Telecontrol de una planta pasteurizadora via intranet / internet

7(/(&21752/'(81$3/$17$3$67(85,=$'25$9Ë$,175$1(7,17(51(7
José F. Postigo#, Vicente A. Mut#, Luis A. Baigorria P.#, Ricardo Carelli#, Mario R. Modesti+
,QVWLWXWRGH$XWRPiWLFD,1$878QLYHUVLGDG1DFLRQDOGH6DQ-XDQ
$Y/LEHUWDGRU6DQ0DUtQRHVWH-$5/6DQ-XDQ$UJHQWLQD
HPDLO^OEDLJRUULDMSRVWLJRYPXW`#LQDXWXQVMHGXDU
*UXSRGH,QYHVWLJDFLRQHVHQ,QIRUPiWLFDSDUDOD,QJHQLHUtD
8QLYHUVLGDG7HFQROyJLFD1DFLRQDO5HJLRQDO&yUGRED:ODGLVODR)UtDVVQ&yUGRED
HPDLOPPRGHVWL#VFGWIUFXWQHGXDU
5HVXPHQ Ante la necesidad de realizar la gestión de procesos a distancia, se plantea una alternativa de
telecontrol por medio de una red existente con estándares comúnmente utilizados en cualquier
establecimiento productivo. De esta manera, con la plataforma que existe y asistiéndose con la
capacidad de conectividad de Internet se pueda plantear el telecontrol sin incorporar un costo excesivo
en la inversión económica del proceso controlado. En este trabajo, se propone el telecontrol de una
planta pasteurizadora de laboratorio vía LAN/Internet. Se muestran algunos resultados experimentales
obtenidos.
7(/(&21752/2)$3$67(85,=$7,213/$177528*+,175$1(7,17(51(7
$EVWUDFW The remote control of industrial processes, claims for a telecontrol approach by means of the
existent nets with common standards widely used at any automated enterprise. Therefore, using an
available development platform and applying the Internet´s conectivity capacity, a telecontrol scheme,
without incorporating an excessive cost in the economic investment of the controlled process, is proposed
in this paper. The developed structure, telecontrols a laboratory pasteurizing plant via LAN/Internet. Some
experimental results are shown.
Keywords: Telecontrol, LAN, Ethernet, IP, UDP/IP, TCP/IP, Process Control.
,QWURGXFFLyQ
El estado del arte en telecontrol de procesos, hace
cada vez más necesaria la utilización de redes
existentes, en particular, la Internet (Lian, F. et al.,
2001; Walsh, G.C. et al., 2001). Por esta razón, los
proveedores de aplicaciones SCADA (Supervising
Control Data Acquisition) para control y
supervisión de procesos, disponen de software a
tal efecto (Zhang et al., 2001).
Este trabajo pretende hacer un aporte en esta
área del control, a los efectos de integrar las
herramientas y protocolos disponibles en la
plataforma de red existente.
Se dispone de una planta piloto de un proceso
de pasteurización (Fig. 1) controlada localmente
por medio de un computador con una interfase de
entrada/salida incorporada.
En este trabajo se realiza la gestión de la
mencionada planta a distancia utilizando la red
existente en el INAUT (Intranet), sin la necesidad
de desarrollar un sistema de comunicación de
datos dedicado. La plataforma existente consiste
de una red LAN (Local Area Network) con
standard Ethernet. Se propone interactuar con la
aplicación existente en el mando local por medio
de un protocolo que permita además el telecontrol
a través de Internet, utilizando el servidor del
)LJ3ODQWDSDVWHXUL]DGRUDSLORWRXWLOL]DGD
)LJ7RSRORJtDGHO6LVWHPD
establecimiento, permitiendo de este modo que el
proceso pueda superar los límites geográficos del
mismo.
El mando local es una estación más de la red
con un número de IP (Internet Protocol) propio,
pero se considera viable por medio del
teleprocesamiento, la comunicación de aquellas
variables que no comprometan la estabilidad del
proceso.
