Implementación para describir al software que permite controlar

Implementación de Interfaz
Humano-Maquina mediante Web

Ing.
Alfredo Valdés Cárdenas, Dr. Ramon Gómez Jiménez, M.I. Francisco Gerardo
Hernández Rivera

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Facultad
de Sistemas

Universidad
Autónoma de Coahuila

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Contenido
Introducción. 1
Situación Actual 3
Solución Propuesta. 4
Servidor OPC.. 5
API 6
Aplicación Web Cliente. 9
Bibliografía. 10
 

 

Introducción

 

En
el área de automatización industrial, los controladores lógicos programables
(PLC, del inglés Programmable Logical Controller) siempre han sido un factor
importante, dependiendo en ocasiones líneas de producción completas, o en el
caso de algunas plantas más pequeñas, el funcionamiento completo de la planta
de un solo PLC. En la actualidad, el uso de redes Ethernet/IP (Ethernet
Industrial Protocol) permiten la comunicación de manera transparente entre
distintos dispositivos de la planta, los cuales incluyen Servo drives,
variadores de frecuencia, electroválvulas, módulos de entrada y salida remotas,
HMI y PLCs.

Figura 1  Controlador Lógico Programable marca
Allen-Bradley

El
uso de HMI (Interfaz Humano-Maquina, en ingles Human-Machine Interface) ha
permitido que el usuario u operador del sistema de control o supervisión,
interactúe con los procesos. Un HMI es, en consecuencia, el dispositivo o sistema
que permite la interacción entre la persona y la máquina. Tradicionalmente
estos sistemas consistían en paneles compuestos por indicadores y comandos,
tales como luces pilotos, indicadores digitales y análogos, registradores,
pulsadores, selectores y otros, que se interconectaban con la máquina o el
proceso. En la actualidad, dado que las máquinas y los procesos, en general,
están implementadas con controladores y otros dispositivos electrónicos que
dejan disponibles puertas de comunicación, es posible contar con sistemas HMI
bastante más poderosos y eficaces, y permitir una conexión más sencilla y
económica con el proceso o máquinas.

Figura 2 Interfaz Humano-Maquina

SCADA,
acrónimo de Supervisory Control And Data Acquisition (Supervisión, Control y
Adquisición de Datos) es un concepto que se utiliza en automatización
industrial para describir al software que permite controlar y supervisar
procesos industriales a distancia. Permite la interacción en tiempo real con
los dispositivos de campo (sensores y actuadores), y provee de toda la
información que se genera en el proceso a automatizar (supervisión, control de calidad,
control de producción, almacenamiento de datos, etc.).

OPC
es el método de conectividad de datos basado en los estándares más populares
del mundo. Es utilizado para responder a uno de los mayores retos de la
industria de la automatización: cómo comunicar dispositivos, controladores y/o
aplicaciones sin caer en los problemas habituales de las conexiones basadas en
protocolos propietarios. OPC no es un protocolo, sino más bien un estándar para
la conectividad de datos que se basa en una serie de especificaciones
gestionadas por la OPC Foundation. Cualquier software que sea compatible con
estas especificaciones OPC proporciona a usuarios e integradores conectividad
abierta e independiente tanto del fabricante del dispositivo como del
desarrollador de la aplicación Cliente (Kominek, 2009). La topología
habitual de una solución OPC consiste en Controladores (PLC) que se conectan a
un servidor OPC mediante distintos protocolos de comunicación industrial como
Ethernet/IP, Modbus, DeviceNet, CAN Open, Ethernet, RS232 o RS485 y envían
datos del proceso. El servidor distribuye los datos a través de un “DataHub”
que cumple la función de un repositorio donde los sistemas SCADA pueden
consumir y manipular los datos.

Figura 3 Topología típica de una
solución OPC

Situación Actual­­

 

En
la actualidad, el uso de los dispositivos móviles como los teléfonos
inteligentes y las tablets ha ampliado la forma en la que interactuamos con el
mundo que nos rodea, volviéndose una herramienta indispensable de nuestro día a
día, sin embargo, el área de procesos de automatización industrial apenas está
comenzando a realizar su expansión dentro de esta área, de manera que las
aplicaciones disponibles hoy en día o son catálogos de productos o solo son
capaces de funcionar como monitores de variables del PLC mediante licencias y
capacitaciones costosas, restringidos a una sola plataforma.

