Autor: Osvany Herrera Ramos Tutor: Dr.C. Roberto Luis ...

Título: Sistema SCADA para control de proceso virtual

Autor: Osvany Herrera Ramos

Tutor: Dr.C. Roberto Luis Ballesteros Horta

, julio de 2018

Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de

Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria “Chiqui

Gómez Lubian” subordinada a la Dirección de Información Científico Técnica de la

mencionada casa de altos estudios.

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Villas. Carretera a Camajuaní. Km 5½. Santa Clara. Villa Clara. Cuba. CP. 54 830

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i

PENSAMIENTO

Las cosas buenas se deben hacer sin llamar al universo para que lo vea a uno pasar; se

es bueno porque sí, y porque allá dentro se siente como un gusto cuando se ha hecho un

bien, o se ha dicho algo útil a los demás

José Martí

ii

DEDICATORIA

En especial a mis padres

por su entrega y apoyo incondicional durante cada etapa de mi vida.

iii

AGRADECIMIENTOS

A mi tutor Roberto Luis Ballesteros Horta por sus acertadas observaciones,

exigencias y enseñanzas en todo este tiempo.

A mis compañeros de aula por el apoyo brindado durante el transcurso de la

carrera.

A todos los profesores que de una forma u otra han contribuido a mi formación

profesional.

iv

RESUMEN

Los entrenadores de procesos actuales empleados en la realización de prácticas de laboratorio

contribuyen a la adquisición de conocimientos y habilidades por parte de los estudiantes. La

carrera de Ingeniería Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas no

cuenta en sus laboratorios con todo el equipamiento necesario para la realización de dichas

prácticas y en ocasiones no se explotan al máximo las ventajas de la simulación. En esta

problemática se sustenta la presente investigación. Se desarrolla un sistema SCADA con un

proceso virtual para simular el control de velocidad de un motor de corriente directa. El

diseño de la aplicación se realiza en el software Movicon y se expone de manera detallada el

desarrollo de sus interfaces gráficas. Con la finalidad de demostrar el correcto

funcionamiento del software se realizan un gran número de pruebas. Se parte de una

configuración inicial para evaluar las respuestas obtenidas del proceso ideal. En un segundo

momento se introducen consideraciones prácticas a la simulación para lograr un mayor

acercamiento a las situaciones reales de la vida cotidiana. Finalmente se arriba a conclusiones

y recomendaciones que demuestran la factibilidad y viabilidad de la investigación realizada.

v

TABLA DE CONTENIDOS

PENSAMIENTO................................................................................................................. i

DEDICATORIA ................................................................................................................ ii

AGRADECIMIENTOS ..................................................................................................... iii

RESUMEN ....................................................................................................................... iv

INTRODUCCIÓN ............................................................................................................. 1

Objetivo General ................................................................................................................ 3

Objetivos Específicos ......................................................................................................... 3

Tareas de investigación ...................................................................................................... 3

Resultados .......................................................................................................................... 3

Impacto posible .................................................................................................................. 4

Metodología de Trabajo: .................................................................................................... 4

CAPÍTULO 1. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES

5

1.1 Sistemas SCADA ................................................................................................. 5

1.1.1 Características generales de un SCADA ........................................................ 6

1.1.2 Subsistemas y funciones de un sistema SCADA ............................................ 7

1.1.3 Software para el desarrollo de sistemas SCADA ........................................... 8

1.2 El controlador PID ............................................................................................. 10

1.2.1 Tipos de PID ............................................................................................... 11

1.2.2 PID digital................................................................................................... 13

1.3 Consideraciones prácticas aplicadas a los sistemas de control ............................. 15

1.4 Simulación. ........................................................................................................ 17

vi

1.4.1 Aplicaciones de la simulación ......................................................................... 18

1.4.2 Simulación en sistemas SCADA ..................................................................... 18

1.5 Antecedentes de sistemas SCADA con fines educativos. .................................... 20

1.6 Consideraciones finales del capítulo ................................................................... 21

CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL .... 22

2.1 Caracterización del Movicon .............................................................................. 22

2.1.1 Movicon como software SCADA ................................................................ 23

2.1.2 Potencialidades para la simulación y control................................................ 23

2.2 Selección del modelo del proceso ....................................................................... 25

2.2.1 El proceso ................................................................................................... 25

2.2.2 Consideraciones prácticas aplicadas al proceso............................................ 27

2.3 El Regulador ...................................................................................................... 27

2.3.1 Discretización del PID................................................................................. 28

2.3.2 Consideraciones prácticas aplicadas al regulador ......................................... 28

2.4 Script para el proceso virtual en Movicon ........................................................... 29

2.4.1 Configuración del evento para la ejecución del script .................................. 29

2.4.2 Variables utilizadas en el proceso ................................................................ 31

2.5 Desarrollo de la interfaz gráfica HMI ................................................................. 32

2.5.1 Definición de los niveles de acceso a los componentes de la interfaz ........... 33

2.5.2 Pantallas o sinópticos que conforman la interfaz del SCADA ...................... 34

2.6 Consideraciones finales del capítulo ................................................................... 40

CAPÍTULO 3. PRUEBAS DEL SCADA Y ANÁLISIS DE RESULTADOS .............. 41

3.1 Configuración inicial para la simulación ............................................................. 41

3.2 Pruebas con consideraciones prácticas del regulador y proceso ideal .................. 42

vii

3.3 Implementación del proceso en MATLAB ......................................................... 45

3.3.1 Pruebas realizadas en MATLAB y análisis comparativo de los resultados ... 46

3.4 Pruebas con consideraciones prácticas del regulador y del proceso ..................... 47

3.5 Guía práctica de laboratorio ................................................................................ 52

3.6 Valoración técnica-económica-medioambiental .................................................. 53

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................ 54

Conclusiones ................................................................................................................ 54

Recomendaciones ......................................................................................................... 55

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .............................................................................. 56

ANEXOS ......................................................................................................................... 58

Anexo I Variación del período de muestreo .............................................................. 58

Anexo II Práctica de laboratorio ............................................................................. 60

INTRODUCCIÓN 1

INTRODUCCIÓN

Los sistemas SCADA por sus siglas en inglés: Supervisory Control And Data Adquisition,

revolucionaron la industria moderna al posibilitar el surgimiento de procesos automatizados

a gran escala y de alta complejidad. Desde sus inicios los SCADA o también conocidos como

sistemas supervisorios destacaron por su eficiencia y fiabilidad, factores que generalizaron

su utilización a nivel mundial. Se hacen indispensables para la rápida detección de fallas o

errores, determinar la causa de origen y actuar en consecuencia para evitar que se repitan

dichos acontecimientos. Permiten la gestión y control de cualquier sistema local o remoto

gracias a la implementación de una interfaz gráfica de fácil comprensión para los operadores.

Esto constituye una aplicación de software diseñada para comunicarse con los dispositivos

de campo tales como: autómatas programables, sensores y actuadores para controlar procesos

simultáneos desde la pantalla de la computadora.

Los sistemas SCADA ofrecen una perspectiva integrada de todos los recursos de control e

información de la planta. De esta manera, los ingenieros, supervisores, gerentes y operadores

pueden visualizar e interactuar con los procesos mediante sus representaciones gráficas. De

forma general sus funcionalidades abarcan la recolección de grandes volúmenes de

información y estados del proceso, el análisis y procesamiento de los datos recopilados,

visualización de dichos datos en las interfaces gráficas correspondientes y la transmisión al

proceso de las acciones de control realizadas por el operador.

En ocasiones el costo y la complejidad del equipamiento que requieren los procesos

industriales actuales dificultan reproducirlos en laboratorios con fines académicos. Esta

problemática da lugar al surgimiento de los procesos virtuales y a los sistemas SCADA con

procesos virtuales que utilizan como base la simulación a partir de parámetros reales.

Actualmente son utilizados en gran medida a nivel industrial para incrementar la capacitación

INTRODUCCIÓN 2

de los operadores cuando los riesgos que implica el proceso no le permiten entrenarse

directamente en el mismo. Estos constituyen un ambiente seguro que permite cometer errores

sin afrontar consecuencias. Puede simularse la ocurrencia de situaciones anómalas o el

disparo de alarmas, para que el usuario responda a estos estados de emergencia e incremente

su preparación para enfrentar los procesos reales. Como su nombre lo indica, este tipo de

proceso no requiere la presencia física de equipamiento, por lo que resulta una alternativa

económicamente viable en la mayoría de las ocasiones. La eficiencia y exactitud constituyen

factores de gran importancia y dependen de la cantidad de consideraciones prácticas reales

implementadas en la simulación.

Existen varias investigaciones relacionadas con estas temáticas, entre ellas: (Pérez-López,

2015) donde el autor hace un enfoque directo a la importancia de los sistemas SCADA,

destaca aspectos técnicos y funcionales que caracterizan los mismos y valora su impacto en

la industria moderna.

En el departamento de Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

se han realizado investigaciones relacionadas con la temática tratada anteriormente, ejemplo

de ello lo constituye el trabajo de diploma de (Herrera Rodríguez, 2016) donde se utiliza un

proceso virtual en el software LabVIEW pero no se considera un SCADA. (Moreno Corbea,

2017) en su trabajo de diploma desarrolla una interfaz gráfica diseñada en Movicon, pero

para la simulación utiliza el software LabVIEW.

La carrera de Ingeniería en Automática de la Universidad Central “Marta Abreu” de Las

Villas no cuenta en sus laboratorios con el equipamiento y la instrumentación necesaria para

lograr una mejor comprensión de los procesos industriales actuales. Los costos elevados de

los equipos dificultan su adquisición y a su vez, la realización de prácticas reales por parte

de los estudiantes. En ocasiones no se aprovecha al máximo las potencialidades de la

simulación en tiempo real que proveen software como el Movicon. Esta herramienta permite

aplicar los contenidos impartidos y valorar los resultados independientemente de la

complejidad del proceso.

A partir de la problemática anterior se plantea como problema científico: No se dispone de

un sistema SCADA para control de procesos virtuales que proporcione el desarrollo de

diferentes prácticas de laboratorio e incremente el nivel de preparación de los estudiantes.

INTRODUCCIÓN 3

Objetivo General

Diseñar un sistema SCADA para un control de proceso virtual que permita incrementar la

preparación de los estudiantes en el desarrollo de prácticas de laboratorio.

Objetivos Específicos

Analizar la bibliografía existente sobre sistemas SCADA con procesos virtuales.

Caracterizar las potencialidades de Movicon para la simulación y control de procesos

en tiempo real.

Simular en tiempo real el modelo de un proceso seleccionado con el uso de las

funcionalidades de Movicon.

Desarrollar un sistema supervisorio para el proceso virtual seleccionado.

Valorar los resultados obtenidos de las pruebas realizadas al proceso virtual.

Tareas de investigación

1. Análisis de la bibliografía existente sobre procesos virtuales y entrenadores de

SCADA.

2. Caracterización de las diversas funcionalidades del software Movicon.

3. Selección de las consideraciones prácticas para la simulación de control del proceso.

4. Elaboración del script de simulación.

5. Diseño de la interfaz gráfica de usuario (HMI).

6. Realización de diferentes pruebas al proceso.

7. Valoración de los resultados.

8. Elaboración del informe final de la investigación.

Resultados

Con este proyecto se obtiene la simulación de un proceso virtual a partir de un modelo

seleccionado, su sistema supervisorio que garantiza el aprovechamiento de todas las

funcionalidades y una guía que permite el desarrollo de prácticas de laboratorio.

