Diseño e Implementacion de Un Sistema SCADA

8/18/2019 Diseño e Implementacion de Un Sistema SCADA

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Contenido

INTRODUCCIÓN .............................................................................................................................. I

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .................................................................................................. II

JUSTIFICACIÓN ............................................................................................................................. III

OBJETIVO GENERAL ...................................................................................................................... IV

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................ IV

CAPÍTULO 1 .................................................................................................................................. 6

1.1 PRECEDENTES DE LAINTERFAZHUMANO-MAQUINA(HMI) ........................................................... 6

1.2 ANTECEDENTES DESISTEMAS DESUPERVISIÓN, CONTROL YADQUISICIÓN DEDATOS(SCADA) .............. 7

1.3 ANTECEDENTES DELCONTROL DISTRIBUIDO ................................................................................ 8

1.4 PRECEDENTES DELCONTROLADORLÓGICOPROGRAMABLE(PLC) .................................................. 12

1.5 PROYECTOSSIMILARES ........................................................................................................ 16 1.5.1 SISTEMASCADA PARAUNAREDDEAGUAPOTABLE ........................................................................... 16

1.5.2 METODOLOGÍA PARAIMPLEMENTARSISTEMASSCADA CONRSVIEW. .................................................. 17

1.5.3 IMPLEMENTACIÓNDEUNSISTEMASCADA, EN UNAEMPRESADEAUTOPARTES, PARATRABAJARENUN

ENFOQUEJUSTOA TIEMPO. DISEÑODEUN SISTEMADECONTROLDEVELOCIDADPROPORCIONALSCADA PARAUN

MOTORDECORRIENTEDIRECTA"CD". .......................................................................................................... 17

1.5.4 DISEÑO DE UNSISTEMA DECONTROL DEVELOCIDADPROPORCIONALSCADA PARA UNMOTOR DECORRIENTE

DIRECTA"CD”. ........................................................................................................................................... 18

1.5.5 DESARROLLO EIMPLEMENTACIÓN DEPANTALLAS EN UNSISTEMASCADA PARAMONITOREO ENPROCESO DE

SERVICIOSGENERALES ENPLANTAFARMACÉUTICA........................................................................................... 18

CAPÍTULO 2 ................................................................................................................................ 20


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2.1 PROCESOINDUSTRIAL .................................................................................................................. 20

2.1.1 TIPOS DEPROCESO: ............................................................................................................................ 20

2.1.1.1 Continuos ................................................................................................................................... 20

2.1.1.2 Discretos ..................................................................................................................................... 202.1.1.3 Bach ............................................................................................................................................ 20

2.1.2 PROCESOSINDUSTRIALES DEMAYORAPLICACIÓN ................................................................................... 21

2.1.2.1 Plantas de proceso Nivel y flujo ................................................................................................. 22

2.1.2.2 Planta de proceso de pH ............................................................................................................ 23

2.2 CONTROLADORLÓGICOPROGRAMABLE ........................................................................................... 25

2.2.1 TIPOS DEPLC ................................................................................................................................. 26

2.2.1.1 PLC tipo Nano .......................................................................................................................... 26

2.2.1.2 PLC tipo Compacto .................................................................................................................. 27

2.2.1.3 PLC tipo Modular ..................................................................................................................... 28

2.2.2 SIEMENS ..................................................................................................................................... 28

2.2.2.1 S7-300 ..................................................................................................................................... 29

2.2.2.2 STEP 7 ...................................................................................................................................... 30

2.3 INTERFAZHUMANO-MÁQUINA ............................................................................................. 32

2.3.1 TIPOS DEHMI: .............................................................................................................................. 33

2.3.2 SOFTWARES PARAHMI ................................................................................................................... 332.3.2.1 LabVIEW .................................................................................................................................. 34

2.4 COMUNICACIÓNINDUSTRIAL ................................................................................................ 34

2.4.1 ACTUADORSENSORINTERFACE ......................................................................................................... 35

2.4.2 PROFIBUS ......................................................................................................................................... 35

2.4.3 PROTOCOLO DECOMUNICACIÓNABIERTO ............................................................................................. 36

2.5 SISTEMAS DESUPERVISIÓN, CONTROL YADQUISICIÓN DEDATOS(SCADA) ............................................. 37

2.5.1 SISTEMAS DECONTROL ....................................................................................................................... 39

2.5.1.1 Sistemas de Control de Lazo Abierto ......................................................................................... 39

2.5.1.2 Sistemas de Control de Lazo Cerrado ..................................................................................... 39

2.5.2 SISTEMASSCADA (SUPERVISIÓN, CONTROL Y ADQUISICIÓN DE DATOS) ................................................... 40

2.5.2.2 Objetivos de un sistema SCADA .............................................................................................. 41

2.5.2.3 Prestaciones del sistema SCADA ............................................................................................. 42


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2.5.2.4 Ventajas de los sistemas SCADA ............................................................................................. 43

2.5.2.5 El Entorno ................................................................................................................................ 43

2.5.2.6 Criterios de selección .............................................................................................................. 44

2.5.2.7 Arquitectura de un sistema SCADA ......................................................................................... 452.5.2.8 Hardware ................................................................................................................................. 47

2.5.2.9 Software .................................................................................................................................. 47

2.5.3 SISTEMAS DE CONTROLDISTRIBUIDO .................................................................................................. 48

CAPÍTULO 3 ................................................................................................................................. 51

3.1 DIAGRAMA ABLOQUES ................................................................................................................ 51

3.1.1 DIAGRAMA ABLOQUES PARA ELDISEÑO EIMPLEMENTACIÓN DESISTEMASCADA PARAGOBIERNO Y

MONITOREO DE LASPLANTAS DE PH YNIVEL .................................................................................................. 51

3.2 DIAGRAMA DEFLUJO .................................................................................................................. 53

3.2.1 DIAGRAMA DEFLUJO DEL SISTEMASCADA ............................................................................................ 53

3.3 DIAGRAMAESQUEMÁTICO ........................................................................................................... 55

3.3.1 DIAGRAMAESQUEMÁTICO DEL SISTEMASCADA .................................................................................... 55

3.3.2 DIAGRAMA ESQUEMÁTICO DE LA CONEXIÓN DE LOS COMPONENTES DEL SISTEMASCADA ............................. 56

3.4 DIAGRAMA DECIRCUITOELÉCTRICO ................................................................................................ 57

3.4.1 CIRCUITOAMPLIFICADOR .................................................................................................................... 58

3.4.2 TABLERO DECONTROL ........................................................................................................................ 60

3.5 CÁLCULOS YCONFIGURACIONES ..................................................................................................... 60

3.5.1 CIRCUITOAMPLIFICADOR .................................................................................................................... 60

3.6 PROGRAMACIÓN YALGORITMO ..................................................................................................... 61

3.6.1 SIMATICSTEP7 ................................................................................................................................. 63

3.6.2 LABVIEW2013 ................................................................................................................................. 64

CAPÍTULO 4 ................................................................................................................................. 68

4.1 PRUEBA DE LA PLANTA DE PH 38-716 ............................................................................................. 68

4.1.1 FUNCIONAMIENTO DEL TABLERO DE PH 38-716 ..................................................................................... 69


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4.1.2 OBSERVACIONES DEL TABLERO DE PH RIGPROCESS38-716 ..................................................................... 70

4.1.3 PLANTA DE PH AUTOMATIZADA CONPLC S7-300 ................................................................................... 72

4.1.4 PROTOCOLOOPC YHMI EN LAPLANTA DE PH ...................................................................................... 73

4.2 PRUEBA DE LAPLANTA DE PROCESOS DENIVEL YFLUJO38-100 ........................................................... 75 4.2.1 FUNCIONAMIENTO DE LAPLANTA DENIVEL YFLUJOPROCESSRIG 38-100 ................................................. 75

4.2.2 OBSERVACIONES DE LAPLANTA DENIVEL YFLUJOPROCESSRIG 38-100.................................................... 77

4.2.3 PLANTA DENIVEL YFLUJO CONTROLADA CONPLC S7-300....................................................................... 78

4.2.4 PROTOCOLOOPC YHMI EN LAPLANTA DENIVEL YFLUJO ....................................................................... 79

CONCLUSIONES ..................................................................................................................... LXXXII

RECOMENDACIONES .................................................................................................................... 84

BIBLIOGRAFÍA .............................................................................................................................. 86

CIBEROGRAFÍA ............................................................................................................................ 87

ANEXO I VIABILIDAD Y FACTIBILIDAD ........................................................................................... 89

VIABILIDAD .................................................................................................................................... 89

FACTIBILIDAD .................................................................................................................................. 89

CRONOGRAMA DEACTIVIDADES .................................................................................................................... 89

LISTA DEMATERIALES YCOSTOS .................................................................................................................... 90

