTRÓNICA
TESIS
DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL CENTRALIZADO
PARA INTEGRAR LAS MINI PLANTAS DE CONTROL DE
VELOCIDAD DE UN MOTOR AC DEL LABORATORIO DE
INGENIERÍA ELECTRÓNICA DE LA UNIVERSIDAD
NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO - LAMBAYEQUE
PARA OPTAR EL TÍTULO PROFESIONAL DE
INGENIERO ELECTRÓNICO
ELABORADO POR
Bach. César Augusto Salvador Bardales Torres
Bach. Henderson Germán Jaramillo Mego
Lambayeque, Perú
2017
2
“Diseño de un Sistema de Control Centralizado para integrar las Mini
Plantas de Control de Velocidad de un motor AC del laboratorio de
Ingeniería Electrónica de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo -
Lambayeque”
Elaborado por los bachilleres:
• Bach. César Augusto Salvador Bardales Torres
• Bach. Henderson Germán Jaramillo Mego
Como requisito para obtener el Título Profesional de Ingeniero Electrónico.
Aprobado por los miembros del jurado:
______________________________
Ing. Hugo Javier Chiclayo Padilla
Presidente
______________________________
Ing. Carlos Leonardo Oblitas Vera
Secretario
____________________________________
Mg. Ing. Martín Augusto Nombera Lossio
Vocal
Lambayeque, Perú
2017
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“Diseño de un Sistema de Control Centralizado para integrar las Mini
Plantas de Control de Velocidad de un motor AC del laboratorio de
Ingeniería Electrónica de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo -
Lambayeque”
Elaborado por los bachilleres:
• Bach. César Augusto Salvador Bardales Torres
• Bach. Henderson Germán Jaramillo Mego
Como requisito para obtener el Título Profesional de Ingeniero Electrónico.
Aprobado por los miembros del jurado:
____________________________________
César Augusto Salvador Bardales Torres
Tesista
______________________________
Henderson Germán Jaramillo Mego
Tesista
____________________________________
Ing. Manuel Javier Ramírez Castro
Asesor
Lambayeque, Perú
2017
4
DEDICATORIA
A mis padres César y Miriam por enseñarme con el ejemplo
a ser luchador y nunca darme por vencido, por su amor
abnegado y sus sabios consejos.
César.
A mi hijo Fernando por ser mi soporte y ser el motor que
me impulsa diariamente a ser mejor persona y mejor
profesional, por su amor sincero y demostrarme su cariño
incondicional siempre.
Henderson.
5
AGRADECIMIENTOS
A Dios por bendecirme con una hermosa familia; a mi
esposa Karla por su amor incondicional; a mi hijo Thiago
por ser el motivo para ser mejor cada día, a mis padres por
ser los gestores de mis triunfos y a mi hermano Brandon
por ser mi mejor amigo. Deseo agradecer de forma
especial, a mi abuelito Salvador por ser una persona
intachable y ser un modelo para mi vida.
César.
A Dios por siempre mostrarme el camino a seguir y darme
la fortaleza en los momentos difíciles, a mi familia por el
apoyo incondicional que me ha brindado, especialmente a
mis padres porque ellos hicieron posible que me realice
profesionalmente y haya alcanzado todo lo que soy hasta
ahora, mis hermanas y hermano por sus buenos consejos,
cariño y apoyo sincero.
Henderson.
A la empresa ABB por darnos la oportunidad de aprender
y por contribuir con nuestro crecimiento profesional.
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RESUMEN
La presente tesis tiene como propósito diseñar un sistema de control centralizado
para integrar tres mini plantas de control de velocidad de un motor AC mediante
el protocolo de comunicación OPC utilizando como interfaz gráfica el sistema de
control Industrial IT Extended Automation System 800xA de ABB.
Se planteó una filosofía de control tomando en consideración el estado del
selector local/remoto, las botoneras de arranque local y parada local y la
presencia de paneles HMI locales de cada mini planta. De esta manera, se
definió qué si el selector está en posición local, cada una de las mini plantas sería
operada por las botoneras locales y/o por el panel HMI y no dependería del
estado de las restantes. Por otro lado, si el selector está en modo remoto, el
control de la mini planta es gobernado por el sistema de control distribuido siendo
el responsable de la lógica de control integrada, para ello, se estableció una tabla
de intercambio Modbus entre los tres PLC que controlan las mini plantas y el
sistema System 800xA de ABB.
Para validar el desarrollo de la tesis se plantearon tres escenarios de operación
en modo remoto: el primero considera una operación individual donde cada mini
planta es considerada como un sistema aislado; el segundo describe la
operación de una faja transportadora en un arreglo maestro-esclavo con dos
motores en la cabeza y un motor en la cola donde, el arranque y parada de todos
los arrancadores son simultáneos a una misma referencia de velocidad y;
finalmente, un tercer escenario que detalla un arranque secuencial de fajas
transportadoras donde el flujo del material establece el orden de arranque, el
orden de paro normal, tiempo de espera entre arranque/paro y enclavamientos.
Los resultados son expuestos en tablas, tendencias y gráficos que ayudan al
entendimiento de los beneficios obtenidos, además, se incluyen las pantallas de
operación creadas durante las pruebas de laboratorio.
7
ÍNDICE GENERAL 1. Introducción .................................................................................................... 15
1.1. Descripción del problema ........................................................................ 15
1.2. Formulación del problema ....................................................................... 16
LISTA DE TABLAS Tabla 1. Características eléctricas del HMI STU 655 ........................................ 21
Tabla 2. Especificaciones de la memoria del HMI STU 655 .............................. 22
Tabla 3. Características eléctricas de la fuente BMX CPS 3500 ...................... 26
Tabla 4. Características principales de los procesadores BMX P34 ................. 27
Tabla 5. Diagnóstico del procesador y comunicación del CPU ......................... 28
Tabla 6. Diagnóstico de la memoria y los módulos E/S del CPU ...................... 28
Tabla 7. Función de los bornes de control del ATV 32 ...................................... 40
Tabla 8. Especificaciones eléctricas del encoder rotativo ................................. 46
Tabla 9. Niveles de Arquitectura ........................................................................ 49
Tabla 10. Capas del Modelo OSI ....................................................................... 53
Tabla 11. Funciones y registros Modbus ........................................................... 58
Tabla 12. Clase 0 ............................................................................................... 59
Tabla 13. Clase 1 ............................................................................................... 59
Tabla 14. Clase 2 ............................................................................................... 59
Tabla 15. Asignación de funciones de LCB de la mini planta ........................... 78
Tabla 16. Lista de Señales de Mini Planta N°01 ............................................... 82
Tabla 17. Lista de Señales de Mini Planta N°02 ............................................... 82
Tabla 18. Lista de Señales de Mini Planta N°03 ............................................... 82
Tabla 19. Lista de Motores ................................................................................. 82
Tabla 20. Tabla de direcciones IP de las mini plantas ...................................... 83
Tabla 21. Tabla de intercambio Modbus típica de la mini planta ...................... 84
11
LISTA DE FIGURAS Figura 1. Mini planta de control de velocidad .................................................... 18
Figura 2. Diagrama de bloques de la mini planta de control de velocidad ........ 19
Figura 3. Vista Frontal del HMI STU 655 ........................................................... 20
Figura 4. Vista Posterior del HMI STU 655 ........................................................ 20
Figura 5. Detalle del conector de alimentación del HMI STU 655 ..................... 22
Figura 6. Detalle de los puertos de comunicación del HMI STU 655 ................ 23
Figura 7. Detalle del conector RJ45 del HMI STU 655 ...................................... 23
Figura 8. PLC Modicon M340 con un bastidor ................................................... 24
Figura 9. Fuente de alimentación BMX CPS 3500 ............................................ 25
Figura 10. Módulo Comunicación CPU BMX P34 2020 .................................... 26
Figura 11. Indicadores Led del CPU BMX P34 2020 ........................................ 27
Figura 12. Puerto Ethernet del CPU BMX P34 2020 ......................................... 29
Figura 13. Puerto Modbus RTU del CPU BMX P34 2020 ................................. 29
Figura 14. Módulo Comunicación Ethernet BMX NOE 0110 ............................. 30
Figura 15. Indicadores Led del BMX NOE 0110 ................................................ 30
Figura 16. Módulo Digital BMX DDI 1602 .......................................................... 31
Figura 17. Diagrama de conexiones del BMX DDI 1602 ................................... 32
Figura 18. Módulo Digital BMX DAI 1604 .......................................................... 32
Figura 19. Diagrama de conexiones del BMX DAI 1604 ................................... 33
Figura 20. Módulo Digital BMX DRA 1605 ......................................................... 33
Figura 21. Diagrama de conexiones del BMX DRA 1605 .................................. 34
Figura 22. Módulo Analógico BMX AMI 0810 .................................................... 34
Figura 23. Diagrama de conexiones del BMX AMI 0810 ................................... 35
Figura 24. Módulo Analógico BMX AMO 0802 .................................................. 35
Figura 25. Diagrama de conexiones del BMX AMO 0802 ................................. 36
Figura 26. Variador de Frecuencia ATV 32 ....................................................... 37
Figura 27. Interruptor de protección GV32 ........................................................ 37
Figura 28. Pantalla y teclas del Variador de Frecuencia ATV 32 ...................... 38
Figura 29. Bornes de fuerza del Variador ATV 32 ............................................. 39
Figura 30. Bornes de control del Variador ATV 32 ............................................ 39
Figura 31. Conector RJ45 del Variador ATV 32 ................................................ 42
12
Figura 32. Motor trifásico de 3 HP marca Siemens ........................................... 43
Figura 33. Datos de placa del motor trifásico .................................................... 43
Figura 34. Motor trifásico de 3 HP marca Siemens ........................................... 44
Figura 35. Conexión en estrella ......................................................................... 44
Figura 36. Conexión en triangulo ....................................................................... 45
Figura 37. Encoder rotativo E50S8-600–3–T–24 .............................................. 45
Figura 38. Pines de conexión del encoder rotativo ............................................ 46
Figura 39. Forma de onda de salida del encoder rotativo ................................. 46
Figura 40. Niveles de Arquitectura ..................................................................... 47
Figura 41. Topología tipo bus ............................................................................ 50
Figura 42. Topología tipo estrella ....................................................................... 51
Figura 43. Topología tipo anillo .......................................................................... 51
Figura 44. Topología tipo malla .......................................................................... 51
Figura 45. Capas del modelo OSI ...................................................................... 52
Figura 46. Capas del Modelo TCP/IP ................................................................ 54
Figura 47. Comunicación Modbus cliente/servidor ............................................ 57
Figura 48. Comparación Modo ASCII y Modo RTU de Modbus ........................ 58
Figura 49. Niveles de Arquitectura Modbus TCP/IP .......................................... 60
Figura 50. Arquitectura de comunicación Modbus TCP/IP ................................ 61
Figura 51. Paquete Modbus TCP/IP .................................................................. 61
Figura 52. Trama Modbus TCP/IP ..................................................................... 62
Figura 53. Cabecera Modbus TCP/IP versus Modbus RTU .............................. 62
Figura 54. Arquitectura Cliente/Servidor OPC ................................................... 64
Figura 55. Flujo de comunicación entre el Cliente/Servidor OPC ..................... 65
Figura 56. Servidor MatrikonOPC para Modbus ................................................ 67
Figura 57. Estructura Sistema de Control Industrial .......................................... 68
Figura 58. Estructura Sistema de Control Centralizado .................................... 69
Figura 59. Estructura Sistema de Control Centralizado Multicapa .................... 69
Figura 60. Estructura Sistema de Control Distribuido ........................................ 70
Figura 61. Vista general de un Sistema SCADA ............................................... 71