Aquellas variables cuya estabilidad es crítica se
controlarán por medio del controlador local que
dispone la planta.
'HVFULSFLyQGHOSURFHVR
La planta utilizada consiste de un proceso de
pasteurización a escala, con todos los elementos
necesarios para la puesta en funcionamiento de
esta importante etapa del tratamiento de productos
alimenticios (ARMFIELD, 1997). A continuación,
se describirá brevemente el proceso químico que
se realiza en dicha planta.
La pasteurización es un proceso que emplea
temperaturas
elevadas
para
reducir
las
poblaciones microbianas en la leche y otros
productos
que
son
excepcionalmente
termosensibles.
El tratamiento de pasteurización se completa
cuando el producto permanece a una temperatura
especificada durante un tiempo mínimo. Este
proceso se denomina ³$OWD7HPSHUDWXUD±7LHPSR
5HGXFLGR´ (HTST, por sus siglas en inglés) o
³SDVWHXUL]DFLyQ UiSLGD´ Esto permite obtener
resultados satisfactorios y puede llevarse a cabo
como un proceso de flujo continuo (ARMFIELD,
1997).
2EMHWLYRGHODDSOLFDFLyQ
En este trabajo, se propone el desarrollo de las
rutinas de comunicación para el dialogo con la
aplicación del mando local, sea desde una
estación
ubicada
en
la
Intranet
del
establecimiento, cuanto de una estación exterior
que requiera el direccionamiento por medio del
servidor correspondiente de la aplicación.
7RSRORJtDGHOVLVWHPDWHOHLQIRUPiWLFR
Como se mencionara precedentemente, se
dispone de una estructura de red LAN, existente
con capacidad de comunicación a Internet.
En la fig. 2 se detallan los elementos
involucrados en el telecontrol con las direcciones
correspondientes para cada una de las unidades
que componen la plataforma experimental para la
comunicación.
Se considerarán todas las estaciones con IP
públicos, de manera de poder acceder
directamente a la Internet, no existiendo ningún
tipo de fire-wall (barrera de protección) entre ellas.
El sistema de telecontrol propuesto está
conformado por una estructura FOLHQWH ± VHUYLGRU
(Comer, Stevens, 1994; Castro et al., 2000) En
esta estructura el FOLHQWH implementa el control de
la planta, y el VHUYLGRU instalado en la PC
conectada a la planta, se encarga de enviar y
recibir los datos solicitados por el FOLHQWH. En la fig.
2 se muestra un esquema del mismo (Castro et al.,
2000).
El VLWLRUHPRWRestá conformado por la planta
de pasteurización conectada a una PC con el
sistema operativo Windows 95. La aplicación en
esta PC ejecuta el VHUYLGRU del sistema y también
se ocupa de la tarjeta de adquisición de datos
Capa
(nombres OSI)
TELNE
TCP
Protocolo
DNS
SMTP
FTP
Transporte
UDP
Red
IP
Redes
ARPANET
)LJ$UTXLWHFWXUD
SATNET
Aplicación
Packet
LAN
Física + enlace
de datos
)LJ$UTXLWHFWXUD7&3,3
Protocolos y redes en el modelo TCP/IP inicial.
conectada a la planta para la entrada/salida de
datos.
El VLWLRORFDO está conformado por una PC
con una aplicación que se encarga del FOLHQWH del
esquema de comunicación y el cálculo de los
algoritmos de control. Esta aplicación se ejecuta
en una PC portátil con el sistema operativo
Windows 98.
$UTXLWHFWXUDGHFRPXQLFDFLRQHV
El protocolo TCP/IP (Transmission Control
Protocol/Internet
Protocol)
es
ampliamente
soportado como protocolo de comunicación. Por
este motivo, TCP/IP es ideal para unificar diferente
hardware y software, incluso si la comunicación no
se establece en el ámbito de Internet.
La independencia de hardware específico
de red le permite a TCP/IP integrar muchos tipos
de red. Además, TCP/IP puede ejecutarse sobre
Ethernet, y virtualmente sobre cualquier medio
físico de transmisión.
