UNIVERSIDAD DE GUADALAJARA

CENTRO UNIVERSITARIO DE CIENCIAS ECONOMICO ADMINITRATIVAS

POSGRADOS CUCEA

MAESTRIA EN TECNOLOGIAS DE LA INFORMACION

Sistema de control y monitoreo de temperatura para la conservación de granos en silos: Una simulación.

JORGE ALBERTO REYES MARQUEZ

GUADALAJARA, JALISCO, MÉXICO

1

Tabla de contenido 1

Antecedentes. ........................................................................................................................... 4

2

Principios básicos del almacenamiento de granos en silos. ............................................. 4

3

Factores. .................................................................................................................................... 5

4

5

6

3.1

Sobre la Humedad. .............................................................................................................. 5

3.2

Sobre la Temperatura. ........................................................................................................ 6

3.3

Sobre las Toxinas ................................................................................................................. 7

3.4

Sobre la Tecnología ............................................................................................................. 8

3.5

Evaluación mediante sensores ............................................................................................ 8

Actualidad .................................................................................................................................. 9 4.1

Conservación de granos en Silos ......................................................................................... 9

4.2

Perdidas post-cosechas ..................................................................................................... 10

4.3

Pérdidas en el almacenamiento ........................................................................................ 11

4.4

Pérdidas alimentarias. ....................................................................................................... 11

Tendencias y necesidades ......................................................................................................... 12 5.1

Pérdidas económicas......................................................................................................... 12

5.2

Sistemas de medición y control de temperatura-humedad ............................................. 13

Planteamiento ........................................................................................................................... 14 6.1

Contexto ............................................................................................................................ 14

6.2

Pregunta. ........................................................................................................................... 14

6.2.1 7

Proyecto..................................................................................................................... 15

Sistemas SCADA......................................................................................................................... 16 7.1

Componentes .................................................................................................................... 17

7.2

Características ................................................................................................................... 19

8

Sistema REACT........................................................................................................................... 21

9

Generalidades ........................................................................................................................... 23 9.1

Modelado del Driver ......................................................................................................... 23

9.2

Simulación ......................................................................................................................... 24

9.2.1

Variables de entrada ................................................................................................. 24

9.2.2

Pantallas HMI ............................................................................................................ 24

2

9.2.3 9.3 10

Control ....................................................................................................................... 26

Procedimiento ................................................................................................................... 26 Referencias. ........................................................................................................................ 26

3

Revisió n de la literatura 1 Antecedentes. Al día existen localidades donde todavía se utilizan métodos tradicionales para conservar granos o semillas, estos métodos tales como los tenates (recipientes de palma) o el amontonamiento simple por lo general suelen ser insuficientes para su propósito. Las estructuras tradicionales permiten que se desarrollen plagas, además, en ciertas locaciones en clima no permite el secado propio por lo que favorece su proliferación. Tras meses de almacenamiento, los granos almacenados en silos metálicos alcanzan purezas más altas con menor daño. Aun cuando las semillas almacenadas en tenate mantienen una alta pureza por varios meses, no resulta ser un método efectivo para protegerla contra plagas de almacén. El amontonamiento resulta ser el método de conservación menos confiable ya que registra aumentos considerables de semillas dañadas. Otro factor a considerar es la germinabilidad, el grano almacenado por métodos tradicionales, generalmente no es apto para la siembra debido a los daños físicos causados por plagas (Rosas, Muñoz y Valverde, 2007).

2 Principios básicos del almacenamiento de granos en silos. El principio del almacenamiento es guardar los granos secos, sanos limpios y libres de plagas. Para esto, la tarea básica y válida para todo tipo de almacenamiento, es la de mantener los granos en buen estado, a mayor temperatura, más rápido es el deterioro de los granos almacenados por lo tanto es fundamental mantener la temperatura en niveles que permitan una óptima conservación. Los granos dañados, rotos o alterados en su constitución física son propensos a un mayor riesgo de deterioro. Por ello los granos de reciente cosecha deben 4

limpiarse para descartar en etapas tempranas posibles riesgos. Estos problemas se presentan por el mal manejo de equipos mecánicos durante la cosecha o recolección. Este daño no sólo altera la integridad física de los granos, sino que también

incide

de

forma

directa

sobre

su

aptitud

para

su

posterior

almacenamiento. Los granos deben secarse para reducir

los daños que causan los altos

índices de humedad, se sugiere que sea menos del 15%, con el fin de evitar el desarrollo de mohos durante su almacenamiento. El mismo problema se presenta cuando se guardan granos sucios (tierra, impurezas, etc.). Estas deficiencias favorecen el ataque de hongos, bacterias e insectos.