Figura 62. Industrial IT Extended Automation System 800xA ........................... 72
Figura 63. Integración de controladores al System 800xA ................................ 73
13
Figura 64. Estándares aceptados por el System 800xA .................................... 74
Figura 65. Concepto Aspecto/Objeto ................................................................. 74
Figura 66. Arquitectura en Nodo Simple ............................................................ 75
Figura 67. PLC Connect ..................................................................................... 76
Figura 68. Sistema de Control Centralizado ...................................................... 77
Figura 69. LCB (Local Control Box) típico de la mini planta .............................. 78
Figura 70. Switch Industrial típico de la mini planta ........................................... 80
Figura 71. Arquitectura de Control del Sistema de Control Centralizado .......... 81
Figura 72. Diagrama de interconexiones típico de la mini planta ...................... 83
Figura 73. Tabla de Intercambio de Mini planta N°1 ......................................... 85
Figura 74. Tabla de Intercambio de Mini planta N°2 ......................................... 85
Figura 75. Tabla de Intercambio de Mini planta N°3 ......................................... 86
Figura 76. Router Wireless TP-LINK TL-WR940N ............................................ 86
Figura 77. Asignación de dirección IP al router ................................................. 87
Figura 78. Configuración de red inalámbrica “Plantas_IE” ................................ 87
Figura 79. Configuración del router como servidor DHCP ................................ 87
Figura 80. Declaración de Hardware PLC Mini Planta N°1 ............................... 88
Figura 81. Programación del PLC Mini Planta N°1 ............................................ 88
Figura 82. Declaración de Hardware PLC Mini Planta N°2 ............................... 89
Figura 83. Programación del PLC Mini Planta N°2 ............................................ 89
Figura 84. Declaración de Hardware PLC Mini Planta N°3 ............................... 90
Figura 85. Programación del PLC Mini Planta N°3 ............................................ 90
Figura 86. Asignación de dirección IP ATV32 Mini Planta N°1 ......................... 91
Figura 87. Parametrización ATV32 Mini Planta N°1 .......................................... 91
Figura 88. Asignación de dirección IP ATV32 Mini Planta N°2 ......................... 92
Figura 89. Parametrización ATV32 Mini Planta N°2 .......................................... 92
Figura 90. Asignación de dirección IP ATV32 Mini Planta N°3 ......................... 93
Figura 91. Parametrización ATV32 Mini Planta N°3 .......................................... 93
Figura 92. Asignación de dirección Panel HMI Mini Planta N°1 ........................ 94
Figura 93. Programación Panel HMI Mini Planta N°1 ........................................ 94
Figura 94. Tabla de Variables Panel HMI Mini Planta N°1 ................................ 94
Figura 95. Asignación de dirección Panel HMI Mini Planta N°2 ........................ 95
14
Figura 96. Programación Panel HMI Mini Planta N°2 ........................................ 95
Figura 97. Tabla de Variables Panel HMI Mini Planta N°2 ................................ 95
Figura 98. Asignación de dirección Panel HMI Mini Planta N°3 ........................ 96
Figura 99. Programación Panel HMI Mini Planta N°3 ........................................ 96
Figura 100. Tabla de Variables Panel HMI Mini Planta N°3 .............................. 96
Figura 101. Configuración OPC Server para la mini planta 1............................ 97
Figura 102. Configuración OPC Server para la mini planta 2............................ 97
Figura 103. Configuración OPC Server para la mini planta 3............................ 98
Figura 104. Declaración de Red PLC Connect .................................................. 98
Figura 105. Configuración de servicios OPC ..................................................... 99
Figura 106. Configuración de Cliente OPC ........................................................ 99
Figura 107. Declaración de variables Modbus en el System 800xA ............... 100
Figura 108. Lista de Pantallas de Operación ................................................... 100
Figura 109. Pantalla Resumen ......................................................................... 101
Figura 110. Pantalla Arranque Individual ......................................................... 101
Figura 111. Pantalla Arranque Maestro Esclavo ............................................. 102
Figura 112. Pantalla Arranque Secuencial ...................................................... 102
Figura 113. Pantalla Resumen con los tres motores funcionando .................. 103
Figura 114. Tendencias con histórico de arranques y paradas ....................... 103
Figura 115. Arranque Individual mini planta N°1 ............................................. 104
Figura 116. Tendencia de velocidad Arranque Individual mini planta N°1 ...... 104
Figura 117. Arranque Individual mini planta N°2 ............................................. 105
Figura 118. Tendencia de velocidad Arranque Individual mini planta N°2 ...... 105
Figura 119. Figura 120. Arranque Individual mini planta N°3 .......................... 106
Figura 121. Tendencia de velocidad Arranque Individual mini planta N°3 ...... 106
Figura 122. Arranque Maestro-Esclavo ........................................................... 107
Figura 123. Tendencia de velocidad Arranque Maestro-Esclavo< .................. 107
Figura 124. Arranque mini planta N°3 en Modo Secuencial ............................ 108
Figura 125. Arranque mini planta N°2 en Modo Secuencial ............................ 108
Figura 126. Arranque mini planta N°1 en Modo Secuencial ............................ 109
Figura 127. Tendencia de velocidad Arranque Secuencial ............................. 109
15
1. Introducción
Una mini planta o planta piloto es una adaptación de una planta productiva
industrial a escala reducida cuyo objetivo es permitir la experimentación, con la
finalidad de obtener resultados sobre algún proceso físico o químico. Mediante
los resultados obtenidos con una planta piloto es posible comprobar si la
implementación de una planta real es factible y económicamente viable.
Adicionalmente, la planta piloto permite probar nuevos productos, verificar
alguna hipótesis o comprobar el buen funcionamiento de un prototipo especial
de planta en ingeniería.
Las plantas piloto necesitan estar monitorizadas y controladas para tener un
buen funcionamiento. Para lograr este propósito se utilizan distintos
componentes de automatización que permitan realizar el control, monitoreo y
supervisión de las plantas.
El tener una planta piloto en un centro de estudios superior facilita a estudiantes
y docentes el desarrollo de prácticas de instrumentación industrial, sistemas de
control y automatización industrial de procesos. Además, permite el desarrollo
de prácticas en forma independiente cuando el estudiante lo requiera,
permitiendo así el acercamiento de las universidades o institutos técnicos a la
industria.
1.1. Descripción del problema
Actualmente la Escuela Profesional de Ingeniería Electrónica de la Facultad de
Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo se
encuentra en una etapa de implementación, motivo por el cual ha logrado adquirir
equipos e instrumentos para la capacitación de los estudiantes en las distintas
ramas de la electrónica como Telecomunicaciones, Teleinformática y el Control
de Procesos de Industriales.
Respecto al área de Control de Procesos Industriales, el laboratorio de Ingeniería
Electrónica cuenta con cinco (05) mini plantas donde los alumnos realizan sus
prácticas de laboratorio. La primera mini planta está diseñada para emular un
proceso de control de presión; la segunda está diseñada para simular un proceso
16
de control de nivel y; por último, existen tres (03) mini plantas idénticas de control
de velocidad de un motor AC. Todas cuentan con un Controlador Lógico
Programable (PLC), un panel HMI, un variador de velocidad de baja tensión, un
motor trifásico, instrumentación asociada y el software de control proporcionado
por el fabricante.
Debido a esta situación, se propone como solución colocar en red las tres (03)
mini plantas de control de velocidad de un motor AC e integrarlas a través de un
control centralizado para que los estudiantes realicen sus prácticas de laboratorio
desde una sola plataforma de control de forma inalámbrica o través de un cable
Ethernet.
1.2. Formulación del problema
¿Cómo el diseño de un Sistema de Control Centralizado para integrar las mini
plantas de Control de Velocidad de un Motor AC del Laboratorio de Ingeniería
Electrónica de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo puede permitir que los
estudiantes puedan realizar sus prácticas desde una sola plataforma de control
de forma inalámbrica o través de un cable Ethernet?
1.3. Justificación
El presente proyecto está orientado a disminuir las limitaciones que tienen los
alumnos de Ingeniería Electrónica en el acceso a las mini plantas didácticas en
el laboratorio del área de control de procesos.
El laboratorio N°02 cuenta con tres (03) mini plantas idénticas de control de
velocidad, donde los estudiantes puedan realizar sus prácticas de laboratorio. El
problema principal radica en que dichas mini plantas didácticas solamente
funcionan de forma individual, es decir, no intercambian información entre ellas.
Por otro lado, para poder operar cada mini planta, es necesario acceder a una
plataforma de control diferente para cada una de ellas, esto complica la
programación, operación y gestión de activos.
Por lo tanto, para darle solución a este inconveniente, se pretende implementar
un sistema de control centralizado para que los estudiantes puedan controlar las
17
tres (03) mini plantas de control de velocidad desde una sola plataforma de
control de forma inalámbrica o través de un cable Ethernet.
Este sistema de control permitirá que las prácticas con las plantas sean más
amenas y didácticas, además de incentivar a los alumnos a proponer ideas para
mejorar dicha solución.
1.4. Objetivos de la investigación
1.4.1. Objetivo general
Diseñar un Sistema de Control Centralizado para integrar las mini plantas de
Control de Velocidad de un Motor AC del Laboratorio de Ingeniería Electrónica
de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo - Lambayeque.
1.4.1. Objetivos específicos
Estudiar el principio y metodología del control centralizado para una red
de Controladores Lógicos Programables.
Definir la topología de red a utilizar.
Seleccionar los equipos y materiales para implementación de la red.
Plantear el sistema centralizado para la red de mini plantas.
Definir los protocolos de comunicación industrial a utilizar.
Implementar y realizar pruebas de funcionamiento del sistema.
1.5. Hipótesis
El diseño de un Sistema de Control Centralizado para integrar las mini plantas
de Control de Velocidad de un Motor AC del Laboratorio de Ingeniería Electrónica
de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo - Lambayeque, permitirá que los
estudiantes puedan realizar sus prácticas de laboratorio desde una sola
plataforma de control de forma inalámbrica o través de un cable Ethernet.
18
2. Mini planta de control de velocidad de un motor AC
Una mini planta de control de velocidad permite el control en forma eficiente de
un motor AC industrial. El control de un motor trifásico es una de las aplicaciones
que más se presentan en los procesos industriales. Dicho control se puede
realizar de diferentes maneras, desde un control en lazo abierto con contactores
hasta un control con variador en lazo cerrado haciendo que el proceso sea más
eficiente.
Para el adecuado control del motor, la mini planta de velocidad debe contar con
dos partes esenciales: un elemento primario conocido como controlador, que
será el encargado del accionamiento y parada del motor y un elemento
secundario para detectar el número de revoluciones del motor logrando así un
control en lazo cerrado.
La mini planta de velocidad del Laboratorio Nº02 de la Escuela Profesional de
Ingeniería Electrónica de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo está
compuesta por una pantalla HMI Magelis STU, un PLC Modicon M340 de
Schneider Electric con módulos de expansión de comunicación, digitales y
analógicos, un switch Ethernet, un variador de frecuencia Altivar 32, un motor
trifásico y un encoder óptico que permitirá un control en lazo cerrado.
Figura 1. Mini planta de control de velocidad
19
La siguiente figura muestra un diagrama de bloques en lazo cerrado de la mini planta de control de velocidad de un motor AC:
Figura 2. Diagrama de bloques de la mini planta de control de velocidad
En otras palabras, la referencia de velocidad es ingresada en el HMI STU 655
hacia el PLC Modicon M430 para controlar el arranque/paro y escribir la
referencia de velocidad en el variador Altivar 32 que se encuentra conectado a
un Motor AC de 3 HP que, al ser encendido, entrega una velocidad actual la cuál
es registrada por el encoder E50S8-600-3-T-24, dicha velocidad es comparada
con la referencia de velocidad generando un error de medición. Finalmente, el
error de medición ingresa nuevamente al PLC Modicon M340 para aplicar una
estrategia de control determinada.