ANEXO II NORMATIVIDAD ........................................................................................................... 91

ANEXO III HOJAS TÉCNICAS .......................................................................................................... 99

ANEXO IV ACRÓNIMOS .............................................................................................................. 111

ANEXO V GLOSARIO ................................................................................................................... 113


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Índice de Figuras

Capítulo 1…………………………………………………………………………………………………………………………… Fig. 1.1 Marshall McLuhan .................................................................................................................. 6

Fig. 1.2 Depósito de Agua desde una Mina ......................................................................................... 7

Fig. 1.3 Depósito de Agua desde una Min........................................................................................... 8

Fig. 1.4 (1959) RW-300 ........................................................................................................................ 8

Fig. 1.5 (1960) IBM 1800 ..................................................................................................................... 9

Fig. 1.6 (1970) Sistema de 1010 y Sistema FOX1 ............................................................................. 10

Fig. 1.7 (1975) Centium TDC 2000 y DCS .......................................................................................... 10

Fig. 1.8 (1978) Damatic .................................................................................................................... 11

Fig. 1.9 (1980) DCI-4000 .................................................................................................................... 11

Fig. 1.10 Modicon 084 ....................................................................................................................... 13

Fig. 1.11 Simatic S30.......................................................................................................................... 14

Fig. 1.12 Sucos-PS1 ............................................................................................................................ 14

Fig. 1.13 S5 ........................................................................................................................................ 15

Fig. 1.14 Simatic S7............................................................................................................................ 15

Fig. 1.15 Marcas involucradas en la industria de los PLC .................................................................. 16 Capí tulo 2……………………………………………………………………………………………………………………………

Fig. 2.1 Estrategia de control de temperatura y Estrategia de control de flujo................................ 22

Fig. 2.2 Esquema de la planta de control de nivel y flujo ................................................................. 23

Fig. 2.3 Esquema General de un Tablero para el Control de pH ....................................................... 25

Fig. 2.4 PLC tipo nano ....................................................................................................................... 27

Fig. 2.5 PLC tipo compacto ............................................................................................................... 27

Fig. 2.6 PLC tipo modular .................................................................................................................. 28

Fig. 2.7 PLC Siemens S7-300 ............................................................................................................. 30

Fig. 2.8 Software LabVIEW ................................................................................................................ 34

Fig. 2.9 Comunicación Cliente-Servidor OPC .................................................................................... 36

Fig. 2.10 Sistema SCADA ................................................................................................................... 38

Fig. 2.11 Sistema de control a lazo abierto ....................................................................................... 39


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Fig. 2.12 Sistema de control Retroalimentado o de lazo cerrado ..................................................... 40

Fig. 2.13 Principio de Redundancia ................................................................................................... 44

Fig. 2.14 Estructura de un sistema de supervisión de mando .......................................................... 46

Fig. 2.15 Estructura básica de un sistema SCADA ............................................................................. 46 Fig. 2.16 Arquitectura básica de Hardware de SCADA ..................................................................... 47

Fig. 2.17 Arquitectura General del software de un SCADA ............................................................... 48

Fig. 2.18 Estructura de un control Distribuido .................................................................................. 49

Capítulo 3……………………………………………………………………………………………………………………………

Fig. 3.1 Sensores de nivel, flujo y pH ................................................................................................. 58

Fig. 3.2 OPAMP No Inversor .............................................................................................................. 61

Capítulo 4……………………………………………………………………………………………………………………………

Fig. 4.1 Feedback Basic Process Rig 38-100 ...................................................................................... 75

Índice de DiagramasCapítulo 3……………………………………………………………………………………………………………………………

Diagrama 3.1 Diagrama a Bloques para el Diseño e Implementación de Sistema SCADA para

Gobierno y Monitoreo de las Plantas de pH y Nivel .............................................................................. 52

Diagrama 3.2 Diagrama de Flujo del sistema SCADA ........................................................................ 54

Diagrama 3.3 Diagrama Esquemático de Sistema SCADA ................................................................ 55

Diagrama 3.4 Diagrama esquemático de la conexión de los componentes del sistema SCADA ...... 57

Diagrama 3.5 Circuito Amplificador .................................................................................................. 59

Índice de Impresiones de Pantalla

Capítulo 3……………………………………………………………………………………………………………………………

Impresión de Pantalla 3.1 Step 7 Simatic V 5.4 SIEMENS ................................................................. 62

Impresión de Pantalla 3.2 LabView 2013 .......................................................................................... 62

Impresión de Pantalla 3.3 Bastidor de diseño del PLC ...................................................................... 63

Impresión de Pantalla 3.4 Diagramas de Escalera ............................................................................ 64

Impresión de Pantalla 3.5 Ventanas de Panel Frontal ...................................................................... 65


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Impresión de Pantalla 3.6 Ventanas de Diagrama a Bloques ........................................................... 66

Capítulo 4……………………………………………………………………………………………………………………………

Impresión de Pantalla 4.1 Representación gráfica de la Planta de pH ............................................. 74

Impresión de Pantalla 4.2 Representación gráfica de la Planta de Nivel y Flujo .............................. 80

Índice de Fotografías

Capítulo 3……………………………………………………………………………………………………………………………

Fotografía 3.1 Circuito Amplificador de Voltaje ................................................................................ 59

Fotografía 3.2 Tablero de Control ..................................................................................................... 60

Capítulo 4…………………………………………………………………………………………………………………………… Fotografía 4.1 Feedback pH Process Rig 38-716 ............................................................................... 68

Fotografía 4.2 Bombas del tablero pH Process Rig 38-716 ............................................................... 69

Fotografía 4.3 Residuos de sales en el tablero Feedback pH Process rig 38-716 ............................. 70

Fotografía 4.4 bomba del tablero Feedback pH Process rig 38-716 ................................................. 71

Fotografía 4.5 Planta de pH (parte central e izquierda) ................................................................... 71

Fotografía 4.6 Pruebas del funcionamiento del medidor de pH....................................................... 72

Fotografía 4.7 Sensor de pH con acoplador ...................................................................................... 72

Fotografía 4.8 Planta de pH automatizada con PLC .......................................................................... 73

Fotografía 4.9 Planta de pH con HMI ................................................................................................ 74

Fotografía 4.10 Funcionamiento Basic Process Rig 38-100 .............................................................. 76

Fotografía 4.11 Servoválvula y Compuerta ....................................................................................... 77

Fotografía 4.12 Reparación de la Servovalvula ................................................................................. 77

Fotografía 4.13 Montaje de los engranes ......................................................................................... 78

Fotografía 4.14 Planta de Nivel y Flujo controlada con PLC ............................................................. 79

Fotografía 4.15 Planta de Nivel y Flujo con HMI ............................................................................... 80


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I

IntroducciónEn el sector industrial los avances en control y automatización de los procesos han

sido vitales para su mejor funcionamiento, un claro ejemplo de esto es la supervisión,control y adquisición de datos de manera remota de las variables involucradas, mejorconocido como sistema SCADA. Los sistemas SCADA son actualmente los másutilizados a nivel industrial para controlar las diversas variables existentes en unproceso.

En el presente trabajo se describe el desarrollo del proyecto “Diseño eImplementación de un Sistema SCADA para Gobierno y Monitoreo de las Plantas de

Nivel y pH” que apoyan el aprendizaje práctico para los estudiantes en el laboratoriode la Especialidad de Control en la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica yEléctrica Unidad Culhuacán.

En el presente escrito se mencionan los antecedentes más relevantes para eldesarrollo de este proyecto, su invención y desarrollo a través del tiempo. Así comolos proyectos similares al sistema SCADA realizado a nivel educativo.

De igual manera se describe cada parte fundamental del sistema y sus

especificaciones.

Siguiendo con este orden, se describe de diversas formas el funcionamiento delsistema SCADA, como por ejemplo; diagrama a bloques que describe el procesorealizado y el diagrama de flujo que explica la lógica del programa. También se muestraun diagrama esquemático de la forma física de la cual está compuesto el sistema, asícomo los sistemas electrónicos aplicados y los cálculos requeridos.

Por último se explican las pruebas realizadas para comprobar el correctofuncionamiento del sistema, iniciando con cada elemento, hasta la prueba delfuncionamiento general.


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II

Planteamiento del Problema

Tras una investigación realizada en las instalaciones de Escuela Superior deIngeniería Mecánica y Eléctrica unidad Culhuacán del Instituto Politécnico Nacional,se observó que dentro de los laboratorios de Instrumentación Industrial yControladores Lógicos Programables existen distintos tipos de plantas de procesocómo lo son: nivel de fluidos, presión, temperatura y pH, que sirven para realizarprácticas de la especialidad de Control.