Un esquema de direccionamiento unificado
les permite a los dispositivos TCP/IP identificarse
en forma unívoca sobre los demás dispositivos de
la red, incluso si la red es tan grande como la
Internet.
Dado que no hay un acuerdo generalizado
sobre cómo describir un modelo de capas para
TCP/IP, a este se lo ve, generalmente, como
compuesto por menos capas que las siete del
modelo OSI (Open System Interconnection). La
mayoría de las descripciones de TCP/IP definen
de tres a cinco niveles en la arquitectura del
protocolo.
Conceptualmente, a una capa no le interesa
que estructuras utilice el resto. En la fig. 3 se
expone la terminología de TCP/IP para las
estructuras de datos, en lo que se refiere a
plataforma de hardware y protocolos (Comer,
1994; Comer, 1995).
3URWRFRORVGHFRPXQLFDFLyQ
&DSDGHDFFHVRDODUHG
La capa de acceso de red es la más inferior en la
jerarquía. Los protocolos en esta capa proveen los
medios para que el sistema pueda distribuir los
datos a los demás dispositivos conectados
directamente a la red. Esta capa define cómo
utilizar la red para transmitir los IP GDWDJUDPV
(paquetes básicos de información utilizados en
una red para transmitir datos). A diferencia de los
protocolos de más alto nivel, los protocolos de esta
capa deben conocer los detalles de la red física
subyacente (su estructura de paquete, esquema
de direccionamiento, etc.) para dar el formato
correcto a los datos que se transmitirán sobre ella.
Con frecuencia, los usuarios ignoran la
existencia de esta capa. Por lo tanto, habrá tantos
protocolos de acceso como estándares de redes
físicas haya. En el caso particular de esta
aplicación, el estándar es Ethernet.
Entre las funciones realizadas en este nivel
se incluyen el encapsulamiento de los datagramas
de IP en los paquetes transmitidos por la red,
como también el control de la correspondencia
entre las direcciones IP y las direcciones físicas
utilizados por la red.
&DSDGHUHG,3,QWHUQHW3URWRFRO
El
protocolo que utiliza Internet para la
comunicación de datos es el IP, que es parte
integral del TCP/IP. Las tareas principales del IP
son el direccionamiento de los GDWDJUDPDV de
información y la administración del proceso de
fragmentación de dichos GDWDJUDPDV. El
GDWDJUDPD es la unidad de transferencia que el IP
utiliza. Las características de este protocolo son:
· No orientado a la conexión.
· Transmisión
en
unidades
denominadas
GDWDJUDPDV.
· No poseen corrección de errores, ni control de
congestión.
· No garantiza la entrega en secuencia.
La entrega del GDWDJUDPD en IP no está
garantizada debido a que se puede retrasar,
perder, duplicar y re-ensamblar el mensaje en
orden incorrecto, sin que el protocolo lo detecte.
Por otra parte, el IP no contiene control de errores
para el contenido de datos del GDWDJUDPD,
solamente lo tiene para la información del
encabezado.
Las direcciones IP se pueden utilizar para
referirse a redes así como a anfitriones
individuales.
El TCP HV FRQ FRQH[LyQ, porque
establece una conexión lógica entre los extremos.
La información de control, llamada KDQGVKDNH se
intercambia entre los extremos para establecer un
diálogo antes que los datos se transmitan. Por lo
tanto, TCP deberá mantener la secuencia en la
PC – Windows 95
Aplicación Telecontrol.exe
Red
LAN
Winsock
DLL
Thread del socket servidor
Thread de adquisición de
datos placa DT2811
Planta
Pasteurizadora
Placa AD
DT2811
)LJ$SOLFDFLyQUHPRWD
&DSDGHWUDQVSRUWH7&37UDQVPLVVLRQ
&RQWURO3URWRFRO
Las aplicaciones que requieren que el protocolo de
transporte provea un servicio confiable utilizan
TCP porque verifica que los datos se transporten
sin errores y en la secuencia correcta. El TCP es
confiable, siendo también orientado a la conexión
y orientado a los flujos (streams) de bytes.