2.1. Componentes de la mini planta
La mini planta de control de velocidad del Laboratorio Nº02 de Ingeniería
Electrónica está compuesta por elementos que logran que el control de un motor
AC sea el más adecuado y eficiente.
A continuación, se hará una descripción de cada elemento para entender la
función que cumple en la mini planta de control de velocidad.
Panel HMI STU 655
PLC Modicon M340
Variador de frecuencia ATV 32
Motor Trifásico 3 HP
Encoder rotativo E50S8-600–3–T–24
20
2.1.1. Panel HMI STU 655
HMI significa “Human Machine Interface”, es decir, es el dispositivo encargado
de realizar la interfaz entre las personas y las máquinas.
Los paneles HMI ofrecen modernas funciones de manejo y visualización
aunadas con características tales como robustez, estabilidad y simplicidad. Un
panel HMI está optimizado para satisfacer las necesidades de interfaz hombre-
máquina específicos utilizando interfaces abiertas y estandarizadas en hardware
y software, que permiten la integración eficiente en sus sistemas de
automatización.
Figura 3. Vista Frontal del HMI STU 655
Figura 4. Vista Posterior del HMI STU 655
21
La mini planta de control de velocidad del laboratorio Nº02 de Ingeniería
Electrónica cuentan con un HMI Magelis STU 655. A continuación, se hace un
resumen de las principales características del HMI Magelis STU 655 del
fabricante Schneider Electric.
Características eléctricas
Para suministrar alimentación a la unidad se deben seguir las siguientes
instrucciones:
Cuando se conecte el terminal de toma de tierra del bastidor (FG), se debe
asegurar que el cable está conectado a tierra. Si la unidad no se conecta
a tierra, podría provocar una interferencia electromagnética (EMI). La
toma de tierra es necesaria para cumplir con la protección de nivel de
compatibilidad electromagnética.
Los terminales SG (toma de tierra de señal) y FG se conectan en el interior
de la unidad.
Se debe apagar la alimentación antes de realizar el cableado a los
terminales de alimentación del HMI.
El HMI sólo consume 24 VDC de energía. El empleo de cualquier otro
nivel de alimentación puede provocar daños en la fuente de alimentación
y en la unidad.
El HMI no está equipado con un interruptor de alimentación, por lo que se
le debe conectar un interruptor de alimentación a la fuente.
Para reducir el ruido electromagnético, se debe acortar el cable de
alimentación tanto como sea posible.
En la siguiente tabla se muestran las especificaciones eléctricas de la unidad
HMI STU 655:
Tabla 1. Características eléctricas del HMI STU 655
Número de
serie
Tensión Límites de tensión de
entrada
Corriente
de entrada
Consumo de
alimentación
HMI STU 655 24 VDC 20,4 VDC a 28,8 VDC < 30A 6,5 W
22
En la siguiente figura se muestra la conexión del cable de alimentación:
Figura 5. Detalle del conector de alimentación del HMI STU 655
Memoria del HMI STU 655
En la siguiente tabla se muestran las especificaciones de memoria de la unidad
HMI STU 655:
Tabla 2. Especificaciones de la memoria del HMI STU 655
Elementos Especificación
Flash para aplicaciones 32 MB
Copia de seguridad de datos en FRAM 64 KB
DRAM para ejecución de aplicaciones 64 MB
Puertos de comunicación
La unidad HMI STU 655 tiene los siguientes puertos integrados para
comunicarse con unidades remotas o para transferir programas:
Puerto Ethernet (RJ45) que cumple el estándar IEEE802.3 para transmitir
y recibir datos a 10 Mbps o 100 Mbps a través de los protocolos Modbus
TCP, Ethernet IP y Profinet.
Puerto serie (RJ45) para interfaces RS–232C y RS–485.
Puerto USB.
Puerto mini USB.
23
En la siguiente figura se muestran los puertos de comunicación del panel HMI:
Figura 6. Detalle de los puertos de comunicación del HMI STU 655
Interfaz serie COM1
Esta interfaz se utiliza para conectar la unidad HMI STU 655 a un equipo remoto
mediante un cable serial RS-232C o RS-485. El conector empleado es del tipo
RJ45 de 8 pines.
En la siguiente figura se describe el conector RJ45 de ocho pines del panel HMI
STU:
Figura 7. Detalle del conector RJ45 del HMI STU 655
El HMI STU 655 cuenta con una pantalla en el entorno del Software Vijeo
Designer, en el cual se programan las funciones de control y supervisión.
24
2.1.2. PLC Modicon M340
Los procesadores de plataforma automatizados Modicon M340 gestionan toda
la estación PLC, que está formada por módulos de E/S binarias, módulos de E/S
analógicas y módulos de conteo, otros módulos expertos y módulos de
comunicación. Éstos se distribuyen en uno o más bastidores conectados al bus
local. Cada bastidor debe incluir un módulo de alimentación; el bastidor principal
aloja al CPU.
En la siguiente figura, se muestra un ejemplo de configuración para el PLC
Modicon M340 con un bastidor:
Figura 8. PLC Modicon M340 con un bastidor
Donde los componentes numerados de la estación de PLC simbolizan:
1: Módulo de alimentación
2: Procesador
3: Módulo de E/S con bloque de terminales de 20 pines
4: Módulo de E/S con conector simple de 40 pines
5: Módulo de E/S con 2 conectores de 40 pines
6: Módulo de conteo
7: Bastidor de 8 Ranuras
25
El PLC Modicon M340 instalado en la mini planta de control de velocidad del
laboratorio Nº02 de Ingeniería Electrónica está formado por los siguientes
módulos:
Fuente de alimentación BMX CPS 3500
Los módulos de alimentación están diseñados para alimentar cada rack y sus
módulos. El módulo de alimentación se selecciona de acuerdo con la distribución
de red (continua o alterna) y la potencia requerida.
Figura 9. Fuente de alimentación BMX CPS 3500
El módulo de alimentación BMX CPS 3500 tiene las siguientes funciones
auxiliares:
1. Panel de visualización: El LED OK estará encendido si hay presencia de
voltaje mientras que el LED 24V estará encendido si el voltaje de los
sensores es correcto.
2. Botón de reset: Al presionarlo simula un corte de alimentación y provoca
un arranque en frío de la aplicación.
3. Un relé de alarma.
4. Un suministro de 24 VDC.
26
En la siguiente tabla se muestran las características eléctricas de la fuente de
alimentación BMX CPS 3500:
Tabla 3. Características eléctricas de la fuente BMX CPS 3500
Módulo Comunicación CPU BMX P34 2020
El CPU BMX P34 2020 es un procesador diseñado para controlar módulos de
entradas/salidas digitales, módulos de entradas/salidas analógicas y módulos de
aplicaciones específicas.
La siguiente figura muestra el CPU BMX P34 2020:
Figura 10. Módulo Comunicación CPU BMX P34 2020
Parámetro BMX CPS 3500
Potencia máxima 36 watts
Voltaje de operación 115 a 230 VAC
Corriente de
operación
1,04 A / 115 VAC
0,52 A / 230 VAC
Acepta microcortes <= 10ms
Protección integrada Sí, contra sobrecargas, cortocircuitos y sobretensiones
27
La siguiente tabla muestra las características principales y limitaciones de los
procesadores BMX P34 XXXX:
Tabla 4. Características principales de los procesadores BMX P34
El CPU BMX P34 2020 tiene en el panel frontal hay disponibles indicadores LED,
que permiten efectuar un diagnóstico rápido del estado del PLC.
La siguiente figura muestra los indicadores LED de diagnóstico del procesador
BMX P34 2020.
Figura 11. Indicadores Led del CPU BMX P34 2020
La siguiente tabla muestra los indicadores LED de diagnóstico del procesador
BMX P34 2020 relacionados con su estado y el de la comunicación Ethernet.
28
Tabla 5. Diagnóstico del procesador y comunicación del CPU
La siguiente tabla muestra los indicadores LED de diagnóstico del procesador
BMX P34 2020 relacionados con el estado de la tarjeta de memoria y de los
módulos de E/S, así como el estado de la comunicación serial.
Tabla 6. Diagnóstico de la memoria y los módulos E/S del CPU
29
El CPU tiene un Puerto USB el que es utilizado para descargar los programas
desde el software de Unity Pro. Además, tiene una ranura para tarjeta de
memoria Flash de tipo SD Card, esta tarjeta de memoria se destina a la copia de
la zona de programa, símbolos y comentarios y de la zona de constantes.
Por otro lado, el CPU tiene un puerto Ethernet con una interfaz RJ45 que también
puede comunicarse mediante el protocolo Modbus TCP/IP con sus unidades
remotas. También es utilizado para la descarga de programas desde el software
Unity Pro.
Figura 12. Puerto Ethernet del CPU BMX P34 2020
Finalmente, el CPU tiene un puerto Modbus RTU con un conector RJ45 para
interfaces RS–232 y RS–485 que utiliza el protocolo Modbus RTU. La selección
de la interfaz serial se realiza a través del software Unity Pro.
Figura 13. Puerto Modbus RTU del CPU BMX P34 2020
30
Módulo Comunicación Ethernet BMX NOE 0110
El módulo BMX NOE 0100 es un módulo de red para la comunicación Ethernet
con el PLC Modicon M340 o cualquier otro dispositivo remoto. Las siguientes
imágenes muestran la estructura del módulo de comunicación Ethernet BMX
NOE 0110:
Figura 14. Módulo Comunicación Ethernet BMX NOE 0110
EL módulo de comunicación NOE tiene una pantalla de indicadores LED donde
los colores y los modelos de intermitencia de los LED indican el estado y las
condiciones de funcionamiento de las comunicaciones Ethernet en el módulo.
Figura 15. Indicadores Led del BMX NOE 0110
Los estados de los leds y el diagnóstico de fallas del módulo de comunicación
Ethernet BMX NOE 0110 equivalen a los datos mostrados en la Tabla 5.
31
El módulo BMX NOE 0110 cuenta con un puerto de comunicación Ethernet
(RJ45) utilizado para comunicarse con unidades remotas. La velocidad entre dos
dispositivos Ethernet está limitada a la velocidad del dispositivo más lento.
Las diferentes velocidades disponibles para el módulo BMX NOE 0110 son:
100 Mbps en semiduplex.
100 Mbps en dúplex completo.
10 Mbps en semidúplex10 Mbps en dúplex completo.
Además, tiene una ranura para tarjeta de memoria, la cual se puede utilizar para
almacenar archivos, como páginas web y archivos de registro.
Finalmente, tiene un botón de reset que, al pulsarlo, reinicia en frío el módulo.
Después de reiniciar, la red reconoce el módulo como un dispositivo nuevo.
Módulo Digital BMX DDI 1602
El módulo BMX DDI 1602 es un módulo digital de 24 VDC conectado a través de
un bloque de terminales de 20 pines. Es un módulo de lógica positiva (o común
positivo) y los 16 canales de entrada reciben corriente de los sensores.
Figura 16. Módulo Digital BMX DDI 1602
32
La figura 15 muestra el diagrama de conexiones del módulo BMX DDI 1602:
Figura 17. Diagrama de conexiones del BMX DDI 1602
Módulo Digital BMX DAI 1604
El módulo DAI 1604 es un módulo digital de 100 a 120 VAC conectado a través
de un bloque de terminales de 20 pines. Este módulo tiene 16 canales de entrada
que funcionan con corriente alterna.