A pesar de tener estos sistemas, no todos cuentan con los elementos necesarios

para su funcionamiento, además de que no se cuenta con una herramienta que ayudeal estudio del comportamiento de las distintas variables involucradas.

Otra deficiencia de este laboratorio es que las plantas de procesos son sistemasque se analizan de forma independiente, por lo tanto los alumnos demoran en laobtención de datos de cada una de las plantas, esto genera retraso en la elaboraciónde las prácticas.

Además se cuenta con un Controlador Lógico Programable (PLC) marca SIMENS

modelo S7-300 el cual está en condiciones de abandono ya que carece de la micro-tarjeta de programación.


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III

Justificación

En la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica unidad Culhuacán delInstituto Politécnico Nacional existen distintos laboratorios de la carrera de Ingenieríaen Comunicaciones y Electrónica, entre ellos se encuentran los de la especialidad deControl, uno de estos se enfoca en Instrumentación Industrial y Controladores LógicosProgramables en el cual se presenta la necesidad de desarrollar un sistema SCADAque contribuya al estudio y análisis de las plantas de proceso de nivel y pH de fluidos,es por eso que en el desarrollo de este proyecto se realizará un sistema de gobiernoy monitoreo que sirva como material didáctico dentro de las instalaciones de esta

unidad académica.

El desarrollo del sistema SCADA ayudará tanto a los alumnos como a profesores,a un mejor desarrollo y análisis de las prácticas programadas en el curso; además, eneste proyecto se abarca gran parte del temario de la especialidad de control.

A nivel industrial se manejan un sin número de variables dentro de sus procesos,debido a esta problemática se requiere de un monitoreo y control constante sobre lasplantas de procesos industriales, es por eso que es necesario desarrollar un interfazcapaz de obtener datos para el manejo apropiado de las distintas variables queintervienen en las plantas de procesos; para un ingeniero es necesario conocer lasdistintas formas de obtención de datos para un desarrollo profesional óptimo. Unmétodo de obtención de este tipo de datos es un sistema SCADA, por esta razón esimprescindible para los alumnos aprender y comprender el funcionamiento de este tipode sistemas, para así obtener una preparación óptima para su desarrollo profesional(véase anexo I).


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IV

Objetivo General

Diseñar e implementar un sistema SCADA para gobierno y monitoreo de las plantasde proceso de nivel de agua y pH en el laboratorio de control de la Escuela Superiorde Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacán, para el uso didáctico.

Objetivos específicos

Diseñar un sistema SCADA para el control y monitoreo de dos plantas de procesoscuyas variables son nivel y pH, utilizando el PLC S7-300 SIEMENS.

Monitorear los datos de las variables de los tableros de procesos mediante unainterfaz gráfica diseñada en el software LabView.

Establecer comunicación entre los sistemas de gobierno y monitoreo mediante elprotocolo OPC.

Implementar el sistema desarrollado en el laboratorio de control de la EscuelaSuperior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacán.


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V

Capítulo 1

Estado del Arte


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6

Estado del ArteCapítulo 1

En este capítulo se hablará sobre la historia, antecedentes y actualidad de lossistemas de control distribuido, así como, sistemas de supervisión, control yadquisición de datos (SCADA), Interfaz Humano-Máquina (HMI) y los ControladoresLógico Programable (PLC).

1.1 Precedentes de la Interfaz Humano-Maquina (HMI) Antes de definir lo que es un interfaz humano-máquina (HMI), se debe mencionar a

Marshall McLuhan (figura 1.1), este hombre fue quien dio origen a este concepto y

logro reestructurar varios términos que posteriormente originó que los investigadoresse basarán en su trabajo para desarrollar el concepto de HMI.

Fig. 1.1 Marshall McLuhan

A lo largo del tiempo se han hecho distintas definiciones de lo que es un HMI, entreellas se encuentran la definición hecha por Booth (1989) quien dice que un HMI “Esel intercambio de símbolos entre dos o más partes asignando a los participantes en elproceso comunicativo los significados de estos símbolos”.

También se encuentra la definición de Johnson (1992), el cual indica que “lainteracción hombre-máquina es el estudio de la interacción entre la gente, los


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ordenadores y las tareas”. Además Lewis y Reina definen el HMI como “todos aquelloscanales por los cuales se permite la comunicación entre el hombre y la má quina”.

Después de conocer algunas definiciones de HMI, podemos hacer referencia a unode estos sistemas, como es la telemetría, en la cual la presentación de los datos erade forma intangible, pues el control y monitoreo de las variables involucradas es adistancia, un ejemplo de este tipo de sistemas es el llenado de un depósito de aguadesde una mina (figura 1.2); donde los sensores se encargan de vigilar el nivel de aguadel depósito de lámina, informando a la bomba cuando debe activarse o desactivarsesegún el nivel de agua que haya para bombear.

Fig. 1.2 Depósito de Agua desde una Mina

1.2 Antecedentes de Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos(SCADA)

Para hablar de los antecedentes históricos de un sistema de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA)no se puede dejar de lado a los “Sistemas de ControlDistribuido” (DCS) ya que los sistemas SCADA modernos fueron cr eados a partir deestos.

Los primeros SCADA eran sistemas de telemetría que proporcionaban reportesperiódicos de las condiciones de campo vigilando las señales que representabanmedidas y/o condiciones de estado en ubicaciones de campo remotas. Y fueron


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altamente modificados con programas de aplicación específicos para atender arequisitos de algún proyecto particular, ejemplo de esto es el control en un depósito deagua desde una mina (figura 1.3).

Fig. 1.3 Depósito de Agua desde una Mina

1.3 Antecedentes del Control distribuido

El primer sistema informático de control industrial, construido en el 1959 TexacoPort Arthur, Texas, con una refinería RW-300 de la Empresa Ramo-Wooldridge (figura

1.4)

Fig. 1.4 (1959) RW-300


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Los primeros miniordenadores fueron utilizados en el control de procesos industrialesdesde el comienzo de la década de 1960. La IMB 1800 (figura 1.5), por ejemplo, fueuna de las primeras computadoras que había de entrada/salida de hardware pararecoger señales de proceso en una planta de conversión de los niveles de contactosobre el terreno y las señales analógicas al dominio digital.

Fig. 1.5 (1960) IBM 1800

A principios del decenio de 1970 Taylor Instrument Company, ha desarrollado elsistema de 1010 (figura 1.6), Foxboro sistema FOX1 (figura 1.6) y Bailey controla lossistemas de 1055. Todos estos eran aplicaciones de control digital directo (DDC)utilizadas en minicomputadoras y conectado a la Entrada propietaria/hardware desalida. Así como el control continuo por lotes sofisticado se llevó a cabo de estamanera, un enfoque más conservador se estableció en el control del punto donde losequipos de procesos supervisados son grupos de controladores de procesosanalógicos. La disponibilidad de una interfaz gráfica de usuario completamentefuncional era una forma de distancia.


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Fig. 1.6 (1970) Sistema de 1010 y Sistema FOX1

Los DCS fueron introducidos en 1975. Tanto por Honeywell y la firma de ingenieríaeléctrica japonesa Yokogawa que introdujo sus propios DCSs de producciónindependiente paralelamente, con los sistemas de Centum TDC 2000 (figura 1.7),respectivamente. Basada en Bristol EE.UU. también presentó su controlador universalde 3000 UCS en 1975.

Fig. 1.7 (1975) Centium TDC 2000 y DCS


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En 1978, Metso introdujo su propio sistema de DCS se llama Damatic (figura 1.8).

Fig. 1.8 (1978) Damatic

En 1980, Bailey introdujo el sistema RED 90. También en 1980, Fischer y PorterCompany introdujo DCI-4000 (figura 1.9).

Fig. 1.9 (1980) DCI-4000

Algo fundamental para el modelo DCS, fue la inclusión de bloques de funciones decontrol. Los bloques de función evolucionaron a partir de los primeros conceptos decontrol digital directo más primitivos de "Table Driven"; software orientado a objetos


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donde los bloques de función eran "bloques" independientes de código que las tareasde control de hardware emulaban componentes analógicos así como actividades queeran esenciales para el control de procesos, tales como la ejecución de los algoritmos

PID. En la actualidad los bloques de función continúa siendo el método predominantede control para los proveedores de DCS, y se apoyan en tecnologías clave como laFoundation Fieldbus.

Sistemas Midac, de Sydney, Australia, desarrolló un sistema de control digitaldirecto distribuido orientado en 1982. El sistema central corrió 11 microprocesadoresque comparten las tareas y la memoria común, así como conectada a una red decomunicación serie de controladores distribuidos, cada ejecución de dos Z80’s. El

sistema fue instalado en la Universidad de Melbourne.