Como
se mencionó antes, la interfaz humano-maquina es uno de los componentes de
mayor uso en un proceso industrial, aunque debido a su alto costo es difícil
justificar su uso en procesos más pequeños, perdiendo así una funcionalidad que
impacta en la facilidad de operación y mantenimiento.

El
avance en los últimos años de las tecnologías web como HTML5, JavaScript,
Node.JS, MongoDB, Express.JS y Angular ha permitido que su integración con
procesos industriales se vuelva factible, brindando acceso ubicuo a los sistemas
SCADA.

Solución Propuesta

 

El
desarrollo de una aplicación web que utilice la tecnología OPC permitiría la
implementación de interfaces humano-maquina en cualquier proceso. Al utilizar
tecnologías de software libre y de código abierto como Node.JS, MongoDB,
Express.JS y Angular (Conocido de manera popular como MEAN stack) el costo de
desarrollo de esta solución es considerablemente menor al de una HMI típica, la
cual incluye el dispositivo de hardware para la visualización de los datos y la
licencia de software para desarrollar la interfaz, los cuales suelen tener un
precio que ronda por los 4000 USD y 6800 USD respectivamente.

La
aplicación propuesta incluye los siguientes módulos de software:

·        
API
para comunicación entre el servidor OPC, la base de datos y la aplicación web cliente

·        
Base
de datos en MongoDB para el almacenamiento de datos históricos del proceso y
credenciales de inicio de sesión del panel de administración de la API

·        
Aplicación
web cliente, el cual cumple la función de la HMI, la cual es posible ejecutar
desde un teléfono inteligente, una laptop, computadora de escritorio o Tablet.

Como
demostración de la factibilidad de la solución se realizó una interfaz para el
control de la velocidad, el arranque, paro e inversión de un motor de corriente
alterna trifásico instalado en el área de automatización del laboratorio de
electrónica de la Facultad de Sistemas de la Universidad Autónoma de Coahuila.
El motor está conectado a un variador de frecuencia marca PARKER, el cual es
controlado mediante un PLC Allen-Bradley CompactLogix L43.

Figura 4 Topología de la aplicación
demo

Servidor OPC

El
PLC se conecta a un switch Ethernet/IP de uso industrial Cisco Allen-Bradley
Stratix 8000. Se utilizo el servidor OPC de Kepware para acceder a los datos
generados por el controlador, configurando el acceso con la dirección IP
adecuada y se dieron de alta 4 variables:

Variable

Tipo

Rango

Velocidad

Continua

0
-100

Aceleración

Continua

0
– 100

Arranque

Discreta

0,1

Dirección

Discreta

0,1

Tabla 1 Variables de la aplicación
demo

Cada
que el valor de la variable cambie, el servidor OPC enviara al endpoint de la
API el valor nuevo. Dentro de las opciones del cliente se deberá de especificar
la llave de escritura de la API para que la comunicación se pueda realizar de
manera correcta.

Figura 5 Especificación de la llave de
escritura de la API en el servidor OPC

API

 

La
API se desarrolló utilizando Node.JS y Express.JS. Se requiere de la
configuración de una cuenta para su uso, lo cual garantiza que se puedan correr
múltiples instancias del servicio de manera paralela. Dentro del panel de
administración se pueden configurar las variables del proceso y se pueden
visualizar los datos históricos del mismo.

Figura 6 Pantalla de Inicio de Sesión
en la API

Figura 7 Pantalla principal de la
página de administración de la API

Figura 8 Alta de variables del proceso
en la API

Figura 9 Graficas históricas del
proceso generadas por la API

Aplicación Web Cliente

La
aplicación cliente se desarrolló utilizando el framework de Ionic, el cual es
una combinación de HTML5 y TypeScript, cuyo propósito es el desarrollo de
aplicaciones multiplataforma con una sola base de código. La aplicación que se
desarrolló se probó de manera exitosa en una computadora con Windows 7 y
Mozilla Firefox, así como un smartphone con Android 7.0. En esta versión
inicial la aplicación funciona solo en red local, aunque se realizó una prueba
mediante una VPN para probar la accesibilidad ubicua y la aplicación funciono
sin ningún problema.

 

Figura 10 Aplicación Web, ejecutada
desde Android 7.0

 

Bibliografía

Kominek, D. (2009). OPC: ¿De qué se trata, y cómo
funciona? Makitron OPC. Obtenido de
http://www.infoplc.net/files/documentacion/comunicaciones/infoplc_net_guia_para_entender_la_tecnologia_opc.pdf
 

 

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