Figura 18. Módulo Digital BMX DAI 1604
33
La figura 17 muestra el diagrama de conexiones del módulo BMX DAI 1604:
Figura 19. Diagrama de conexiones del BMX DAI 1604
Módulo Digital BMX DRA 1605
El módulo BMX DRA 1605 es un módulo binario de 24 VDC o de 24 a 240 VAC
conectado a través de un bloque de terminales de 20 pines. Los 16 canales de
salida de relé no aislados funcionan con corriente alterna o con corriente directa.
Figura 20. Módulo Digital BMX DRA 1605
La figura 19 muestra el diagrama de conexiones del módulo BMX DRA 1605:
34
Figura 21. Diagrama de conexiones del BMX DRA 1605
Módulo Analógico BMX AMI 0810
El módulo BMX AMI 0810 es un módulo analógico de entrada de alta densidad
con 8 canales aislados. Este módulo se utiliza junto con sensores o emisores
para realizar funciones de vigilancia, medición y control continuo.
El módulo BMX AMI 0810 proporciona el rango siguiente para cada entrada,
según la selección que se realice durante la configuración:
Tensión de +/-5 V, +/-10 V, 0 a 5 V, 0 a 10 V y 1 a 5 V.
Corriente de +/-20 mA, 0 a 20 mA, 4 a 20 mA.
Figura 22. Módulo Analógico BMX AMI 0810
35
La figura 21 muestra el diagrama de conexiones del módulo BMX AMI 0810:
Figura 23. Diagrama de conexiones del BMX AMI 0810
Módulo Analógico BMX AMO 0802
El módulo BMX AMO 0802 es un módulo analógico de salida de alta densidad
con 8 canales no aislados. Ofrece los siguientes rangos de corriente para cada
salida:
De 0 a 20 mA
De 4 a 20 mA
Figura 24. Módulo Analógico BMX AMO 0802
36
La figura 23 muestra el diagrama de conexiones del módulo BMX AMO 0802:
Figura 25. Diagrama de conexiones del BMX AMO 0802
2.1.3. Variador de frecuencia ATV 32
La mini planta de control de velocidad del laboratorio Nº02 de Ingeniería
Electrónica cuenta con un variador de frecuencia ALTIVAR 32 (ATV32HU22M2)
que permite controlar la velocidad de motores trifásicos síncronos y asíncronos
de 2,2 KW o 3 HP. La tensión de alimentación del variador es de 220 VAC a 60
Hz, la corriente nominal es de 11 A y la corriente transitoria máxima que puede
soportar es de 16,5 A.
La elección de la instalación de un convertidor de frecuencia como método de
ahorro energético supone:
Reducción del consumo de energía eléctrica.
Mejor control operativo, mejorando la rentabilidad y la productividad de los
procesos productivos.
Contar con la posibilidad de frenado dinámico.
Ahorro en mantenimiento (el motor trabaja siempre en las condiciones
óptimas de funcionamiento).
37
Figura 26. Variador de Frecuencia ATV 32
Interruptor de protección GV2
Los variadores ATV32 están preparados para que pueda instalarse un interruptor
de protección GV2.
La mini planta de control de velocidad cuenta con el interruptor GV2 L22 25A.
Figura 27. Interruptor de protección GV32
38
Descripción de la HMI del ATV32
Las funciones de la pantalla y las teclas se describen a continuación:
Figura 28. Pantalla y teclas del Variador de Frecuencia ATV 32
Donde:
1: La tecla ESC se utiliza para navegar por el menú (retroceder) y para
realizar ajustes en los parámetros.
2: El selector giratorio se utiliza para navegar por el menú (ir de arriba
abajo) y para realizar ajustes en los parámetros (incrementar/disminuir un
valor o una opción de un elemento).
3: La tecla ENT (pulsación en el selector giratorio) se utiliza para navegar
por el menú y para realizar ajustes en los parámetros (validar).
A: Modo REF seleccionado
B: Mono MON seleccionado
C: Modo CONF seleccionado
D: Punto utilizado para mostrar el valor del parámetro (centésimas)
E: Punto utilizado para mostrar el valor del parámetro (décimas)
F: La visualización actual es el valor del parámetro
G: La visualización actual es la unidad del parámetro
39
Acceso a los bornes de fuerza
Los bornes de potencia están situados en la parte superior del variador. Los
bornes del motor y de la resistencia de frenado están situados en la parte inferior
del variador. La disposición y las características de las bornes de potencia se
muestran en la siguiente figura.
Figura 29. Bornes de fuerza del Variador ATV 32
Acceso a los bornes de control
Para acceder a los bornes de control, se debe abrir la cubierta tal como se
muestra en la siguiente figura. Todos los tornillos son M3 con cabeza ranurada,
de 3.8 mm (0.15 in.) de diámetro.
Figura 30. Bornes de control del Variador ATV 32
40
Tabla 7. Función de los bornes de control del ATV 32
41
42
Puerto de comunicación RJ45
Además, el variador de velocidad Altivar 32 cuenta con un puerto de
comunicación con interfaz RJ45 que se utiliza para conectar:
Un PC con el software SoMove.
Un terminal gráfico o remoto.
Una red Modbus o CANopen.
Herramientas de cargador de configuración. La siguiente figura describe los pines del conector RJ45 del variador ATV32:
Figura 31. Conector RJ45 del Variador ATV 32
43
2.1.4. Motor trifásico 3 HP
La mini planta de control de velocidad del laboratorio Nº02 de Ingeniería
Electrónica cuenta con un motor trifásico de 3 HP marca Siemens.
Figura 32. Motor trifásico de 3 HP marca Siemens
En la siguiente figura se muestran los datos de placa del motor trifásico:
Figura 33. Datos de placa del motor trifásico
El esquema de conexión de la mini planta de control de velocidad tiene un
esquema conforme a las normas EN 954-1 categoría 2 e IEC/EN 61508
capacidad SIL1, categoría de parada 0 según la norma IEC/EN 60204-1.
Este esquema de conexión es el adecuado para las máquinas con poco tiempo
de parada libre (con poca inercia o con alto par resistente).
Una vez activada la demanda de parada de emergencia, la alimentación del
variador se corta de inmediato y el motor se detiene en modo de parada libre,
conforme a la categoría 0 de la norma IEC/EN 60204-1.
44
Figura 34. Motor trifásico de 3 HP marca Siemens
El motor trifásico se puede conectar en estrella (todos los finales conectados en
un punto común, alimentando al sistema por los extremos libres) o bien en
triangulo (conectando el final de cada fase al principio de la fase siguiente,
alimentando al sistema por los puntos de unión).
En la conexión estrella, la intensidad que recorre cada fase coincide con la
intensidad de línea, mientras que la tensión que se aplica a cada fase es √3
veces menor que la tensión de línea.
Figura 35. Conexión en estrella
45
En la conexión triangulo la intensidad que recorre cada fase es √3 veces menor
que la intensidad de línea, mientras que la tensión a la que está sometida cada
fase coincide con la tensión de línea.
Figura 36. Conexión en triangulo
2.1.5. Encoder rotativo E50S8-600–3–T–24
La mini planta de control de velocidad del Laboratorio N°02 de la escuela de
Ingeniería Electrónica cuenta con un encoder rotativo E50S8–600–3–T–24.
Figura 37. Encoder rotativo E50S8-600–3–T–24
La velocidad de rotación es una variable muy importante en los procesos, y más
aún si está ligada a motores. Un encoder permite hacer un conteo exacto del
número de RPM del motor, funcionando como un feedback de velocidad.
46
En la siguiente tabla se muestran las especificaciones eléctricas del encoder
rotativo E50S8-600–3–T–24:
Tabla 8. Especificaciones eléctricas del encoder rotativo
Parámetro Especificación
Diámetro 50 mm
Diámetro del eje 8 mm
Pulsos por revolución 600 pulsos
Tipo Salida Totem
Salidas Tiene 3 salidas – A, B, Z
Tensión de entrada 24 VDC
Corriente de entrada Max. 80 mA
En la siguiente figura se muestran los pines de conexión del encoder rotativo, así
como sus salidas:
Figura 38. Pines de conexión del encoder rotativo
En la siguiente figura se muestra la forma de onda de salida del encoder:
Figura 39. Forma de onda de salida del encoder rotativo
47
2.2. Comunicaciones industriales
En 1968, la compañía Modicon inventó el concepto de controlador lógico programable. Su gran flexibilidad de uso ofrece numerosas ventajas durante cada etapa de una instalación industrial. El concepto de redes fue poco a poco insertándose, inicialmente como conexiones en serie. El intercambio de datos fue formalizado por los protocolos industriales, por ejemplo, Modbus (Modicon Bus, 1979). A partir de ese momento, numerosas aplicaciones industriales han adoptado el uso de buses de campo. El bus de campo es una potente herramienta de intercambio, visibilidad y flexibilidad de los dispositivos que se comunican a través de él.
En 1996, Schneider Electric promociona la red Ethernet industrial para conectar los niveles de “gestión” y “planta” con los controladores lógicos programables, y es entonces cuando se introduce el concepto de “Transparent Ready”. Este concepto se basa en añadir herramientas y protocolos industriales, incluyendo Modbus, a elementos estándar existentes en Ethernet.
2.2.1 Niveles de Arquitectura
Las arquitecturas están actualmente estructuradas en cuatro niveles
diferenciados, interconectados sistemas de comunicación.
Figura 40. Niveles de Arquitectura
48
Gestión
El nivel de gestión está principalmente constituido por servidores y
estaciones de operación, ya que se encuentra más alejado del proceso
productivo. En este nivel adquiere mucha relevancia toda la información
relativa a la producción y a la gestión asociada, es decir, es posible
obtener la información global de todos los niveles inferiores de una o
varias plantas. Habitualmente se emplean redes Ethernet, que se adaptan
mejor al tipo de dato a transmitir y, además, permiten una comunicación
eficaz entre los diferentes computadores ubicados en el mismo nivel de
gestión. Por otro lado, brinda niveles de seguridad informática.
Planta
El nivel de planta permite visualizar cómo se está llevando a cabo los
diferentes procesos de una planta y, a través, de sistemas SCADA
(Supervisión, Control y Adquisición de Datos) o DCS (Sistemas de Control
Distribuido) se puede representar en su totalidad la planta mediante
pantallas de operación donde se muestra el estado de los principales
equipos, las principales señales, enclavamientos, alarmas, eventos,
tendencias e históricos de las principales variables de la planta. Para ello,
resulta imprescindible la sincronización de los controladores lógicos
programables en una misma red de intercambio de datos en un arreglo
cliente/servidor con las herramientas de control (software de
programación, pantallas HMI) en tiempo real. En su mayoría, se emplea
redes LAN industriales de alta velocidad debido a la necesidad de
transmitir grandes cantidades de data y la conexión con un gran número
de elementos de control.
Máquina
El nivel de Máquina se encarga de gestionar los actuadores y sensores
de campo, tales como, Controladores Lógicos Programables, interfaces
remotas de entrada/salida, arrancadores programables de motores, etc.
Este nivel ofrece una arquitectura distribuida, la integración funcional del
proceso y la transparencia de intercambio de datos.
49
Sensor
También llamado nivel de instrumentación. Este nivel está formado por los
elementos de medida (sensores, transmisores) y mando (actuadores)
distribuidos a lo largo del proceso de la planta ofreciendo la captura de
datos desde el medio físico al nivel de máquina. En otras palabras, los
actuadores son los encargados de ejecutar las ordenes enviadas por los
elementos de control para modificar las variables del proceso medidas por
los sensores de campo.