3 Factores. Hernández y Rodríguez (2004) señalan que las semillas absorben oxígeno del aire y consumen carbohidratos de su estructura, liberando calor. La respiración es más rápida cuando el grano está caliente y húmedo. El grano debe estar seco y frío para disminuir su actividad metabólica. El almacenaje de grano húmedo se debe realizar en condiciones especiales. La humedad y la temperatura son dos de los factores más importantes que afectan la actividad de los granos y la de los organismos que viven en él, así, a mayor temperatura y humedad, mayor actividad.

3.1 Sobre la Humedad. De acuerdo con Jiménez et al. (2004 citado por Hernández y Rodríguez, 2004) estableció que el grano almacenado con un contenido de humedad mayor a 15% respira más rápido que el seco, produce más calor y crea condiciones favorables para el crecimiento de hongos y para el ataque de insectos, formando los llamados puntos calientes. Además si se satura el aire circundante, se presenta condensación de la humedad, lo que favorece el crecimiento de microrganismos. Por ello la humedad se convierte en el factor de mayor influencia en la conservación de granos y semillas durante el almacenamiento. 5

3.1.1

Humedad del ambiente.

El grano es un producto higroscópico1. La humedad del ambiente (humedad relativa) y la temperatura afectan su contenido de humedad. Por ello se busca prevenir que el grano absorba humedad del medio ambiente (POSTCOSECHA, 2000).

3.2 Sobre la Temperatura. El clima que rodea al grano (microclima) es afectado por la temperatura del ambiente que lo rodea. Esta temperatura cambia de acuerdo a los efectos de la radiación solar. Dependiendo de los materiales de construcción del almacén, la variación puede ser drástica o no. En climas muy calientes la temperatura de algunas bodegas o silos pueden alcanzar niveles muy altos afectando el grano o semilla almacenado. Si la temperatura por la noche es baja, la temperatura en el almacén tenderá a bajar; si la temperatura durante el día es alta, la temperatura del almacén aumentará. La germinación de la semilla es especialmente afectada por la temperatura. Temperaturas a más de 40ºC pueden reducir la germinación rápidamente (POSTCOSECHA, 2000). En el caso del grano almacenado la importancia de la temperatura radica en su efecto sobre factores biológicos como los microorganismos e insectos. Mientras más alejada sea la temperatura del óptimo de su desarrollo más seguro será el almacenamiento. Los microorganismos (hongos) que atacan el grano almacenado se desarrollan rápidamente a temperaturas mayores de 25ºC, con un rango óptimo entre 28 y 32ºC si se encuentra humedad disponible. En el caso de los insectos, a bajas temperaturas su desarrollo y reproducción es lenta con una mortalidad relativamente alta. Así, se busca que las instalaciones (silos) cuenten con estructuras secas y sistemas de ventilación a fin de evitar fluctuaciones altas de temperaturas. Al 1

Higroscópico. La capacidad de algunas sustancias de absorber o ceder humedad al medioambiente.

6

utilizar la termometría2 se detectan posibles aumentos de temperatura en el granel. Dentro de las instalaciones es necesario hacer un control estricto de los insectos porque

perjudican en gran proporción a los granos. Cuando están

presentes existe una liberación de calor por la respiración que calienta la masa de los granos. Estas actividades metabólicas producen energía y agua que tiende a acumularse, formando focos de calentamiento que son los primeros indicios de un proceso de deterioro del producto almacenado (Alabadan y Oyewo, 2005).

El ácido láctico, ácido acético y carbohidratos solubles en agua son las principales fuentes de energía de los microorganismos involucrados en las etapas tempranas del deterioro.

