3 Alternativas de Solucion Stefan Christiansen v.2

UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA

Alternativas de Solución de Proyecto de Titulación

“Desarrollo de una interfaz gráfica de configuración, supervisión y adquisición de

datos para una herramienta de torque”

Presentado por: Stefan Christiansen ZúñigaROL USM: 2730007-3

Profesor guía: Manuel Olivares Salinas

Tutor en KRRC: Gonzalo Arroyo

Fecha: 14/08/14

INTRODUCCIÓN

Proyecto de Titulación

En el presente documento se darán a conocer las alternativas de solución consideradas para llevar a cabo el Proyecto “Desarrollo de una interfaz gráfica de configuración, supervisión y adquisición de datos para una herramienta de torque”, concentrándose en cómo se logrará realizar la conexión entre el “panel PC” y la herramienta, y cómo implementar una interfaz que permita la adquisición y monitoreo de datos.

Cabe destacar que la conexión entre el controlador y el Touch Panel es punto a punto, conectando directamente un cable y utilizando un protocolo a elección. Con respecto a la conexión con base de datos, esta se realiza independiente de la conexión punto a punto entre el Touch Panel y el controlador, ya que el Touch Panel está conectado a la red.

Figura 1. Esquema de conexión de la herramienta de torque, su unidad de control y el panel PC

ALTERNATIVAS DE SOLUCIÓN

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El primer punto a comparar alternativas es el de los protocolos de comunicación. Para el controlador de Handy 2000, se tienen las siguientes opciones disponibles: DeviceNet, Profibus-DP, CC-link, EtherNet/IP, Modbus RTU, y Modbus TCP

A continuación se mostrarán las características de los protocolos para poder analizar comparativamente sus respectivas ventajas y desventajas, acorde a detalles técnicos, necesidades y costo de implementación.

Alternativa 1.1 DeviceNet

DeviceNet es una red que sigue el modelo OSI (Open Systems Interconnection), el cual define una estructura de 7 capas para implementar un protocolo de red: física, enlace de datos, red, transporte, sesión, presentación y aplicación. DeviceNet está basada en el CIP (Common Industrial Protocol) en sus capas superiores, tal como se ve en la Figura 2.

Figura 2. DeviceNet como parte del modelo CIP/OSI

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CIP tiene dos objetivos: el transporte de datos de control en dispositivos I/O, y el transporte de información de configuración y diagnóstico del sistema que está siendo controlado.

DeviceNet está soportado por una gran variedad de proveedores, y su utilización se encuentra comúnmente en maquinaria de ensamble, soldadura y manejo de materiales. También en sensores inteligentes, válvulas neumáticas, lectores de código de barra, e interfaces de operarios. Está diseñado para cumplir con requerimientos de simplicidad de cableado, ya que a través del mismo cable de red se puede energizar. Utiliza un modelo de red del tipo productor-consumidor.

Las principales características de DeviceNet son:

Número máximo de nodos: 64

Velocidad de transmisión: 125, 250 y 500 [Kbits/s]

Distancia: 100, 250 y 500 [m]

Tamaño máximo de un mensaje: 8 bytes por nodo por mensaje

Línea principal usa cables gruesos de DeviceNet, y las derivaciones cables finos

Soporta mensajes explícitos (de configuración o colección de datos no-críticos) e implícitos (datos I/O en tiempo real)

En general las ventajas son su bajo costo, aceptación a nivel general, alta confiabilidad, uso eficiente del ancho de banda mediante uso de múltiples formatos de mensajería, robustez ante interferencias electromagnéticas, y energización a través de la misma red.

Por otra parte, las desventajas son que tiene un ancho de banda limitado, y un tamaño y largo de mensajes limitados.

Alternativa 1.2 Ethernet/IP

Al igual que en el caso de DeviceNet, Ethernet/IP está basado en CIP en sus capas superiores (de sesión hacia arriba), y este caso se adapta a la tecnología Ethernet en las capas de inferiores (de transporte hacia abajo), tal como se ve en la Figura 1.