Las características de los niveles se detallan en la siguiente tabla:
Tabla 9. Niveles de Arquitectura
Nivel Gestión Planta Máquina Sensor
Volumen datos a
transmitir
Archivos
Mbits
Datos
Kbits
Datos
Kbits
Datos
Bits
Tiempo de respuesta 1 min 50-500 ms 50-100 ms
Distancia Mundial 2-40 km 10 m a 1 km 1-100 m
Topología de red
Bus,
estrella,
anillo
Bus,
estrella,
anillo
Bus,
estrella,
anillo
No existe
restricción
Número de
direcciones Ilimitado 10-100 10-100 10-124
Medio Eléctrico,
óptico, radio
Eléctrico,
óptico, radio
Eléctrico,
óptico, radio
Eléctrico,
radio
2.2.2 Topología de red
Una red industrial está compuesta de controladores lógicos programables,
paneles HMI, computadoras y dispositivos de entrada/salida conectados de
forma conjunta por medios físicos como cables eléctricos, fibras ópticas, enlaces
por radio y elementos de interfaz como las tarjetas de red, switches y Gateway.
La distribución física de una red es la topología de red o la arquitectura de control.
50
Las topologías normalmente se dividen de la siguiente manera:
Topología tipo bus
Esta es una de las distribuciones más simples; todos los elementos están
cableados a la misma línea de transmisión. La palabra “bus” se refiere a
la línea física. Esta topología se implementa fácilmente y el fallo de un
nodo o elemento no provoca avería en la red.
Las redes de nivel “máquina” y “sensor”, conocidos como buses de
campo, utilizan esta topología.
La topología de bus se implementa conectando los dispositivos en una
cadena o al cable principal mediante una caja de paso.
Figura 41. Topología tipo bus
Topología tipo estrella
Esta es la topología más frecuente del protocolo Ethernet, es la topología
más común en los niveles de “gestión” y “planta”. Tiene la ventaja de ser
muy flexible en su funcionamiento y detección de fallas.
Los nodos finales están conectados todos entre ellos a través de un
dispositivo intermedio (repetidor, conmutador, hub, switch). El fallo en
algún nodo no provoca avería en la red, sin embargo, los dispositivos
intermedios que conectan a todos los nodos representan un punto de falla.
51
Figura 42. Topología tipo estrella
Topología tipo anillo
Esta topología utiliza la misma distribución del hardware que la topología
en estrella, pero asegura una mayor disponibilidad de la red.
Figura 43. Topología tipo anillo
Topología tipo malla
Esta topología no se utiliza mucho en la industria y presenta el
inconveniente de tener un gran número de enlace.
Figura 44. Topología tipo malla
52
2.3. Protocolos de Comunicación
Un protocolo de comunicación establece un conjunto de reglas para un tipo de
comunicación particular.
2.3.1 El modelo OSI
La ISO (International Standards Organization) ha definido una arquitectura
general de red en su modelo ISO 7498. Estas especificaciones de red fueron
desarrolladas como parte del modelo OSI (Open System Interconnection) para
definir capas de comunicación en el diseño de un protocolo de red. Dentro de
este modelo, el conjunto de protocolos de una red se divide en 7 capas OSI,
numeradas del 1 al 7.
Figura 45. Capas del modelo OSI
Las capas OSI trabajan según los siguientes principios:
Cada capa soporta un protocolo independientemente de las otras capas.
Cada capa proporciona servicios a la capa inmediatamente arriba de ella.
Cada capa proporciona servicios a la capa inmediatamente debajo de ella.
La capa 1 describe el soporte de comunicación.
La capa 7 proporciona servicios al usuario o a una aplicación.
53
El modelo OSI por sí mismo, no es una arquitectura de red puesto que no
especifica el protocolo que debe usarse en cada capa. Posteriormente, estos
protocolos fueron implementados por los fabricantes de software de
comunicaciones, ajustándose a las funciones de cada una de las capas.
La siguiente tabla describe las funciones de cada una de las 7 capas:
Tabla 10. Capas del Modelo OSI
N Capa OSI Función de la capa Ejemplos
7 Aplicación
Refiere a los estándares para la
generación y/o interpretación de los datos
en su forma final. En otras palabras, es la
interfaz con el usuario.
HTTP, SMTP,
POP2, FTP,
Modbus
6 Presentación
Define como se representará la
información: caracteres, terminales de
control y los comandos gráficos
HTML, XML
5 Sesión
Garantiza las correctas comunicaciones y
conexiones entre los sistemas. Define la
apertura y cierre de sesiones.
IOS8327,
RPC, Netbios
4 Transporte
Permite establecer la comunicación de un
extremo a otro, segmentar y montar
datos, controlar el flujo, detectar error y
repararlos.
TCP, UDP,
RTP, SPX,
ATP
3 Red Se ocupa del transporte de paquetes
(datagramas) a través de la red.
IP, ICMP,
IPX, WDS
2 Conexión Permite establecer, a través de un medio
físico, una conexión libre de errores.
ARCnet,
PPP,
Ethernet,
Token ring
1 Física
Define los protocolos para el intercambio
de bits y los aspectos eléctricos,
mecánicos y funcionales del acceso a red.
CSMA, RS-
232, 10 Base-
T, ADSL
54
2.3.2 El modelo TCP/IP
El modelo TCP/IP es el usado actualmente en la red Ethernet. Ese modelo se
puede considerar de cuatro capas y es considerado el estándar de facto.
Ethernet funciona bajo el principio de acceso a los medios controlado por un
mecanismo de detección de colisiones. Cada nodo está identificado por una
clave única o dirección MAC, que asegura que cada PC en una red Ethernet
tenga una dirección diferente. Esta tecnología, conocida como CSMA/CD
(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) asegura que sólo una
estación puede transmitir un mensaje en el medio a la vez.
Las mejoras sucesivas de Ethernet han dado lugar a la norma IEEE 802.3 que
solo define las características de las capas físicas; la manera como la
información accede a la red y la trama de datos debe ser definida por las capas
complementarias. La siguiente figura muestra estas capas y los protocolos
asociados.
Figura 46. Capas del Modelo TCP/IP
55
Capa física y de enlace
La capa física describe las características físicas de la comunicación
como la convención acerca de la naturaleza del medio usado (cables
eléctricos, fibra óptica o radioenlace) y todos los detalles relacionados
como conectores, tipos de codificación y modulación niveles de señal,
longitudes de onda, sincronización y distancias máximas.
La capa de enlace especifica el control de acceso al medio y cómo los
paquetes de datos son transportados sobre la capa física, en particular la
estructura de la trama (esto es, secuencias específicas de bits al inicio y
fin de los paquetes).
Capa de red
La capa red soluciona el problema de transporte de paquetes a través de
una única red, además, en la encargada de transportar los datos desde
una red fuente hacia una red destino.
Dentro de los protocolos de Internet, el protocolo IP transmite paquetes
de una fuente a un destinatario en cualquier lugar de la red. El transporte
por IP se hace posible definiendo una dirección IP para asegurar y reforzar
la unicidad de cada una de estas direcciones. Cada nodo es identificado
con su propia dirección IP. El protocolo IP incluye además otros protocolos
como el ICMP (Internet Control Message Protocol) usado para transferir
mensajes de error de transmisión IP y el IGMP (Internet Group
Management Protocol) que gestiona datos multicast.
Capa de transporte
Los protocolos de la capa de transporte pueden solucionar problemas
como la fiabilidad del intercambio de datos, la adaptación automática a la
capacidad de las redes utilizadas y el control de flujo. Además, asegura
que los datos lleguen en el orden correcto. Es decir, estos protocolos
determinan a qué aplicación debe entregarse cada paquete.
TCP (Transmission Control Protocol) es un protocolo de transporte,
orientado a la conexión. Proporciona un flujo de bytes fiable que garantiza
la llegada de datos sin alteración y en orden, con retransmisión en caso
de pérdida y eliminación de datos duplicados.
56
UDP (User Datagram Protocol) es un protocolo simple, sin conexión y “no
fiable”. Esto no significa que sea poco fiable, el problema es que no
comprueba que los paquetes lleguen a su destino y en orden.
Capa de aplicación
Las aplicaciones funcionan generalmente bajo TCP o UDP y están
normalmente asociadas a un puerto bien conocido.
o HTTP (HyperText Transfer Protocol) puerto 80 ó 8080.
Se usa para transferir páginas web entre un servidor y un
navegador.
o BOOTP/DHCP (Bootstrap Protocol/Dynamic Host Configuration
Protocol)
Proporciona de forma automática los parámetros de direcciones IP.
o FTP (File Transfer Protocol) puerto 20/21
Proporciona los elementos básicos para transferir archivos.
o TFTP (Trivial File Transfer Protocol)
Simplifica la transferencia de archivos.
o NTP (Network Time Protocol)
Se utiliza para sincronizar la hora en dispositivos.
o SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
Proporciona un servicio de transmisión de correos electrónicos.
o SNMP (Simple Network Management Protocol)
Gestiona los diferentes componentes de una red desde un único
sistema, permite ver el estado de la red y los dispositivos.
o Modbus (Modicon Bus) puerto 502
Protocolo de uso estándar en la industria, proporciona una capa de
aplicación simple y barata.
o COM/DCOM (Distributed Component Object Model) u OLE (Object
Linking and Embedding)
Tecnología que compone los objetos de Windows utilizados para
la comunicación transparente entre aplicaciones de Windows. Esta
tecnología se usa en servidores OPC (OLE for Process Control)
57
2.4 Modbus
El protocolo Modbus fue desarrollado en 1979 por Modicon, incorporado para los
sistemas de automatización industrial y los controladores lógicos programables
Modicon. Este protocolo se convirtió en un método estándar en la industria para
transferir información hacia entradas/salidas digitales y analógicas, además,
para registrar data entre el control industrial y los dispositivos monitoreados.
2.4.1 Modelo Cliente/Servidor
Los dispositivos Modbus se comunican mediante el modelo cliente/servidor
(maestro/esclavo). El maestro (cliente) es quien controla en todo momento las
comunicaciones con los esclavos que pueden ser hasta 247 nodos. Los esclavos
(servidores) se limitan a retornar los datos solicitados o a ejecutar la acción
indicada por el maestro.
Figura 47. Comunicación Modbus cliente/servidor
Este modelo cliente/servidor está basado en cuatro tipos de mensajes:
Solicitud: es el mensaje enviado a la red por el cliente para iniciar la
transacción.
Indicación: es el mensaje de solicitud recibido del lado del servidor.
Respuesta: es el mensaje de respuesta enviado por el servidor.
Confirmación: es el mensaje de respuesta recibido del lado del cliente.
2.4.2 Modo ASCII y Modo RTU
Las comunicaciones Modbus se pueden realizar en modo ACSII o en modo RTU.
En modo RTU, los bytes se envían en binario, tal cual llega la información. En
modo RTU no se utiliza indicador de inicio y final de trama.
58
En modo ASCII, los bytes se envían codificados en ASCII, es decir, que por cada
byte a transmitir se envían dos caracteres ASCII (2 bytes) con su representación
hexadecimal (esto permite leer las tramas con un simple editor de texto). En el
modo ASCII las tramas comienzan por 3AH (carácter ‘:’), y terminan en 0DH-0AH
(carácter CR/CL) y cada byte se envía como dos caracteres ASCII.
Figura 48. Comparación Modo ASCII y Modo RTU de Modbus
2.4.3 Funciones y registros
Los registros Modbus están organizados en cuatro básicos tipos de datos y cada
tipo de dato está identificado por un número como referencia de dirección. La
siguiente tabla muestra las funciones más utilizadas en las peticiones y
respuestas de Modbus:
Tabla 11. Funciones y registros Modbus
Registro Función Dirección
0xxxx Lectura/Escritura de salidas discretas o “Coils” (bit) %M
1xxxx Lectura de entradas discretas (bit) %I
3xxxx Lectura de registros de entrada (16 bits) %IW
4xxxx Lectura/Escritura de registros de salida (16 bits) %MW
59
2.4.4 Clases
Clase 0: Son las funciones básicas para la comunicación cliente/servidor.