El protocolo TCP HV FRQILDEOH, porque
utiliza un mecanismo llamado “confirmación
positiva con retransmisión“ (3RVLWLYH $FN
QRZOHGJPHQW ZLWK 5HWUDQVPLVVLRQ, PAR). En este
caso, el emisor que usa PAR envía los datos
nuevamente, a menos que reciba un OK del
destino. La unidad de datos transferida entre
módulos TCP cooperantes se llama VHJPHQWR.
Cada segmento contiene una suma de
comprobación que se utiliza para verificar si los
datos recibidos son correctos. En ese caso, el
receptor enviará al emisor una confirmación
positiva. En caso contrario, el receptor lo descarta.
Después de un tiempo de espera (time out) apropiado, el emisor retransmite el segmento.
cual se envían
información.
y/o
reciben
los
bytes
de
$SOLFDFLyQGHVRIWZDUH
La
aplicación
ejecuta,
dependiendo
la
configuración que se emplee, hasta 4 threads
(hilos) de programa simultáneamente, como se
observa en las figuras 4 y 5 para el sitio remoto y
local respectivamente (Castro et al., 2000;
Microsoft, 1998). Las funciones principales de
estos hilos son:
7KUHDG SULQFLSDO Este hilo inicia y ejecuta
algunas tareas:
·
Administración de los mensajes de la ventana
principal de la aplicación y notificación de los
controles.
·
Creación de los otros hilos de la aplicación,
que son el hilo de manejo de la tarjeta de
adquisición de datos.
·
·
Creación del hilo que actúa como VHUYLGRU
para aceptar la conexión con el FOLHQWH.
Creación del hilo que se conecta como FOLHQWH
en la aplicación.
PC – Windows 98
Red
LAN
Aplicación Telecontrol.exe
Thread del socket cliente
WM_TIMER
Cálculo de lazos de control en
los periodos de muestreo.
)LJ$SOLFDFLyQ/RFDO
Winsock
DLL
Calculo de acciones de control y aplicación de
las mismas.
·
Almacenamiento de variables sensadas en
archivo.
7KUHDG DGTXLVLFLyQ GDWRV Esta tarea sólo es
ejecutada en el VHUYLGRU
·
Este thread se encarga de realizar la
adquisición de datos desde la tarjeta de I/O
DT2811 y de la aplicación de la acción de
control a la planta.
Estos datos son colocados en PHPRULD
FRPSDUWLGD para ser accedidos por los restantes
WKUHDGV.
·
Transmite los datos sensados al FOLHQWH a
través de TCP/IP.
7KUHDG 6HUYLGRU Este hilo sólo se ejecuta en el
VLWLR UHPRWR o VHUYLGRU del esquema planteado
(Microsoft, 1999), cumpliendo la siguiente tarea:
·
Se encarga de recibir y clasificar los
GDWDJUDPDV que recibe desde el FOLHQWH para
aplicarlos donde corresponda en la aplicación.
7KUHDG&OLHQWH Este hilo puede correr en ambos
sitios (local y remoto) para permitir distintas
pruebas (Microsoft, 1999). Además, este hilo:
·
Se encarga de recibir los GDWDJUDPDV
enviados por el VHUYLGRU, los clasifica y
distribuye en la aplicación donde corresponda.
El software desarrollado comprende la
visualización de un mímico del proceso e incluye
algoritmos de control PID, con la posibilidad que el
usuario modifique los parámetros y referencias del
proceso. Implementa alarmas y diferentes lazos de
control. Se incluye un registro de los datos y de
un display gráfico. La aplicación incluye una serie
de pantallas de presentación para configurar los
parámetros de comunicación, los parámetros de
los controladores, los tipos de controladores
utilizados y la definición de los lazos de control.
Permite además configurarse como FOLHQWH o
VHUYLGRU.