La comunicación digital entre los controladores distribuidos, estaciones de trabajoy otros elementos de computación fue una de las principales ventajas de los DCS. Laatención se centró debidamente en las redes, que proporcionan las líneas de sumaimportancia de la comunicación que, para aplicaciones de proceso, tuvieron queincorporar funciones específicas, tales como el determinismo y la redundancia. Comoresultado, muchos proveedores adoptaron el estándar de red IEEE 802.4 (véase anexo

II). Esta decisión sentó las bases para la ola de migraciones de tecnología de lainformación necesaria cuando se mudó a la automatización de procesos y IEEE 802.3IEEE 802.4 más que prevaleció como la LAN de control.

1.4 Precedentes del Controlador Lógico Programable (PLC)

La automatización industrial ha evolucionado a la par con el desarrollo de lossistemas mecánicos, eléctricos, electrónicos y de informática. En sus inicios, paraautomatizar un proceso se utilizaban palancas mecánicas, montaje de levas,engranajes, relevadores, pequeños motores, etcétera.


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Posteriormente con el desarrollo de la electrónica, ya se utilizaban transistores yseñales eléctricas de bajo voltaje. Luego con la aparición de los circuitos integrados yen especial del microprocesador, los automatismos revolucionaron la industria de una

forma sorprendente, ya que efectuaban el proceso de muchas señales simultáneas yentregaban una respuesta muy rápida para ese entonces.

Las computadoras también empezaron a formar parte en el control automático deprocesos industriales, pero debido a que su sistema de entradas y salidas era limitadopara estas labores, surgieron controladores especializados y programables con lasherramientas necesarias para controlar líneas de p roducción completas. Así́ entonces,

es que aparece el P. L. C. o Autómata, un dispositivo programable que puede ajustarsea las necesidades de determinado proceso que se quiera automatizar, brindandoeconomía, robustez, confiabilidad y flexibilidad en los diseños para los cuales eselegido.

Primer PLC Creado en 1968 por Dick Morley, con el Nombre de Modicon 084 (figura1.10), Controlador Digital Modular, en E.U.A. Para General Motors.

Fig. 1.10 Modicon 084


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Después en 1973 en Alemania se creó Simatic S30 (figura 1.11) por Siemens.

Fig. 1.11 Simatic S30

También en Alemania en el año de 1976, Klockner Moeller crea el Sucos-PS1(figura 1.12).

Fig. 1.12 Sucos-PS1


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En 1979 se crea el Simatic S5 (figura 1.13) de Siemens sucesor del S3.

Fig. 1.13 S5

Para 1995 es creado el Simatic S7 (figura 1.14) de SIEMENS sucesor del S5

Fig. 1.14 Simatic S7


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El extraordinario éxito del PLC ha sido su evolución y su creciente aplicación, desdela propia automatización o la regulación de magnitudes físicas, hasta la seguridad delas personas o del medio ambiente. Su sencillez, versatilidad y amplia divulgación le

han dado un carácter universal, pues es difícil encontrar la fábrica o la infraestructuraque no utilice algún PLC, por esto cada vez más empresas se especializan en estosautómatas (figura 1.15).

Los PLC’s siguen actualmente dedicados específicamente al control de procesos,pero vienen dotados de sistemas de comunicaciones que los acoplan de una manera

óptima a las redes de computadoras, permitiendo así́ las funciones de ProducciónIntegrada por Computadora.

Fig. 1.15 Marcas involucradas en la industria de los PLC

1.5 Proyectos Similares

1.5.1 Sistema SCADA Para Una Red De Agua Potable Autor: Caballero Guadarrama y Eduardo EnriqueEscuela: Centro de Investigación y Desarrollo de Tecnología Digital del IPN.Fecha: 20-oct-2008


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Nivel: PosgradoObjetivo General

Desarrollar un sistema SCADA para el monitoreo y control de sistema de

distribución de agua y aplicarlo en primera instancia, a la red de agua potable dela ciudad de Tijuana, Baja California, México.

1.5.2 Metodología para Implementar Sistemas SCADA con RSVIEW. Autor: Marcial Santiago, Cástulo; Marcial Santiago, VicenteEscuela: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME).Fecha: 16-dic-2009

Nivel: Superior.Objetivo General:

Establecer la metodología la cual permita al usuario (HMI: Human MachineInterface, Interfaz Humano-Maquina) realizar cualquier aplicación mediante el usode variables, analógicas y digitales, que puedan realizar un sistema SCADA(adquisición de datos, control de supervisión), capaz de realizar la monitorizacióny control de procesos mediante la interfaz gráfica de control RSVIEW de Alien.

1.5.3 Implementación De Un Sistema SCADA, En Una Empresa De Autopartes,Para Trabajar En Un Enfoque Justo A Tiempo. Diseño De Un Sistema DeControl De Velocidad Proporcional SCADA Para Un Motor De CorrienteDirecta "Cd".

Autor: Sanjuan Gijon, Juan C.Escuela: Unidad Profesional Interdisciplinaria de Ingeniería y Ciencias Sociales y

Administrativas (UPIICSA).Fecha: 11-mar-2010Nivel: SuperiorObjetivo General:


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Implementar un sistema SCADA a los procesos de producción para que se puedantrabajar de manera integrada y flexible en un sistema JIT.

1.5.4 Diseño de un Sistema de Control de Velocidad Proporcional SCADA paraun Motor de Corriente Directa "Cd ” .

Autor: Montiel Chable, MarcosEscuela: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) Unidad

Azcapotzalco.Fecha: 15-jun-2012Nivel: Superior

Objetivo General: Desarrollar e implementar un sistema SCADA para un motor de corriente directa

“CD” que funcione de manera eficiente y eficaz, por medio de ALLEN-BRADLEY,y ofrecerlo como guía para la enseñanza, y aprendizaje de automatización.

1.5.5 Desarrollo e Implementación de Pantallas en un Sistema SCADA paraMonitoreo en Proceso de Servicios Generales en Planta Farmacéutica.

Autor(es): Ramírez Contreras, Julio Cesar; Navarro Soto, Ricardo; Mendoza Arriaga, Adrián.Escuela: Escuela: Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME)Unidad Profesional Adolfo López MateosFecha: 19-sep-2014Nivel: SuperiorObjetivo General:

Desarrollar un SCADA para manipular los procesos de servicios generales de unaempresa farmacéutica, para producción de hemoderivados.


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XIX

Capítulo 2

Marco Teórico


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Marco Teórico

Capítulo 2

En este capítulo se abordaran temas clave relacionad os con el proyecto “Diseño eImplementación de Sistema SCADA para Gobierno y Monitoreo de las Plantas de pHy Nivel”. Se habla de los elementos que lo conforman las plantas de procesos de nively de pH, se dará una descripción del funcionamiento y su interrelación entre ellas. Asímismo se menciona como es y de qué manera funciona el sistema SCADA (Sistemade Supervisión, Control y Adquisición de Datos) que se emplea y el HMI (InterfazHumano-Máquina).

2.1 Proceso IndustrialUn proceso industrial se define como el conjunto de actividades enlazadas entre sí

que, partiendo de una o más entradas las transforma en salidas. Es un conjunto deactividades enlazadas lógicamente que toman un insumo y le agregan valor consentido específico para un cliente o grupo de interés, generando así un resultado oservicio.

2.1.1 Tipos de Proceso:

2.1.1.1 ContinuosEn un proceso continuo los productos se fabrican transfiriendo el material entre los

diferentes equipos especializados en la realización de una tarea determinada delproceso. Cada uno de estos equipos opera en un sólo estado estable.

2.1.1.2 DiscretosEn un proceso discreto, una cantidad específica de producto es movida como una

unidad (grupo de partes) entre estaciones y cada parte mantiene su única identidad.La salida de un proceso discreto aparece una por una o en cantidades de partes.

2.1.1.3 BachLos procesos tipo Bach no son continuos ni discretos, estos tienen características

tanto de procesos continuos como discretos, los procesos Bach pueden llegar a20


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Fig. 2.1 Estrategia de control de temperatura y Estrategia de control de flujo

2.1.2.1 Plantas de proceso Nivel y flujoEl manejo de las variables de nivel y flujo, comprende la utilización de señales

análogas, en cada señal del proceso, tanto de actuadores, sensores comocontroladores. El control de nivel, trabaja midiendo directamente la altura del líquidosobre una línea de referencia en este caso opera según el desplazamiento por unflotador producido por el propio líquido. El instrumento de flotador consiste en unflotador situado en el seno del líquido y conectado al exterior del tanque indicando

directamente el nivel. Para el control de flujo se parte de la toma de una medida de lavariable indirectamente, este se realiza midiendo la resistencia formada por doselectrodos posicionados en forma perpendicular a la sección transversal del ducto desalida del líquido.

