Simulación de Scada con comunicación GSM

Transmisión y redes de datos
Scada con comunicación GSM
Simulación de Scada con comunicación GSM
Introducción.
En todos los procesos industriales de fabricación se pueden originar en ocasiones
imprevisibles situaciones de alarma debido a un fallo en cualquiera de los sistemas con los que
cuenta el proceso.
Estos fallos pueden provocar situaciones peligrosas para los trabajadores del proceso,
una parada en la producción o un mal funcionamiento del sistema dependiendo de la gravedad
del mismo. En cualquier caso puede repercutir en unos costes, que se pueden incrementar si no
se soluciona el problema en el menor tiempo posible.
En consecuencia es de vital importancia la pronta actuación en este tipo de situaciones.
La única forma de luchar contra estas situaciones es la información. Cuanto antes se
conozca el problema y su naturaleza, es decir se obtenga información, antes se solucionará,
reduciendo los citados costes.
Ahora se nos plantea el problema de obtener información instantánea de la alarma
ocurrida.
Para solucionar este problema necesitamos monitorizar de forma constante el proceso
industrial en todas sus etapas y cada uno de sus sistemas, o al menos los más importantes.
La información de la planta se obtiene a través de las variables analógicas y digitales
que nos proporciona el sistema de sensores. Esta información expresada en soporte eléctrico,
debe ser comunicada de manera comprensible al sistema automático que controla los
actuadores o al personal de la planta para que actúe en consecuencia.
La mejor manera de comunicar el estado de los sensores y del proceso en sí al personal
es de manera gráfica utilizando algún dispositivo HMI, Human Machina Interfaz, o mediante el
uso de un ordenador, PC. Esta segunda opción es indudablemente más económica.
En consecuencia para obtener la máxima información sobre el proceso industrial de la
manera más eficiente, necesitamos un Scada, un medio que nos ofrezca una interfaz gráfica con
el proceso industrial a través del sistema de sensores o través del sistema automático que esté
implantado.
Con la implantación de este elemento tenemos solucionada una parte del problema, pero
sigue estando sin cubrir la necesidad de comunicar de manera inmediata, o en el menor tiempo
posible, los errores del sistema de producción. Es necesario combinar este elemento
indispensable con algo que sirva para establecer una vía de comunicación directa cuando se
produzca la alarma en la planta. La vía de comunicación que se necesita establecer deberá de
ser instantánea, debido a los requerimientos anteriormente expuestos, barata, de cara a reducir
costes, y de fácil acceso.
Gracias al desarrollo de la tecnología, nuestra sociedad se ha convertido en la sociedad
de la información, pudiendo establecer comunicación con cualquier persona en cualquier
momento gracias al teléfono móvil. El teléfono móvil, herramienta indispensable de trabajo, es
un elemento de comunicación instantáneo, barato y de fácil acceso. Y dentro de la telefonía
GSM la comunicación a través de mensajes SMS es la mejor manera de comunicar un volumen
de información pequeño pudiendo almacenarse en memoria para tener constancia de él.
Resumiendo necesitamos un sistema que sirva de interfaz entre el proceso industrial y
los operarios, Scada, y además que se comunique de manera instantánea a través del teléfono
móvil, telefonía GSM, dando información sobre el evento, alarma o aviso, acaecido.
Para resolver este problema concreto surge este proyecto.
Autor: Domingo Díez Barrero
Universidad de Huelva, Escuela Politécnica Superior
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Scada con comunicación GSM
Objetivo.
El objetivo de este proyecto es la elaboración de un Scada para monitorizar un proceso
industrial simulado, con la posibilidad de comunicar eventos, alarmas o avisos, a través de
mensajes cortos SMS usando un modem GSM.
Proceso industrial.
El proceso industrial a simular sería el de la fabricación de un producto químico líquido a
partir de la mezcla bajo unas determinadas condiciones de temperatura de un fluido y un sólido.
El fluido sería almacenado en un tanque previo que se llenaría a través de una
electroválvula de manera independiente al proceso cada vez que éste se vaciara.