Tabla 12. Clase 0
Código Función
3 Leer múltiples registros (16 bits)
16 Escribir múltiples registros (16 bits)
Clase 1: Son las funciones adicionales comúnmente implementadas.
Tabla 13. Clase 1
Código Función
1 Leer estado salidas discretas
2 Leer estado entradas discretas
4 Leer registros de entrada (16 bits)
5 Escribir salida discreta
6 Escribir registro simple
7 Leer estados de excepción
Clase 2: Funciones utilizadas para operaciones en tiempo real como HMI.
Tabla 14. Clase 2
Código Función
15 Forzar múltiples salidas discretas
20 Leer referencia general
21 Escribir referencia general
22 Enmascarar registro de escritura
23 Leer/Escribir registros
24 Leer cola FIFO
60
2.5 Modbus TCP/IP
Modbus TCP/IP es una variante de la familia Modbus diseñado para la
supervisión y control de equipos de automatización. Específicamente, es usado
para enviar mensajes Modbus RTU usando los protocolos TCP/IP. Todas las
solicitudes son enviadas vía TCP/IP utilizando el puerto 502.
Figura 49. Niveles de Arquitectura Modbus TCP/IP
2.5.1 Arquitectura de Comunicación
La comunicación usando Modbus TCP/IP incluye diferentes tipos de dispositivos:
Dispositivos clientes/servidores conectados a una red TCP/IP.
Dispositivos de interconexión como bridge, routers o gateways para la
interconexión entre una red TCP/IP y una red Modbus serial que permiten
conexiones a clientes/servidores Modbus serial.
61
Figura 50. Arquitectura de comunicación Modbus TCP/IP
2.5.2 Paquete Modbus TCP/IP
La estructura de los mensajes Modbus es de un protocolo de aplicación que
define las reglas para la organización y la interpretación de la data
independientemente del medio de transmisión.
TCP/IP habilita bloques de información binaria que serán intercambiadas entre
computadoras y/o controladores lógicos programables. La función principal de
TCP es asegurar que todos los paquetes de datos son recibidos correctamente,
mientras que IP se asegura que los mensajes sean correctamente direccionados
y ruteados al destino. Nótese que TCP/IP son protocolos de transporte y no
definen que significa la data enviada o cómo interpretarla, este el trabajo de
Modbus que es un protocolo de aplicación.
Figura 51. Paquete Modbus TCP/IP
62
2.5.3 ADU Modbus TCP/IP
El protocolo Modbus define un PDU (Protocol Data Unit). La cabecera dedicada
es usada para identificar la ADU (Application Data Unit) Modbus TCP/IP.
El cliente que inicia una transacción Modbus TCP/IP construye la ADU Modbus
TCP/IP. La “función de código” indica al servidor que tipo de acción debe realizar.
Figura 52. Trama Modbus TCP/IP
2.5.4 Cabecera Modbus TCP/IP
La cabecera Modbus TCP/IP está formada por 7 bytes:
Identificador de Transacción (2 bytes), identifica petición o respuesta.
Identificador de Protocolo (2 bytes), donde 0 = Protocolo Modbus
Longitud (2 bytes), número de bytes a continuación.
Identificador de Unidad (1 Byte), dirección del esclavo Modbus.
Figura 53. Cabecera Modbus TCP/IP versus Modbus RTU
63
2.6 OPC (OLE for Process Control)
OPC es un estándar de comunicación en el campo del control y supervisión de
procesos industriales, basado en una tecnología de Microsoft, que ofrece una
interfaz común para la comunicación entre dispositivos de diferentes marcas y
sistemas de control sin ninguna restricción propietaria incluyendo el acceso a la
data en tiempo real, monitoreo de alarmas y eventos, acceso a la data histórica
y otras aplicaciones.
Cuando el estándar fue liberado por primera vez en 1996, su propósito era
agrupar los protocolos específicos de los Controladores Lógicos Programables
(PLC) en una interfaz estandarizada disponible para los sistemas HMI/SCADA
con una interfaz para la lectura/escritura de datos OPC. Hoy en día,
prácticamente todos los mayores fabricantes de sistemas de control,
instrumentación y de procesos han incluido OPC en sus productos.
2.6.1 Tecnologías OPC
OPC DA (Data Access)
Diseñado para la transmisión de datos en tiempo real, está compuesto por
los objetos:
o Servidor: Almacena la información y unifica los grupos.
o Grupo: Contiene en forma lógica los ítems.
o Ítem: Es el valor en tiempo real.
OPC AE (Alarm & Event)
Transfiere alarmas y eventos.
OPC HDA (Historic Data Access)
Brinda acceso a datos históricos.
OPC UA (Unified Architecture)
Nueva Generación. Permite trabajar con cualquier tipo de datos (DA, AE,
HDA) y abandona COM/DCOM a favor de los protocolos SOAP/HTTP.
64
2.6.2 Arquitectura Cliente/Servidor OPC
OPC es una tecnología cliente/servidor, es decir, el servidor OPC es la fuente de
los datos y cualquier aplicación (cliente) basada en OPC puede acceder a dicho
servidor para leer/escribir cualquier variable que publique el servidor.
Una arquitectura OPC se refiere a la infraestructura de comunicaciones que
incluye uno o varios clientes OPC y servidores OPC comunicándose entre sí.
Para mantener una arquitectura cliente/servidor OPC fácil de leer se utiliza la
convención de dibujar el diagrama de flujo con los datos fluyendo desde abajo
hacia arriba. Los datos deben fluir desde las fuentes de datos (PLC, DCS, RTU,
Protocolos, Bases de Datos, hojas de cálculo, etc.) hacia la aplicación que usará
los datos (DCS, SCADAs, bases de datos, HMIs, historiadores, etc.)
Figura 54. Arquitectura Cliente/Servidor OPC
65
Servidor OPC
Un servidor OPC es una aplicación de software (driver). El servidor OPC
hace de interfaz comunicando por un lado con una o más fuentes de datos
utilizando sus protocolos nativos (típicamente PLCs, DCSs, Módulo IO,
controladores, etc.) y por el otro lado con clientes OPC.
Los Servidores OPC clásicos utilizan la infraestructura COM/DCOM de
Windows para el intercambio de datos.
Cliente OPC
Un cliente OPC es una aplicación de software (programa). El cliente OPC
(típicamente, DCS, SCADAs, HMIs, generadores de informes, etc.) puede
leer y escribir en los dispositivos a través del servidor OPC.
Figura 55. Flujo de comunicación entre el Cliente/Servidor OPC
66
2.6.3 Servidor MatrikonOPC para Modbus
El servidor OPC para Modbus permite acceder a todos los dispositivos Modbus
utilizando un Cliente OPC. Está específicamente diseñado para integrar datos
de campo como aplicaciones tipo DCS, HMI, SCADA, historiadores, bases de
datos o cualquier otra aplicación Cliente OPC. Soporta diferentes tipos de
conexión y no tiene límites de dispositivos ni de tags.
Este Servidor OPC ha sido probado rigurosamente con hardware de fabricantes
FREC_IN_N INT %MW203 Frecuencia de entrada - atv32
FREC_HMI_N INT %MW204 Frecuencia de entrada - HMI
FREC_REM_N INT %MW205 Referencia de velocidad - remoto
ABS_RPM_N INT %MW206 Absoluta de rpm del motor
STSEQ_DELAY_N INT %MW300 Retardo de arranque secuencial
SPSEQ_DELAY_N INT %MW301 Retardo de paro secuencial
STARTING_DELAY_N INT %MW302 Tiempo arrancado secuencial
STOPPING_DELAY_N INT %MW303 Tiempo deteniendo secuencial
85
Figura 73. Tabla de Intercambio de Mini planta N°1
Figura 74. Tabla de Intercambio de Mini planta N°2
Controlador Dirección IP Variable Tipo Dirección Dirección Modbus ComentarioPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 SPSEQ_ET_1 TIME TIEMPO DE ESPERA PARA PARO SECUENCIALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 SPSEQ_PT_1 TIME RETARDO DE PARO SECUENCIAL (SEG)PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 STSEQ_ET_1 TIME TIEMPO DE ESPERA PARA ARRANQUE SECUENCIALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 STSEQ_PT_1 TIME RETARDO DE ARRANQUE SECUENCIAL (SEG)PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 LOCAL_REMOTO EBOOL %I0.4.7 ESTADO SELECTOR LOCAL REMOTOPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 LOCAL_START EBOOL %I0.4.8 PULSADOR DE ARRANQUE TABLERO LOCALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 LOCAL_STOP EBOOL %I0.4.10 PULSADOR DE PARO TABLERO LOCALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 MARCHA_1 EBOOL %M0 BOTON_MARCHA_HMIPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 PARO_1 EBOOL %M5 BOTON_PARO_HMIPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 START_REM_1 EBOOL %M50 00051 BOTON DE ARRANQUE DESDE EL SCADAPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 STOP_REM_1 EBOOL %M51 00052 BOTON DE PARO DESDE EL SCADAPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 RUNNING_1 EBOOL %M52 00053 ESTADO ARRANCADO VARIADORPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 LOC_REM_1 EBOOL %M53 00054 ESTADO SELECTOR LOCAL REMOTO (OPC)PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 ST_INTLK_LOC_1 EBOOL %M54 00055 PERMISIVO DE ARRANQUE EN MODO LOCALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 ST_INTLK_REM_1 EBOOL %M55 00056 PERMISIVO DE ARRANQUE EN MODO REMOTOPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 STSEQ_REM_1 EBOOL %M60 00061 COMANDO ARRANQUE SECUENCIALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 SPSEQ_REM_1 EBOOL %M61 00062 COMANDO PARO SECUENCIALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 ETA_1 INT %MW101 40102 REGISTRO DE ESTADOPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 CANT_RPM_1 INT %MW102 40103 NUMERO DE RPM DEL MOTORPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 CMD_1 INT %MW201 40202 REGISTRO DE CONTROL - (6,7,15)PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 RPM_IN_1 INT %MW202 40203 RPM DE ENTRADA - ATV32PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 FREC_IN_1 INT %MW203 40204 FRECUENCIA DE ENTRADA - ATV32PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 FREC_HMI_1 INT %MW204 40205 FRECUENCIA DE ENTRADA - HMI PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 FREC_REM_1 INT %MW205 40206 REFERENCIA DE VELOCIDAD - REMOTOPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 ABS_RPM_1 INT %MW206 40207 ABSOLUTA DE RPM DEL MOTORPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 STSEQ_DELAY_1 INT %MW300 40301 RETARDO DE ARRANQUE SECUENCIALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 SPSEQ_DELAY_1 INT %MW301 40302 RETARDO DE PARO SECUENCIALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 STARTING_DELAY_1 INT %MW302 40303 TIEMPO ARRANCADO SECUENCIALPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 STOPPING_DELAY_1 INT %MW303 40304 TIEMPO DETENIENDO SECUENCIAL