La oxidación

de estos nutrientes

resulta en la

producción de dióxido de carbono y agua, este deterioro se manifiesta normalmente por un incremento de calor y del PH con la aparición de hongos en las zonas periféricas del silo (Borreani, 2009). Las instalaciones deben contar con la infraestructura necesaria para proteger el producto de las precipitaciones, permitir el drenaje y evitar la entrada de roedores y aves e insectos. De manera ideal se busca una atmósfera con bajo oxígeno, alta concentración de anhídrido carbónico (CO2) y un PH bajo, con esto, se logra el control de los insectos y de los hongos como causantes del aumento de la temperatura de los granos, cabe resaltar que la gran mayoría de los hongos son aerobios por lo que están sujetos a las condiciones de anaerobiosis propias del silo. Por ello, el uso de un sistema de termometría cobra importancia como una herramienta de diagnóstico temprano de posibles focos de infección de insectos, que permitirá reducir la fermentación, toxinas, insectos y con ello la merma del producto.

3.3 Sobre las Toxinas El deterioro del producto no solo causa pérdidas en los componentes nutrimentales, también afecta la calidad higiénica de los silos por la acumulación 2

Termometria. Apartado de la termología que trata de la medición de la temperatura.

7

de toxinas, con efectos nocivos en salud animal y humana; microorganismos tales como hongos, bacilos, y listeria monocytogenes entre otros (Borreani, 2009).

3.4 Sobre la Tecnología La circulación continua de aire permite conservar una humedad y temperatura adecuada en la zona de almacenamiento. La aplicación de Ozono también ha sido demostrada como una técnica efectiva para la erradicación de hongos, con mejores resultados en Instalaciones cerradas (Allen y Brent, 2003).

3.5

Evaluación mediante sensores El contenido de humedad y la temperatura se deben monitorear a intervalos

regulares durante el almacenamiento. Incrementos de temperatura de 2°C a 3°C indican el desarrollo de hongos, bacterias e insectos (Organización Mundial de la Salud, 2007).

8

Planteamiento del problema 4 Actualidad 4.1 Conservación de granos en Silos Un almacenamiento duradero y eficaz de granos en silos presupone buenas instalaciones y buenas condiciones de higiene y de vigilancia. En las estructuras cerradas (graneros, almacenes y contenedores herméticos), es conveniente controlar ante todo la limpieza, la temperatura y la humedad. Los daños causados por los depredadores (insectos, roedores) y por los mohos afectan también los materiales de las instalaciones y causar pérdidas cuantitativas de calidad de valor alimenticio de los productos. Para un adecuado almacenamiento es necesario restringir el desarrollo de hongos. Una humedad relativa del aire entre los granos de 75% es la mínima que se requiere para la germinación de las esporas de hongos en un amplio rango de las temperaturas más frecuentes. Por lo tanto, el nivel de humedad crítico para cualquier grano es el porcentaje de humedad a la cual el grano esta en equilibrio con la humedad atmosférica de alrededor de 75%. El máximo contenido de humedad de los granos para un almacenaje comercial a corto plazo seguro, a las temperaturas más frecuentes, puede ser aproximado a la humedad de equilibrio con el aire a 75% de humedad relativa. Si el grano está partido, o si el almacenaje es a largo plazo, o a temperatura más altas de lo normal, el contenido de humedad máximo permitido es menor. Para almacenamientos a largo plazo (arriba de los dos o tres años), se debe aceptar una humedad del grano que se equilibre con una humedad relativa del aire del 65% como la máxima segura. A fin de asegurar mejores condiciones para la conservación de los granos en la actualidad existen soluciones que permiten el control de temperatura y automatización de la aireación para silos. Estos sistemas se componen 9

generalmente de uno o varios Módulos de Inteligencia Distribuida (MID3) distribuidos estratégicamente en diferentes puntos de la planta de silos y conectados a una computadora. Estos elementos están interconectados entre sí mediante un “BUS” digital en una arquitectura de red. En lo que refiere a los sistemas de aireación, existen entre otros, sistemas de Control Automático de la Aireación (CAA) como módulos que se anexan al BUS digital del sistema principal de control de temperatura, y permite automatizar el encendido de los aireadores. El arranque se realiza en momentos en que resulte conveniente de acuerdo a las curvas de equilibrio del grano almacenado.