INTRODUCCIÓN 4

Impacto posible

La ejecución de este proyecto da solución a los problemas relacionados con la obtención de

hardware de elevado costo y alta complejidad que requieren los procesos industriales actuales

y cuya adquisición no constituye una alternativa viable para nuestra Universidad. Su

implementación posibilita la obtención de una herramienta de simulación que permite el

desarrollo de prácticas de laboratorio y complementa en gran medida la formación de los

futuros ingenieros.

Metodología de Trabajo:

Para el desarrollo de la investigación se realiza un análisis documental sobre sistemas

SCADA y procesos virtuales que conforma la base del marco teórico. La simulación se hace

con Visual Basic for Aplication (VBA) que constituye el software para script de Movicon.

La experimentación se basa en parámetros reales del proceso seleccionado.

CAPÍTULO I: En este capítulo se realiza un análisis de la bibliografía existente sobre los

conceptos fundamentales que se abordan: SCADA, procesos virtuales y entrenadores con

procesos virtuales. Se presentan los principales antecedentes relacionados con el tema y su

valoración crítica. Se muestran las consideraciones finales del capítulo.

CAPÍTULO II: Se caracteriza el software Movicon y sus posibilidades para la simulación y

control de procesos en tiempo real. Se presenta el modelo seleccionado para el proceso virtual

y se hace el diseño de su interfaz gráfica en Movicon. Para finalizar se exponen las

consideraciones finales del capítulo.

CAPÍTULO III: Se presentan las diferentes pruebas realizadas al proceso virtual con la

utilización de parámetros reales. Se desarrolla una práctica de laboratorio y una guía que

garantiza el máximo aprovechamiento de las funcionalidades del software. Se hace una

valoración de los resultados obtenidos y un análisis de su impacto técnico-económico –

medioambiental.

CAPÍTULO 1. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE PROCESOS VIRTUALES 5

CAPÍTULO 1. SISTEMAS SCADA EN EL CONTROL DE

PROCESOS VIRTUALES

El desarrollo de aplicaciones computacionales implementadas en la industria ha permitido

incrementar la complejidad, eficiencia y fiabilidad de los procesos. Específicamente los

sistemas SCADA como elementos supervisorios y los procesos virtuales como herramientas

de entrenamiento tienen un papel esencial en la industria moderna. Con el fin de lograr una

mayor comprensión de los conceptos fundamentales asociados a estas temáticas en este

capítulo se realiza un análisis de las generalidades de los sistemas SCADA. Posteriormente

se trata el PID digital y algunas consideraciones prácticas a tener en cuenta para su

simulación. Finalmente se presentan como antecedentes algunas investigaciones realizadas

en este campo y se exponen las consideraciones finales del capítulo.

1.1 Sistemas SCADA

Los avances alcanzados en la tecnología han posibilitado la utilización de computadoras para

el control industrial. Realizan tareas de recolección, almacenamiento y procesamiento de

datos para luego mostrar de manera organizada la información sobre una pantalla. Muchas

empresas se aprovecharon del rápido avance de las computadoras y realizaron programas de

aplicación para atender requisitos específicos de algunos procesos. De esta forma surgen los

software SCADA, que constituyeron una herramienta útil y una nueva experiencia para las

empresas desarrolladoras de software (Lakhoua, 2009).

La automatización industrial moderna consiste en manipular la actividad y la evolución de

los procesos sin la intervención continua de un operador. Para este fin son empleados los

sistemas SCADA. Estos permiten supervisar y controlar las distintas variables presentes en

los procesos o plantas. Para ello se deben utilizar diversos periféricos, software de aplicación,


unidades remotas y sistemas de comunicación que le permiten al operador tener acceso

completo al proceso mediante su visualización en diversas pantallas.

Los primeros tipos de SCADA se utilizaron en aplicaciones tales como tuberías de gas y

líquidos, la transmisión y distribución de energía eléctrica y en los sistemas de distribución

de agua, para su control y monitorización (Shaw, 2006). Hoy en día pueden ser usados de

manera conjunta con PLC (Programable Logic Control) para formar poderosos sistemas

supervisorios con altas prestaciones. Permiten no solo supervisar el proceso sino tener acceso

al historial de las alarmas y variables de control, combinar bases de datos relacionadas y

presentar la información de manera simple y organizada lo que facilita en gran medida la

labor de los operadores. En este epígrafe se tratarán aspectos relacionados con los sistemas

SCADA a fin de lograr una mejor comprensión de su importancia para la automatización. Se

abordan temáticas como sus características generales, principales funcionalidades y sus

componentes fundamentales. Se presentarán algunos software empleados para su realización

con énfasis en las principales prestaciones que estos pueden ofrecer.

1.1.1 Características generales de un SCADA

Los sistemas SCADA, permiten la gestión y control de cualquier sistema local o remoto

gracias a una interfaz gráfica que comunica al usuario con el sistema. Constituyen una

aplicación o conjunto de aplicaciones de software especialmente diseñadas para funcionar

sobre ordenadores de control de producción, con acceso a la planta mediante la comunicación

digital con instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica de alto nivel para el operador.

Según (Gómez et al., 2008) las características principales de un SCADA son las siguientes:

Adquisición y almacenamiento de datos para recoger, procesar y almacenar la

información recibida en forma continua y confiable.

Representación gráfica y animada de variables de proceso y su monitorización por

medio de alarmas.

Ejecución de acciones de control para modificar la evolución del proceso a partir de

acciones sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús,) o

directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.

Arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación y adaptación.


Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes

de comunicación.

Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control.

Transmisión de información con dispositivos de campo y otras computadoras.

Alertar al operador sobre cambios detectados en la planta, los que no se consideren

normales como las alarmas y los que se produzcan en su operación diaria como los

eventos. Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis.

1.1.2 Subsistemas y funciones de un sistema SCADA

Los sistemas SCADA para su correcto funcionamiento requieren de los siguientes

subsistemas:

Una interfaz hombre-máquina (HMI) donde se presentan los datos del proceso y a

través de esta el operador realiza las acciones de control.

Un sistema de supervisión que garantiza la adquisición de datos desde el proceso y el

envío de comandos al mismo.

Unidades terminales remotas (RTU) que se conectan a los sensores en el proceso,

convirtiendo las señales del sensor en datos digitales y enviando dichos datos al

sistema de supervisión.

Infraestructura de comunicación que conecta el sistema de supervisión con las RTU

y con otros niveles superiores.

Estos presentan una amplia gama de funcionalidades de gran utilidad para la industria, según

(Chacón Morales, 2012):

Supervisión: Por medio de la HMI el operador puede observar los cambios detectados en la

planta, ya sea el disparo de alarmas o la ocurrencia de eventos y de esta manera podrá iniciar

las acciones de control correspondientes para solucionar dichas situaciones.

Control: El sistema actúa sobre los elementos de control final: actuadores, válvulas, motores,

bombas. La mayoría de los SCADA cuentan con modos de control manual y automático

permitiéndole al operador intervenir en los parámetros del proceso en situaciones anómalas

que requieran especial atención.


Adquisición de datos: Se recolectan, procesan y almacenan los valores de las variables

recibidos de los dispositivos de campo lo que permite la realización de análisis estadísticos

sobre la estabilidad y la eficiencia del proceso que se controla.

Manejo de alarmas: Se disparan alarmas en forma automática ante la detección de variables

fuera del rango admisible. A través de señales visuales o sonoras el operador puede ejecutar

a tiempo acciones de control que devuelvan al proceso a su estado normal.

Generación de reportes: Basadas en la información obtenida por el sistema es posible generar

gráficos de tendencia, históricos de variables, predicciones, análisis estadísticos y balances

económicos que facilitan en gran medida el trabajo administrativo.

1.1.3 Software para el desarrollo de sistemas SCADA

La importancia y utilidad demostrada por los SCADA para la industria ha permitido que

múltiples empresas desarrolladoras de software se encaminen en la creación de estas

aplicaciones. El objetivo fundamental es brindarle al desarrollador una herramienta flexible

que pueda ser utilizada independientemente de la complejidad del proceso. Cuentan con un

entorno de desarrollo amigable para facilitar el trabajo y brindan todos los recursos necesarios

para la supervisión y el control. Dentro de los más utilizados se pueden mencionar:

Movicon

Este software creado por la empresa Progea según (Progea, 2018) se presenta como una

aplicación flexible y escalable para el desarrollo de plataformas SCADA/HMI, con

transparencia, simplicidad y alto rendimiento. Está completamente basado en estándares

XML y tecnologías bien establecidas como servicios web, gráficos SVG, OPC, SQL, ODBC,

.Net, así como tecnología Java y aplicaciones para soluciones de cliente web.

Es una plataforma SCADA/HMI universal capaz de adaptarse a cualquier tipo de aplicación,

independientemente del hardware empleado y la complejidad del proceso. Permite proyectar

estaciones de supervisión de grandes plantas, con arquitecturas cliente/servidor, soporte para

dispositivos móviles basados en el sistema operativo WinCE. Garantiza la comunicación con

PLC, redes industriales y buses de campo (fieldbus) lo que amplía la propuesta de soluciones

para el manejo y transmisión de la información.


Entre sus características fundamentales se pueden mencionar:

Amplia biblioteca de controladores de E/S incluidos para extender los campos de

aplicación.

Editor gráfico vectorial con interfaz amigable y biblioteca de objetos encaminada a

facilitar el desarrollo de la HMI.

Gestión de alarmas con registro de eventos y realización de históricos en XML o

base de datos.

Administración de seguridad con usuario y contraseña establecidos en diferentes

niveles de acceso.

Visual Basic for Aplication (VBA) para la ejecución de script en tiempo real. Soporte

para cliente Web, SQL CE, cliente OPC.

Utilización de SMS o correo electrónico para el envío de notificaciones ante la

ocurrencia de eventos.

Este software posee una elevada compatibilidad al incluir estándares de Microsoft tales

como:

ActiveX permite insertar los objetos de los terceros.

ODBC (Open Database Connectivity) se utiliza para la administración de base de

datos.

VBA (Visual Basic for Aplication) para la ejecución de código en sinópticos y scripts.

OPC (Ole for Process Control) para la conectividad entre aplicaciones y para el

manejo de datos y símbolos.

Windows API (Application Program Interface) para permitir expansiones del sistema

a través de DLL.

LabVIEW

Ofrece un ambiente de desarrollo gráfico con una metodología de fácil comprensión para los

ingenieros. Con esta herramienta se pueden crear fácilmente interfaces de usuario para la

instrumentación virtual sin la obligación de elaborar código de programación, aunque en

ocasiones puede utilizarse. Para especificar las funciones sólo se requiere construir diagramas

de bloque. Se tiene acceso a una paleta de controles de la cual se pueden escoger desplegados


numéricos, medidores, termómetros, tanques, gráficas y una amplia gama de funciones

programadas que aceleran el diseño de las aplicaciones.

Se basa en un modelo de programación de flujo de datos denominado G, que libera a los

programadores de la rigidez de las arquitecturas basadas en texto. Es además un sistema de

programación gráfica que tiene un compilador que genera código optimizado, cuya velocidad

de ejecución es comparable al lenguaje C. Los desarrollos construidos son compatibles con

las normas VISA, GPIB, VXI y la alianza de sistemas VXI Plug & Play. Para facilitar aún

más la operación cuenta con la inclusión de una herramienta asistente capaz de detectar

automáticamente cualquier instrumento conectado a la computadora, se instalan los drivers

apropiados y facilita la comunicación con el instrumento al instante.

