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DISEÑO DE APLICACIONES SCADA CON LABVIEW Memoria del proyecto De Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas presentada por Enric Figueras Solé i dirigida por Juan José Ramos González Escola Universitària d'Informàtica Sabadell, 25 de Enero de 1999

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Page 1: Curso Scada Automatizacion Labview

DISEÑO DE APLICACIONES SCADA

CON LABVIEW

Memoria del proyecto

De Ingeniería Técnica en Informática de Sistemas

presentada por Enric Figueras Solé

i dirigida por Juan José Ramos González

Escola Universitària d'Informàtica Sabadell, 25 de Enero de 1999

Page 2: Curso Scada Automatizacion Labview

El abajo firmante, Juan José Ramos González, profesor de l'Escola Universitària d'Informàtica de la U.A.B,

CERTIFICA:

Que el trabajo al que corresponde la presente memoria se ha realizado bajo su dirección por en Enric Figueras Solé

Y para que así conste firma la presente. Sabadell, 25 de Enero de 1999

------------------------------ Firmado: Juan José Ramos González

Page 3: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Resumen de la Memoria - 3 -

RESUMEN DE LA MEMORIA

SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Acquisition", es

decir: adquisición de datos y control de supervisión . Se trata de una aplicación software

especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción,

proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos,

autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la

pantalla del ordenador. Además, provee de toda la información que se genera en el

proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros

supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc.

Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite, se

denomina en general sistema SCADA.

Los principales motivos por los cuales se realiza este proyecto son los

siguientes:

• Estudio de los sistemas SCADA, en particular, LabVIEW de National

Instruments.

• Facilitar al alumno que cursa asignaturas dentro del campo de Control y

Automatización de procesos una herramienta que le ayude a entender de

manera sencilla las ventajas de dichos sistemas SCADA. Por ello se

estudiarán en este proyecto dos sistemas en particular: Sistema de Depósitos

y Sistema Servomotor, pertenecientes al laboratorio de Automática de la

E.U.I.S.

Page 4: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Índice - 4 -

ÍNDICE

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN............................................................................................................6

1. SISTEMAS SCADA.............................................................................................................................6 1.1 Prestaciones. ..................................................................................................................................7 1.2 Requisitos. ......................................................................................................................................8 1.3 Módulos de un SCADA. ..................................................................................................................8

2. CONCEPTOS ASOCIADOS A SISTEMAS SCADA.......................................................................10 2.1 Tiempo real...................................................................................................................................10 2.2 Hardware en sistemas de supervisión: PLC y PC. .......................................................................11 2.3 Tarjetas de expansión...................................................................................................................12 2.4 La estructura abierta. ...................................................................................................................12

3. APLICATIVO PARA EL LABORATORIO DE AUTOMÁTICA ....................................................13 3.1 Motivación....................................................................................................................................13 3.2 Software y Hardware utilizado.....................................................................................................14 3.3 Objetivos del proyecto ..................................................................................................................14

CAPÍTULO II: LABVIEW .....................................................................................................................16

1. INTRODUCCIÓN..............................................................................................................................16 2. FILOSOFÍA DE LABVIEW...............................................................................................................17 3. EL PANEL FRONTAL Y EL DIAGRAMA DE BLOQUES .............................................................18

CAPÍTULO III: COMUNICACIÓN APLICACIÓN SCADA CON EL ENTORNO .......................21

1. TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS....................................................................................21 1.1 Sampling (Muestreo) ....................................................................................................................22 1.2 Convertidores Analógico/Digitales (ADC )..................................................................................23

1.2.1 Resolución del ADC .............................................................................................................................. 23 1.2.2 ADC No lineales .................................................................................................................................... 24 1.2.3 ADC Settling Time (Tiempo de fijación de la señal). ............................................................................ 25

1.3 Transferencia de Datos al Ordenador..........................................................................................25 1.4 Convertidores Digital/Analógicos (DAC) ....................................................................................27 1.5 Esquema típico de una Tarjeta de Adquisición de Datos .............................................................28 1.6 Tarjeta PCL-812PG .....................................................................................................................29

1.6.1 Características Técnicas......................................................................................................................... 29 1.6.2 Especificaciones del Producto................................................................................................................ 30