4.2 Perdidas post-cosechas El sistema de post-cosecha4 comprende cierto número de actividades y de funciones secuenciales que se pueden clasificar en dos categorías: a) Actividades técnicas: cosecha, secado en el campo, trillado, limpieza, secado, almacenamiento, procesamiento. b) Actividades económicas: transporte, comercialización, control de calidad, nutrición, extensión, información y comunicación, administración y gestión. Las pérdidas como una disminución mensurable de los productos alimentarios cuantitativa y/o cualitativa se originan porque los productos agro-alimentarios son productos vivos, que respiran y se transforman al mismo tiempo que sirven de alimento a todo el reino animal. La pérdida cuantitativa se traduce en una reducción de peso y de volumen, evaluable y medible. En lo que refiere a las pérdidas cualitativas se traduce en la disminución del valor nutritivo y reproductivo de los productos. •

Pérdidas de peso

•

Pérdidas de calidad

3

La inteligencia del sistema está distribuida por todos los módulos sean sensores o actuadores. Suele ser típico de los sistemas de cableado en bus, o redes inalámbricas. 4 Período que empieza a la salida del campo y que va hasta la preparación culinaria de los alimentos.

10

•

Pérdidas alimentarias

•

Pérdidas comerciales

Las pérdidas post-cosechas de cereales en el mundo en desarrollo, se calcula en un 25%. Así, una cuarta parte de la producción no llega al consumidor y se pierden para siempre los esfuerzos y recursos económicos para producirlo (FAO, 1993, citado por Permuy, Chaveco, González, García, 2008).

4.3 Pérdidas en el almacenamiento Se observan perdidas de calidad concerniente tanto al aspecto exterior, la forma y el tamaño, como al olor,

el gusto

y características específicas. La

limpieza y el buen estado sanitario de un producto son cualidades primordiales para el mercado: •

Baja susceptibilidad al quebrado

•

Alto peso especifico

•

Alto rendimiento en almidón

•

Alta extracción de aceite

•

Alta calidad de proteínas

•

Alta viabilidad

•

Bajo contenido de hongos

4.4 Pérdidas alimentarias. Las pérdidas alimentarias son consecuencia, naturalmente de las pérdidas cuantitativas. Las diferentes partes nutritivas de los productos son también presa de diferentes familias de parásitos. Así, existen parásitos que se nutren sobre todo del endospermo, es decir del interior del grano rico en carbohidratos, mientras que otros

atacan la corteza de los cereales, rica en vitaminas. Por otra parte, el

contenido de vitaminas es afectado por la humedad durante el almacenamiento y por la infección con los mohos.

11

La respiración es un factor importante de pérdida en cuanto a la viabilidad, valor nutricional, propiedades industriales, etc. Los factores principales que controlan la respiración del grano son la humedad, la temperatura, la aireación y la condición.

5 Tendencias y necesidades 5.1

Pérdidas económicas. En los últimos 25 años, el almacenamiento en sistemas tradicionales ha

crecido constantemente, acompañando y superando la expansión de la producción, no obstante hay un déficit importante. Este

crecimiento

se

dio

fundamentalmente

al

nivel

del

productor

agropecuario, quien tomó la decisión de guardar el grano producido en su propio campo y debe desarrollar por sí mismo una estrategia de almacenamiento y control de calidad del mismo. El principio de un buen almacenamiento radica en guardar los granos, secos, sanos, limpios y fríos. Otro aspecto muy importante, es colocarlos granos en un lugar a resguardo, el cual tenga la virtud de mantener su calidad inicial, lograda en el campo, hasta la venta. Los sistemas de almacenamiento existentes son de dos tipos: I)

Atmósfera normal, los tradicionales

II)

Atmósfera modificada, mediante las bolsas plásticas.

Las pérdidas post-cosecha en países en desarrollo, se estima en un 25 % del total de granos cosechados, una cuarta parte del total se pierde por diversos motivos, en algunos países de África y Latinoamérica las pérdidas pueden ser hasta del 50%. Las pérdidas por insectos durante la etapa de almacenamiento se compara a la pérdidas durante la etapa de cultivo, entre el 5 y 10 % de la cosecha mundial se pierde por insectos anualmente.