El Ethernet tiene la característica especial de ser una red con infraestructura de carácter activo. Esto quiere decir que, a diferencia del resto de las redes a nivel de dispositivos o control

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que normalmente son de tipo pasivo que limita la cantidad de dispositivos a conectar y la forma en que se deben conectar, la infraestructura de Ethernet/IP se puede acomodar para tener virtualmente una cantidad ilimitada de nodos punto a punto, otorgando flexibilidad y escabilidad de manera sencilla. Tiene un modelo de red del tipo productor-consumidor, y puede configurarse la comunicación para que cumpla con el esquema maestro/esclavo o también para trabajar peer-to-peer.

Las principales características de Ethernet/IP son:

Número máximo de nodos: 1024, expandible con routers

Velocidad de transmisión: De 10M a 100M [Bits/s]

Distancia: De 100 [m] a 50 [km]

Tamaño de mensaje: De 46 a 1500 bytes

En general las ventajas son que Ethernet es el estándar de red más aceptado globalmente, siendo compatible con los protocolos de internet estándar (HTTP, FTP, SNMP, DHCP) y con protocolos industriales estándar para acceso e intercambio de datos como OPC. Posee una gran flexibilidad en cuanto a elección de velocidades de operación y de arquitectura a usar, siendo fácilmente integrable a la empresa. El Ethernet maneja alta cantidad de datos a una alta velocidad, sirviendo para grandes instalaciones.

Las desventajas son que no puede energizar a través del cable y los conectores son físicamente vulnerables, tiene mayor susceptibilidad a interferencias electromagnéticas y de radiofrecuencia. La curva de aprendizaje para Ethernet/IP es compleja.

Alternativa 1.3 Profibus-DP

Profibus-DP es un bus de campo altamente utilizado en control de procesos, grandes ensambles, maquinaria de manejo de materiales, partidores de motor, variadores de frecuencia, etc. Está acorde al modelo OSI, aunque solo utiliza las dos primeras capas (física y enlace de datos) y la interfaz de usuario. Para realizar la comunicación utiliza el esquema de tipo maestro/esclavo, donde el esclavo es cualquier dispositivo periférico. También se puede utilizar maestros múltiples, donde cualquier maestro puede leer datos de algún dispositivo, pero solo un maestro puede escribir en él. Su capa física es el bus serial RS485.

Las principales características de Profibus-DP son:


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Velocidad de transmisión: De 9600 a 12M [bits/s]

Distancia: De 100 [m] a 24 [km] (con fibra óptica y repetidores)

Tamaño máximo de un mensaje: Hasta 244 bytes de datos por nodo por mensaje

En general las ventajas son que es una red estándar universalmente aceptada que puede manejar una alta cantidad de datos a una alta velocidad, sirviendo para grandes instalaciones. Tiene menor costo de bloques I/O en relación a I/O tradicionales. Soporta partidores y drivers, y cubre largas distancias.

Las desventajas son que para pequeños mensajes es muy alta la relación encabezado (12 bytes)/mensaje, el bus no tiene capacidad para energizar y necesita soporte de información del dispositivo en el Host, vía reprogramación o administración de archivos.

Alternativa 1.4 CC-link

CC-link es un bus de campo que procesa tanto información I/O cíclica como información de parámetros acíclica. Sirve para comunicación veloz entre controladores y dispositivos inteligentes. Utiliza el esquema de comunicación maestro/esclavo, teniendo además la posibilidad de incorporar “maestros standby”, los cuales se pueden poner en funcionamiento en casos de falla de red. Su capa física es el bus serial RS485.

Las principales características de CC-link son:


Velocidad de transmisión: De 156 [kbits/s] a 10 [Mbits/s]

Distancia: De 100 [m] a 9,9 [km] (con repetidores)

Transmisión de paquetes de datos de bits y palabras

En general las ventajas son que posee alta inmunidad al ruido de tipo electromagnético, posee la funcionalidad de tener maestros en standby para otorgar mayor robustez, asegura tiempos de respuesta rápidos, y no necesita archivos de configuración.