En sus inicios fue creado para construir instrumentación virtual: osciloscopios, generadores

de función, voltímetros, entre otros. Debido a la amplia disponibilidad de tarjetas de

adquisición de datos y a la facilidad de construir aplicaciones en un ambiente gráfico, las

últimas versiones se han utilizado ampliamente para desarrollar aplicaciones para la

supervisión y control de procesos.

1.2 El controlador PID

El controlador proporcional integral derivativo (PID) es una herramienta ampliamente

utilizada en sistemas de control de procesos industriales. Este calcula y corrige el error entre

una variable de proceso medida y su punto de ajuste establecido inicialmente. La acción

correctiva puede ajustar el proceso rápidamente para mantener el error mínimo.

El controlador PID calcula por separado los tres parámetros, es decir, los valores

proporcionales, integrales y derivativos. El valor proporcional determina la reacción al error

actual. El valor integral determina la reacción basada en la suma de errores recientes como

error pasado. El valor derivado determina la reacción en función de la velocidad a la que el

error ha estado cambiando como un error futuro. Al ajustar estas tres constantes en el

algoritmo del controlador PID se puede proporcionar una acción de control que responda a

requisitos específicos del sistema (Chopade et al., 2013).

Algunas aplicaciones pueden requerir solo uno o dos parámetros del controlador PID para

proporcionar el control apropiado en el sistema. En estos casos se denomina controladores


PI, PD o P según la ausencia de las acciones de control no deseadas. Los controladores PI

son muy comunes, ya que la acción derivada es muy sensible al ruido en la medición y la

acción integral garantiza que se alcance el valor objetivo establecido por el mando de control

sin error en el estado estable.

1.2.1 Tipos de PID

Los métodos empleados para el cálculo de los parámetros proporcional, integral y derivativo

pueden variar de acuerdo a los requisitos del sistema donde se aplique. Esto da lugar a varias

tipologías o formas modificadas usadas para obtener mejores respuestas. Entre la más

utilizadas se encuentran: el PID básico, el PI-D y el I-PD.

Control PID básico

Es la configuración estándar del PID ver figura 1.1, donde las acciones proporcional, integral

y derivativa se aplican simultáneamente a la diferencia entre la señal de referencia y la

realimentación.

Figura 1.1 Sistema de control con PID

El PID está representado por la ecuación (1.1).

𝐺(𝑠) = 𝐾 (1 +1

𝑠𝑇𝑖+ 𝑠𝑇𝑑) (1.1)

Donde:

K: Ganancia proporcional

Ti: Constante de tiempo integral

Td: Constante de tiempo derivativo


Sin tener en cuenta las perturbaciones y el ruido, la función de transferencia en lazo cerrado

entre la salida Y(s) y la entrada R(s) para este sistema corresponde con la ecuación (1.2).

𝑌(𝑠)

𝑅(𝑠)= (1 +

1

𝑇𝑖𝑠+ 𝑇𝑑𝑠)

𝐾𝑝𝐺𝑝(𝑠)

1 + (1 +1

𝑇𝑖𝑠+ 𝑇𝑑𝑠) 𝐾𝑝𝐺𝑝(𝑠)

(1.2)

Donde:

Kp: Ganancia proporcional

Gp(s): Función de transferencia de la planta o proceso

Control PI-D

Se utiliza generalmente para atenuar el efecto de máximo sobre impulso. La acción derivativa

se coloca en la realimentación y no se aplica directamente sobre la señal de referencia, ver

figura 1.2.

Figura 1.2 Sistema de control PI-D

En este caso la función de transferencia en lazo cerrado sin tener en cuenta perturbaciones y

ruido se define por la ecuación (1.3):

𝑌(𝑠)

𝑅(𝑠)= (1 +

1

𝑇𝑖𝑠)


1 + (1 +1


(1.3)


Control I-PD

En este caso las acciones proporcional y derivativa se mueven al camino de la realimentación

con el fin de no afectar la señal de referencia. Esta solo es modificada por el control integral,

razón por la cual es indispensable para el correcto funcionamiento del sistema de control, ver

figura 1.3.

Figura 1.3 Sistema de control I-PD

La función de transferencia en lazo cerrado si tener en cuenta perturbaciones y ruido queda

definida por la expresión (1.4):

𝑌(𝑠)

𝑅(𝑠)= (

1

𝑇𝑖𝑠)


1 + (1 +1


(1.4)

Cada una de estas formas de utilización del PID introduce diferentes variaciones en la

repuesta. La selección de una u otra depende en gran medida de las características del proceso

a controlar.

1.2.2 PID digital

La mayoría de los trabajos e investigaciones en control automático consideran sistemas de

control periódicos o activados por tiempo donde las señales de tiempo continuo se

representan por sus valores muestreados a intervalos de muestreo equidistantes. La razón

principal de esto es la existencia de una teoría de sistema bien establecida para sistemas de

datos muestreados y sistemas de control muestreados (Åström and Wittenmark, 2013).

Para implementar un controlador PID en una computadora, debe convertirse a formato

digital. Una forma común de hacer esto es discretizar el controlador para aproximar las


derivadas de tiempo continuo con el uso de diferentes métodos, entre ellos: aproximación de

diferencia hacia atrás, aproximación de diferencia hacia adelante y aproximación de Tustin.

Los controladores PID son ampliamente utilizados como reguladores digitales en algoritmos

de sistemas de control digital directo por computadora.

Sea la ecuación ideal (1.5) de un PID analógico:

)0()(

)(1

)()(0

mdt

tdTdtte

TteKtm

t

e

d

i

c

(1.5)

Donde:

m(t): Salida del regulador.

Kc: Constante proporcional.

Ti: tiempo integral.

Td: tiempo derivativo.

m(0): valor de la salida en el instante t=0

e(t) = r(t) – c(t) Diferencia entre valor de entrada y valor de salida respectivamente

Desde el punto de vista discreto se calcula como:

Acción proporcional:

eKP c (1.6)

Acción derivativa por diferencia hacia adelante:

)()( 111 kkck

d

mk ccNKD

T

NTD (1.7)

Donde:

N: coeficiente de acción del filtro (generalmente N=8 ó N=10)


Acción derivativa por diferencia hacia atrás:

(1.8)

Aproximación por Tustin:

112

2

2

2

kk

md

dck

md

mdk cc

NTT

NTKD

NTT

NTTD (1.9)

Acción integral por diferencia hacia adelante:

11 k

i

cmkk e

T

KTII (1.10)

Acción integral por diferencia hacia atrás:

k

i

cmkk e

T

KTII 1 (1.11)

Aproximación por Tustin:

2

11

kk

i

cmkk

ee

T

KTII (1.12)

1.3 Consideraciones prácticas aplicadas a los sistemas de control

Los PID se presentan en muchas ocasiones como la solución más completa para los sistemas

de control. Su implementación garantiza rapidez y exactitud en la respuesta, pero en la

práctica existen algunos efectos adversos que afectan su correcto funcionamiento. Entre ellos

se pueden mencionar:

Saturación del actuador

Según (Karl J. Åström, 2009) deben tomarse en consideración algunos efectos no lineales.

Todos los actuadores tienen limitaciones que influyen en su comportamiento. Un motor tiene

una velocidad limitada por sus características físicas. Una válvula no puede estar más que

totalmente abierta o totalmente cerrada. Para un sistema de control con un amplio rango de

condiciones operativas, puede suceder que la variable de control alcance los límites del

11

kk

md

dck

md

dk cc

NTT

NTKD

NTT

TD


actuador. Cuando esto sucede el lazo de realimentación se rompe y el sistema opera como un

sistema en lazo abierto porque el actuador permanecerá en su límite independientemente de

la salida del proceso. Si se utiliza un controlador con acción integral, el cálculo para la

integración del error continúa si el algoritmo no se diseña adecuadamente. Esto significa que

el término integral puede hacerse muy grande y se requiere entonces que el error tenga signo

opuesto durante un largo período antes de que las cosas retornen a la normalidad. La

consecuencia es que cualquier controlador con acción integral puede sufrir grandes

transitorios cuando el actuador se satura.

Transferencia suave entre modo el manual y el automático (bumpless transfer)

Los sistemas de control pueden inicializarse en modo manual para llevar la variable hasta

un valor cercano al punto de ajuste establecido. Según (Cantarero) es necesario disponer de

un mecanismo adecuado para conmutar entre la acciones de control manual-automático y

cambiar directamente la variable manipulada del proceso. Para corregir este efecto adverso

puede emplearse el método de seguimiento de la integral. Este se basa en realimentar al

controlador la diferencia entre la señal de error, la que éste genera, y la señal de control

saturada, la que interpreta el actuador; de forma que la diferencia entre ambas sea utilizada

por el controlador para llevar la señal de control al mismo valor que la señal saturada. Este

método es el más eficaz, pues permite reducir mucho el tiempo de la saturación del término

integral, pero necesita conocer en todo momento los límites físicos del actuador, ya sea por

medición directa o incorporando un buen modelo del actuador.

Zona muerta (death zone)

La zona muerta constituye una no-linealidad inevitable en la gran mayoría de los sistemas de

control. Representa un umbral donde no existen salidas para los cambios en los valores de

entrada que estén dentro de su amplitud, ver figura 1.4. Si no se toma en cuenta puede

producir error de régimen estable en los sistemas donde se presenta.


Figura 1.4 Curva característica de entrada-salida para la no-linealidad de zona muerta.

1.4 Simulación.

En ocasiones es necesario saber cómo responderá un sistema ante determinadas acciones que

se realicen sobre él. Esto podría hacerse por experimentación con el propio sistema; pero

factores de costos, seguridad y otros hacen que esta opción generalmente no sea viable. A fin

de superar estos inconvenientes, se reemplaza el sistema real por maquetas experimentales o

por un modelo matemático. En ellos se pueden llevar a cabo las experiencias necesarias sin

los inconvenientes planteados anteriormente. Al proceso de experimentar con un modelo se

denomina simulación y si el plan de experimentación se lleva a cabo con el solo objeto de

aprender a conducir el sistema, entonces se denomina entrenamiento o capacitación (Tarifa,

2001).

Según (Garcia Dunna and Azarang Esfandiari, 1996) simulación se define como el desarrollo

de un modelo lógico-matemático de un sistema, de tal forma que se obtiene una imitación de

la operación de un proceso de la vida real o de un sistema a través del tiempo. Sea realizado

a mano o en computadora, la simulación involucra la generación de una historia artificial de

un sistema; la observación de esta historia mediante la manipulación experimental, nos ayuda

a inferir las características operacionales de tal sistema. El desarrollo del modelo incluye la

construcción de ecuaciones lógicas representativas del sistema y la preparación de un

programa computacional. Una vez que se ha validado el modelo del sistema, la segunda fase

de un estudio de simulación entra en escena, experimentar con el modelo para determinar

cómo responde el sistema a cambios en los niveles de algunas variables de entrada.


1.4.1 Aplicaciones de la simulación

Los avances alcanzados en las ramas computacionales permiten la utilización de la

simulación como una potente herramienta para el desarrollo de aplicaciones. La gran mayoría

de los procesos de alta complejidad son simulados en laboratorios donde son probados y

evaluados antes de su construcción física.

Según (Tarifa, 2001) la simulación debe emplearse cuando: los experimentos con el sistema

real son imposibles debido a impedimentos económicos, de seguridad, de calidad o éticos.