2. REDES LAN Y PROTOCOLO TCP/IP ..............................................................................................32 2.1 Conceptos básicos de Redes y protocolo TCP/IP.........................................................................32 2.2 Adquisición de Datos Locales y Comunicación Remota. .............................................................34

CAPÍTULO IV: APLICATIVO PARA EL LABORATORIO DE AUTOMÁTICA........................36

1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS. .........................................................................................................36 2. OBJETIVOS DEL APLICATIVO ..............................................................................................................38 3. DESCRIPCIÓN FUNCIONAL ...................................................................................................................39 4. ESTRUCTURA DEL APLICATIVO ...........................................................................................................42 5. EL APLICATIVO...............................................................................................................................44

5.1 Menú Principal.............................................................................................................................44 5.2 Configuración del Aplicativo........................................................................................................45 5.3 Simulación del Sistema de Depósitos ...........................................................................................46 5.4 Descripción del Sistema Servomotor............................................................................................47 5.5 Monitorización de señales ............................................................................................................48 5.6 Control de señales ........................................................................................................................49 5.7 Servidor/Cliente TCP/IP...............................................................................................................51 5.6 Requisitos del Sistema, Instalación y Ejecución...........................................................................53

Page 5: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Índice - 5 -

CAPÍTULO V: CONCLUSIONES.........................................................................................................54

1. PRUEBAS REALIZADAS.........................................................................................................................54 2. DIFICULTADES INICIALES ....................................................................................................................55 3. CONCLUSIONES ...................................................................................................................................55 4. POSIBLES MEJORAS..............................................................................................................................58

BIBLIOGRAFÍA......................................................................................................................................59

ÍNDICE BIBLIOGRÁFICO...................................................................................................................59

Page 6: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 6 -

CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN

1. SISTEMAS SCADA

SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Acquisition", es

decir: adquisición de datos y control de supervisión. Se trata de una aplicación software

especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en el control de producción,

proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos,

autómatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automática desde la

pantalla del ordenador. Además, provee de toda la información que se genera en el

proceso productivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros

supervisores dentro de la empresa: control de calidad, supervisión, mantenimiento, etc.

En este tipo de sistemas usualmente existe un ordenador, que efectúa tareas de

supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de procesos.

La comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN. 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.

Los programas necesarios, y en su caso el hardware adicional que se necesite, se

denomina en general sistema SCADA.

Page 7: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 7 -

1.1 Prestaciones.

Un paquete SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes prestaciones:

• Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para

reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias.

• Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su

proceso sobre una hoja de cálculo.

• Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular o

modificar las tareas asociadas al autómata, bajo ciertas condiciones.

• Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos

de elevada resolución sobre la CPU del ordenador.

Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones para ordenadores (tipo PC, por

ejemplo), con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de

resultados a disco e impresora, etc.

Además, todas estas acciones se llevan a cabo mediante un paquete de funciones

que incluye zonas de programación en un lenguaje de uso general (como C, Pascal, o

Basic), lo cual confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad. Algunos

SCADA ofrecen librerías de funciones para lenguajes de uso general que permiten

personalizar de manera muy amplia la aplicación que desee realizarse con dicho

SCADA.

Page 8: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 8 -

1.2 Requisitos.

Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente

aprovechada:

• Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las

necesidades cambiantes de la empresa.

• Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el

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

• Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y

fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario.

1.3 Módulos de un SCADA.

Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición,

supervisión y control son los siguientes:

• Configuración: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA,

adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar.

• Interfaz gráfico del operador: proporciona al operador las funciones de control y

supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos

almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado

en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del

paquete.

• Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de

los valores actuales de variables leídas.

Page 9: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 9 -

• Gestión y archivo de datos: se encarga del almacenamiento y procesado ordenado

de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a

ellos.

• Comunicaciones: se encarga de la transferencia de información entre la planta y

la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de

elementos informáticos de gestión.

Page 10: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 10 -

2. CONCEPTOS ASOCIADOS A SISTEMAS SCADA

En casa y en la oficina, el ordenador personal continúa con su progreso. El PC se ha

establecido en un gran número de campos. Los componentes hardware y software están

siendo cada vez más potentes y más rentables. Es lógico, por tanto, que la industria

quiera tomar provecho de este hecho, para reducir costes y/o incrementar la

productividad.