12

5.2 Sistemas de medición y control de temperatura-humedad Existen diversos medios para hacer la medición variables ambientales como son la temperatura, humedad, etc. Además de diferentes formas de controlar las mismas, el costo de la tecnología en los sistemas de control es un punto importante a considerar. Dentro de los sistemas de control podemos mencionar dos tipos, los sistemas automáticos y manuales. En México como en Latinoamérica el costo de la tecnología es más alta que en los países desarrollados porque se importa de estos países. Los sistemas manuales son los más sencillos y baratos de implementar, las mediciones se hacen de forma aleatoria y con instrumentos no especializados, la falta de instrumentos de precisión hace que el control se realice de una forma empírica, la forma de cambiar las condiciones internas de almacenamiento es activando o desactivando los actuadores de control como pueden ser ventiladores, calentadores, humidificadores y secadores de aire. Los sistemas automáticos tienen la capacidad de reaccionar de forma autónoma a los cambios ambientales que se puedan presentar, los cambios pueden ser programados o inesperados. Los cambios esperados son más fáciles de controlar porque se saben las condiciones y como controlarlas, los cambios de temperatura entre el día y la noche son un ejemplo de cambios esperados. Los cambios inesperados son la contraparte, al ser impredecibles es más difícil reaccionar, una helada fuera de temporada o una sequia puede afectar la conservación del grano. Todo sistema automático de control de temperatura debe de contener como mínimo sensores para leer los cambios de temperatura, una unidad de control capaz de entender los cambios de temperatura y poder tomar acciones, actuadores que pueden ser ventiladores o calentadores, estos deben ser activados por la unidad de control como Controladores Lógicos Programables (PLC), computadoras o procesadores. La complejidad de un sistema automático depende del número de sensores de temperatura y actuadores que tenga el sistema.

13

6 Planteamiento 6.1 Contexto Debido a

las pérdidas post-cosechas, específicamente durante el

almacenaje de granos en silos se requiere de soluciones eficientes para disminuir las pérdidas. El alto costo para mantener personal

experto en control de

temperaturas y humedad en silos en cada locación, representa la oportunidad para el diseño de una solución completa de un sistema automático de monitoreo de temperatura y control a distancia que Incluya el control de humedad y aireación. Los operadores de grano para ser capaces de monitorear y manejar los silos de grano a distancia, deben tener acceso a una evaluación de la calidad de grano hecha de manera local en el lugar del silo, el historial de la temperatura ambiente, historial de la humedad relativa y la temperatura medida en el interior del silo. La ventilación es otro punto importante, los operadores deben ser capaces de activar o desactivar el sistema de ventilación a distancia, además los ventiladores deben de ser activados de forma automática en el silo sin necesidad de que una persona realice las mediciones de temperatura y humedad relativa para poder tomar la decisión si los ventiladores deben de ser o no activados. Todo puede ser automatizado excepto la evaluación de la calidad del grano, esta evaluación tiene que ser hecha por un humano usando equipo de laboratorio. Sin embargo, se pueden proporcionar formatos en línea para poder almacenar en una base de datos la información el mismo día que esta fue realizada. Esta actividad permite al equipo de control ser distribuido en cualquier localidad alrededor del mundo donde se tenga una conexión a internet. Este sistema otorga a todas las partes involucradas en este proceso verificar que el grano se encuentre en el silo y las condiciones del mismo.

6.2 Pregunta.

14

¿Cómo simular el monitoreo, regulación de la temperatura y humedad dentro de silos mediante un sistema automático y de control a distancia? 6.2.1

Proyecto y objetivo

La solución completa plantea la participación en un proyecto de un sistema capaz de monitorear la temperatura y humedad del grano dentro del silo, controlar el accionar de los sistemas de ventilación y proveer certeza sobre su funcionamiento. Dicho sistema será capaz de recolectar datos remotamente, analizar información y garantizar a los operadores el monitoreo y control de los granos bajo plataformas de software abierto. No obstante, debido a la complejidad y extensión del proyecto, la participación será reducida a la simulación del monitoreo de temperatura, humedad relativa, calculo del contenido en silo y el accionar de los ventiladores basado en un sistema de control.

