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Ing. Guillermo Murcia [email protected] Ing. Jorge Luis Strack [email protected]

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¿Qué es un Scada?

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INSTRUMENTACIÓN AVANZADA Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica

Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata

• Scada significa: Supervisory Control and Data Acquisition.

• Scada realiza Control Supervisado (también llamado telemetría o

monitoreo) usando datos adquiridos. El operador (hombre) toma

decisiones que hacen al control de un sistema a partir de los datos monitoreados.

Funciones de un Scada:

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Principal Funcionalidad SCADA: Monitorear y Controlar un Proceso • Recabar, almacenar y mostrar información, en forma continua y confiable,

correspondiente a la señalización de campo: estados de dispositivos, mediciones, alarmas.

• Ejecutar acciones de control iniciadas por el operador (abrir o cerrar válvulas, arrancar o parar bombas).

• Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de la planta (eventos). Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis.

• Realizar reportes, gráficos de tendencia, historial de variables, cálculos, predicciones, detección de fugas, basadas en la información obtenida por el sistema.

Comunicaciones Industriales

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Para Monitorear y Controlar un Proceso hace falta establecer un sistema de comunicaciones industriales

Se puede definir las comunicaciones industriales como “el

área de la tecnología que estudia la transmisión de

información entre circuitos y sistemas electrónicos utilizados

para llevar a cabo tareas de control y gestión del ciclo de vida

de los productos industriales”.

Distintos niveles de exigencia:

• a nivel de planta.

• a nivel de oficina técnica.

• a nivel de gerencia.


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Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing)


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Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) En los niveles inferiores de la pirámide CIM (Niveles 0, 1 y 2) las tares son críticas, por lo que las comunicaciones industriales deber ser “deterministas”, es decir, deben tener la capacidad de garantizar que un paquete de datos es enviado y recibido en un determinado período de tiempo compatible con las necesidad de la máquina o proceso que controlan.


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Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) En los niveles superiores de la pirámide CIM (Niveles 3 y 4), las tares no son críticas por lo que las comunicaciones industriales pueden ser “no deterministas”, es decir se acepta cierto nivel de fallas en la comunicación o demoras en el intercambio de la información.


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Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing) En los niveles inferiores de la pirámide CIM (Niveles 0, 1 y 2) las redes industriales deben ser capaces de ser deterministas en las condiciones de funcionamiento que impone un ambiente industrial: (temperatura, vibración, interferencias, suciedad, etc.).

En los niveles inferiores de la pirámide CIM (Niveles 0, 1 y 2) se intercambia poca información pero el tiempo de respuesta debe ser bajo (comunicación en tiempo real).


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Pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing)


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Modelo OSI (Open System Interconection)

• Publicado por la ISO en 1983. • Es un modelo que explica por todas las fases por las que atraviesa un mensaje para llegar desde un origen a un destino. • Cada capa añade al mensaje un encabezado (excepto la capa 1) • Sirve por ejemplo para clasificar protocolos.


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Modelo OSI (Open System Interconection)

• Dos sistemas A y B se comunican a través de la arquitectura de capas (redes públicas y/o privadas) sin importar diferencias entre componentes físicos


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Clasificación de las redes

Redes Industriales

Redes de datos u "ofimaticas"

(redes no deterministas)

Redes de área ampliada (WAN)

(Nivel 4 CIM)

Redes área local (LAN) o (WLAN)

(Nivel 3 CIM)

Redes de campo o "buses de campo"

(redes deterministas)

Redes de Controladores

(Nivel 0, 1 y 2 CIM)

Redes de sensores/actuadores

(Nivel 0 CIM)


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Redes de Sensores / Actuadores


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Ejemplo red de Sensores/Actuadores: Red AS-i


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Ejemplo red de Controladores: Red Modbus

Lineamientos: El protocolo de comunicaciones industriales MODBUS fue desarrollado en 1979 por la empresa norteamericana MODICON y debido a que es público, relativamente sencillo de implementar y flexible se ha convertido en uno de los protocolos de comunicaciones más populares en sistemas de automatización y control. MODBUS funciona en modo maestro-esclavo ( cliente - servidor ), siendo el maestro ( cliente ) quien controla en todo momento las comunicaciones con el o los esclavos.

Los esclavos ( servidores ) se limitan a retornar los datos solicitados o a ejecutar la acción indicada por el maestro (cliente).


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La capa física puede ser RS-232, RS-485 o Ethernet.