Un ejemplo de esto es la imposibilidad de provocar fallas en un avión real para evaluar las

acciones del piloto en situaciones de emergencia. En proyectos donde se diseñan sistemas

nuevos que no han sido probados en la práctica resulta de gran ayuda un modelo para la

experimentación que garantice mejores resultados finales. En la educación con fines

prácticos la simulación constituye una excelente herramienta para ayudar a comprender un

sistema real debido a la flexibilidad del entorno, la posibilidad de detener el tiempo o

ralentizar el proceso y además permite registrar valores de variables que no pueden ser

medidas en el sistema real.

1.4.2 Simulación en sistemas SCADA

El uso de los simuladores en las industrias, tiene su origen en la crisis energética del petróleo

en los años 70, en los que estas se vieron obligadas a optimizar sus procesos, y la consecuente

reducción de costos (García, 2010). A partir de esa fecha, inicialmente se desarrollaron en

varias universidades y algunas industrias varios programas de simulación con estructuras

rígidas para la introducción de las variables de entrada y con resultados de difícil

entendimiento para los operadores. Con el avance de las computadoras y de la informática

en general, diferentes empresas especializadas en desarrollo de software crearon programas

para la simulación de procesos industriales con entornos más amigables.

Un simulador según (García Jaimes, 2009),es una configuración de hardware y software en

el cual, mediante algoritmos de cálculo, se reproduce el comportamiento de un proceso o

sistema físico determinado. En dicho proceso se sustituyen las situaciones reales por otras

diseñadas virtualmente, de las cuales se aprenderán acciones, habilidades, hábitos y/o

competencias, para posteriormente transferirlas a situaciones de la vida real con igual


efectividad; en esta actividad no sólo se acumula información teórica, sino que se lleva a la

práctica. Los simuladores constituyen una herramienta, tanto para la formación de conceptos

y construcción en general de conocimientos, como para la aplicación y experimentación de

los mismos.

El uso de un simulador de procesos industriales según (Landaeta, 2014), representa un

acercamiento a las condiciones y comportamientos reales de éstos, lo que permite la

adquisición de destrezas y conocimientos por parte de los operadores antes de su vinculación

directa con la práctica.

Existen gran variedad de herramientas propietarias y personalizadas para la simulación de

procesos, con diferentes grados de complejidad, presentación y funcionalidad, pero con un

aspecto en común, que está dado por las aplicaciones y usos de los modelos matemáticos

bajo distintas herramientas informáticas para su análisis e interpretación. El uso de maquetas

o entrenadores físicos a escala no se considera en ocasiones una opción viable por recursos

económicos, factores de riesgo o simplemente porque la complejidad del proceso no admite

su reproducción.

Los paquetes de software que permiten el desarrollo de sistemas SCADA cuentan con

herramientas para la simulación. Estos simuladores de procesos son ampliamente utilizados

a nivel industrial y educativo, permiten el estudio, diseño, análisis y optimización de sistemas

y procesos industriales. Representan un ahorro de tiempo y recursos para la institución donde

se implemente y un invaluable instrumento como medio de enseñanza. Su mayor importancia

resalta por la posibilidad de simular la ocurrencia de eventos y alarmas que en la práctica son

poco frecuentes. De esta manera aumenta la capacitación de operadores inexpertos y los de

mayor experiencia, pueden entrenarse en estas situaciones esporádicas. Otro elemento de

gran importancia lo constituye el ambiente de trabajo seguro que proporcionan donde se

pueden modificar parámetros para experimentar las respuestas del sistema sin temor a

provocar fallas o defectos en el mismo.


1.5 Antecedentes de sistemas SCADA con fines educativos.

Existen varias investigaciones y proyectos relacionados con la temática tratada donde se

desarrollan aplicaciones con el fin de realizar actividades prácticas y de entrenamiento. Entre

ellos podemos mencionar:

Diseño y montaje de un entrenador con el controlador lógico programable PLC S7-200

SIEMENS (Pérez Rojas, 2013)

El entrenador es un módulo para configurar, programar y usar un autómata SIEMENS. Se

realiza un simulador de entradas para que el PLC responda según su programación. En este

caso la aplicación no se considera un SCADA, la supervisión y el control se llevan a cabo

desde el PLC y de manera conjunta se puede monitorizar en una computadora.

Implementación de control de velocidad de un motor dc con controlador PID convencional

y fuzzy P-PI-PID con diferentes tipos de entradas utilizando software LabVIEW (Chico,

2015)

Consiste en una placa electrónica que incluye varios sensores y actuadores típicos en los

sistemas de control tales como: temperatura, velocidad, posición, señales analógicas de

corriente continua, alterna, digital, y tren de pulsos. Está diseñado para conectar a una

computadora mediante una tarjeta de adquisición de datos (DAQ) de National Instruments.

Incluye varios programas realizados en la plataforma de desarrollo gráfico LabVIEW para

realizar prácticas de laboratorio. A pesar de utilizar las ventajas de la simulación requiere de

la utilización de instrumentación real.

Entrenador de Servosistemas (motores C.C.)(Edibon, 2009)

Se trata de un equipo desarrollado para el estudio de servosistemas y servomecanismos. Es

un entrenador para el control de velocidad en motores de corriente continua de pequeña

potencia. No se utiliza un SCADA para la supervisión y se requieren elementos físicos como

motores y tacómetros. Se emplea un programa como simulador de fallos y averías que

complementa la realización de las prácticas.

Sistema SCDADA para un entrenador de proceso del servosistema ALECOP SAD-100

(Corbea and Alberto, 2017)


Se desarrolla una herramienta para la supervisión y control del servomecanismo ALECOP

SAD-100. La interfaz gráfica de usuario se diseña en Movicon, pero la simulación se realiza

en LabVIEW a partir de los datos almacenados del proceso real.

Entrenador digital de lazo de control con consideraciones prácticas reales (Herrera and

Dani, 2016)

En este caso se utiliza un proceso virtual para simular el control de velocidad de un motor de

corriente directa y el control de posición de un servomotor de corriente directa. La simulación

se realiza en tiempo real pero no se considera un SCADA y se implementa completamente

en el software LabVIEW.

1.6 Consideraciones finales del capítulo

Los sistemas SCADA constituyen una herramienta de vital importancia para la supervisión

y control de los procesos industriales. Garantizan un manejo óptimo y organizado de la

información tanto en sistemas locales como en remotos.

Existen diversas consideraciones prácticas tales como: zona muerta, atraso de transportación,

histéresis, variación de la carga y saturación que afectan el correcto funcionamiento de los

reguladores y lazos de control. Incluirlas en los procesos simulados garantiza que las

respuestas obtenidas estén lo más cerca posible a los valores reales.

El Movicon es un software para el desarrollo de sistemas SCADA con grandes prestaciones.

Permite el diseño y desarrollo de interfaces gráficas con relativa facilidad además de proveer

una amplia gama de herramientas que garantizan la supervisión y el control. El modo

desarrollador de este software funciona sin una licencia pagada lo que permite la realización

de proyectos de manera gratuita, la licencia solo se paga si el proyecto se aprueba para su

implementación.

Los avances en las ramas computacionales hacen de los procesos virtuales una alternativa

viable para el entrenamiento y estudio de los procesos industriales. Económicamente son más

accesibles al no requerir la utilización de instrumentación real. Se destacan por la posibilidad

de simular fallas o errores para lograr una mejor preparación de los operadores.

CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO VIRTUAL 22

CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SCADA CON EL PROCESO

VIRTUAL

En este capítulo se abordan las características principales del software Movicon como

herramienta para el desarrollo de sistemas SCADA. Se ofrece una panorámica de las

posibilidades y potencialidades que presenta como plataforma SCADA en la simulación y

control de procesos. Además, se selecciona un modelo con diversas consideraciones prácticas

y se desarrolla un script para la simulación. Todo con el fin de realizar prácticas de laboratorio

que fortalezcan la formación de futuros profesionales.

2.1 Caracterización del Movicon

El Movicon se presenta como una herramienta para el desarrollo de plataformas SCADA

para prácticamente cualquier aplicación de supervisión. Ha sido utilizado en diversos

sectores de la industria, entre ellos: industrias de maquinarias, distribución eléctrica, industria

automotriz, farmacéutica y textil. Fue diseñado originalmente para empresas dedicadas a la

automatización y control de procesos y edificios inteligentes. Después de varios años de

utilización y constantes mejoras, sus prestaciones y funcionalidades permitieron incrementar

las posibilidades de implementación. Hoy en día constituye una aplicación con un gran

prestigio internacional y amplio uso, en gran medida porque ha sido capaz de mantener los

conceptos de simplicidad, potencia y sistema abierto. En Cuba lo comercializa la empresa

COPEXTEL, (Amador Contreras, 2011).


2.1.1 Movicon como software SCADA

El software Movicon ha desarrollado el concepto de la supervisión industrial, al introducir

tecnologías extremadamente innovadoras y modernas para sistemas de automatización.

Además de las herramientas para la rápida creación de aplicaciones de control y visualización

también introduce las últimas tecnologías que permiten integrar fácilmente la aplicación con

el resto del mundo. Permite crear potentes y compactos sistemas de visualización de interfaz

hombre-máquina. Convierte el panel de operador en una pequeña estación SCADA la que

ofrece independencia del hardware, conectividad con los sistemas superiores de información,

lo que incrementa la potencia de la máquina (Pascual, 2009).

El desarrollo de cada proyecto se caracteriza por su funcionamiento modular donde se

agrupan los diferentes recursos y componentes que definen el SCADA. El núcleo del

proyecto o Kernel está constituido por la base de datos de tiempo real, donde se almacenan

los valores en tiempo real de las variables de la aplicación. Con este módulo principal

interactúan los restantes módulos: comunicaciones, servidor web, scripts VBA y lógicas IL

(Instruction List), planificadores de comandos y eventos, registradores de datos (Data

Logger) y recetas, administración de alarmas, registros de eventos históricos y rastreo de

variables, interfaces de usuario y administración de usuarios y contraseñas. El Movicon

permite la función de supervisión de los procesos productivos mediante interfaces gráficas

denominadas sinópticos. Cuenta con ventanas o cuadros de diálogos para la programación de

comandos o la introducción de valores (setpoints) en el proceso. Presenta además

innumerables funciones para la manipulación y organización de la información que

garantizan una gestión de proceso completa y funcional de un modo simple y seguro.

2.1.2 Potencialidades para la simulación y control

Las funcionalidades para el control de procesos son una característica de gran importancia

en el software Movicon. Combina un grupo de herramientas que le permiten al operador

conocer el estado de la planta en todo momento. Permite una configuración de parámetros de

trabajo de manera rápida e intuitiva con la posibilidad de utilizar ventanas de diálogo para

guiar al operador. Las operaciones se inician y controlan a través de paneles táctiles o

computadoras remotas debido a la gran cantidad de soluciones de comunicación que presenta

este software. Durante la operación, se muestra en gráficos o esquemas el estado de los


elementos de control: motores, válvulas, bombas y se recolectan los valores de las variables

medidas por la instrumentación de campo. Además, se resaltan las condiciones de alarma

auxiliándose de señales visuales y sonoras. Esto brinda a los operadores una imagen clara de

la información en tiempo real del proceso en las diferentes etapas de producción.

Otro elemento de importancia para el control lo constituyen los comentarios y mensajes

programados que se asocian a las diferentes alarmas o eventos. Brindan información útil para

el operador o el personal de mantenimiento lo que incrementa la velocidad y eficiencia de la

respuesta en consecuencia. Todas las alarmas y eventos importantes se registran en una base

de datos, lo que permite realizar un análisis histórico para prevenir futuros fallos de control

o facilitar la toma de decisiones ante diversas situaciones.