15

Estado de la cuestión A fin de asegurar mejores condiciones para la conservación de los granos en la actualidad existen soluciones que permiten el control de temperatura y automatización de la aireación para silos. Estos sistemas se componen generalmente de uno o varios Módulos de Inteligencia Distribuida (MID5) distribuidos estratégicamente en diferentes puntos de la planta de silos y conectados a una computadora. Estos elementos están interconectados entre sí mediante un BUS digital en una arquitectura de red. En lo que refiere a los sistemas de aireación, existen entre otros, sistemas de Control Automático de la Aireación (CAA) como módulos que se anexan al BUS digital del sistema principal de control de temperatura, y permite automatizar el encendido de los aireadores. El arranque se realiza en momentos en que resulte conveniente de acuerdo a las curvas de equilibrio del grano almacenado.

7 Sistemas SCADA Acrónimo de Supervisory Control and Data Acquisition (Control de Supervisión y Adquisición de Datos). Son sistemas basado en computadores que permite supervisar y controlar variables de proceso a distancia, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos) y controlando el proceso de forma automática por medio de un software especializado. Provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros usuarios supervisores dentro de la empresa (supervisión, control calidad, control de producción, almacenamiento de datos, etc.). Se trata de una aplicación de software, especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción. 5

La inteligencia del sistema está distribuida por todos los módulos sean sensores o actuadores. Suele ser típico de los sistemas de cableado en bus, o redes inalámbricas.

16

Las tareas de supervisión y control generalmente están más relacionadas con el software SCADA, en él, el operador puede visualizar en la pantalla del computador de cada una de las estaciones remotas que conforman el sistema, los estados de ésta, las situaciones de alarma y tomar acciones físicas sobre algún equipo lejano, la comunicación se realiza mediante buses especiales, redes LAN, internet, conexiones dial-up, satélite, y radio modem. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar dichos procesos.

Estos sistemas actúan

sobre los dispositivos instalados en la planta, como son los controladores, autómatas, sensores, actuadores, registradores, PLCs (Controlador Lógico Programable), PACs (Controlador de automatización programable), etc. Además, permiten controlar el proceso desde una estación remota, para ello el software brinda una interfaz gráfica que muestra el comportamiento del proceso en tiempo real. Algunos sistemas llegan a utilizar incluso PDAs (Asistente Digital Portable) como clientes dada la distancia y la lejanía (Engin Ozdemir, 2004).

7.1 Componentes Los sistemas SCADA se componen de los siguientes elementos: a) Unidad Central (MTU). Abarca los servidores y el software responsable de la comunicación con el equipo de control. Su tarea principal es la de recopilación, análisis y administración de datos. Esta conformada por un solo computador, o en sistemas a gran escala puede incluir varios servidores y aplicaciones de software distribuido. b) Interfaz hombre-máquina (HMI). Abarca los sinópticos de control y los sistemas de presentación gráfica, su tarea principal es la de mostrar en una forma simple el sistema bajo control. La industria de HMI cobra importancia dada la necesidad de estandarizar la manera de monitorizar y de controlar múltiples sistemas remotos, PLCs y otros mecanismos de control. No obstante que un PLC realiza automáticamente un control preprogramado sobre un proceso, normalmente se distribuyen a lo largo de toda la planta, dificultando la tarea de

recoger los datos de manera 17

manual, los sistemas SCADA lo hacen de manera automática (Ver Figura 1).

Figura 1. Interfaz HMI de un panel de control.

c) Unidades de Control Remota (RTU). Abarca aquellos elementos dedicados a las labores de control o supervisión del sistema y que se encuentran por su localización física alejados del centro control y comunicados con este mediante un canal de comunicación, entre ellos: •

PLCs (Control Lógico Programable), dedicados a tareas generales de control.