Ciertas tareas industriales están actualmente en manos de los ordenadores desde

hace tiempo: desde emplear la tecnología Windows cuando se manejan pedidos y/o se

ajustan parámetros de maquinaria hasta preparar o visualizar datos prácticamente de

cualquier tipo.

No hay que sorprenderse entonces, que los especialistas en automatización y los

usuarios estén pensando ahora en qué forma se pueden transferir al PC otras

tareas, para poder llegar a un mayor ahorro. Más recientemente un gran número de

simuladores de PLC (controladores lógicos programables) por software ha aparecido en

el mercado, que están ayudando a transferir el control de tareas al disco duro y

presentan una automatización más efectiva en costes en una simple pieza de hardware

(el PC).

2.1 Tiempo real.

La capacidad en tiempo real se refiere a la capacidad del ordenador en programas

de procesamiento de datos para que siempre esté listo para procesar y proporcionar los

resultados dentro de un tiempo especificado. En este contexto "estrictamente en tiempo

real" significa que un sistema reacciona a los eventos externos dentro de un tiempo

especificado en un 100% de los casos. Además si se habla de “tiempo real” el sistema

debe responder en tiempos concretos también en un 100% de los casos. Si, de otra

forma, los tiempos concretos de reacción pueden superarse en ciertos casos, como en

sistemas no críticos, hablamos de "tiempo real suave".

Page 11: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 11 -

2.2 Hardware en sistemas de supervisión: PLC y PC.

El hecho es que las tareas automatizadas de control, visualización y computación

pueden ser efectuadas por PLCs (conectados en red mediante los módulos adecuados)

mejor que con sistemas exclusivos de control basados en PC. Lo que finalmente es

práctico, no obstante, depende de un gran número de factores y la mayoría deben ser

considerados individualmente para cada proyecto de automatización.

Así, por ejemplo, los actuales conocimientos y preferencias del usuario pueden

jugar un mayor papel que la pura potencia del ordenador. Los factores cruciales, no

obstante, son los atributos de capacidad en tiempo real y las propiedades de seguridad

que hasta ahora han sido fuertemente asociadas con el PLC, aunque el PC también

puede disponer de la característica de capacidad en tiempo real. Un sistema de control

es inconcebible sin capacidad en tiempo real. Es común en sistemas de control por

ordenador tener que elegir, según las características del sistema a supervisar, entre el

PLC o el PC. Se debe elegir aquel hardware que mejor se adapte a las necesidades del

sistema a supervisar.

Los controladores lógicos programables, en la mayoría de los casos, están

diseñados específicamente para ser empleados en ambientes industriales exigentes y han

sido continuamente desarrollados de forma que sus sistemas operativos en tiempo real

representan su mayor virtud. Ellos son y seguirán siendo, no obstante, la primera

elección para todo control de tareas críticas o extremas por su rendimiento y

simpleza, en los que un PC podría estar simplemente "sobrecargado" debido al trabajo

que le pueden suponer otras tareas de ámbito común, como la gestión y visualización de

datos, accesos a periféricos, bases de datos, etc...

Si, además del control de tareas, se necesita un procesamiento de datos, trabajo en

red o visualización (una aplicación SCADA), un sistema basado en PC debe ser tomado

en consideración.

En cuanto a sistemas operativos, Windows NT, por ejemplo, no es

estrictamente un sistema operativo en tiempo real como el de un PLC, pero puede actuar

de forma suficientemente rápida para aplicaciones "suaves" en tiempo real, gracias a su

arquitectura de micro-kernel.

Page 12: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 12 -

2.3 Tarjetas de expansión.

Como el sistema operativo sólo puede proporcionar respuestas suaves en tiempo

real lo más simple es emplear extensiones hardware para las tareas críticas (placas de

expansión PC) y soluciones software para el resto de tareas. Esto nos lleva a una

compatibilidad con futuros sistemas operativos y una solución totalmente factible

actualmente. Estas tarjetas de expansión asumen las tareas críticas en tiempo real que el

ordenador (PC) no puede atender, se está hablando de tarjetas que incorporan DSPs

(Procesadores de Señales Digitales) o microcontroladores y que aportan una ayuda a la

anterior “sobrecarga” mencionada para los ordenadores (PC).