Las desventajas son que aún está en crecimiento en la parte occidental, siendo soportado actualmente en su mayoría en Asia. Además dispone de una topología limitada (su análogo de Ethernet, CC-link IE, resuelve eso).

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Alternativa 1.5 Modbus RTU

Modbus es un protocolo de comunicación ampliamente usado en la industrial actual. Nació en su versión serial RTU, diseñado para los PLCs Modicon, pero es un protocolo completamente abierto y simple que su incorporación se extendió en las redes industriales.

Modbus tiene un esquema de comunicación maestro/esclavo, y tiene opciones de capas físicas (RS-232 o RS-485), aunque en la actualidad el RS-485 es el más usado porque permite mayor distancia, mayor velocidad y posibilidad establecer una red multipunto.

Las principales características de Modbus RTU son:

Número máximo de nodos: 250 nodos por segmento

Velocidad de transmisión: De 300 [bps] a 30.4 [kbps]

Distancia máxima: 1300 [m]

Tamaño máximo de mensaje: 256 bytes

En general las ventajas son que es un protocolo abierto y muy simple de implementar, permitiendo una gran flexibilidad. Es seguro y a pesar de su simplicidad dispone de CRC (Cyclical Redundancy Check) para verificar errores.

Las desventajas son que no soporta grandes objetos binarios, hay consumo excesivo de ancho de banda cuando hay múltiples dispositivos de campo debido a que el maestro debe consultar a cada uno por separado por cambios en la información, y tiene un número limitado de dispositivos a ser conectados a un maestro.

Alternativa 1.6 Modbus TCP

Modbus TCP es simplemente un protocolo Modbus encapsulado en TCP. Utiliza el esquema de comunicación cliente/servidor, donde cualquier dispositivo puede ser cliente o servidor, o incluso ambos.

Las principales características de Modbus TCP son:

Número máximo de nodos: 255 nodos por subred

Velocidad de transmisión: De 10M a 100M [Bits/s]

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Distancia: De 100 [m] a 10 [km] con repetidores

Tamaño máximo de mensaje: 256 bytes

En general las ventajas son su simplicidad y fácil implementación, no se necesita equipo o software propietario específico. Cualquier sistema computador o microprocesador con una pila de protocolos TCP/IP puede usar Modbus/TCP. Es de alto desempeño, limitado únicamente por la capacidad del sistema operativo para comunicarse. Su desempeño depende de la velocidad de la red, por lo que se puede alcanzar 100Mbps y hasta 1 Gbps, con tecnologías crecientes que logran hacer que cada vez más se pueda acercar a un comportamiento determinista.

Las desventajas son que no es útil en aplicaciones de control de movimiento coordinado que requieran un real determinismo, como control de robots, centros mecanizados flexibles y máquinas empaquetadoras avanzadas.

En general existen muchos factores a comparar entre protocolos tal como el costo de desarrollo, tiempo de respuesta y flujo máximo de datos, características de tiempo real, medios físicos que permite, topologías que permite, robustez frente a ruido, etc. Qué factores se consideran relevantes y las ponderaciones de relevancia respectivas varían según las necesidades que requiera cada sistema, de acuerdo a su hardware y utilización. En el caso de este proyecto, se trata principalmente de un sistema de monitoreo y adquisición de datos de una única herramienta, donde no se realiza control en tiempo real que requiera inmediatez de respuesta crítica, por lo que la matriz de criterios de selección con sus respectivas ponderaciones a aplicar en la selección de alternativa, se elige como se muestra en la Tabla 1.