– RS-232 • Full Dúplex (un línea recibe y otra

transmite) • Punto-punto • DTE y DCE • (-12;-3)V y (3,12)V • Flow Control – Handshaking • Asíncrono por carácter – síncrono

por bit • Longitud máxima: 25 m con un

cable de 100 pF/m . • Se puede simplificar a 3 lineas: RX,

TX y GND.


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– RS-232 • Full Dúplex (un línea recibe y otra

transmite) • Punto-punto • DTE y DCE • (-12;-3)V y (3,12)V • Flow Control – Handshaking • Asíncrono por carácter – síncrono

por bit • Longitud máxima: 25 m con un

cable de 100 pF/m . • Se puede simplificar a 3 lineas: RX,

TX y GND.


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– RS-485 • Half-Dúplex

• Multipunto

• Topologías

– Bus

– Anillo

• No Flow Control – Handshaking

• (-1.5;-6)V y (+1.5;6V)

• Pueden usarse repetidores


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La capa física puede ser RS-232 , RS 485 o Ethernet.

3 cables (+D o A, -D o B y GND) que trabajan en modo diferencial

Puede funcionar en canales ruidosos


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Las capas superiores del protocolo Mosbus adosan encabezado y finales al mensaje (trama) para lograr la filosofía maestro-esclavo:


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Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485 Las comunicaciones MODBUS sobre RS232 o RS 485 se pueden realizar en modo ASCII

o en modo RTU por RS485. En modo ASCII los bytes se envían codificados en ASCII, con su representación hexadecimal. En modo RTU se envían en binario.

En modo ASCII la forma pasa a ser:

En modo RTU (más usado) la forma pasa a ser: Donde T1, T2, T3 y T4 son

demoras de una duración determinada

Forma general de un mensaje Modbus:


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Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre RS-485

Adress field Modbus:


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Códigos de función Modbus:


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• Si el mensaje es desde el Maestro al Esclavo (una petición) , “Data” son las direcciones Modbus que se quieren leer o escribir y el valor lógico que se quiere escribir en el Esclavo. • Si el mensaje es desde el Esclavo al Maestro (una respuesta) , “Data” son los estados lógicos de las variables consultadas.

“Data” en Modbus:


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Cada dispositivo que utiliza MODBUS implica que tiene “lugares de memoria” (bits o registros) a los cuales se permite acceder desde un maestro. Generalmente se sigue la siguiente codificación pero puede haber otra que especifique el fabricante del equipo en cuestión.

Registros MODBUS (codificación)

1-10000 Salida digital 1 bit por dirección para indicar el estado de una salida, mando o relé

Lectura/escritura

10001-20000 Entrada digital 1 bit por dirección para leer el estado de una entrada digital Lectura

20001-30000 el protocolo MODBUS estándar no hace uso de este rango de direcciones.

30001-40000 Registro 16 bits por dirección con el estado de las medidas o entradas analógicas

Lectura

40001-50000 Registro 16 bits con los registros de salidas analógicas o de propósito general

Lectura/escritura


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• Son dos un caracteres que se agregan a la trama para detectar si ocurre un error en la transmisión del mensaje. Se denomina LRC para ASCII y CRC para RTU.

Se toma un mensaje “M” (palabra binaria) y antes de enviarlo, se divide esta palabra por una palabra clave “k” (establecida previamente y conocida por transmiter y receiver).

Al finalizar se obtiene un resto “r” , el cual se adjunta a la trama del mensaje original y se lo envía. Este valor “r” es el denominado código CRC.

Cuando el Receiver recibe el paquete “M y r”, toma el mensaje “M” y realiza la misma división con la palabra clave “K” (que es la misma que la palabra clave que utiliza el transmiter), obteniendo un resto “r” .

CRC o LRC en Modbus:


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CRC o LRC en Modbus:

» M: Single binary word (Mensaje)

» k: key word (palabra “llave”)

» r: remainder (resto de la división)

T R M , r

r (T) = r(R) ?

si no

OK Error


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Ejemplo: Petición de un maestro al esclavo 6 que quiere leer (función 3) el valor de tres registros a partir de la direccion modbus 01101011 (registro N° 107)

Ejemplo: Respuesta del esclavo 6 al maestro donde le indica que le envía 8 bytes con el valor de cada uno de los tres registros (el 107, 108 y 109)


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Ejemplo red de Controladores: Red Modbus sobre TCP/IP Las comunicaciones MODBUS también se pueden hacer sobre TCP/IP.