La planta (figura 2.2) consta básicamente de un tanque alimentador que será elencargado de suministrar el líquido a un segundo tanque, en el cual se hará el control

de nivel del líquido, dependiendo del set point del sistema. El abastecimiento dellíquido al tanque secundario se realiza por medio de una electrobomba y el suministrode flujo constante se establece mediante el posicionamiento de una llave ubicadacomo salida del tanque secundario. Para esta aplicación, la alimentación del tanqueprimario es por método manual.


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Fig. 2.2 Esquema de la planta de control de nivel y flujo

En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y enplantas pilotos la medición del flujo de los líquidos y gases es muy importante porquede esto depende la regulación de los diferentes volúmenes a trabajar, que no soloimplica el correcto funcionamiento de los procesos, sino el correcto uso de los recursosque se tengan. Existen varios métodos clasificados principalmente en dos categorías,medidores volumétricos y medidores de masa. Los volumétricos se terminan el flujoen volumen del fluido bien sea directamente (desplazamiento) o indirectamente por

deducción (presión diferencial, área variable, velocidad, fuerza, tensión inducida,torbellino). Los medidores de masa efectúan su medida a partir de una referenciavolumétrica compensándola para las variaciones de densidad del flujo o bien,determinar el caudal-masa aprovechando las características medibles de esta.

Los sensores de flujo son muy usados a nivel industrial para todo tipo deaplicaciones, generalmente para plantas de tratamiento de aguas residuales se usande tipo electromagnético y de rueda de paletas, siendo más económico el segundo.

Estos sensores basan su principio en la medición de la velocidad del flujo, por lo tantose requiere que exista un flujo totalmente turbulento para medidas exactas y precisas.

2.1.2.2 Planta de proceso de pHEl pH o Potencial de Hidrógeno es una forma convencional y conveniente de

expresar según una escala numérica el grado de acidez o basicidad y se define como


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una medida de la actividad de los iones hidrógeno en una solución electrolítica. El pHde una solución puede medirse de distintas maneras y con distintos instrumentos comopapel indicador o tornasol, uso de sustancias químicas (naranja de metileno y

fenolftaleína), pH-metro.En la mayoría de los procesos industriales el control de los niveles de pH (figura

2.3) que presentan los productos o soluciones elaborados, es un factor importante. Sumedición se emplea normalmente como indicador de calidad.

La medición del pH es importante en la medicina, la biología, la química, laagricultura, la silvicultura, la ciencia de los alimentos, las ciencias ambientales, laoceanografía, la ingeniería civil, la ingeniería química, la nutrición, el tratamiento y

purificación de agua, y muchas otras aplicaciones.

Para dar una referencia del uso del control de pH en la industria, se mencionanalgunas de las ramas de la Industria Alimenticia en las que la medición del pH esfundamental en los procesos.

Industria Cervecera: El control de nivel de pH en la producción de la cerveza esmuy importante para poder evitar la activación de agentes indeseados, pero sobre

todo para obtener el sabor característico de cada cerveza, un valor de pH menor a4.2 produce acidez y un valor a 4.5 provoca activación de microorganismos.

Industria Azucarera: La importancia en esta industria con la medición del pH esbásicamente por la contaminación de agentes y se realiza durante todo el procesode fabricación, sobre todo la clarificación donde se elimina la mayor cantidad deimpurezas que posee el jugo de caña. Dentro de este proceso existen subprocesos

donde también se deben vigilar los niveles de pH.


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Fig. 2.3 Esquema General de un Tablero para el Control de pH

2.2 Controlador Lógico ProgramableSe entiende por Controlador Lógico Programable (PLC), toda máquina electrónica,

diseñada para controlar en tiempo real y en medio industrial mediante secuenciaslógicas de control automático, basado en técnicas digitales con microprocesador omicrocomputador, inicialmente solo con entradas y salidas binarias.

Otra definición de PLC es un microprocesador para uso en control general queemplea memoria programable para almacenar instrucciones e implementar funcioneslógicas, de secuencia de temporización de conteo y aritméticas. El PLC se programade modo que el programa de control puede ingresar mediante un lenguaje sencillo.

En general los Autómatas programables, también llamados Controladores LógicosProgramables (PLC), son dispositivos electrónicos de procesamiento que poseenentradas y salidas de diferentes tipos de señal.

Su funcionamiento depende de un programa que se le ha introducido previamente,con el cual se ejecuta cierta secuencia en forma completamente automática. Elprograma se elabora a partir de unas reglas o condiciones que dependen del procesoen s ́ a automatizar y del tipo de señales que deben manejar.


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Para la Programación de los PLC’s, se tienen varias opciones, dependiendo del tipode PLC y especialmente del proceso a automatizar. Por ejemplo, se puede programaren forma de símbolos o lenguaje de esquema de contactos (diagramas tipo escalera),

lista de instrucciones o en diagrama funciones, en órdenes o sentencias que seejecutan en forma secuencial y hasta en lenguajes de alto nivel.

La función del PLC depende de la programación que le sea introducida previamentea su aplicación, con lo cual se ejecutará dicho programa en forma completamenteautomática. El programa se puede elaborar de distintas formas dependiendo el tipo dePLC, el proceso a automatizar y por consiguiente las variables a manejar en dichoproceso.

En la actualidad, un método empleado para la construcción de sistemas lógicosindustriales que se ha vuelto popular, consiste en la toma de decisiones del sistemaque se lleva a cabo por instrucciones codificadas las cuales se almacenan en un chipde memoria y se ejecutan en un microprocesador. Ahora, si el sistema de controlnecesita modificarse, sólo es necesario cambiar las instrucciones codificadas. Talescambios se denominan cambios de software, y son implementados rápida y fácilmentesólo con pulsar las teclas del teclado. Este nuevo método se denomina en algunas

ocasiones automatización flexible, para distinguirla de la automatización dedicada.

2.2.1 Tipos de PLCLa gran variedad de tipos de PLC, tanto en sus funciones, en su capacidad, en el

número de entradas y salidas, en su tamaño de memoria, en su aspecto físico, entreotros, es que es posible clasificar los distintos tipos en tres grandes categorías.

2.2.1.1 PLC tipo NanoGeneralmente el PLC de tipo compacto, que consta de Fuente, CPU e I/O (entradas

y salidas) integradas que puede manejar un conjunto reducido de I/O, normalmente enun número inferior a 100. Permiten manejar I/O digitales y algunos módulos especiales(Figura 2.4).


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Fig. 2.4 PLC tipo nano

2.2.1.2 PLC tipo CompactoEstos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y módulos de I/O

(entradas y salidas) en un solo módulo principal y permiten manejar desde unas pocasI/O hasta varios cientos (alrededor de 500 I/O), su tamaño es superior a los Nano PLCy soportan una gran variedad de módulos especiales (figura 2.5), tales como:

Entradas y salidas análogas

Módulos contadores rápidos

Módulos de comunicaciones

Interfaces de operador

Expansiones de I/O

Fig. 2.5 PLC tipo compacto


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2.2.1.3 PLC tipo ModularEstos PLC se componen de un conjunto de elementos que conforman el controlador

final (figura 2.6), estos son:

Rack

Fuente de Alimentación

CPU

Módulos de I/O

Comunicaciones

Fig. 2.6 PLC tipo modular

Funciones especiales

De estos tipos existen desde los denominados MicroPLC que soportan grancantidad de I/O, hasta los PLC de grandes prestaciones que permiten manejar milesde I/O.

2.2.2 SIEMENSSiemens AG es una empresa multinacional de origen alemán y dedicada a

las telecomunicaciones, el transporte, la iluminación, a través de Osram, a la medicina,al financiamiento, Equipos Eléctricos, Motores, Automatización, Instrumentación

http://es.wikipedia.org/wiki/Multinacionalhttp://es.wikipedia.org/wiki/Alemaniahttp://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicacioneshttp://es.wikipedia.org/wiki/Transportehttp://es.wikipedia.org/wiki/Iluminaci%C3%B3n_f%C3%ADsicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Osramhttp://es.wikipedia.org/wiki/Osramhttp://es.wikipedia.org/wiki/Iluminaci%C3%B3n_f%C3%ADsicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Transportehttp://es.wikipedia.org/wiki/Telecomunicacioneshttp://es.wikipedia.org/wiki/Alemaniahttp://es.wikipedia.org/wiki/Multinacional


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Industrial y a la energía, entre otras áreas de la ingeniería. Es el principal productor de PLC’s.

2.2.2.1 S7-300El autómata programable S7-300 es uno de los dispositivos más utilizados del

mercado, contando con aplicaciones en multitud de sectores:

Tecnología de fabricación

Industria del automóvil

Maquinaria

Construcción en serie de máquina

Transformación de plásticos

Industria de embalajes

Industria de alimentación y bebidas

Industria de procesos

Algunas aplicaciones y prestaciones que presenta el PLC S7-300 son:

Compacto, montaje sobre perfil soporte.