El Movicon puede utilizarse como aplicación de tiempo real lo que posibilita la

implementación de programas que se ejecuten según una base de tiempo seleccionada.

Cuenta con VBA (Visual Basic for Aplication), software para la ejecución de script. Esta

funcionalidad hace posible la realización de simulaciones útiles en aplicaciones como

entrenadores de procesos. En el modo desarrollador se programan los diferentes eventos que

definen las condiciones ante las cuales debe activarse determinado script, de esta manera

pueden ser usados para simular fallos, generar alarmas o para poner al operador ante

situaciones que no enfrenta cotidianamente.

Definición de script

Los scripts son programas secuenciales que se implementan ya sea como recursos vinculados

directamente en las propiedades de ejecución de un objeto o como código asociado a los

eventos de una alarma, dibujo o símbolo. La utilización de los scripts está justificada por la

funcionalidad que desea darle el operador para su comodidad.

Bibliotecas Basic Script

Constituyen una herramienta de Movicon con el fin de facilitar al usuario el desarrollo de

script. Por esta vía es posible acceder a una serie de funciones suplementarias. Estas permiten

interactuar con el proyecto y realizar funciones como por ejemplo: Leer y escribir las

variables de la Real Time DB de Movicon, efectuar cambios de página, interactuar con las

propiedades de los símbolos, entre otras.


Eventos

Se define como eventos a las rutinas puestas a disposición del sistema que son llamadas

automáticamente al ocurrir sucesos que cumplen determinadas condiciones. Estos pueden ser

introducidos en los scripts. Su uso está fundamentado por la necesidad del desarrollador de

detectar cambios significativos que puedan ocurrir esporádicamente. Es posible crear eventos

personalizados sobre variables específicas de la Real Time DB de Movicon. Esto permite

utilizarlos para determinar el cambio de estado de una variable o para encuestar sus valores

cada un período de tiempo determinado.

2.2 Selección del modelo del proceso

El entrenador SAD-100 es una maqueta utilizada para el control de velocidad de un

servomecanismo de corriente directa. En este caso se selecciona su modelo matemático para

la realización del proceso virtual. Su disponibilidad permite comparar los resultados

obtenidos en la simulación con los valores reales y a pesar de ser un modelo relativamente

sencillo se pueden demostrar las funcionalidades del Movicon aplicables a cualquier otro

proceso.

2.2.1 El proceso

La planta real utilizada como referencia para la creación del proceso virtual cuenta con los

siguientes elementos enumerados en la figura 2.1

Figura 2.1 Servomecanismo de corriente directa ALECOP SAD-100


El diagrama en bloques para este sistema se corresponde con un lazo cerrado de control donde

la planta principal es el motor de corriente directa (CD), el regulador está constituido por un

PID y la realimentación o medición está dada por la señal del tacodinamo, ver figura 2.2.

Figura 2.2 Lazo cerrado de control para el SAD-100

El modelo de esta planta se corresponde con un sistema de primer orden según se muestra en

la ecuación 2.1

𝑉𝑒𝑙(𝑠)

𝑉𝑜𝑙𝑡(𝑠)=

𝐾𝑚

𝒯𝑝𝑠 + 1 (2.1)

Donde:

Vel(s): Velocidad del motor

Volt(s): Voltaje de alimentación

Km: Ganancia del proceso

𝒯p: Constante de tiempo del proceso

El software Movicon no trabaja con valores en el campo s, para poder implementar este

modelo en una simulación se hace necesario discretizar la ecuación 2.1. De esta forma el

modelo discreto queda según la ecuación 2.2.

𝑉𝑒𝑙(𝑠)


𝒯𝑝

𝒯𝑝 + 𝒯𝑚𝑉𝑒𝑙𝐾−1 + 𝐾𝑚

𝒯𝑝

𝒯𝑝 + 𝒯𝑚 (2.2)

Donde:

Vel(s): Velocidad del motor.

Volt(s): Voltaje de alimentación.

VelK-1: Velocidad en el instante de muestreo anterior.


𝒯p: Constante de tiempo del proceso.

Km: Ganancia del proceso.

𝒯m: Período de muestreo.

2.2.2 Consideraciones prácticas aplicadas al proceso

Para el desarrollo e implementación del proceso virtual se hace necesario la selección de

algunas consideraciones prácticas. El uso de las mismas permite a los usuarios enfrentar

situaciones reales que se presentan en los procesos industriales. Incluirlas en la aplicación

incrementa la veracidad de los resultados y complementa la formación de los usuarios al

exigir conocimientos y habilidad para enfrentar estas situaciones. Para el sistema

desarrollado en la simulación se seleccionan las siguientes consideraciones prácticas:

Saturación del actuador y del proceso

Zona muerta

Ruido en la medición

Ruido en la señal de mando

Variación de la carga

2.3 El Regulador

Con la finalidad de explotar al máximo las funcionalidades del proceso virtual se selecciona

un regulador PID según se muestra en la ecuación 2.3 en el dominio de la frecuencia. Este es

el más completo al presentar las tres acciones de control: proporcional, integral y derivativa,

lo que le brinda al usuario la libertad de escoger entre ellas o combinarlas a partir de

diferentes métodos de ajuste para evaluar las respuestas del sistema.

𝐺(𝑠) = 𝐾𝑐(1 + 1

𝒯𝑖𝑠+ 𝒯𝑑𝑠) (2.3)

Donde:

Kc: Constante de acción proporcional

𝒯i: Tiempo de acción integral


𝒯d: Tiempo de acción derivativa

2.3.1 Discretización del PID

Para poder implementar la función del PID en la simulación es necesario digitalizarlo para la

computadora. Una forma de hacerlo es discretizar el controlador, es decir, aproximar las

derivadas de tiempo continuo para que se ajusten a los ciclos de reloj de los

microprocesadores. En este caso la acción proporcional queda según la ecuación 2.4, la

acción derivativa de la ecuación 2.5 y la acción integral de la ecuación 2.6 se obtienen por el

método de diferencia hacia atrás.

𝑃𝑘 = 𝐾𝑐 ∗ 𝑒𝑘 (2.4)

𝐷𝑘 =𝒯𝑑

𝒯𝑑 + 𝑁𝒯𝑚𝐷𝐾−1 +

𝐾𝑐𝒯𝑑𝑁

𝒯𝑑 + 𝑁𝒯𝑚 (𝑒𝑘− 𝑒𝑘−1) (2.5)

𝐼𝑘 = 𝐼𝑘−1 + 𝒯𝑚

𝐾𝑐

𝒯𝑖𝑒𝑘 (2.6)

Donde:

ek: Error actual

ek-1: Error anterior

Dk-1: Acción proporcional anterior

Ik-1: Acción integral anterior

N: Coeficiente para acción del filtro (normalmente 8~10)

𝒯m: Período de muestreo

2.3.2 Consideraciones prácticas aplicadas al regulador

Al igual que en el epígrafe 2.2.2 existe otro conjunto de consideraciones prácticas de igual

importancia que se deben tener en cuenta, solo que esta vez están vinculadas con el

funcionamiento del regulador. Estas son necesarias para evitar respuestas adversas del

regulador ante determinados eventos. Para la simulación se seleccionaron las siguientes

consideraciones:


Saturación del mando

Efecto Wind-up

Cambio manual-automático

Transferencia suave de manual a automático (bumpless transfer)

Selección entre banda proporcional y unidades de ingeniería

2.4 Script para el proceso virtual en Movicon

Para crear el script donde se desarrollará el proceso virtual hay que insertar un nuevo recurso

en el proyecto. Para ello se elige la opción “Add a new Script” del menú que se despliega al

dar clic derecho sobre el ítem “Basic Script” del “Project Explorer”, ver figura 2.3. Una vez

realizada esta operación aparece el nuevo recurso que puede ser renombrado a conveniencia

del programador. Además, se abre la ventana del editor de código del script recién creado.

Figura 2.3 Creación de un nuevo script en el proyecto.

2.4.1 Configuración del evento para la ejecución del script

Un aspecto de gran importancia luego de haber creado el script lo constituye la definición de

su forma de ejecución. En este caso se utiliza la activación por eventos por la facilidad que

brindan a la hora de ejecutar el script cíclicamente. Para la creación de un nuevo evento se

selecciona la opción “Add a new Event Object” del menú que se despliega al dar clic derecho

sobre el ítem “Events” del “Project Explorer” ver figura 2.4.


Figura 2.4 Creación de un nuevo evento en el proyecto.

Inicialmente se debe configurar el evento creado para ejecutarse cíclicamente cada un

segundo. Para ello se selecciona la opción “Properties” del menú desplegado al dar clic

derecho sobre dicho evento. Luego de haber accedido a sus propiedades en el campo “Event

Variable” se selecciona la variable de sistema “ActTimeSec”. Una vez realizada esta

operación se le da la funcionalidad al evento de ejecutar el script. De igual forma se accede

a sus propiedades y en el campo “Commands” se agrega el script a ejecutar, ver figura 2.5.

Figura 2.5 Configuración del evento.


2.4.2 Variables utilizadas en el proceso

La definición de las variables está dada por los requisitos de las ecuaciones del PID y del

proceso utilizadas para la simulación, además se agregan otras para almacenar valores

anteriores. Se seleccionan los diferentes tipos de datos según la funcionalidad que se asigne,

ya sea almacenar valores numéricos o identificar estados activos. En la Tabla 2.1. se muestran

las variables empleadas para la programación del PID.

Tabla 2.1 Variables Relacionadas con el PID

Se considera importante definir otro grupo de variables entre las que se encuentran la entrada

y salida del proceso simulado. Algunas se emplean para configurar los valores de las

consideraciones prácticas aplicadas y otras para determinar estados o condiciones que rigen

el funcionamiento de la simulación, ver Tabla 2.2.

Variables Tipo Descripción

e Float Valor actual del error

eant Float Valor anterior del error

m Float Mando del PID en automático

Pk Float Acción proporcional del PID

Dk Float Acción derivativa del PID

Dkant Float Acción derivativa anterior del PID

Ik Float Acción integral del PID

Ikant Float Acción integral anterior del PID

N Float Coeficiente para el filtro (generalmente 8~10)


Tabla 2.2 Variables Relacionadas con el proceso y el estado de la simulación

Variables Tipo Descripción

_SysVar_ ----- Conjunto de variables del sistema (ActTimeSec)

BP Float Banda proporcional en %

MANAUT Bit Determina el estado de control actual manual (0), automático(1)

MANAUTant Bit Guarda el estado de control inmediato anterior

Unidad Bit (0) Unidades de ingeniería, (1) Banda proporcional

ZonaMuerta Float Valor asignado a la zona muerta del proceso

Voltaje Float Acción de mando manual asignada por el operador (-10 a 10V)

MandoActual Float Acción de mando automático aplicado al proceso (-10 a 10V)

VelocidadSP Float Punto de ajuste de velocidad (-2000 a 2000rpm )

2.5 Desarrollo de la interfaz gráfica HMI

La interfaz hombre-máquina o HMI es uno de los componentes fundamentales en el

desarrollo de un sistema SCADA. Se realizan con el objetivo de mostrar al operador todas

las opciones para la configuración, supervisión y control. Para su diseño se deben tener en

cuenta varios aspectos que contribuyan a alcanzar todas las funcionalidades que se requieren

en el proceso con la mayor simplicidad posible. Un paso importante lo constituye la selección

de los colores y debe respetarse la estandarización de los mismos. Por ejemplo, se asocia el

color rojo con alarmas o situaciones de peligro, el naranja o amarillo con advertencias y

precauciones y el verde con el funcionamiento correcto dentro de los parámetros del proceso.