Cuando la cuba de mezclado está lista se abre la electroválvula de salida del tanque de
almacenamiento hasta llenar ésta. Se enciende el sistema de calentamiento de esta cuba y se
espera la venida del otro componente que lo hará a través de una cinta transportadora, que se
activa cada vez que se llena la cuba y hay una temperatura adecuada.
Una vez en contacto los dos componentes se mezclan en la cuba a una temperatura de
aproximadamente de 100 ºC durante un determinado tiempo y después se vacía la cuba del
compuesto, para volverse a llenar a continuación.
Todo el proceso está automatizado por un PLC que comunica las variables del sistema,
tanto digitales: apertura y cierre de las electroválvulas; como las analógicas: temperatura de la
cuba, y niveles del tanque de almacenamiento y de la cuba; y el error de las electroválvulas al
Scada.
Scada.
El Scada a realizar tendría la función de monitorizar las variables que le fueran ofrecidas
por el autómata a través de una tarjeta de adquisición de datos, sin tener la posibilidad de actuar
sobre el sistema, pero debe tener la opción se simular errores en el sistema para probar la
comunicación GSM mediante el uso de comandos AT con un modem GSM, que será el
encargado de enviar los mensajes informativos SMS al móvil configurado.
Se propusieron varias plataformas de programación visuales, considerando la posibilidad
de utilizar LabView, pero al final se desarrolló el software con C++ Builder, por utilizar la potencia
y flexibilidad del lenguaje C++, C orientado a objetos.
Comunicación GSM.
La comunicación a través de mensajes cortos SMS se lleva a cabo a través de un
modem GSM, modelo WMOD2 de la compañía Wavecom, que se comunica con el PC a través
del puerto serie RS-232, mediante comandos AT.
Dicho modem fue prestado durante las pruebas técnicas de comunicación por
DIPROSISA, S.L.
Características del equipo módem GSM-GPRS diseñado para aplicaciones de datos, fax,
SMS y voz. Totalmente compatible con los estándar ETSI GSM. Especificaciones Fase 2+.Fácil
acceso a la tarjeta SIM (3v / 5v)
Alimentación de salida: 2w - Clase 4, GSM 900, 1w - Clase 5, GSM 1800.
Voltaje de entrada: 5V-32V para GSM 900
Corriente de entrada: (GSM 900 @ 12V) <10 mA en reposo y 200 mA en transmisión,
(GSM 1800 @ 12V) <4,8 mA en reposo y 100mA en transmisión.
Rango de temperatura:-20°C - +55°C operativo, y -25°C - +70°C almacén
Autor: Domingo Díez Barrero
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Dimensiones: 98 x 54 x 25 mm
Peso aprox.: 130 gr.
Características Básicas: teléfono (TCH / FS) y llamadas de emergencia, modos FR /
EFR / HR, DTMF (tonos multifrecuencia), algoritmo de encriptación A5/1 y A5/2, SMS: MT / MO /
CB / modo PDU
Servicios suplementarios: desvío de llamadas, restricción de llamadas, identificación de
llamada entrante, multiparty, aviso de carga (AoC), SIM Lock, SIM Toolkit, agenda telefónica,
número de marcación fija, llamada en espera y retención de llamada, cancelación de eco, y
USSD.
Características de datos: transmisión asíncrona, modos transparente y no transparente,
velocidad de transferencia, hasta 14.400 bps, 2.400 y 4.800 bps en Half Rate.
Rango de velocidades en puerto local: desde 300 bps a 19.200 bps con autobauding.
Fax grupo 3 (clase 1 y 2).
Soporte compresión V.42, V.42 bis. Soporte GPRS. Soporte WAP.
Interfaces: V.24 y audio a través del conector sub-D 15.
Alimentación a través de un conector micro FIT de 4 pines. Conector de la antena SMA
hembra. Soporte para la tarjeta SIM. Control remoto por medio de comandos AT (GSM 07.07 y
07.05).
Especificaciones GPRS: GPRS clase 2.
Esquema de codificación: C51 a C54. Cumple con SMG 31 bis.