Forma general de un mensaje Modbus:

• Todos los ADU Modbus TCP/IP están registrados en el puerto 502 (puerto reservado)

Se conservan los campos de función y datos originales de Modbus Serial, denominándose PDU (Protocol Data Unit). Estos datos se encapsulan en una ADU (Aplication Data Unit ) al añadirle un MBAP Header (encabezado Modbus Aplication Protocole).

Scada con LabVIEW

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Ejercicios de la Guía 7:

Tienen por objetivo comunicar LabVIEW a un dispositivo industrial usando

Modbus (en este caso usando TCP/IP)

Componentes necesarios

• Zelio logic + Ethernet extension module

SR3 NET01BD SR3 B...BD

+

Compatible Zelio Logic modular 24 VDC

Connecteur RJ45 10/100 T

Modbus TCP/IP server

Adresse IP : acquisition static or dynamic

Configuration : Zelio Soft 2, FBD language

• LabVIEW

Componentes necesarios

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• Zelio logic + Ethernet extension module

SR3 NET01BD SR3 B...BD

+

Compatible Zelio Logic modular 24 VDC

Connecteur RJ45 10/100 T

Modbus TCP/IP server

Adresse IP : acquisition static or dynamic

Configuration : Zelio Soft 2, FBD language

• LabVIEW

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Modbus en LabVIEW

Existen librerías de LabVIEW para trabajar con el protocolo Modbus que se pueden descargar gratuitamente. Contienen herramientas para escribir/leer coils o Holding Registers, tanto en medios físicos RS-485 como en Ethernet

Estas herramientas permiten acceder a las direcciones Modbus de un dispositivo

conectado a la PC, solo hay que saber que direcciones

consultar

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Ethernet extension configuration - Zelio Soft 2

Menu edition : Select “Program configuration”

FBD Language

Menu Program configuration : Click on tab Ethernet extension 2 1

Modbus sobre Ethernet en Zelio

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Ethernet extension configuration - Zelio Soft 2


In the IP Address field : - Click on dynamic Address if the network have a bootp server - Otherwise click on Static Address and enter IP Address, Sub-network mask (here Class C network), and Gateway address

3

The Ethernet extension manage until 4 connections in simultaneous.

If the Ethernet extension must be constantly connected to a client, enter the client address in the reserved Address field

4

Modification of the Time-out : time after which the Ethernet extension must close an inactive connection 5

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Se puede acceder a 8 palabras vía lenguaje BDF

Intercambio de datos con el cliente

Modbus TCP/IP

Exchanges

Modbus function

codeModbus register

Input/Output

Zelio Logic

4 Input words

(16 bits)

03 (Reading n words)

06 (Writning 1 word

16 (Writing n words)

Reg. 16

Reg. 17

Reg. 18

Reg. 19

J1XT1

J2XT1

J3XT1

J4XT1

4 Output words

(16 bits)03 (Reading n words)

Reg. 20

Reg. 21

Reg. 22

Reg. 23

O1XT1

O2XT1

O3XT1

O4XT1

4 Input words : J1XT1 a J4XT1

4 Output words : O1XT1 a O4XT1


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También se puede acceder al estado del relé y a su reloj calendario

Intercambio de datos con el cliente

Modbus TCP/IP

Exchanges

Modbus function

codeModbus Registers

Reading/Writing of the

clock

03 (Reading of n words)

06 (Writing of 1 word)

16 (Writing of n words)

Reg. 32 : Day of the week, Second

Reg. 33 : Minutes, Hours

Reg. 34 : Day of the month, Month

Reg. 35 : Year , Century

Reading Status of Zelio 03 (Reading of n words)

Reg. 48 : bit 0 = Run/Stop,

bit 1 = Monitoring,

bit 2 = Alarm,

bit 3 = Error,

bit 7 = Time out

bit 8 à F = Alarme code

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4 words J1XT1 to J4XT1 accessible in writing/reading

4 words O1XT1to O4XT1 accessible in reading

INPUT

OUTPUT

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Ejercicio 2: Programe un arranque estrella triangulo en Zelio y agregue controles para comandarlo y monitorearlo desde LabView vía Ethernet. Ejercicio 3: Programe un contador en Zelio y mediante LabView cambie el valor de preselección y supervise el conteo vía Ethernet.

GUÍA DE EJERCICIOS N° 7:

Ejercicio 1: Utilizando las herramientas Modbus de LabView muestre en un panel frontal la fecha y la hora programada en un relé Zelio vía Ethernet

Guía de

Ejercicios

N° 7

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