Además, debe seleccionarse un color de fondo cuyo brillo e intensidad no canse la vista del

operador dado que este debe pasar varias horas observando la pantalla de la interfaz,

generalmente se utilizan escalas de grises o negro para este fin.


2.5.1 Definición de los niveles de acceso a los componentes de la interfaz

El Movicon tiene por default varios grupos de usuarios con configuraciones predefinidas para

facilitar el trabajo de los desarrolladores. Estos grupos se pueden modificar o agregar otros

en función de los requerimientos para el desarrollo del sistema SCADA. Administradores es

el grupo con máximo permiso en la ejecución del proyecto, una vez que el sistema se inicia

tienen acceso a todas sus funcionalidades. Desarrolladores es un grupo especial dado que son

los usuarios que pueden abrir el proyecto para su edición o modificación. Invitados, es por

default el grupo que incluye a personas que comúnmente no se le da permiso para operar,

incluso se le puede ocultar objetos y pantallas. Normalmente se pueden incluir grupos de

operadores u otros usuarios con diferentes niveles de usuarios, y a su vez cada uno puede

tener su propio nivel de acceso. Por lo que cada usuario tiene su nivel de usuario y nivel de

acceso, ver figura 2.6.

Figura 2.6 Configuración de niveles de usuario y niveles de acceso.


Para que el proyecto sea protegido para su edición se debe acceder a las propiedades del ítem

“Users And User Groups” del “Project Explorer” y habilitar la opción “Password Protected

Project”. Además, debe habilitarse la opción “Enable Password Manager” para que el

sistema de niveles de usuario y niveles de acceso sea efectivo, ver figura 2.7.

Figura 2.7 Habilitación de protecciones y niveles de acceso

En este proyecto se implementan tres usuarios con los diferentes niveles. Un “Operador” con

acceso a las pantallas de supervisión y control, no se le permite la visualización ni la

modificación de los parámetros que configuran el proceso virtual. Se agrega un usuario

“Admin” perteneciente al grupo administradores con total acceso al proyecto durante la

ejecución, puede modificar los parámetros que rigen el proceso virtual. Además, se incluye

un usuario “Desarrollador” dentro del grupo desarrolladores para permitir futuras

modificaciones al proyecto, esto garantiza que se puedan continuar perfeccionando sus

funcionalidades.

2.5.2 Pantallas o sinópticos que conforman la interfaz del SCADA

Para el desarrollo de este proyecto se implementan cinco pantallas: Principal, Control,

Configuración, Registros y Alarmas. Estas garantizan la supervisión, control y configuración

de las variables utilizadas en la simulación del proceso virtual. La interfaz cuenta con una

barra de navegación común para todas las pantallas que permite acceder a cualquiera de ellas

en el momento que sea necesario.


Principal

La pantalla Principal está diseñada con el objetivo de brindar información sobre el estado

general del sistema. Cuenta con una imagen simbólica de un motor para esquematizar el

proceso virtual que se emplea. Se insertan dos indicadores para mostrar los valores del mando

en voltaje y la velocidad en revoluciones por minuto (rpm) que constituyen la entrada y salida

respectivamente del proceso desarrollado. Se utiliza un selector para indicar el modo de

control activo y en este caso se le permite alternar entre manual y automático directamente

desde esta pantalla. Se muestra además el usuario actual registrado y se brinda la opción de

cerrar la sección para registrar uno diferente, ver figura 2.8.

Figura 2.8 Pantalla principal de la interfaz del SCADA

Control

La pantalla Control, como su nombre lo indica, está diseñada para brindar todas las opciones

que permitan actuar sobre el proceso. Cuenta al igual que la pantalla Principal con un selector

para alternar entre los modos de control manual y automático dado que esta es una opción

imprescindible para la mayoría de los procesos industriales. Incluye dos controles del tipo

potenciómetro con sus respectivos indicadores. En este caso se utiliza uno para fijar el punto

de ajuste de velocidad y el otro para fijar el voltaje utilizado como señal de mando cuando el

control manual se encuentra activo. Los elementos principales de esta interfaz lo constituyen


dos gráficos insertados desde el “Toolbox” de Movicon en la sección “Trend-Charts-Data

Analysis”. Se utiliza uno de ellos para graficar en color verde el valor de velocidad obtenido

como salida del proceso virtual, conjuntamente se grafica en color rojo el valor de velocidad

definido como punto de ajuste o entrada del proceso. De esta manera el usuario puede

caracterizar la respuesta y determinar parámetros importantes como tiempo de subida, valor

máximo del impulso, tiempo de establecimiento y el error. El otro gráfico insertado se utiliza

para seguir de manera continua el valor de voltaje introducido como mando al proceso, ver

figura 2.9. Esta característica resulta de vital importancia para identificar saturaciones en el

mando cuando se encuentra activo el control automático fundamentalmente. En la práctica

esta saturación durante un largo período de tiempo puede ocasionar daños al equipamiento

empleado.

Figura 2.9 Pantalla de control de la interfaz del SCADA

Configuración

El objetivo de esta interfaz es establecer los valores de configuración que definen el

desarrollo de la simulación. Esta pantalla no se encuentra visible para el usuario “Operador”

definido en el epígrafe 2.5.1. Esto se debe a que en la práctica a los operadores de procesos

no se les permite cambiar parámetros de control que modifiquen el ajuste de los controladores

u otras variables relacionadas con constantes de la planta. La interfaz cuenta con un “Radio


Button” insertado desde el “Toolbox” de Movicon en la opción “Basic Controls” que le

permite al usuario alternar el modo de trabajo entre unidades de ingeniería o banda

proporcional. Se incluyen desde el propio “Toolbox” en la opción “Objects” varios

elementos del tipo “EditBox-Display”. Estos se utilizan para visualizar y modificar las

constantes del PID y del proceso, en este caso se muestran: Kc, Ti, Td, Km, Tm, N y Zona

muerta. Se agrega además un “Vertical Slider” para definir la variación de la carga, ver figura

2.10. Durante la ejecución de la simulación los usuarios “Admin” o “Desarrollador”

definidos en el epígrafe 2.5.1, pueden variar estos parámetros para evaluar la calidad de las

respuestas. Esta pantalla brinda la posibilidad de probar diferentes métodos de ajuste para el

controlador aumentando la eficiencia y la flexibilidad de la aplicación.

Figura 2.10 Pantalla de configuración de los parámetros del PID y del proceso

Registros

De manera general todo sistema SCADA funciona con dos bases de datos, la llamada base

de datos de tiempo real y el histórico. La base de datos de tiempo real almacena los valores

actuales de las variables en cada instante, normalmente se encuentra en la memoria RAM de

la computadora donde se implementa la aplicación. Por otra parte, la base de datos históricos

almacena la información en el transcurso del tiempo, normalmente en disco duro (HDD) u

otro dispositivo de almacenamiento.


Para el registro de datos en históricos el software Movicon cuenta con el ítem “Data Loggers

And Recipes” del “Project Explorer”. Existen algunos patrones definidos por defecto cuyas

propiedades se pueden cambiar y ajustar a nuevos tiempos de almacenaje. Para registrar el

comportamiento de una variable se selecciona la opción “Associate a DataLogger/Recipe”

resultante de dar clic derecho sobre dicha variable, ver figura 2.11.

Figura 2.11 Asociar variables a un Data Logger

Para el desarrollo de esta interfaz se inserta un objeto del tipo “DataLogger Window”

presente dentro del “Toolbox” en la opción “Objects”. Este permite visualizar los datos

históricos de las variables seleccionadas que en este caso son: VelocidadSP, Velocidad, e

(error) y Voltaje. Brinda además funciones para actualizar los datos, filtrar los registros

acotándolos en un intervalo de tiempo o en una fecha determinada y permite la impresión del

contenido directamente desde la interfaz, ver figura 2.12

Figura 2.12 Pantalla de registros de la interfaz del SCADA


Alarmas

Todas las ocurrencias de alarmas, ya sean de advertencia o de peligro deben ser visualizadas

y registradas en históricos. Por su importancia, en los grandes sistemas SCADA se dedica

generalmente un monitor solo para la interfaz del sistema de alarmas.

En el Movicon la configuración de las alarmas se realiza dentro del proyecto en el ítem

“Alarms” y pueden agregarse tantas como sean necesarias. Para establecer los límites de

activación se selecciona la opción “Add a New Alarm Threshold” resultante de dar clic

derecho sobre cualquiera de las alarmas de la lista, ver figura 2.13.

Figura 2.13 Agregar límites de activación para las alarmas

Para asociar variables a las diferentes alarmas establecidas se selecciona la opción “Associate

an Alarm” resultante al dar clic derecho sobre la variable deseada, ver figura 2.14. En este

caso se escoge la variable Velocidad para ser monitorizada, cuando su valor alcanza 1800rpm

o -1800rpm se genera una alarma de advertencia sin señal sonora. Cuando su valor sobrepasa

el límite de 1900rpm o -1900rpm se genera una alarma de peligro

Figura 2.14 Asociar variables a alarmas definidas

En la interfaz de esta pantalla se inserta un “Alarm Window”, que constituye el objeto

predefinido por Movicon para la gestión de alarmas. Presenta varias opciones entre las que

se encuentran: Permitir al usuario marcar las alarmas atendidas para diferenciarlas del resto,


eliminar de la visualización alarmas poco frecuentes, cancelar las alertas sonoras, acceder al

registro de datos históricos y escribir comentarios asociados a cualquiera de las alarmas

registradas, ver figura 2.15.

Figura 2.15 Pantalla de alarmas de la interfaz del SCADA

2.6 Consideraciones finales del capítulo

Las características del software Movicon y la implementación de script permiten el desarrollo

de sistemas SCADA con procesos simulados. Esto posibilita la obtención de una aplicación

con fines de entrenamiento que resulta de gran utilidad en el ámbito educacional para el

estudio de procesos y prácticas de laboratorio.

Las consideraciones prácticas aplicadas al PID y al proceso incrementan la veracidad en las

respuestas. Le permiten al sistema responder ante los cambios de control de manera similar

al proceso real. Como consecuencia preparan al usuario para enfrentar estos efectos adversos

presentes en la mayoría de los sistemas de control

El Movicon brinda una amplia gama de herramientas para el desarrollo de la HMI. Cuenta

con objetos predefinidos para la visualización de históricos y la gestión de alarmas que

facilitan en gran medida el trabajo del desarrollador. La interfaz gráfica diseñada permite

explotar los beneficios de la simulación y resulta de fácil comprensión para los usuarios.

CAPÍTULO 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 41

CAPÍTULO 3. PRUEBAS DEL SCADA Y ANÁLISIS DE

RESULTADOS

Los sistemas SCADA con procesos virtuales constituyen una herramienta de gran utilidad en

el ámbito educacional para el estudio de procesos complejos y la realización de actividades

prácticas. En este capítulo se realizan un conjunto de pruebas al SCADA con el fin de validar

su correcto funcionamiento. Inicialmente se prueba el proceso de manera ideal y

posteriormente se incluyen las consideraciones prácticas para valorar su efecto en las

respuestas. Se utiliza el software MATLAB para realizar comparaciones en la simulación y

de esta forma demostrar la fiabilidad de los resultados obtenidos. Finalmente se propone una

guía para el desarrollo de una práctica de laboratorio y se realiza una valoración técnico-

económica de la investigación.