Autor: Domingo Díez Barrero
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Software.
El proyecto está formado por dos formularios con sus respectivos archivos de código,
.res, .cpp y .h, que más adelante se describirán con detalle, un hilo de subproceso para tener
abierta continuamente la escucha en el puerto serie, y una clase de comunicaciones para
trabajar con el puerto serie.
Comenzaremos por describir la clase de control del puerto serie por ser la más compleja
y de mayor importancia:
Clase TWinSerCom
La declaración de la clase está definida en el archivo portcom.h con dos zonas una
protegida, protected, que sólo será compartida por las clases tipo friend de ésta, y que está
formada por la declaración de todas las variables y estructuras usadas para comunicarse con la
API WIN32 de Windows; y una segunda parte pública, public, accesible por todo el código.
Las variables declaradas son:
Int iNumCom -> almacena el nº de puerto que se abre.
Bool lOpen -> indica si está abierto el puerto.
Handle hCom -> manipulador, puntero, de flujo de datos en windows, sea para ficheros,
para puertos, …etc.
DCB sComCfg -> estructura para configurar el puerto serie sus campos son:
DCBlength
Tamaño de la estructura DCB
BaudRate
Velocidad en bps
fBinary:1
Activación del modo binario
fParity:1
Activación del chequeo de errores de paridad
fOutxCtsFlow:1
Activación del control de flujo por CTS
fOutxDsrFlow:1
Activación del control de flujo por DSR
fDtrControl:2
Define el modo de empleo de la línea DTR. (Control de flujo por
hardware DTR-DSR)
fDsrSensitivity:1
Activación de la eliminación de datos mientras DSR activada
fTXContinueOnXoff:1 Referente a control de flujo por software
fOutX:1
Activa el control de flujo por software durante transmisión
fInX:1
Activa el control de flujo por software durante recepción
fErrorChar:1
Activa la sustitución de carácter mal recibidos por el dato ErrorChar
fNull:1
Activa la eliminación de los Bytes recibidos nulos
fRtsControl:2
Define el modo de empleo de la línea RTS. (Control de flujo por
hardware RTS-CTS)
fAbortOnError:1
Impide la lectura o escritura hasta que se llame a función
ClearCommError( )
XonLim
Límite inferior del Buffer del receptor
XoffLim
Límite superior del Buffer del receptor
ByteSize
Determina el número de bits de datos: 4,5,6,7,8
Parity
Paridad: NOPARITY, EVENPARITY (par), ODDPARITY (impar)
StopBits
Bits de Stop: ONESTOPBIT, ONESTOPBITS, TWOSTOPBITS
XonChar
Carácter de XON
XoffChar
Carácter de XOFF
ErrorChar
Sustituye carácter mal recibidos si se ha activado el servicio
EofChar
Carácter de final de transmisión
Autor: Domingo Díez Barrero
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EvtChar
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Carácter para forzar el lanzamiento de un evento
Comstat sComSta -> estructura del estado del puerto, sus campos son:
fCtsHold
Si True el puerto está esperando que el DCE active CTS
fDsrHold
Si True el puerto está esperando que el DCE active DSR
fRlsdHold
Si True el puerto está esperando que el DCE active CD
fXoffHold
Si True el puerto ha recibido Xoff
fXoffSent
Si True el puerto ha enviado Xoff
fEof
Si True el puerto ha recibido un carácter Eof
fTxim
Si True hay un carácter en buffer de transmisión
DWord cbInQue
Nº de caracteres en buffer de receptor
DWord cdOutQue
Nº de caracteres en buffer de transmisión
Dword dwErr -> variable de tipo doble palabra con el error del puerto.
Dword dwTamBufIn -> variable con el tamaño del buffer de entrada.
Dword dwTamBufOut -> variable con el tamaño del buffer de salida.
Dword dwEvtMask -> variable con los eventos producidos en el puerto serie.