Criterio de Selección Porcentaje de RelevanciaSimplicidad de utilización 35%Costo de implementación 40%Velocidad de transmisión 10%Robustez 15%Porcentaje Total 100%

Tabla 1. Ponderaciones de los criterios de selección del protocolo de comunicación

El segundo punto para comparar alternativas corresponde al software a utilizar para realizar la interfaz gráfica capaz de monitorear y adquirir datos. El primer software a analizar es LabVIEW, una plataforma con lenguaje propio de programación, orientada a la adquisición y procesamiento de señales. Por otra parte existen los SCADA tradicionales, orientados a controlar y supervisar los estados de un sistema. Existe una gran variedad de SCADA, donde todos cumplen los mismos objetivos prácticamente de la misma forma, diferenciándose principalmente

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en la metodología y complejidad de uso, en su costo y en el soporte entregado. Es por ello que para realizar el análisis de alternativas, para ver la opción de SCADA se escoge como referencia para ver los detalles uno de los más utilizados en la industria, Wonderware’s InTouch, que además cuenta con soporte en Chile.

Alternativa 2.1 LabVIEW

LabVIEW, de National Intruments (NI), es un entorno de programación gráfica que utiliza el lenguaje “G”, y está orientado principalmente para científicos e ingenierios que desarrollan tareas de adquisición de datos, procesamiento de señales, control de instrumentación y automatización industrial.

Algunas de sus características son:

Programación gráfica, en lenguaje “G”, basada en flujo de datos.

Comunicación con dispositivos de adquisición de datos, visión, control de movimiento, GPIB, PXI, VXI, RS-232, y RS-484.

Soporte para protocolos CANopen, DeviceNet, DNP3, EtherCAT, Ethernet/IP, FOUNDATION Fieldbus, Modbus RTU y TCP, PROFIBUS, OPC DA y OPC UA.

Conectividad con la Web y generación de reportes HTML.

Conectividad con bases de datos como Microsoft Access, Microsoft SQL Server, Oracle, Visual FoxPro, dBase y Paradox.

Capacidad de uso de librerías DLL.

Capacidad de uso con ActiveX y .NET.

Incorpora diversas funciones y algoritmos matemáticos para manipular y procesar señales.

Para el software base se compra una licencia, y luego se pueden ir comprando toolkits según se requieran funcionalidades especiales, como por ejemplo conexión a base de datos, generación de reportes, procesamiento avanzado de señales, etc.

También existe soporte de librerías de código abierto, como por ejemplo OpenG, donde se tiene acceso a diversas librerías creadas por los mismos usuarios de LabVIEW, y que son publicitadas por NI, pero que no cuentan con soporte oficial.

LabVIEW consta de todas las herramientas para realizar sistemas SCADA, teniendo acceso a las señales del instrumento y pudiendo realizar programáticamente cualquier manipulación que se desee, además de poder realizar una interfaz de usuario libremente, teniendo

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a disposición varios elementos gráficos para su panel frontal. Sin embargo, el enfoque de LabVIEW no es el de realizar sistemas SCADA, por lo que el realizar uno, sobre todo si es un sistema complejo con distintos instrumentos y gran cantidad de I/O, puede ser una tarea ardua que consuma bastante tiempo. Es por ello que LabVIEW dispone de un módulo llamado LabVIEW DSC. Con este módulo se tiene acceso fácil a la comunicación con prácticamente cualquier PLC y PAC, registrar datos históricos en una base de datos incluida o en una base de datos relacional que utilice la empresa, configurar alarmas y manejar eventos, además de un manejo más simple en control de lógica y con mayores gráficas para el HMI.

Alternativa 2.2 InTouch

Intouch, de Wonderware, es un reconocido SCADA que permite crear un HMI con representación bastante gráfica sobre algún proceso industrial, pudiendo configurar alarmas, eventos, y teniendo una base de datos con registros históricos sobre las variables en cuestión. Como está enfocado en la creación de HMI, su tipo de programación está diseñada para que todas las tareas de configuración, comunicación y creación de la interfaz, se puedan realizar lo más fácil posible.