3.1 Configuración inicial para la simulación

Como preparación previa a las pruebas de simulación se deben realizar configuraciones

iniciales para definir el comportamiento del proceso y la acción del regulador. A partir del

modelo de la planta descrito por la ecuación 2.1 se establecen los valores para las constantes.

La ganancia del proceso (Km) se iguala a 200 rpm*V-1 como resultado de la relación entre

el rango de salida, -2000 a 2000 rpm y el mando del regulador, -10 a 10 V.

La constante de tiempo de la planta (𝒯) tiene un valor aproximado de 0.2s que determina la

rapidez del proceso y en lazo cerrado este se hará mucho más rápido. Además, el script de la

simulación, como se explica en el capítulo anterior, es ejecutado por un evento cada 1s lo

que determina este valor como el menor período de muestreo posible. Por lo tanto, es

necesario normalizar el tiempo para que al simular se pueda apreciar con claridad el

funcionamiento del sistema y a la vez se ajuste a las condiciones de ejecución del Movicon.


En este caso, al ser un sistema de primer orden, para normalizar el tiempo se multiplica la

constante de tiempo por un factor N=100 y se obtiene una 𝒯=20 s, ver ecuación 3.1. Con la

realización de este cambio hay que tener en cuenta que al simular el proceso el tiempo real

será el que se muestra en las gráficas dividido por 100.

𝑉𝑒𝑙(𝑠)


200

20𝑠 + 1 (3.1)

El período de muestreo (Tm) seleccionado es de 10 ms, en sistemas oscilatorios este debe ser

de 10 a 20 veces inferior que el período de las oscilaciones. Se multiplica de igual forma por

el factor N para que coincida con 1s establecido como menor tiempo de ejecución del script.

Los parámetros del PID son fácilmente modificables desde la pantalla de configuración.

Constituye objetivo de la aplicación permitir a los usuarios que cumplan con el nivel de

acceso requerido, realizar cambios en estos parámetros para, de esta manera, evaluar el

comportamiento del sistema ante diferentes puntos de ajuste. Tras varias pruebas realizadas

con el fin de obtener una respuesta ligeramente subamortiguada se selecciona la siguiente

configuración:

Ganancia proporcional: Kc = 0.4 rpm*V-1

Tiempo integral: Ti = 1 s

Tiempo derivativo: Td = 0.05 s

Constante de filtro: N = 10

3.2 Pruebas con consideraciones prácticas del regulador y proceso ideal

Para la realización de esta prueba se configura el sistema de la manera más sencilla posible

sin tener en cuenta las consideraciones prácticas del proceso, la zona muerta y la carga se

igualan a cero. Esto se hace para garantizar que la respuesta obtenida coincida con la

respuesta que debe esperarse de un sistema de primer orden ideal. En esta simulación se

activa el control automático desde la posición inicial con el mando en 0 V y el punto de ajuste

de velocidad en 0 rpm. Seguidamente se eleva el punto de ajuste a 1000 rpm en forma de

escalón para observar la respuesta ante un paso de esta magnitud, ver figura 3.1.


Figura 3.1 Respuesta del proceso ideal ante un paso de 1000rpm.

Se obtiene una respuesta subamortiguada que demuestra la acción del controlador PID sobre

el proceso programado. Se aprecia un máximo sobreimpulso Mp = 24.5% que corresponde

con un valor elevado y es influenciado en gran medida por la magnitud del paso introducido

y la ganancia proporcional del regulador. El tiempo de subida (tr) es de 160 ms con un tiempo

de asentamiento (ts) de 730 ms si se utiliza el criterio del 5 %. La figura 3.2 muestra la señal

de mando dada por el regulador donde aparece una saturación inicial como consecuencia del

cambio brusco producido en el punto de ajuste. Finalmente, la señal se estabiliza en 5 V, que

corresponde con el valor esperado para alcanzar las1000 rpm.

Figura 3.2 Señal de mando ante un paso de 1000rpm.


Cambio manual-automático

En la práctica, muchos de los sistemas de control no se inician bruscamente en modo

automático. Generalmente, en los procesos que se encuentran detenidos, el operador

comienza en modo manual para alcanzar valores cercanos al punto de ajuste y luego activa

el control automático. Esta técnica permite disminuir la ocurrencia de saturaciones en el

mando y reducir significativamente el sobreimpulso producido en la respuesta. Estos

aspectos mejoran la estabilidad del sistema y contribuyen al cuidado del equipamiento real.

Para el desarrollo de esta prueba se incrementa la velocidad de forma manual hasta alcanzar

800 rpm, luego se cambia a control automático en el punto A. Por último, se establece la

entrada en 1000 rpm en el punto B, ver figura 3.3.

Figura 3.3 Cambio de modo manual a automático

En este caso se obtiene un máximo sobreimpulso Mp=8.9% que garantiza muy buena

estabilidad. El tiempo de subida tr es de 110 ms si se toma como referencia las 800 rpm

establecidas con el control manual, el tiempo de establecimiento ts es de 290 ms. Se puede

apreciar con claridad la transferencia suave de manual a automático en el punto A donde la

VelocidadSP o punto de ajuste definido por la línea de color rojo, se iguala a la velocidad

real identificada con el color verde con el fin de evitar los efectos adversos producidos por

los cambios bruscos. La señal de mando obtenida no presenta saturaciones y realiza pequeñas

oscilaciones hasta estabilizarse en 5V, al igual que en el ejemplo anterior este es el valor de

mando correspondiente a las 1000 rpm establecidas como punto de ajuste, ver figura 3.4.


Figura 3.4 Señal de mando con transferencia de manual a automático

Los resultados de esta prueba, como era de esperarse, son más satisfactorios que los obtenidos

en la prueba anterior. De manera conjunta contribuyen a demostrar el correcto

funcionamiento del proceso virtual sin tener en cuenta las consideraciones prácticas del

proceso.

3.3 Implementación del proceso en MATLAB

El software MATLAB se considera una poderosa herramienta de cálculo de gran utilidad

para la simulación de procesos y con alto prestigio a nivel mundial. En este caso, se justifica

su utilización con la finalidad de obtener modelos de referencia que puedan ser usados para

comparar con las respuestas obtenidas en el epígrafe anterior. La implementación de este

software profesional aporta fiabilidad a la investigación y contribuye a la validación de los

resultados.

En el Simulink de MATLAB se desarrolló el diagrama en bloques correspondiente al proceso

de la sección 2.2.1. En este caso se cambia la posición de las ganancias para que el punto de

ajuste sea en función de la velocidad. Es necesario destacar que la constante de tiempo de la

planta (Tp) también se encuentra normalizada con el mismo factor N=100 empleado en las

pruebas anteriores, esto se hace con la finalidad de aumentar el grado de igualdad entre las

condiciones de simulación de ambos software, ver figura 3.5.


Figura 3.5 Lazo de control en el Simulink de MATLAB

3.3.1 Pruebas realizadas en MATLAB y análisis comparativo de los resultados

En el MATLAB se simula el proceso de manera ideal, es decir, sin tener en cuenta las

consideraciones prácticas del mismo. En el caso del regulador PID se limita la salida entre

-10 y 10V para evitar saturaciones en el mando. Se activa además la opción anti-windup para

reducir las respuestas adversas provocadas por la saturación del efecto integral. El ajuste del

PID se realiza de igual manera que en Movicon:

Ganancia proporcional: Kc = 0.4 rpm*V-1

Tiempo integral: Ti = 1 s

Tiempo derivativo: Td = 0.05 s

Constante de filtro: N = 10

Para la primera prueba se comienza en la posición inicial con 0 rpm y se aplica una entrada

tipo paso con un valor de 1000 rpm, ver figura 3.6.

Figura 3.6 Respuesta en el Simulink de MATLAB ante un paso de 1000rpm


A partir de esta prueba se obtiene un máximo sobreimpulso Mp=24.8%, un tiempo de subida

tr=167 ms y un tiempo de establecimiento ts= 730 ms según el criterio del 5%. Estos

resultados presentan un alto grado de similitud con la simulación realizada en Movicon, a

manera de facilitar la comparación se muestra en la tabla 3.1.

Tabla 3.1 Comparación de resultados

Software Mp tr ts (5%)

Movicon 24.5% 160 ms 730 ms

MATLAB 24.8% 167 ms 730 ms

La señal de mando dada por el regulador se comporta de igual forma que la prueba realizada

en Movicon. Se aprecia una saturación inicial producida por la magnitud del paso y

finalmente el mando se estabiliza en 5V para obtener las 1000rpm deseadas a la salida, ver

figura 3.7

Figura 3.7 Señal de mando en el Simulink de MATLAB ante un paso de 1000rpm

3.4 Pruebas con consideraciones prácticas del regulador y del proceso

La implementación de consideraciones prácticas vinculadas con el funcionamiento del

proceso garantiza un acercamiento a las situaciones reales de la vida cotidiana. En muchas

ocasiones provocan efectos adversos sobre el sistema que requieren de habilidad y

conocimiento por parte del operador.


Para la realización de estas pruebas se utilizará el sistema con la misma configuración inicial.

Las consideraciones prácticas se probarán por separado para valorar su efecto sobre la

respuesta del sistema, en este caso se incluyen: zona muerta, variación de la carga y variación

del período de muestreo.

Zona Muerta

La zona muerta, como su nombre lo indica, constituye una no linealidad donde el sistema no

responderá a los cambios en el mando que no superen su umbral. Para probar su

funcionamiento se configura una zona muerta de 3V y se aplica inicialmente un mando

manual de 2V correspondiente al punto A, luego se cambia el valor del mando a 7V en el

punto B, ver figura 3.8

Figura 3.8 Respuesta y señal de mando con zona muerta de 3V

Las gráficas muestran como el sistema solo responde cuando el valor de la señal de mando

supera los 3V definidos como zona muerta. En el intervalo entre A y B correspondiente a 2V

de mando la salida de velocidad se mantiene en 0 rpm.


Para observar el efecto que provoca sobre el sistema se configura una zona muerta de 1V.

Con el modo de control automático activo, se aplica un paso de 1000 rpm al igual que en los

ejemplos anteriores. La figura 3.9 muestra las variaciones en la respuesta.

Figura 3.9 Respuesta con zona muerta de 1V ante un paso de 1000 rpm en la entrada

En este caso el sistema se vuelve más inestable hasta oscilar sostenidamente alrededor del

punto de ajuste. El máximo sobreimpulso y el tiempo de subida se incrementan hasta 28,2%

y 170 ms respectivamente. La prueba demuestra la influencia negativa de la no linealidad,

esto le permite al operador entrenarse ante estas situaciones sin enfrentar consecuencias

reales.

Variación de la carga

La variación de la carga constituye una consideración de gran importancia. En la actividad

práctica la gran mayoría de los motores no giran libremente y la carga aplicada sobre estos

varía en dependencia de los requicitos del proceso. El sistema de control diseñado debe ser

capaz de enfrentar dichas variaciones y corregir la señal de mando para mantener la velocidad

en el punto de ajuste establecido.

Para esta prueba se aplica una entrada de 1000 rpm en control automático, una vez que se

haya estabilizado el sistema en el punto A se introduce una variación de carga equivalente a

500 rpm. En la figura 3.10 se muestra el efecto producido por esta variación.