Commtimeouts sTimOut -> estructura con configuración de tiempos en la comunicación:
ReadIntervalTimeout
Tiempo máximo de espera entre bytes recibidos
ReadTotalTimeoutMultiplier Factor de escala para calcular el TIMEOUT de las operaciones de
lectura
ReadTotalTimeoutConstant Constante para calcular TIMEOUT en operaciones de lectura
WriteTotalTimeoutMultiplier Factor de escala para calcular el TIMEOUT en operaciones de
escritura
WriteTotalTimeoutConstant Constante para calcular TIMEOUT en operaciones de escritura
En la parte pública se declaran las funciones de uso en la comunicación serie:
TWinSerCom(int sport) -> función constructora de la clase que inicializa los parámetros
configurables del puerto.
Bool Open (DWORD vel=CBR_9600, Byte tam_byte=8, Byte paridad=NOPARITY, Byte
bits_stop=ONESTOPBIT) -> función de apertura del puerto con parámetros de entrada
predefinidos.
Bool Open (int iPor, DWORD vel=CBR_9600, Byte tam_byte=8, Byte
paridad=NOPARITY, Byte bits_stop=ONESTOPBIT) -> función sobrecargada de apertura de un
puerto especificado.
Bool Close (void) -> función para cerrar el puerto abierto.
Bool IsOpen (void) -> función para chequear apertura.
Bool IsDCE (void) -> función para comprobar DCE conectado.
Bool RxByte (BYTE &bDta) -> recoge un byte del buffer de repción.
Bool TxByte (BYTE bDat) -> manda una biyte al buffer de transmisión.
DWORD LeerError (void) -> función para leer el error del puerto serie.
Bool SetEventos (DWORD dwDat) -> función para fijar la máscara de eventos.
Handle LeeIde (void) -> función para leer el manipulador del puerto serie.
DWORD BytesRecibidos (void) -> Devuelve la cantidad de bytes recibidos.
Una vez declarada la cabecera de la clase de comunicaciones definiendo todas las
funciones pertenecientes, todas las variables y todas las estructuras en el archivo portcom.cpp
se escribe el código de cada una de ellas. Dicho código se encuentra en el anexo I.
Esta clase se encarga de toda la comunicación usando como interfaz con el hardware la
API WIN 32.
Autor: Domingo Díez Barrero
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Otra clase importante es la que hace de subproceso la clase CSerRx.
Clase CSerRx
Esta clase hereda de la parte pública de la clase TThread, y está formada por una
función de __fastcall Execute( ), que contendrá el código que se ejecutará de forma continuada
mientras esté activo el subproceso , una función constructora sin código que hereda del
constructor de TThread, y una función sin definir en esta versión del software MostrarRx(void).
La función Execute ( ) está suficientemente explicada en el Anexo II.
Clase TForm2
Es la clase que define el código del primer formulario de presentación.
Esta clase hereda de la parte pública de la clase TForm y en su parte __published define
los siguientes objetos:
TImage *Image1 -> Puntero al objeto Image1 de tipo TImage, que es el fondo de duna
que aparece.
TBitBtn *BitBtn1 ->Puntero al objeto BitBtn1 de tipo TBitBtn, que es el botón de
continuar.
TLabel *Label1 -> Puntero al objeto Label1 de tipo TLabel, es el texto: Scada con
comunicación GSM
TLabel *Label2 -> Puntero al objeto Label2 de tipo TLabel, es el texto: Asignatura:
Transmisión y redes de datos.
TLabel *Label3 -> Puntero al objeto Label3 de tipo TLabel, es el texto: Alumno: Domingo
Díez Barrero.
TLabel *Label4 -> Puntero al objeto Label4 de tipo TLabel, es el texto: Versión 0.2.
Void __fastcall BitBtnClick (TObject *Sender) -> función para ejecutarse cuando se pulse
el botón de continuar.
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En la parte pública se define el constructor de la clase __fastcall TForm2 (TComponent *
Owner) que hereda del constructor de la clase TForm.
En el proyecto se crean de manera conjunta este formulario como el principal pero este
se hace visible al crear mientras que el principal permaneced en un segundo plano, cuando se
pulsa el botón se cambia el atributo de visibilidad, y este formulario se hace invisible apareciendo
el formulario principal, que mientras había permanecido en el fondo.