Algunas de sus características son:

Lenguaje de programación propietario, utilizado únicamente para interfaces de usuario en la industria. Utiliza tipos de scripts propietarios de Visual Basic.

Principalmente utiliza servidores OPC, y tiene soporte para protocolos basados en puerto Serial y Ethernet.

Capacidad de 60000 tags por cada licencia.

Drivers de comunicación incluídos

Gráficas animadas especializadas para procesos industriales, además de contar con herramientas versátiles de dibujo.

Capacidad de conexión con bases de datos desarrolladas en Oracle, Microsoft SQL Server, y Microsoft Access.

Integración de controles ActiveX y .NET

Para la elección del software a utilizar, todas las alternativas son capaces de cumplir con el objetivo de alguna u otra forma (aunque requieran utilizar complementos y paquetes adicionales para cumplir o facilitar algún requerimiento), por lo que la gran diferencia está en el cómo se llega a ese resultado. Es fundamental tener en cuenta cómo es la aplicación, su funcionamiento, capacidad y requisitos, además de qué factores pueden ser escalables o integrables en el futuro. En el caso de este proyecto, la interfaz corresponde a un monitoreo de

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test secuencial, con baja cantidad de I/O a ser leídos y escritos, y necesidad de registro y escritura de datos en una base de datos externa. También se tiene en consideración que es deseable tener la posibilidad de agregar fácilmente modificaciones asociadas a la interfaz gráfica, su configuración, campos a mostrar y conexión con base de datos. Tomando en consideración todos esos factores, se elige la matriz de criterios de selección con sus respectivos porcentajes de relevancia como se muestra en la Tabla 2.

Criterio de Selección Porcentaje de RelevanciaSimplicidad de utilización 20%Costo de implementación 35%Soporte 10%Flexibilidad 35%Porcentaje Total 100%

Tabla 2. Ponderaciones de los criterios de selección del software a utilizar

CONCLUSIONES

Se han revisado las alternativas de solución correspondientes a dos problemas a resolver en el proyecto: cómo realizar la conexión entre el controlador de la herramienta Handy 2000 con el Touch Panel, y cómo realizar la interfaz gráfica. Para cumplir con los requisitos, existen múltiples opciones que cumplen con los objetivos, pero al realizarlos de distintas maneras, tener distintas capacidades, y tener ventajas y desventajas en distintas áreas, no se puede establecer de antemano cuál es mejor globalmente. La mejor solución depende de las características en particular del problema en cuestión y su contexto de desarrollo, por lo que tomando en consideración esos factores se elaboran matrices de criterios de selección de alternativa, con sus respectivos porcentajes de relevancia.

REFERENCIAS

[1] ODVA, “DeviceNet – CIP on CAN technology”

[2] S. Djiev, “Industrial Networks for Communication and Control”

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[3] ODVA, “Ethernet/IP – CIP on Ethernet technology”

[4] Iván Rivero, Apunte: “Sistemas de Control”, Departamento de electrónica, UTFSM

[5] José Carlos Prado, “ETHERNET INDUSTRIAL: Modelos y conectividad en el ámbito de procesos industriales”

[6] Real Time Automation Inc., “Modbus RTU Unplugged – An introduction to Modbus RTU Addressing, Function Codes and Modbus RTU Networking”

[7] Schneider Electric, “Communication protocols and architectures in iPMCC”

[8] Acromag Incorporated, “Introduction to Modbus TCP/IP”

[9] Lenze AC Tech Corporation, “Modbus RTU & Modbus TCP/IP Communication, Communications Interface Reference Guide”

[10] National Instruments, “LabVIEW Core 1 Course Manual”

[11] National Instruments, “LabVIEW Core 2 Course Manual”

[12] Parijat Controlware, Inc., “VISUAL BASIC Versus WonderWare Intouch as an HMI”

[13] John Krajewski, “Situational Awareness: The Next Leap in Industrial Human Machine Interface Design”

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