2.4 La estructura abierta.

Aún no se ha establecido un estándar para poseer extensiones compatibles en

tiempo real de sistemas operativos. De una forma estrictamente determinante, los

sistemas estándar actuales deben ser modificados de forma general, así que la principal

ventaja de un sistema basado en PC - su estructura abierta – pude llegar a ser

un inconveniente. No obstante, la estructura abierta, permite a la empresa o el

desarrollador más libertad en la elección de la herramienta adecuada para el análisis,

diseño y programación del sistema SCADA. La solución comienza a ser propietaria

nuevamente (cada empresa ofrece su solución) y la conversión a futuras generaciones de

sistemas operativos lo hace más difícil.

Page 13: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 13 -

3. APLICATIVO PARA EL LABORATORIO DE

AUTOMÁTICA Una vez descritos todos los conceptos principales de sistemas SCADA , en este

punto se presentan las motivaciones por las cuales se ha realizado este proyecto, las

herramientas hardware y software que se han usado y los objetivos que se han marcado

para el proyecto.

3.1 Motivación

Cada vez más, las empresas se plantean la automatización de una serie de

procesos en su entorno industrial. Con ello se pretende mejorar la productividad,

aumentar la calidad del producto final, además de aumentar la seguridad en el trabajo.

Para conseguir estos objetivos, las empresas deben utilizar ordenadores y un software

especializado en monitorización, control y adquisición de datos, sistemas SCADA.

La razón por la que se realizó el proyecto es por el amplio campo que ofrecen

los sistemas SCADA, y por lo tanto la gran demanda que en el mercado informático y

no informático están tomando. Además el estudio del sistema a monitorizar y/o

controlar abre grandes puertas al conocimiento no sólo de informática, sino de otros

campos. Cuando se quiere supervisar un sistema no sólo deben tenerse conocimientos

de informática, sino que además es necesario saber como actúa, funciona y reacciona

dicho sistema, por lo tanto es necesario el estudio del sistema en sí. Es la puerta de

entrada al conocimiento de otros campos, al trabajo en grupo que puede estar formado

por Químicos, Físicos, Ingenieros en Telecomunicación, Ingenieros Industriales donde

cada individuo aporta sus conocimientos y adquiere de otros.

Page 14: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 14 -

3.2 Software y Hardware utilizado

El software principal utilizado es LabVIEW, una herramienta para la creación de

sistemas SCADA. También se han utilizado paquetes gráficos para la creación y retoque

de imágenes, y drivers y software relacionado con el protocolo TCP/IP.

El entorno de desarrollo y de ejecución es bajo Microsoft Windows 95, pero

podría ser trasladado a Microsoft Windows NT sin ningún problema según

especificaciones de LabVIEW.

El hardware utilizado es básicamente dos ordenadores PC-PENTIUM, una

Tarjeta de Adquisición de Datos: PCL812PG y los dispositivos/elementos de los dos

sistemas que el SCADA monitoriza y controla.

3.3 Objetivos del proyecto Desarrolar un SCADA con LabVIEW que permita supervisar y controlar dos

sistemas que se encuentran en el Laboratorio de Automática. Para ello deben resolverse

los siguientes puntos:

• Interface con los sistemas: resolver la adquisición de datos de los sistemas.

Cuales son las señales que se quieren capturar y que se utilizará para dicha

adquisición de datos.

• Herramienta usada: elección de la herramienta en que se desarrollará la

aplicación SCADA. Estudio de dicha herramienta, posibilidades que ofrece,

limitaciones, funcionamiento.

Page 15: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Introducción - 15 -

• Desarrollo de la aplicación: creación de una aplicación para la supervisión,

monitorización y control de dos sistemas que se encuentran en el Laboratorio

de Automática de la E.U.I.S.

• Conectividad por la red: transferencia de información a través de la red de la

U.A.B. para la monitorización remota de los sistemas anteriormente citados.

Creación de un cliente/servidor TCP/IP para dicha tarea.