Controlador Dirección IP Variable Tipo Dirección Dirección Modbus ComentarioPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 SPSEQ_ET_2 TIME TIEMPO DE ESPERA PARA PARO SECUENCIALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 SPSEQ_PT_2 TIME RETARDO DE PARO SECUENCIAL (SEG)PLC_Miniplanta2 192.168.200.20 STSEQ_ET_2 TIME TIEMPO DE ESPERA PARA ARRANQUE SECUENCIALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 STSEQ_PT_2 TIME RETARDO DE ARRANQUE SECUENCIAL (SEG)PLC_Miniplanta2 192.168.200.20 LOCAL_REMOTO EBOOL %I0.4.7 ESTADO SELECTOR LOCAL REMOTOPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 LOCAL_START EBOOL %I0.4.8 PULSADOR DE ARRANQUE TABLERO LOCALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 LOCAL_STOP EBOOL %I0.4.10 PULSADOR DE PARO TABLERO LOCALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 MARCHA_2 EBOOL %M0 BOTON_MARCHA_HMIPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 PARO_2 EBOOL %M5 BOTON_PARO_HMIPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 START_REM_2 EBOOL %M50 00051 BOTON DE ARRANQUE DESDE EL SCADAPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 STOP_REM_2 EBOOL %M51 00052 BOTON DE PARO DESDE EL SCADAPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 RUNNING_2 EBOOL %M52 00053 ESTADO ARRANCADO VARIADORPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 LOC_REM_2 EBOOL %M53 00054 ESTADO SELECTOR LOCAL REMOTO (OPC)PLC_Miniplanta2 192.168.200.20 ST_INTLK_LOC_2 EBOOL %M54 00055 PERMISIVO DE ARRANQUE EN MODO LOCALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 ST_INTLK_REM_2 EBOOL %M55 00056 PERMISIVO DE ARRANQUE EN MODO REMOTOPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 STSEQ_REM_2 EBOOL %M60 00061 COMANDO ARRANQUE SECUENCIALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 SPSEQ_REM_2 EBOOL %M61 00062 COMANDO PARO SECUENCIALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 ETA_2 INT %MW101 40102 REGISTRO DE ESTADOPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 CANT_RPM_2 INT %MW102 40103 NUMERO DE RPM DEL MOTORPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 CMD_2 INT %MW201 40202 REGISTRO DE CONTROL - (6,7,15)PLC_Miniplanta2 192.168.200.20 RPM_IN_2 INT %MW202 40203 RPM DE ENTRADA - ATV32PLC_Miniplanta2 192.168.200.20 FREC_IN_2 INT %MW203 40204 FRECUENCIA DE ENTRADA - ATV32PLC_Miniplanta2 192.168.200.20 FREC_HMI_2 INT %MW204 40205 FRECUENCIA DE ENTRADA - HMI PLC_Miniplanta2 192.168.200.20 FREC_REM_2 INT %MW205 40206 REFERENCIA DE VELOCIDAD - REMOTOPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 ABS_RPM_2 INT %MW206 40207 ABSOLUTA DE RPM DEL MOTORPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 STSEQ_DELAY_2 INT %MW300 40301 RETARDO DE ARRANQUE SECUENCIALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 SPSEQ_DELAY_2 INT %MW301 40302 RETARDO DE PARO SECUENCIALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 STARTING_DELAY_2 INT %MW302 40303 TIEMPO ARRANCADO SECUENCIALPLC_Miniplanta2 192.168.200.20 STOPPING_DELAY_2 INT %MW303 40304 TIEMPO DETENIENDO SECUENCIAL
86
Figura 75. Tabla de Intercambio de Mini planta N°3
4.8. Configuración Access Point TP-LINK
Para la interconexión de red de las tres mini plantas de control de velocidad, se
instaló un router Wireless TP-LINK TL-WR940N, al cual se le asignó la dirección
IP 192.168.200.1, se le configuró una red inalámbrica con nombre “Plantas_IE”
con acceso DHCP en el rango de 192.168.200.100 al 192.168.200.199.
Figura 76. Router Wireless TP-LINK TL-WR940N
Controlador Dirección IP Variable Tipo Dirección Dirección Modbus ComentarioPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 SPSEQ_ET_3 TIME TIEMPO DE ESPERA PARA PARO SECUENCIALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 SPSEQ_PT_3 TIME RETARDO DE PARO SECUENCIAL (SEG)PLC_Miniplanta3 192.168.200.30 STSEQ_ET_3 TIME TIEMPO DE ESPERA PARA ARRANQUE SECUENCIALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 STSEQ_PT_3 TIME RETARDO DE ARRANQUE SECUENCIAL (SEG)PLC_Miniplanta3 192.168.200.30 LOCAL_REMOTO EBOOL %I0.4.7 ESTADO SELECTOR LOCAL REMOTOPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 LOCAL_START EBOOL %I0.4.8 PULSADOR DE ARRANQUE TABLERO LOCALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 LOCAL_STOP EBOOL %I0.4.10 PULSADOR DE PARO TABLERO LOCALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 MARCHA_3 EBOOL %M0 BOTON_MARCHA_HMIPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 PARO_3 EBOOL %M5 BOTON_PARO_HMIPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 START_REM_3 EBOOL %M50 00051 BOTON DE ARRANQUE DESDE EL SCADAPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 STOP_REM_3 EBOOL %M51 00052 BOTON DE PARO DESDE EL SCADAPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 RUNNING_3 EBOOL %M52 00053 ESTADO ARRANCADO VARIADORPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 LOC_REM_3 EBOOL %M53 00054 ESTADO SELECTOR LOCAL REMOTO (OPC)PLC_Miniplanta3 192.168.200.30 ST_INTLK_LOC_3 EBOOL %M54 00055 PERMISIVO DE ARRANQUE EN MODO LOCALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 ST_INTLK_REM_3 EBOOL %M55 00056 PERMISIVO DE ARRANQUE EN MODO REMOTOPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 STSEQ_REM_3 EBOOL %M60 00061 COMANDO ARRANQUE SECUENCIALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 SPSEQ_REM_3 EBOOL %M61 00062 COMANDO PARO SECUENCIALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 ETA_3 INT %MW101 40102 REGISTRO DE ESTADOPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 CANT_RPM_3 INT %MW102 40103 NUMERO DE RPM DEL MOTORPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 CMD_3 INT %MW201 40202 REGISTRO DE CONTROL - (6,7,15)PLC_Miniplanta3 192.168.200.30 RPM_IN_3 INT %MW202 40203 RPM DE ENTRADA - ATV32PLC_Miniplanta3 192.168.200.30 FREC_IN_3 INT %MW203 40204 FRECUENCIA DE ENTRADA - ATV32PLC_Miniplanta3 192.168.200.30 FREC_HMI_3 INT %MW204 40205 FRECUENCIA DE ENTRADA - HMI PLC_Miniplanta3 192.168.200.30 FREC_REM_3 INT %MW205 40206 REFERENCIA DE VELOCIDAD - REMOTOPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 ABS_RPM_3 INT %MW206 40207 ABSOLUTA DE RPM DEL MOTORPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 STSEQ_DELAY_3 INT %MW300 40301 RETARDO DE ARRANQUE SECUENCIALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 SPSEQ_DELAY_3 INT %MW301 40302 RETARDO DE PARO SECUENCIALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 STARTING_DELAY_3 INT %MW302 40303 TIEMPO ARRANCADO SECUENCIALPLC_Miniplanta3 192.168.200.30 STOPPING_DELAY_3 INT %MW303 40304 TIEMPO DETENIENDO SECUENCIAL
87
Figura 77. Asignación de dirección IP al router
Figura 78. Configuración de red inalámbrica “Plantas_IE”
Figura 79. Configuración del router como servidor DHCP
88
4.9. Configuración PLC Modicon M340
Configuración en Unity Pro XL del PLC Mini Planta N°1
Figura 80. Declaración de Hardware PLC Mini Planta N°1
Figura 81. Programación del PLC Mini Planta N°1
89
Configuración en Unity Pro XL del PLC Mini Planta N°2
Figura 82. Declaración de Hardware PLC Mini Planta N°2
Figura 83. Programación del PLC Mini Planta N°2
90
Configuración en Unity Pro XL del PLC Mini Planta N°3
Figura 84. Declaración de Hardware PLC Mini Planta N°3
Figura 85. Programación del PLC Mini Planta N°3
91
4.10. Configuración Variador de Velocidad Altivar ATV32
Configuración en SoMove del ATV32 Mini Planta N°1
Figura 86. Asignación de dirección IP ATV32 Mini Planta N°1
Figura 87. Parametrización ATV32 Mini Planta N°1
92
Configuración en SoMove del ATV32 Mini Planta N°2
Figura 88. Asignación de dirección IP ATV32 Mini Planta N°2
Figura 89. Parametrización ATV32 Mini Planta N°2
93
Configuración en SoMove del ATV32 Mini Planta N°3
Figura 90. Asignación de dirección IP ATV32 Mini Planta N°3
Figura 91. Parametrización ATV32 Mini Planta N°3
94
4.11. Configuración Panel HMI STU 655
Configuración en Vijeo-Frame del Panel HMI Mini Planta N°1
Figura 92. Asignación de dirección Panel HMI Mini Planta N°1
Figura 93. Programación Panel HMI Mini Planta N°1
Figura 94. Tabla de Variables Panel HMI Mini Planta N°1
95
Configuración en Vijeo-Frame del Panel HMI Mini Planta N°2
Figura 95. Asignación de dirección Panel HMI Mini Planta N°2
Figura 96. Programación Panel HMI Mini Planta N°2
Figura 97. Tabla de Variables Panel HMI Mini Planta N°2
96
Configuración en Vijeo-Frame del Panel HMI Mini Planta N°3
Figura 98. Asignación de dirección Panel HMI Mini Planta N°3
Figura 99. Programación Panel HMI Mini Planta N°3
Figura 100. Tabla de Variables Panel HMI Mini Planta N°3
97
4.12. Configuración MatrikonOPC Server for Modbus
Para establecer comunicación entre los PLC de cada mini planta y el sistema de
control, la aplicación “MatrikonOPC Server for Modbus” se configuró de la
siguiente manera:
Figura 101. Configuración OPC Server para la mini planta 1
Figura 102. Configuración OPC Server para la mini planta 2
98
Figura 103. Configuración OPC Server para la mini planta 3
4.13. Configuración System 800xA
Para realizar la conexión OPC con la aplicación “MatrikonOPC Server for
Modbus”, se configuró la herramienta PLC Connect de la plataforma System
800xA de la siguiente manera:
i. Primero, en el “Control Structure” creamos la red de control PLC tercera,
con el nombre “M340”, como muestra la siguiente figura:
Figura 104. Declaración de Red PLC Connect
99
ii. Seguido, asignamos al servidor local para ejecutar los servicios OPC DA
(Acceso a datos) y el OPC AE (Alarmas y Eventos).
Figura 105. Configuración de servicios OPC
iii. Debajo del objeto “M340”, se creó un OPC Cliente de nombre “Modicon”.
En el aspecto “PLC Controller Configuration”, elegimos como protocolo
“PLCOPCClient” y como driver de comunicación al OPC Server
“Matrikon.OPC.Modbus.1” que se ejecuta en el propio servidor.
De esta manera, se estableció la comunicación entre el sistema de control
y los tres PLC Modicon M340 de las minis planta de control de velocidad.
Figura 106. Configuración de Cliente OPC
100
iv. Una vez establecida la comunicación, se procedió a declarar las variables
de acuerdo con la tabla de transferencia Modbus de cada mini planta:
Figura 107. Declaración de variables Modbus en el System 800xA
4.14. Configuración Pantallas de Operación
Para la creación de las pantallas de operación, de acuerdo con la filosofía de
control, definimos la creación de las siguientes pantallas:
Figura 108. Lista de Pantallas de Operación
101
Pantalla Resumen.
Figura 109. Pantalla Resumen
Pantalla Arranque Individual.
Figura 110. Pantalla Arranque Individual
102
Pantalla Arranque Maestro-Esclavo.