•

PACs,

(Controlador

de

Automatización

Programable)

dedicados a tareas complejas de control. •

IEDs (Dispositivo Electrónico Inteligente), dedicados a tareas específicas de control. “La RTU se conecta al equipo físicamente y lee los datos de

estado

como

los

estados

abierto/cerrado

desde

una válvula o

un interruptor, lee las medidas como presión, flujo, voltaje o corriente. Por el equipo puede enviar señales que pueden controlarlo: abrirlo, cerrarlo, intercambiar la válvula o configurar la velocidad de la bomba, ponerla en marcha, pararla. La RTU puede leer el estado de los datos digitales o medidas de datos analógicos y envía comandos digitales de salida o puntos de ajuste analógicos” (Wikipedia, 2012). 18

d) Infraestructura de comunicación. Se encarga de la transferencia de información del punto donde se realizan las operaciones, hasta el punto donde se supervisa y controla el proceso. La infraestructura lo conforma transmisores,

receptores

y

medios

de

comunicación;

incluye

transductores como elementos que permiten la conversión de una señal física en una señal eléctrica y viceversa.

7.2 Características El software SCADA debe ser capaz de ofrecer al sistema: •

Procesamiento de datos: El conjunto de datos adquiridos conforman la información que alimenta el sistema, esta información es procesada, analizada, y comparada con datos anteriores, y con datos de otros puntos de referencia, dando como resultado una información confiable y veraz.

•

Control remoto de instalaciones y equipos: Activación de los equipos remotamente, abrir válvulas, activar interruptores, prender motores, etc., de manera automática o manual.

•

Creación de paneles de alarma, que requieran la presencia inmediata de un operador para identificar una situación de alarma.

•

Observar el registro e historial de incidencias.

•

Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones.

•

Diagramas gráficos del sistema y gráficos de tendencia.

•

Generación de reportes: El sistema permite generar informes con datos estadísticos del proceso en un tiempo determinado por el operador (Henry, 2006).

El intercambio de datos entre los dispositivos de campo y la estación central de control y gestión, requiere un medio de comunicación, existen diversos medios que pueden ser cableados (cable coaxial, fibra óptica, cable telefónico) o no cableados (microondas, ondas de radio, comunicación satelital).

19

Un aspecto importante que debe ser considerado es el tiempo de escaneo de los RTU´s por el MTU el cual se define como el tiempo que demora el MTU en realizar una comunicación con cada uno de los RTU´s del sistema. Uno de los factores que determina el tiempo de escaneo es el número de RTU´s, en general a mayor número de RTU´s mayor el tiempo de escaneo. Un segundo factor a ser considerado es la cantidad de datos a ser transmitido el cual puede variar entre un par de estados a cientos de estados, lo cual incrementa el tiempo de escaneo. Otro factor importante es el número de bits por segundo que puede soportar el medio de transmisión el cual determina el material del medio y el tipo de modulación. Así como el MTU busca y encuentra cada RTU, el RTU busca y encuentra cada sensor y actuador a los cuales está conectado. Esta búsqueda se realiza a mucha mayor velocidad del MTU hacia los RTU (Henry, 2006). Existen otras prestaciones en un software SCADA enfocadas a la seguridad, entre ellas: •

Garantía en la seguridad de datos. El proceso de envió y recepción de los datos debe estar protegido de influencias no deseadas ya sea por fallos en la programación o causadas por intrusos.

•

Garantía en la seguridad de accesos. Mediante la correcta aplicación de permisos y usuarios (Rodríguez, 2007).

En la actualidad los sistemas SCADA permiten monitorear datos en tiempo real con interfaces animadas de alta resolución mediante el uso de un medio de comunicación tal como Internet dando origen a los sistemas SCADA con acceso WEB. Dentro de las características avanzadas podemos encontrar las siguientes: •

Aplicaciones HMI Multi-Touch en paneles de operarios.

•

Editores visuales de interfaces HMI.

•

Soporte de protocolos industriales, OPC, modbus, FTP, DHCP, BACnet, SNMP.

•

Scripting y manejo de bases de datos.