Page 16: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – LabView - 16 -

CAPÍTULO II: LABVIEW

1. INTRODUCCIÓN

LabVIEW es una herramienta diseñada especialmente para monitorizar,

controlar, automatizar y realizar cálculos complejos de señales analógicas y digitales

capturadas a través de tarjetas de adquisición de datos, puertos serie y GPIBs (Buses de

Intercambio de Propósito General).

Es un lenguaje de programación de propósito general, como es el Lenguaje C o

Basic, pero con la característica que es totalmente gráfico, facilitando de esta manera el

entendimiento y manejo de dicho lenguaje para el diseñador y programador de

aplicaciones tipo SCADA.

Incluye librerías para la adquisición, análisis, presentación y almacenamiento de

datos, GPIB y puertos serie. Además de otras prestaciones, como la conectividad con

otros programas, por ejemplo de cálculo, y en especial MatLAB.

Está basado en la programación modular, lo que permite crear tareas muy

complicadas a partir de módulos o sub-módulos mucho más sencillos. Además estos

módulos pueden ser usados en otras tareas, con lo cual permite una programación más

rápida y provechosa.

También ofrece la ventaja de “debugging” en cualquier punto de la aplicación.

Permite la posibilidad de poner “break points”, ejecución paso a paso, ejecución hasta

un punto determinado y se puede observar como los datos van tomando valores a

medida que se va ejecutando la aplicación. Además también lleva incorporado

generadores de señales para poder hacer un simulador.

Page 17: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – LabView - 17 -

2. FILOSOFÍA DE LABVIEW. LabVIEW es un lenguaje completamente gráfico, y el resultado de ello es que es

totalmente parecido a un instrumento, por ello a todos los módulos creados con

LabVIEW se les llama VI (Instrumento Virtual).

Existen dos conceptos básicos en LabVIEW: el Front Panel (Panel Frontal) y el

Block diagram (Diagrama de Bloque).El Panel Frontal es el interfaz que el usuario esta

viendo y puede ser totalmente parecido al instrumento del cual se están recogiendo los

datos, de esta manera el usuario sabe de manera precisa cual es el estado actual de dicho

instrumento y los valores de las señales que se están midiendo, El diagrama de bloques

es el conexionado de todos los controles y variables, que tendría cierto parecido al

diagrama del esquema eléctrico del instrumento.

LabVIEW tiene la característica de descomposición modular ya que cualquier

VI que se ha diseñado puede convertirse fácilmente en un módulo que puede ser usado

como una sub-unidad dentro de otro VI. Esta peculiaridad podría compararse a la

característica de procedimiento en los lenguajes de programación estructurada.

Es un sistema abierto, en cuanto a que cualquier fabricante de tarjetas de

adquisición de datos o instrumentos en general puede proporcionar el driver de su

producto en forma de VI dentro del entorno de LabVIEW. También es posible

programar módulos para LabVIEW en lenguajes como C y C++, estos módulos son

conocidos como Sub-VIs y no se difieren a los VI creados con LabVIEW salvo por el

interfaz del lenguaje en el que han sido programados. Además estos Sub-VIs son muy

útiles por ejemplo en el campo de cálculos numéricos complejos que no se encuentran

incluidos en las librerías de LabVIEW.

Page 18: Curso Scada Automatizacion Labview

3. EL PANEL FRONTAL Y EL DIAGRAMA DE BLOQUES

Se podría decir que en cualquier VI existen dos caras bien diferenciadas: El

Panel Frontal y el Diagrama de Bloques.

El Panel Frontal es la cara que el usuario del sistema está viendo cuando se está

monitorizando o controlando el sistema, o sea, el interfaz del usuario. Este contiene

controles e indicadores y existe una gran variedad de ellos, pero además incluso se

pueden diseñar controles e indicadores personalizados, lo cual permite tener una amplia

gama de dichos controles e indicadores. La Figura 3.1-II. es una pequeña demostración

de algunos de los controles e indicadores.

Figura 3.1-II. Demostración de un sistema de control de Temperatura

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – LabView - 18 -

Page 19: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – LabView - 19 -

Un control puede tomar muchas formas, y muchas de estas formas el dibujo real

usado en instrumentos reales. Otros son estrictamente conceptos digitales o analógicos.