Amplio abanico de funciones integradas en la CPU. No precisa mantenimiento de datos gracias a la remanencia de datos en Micro

Memory Card.

Variantes de seguridad.

Controlador tecnológico de seguridad.

El aspecto físico del PLC S7-300 (figura 2.7) consta de una carcasa de plástico, enla que se encuentran alojados los componentes electrónicos, estos son:

Microprocesador : es el encargado de dirigir el funcionamiento del PLC. Recibelas órdenes del programa, lo ejecuta y realiza sus funciones.

Memoria: Es el lugar donde reside el programa. El programa irá leyéndose de lamemoria instrucción a instrucción a medida que se ejecute.

http://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ingenier%C3%ADa


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Entradas/Salidas : Conexiones especiales para comunicarse con el exterior,recibir señales externas para procesar o activar salidas en función del proceso delprograma.

Fuente de Alimentación : Encargada de suministrar energía a todo el conjunto.

Fig. 2.7 PLC Siemens S7-300

El PLC S7-300 de Siemens es un autómata concebido especialmente para el sectorde los sistemas de automatización, con un amplio abanico de aplicaciones en lascadenas de procesos de fabricación y que podemos encontrar tanto en soluciones

centralizadas como descentralizadas. Dispone de una amplia variedad de módulos,incluidos los de comunicaciones Ethernet/PROFINET. Cuenta con una versión deelementos conocida como para condiciones ambientales extremas como,por ejemplo, elevado rango de temperatura y utilización en atmosferas agresivas o concondensación (véase anexo III).

2.2.2.2 STEP 7La programación de un autómata programable o PLC consiste en el establecimiento

de una secuencia ordenada de instrucciones que resuelven una determinada tarea decontrol. Dicha secuencia establece la relación entre las distintas variables lógicas yconstituye el programa del autómata programable.


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STEP7 es un Software de Programación de PLC de Siemens. El sistema deprogramación STEP7 esta ́ formado por dos tipos de lenguajes de programacióndiferentes:

A. Lenguajes literalesLas instrucciones de este tipo de lenguajes están formadas por letras, números

y símbolos especiales. Son lenguajes de este tipo:

El lenguaje de lista de instrucciones que en STEP7 se denomina STL (StatementList) o AWL (del alema ́n “Anweisungsliste”) que significan precisamente “Lista deInstrucciones”. Es el lenguaje ensamblador de STEP7.

El lenguaje de texto estructurado, que en STEP7 se denomina SCL (StructuredControl Language), es un lenguaje de alto nivel similar al Pascal que cumple lanorma IEC 1131-3. Se utiliza para la programación de tareas complejas en las quees necesario realizar un procesamiento de gran cantidad de datos.

B. Lenguajes gráficosSon lenguajes en los que las instrucciones se representan mediante figurasgeométricas. Son lenguajes de este tipo:

El lenguaje de esquema de contactos que en STEP7 se denomina LAD (LadderDiagram) o KOP (del alemán Kontakts Plan).

El lenguaje de diagrama de funciones que en STEP7 se denomina FBD (FunctionBlock Diagram) o FUP (del alemán Funktions Plan).

El Diagrama funcional de secuencias SFC (Sequential Function Chart) que enSTEP7 se denomina S7-GRAPH, cuyo principal antecedente es el lenguajeGRAFCET (Grafo de control etapa - transición) desarrollado por la AsociaciónFrancesa para la Cibernética Económica y Técnica (AFCET).

El Diagrama de transición de estados S7-HiGraph y el lenguaje de conexión debloques CFC (Continuous Function Chart) similar al diagrama de funciones, en elque cada bloque es a su vez un programa.


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Todos estos lenguajes facilitan la labor de programación del usuario y la elecciónde uno u otro depende de su experiencia y conocimientos (en Electrónica Digital,Informática, realización de sistemas de control con relés, etc.), de la forma en que se

especifica el problema de control a resolver y de la complejidad del mismo.

2.3 Interfaz Humano-MáquinaLa sigla HMI es la abreviación en inglés de Interfaz Humano Máquina.

La interfaz humano-máquina (HMI) es el punto de acción en que un hombre entraen contacto con una máquina. El caso más simple es el de un interruptor: No se trata

de un humano ni de una "máquina" (la lámpara), sino una interfaz entre los dos. Paraque una interfaz hombre-máquina (HMI) sea útil y significativa para las personas, debeestar adaptada a sus requisitos y capacidades. Por ejemplo, programar un robot paraque encienda la luz sería demasiado complicado y un interruptor en el techo no seríapráctico para una luz en un sótano.

Los sistemas HMI en computadoras se les conocen como software HMI o demonitoreo y control de supervisión. Las señales del proceso son conducidas al HMI

por medio de dispositivos como tarjetas de entrada/salida de la computadora, PLC(controladores lógicos programables), RAC (unidades remotas de I/O) o DRIVE(variadores de velocidad de motores), todos estos dispositivos deben tener unacomunicación que entienda el HMI.

Un HMI ejecuta varias funciones dentro de su marco de operación los cuales sedefinen como monitoreo, supervisión, alarmas, control y registros históricos.

Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en tiempo real.

Estos datos se pueden mostrar como números, texto o gráficos que permitan unalectura más fácil de interpretar.

Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de ajustarlas condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.

Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del procesoy reportarlos. Las alarmas son basadas en límites de control preestablecidos. Es


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la capacidad de aplicar algunos algoritmos que ajustan los valores del proceso yasí mantener estos valores dentro de ciertos límites.

Control va más allá del control de supervisión removiendo la necesidad de la

interacción humana. Sin embargo, la aplicación de esta función desde un softwarecorriendo en una PC puede quedar limitada por la confiabilidad que quieraobtenerse del sistema.

Registros Históricos. Es la capacidad de muestrear y almacenar en archivos, datosdel proceso a una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es unapoderosa herramienta para la optimización y corrección de procesos.

2.3.1 Tipos de HMI:

Existen dos tipos de HMI que se acoplan a las diversas aplicaciones que puedantener. Los tipos de HMI se definen de la siguiente manera.

Terminal de Operador , consistente en un dispositivo, generalmente construidopara ser instalado en ambientes agresivos, donde pueden ser solamente dedespliegues numéricos, o alfanuméricos o gráficos. Pueden ser además conpantalla sensible al tacto (touch screen).

PC + Software , esto constituye otra alternativa basada en un PC en donde se

carga un software apropiado para la aplicación. Como PC se puede utilizarcualquiera según lo exija el proyecto, en donde existen los llamados Industriales(para ambientes agresivos), los de panel (Panel PC) que se instalan en gabinetesdando una apariencia de terminal de operador, y en general se ven muchas formasde hacer una PC, pasando por el tradicional PC de escritorio. Respecto a lossoftwares a instalar en el PC de modo de cumplir la función de HMI que se hablaráa continuación.

2.3.2 Softwares para HMIEstos softwares permiten entre otras cosas las siguientes funciones: Interfase

gráfica de modo de poder ver el proceso e interactuar con él, registro en tiempo real ehistórico de datos, manejo de alarmas. Si bien es cierto sólo con la primera funciónenunciada es la propiamente HMI, casi todos los proveedores incluyen las otras dosya sea en el mismo paquete o bien como opcionales. También es normal que


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dispongan de muchas más herramientas. Al igual que en los terminales de operador,se requiere de una herramienta de diseño o desarrollo, la cual se usa para configurarla aplicación deseada, y luego debe quedar corriendo en el PC un software de

ejecución (Run Time). Por otro lado, este software puede comunicarse directamentecon los dispositivos externos (proceso) o bien hacerlo a través de un softwareespecializado en la comunicación, lo cual es la tendencia actual.

2.3.2.1 LabVIEWLabVIEW es una plataforma de programación gráfica que ayuda a ingenieros a

escalar desde el diseño hasta pruebas y desde sistemas pequeños hasta grandessistemas. Ofrece integración sin precedentes con software legado existente, IP y

hardware al aprovechar las últimas tecnologías de cómputo. LabVIEW (figura 2.8)ofrece herramientas para resolver los problemas de hoy en día y la capacidad para lafutura innovación, más rápido y de manera más eficiente.

Fig. 2.8 Software LabVIEW

2.4 Comunicación IndustrialUn sistema de automatizado o de control no tiene por qué ser un sistema aislado.

Ni un sistema de automatización o control se compone de un solo autómata. Hoy endía los autómatas requieren comunicarse con otros autómatas y dispositivos, es porello que es necesario contar con algún sistema de comunicación industrial.

Los buses de comunicación se emplean para facilitar el intercambio de informaciónde una manera eficiente con el mínimo cableado posible.