20

8 Sistema REACT El sistema REACT es un máquina de control que corre sobre sistema GNU/Linux para la creación de sistemas SCADA y DCS. El sistema fue creado basado en la experiencia del autor en sistemas SCADA para el control de tuberías de gas, sistemas de distribución de gas natural, sistemas de distribución de agua, software para pruebas militares e industriales y como investigación en sistemas de control en general. Fue creado como una máquina de propósito general escalable, desde pequeños sistemas embebidos en campo hasta computadoras. El sistema REACT corre como el software central en un servidor, un RTU o Controlador DCS (Wayne, 2011). Dicho sistema permite la configuración de objetos comúnmente llamados “tags” que son parte a los sistemas SCADA o DCS, entre ellos: entradas analógicas, salidas analógicas, entradas discretas, salidas discretas, salida discreta temporal, entradas de conteo de pulso, controles PID, etc. El sistema desarrolla a su vez una gran variedad de objetos para aplicaciones especiales como laboratorios, aire acondicionados, monitoreo y/o control,

de

bombas, silos, etc. Posee además un lenguaje de scripting basado en “tokens” para una ejecución rápida. Los scripts llaman funciones miembro de todos los objetos de REACT lo cual es soportado por un generador de código que automáticamente enlaza los objetos con los scripts. REACT trabaja con drivers de Modbus RTU, Modbus ASCII, TCP/IP, tarjetas de PC para la adquisición de datos, Dallas 1-Wire, entre otros y un protocolo ASCII propio. La carga de las interfaces de estos drivers se realiza sobre demanda. El sistema REACT es expandible a través de la creación de objetos compartidos escritos en lenguaje C/C++ y mediante el uso de scripts. Mantiene un uso extensivo de código generado para tareas repetitivas con el fin de ahorrar tiempo, eliminar errores y habilitar nueva funcionalidad. Mediante el uso de objetos dinámicos compartidos (dynamically loaded shared objects) para los controladores y objetos de REACT se eliminan conflictos de

21

dependencias, se reduce el tamaño de código y se agregan nuevos drivers y objetos sin la necesidad de recompilar el sistema.

22

Descripció n del proyecto 9 Generalidades El proyecto es un “driver model” para REACT, el cual simulará la adquisición datos tales como temperatura exterior, humedad relativa y la adquisición de datos de un número determinado de columnas de sensores inteligentes de temperatura distribuidas en un contenedor o silo. Dependiendo del tamaño del área será el número de columnas

con

sensores que serán simuladas en el contenedor. Para este proyecto se deben crear varias pantallas HMI y aplicaciones de control. Las pantallas HMI en REACT son creadas mediante un generador de código desarrollado en C/C++ el cual genera código en HTML, SVG y Java Script para los elementos de simulación. Los beneficios entre otros son: •

Código visualizado de forma sencilla en cualquier navegador de internet.

•

Ligero de procesar.

•

Tiempo de ejecución en un sistema de cómputo.

REACT deberá ser capaz de manejar el accionar de los ventiladores

que

serán parte de la simulación y de las pantallas HMI.

9.1 Modelado del Driver

El modelado del driver como simulador permite

ejecutar pruebas de

comportamiento y después remplazarlo por un driver real en campo con ligeros cambios en el sistema.

23

9.2 Simulación La simulación estará basada en los datos recolectados: temperatura exterior, humedad relativa y la temperatura interna de las columnas de sensores, REACT obtendrá los datos de entrada para procesarlos y generar la respuesta que en la simulación estará dirigida a la activación de los ventiladores.

Se requiere

desarrollar algoritmos dada la reacción de los sensores en el momento en que los granos comienzan a ventilarse. 9.2.1

Variables de entrada

En base a un muestreo de temperatura y de la humedad relativa de ciertas localidades durante mas de 72 hrs o basados en gráficas de temperaturas se obtendrá la entrada de datos para el driver. La simulación deberá ser capaz de reaccionar ante la entrada de datos reales (sensores) o datos previamente recolectados con cambios mínimos. 9.2.2

Pantallas HMI

Con respecto a la temperatura, se generarán pantallas que muestren la temperatura de cada sensor y en general de cada columna del contendor. La temperatura estará identificada por un color; visualmente habrá una relación temperatura-color. Las pantallas HMI contarán con elementos visuales que muestren la humedad relativa y la temperatura exterior. La Figura 2 muestra la relación que existirá entre la temperatura y su color designado mediante un gradiente de color.

24

Figura 2. Identificación de la relación temperatura-color.

La Figura 3 muestra una columna de sensores con sus respectivas temperaturas. Mediante una inspección visual permitirá conocer la temperatura del grano a distintas alturas del contenedor o silo.

Figura 3. Columna de temperaturas

25

9.2.3

Control

9.3 Procedimiento

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