Pero todos los controles tienen una forma visual que indican al usuario cual es el estado

de dicho control en el instrumento real. Es muy importante en un sistema SCADA que

el usuario no tenga que interpretar nada, sino que todo le sea claro y conciso, las

interpretaciones pueden dar lugar a falsas actuaciones y, por consiguiente, podrían

existir lamentables errores. Además, dos usuarios podrían interpretar de manera

diferente cualquier evento.

Page 20: Curso Scada Automatizacion Labview

El Diagrama de Bloques del VI sería la cara oculta del Panel Frontal, una cara

que el usuario del sistema no puede ver. En ella están todos los controles e indicadores

interconectados, pareciéndose mucho a un diagrama de esquema eléctrico. Esta cara es

mucho menos conceptual que el Panel Frontal y para el usuario sería muy difícil

entenderla. La siguiente Figura 3.2-II. es el diagrama de bloques de la Figura 3.1-II

mostrada anteriormente.

Figura 3.2-II. Diagrama de bloques de un sistema de control de temperatura

Se puede observar como todos los módulos están interconectados, mediante líneas de conexión, por donde circulan los diferentes datos o valores del VI., de esta manera se logra que el VI funcione como un conjunto de elementos, módulos y sub-módulos.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – LabView - 20 -

Page 21: Curso Scada Automatizacion Labview

CAPÍTULO III: COMUNICACIÓN APLICACIÓN

SCADA CON EL ENTORNO En este capítulo se explicarán los conceptos básicos de la comunicación de un

sistema SCADA con todo su entorno, para ello se estudiarán los siguientes temas:

• Adquisición de Datos para ordenadores, y en especial como funcionan las

tarjetas de adquisición de datos.

• Redes LAN y el protocolo TCP/IP, aplicaciones servidor/cliente.

1. TARJETAS DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Otra forma de medir las señales y transferir los datos al ordenador es usando

Tarjetas de Adquisición de Datos, llamadas comercialmente tarjetas DAQ. Estas tarjetas

poseen Convertidores Analógico/Digitales (ADC) y Convertidores Digital/Analógicos

(DAC) que permiten la entrada/salida de señales analógicas y digitales. Como se

muestra en la Figura 1.1-III.

Figura 1.1-III Adquisición de Datos mediante Tarjetas ADQ-

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 21 -

Page 22: Curso Scada Automatizacion Labview

1.1 Sampling (Muestreo) Los datos son capturados mediante un ADC usando un proceso de muestreo.

Muestrear una señal analógica requiere la toma de muestras de dicha señal en tiempos

determinados, tiempos discretos. La frecuencia en que la señal es muestreada es

conocida como Frecuencia de Muestreo. El proceso de muestreo genera valores de la

señal a intervalos de tiempo conocidos, como se muestra en la figura 1.1.1-III.

Figura 1.1.1-III Proceso de Muestreo- La frecuencia de Muestreo determina la calidad de la señal analógica que se

convierte. Cuanto más alta sea la Frecuencia de muestreo mejor será la conversión de la

señal analógica, tendrá mayor parecido con la señal real. La frecuencia mínima de

muestreo requerida para representar la señal adecuadamente debe ser como mínimo dos

veces la frecuencia máxima de la señal analógica que se desea convertir (Principio de

Nyquist). En la siguiente figura 1.1.2-III. se muestra un ejemplo de cómo se ve alterada

la señal convertida en función de la Frecuencia de Muestreo. Puede observarse también

que si la señal es muestreada a una Frecuencia de Muestreo menor que dos veces la

frecuencia máxima de la señal, se produce el efecto de Aliasing.

Figura 1.1.2-III. Sampling y aliasing debido a una baja Frecuencia de muestreo

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 22 -

Page 23: Curso Scada Automatizacion Labview

1.2 Convertidores Analógico/Digitales (ADC ) Una vez la señal ha sido muestreada, sus muestras necesitan ser convertidas a

código digital. Este proceso se llama conversión Analógico/Digital. En la

Figura 1.2.1-III. se muestra un ejemplo de conversión:

Figura 1.2.1-III. Conversión Analógico/Digital.