Clase TForm1
Esta clase es la que define el formulario principal.
El Scada está sustentado sobre varias funciones que coordinadas ejecutan la
simulación, entre ellas hay una función sistema (void) que se encarga de provocar gráficamente
en el sistema los efectos de la apertura y del cierre de las electroválvulas, llenado y vaciado de
los tanques, indicando también cuando se han llegado a los niveles de llenado. Otra función
automata (void), se encarga de controlar y regular los tiempos del proceso de mezcla.
Todos los eventos de control y de llenado están regidos por temporizadores que
determinan la velocidad de llenado y vaciado de los tanques, así de la velocidad de la cinta
transportadora.
El interfaz gráfico consta de una serie de objetos, shape, que modifican sus
características: tamaño, color y posición, para simular el nivel de fluido de un deposito, el
calentamiento de un depósito o el movimiento de un objeto sobre un cinta, todo ello sobre un
fondo, el objeto Image1, extraído del software SuperVisor de Omron para hacer software de
monitoreo con autómatas.
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Para facilitar el nombramiento de las electroválvulas se declararon las siguientes
constantes, para ser sustituidas por su número asociado en tiempo de compilación:
Const int val_in_1=1 -> la palabra val_in_1 valdrá 1.
Const int val_out_1=2 .
Const int val_in_2=2.
Const int val_out_2=3.
Está clase TForm1 hereda de la parte pública de la clase TForm, y tiene definidas
además en la parte __published todos los objetos de los que está compuesto el formulario,
incluido el MainMenu Menú con el que se accede a activar y desactivar el proceso, a parte
también se declaran las siguientes funciones:
Void __fastcall Salir1Click (TObject *Sender) -> Función ejecutada al pulsar el botón de
salir del menú principal, se encarga de cerrar el puerto de comunicaciones y suspender el hilo de
recepción.
Void __fastcall FormCreate (TObject *Sender) -> Función que se ejecuta al crear al
formulario, inicializa algunas variables de la interfaz gráfica.
Void __fastcall Activar1Click (TObject *Sender) -> Función que se ejecuta al pulsar el
botón de activar, pone en marcha la simulación del sistema.
Void __fastcall Timer1Timer (TObject *Sender) -> Función que se ejecuta al proporcionar
el temporizador1 un evento.
Void __fastcall Desactivar1Click (TObject *Sender) -> Función que se ejecuta al pulsar el
botón de desactivar simulación del Menú.
Void __fastcall Timer2Timer (TObject *Sender) -> Función que al igual como la anterior
se ejecuta cuando un temporizador, el temporizador2, proporciona un evento.
Void __fastcall BitBtn1Click (TObject *Sender) -> Función que se ejecuta al pulsar el
botón de simulación de error al lado de la primera electroválvula.
Void __fastcall Timer3Timer (TObject *Sender) -> Función que se ejecuta cuando el
temporizador3 da un evento.
En la parte pública se declaran todas las variables usadas por el sistema, así como las
funciones automata (void), y sistema (void), anteriormente mencionadas, estas son:
Bool lleno_tan1, vacio_tan1, lleno_tan2, vacío_tan2 -> toman el valor de True según los
niveles máximos y mínimos de los tanques.
Bool quemador_on -> indica la activación del quemador.
Bool pido_paquete -> indica el pedido del segundo ingrediente sólido.
Bool fin -> indica el final del proceso.
Bool espero_calor -> indica la espera a que el segundo tanque tenga la temperatura
adecuada.
Bool paquete_ok -> indica la caída del paquete dentro de la cuba.
Bool error -> indica simulación de error en la electroválvula.
Int temperatura -> variable analógica con el valor de la temperatura.
Int tempo_quemador -> tiempo que debe estar encendido el quemador a partir de que el
paquete haya caido.
Bool llenar_tanque1 -> orden de llenado de tanque 1.
Bool vaciar_tanque1 -> orden de vaciado del tanque 1.
Bool llenar_tanque2 -> orden de llenado de tanque 2.
Bool vaciar_tanque2-> orden de vaciado de tanque 2.