Figura 3.10 Respuesta con variación de carga

La línea de color verde muestra el disturbio que provoca en la velocidad el cambio en la

carga. Este ejemplo permite demostrar la funcionalidad del sistema de control al corregir

rápidamente la salida para volver al punto de ajuste definido por la línea roja. De igual forma

la señal de mando mostrada en la figura 3.11 se incrementa en el momento en que la carga

aumenta lo que permite corregir dicha variación de manera eficiente.

Figura 3.11 Señal de mando ante variación de la carga

Variación del período de muestreo

Para esta prueba se seleccionan diferentes períodos de muestreo y se grafica la salida del

sistema en cada caso con la finalidad de observar el efecto provocado por dichas variaciones.

En el primer caso mostrado en la figura 3.12 se selecciona un período de muestreo de 40 ms

que se corresponden con 4s en el software dado que se aplica la normalización del tiempo.


Figura 3.12 Respuesta del sistema con período de muestreo de 40 ms

En este caso se utiliza, al igual que en ejemplos anteriores, una entrada de 1000 rpm. Si se

compara con la prueba inicial de 10ms, se obtiene un Mp=30.3% que demuestra un

empeoramiento en la respuesta del sistema, el tr = 150ms y el ts = 750ms, se conservan con

cierta similitud a la prueba mencionada.

En el caso siguiente se incrementa el período de muestreo hasta 100ms que corresponden con

10s en el software. De igual forma se obtiene la respuesta del sistema con esta condición, el

Mp es de 53.7%, el tr permanece constante en 150ms y el ts se incrementa hasta 850ms. La

gráfica muestra con claridad como la respuesta, a pesar de alcanzar el estado estable, deja de

ser ligeramente subamortiguada y comienzan a aparecen oscilaciones en forma de pico que

denotan mala estabilidad, ver figura 3.13.

Figura 3.13 Respuesta del sistema con período de muestreo de 100 ms


En el Anexo I se muestran las gráficas correspondientes a simulaciones con diferentes

períodos de muestreo hasta alcanzar la inestabilidad del sistema. Esto permite observar el

deterioro en la respuesta que provoca el incremento de dicho parámetro.

3.5 Guía práctica de laboratorio

Las prácticas de laboratorio constituyen una herramienta educativa de gran utilidad. Como

su nombre lo indica, permiten poner en práctica los conocimientos adquiridos y aplicarlos a

diversas situaciones desde el ambiente seguro de un laboratorio. Su objetivo principal

generalmente es entrenar a estudiantes u otros usuarios para desarrollar habilidades que

puedan aplicar en la vida cotidiana.

Con la finalidad de demostrar la utilidad de la aplicación desarrollada en esta investigación

se muestra en el Anexo II una guía para realizar una práctica de laboratorio. El software se

caracteriza por su flexibilidad en la configuración de los parámetros que definen el proceso

y el regulador, esto amplía su campo de aplicación en las disímiles materias relacionadas con

el control de procesos.

En este caso la temática seleccionada para la actividad práctica es la variación del período de

muestreo en sistemas discretos. Los objetivos principales son: analizar los efectos

provocados por dichas variaciones en la estabilidad de los sistemas de control y determinar

la frecuencia de muestreo que provoca oscilaciones sostenidas. El software permite apreciar

con claridad los cambios producidos en la respuesta a través de las gráficas de la interfaz.

La actividad práctica cuenta con tres partes fundamentales. Inicialmente se realiza una

descripción de las funciones asociadas a cada una de las cinco pantallas del software. Esto se

hace con el objetivo de dar a conocer el funcionamiento general de la aplicación. En un

segundo momento se propone un conjunto de actividades que deben realizarse para dar

cumplimiento a los objetivos mencionados anteriormente. Al final se establecen los

elementos esenciales que conforman el informe a entregar. A partir de dicho informe el

profesor puede valorar la calidad del trabajo realizado.


3.6 Valoración técnica-económica-medioambiental

La viabilidad de esta investigación está dada por las ventajas económicas que trae consigo la

implementación de un proceso virtual en Movicon. Este software presenta una interfaz

amigable y un lenguaje de programación con relativa sencillez lo que permite desarrollar

aplicaciones con alta eficiencia y reducir al mínimo la inversión de tiempo y recursos.

Además, resulta importante destacar que el modo desarrollador de este software no requiere

de licencia pagada por lo que la etapa de diseño y desarrollo se hace de manera gratuita.

Los sistemas SCADA con fines de entrenamiento permiten incrementar la preparación tanto

de estudiantes en las universidades como de operadores en las industrias. Esto incrementa la

eficiencia en el control de procesos lo que se traduce en aumentos de producción y ganancias

económicas.

La utilización de la simulación como herramienta para sustituir el proceso real tiene un fuerte

impacto sobre el aspecto económico fundamentalmente. No se requieren inversiones en

instrumentación y montaje lo que aminora considerablemente el costo de aplicación de la

investigación. Solo se hace indispensable la utilización de una computadora lo que garantiza

que los gastos por consumo eléctrico sean mínimos. Al ahorrar electricidad se reduce el gasto

de combustible empleado para su generación lo que contribuye al cuidado del medio

ambiente.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 54

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Conclusiones

A partir de la investigación realizada y el análisis de los resultados obtenidos se arriba a las

conclusiones siguientes:

1. La bibliografía consultada sobre sistemas SCADA y procesos virtuales demostró la

utilidad de este tipo de aplicaciones. Se puede afirmar que los sistemas SCADA con

procesos simulados, a pesar de no ser muy empleados, constituyen una alternativa

viable ante la falta de equipamiento real.

2. La selección del software Movicon para la implementación del SCADA y del proceso

virtual resaltó la flexibilidad y funcionalidad de dicho software. Su entorno de

desarrollo sencillo y amigable facilitó en gran medida el trabajo realizado tanto en la

interfaz gráfica como en la elaboración del script de simulación.

3. La gran cantidad de pruebas realizadas a la aplicación permitieron obtener resultados

satisfactorios. Estas aportan fiabilidad al software diseñado y contribuyen a demostrar

su correcto funcionamiento.

4. El sistema SCADA para el control de un proceso virtual diseñado en esta

investigación garantiza el desarrollo de prácticas de laboratorio y contribuye a

incrementar el nivel de preparación de futuros ingenieros.

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 55

Recomendaciones

Terminada la investigación se realizan las recomendaciones siguientes:

1. Utilizar el sistema diseñado para fortalecer las prácticas de laboratorio de asignaturas

vinculadas al control de procesos.

2. Dar continuidad a la investigación incorporando tanto funciones de transferencia de

mayor orden como otras interfaces para el control de procesos diferentes.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 56

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ANEXOS 58

ANEXOS

Anexo I Variación del período de muestreo

Figura I.1. Respuesta del sistema con período de muestreo de 30ms


ANEXOS 59



ANEXOS 60

Anexo II Práctica de laboratorio

Práctica de Laboratorio

Variación del período de muestreo en sistemas discretos

Materiales y componentes:

Una computadora con el software Movicon 11.4 instalado.

La aplicación “Sim_Vel”

Tiempo: 2 horas lectivas

Objetivos:

Analizar cómo afecta el período de muestreo a la estabilidad de los sistemas de

control.

Determinar la frecuencia de muestreo que provoca oscilaciones sostenidas en el

sistema.

Introducción

La aplicación “Sim_Vel” fue desarrollada en el software Movicon y cuenta con cinco

pantallas y varias funciones que permiten el desarrollo de actividades prácticas. Una vez que

se ejecuta la aplicación se abre la pantalla principal que se muestra en la figura 1.

Figura II.1. Pantalla principal

ANEXOS 61

Esta pantalla permite alternar entre manual y automático, cambiar de usuario y

fundamentalmente está dedicada para visualizar el valor del mando (Voltaje), el valor de

salida (Velocidad) y el ícono con el signo de exclamación, alerta en caso de alarmas o

advertencias. La barra de menú en la parte inferior es común para todas las pantallas lo que

garantiza el acceso a las mismas independientemente de la que se encuentre activa.

En la pantalla de control mostrada en la figura 2. Se puede seleccionar el modo de control

entre manual y automático, se define el punto de ajuste de velocidad para el modo automático

o el mando en voltaje para el modo manual. Los gráficos muestran de manera continua la

salida en rpm del proceso, el punto de ajuste y el mando del regulador.

Figura II.2. Pantalla de control

En la pantalla de configuración que se muestra en la figura 3 se pueden modificar las

constantes del regulador Kc, Ti, Td y N (constante del filtro) para probar diferentes ajustes.

Permite cambiar la constante del proceso Km, el período de muestreo Tm y agregar

consideraciones prácticas como zona muerta y variación de la carga.

ANEXOS 62

Figura II.3. Pantalla de configuración

La pantalla de registros de la figura 4, muestra en una tabla los valores de:

VelocidadSP: punto de ajuste

Velocidad: salida del proceso

e: error

Voltaje: mando introducido al proceso

Figura II.4. Pantalla de registros

ANEXOS 63

Los botones en la parte inferior de la tabla permiten actualizar los datos, filtrarlos para

encontrar momentos específicos e imprimirlos directamente desde la aplicación. Esta tabla

guarda los datos de manera independiente en la carpeta donde se encuentra el software.

La figura 5 muestra la pantalla de alarmas en forma de tabla. Cuando se genera una

advertencia aparece en color naranja sin alerta sonora. Las alarmas de peligro se muestran en

rojo con efectos de sonido para llamar la atención del usuario. Los botones de la parte inferior

permiten identificar las alarmas atendidas, eliminarlas del historial, cancelar los efectos

sonoros, mostrar mensajes de ayuda, buscar en el histórico y poner comentarios asociados a

alarmas específicas.

Figura II.5. Pantalla de alarmas.

Trabajo previo:

Estudiar diferentes criterios de selección del período de muestreo

Abrir el software Movicon y ejecutar la aplicación “Simulador de Velocidad de

motores DC”

ANEXOS 64

Parte práctica:

1. Establezca el punto de ajuste en 200 rpm para evitar cambios bruscos. Simule el

proceso de manera ideal con las consideraciones prácticas desactivadas: Zona

muerta=0 y Variación de la carga = 0.

2. Por el método de prueba y error configure un regulador PI para obtener una respuesta

ligeramente subamortiguada. Determine los valores de tiempo de subida (ts),

máximo sobreimpulso (Mp), tiempo de establecimiento (ts) y el período de las

oscilaciones (Tosc). Consulte estos valores con el profesor.

3. Varíe el período de muestreo (Tm) según se muestra en la tabla y obtenga los gráficos

correspondientes a las diferentes respuestas. Calcule los valores del ítem anterior en

cada caso para completar la tabla.

Tm Mp Tr ts Tosc

1

4

8

12

16

4. Determinar por uno de los métodos estudiados el período de muestreo que provoca

oscilaciones sostenidas en el sistema.

Informe:

El informe deberá ser entregado en formato digital y de manera individual. Este debe

contener los siguientes aspectos:

1. La tabla con los valores correspondientes a las pruebas realizadas.

2. Los gráficos obtenidos en cada simulación.

3. La selección del período de muestreo que provoca oscilaciones sostenidas por algún

criterio estudiado.

ANEXOS 65

4. Realizar un análisis comparativo entre el valor obtenido del aspecto 3 y las respuestas

del aspecto 2 con el fin de valorar la eficiencia del método utilizado.

Autor: Osvany Herrera Ramos Tutor: Dr.C. Roberto Luis ...

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