La función de VHUYLGRUsólo se permite para
cuando la aplicación se ejecuta en la PC
conectada a la planta.
Se desarrollaron distintas bibliotecas “.DLL”
(Dynamic Link Libraries) para la ejecución de
distintas tareas, las que brevemente se tratan a
continuación (Microsoft, 1998).
$GTXLVLFLyQGH'DWRV
Se desarrolló una biblioteca “.DLL” para el manejo
de la tarjeta de adquisición de datos DT2811, que
consta de 8 canales de conversión A/D, 2 canales
de conversión D/A, 8 canales de entradas digitales
y 8 canales de salidas digitales.
0yGXORGHFRPXQLFDFLyQ
El modelo utilizado en la comunicación a través de
la red es el modelo FOLHQWH VHUYLGRU. En este
modelo la comunicación realiza conexiones
formando pares de solicitud – respuesta, siempre
iniciadas por el cliente y nunca por el servidor.
Para la gestión de la red se utilizan los
VRFNHWV (conectores), que definen un punto final
bidireccional para la comunicación entre dos
procesos. Estos sockets poseen tres componentes
básicos: el protocolo, el host (anfitrión) y el puerto.
Los sockets de Windows proporcionan una
abstracción del software de gestión de redes
(TCP/IP) que encasilla los niveles superiores.
El módulo de comunicación se desarrolló en
una biblioteca “.DLL”, basada en la construcción
de una clase denominada ³&WHOHFRQWURO6RFNHW´ de
la que se derivarán los objetos destinados a la
conexión (Castro et al., 2000). A la aplicación es
suficiente suministrarle la dirección de IP del
servidor para que el cliente realice la conexión al
servidor a través de la red Ethernet.
0yGXORGHFRQWURO
El módulo de control se desarrolló en una
biblioteca “.DLL” que incluye las clases base de las
que se derivan los objetos “controladores” de
distinto tipo, como por ejemplo: controladores
PIDs, PIDs modificados, controladores On/Off, etc.
([SHULHQFLDVUHDOL]DGDV
Se presentan algunos resultados experimentales,
consistentes
en controlar
la planta de
pasteurización descripta, utilizando controladores
locales y controladores remotos conectados en red
dentro de la Intranet. Los primeros resultados
permitieron obtener conclusiones acerca del efecto
del retardo en la comunicación en el lazo de
control, y asimismo, poder ensayar la aplicación
para realizar futuras experiencias de telecontrol.
Experimento con Controlador Local
300
250
caudal (ml/min)
·
Set Point
200
Caudal
150
Parametros PID
Kp = 5
Ki = 0.5
Kd = 0.05
100
50
60
80
100
120
140
Número de muestras (To = 0.5 seg)
160
180
)LJ&RQWUROGHOFDXGDOGH
SDVWHXUL]DFLyQXWLOL]DQGRXQFRQWURODGRUORFDO
En la fig. 6 se observan las respuestas al
escalón del lazo de control de caudal de la planta,
controlado de manera local
Experimento con Controlador Remoto y Telecontrol
Técnicas (CONICET) y por la Agencia Nacional de
Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT).
5HIHUHQFLDV
300
250
Set Point
Caudal
200
Parámteros PID
Kp = 5
Ki = 0.5
Kd = 0.05
150
100
50
50
60
70
80
90
100
110 120
Número de muestras (To = 0.5 seg)
130
140
150
)LJ&RQWUROGHOFDXGDOGH
SDVWHXUL]DFLyQXWLOL]DQGRXQFRQWURODGRU
UHPRWR\ODHVWUXFWXUDGHWHOHFRQWURO
SURSXHVWD
En la fig. 7 se observa la respuesta del
sistema de pasteurización, el cual es controlado de
manera remota. Comparando ambas respuestas,
se puede concluir que ambos controladores se
desempeñan de forma aceptable, debido a que el
retardo en la transmisión de los datos es pequeño
comparado con el período de muestreo del lazo de
control.