Void automata (void) -> función que simula el comportamiento del autómata que controla
el proceso.
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Void sistema (void) -> función que simula el comportamiento de sistema de producción
ante las acciones de los actuadores.
Void paquete (void) -> función que controla la cinta y la caída del sólido a la cuba de
mezclado.
Void quemador (void) -> función que regula el tiempo que está encendido el quemador.
Void apagar_quemador (void) -> función para cambiar de color todas las barras del
quemador, ponerlas a gris, y colocar a False la variable quemador_on.
Void encender_quemador (void) -> función para cambiar de color todas las barras del
quemador , ponerlas a rojo, y colocar a True la variable quemador_on.
TWinSerCom *pCom -> puntero a nuestra clase de comunicaciones.
Int puerto -> contiene el número de puerto serie que se va a abrir.
Dword velocidad -> velocidad en baudios del puerto.
Byte bits_dato -> bits de datos.
Byte bits_parada -> bits de parada.
Byte acBuf[1024] -> buffer del programa con los datos recibidos.
AnsiString telefono ->cadena con el teléfono móvil al que se va a enviar los mensajes.
Void abrir_puerto (void) -> función para abrir el puerto de comunicaciones especificado.
Void cerrar_puerto (vodi) -> función para cerrar el puerto de comunicaciones
previamente abierto.
Void enviar_cad (AnsiString cTmp) -> enviamos una cadena por el puerto serie.
__fastcall TForm1 (TComponent* Owner) -> constructor de la clase principal.
A continuación pasamos a describir brevemente el funcionamiento del programa.
Cuando se ejecuta la aplicación se llama en primer lugar al constructor de la clase
TForm1, que inicializa los parámetros del puerto serie de la siguiente forma:
Puerto
1
Velocidad
CBR_9600
Bits datos
8
Paridad
NOPARITY
Bits parada
ONESTOPBIT
El teléfono inicialmente se inicializa a “655037161”
Y se crean la clase de comunicaciones TWinSerCom, y la clase del subproceso
CSerRx, llamando a sus respectivos constructores.
Después al crear el formulario principal se inicializan todas las variables referentes al
interfaz gráfico, abriendo al final de esta función el puerto, que dará el mensaje de apertura de
puerto si tiene éxito.
Después se nos mostrará la ventana de información, el segundo formulario, que
desaparecerá al pulsar en Continuar.
En la ventana del formulario principal aparece el interfaz con unos cuantos elementos
representativos del proceso industrial a simular.
Acceder al menú principal aparecen además de la opción de salir que cerraría el puerto,
suspendería el subproceso y concluiría la aplicación, la opción de activar la simulación. Al pulsar
esta opción, se habilita la opción de desactivar, y comienza la simulación.
La simulación del proceso se lleva a cabo según lo descrito en apartados anteriores,
pudiendo provocar el fallo de la electroválvula al pulsar en el botón de Error, en ese momento se
envía un mensaje determinado al número de teléfono inicializado y aparece un aviso en pantalla.
Autor: Domingo Díez Barrero
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Conclusión
Este software precariamente desarrollado sienta las bases para realizar una
comunicación bidireccional a través de la tecnología GSM y en particular a través de mensajes
SMS tan usados para la comunicación la sociedad actual.
Esta versión aunque no cumple con todas las expectativas del proyecto si se muestra
como un principio de proyecto innovador y con aplicaciones demostradas.
Para futuras versiones sería necesario mejorar la configuración de la clase del puerto
serie para mejorar la comunicación con el modem, que aún es deficitaria, al igual que mejorar y
terminar de desarrollar el subproceso, permitir el acceso a la configuración del mensaje de error,
así del teléfono o teléfonos a los que sería enviado. De cara a establecer la comunicación
bidireccional, se debería de desarrollar un protocolo de comunicaciones entre el PC y el usuario
en el mensaje SMS así como un password de acceso a los recursos del sistema.
Muchas de las propuestas de mejora la futuras versiones no se han podido desarrollar
por falta de tiempo.
Autor: Domingo Díez Barrero
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