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Aunque existen varias soluciones, entre las más empleadas actualmente están lassiguientes:

AS-i

Profibus

OPC

2.4.1 Actuador Sensor InterfaceEl bus AS-i (Actuador Sensor Interface) nació con la idea de eliminar el cableado

entre los actuadores y sensores a la vez que proporciona alimentación eléctrica a losdispositivos, todo ello por un mismo sistema de cableado de dos hilos, así, solo selleva un único cable de dos hilos al cual se conectan todos los dispositivos: sensores,contactores, señalizadores, etc. Sus características principales son:

Es un sistema maestro-esclavo en el cual se realiza un muestreo con un tiempomáximo de 5 milisegundos.

Un maestro controla hasta 32 esclavos.

Es posible la comunicación con módulos analógicos.

La longitud máxima del bus es de 100 m. sin repetidores.

2.4.2 ProfibusEs un bus tipo maestro-esclavo de altas prestaciones el cual cuenta con tres

versiones:

Profibus-DP (Distributed peripherals).

Profibus-PA (Process Automation).

Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification).

Profibus emplea una topología de bus con terminación de impedancia en losextremos. El cableado puede ser de par trenzado o de fibra óptica.


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2.4.3 Protocolo de Comunicación AbiertoOPC (OLE for Process Control) es un estándar abierto que permite acceder a los

datos desde dispositivos de campo. El método de acceso es siempre el mismo, sin

depender del tipo y origen de los datos. Se basa en la tecnología COM de Microsoft,que permite definir cualquier elemento de campo mediante sus propiedades,convirtiéndolo en una interfaz. De esta manera es posible conectar fácilmentecualquier elemento de campo con un servidor de datos local (COM) o remoto (DCOM).

Los componentes OPC se pueden clasificar en:

Cliente OPC: Aplicación que solo utiliza datos. Cualquier cliente OPC se puedecomunicar con cualquier servidor OPC sin importar el tipo de elemento que recogeesos datos (desde el punto de vista de los datos, no importa el fabricante delequipo).

Servidor OPC: Es una aplicación que realiza la recopilación de datos de losdiversos elementos de campo y permite el acceso libre a estos elementos. Cadafabricante proporciona un servidor OPC con el driver que hace de interfaz con susdatos específicos. Un mismo cliente OPC puede acceder así a cualquier servidorOPC de cualquier fabricante (figura 2.9).

Fig. 2.9 Comunicación Cliente-Servidor OPC

Esto permite, por ejemplo, acceder a los datos de un PLC, sin importar su marca,si disponemos de un servidor OPC para el mismo. Este servidor OPC se puede


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ejecutar en un PC conectado al PLC por cualquiera de sus puertos de comunicaciones,o incluso en un módulo de comunicaciones del propio PLC (por ejemplo, la red localEthernet). De este modo, el cliente local o remoto utilizará siempre el mismo estándar

de datos (OPC).

Un servidor OPC se compone de varios objetos que se ajustan a la norma COM:

El objeto servidor: contiene información sobre la configuración del servidor OPC ysirve de contenedor para los objetos tipo grupo.

El objeto grupo: sirve para organizar los datos que leen y escriben los clientes (porejemplo, valores en una pantalla MMI o en un informe de producción). Se puedenestablecer conexiones por excepción entre los clientes y los elementos de ungrupo. Un grupo puede ser público, es decir compartido por varios clientes OPC.

El objeto ítem: representa conexiones a fuentes de datos en el servidor (no son lasfuentes de datos en sí). Tiene asociados los atributos Value, Quality y Time Stamp.

Los accesos a los ítems OPC se hacen a través de los grupos OPC y los clientespueden definir el ritmo al cual el servidor les informara sobre cambios en los datos.

El acceso a los objetos COM se hace a través de interfaces, que son lo único que

ven los clientes OPC. Los objetos descritos son representaciones lógicas que no tienenpor qué coincidir con la implementación que se haga del servidor OPC.

2.5 Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA)SCADA es un sistema completo que incluye HMI’s y además es capaz de registrar

datos, generar alarmas y administrar un sistema de control distribuido a través de unared de hardware (PLC o PAC).

Los sistemas SCADA fueron creados a partir de los “Sistemas de ControlDistribuido”, se puede decir que es la versión mejorada de los mismos, a pasar detener algunas diferencias este tipo de sistemas, no son tan significativas ya que loselementos que utilizan los DCS los pueden utilizar dentro de un SCADA.


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Hoy en día, los proveedores de SCADA están diseñando sistemas que sonpensados para resolver las necesidades de muchas industrias con módulos desoftware industriales específicos disponibles para proporcionar las capacidades

requeridas comúnmente. No es inusual encontrar software SCADA comercialmentedisponible adaptado para procesamiento de distintos procesos, como elprocesamiento del papel y celulosa, industrias de aceite y gas, hidroeléctricas,gerenciamiento y provisión de agua, control de fluidos, entre otros. Los compradoresde estos sistemas a menudo dependen del proveedor para una comprensiva solucióna su requisito, y generalmente procurar seleccionar un vendedor que pueda ofreceruna completa solución con un producto estándar que esté apuntado hacia las

necesidades específicas del usuario final.El sistema SCADA se compone por diversos elementos, que se pueden categorizar

como se muestra en la figura 2.10

Fig. 2.10 Sistema SCADA

a) Múltiples Unidades de Terminal Remota

Se conectan el equipo físico. Leen los datos de un interruptor o válvula, omediciones como temperatura, flujo, presión, etc. Pueden realizar controlautomatizado.

b) Estación Maestra/Computadoras HMIPresenta la información al operador. Incluye monitoreo, control de lazo abierto,

generación de alarmas, registro de datos y seguridad.


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c) Infraestructura de comunicación.Medio físico que conecta a las diferentes terminales remotas y las estaciones en el

sistema.

2.5.1 Sistemas de Control2.5.1.1 Sistemas de Control de Lazo Abierto

Los sistemas de control a lazo abierto (figura 2.11) son aquellos en los cuales lasalida no tiene efecto sobre la acción de control, es decir, un sistema de lazo abiertono mide la salida ni se realimenta para compararla con la entrada. En cualquier sistemade lazo abierto la señal de salida no se compara con la entrada de referencia, así acada entrada le corresponde una condición de operación fija, como respuesta a esto,

la precisión del sistema depende de la calibración del sistema a controlar. Ante lapresencia de perturbaciones, un control a lazo abierto no realiza la tarea deseada.

Fig. 2.11 Sistema de control a lazo abierto

2.5.1.2 Sistemas de Control de Lazo CerradoLos sistemas de control a lazo cerrado, también son llamados sistemas de control

retroalimentados, son aquellos en los que para conseguir reducir la señal de error yllevar la salida a un valor deseado; como se muestra en la figura 2.12, se alimenta aun controlador la señal de error de actuación, que es la diferencia entre las señalesde entrada y la señal de retroalimentación, que puede ser la propia señal de salida ysus derivadas y/o integrales.


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Fig. 2.12 Sistema de control Retroalimentado o de lazo cerrado

2.5.2 Sistemas SCADA (supervisión, control y adquisición de datos)Un sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) es cualquier

software que permita el acceso a datos remotos de un proceso; Este no se trata de unsistema de control, sino de un software de monitorización o supervisión, que realiza latarea de interfaz entre los niveles de control (PLC) y los de gestión, a un nivel superior.

Para que un sistema SCADA sea aprovechado de la mejor manera se debenplantear los siguientes objetivos:

Funcionalidad completa de manejo y visualización para cualquier sistemaoperativo.

Arquitectura abierta que permita la combinación con aplicaciones estándar y deusuario, que permitan a los integradores crear soluciones de mando ysupervisión optimizadas (Active X para aplicaciones de prestaciones, OPC para

las comunicaciones con terceros, OLE-DB para comunicación con base dedatos, lenguaje estándar integrado como VB ó C, acceso a funciones yfunciones mediante API).

Sencillez de instalación, sin exigencias de hardware elevadas, fáciles de utilizary con interfaz amigable con el usuario.

Permitir la integración con las herramientas ofimáticas y de producción.


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Fácilmente configurable y escalable, debe ser capaz de crecer o adaptarsesegún las necesidades cambiantes de la empresa.

Ser independiente del sector y la tecnología.

Funciones de mando y supervisión integradas. Comunicaciones flexibles para poder comunicarse con total facilidad y de forma

transparente al usuario con el equipo de planta con el resto de la empresa(redes locales y de gestión).

2.5.2.2 Objetivos de un sistema SCADALos sistemas SCADA son una herramienta de supervisión y mando que deben

cumplir objetivos, de los cuales podemos destacar los siguientes:

Economía: Es más fácil ver qué ocurre en la instalación desde la oficina que enviara un operador a realizar la tarea.