Figura 111. Pantalla Arranque Maestro Esclavo
Pantalla Arranque Secuencial.
Figura 112. Pantalla Arranque Secuencial
103
5. Pruebas y Resultados
Para probar el funcionamiento y rendimiento de la integración de las tres mini
plantas de control de velocidad al sistema de control System 800xA mediante la
aplicación “MatrikonOPC Server for Modbus”, se validaron los tres escenarios de
operación en modo remoto: el primero considerando una operación individual; el
segundo, en un arreglo maestro-esclavo con dos motores en la cabeza y un
motor en la cola y; finalmente, un tercer escenario como un arranque secuencial
de fajas transportadoras.
Figura 113. Pantalla Resumen con los tres motores funcionando
En la siguiente figura, se puede apreciar el historial de pruebas realizadas:
arranque individual, arranque secuencial y arranque maestro-esclavo.
Figura 114. Tendencias con histórico de arranques y paradas
104
5.1. Arranque Individual
Se realizó la prueba de arranque individual de la mini planta N°1 a la velocidad
nominal (60Hz) en sentido horario. Con ayuda de la tendencia, se puede
determinar el tiempo de arranque, el tiempo de funcionamiento y el tiempo de
parada libre del motor asociado.
Figura 115. Arranque Individual mini planta N°1
Figura 116. Tendencia de velocidad Arranque Individual mini planta N°1
105
Se realizó la prueba de arranque individual de la mini planta N°2 a la velocidad
nominal (60Hz) en sentido horario. Con ayuda de la tendencia, se puede
determinar el tiempo de arranque, el tiempo de funcionamiento y el tiempo de
parada libre del motor asociado.
Figura 117. Arranque Individual mini planta N°2
Figura 118. Tendencia de velocidad Arranque Individual mini planta N°2
106
Se realizó la prueba de arranque individual de la mini planta N°3 a la velocidad
nominal (60Hz) en sentido horario. Con ayuda de la tendencia, se puede
determinar el tiempo de arranque, el tiempo de funcionamiento y el tiempo de
parada libre del motor asociado.
Figura 119. Figura 120. Arranque Individual mini planta N°3
Figura 121. Tendencia de velocidad Arranque Individual mini planta N°3
107
5.2. Arranque Maestro-Esclavo
Se realizó la prueba de arranque maestro-esclavo al 75% de velocidad (45 Hz)
en sentido horario. Con ayuda de la tendencia, se puede comprobar que los 3
motores arrancan al mismo tiempo; durante la operación, los motores esclavos
siguen al maestro y; finalmente, al ser enviado el comando de parada, los tres
motores se detienen al mismo tiempo.
Figura 122. Arranque Maestro-Esclavo
Figura 123. Tendencia de velocidad Arranque Maestro-Esclavo<
108
5.3. Arranque Secuencial
Se realizó la prueba de arranque secuencial al 50% de velocidad (30 Hz) en
sentido horario. Con ayuda de la tendencia, se comprobó que el motor 3 arranca
primero, seguido, arranca el motor 2 y, finalmente, arranca el motor 1. Además,
se comprobó que el motor 1 se detiene primero, seguido, se detiene el motor 2
y, finalmente, se detiene el motor 1.
Figura 124. Arranque mini planta N°3 en Modo Secuencial
Figura 125. Arranque mini planta N°2 en Modo Secuencial
109
Para ambos casos (arranque/parada), la lógica de control obedece a los tiempos
predefinidos que ingresados desde la pantalla de operación.
Figura 126. Arranque mini planta N°1 en Modo Secuencial
Figura 127. Tendencia de velocidad Arranque Secuencial
110
CONCLUSIONES
Se realizó el diseño de un sistema de control centralizado para integrar
las tres mini plantas de control de velocidad del laboratorio de Ingeniería
Electrónica de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo.
Se desarrolló una filosofía de control para poder explicar el modo de
operación integral del sistema de control, las condiciones y limitantes.
Se realizaron pruebas de los escenarios propuestos: arranque individual,
arranque maestro-esclavo y arranque secuencial con resultados positivos.
Con el sistema de control centralizado implementado, los estudiantes
podrán controlar las tres mini plantas de control de velocidad mediante
una sola plataforma como lo es el System 800xA.
Se describe brevemente la programación de paneles HMI, configuración
de variadores de velocidad de baja tensión, programación de lógica de
control, integración Modbus TCP, configuración del OPC Server y el
desarrollo de pantallas de operación.
El sistema de control System 800xA ha sido configurado para gestionar
alarmas y eventos y, almacenar datos históricos como la velocidad actual
de cada motor AC. Esta información permite realizar un análisis de
tiempos de funcionamiento, rampas de arranque y paro, fallas durante la
operación y variables propias del proceso.
La data histórica y la publicación en tendencias facilita el análisis y
entendimiento del proceso.
111
RECOMENDACIONES
Almacenar los archivos fuentes de la programación de los PLCs Modicon
M340, paneles HMI STU y variadores ATV32.
Realizar un backup periódico del Sistema de Control System 800xA, al
menos una vez al mes.
Adquirir licencias educativas de los softwares: Unity Pro, Vijeo Designer,
SoMove, MatrikonOPC Server for Modbus y System 800xA.
Gestionar cursos de capacitación y entrenamiento para la difusión de la
plataforma System 800xA.
Implementar el laboratorio de Ingeniería Electrónica con un controlador
AC800M (PM861), una tarjeta de comunicación Modbus TCP (CI867) y
módulos de entrada/salida para realizar prácticas de laboratorio con la
plataforma System 800xA.
Para la protección de los módulos de entrada/salida de los PLC’s de las
mini plantas, se recomienda reemplazar las borneras existentes por
borneras tipo fusible para evitar daño por cortocircuito a los módulos y/o
equipos de la mini planta de velocidad.
112
BIBLIOGRAFÍA
[1] Fernando Polverini. Sistema de control industrial centralizado, FP Control
Automatic the world. 04/04/2009.
[2] Jacinto Fung. Sistema Distribuido vs. Sistema Centralizado, o Sistema
Distribuido en un Sistema Centralizado. 11/2011.
[3] Juan Ángel Gamiz Caro y Javier Gamiz Caro. Ethernet como soporte de
sistemas de control en red. págs. 26 – 35. 2011.
[4] Sergio Lorenzi, Managing Director, Word Work Automation. ¿Por qué
converger hacia una arquitectura integrada? – Articulo de Rockwell Automation.
13/07/ 2016.
[5] National Instruments. Información Detallada sobre el Protocolo Modbus.
16/10/2014
[6] Schneider Electric. Modicon M340 con Unity Pro Procesadores, bastidores y
módulos de fuente de alimentación. Manual de configuración. 04/2009.
[7] Schneider Electric. Modicon M340. Plataforma de automatización. 2009.
[8] Schneider Electric. Altivar 32. Variadores de velocidad para motores
síncronos y asíncronos. Manual de Instalación. 03/2010.
[9] Schneider Electric. Altivar 32. Variadores de velocidad para motores
síncronos y asíncronos. Manual de Programación. 03/2010.
[10] Schneider Electric. Altivar 32. Variable speed drives for synchronous and
Anexo 01 - Plano Esquemático Mini Planta de Control de Velocidad
PC INDUSTRIAL
PLANO Nº:
DESCRIPCIÓN:
CLIENTE:
REV.
TAG:
0 1 8 9
COMENTARIOS
:
DISEÑO DE SISTEMA DE CONTROL CENTRALIZADO
A 2017-Nov-19 C. Bardales
2 3 4 5 6 7
H. Jaramillo
UNIVERSIDAD NACIONAL
PEDRO RUIZ GALLO
REV. FECHA
UBICACIÓN:
M. Ramírez
DISEÑO REVISÓ APROBÓ
TITULO:
PROYECTO:
ESCALA: UNPRGA
LABORATORIO DE
INGENIERIA ELECTRONICA
ARQUITECTURA DE CONTROL
TESIS
S
2017-UNPRG-IN-B0001-R
LABORATORIO N° 02 DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA – UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO
MINI PLANTA DE VELOCIDAD N°01
PANEL HMI STU 655 PLC MODICON M340 CON INTERFAZ NOE 0110 VARIADOR ATV32
1 2 3 4 5
SWITCH INDUSTRIAL
MINI PLANTA DE VELOCIDAD N°02
PANEL HMI STU 655 PLC MODICON M340 CON INTERFAZ NOE 0110 VARIADOR ATV32
1 2 3 4 5
SWITCH INDUSTRIAL
MINI PLANTA DE VELOCIDAD N°03
PANEL HMI STU 655 PLC MODICON M340 CON INTERFAZ NOE 0110 VARIADOR ATV32
1 2 3 4 5
SWITCH INDUSTRIAL
ROUTER TP-LINKTL-WR940N
1
2
3
4
USUARIOFINAL
LAPTOP
TABLET
SMARTPHONE
LEYENDAETHERNET MODBUS TCP/IP
ETHERNET TCP/IP
WIRELESS TCP/IP
PECEBAR
Typewritten Text
Anexo 02 -Arquitectura de Control del Sistema de Control Centralizado
PLANO Nº:
DESCRIPCIÓN:
CLIENTE:
REV.
TAG:
0 1 8 9
COMENTARIOS
:
DISEÑO DE SISTEMA DE CONTROL CENTRALIZADO
A 2017-Nov-19 C. Bardales
2 3 4 5 6 7
H. Jaramillo
UNIVERSIDAD NACIONAL
PEDRO RUIZ GALLO
REV. FECHA
UBICACIÓN:
M. Ramírez
DISEÑO REVISÓ APROBÓ
TITULO:
PROYECTO:
ESCALA: UNPRGA
LABORATORIO DE
INGENIERIA ELECTRONICA
SISTEMA DE CONTROL CENTRALIZADO
TESIS
S
2017-UNPRG-IN-B0001-R
LABORATORIO N° 02 DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA – UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO
MINI PLANTA DE VELOCIDAD N°01
PLC MODICON M340 CON INTERFAZ NOE 0110
MINI PLANTA DE VELOCIDAD N°02
PLC MODICON M340 CON INTERFAZ NOE 0110
MINI PLANTA DE VELOCIDAD N°03
PLC MODICON M340 CON INTERFAZ NOE 0110
ROUTER TP-LINK
CPU
PC INDUSTRIAL CON SISTEMA OPERATIVO WINDOWS
192.168.200.14 192.168.200.20 192.168.200.30
192.168.200.1
192.168.200.151
OPC
SYSTEM 800xAOPC CLIENTE
MODBUS TCP/IP MODBUS TCP/IP
MODBUS TCP/IP
PECEBAR
Typewritten Text
Anexo 03 - Sistema de Control Centralizado
Controlador Dirección IP Variable Tipo Dirección Dirección Modbus ComentarioPLC_Miniplanta1 192.168.200.14 SPSEQ_ET_1 TIME TIEMPO DE ESPERA PARA PARO SECUENCIAL
PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 SPSEQ_PT_1 TIME RETARDO DE PARO SECUENCIAL (SEG)
PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 STSEQ_ET_1 TIME TIEMPO DE ESPERA PARA ARRANQUE SECUENCIAL
PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 STSEQ_PT_1 TIME RETARDO DE ARRANQUE SECUENCIAL (SEG)
PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 LOCAL_REMOTO EBOOL %I0.4.7 ESTADO SELECTOR LOCAL REMOTO
PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 LOCAL_START EBOOL %I0.4.8 PULSADOR DE ARRANQUE TABLERO LOCAL
PLC_Miniplanta1 192.168.200.14 LOCAL_STOP EBOOL %I0.4.10 PULSADOR DE PARO TABLERO LOCAL