En experiencias futuras se utilizará
Internet para llevar a cabo el telecontrol de la
planta de pasteurización.
&RQFOXVLRQHV
En este trabajo se presenta el desarrollo de un
sistema de telecontrol que utiliza como canal de
comunicación una red de área local (LAN) y se
demuestra la factibilidad de utilizar el protocolo
TCP/IP para el telecontrol. Se trabajó también en
la optimización de las opciones que permite el
protocolo TCP/IP para minimizar retardos
producidos.
Debido a que se utilizó un proceso real y no
un proceso simulado en una PC, se demostró que
el PRGHORFOLHQWH±VHUYLGRUes muy apropiado para
el telecontrol de procesos.
Los resultados
experimentales fueron aceptables y las respuestas
de los FOLHQWHV y VHUYLGRUHV utilizados fueron
buenas para el tipo de control implantado.
$JUDGHFLPLHQWRV
Este trabajo fue parcialmente financiado por el
Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y
Alfredo C. Castro, José F. Postigo, J. Manzano, B.
Kuchen (2000). “Sistema de Teleoperación de
Robots con realimentación de fuerzas basado
en redes TCP/IP”. XVII Congreso Argentino de
Control Automático, pp 201-206.
Alfredo C. Castro, Eduardo M. Zavalla, Marcelo L.
Martín (2000). “Modelo Cliente-Servidor para la
administración visual en edificios”. XVI
Congreso Argentino de Control Automático, pp
543-548.
ARMFIELD, (1997). ³(QJLQHHULQJ 7HDFKLQJ DQG
5HVHDUFK (TXLSPHQW ,QVWUXFWLRQ 0DQXDOV 3&7´ Armfield Ltd., Hampshire, England.
Comer, Douglas E., (1995). ,QWHUQHWZRUNLQJ :LWK
7&3,39RO,3ULQFLSOHVDQG$UFKLWHFWXUH. Third
Edition. Department of Computer Sciences
Purdue University. Prentice Hall International
Inc.
Comer, Douglas E., (1994). ,QWHUQHWZRUNLQJ :LWK
7&3,3'HVLJQ,PSOHPHQWDWLRQ DQG ,QWHUQDOV.
Second Edition. Department of Computer
Sciences Purdue University. Prentice Hall
International Inc.
Comer, Douglas E.; Stevens L. David, (1994).
,QWHUQHWZRUNLQJ :LWK 7&3,3 &OLHQW6HUYHU
3URJUDPPLQJ $QG $SSOLFDWLRQV. AT&T, TLI
Version. Dept. of Computer Sciences Purdue
University. Prentice Hall International Inc.
Imer, O.Ç., Basar, T. (2001). Control of Congestion
in High-Speed Networks. Semiplenary Lecture
in the ECC ´2001. Seminario de Vilar, Porto,
Portugal. Sept. 4-7, 2001.
Lian, Feng-Li, Moyne, James, R., Tilbury, Dawn
M., (2001). 3HUIRUPDQFH (YDOXDWLRQ RI &RQWURO
1HWZRUNV(WKHUQHW&RQWURO1HWDQG'HYLFH1HW
IEEE Control Systems Magazine. Vol. 21, Nº 1,
pp. 66-83.
Microsoft Corporation, (1998). 9LVXDO &
3URJUDPPHUV*XLGH Microsoft Corporation.
Microsoft
Corporation,
(1999).
1HWZRUN
3URJUDPPLQJIRU0LFURVRIW:LQGRZV Mircosoft
Corporation.
Walsh, G.C. and Hong Ye, (2001). 6FKHGXOLQJ RI
1HWZRUNHG &RQWURO 6\VWHPV IEEE Control
Systems Magazine. Vol. 21, Nº 1, pp. 57-65.
Zhang, W. Branicky, M. S., Phillips, S. M., (2001).
6WDELOLW\ RI 1HWZRUNHG &RQWURO 6\VWHPV IEEE
Control Systems Magazine. Vol. 21, Nº 1, pp.
84-99.