Accesibilidad: Sera posible modificar los parámetros de funcionamiento de unsistema, poniendo fuera de servicio las anomalías detectadas en los lugaresespecíficos, y así dar solución al problema.

Mantenimiento: La adquisición de datos materializa la posibilidad de obtener datosde un proceso, almacenarlos y presentarlos de manera intangible para un usuariono especializado.

Ergonomía: Es la ciencia que procura hacer que la relación entre usuario y elproceso sea lo menos tirante posible.

Gestión: todos los datos recopilados pueden ser valorados de múltiples manerasmediante herramientas estadísticas, graficas, etc.

Flexibilidad: cualquier modificación de alguna de las características del sistema devisualización no significa un gasto en tiempo, pues no hay modificaciones físicas.

Conectividad: Se buscan los sistemas abiertos, es decir, sin secretos ni sorpresaspara el integrador.

Todos los sistemas, de mayor o menor complejidad, orientados a lo anterior,aparecen bajo el nombre de HMI (Human Machine Interface, Interface Humano


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Maquina). Desde este interface podemos encontrar planos, fotografías, esquemaseléctricos, gráficos de tendencias etc., bajo un número de pantallas con mayor o menorinformación.

2.5.2.3 Prestaciones del sistema SCADAUn sistema SCADA con un HMI, comprende una serie de funciones que

encaminan a establecer una comunicación entre el proceso y el operador, acontinuación se presentan algunas prestaciones que nos brinda un SCADA.

La monitorización: Representación de datos en tiempo real a los operadores de

la planta La supervisión: Supervisión, mando y adquisición de datos de un proceso y

herramientas de gestión para la toma de decisiones. La adquisición de datos de los procesos observados: Obtener valores y

evaluarlos posteriormente. La visualización de los estados de las señales del sistema (Alarmas y eventos):

Reconocimiento de eventos excepcionales acaecidas en la planta y suinmediata puesta en conocimiento a los operadores para efectuar las accionespertinentes.

El Mando: Posibilidad de que los operadores puedan cambiar consignas u otrosdatos claves del proceso directamente desde el ordenador.

Grabación de acciones o recetas. En algunos procesos se utilizancombinaciones de variables que son siempre las mismas. Un sistema derecetas permite configurar toda la planta de producción ejecutando un solocomando.

Garantizar la seguridad de los datos. Él envió y la repartición de datos debeestar protegidas de influencias no deseadas, intencionadas o no (fallos en laprogramación, intrusos etc.).

Garantizar la seguridad en los accesos. Restringiendo zonas del programacomprendidas a usuarios no autorizados, registrando todos los accesos yacciones llevadas a cabo por cualquier operador.


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La figura 2.13 representa los flujos de información dentro de una empresa yrepresenta como se realiza la integración a todos los niveles, similar a la pirámide dela automatización CIM (Computer Integrated Manufacturing).

Fig. 2.13 Principio de Redundancia

2.5.2.6 Criterios de selecciónLos sistemas de control, cualquiera que sea este, es útil evidentemente mientras

este sea funcional, en caso contrario puede traer problemas de forma directa oindirecta. La reacción de un sistema ante las distintas situaciones que se presentandeterminara su grado de fiabilidad, es decir el tiempo de operación del sistema el cualpuede mejorarse mediante las técnicas de diseño adecuadas.

Los parámetros que se toman en cuenta para el diseño de estos sistemas seengloban en las siguientes denominaciones:

Disponibilidad: Se entiende este término como la medida en la que los parámetrosde funcionamiento se mantienen dentro de las especificaciones de diseño. Se basa

en el hardware y software.

Robustez: Ante un fallo de diseño, un accidente o una intrusión, un sistema biendiseñado debe poder mantener un nivel operativo mínimo suficiente para mantenerun servicio.


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Seguridad: Un fallo en el diseño del sistema, un usuario mal intencionado unasituación imprevista podrían alterar los parámetros de funcionamiento de unsistema. Cualquier sistema puede utilizar uno o varios métodos de comunicación

para enlazar todos los puntos de control de un proceso. Prestaciones: esto se refiere al tiempo de respuesta del sistema. Durante el

desarrollo normal de un proceso, la carga de trabajo de los equipos y el personalse considera que es mínima y está dentro de los parámetros que determinan eltiempo real de un sistema.

Mantenibilidad: Los tipos de mantenimiento pueden reducirse al mínimo si elsistema está previsto de unas buenas herramientas de diagnóstico que permitan

realizar tareas de mantenimiento preventivo, modificaciones y pruebas de formasimultánea al funcionamiento normal del sistema.

Escalabilidad: Esto se refiere a la posibilidad de ampliar el sistema con nuevasherramientas o prestaciones y los requerimientos de tiempo necesarios paraimplementar estas aplicaciones debido a:

o Espacio disponible.o Capacidad del equipo informático (memoria, procesamiento, alimentaciones).o Capacidad del sistema de comunicaciones (limitaciones físicas, protocolos,

tiempo de respuesta).

2.5.2.7 Arquitectura de un sistema SCADALas primeras inclusiones en el campo de la automatización localizaban todo el

control en la PC y tendían progresivamente a la distribución de control de la planta. Deesta manera el sistema queda dividido en tres partes fundamentales (figura 2.14).

Software de adquisición de datos (SCADA).

Sistema de adquisición de mando (sensores y actuadores).

Sistema de interconexión (comunicaciones).


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Fig. 2.14 Estructura de un sistema de supervisión de mando

Un sistema SCADA (figura 2.15) es una apliación de software especialmentediseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de la producción queproporciona comunicación entre los dispositivos de campo, llamados tambien RTU(Remote Terminal units o unidades remotas), donde se pueden encontrar lo elementoscomo controladores autónomos o autómatas programables, y un centro de control ounidad central (MTU, Master terminal Unit), donde se controla el proceso de formaautomática desde la pantalla de uno o varios valores.

Fig. 2.15 Estructura básica de un sistema SCADA


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2.5.2.8 HardwareEl concepto de un sistema SCADA está dividido en dos grandes bloques:

Captadores de datos que son los que recopilan la información de los elementosde control del sistema y los procesan para su utilización. Son los servidores delsistema.

Utilizadores de Datos , que son los que utilizan la información recopilada por loscatadores para que se puedan usar como herramienta de análisis de datos.

Fig. 2.16 Arquitectura básica de Hardware de SCADA

El hardware de un sistema SCADA, como se puede observar en la figura 2.16, estáformado principalmente de manera básica por los siguientes elementos.

Interface Humano-Máquina HMI: comprende los sistemas de presentación gráfica.

Unidad Central MTU: Centraliza el mando del sistema

Unidad remota RTU: son los elementos alujados del centro de control que hacenlabores de supervisión a distancia.

Sistema de comunicaciones: El intercambio de información entre servidores yclientes.

2.5.2.9 SoftwareUn programa del tipo HMI se ejecuta en un ordenador gráfico y unos programas

específicos le permiten comunicarse con los dispositivos de control de la planta y los


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elementos de gestión. Estos programas se les denominan controladores decomunicación.

En un programa SCADA tendremos dos bloques, uno es el programa de desarrollo,que engloba las utilidades relacionadas con la creación y edición de las diferentesventanas de aplicación así como sus características; y el otro bloque es el programade ejecución o Run-Time, este permite ejecutar la aplicación creada con el programade desarrollo. En la figura 2.17 se muestra la estructura general de un Software paraun sistema SCADA.

Fig. 2.17 Arquitectura General del software de un SCADA

2.5.3 Sistemas de control DistribuidoUn sistema de control distribuido se refiere a un sistema de control por lo general

de fabricación, proceso o cualquier tipo de sistema dinámico, en el que los elementosdel controlador no son centrales en la ubicación, pero se distribuyen en todo el sistema

con cada componente del sub-sistema controlado por uno o más controladores. En la figura 2.18 se muestra un esquema de un control distribuido donde se puede

observar que este tipo de control no es centralizado, pero su estructura es muy similaral control centralizado multicapa, solo que aquí se comunicación entre el controladorde proceso (comunicación Horizontal).


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Fig. 2.18 Estructura de un control Distribuido


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L

Capítulo 3

Diseño e

Implementación


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Diseño e Implementación

Capítulo 3

En este capítulo se muestran los diagramas fundamentales del proyecto, como son:diagrama a bloques, diagrama de flujo, diagrama esquemático y diagrama de circuitoseléctricos, así como los cálculos, configuraciones, programación y algoritmo(s) que seutilizan para el desarrollo del proyecto.

3.1 Diagrama a BloquesEl diagrama a bloques es una representación sencilla de un proceso donde

gráficamente se muestran las relaciones entre las variables de un sistema. En él, cadabloque representa una operación o una etapa completa del proceso y las fle

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Diseño e Implementacion de Un Sistema SCADA