La mayoría de tarjetas también poseen un multiplexor que actúa como un switch

para los diferentes canales del ADC. Esto hace posible capturar diferentes señales

analógicas en paralelo, el inconveniente es que la Frecuencia de Muestreo debe ser

dividida por el número de canales en paralelo que posee la tarjeta.

1.2.1 Resolución del ADC

La precisión de la señal analógica de entrada convertida en formato digital

depende del número de bits que el ADC usa. La resolución de la señal convertida esta

en función del número de bits que el ADC usa para representar el dato digital. El rango

de voltaje entre voltaje máximo y voltaje mínimo con el que la señal real puede ser

representada analógicamente se subdivide en función del numero de bits de resolución

digital. Por ejemplo un ADC de 8 bits puede dar hasta 256 niveles de representación

digital (2^8 = 256). Esto quiere decir que el rango de voltaje de la señal real se dividirá

en 256 niveles, en el que cada uno de ellos tomará un valor digital determinado.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 23 -

Page 24: Curso Scada Automatizacion Labview

Dependiendo de la precisión del ADC, puede ocurrir que los cambios más

pequeños de voltaje de la señal analógica no puedan ser representados digitalmente. Por

ello la resolución es una característica muy importante en las tarjetas ADQ.

La figura 1.2.1.1-III muestra la resolución para un ADC de 3 bits:

Figura 1.2.1.1-III ADC de 3 Bits.

1.2.2 ADC No lineales Idealmente si el voltaje aplicado a la entrada de un ADC se incrementa

linealmente, se espera que el resultado al convertir la señal a información digital

también se incremente linealmente como se muestra en la Figura 1.2.2.1-III.:

Figura 1.2.2.1-III Características de transferencia de un ADC ideal.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 24 -

Page 25: Curso Scada Automatizacion Labview

No siempre ocurre de esta manera. Sólo las tarjetas DAQ perfectas son así, estas

tarjetas, aunque existen, tienen un elevado costo, y normalmente se encuentran en el

mercado tarjetas que tienen una pequeña variación lineal, como se muestra en la

Figura 1.2.2.2-III.

Figura 1.2.2.2-III Características de transferencia de un ADC no ideal.

1.2.3 ADC Settling Time (Tiempo de fijación de la señal). En una tarjeta típica, la señal analógica primero es seleccionada por un

multiplexor, y luego amplificada antes de ser convertida por el ADC. El amplificador

usado entre el multiplexor y el ADC debe ser capaz también de rastrear, retener y fijar

la señal que se desea convertir, si no el ADC convertirá una señal que aún está en

transición. Un tiempo de fijación erróneo puede llegar a ser un gran problema. Para

determinar un Tiempo de Fijación correcto debe tenerse en cuenta la Frecuencia de

muestreo y la ganancia de la tarjeta DAQ.

1.3 Transferencia de Datos al Ordenador

Normalmente, las tarjetas DAQ se instalan en los buses de alta velocidad del PC

como los buses PCI. En función de la velocidad de la placa base del PC, la velocidad de

transferencia de datos máxima entre componentes de dicha placa base suele estar entre

el microprocesador y la memoria con valores que van desde los 20Mhz hasta los

40Mhz. Para mejorar la transferencia de datos, se implementa el Bus Mastering, que

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 25 -

Page 26: Curso Scada Automatizacion Labview

permite a las tarjetas DAQ transferir datos directamente a la memoria, y con ello se

logra acelerar el proceso de adquisición de datos. Ver los ejemplos siguientes de tarjetas

sin y con Bus Mastering implementado.

Figura 1.3.1-III Transferencia de datos sin Bus Mastering (convencional)

Figura 1.3.1-III Transferencia de datos con Bus Mastering

Como se puede observar en la Figura 1.3.1-III el microprocesador está

participando en la transferencia de datos, empleando en ello un tiempo en que podría

estar haciendo otras tareas. Por otro lado se observa que en la Figura 1.3.2-III la

transferencia de datos es directa a la memoria, con lo cual el microprocesador está libre

para ser utilizado por otras tareas, esto se logra mediante la tecnología Bus Mastering. Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 26 -

Page 27: Curso Scada Automatizacion Labview

1.4 Convertidores Digital/Analógicos (DAC)

Las tarjetas multifunción también tienen integrado, normalmente, un convertidor

Digital/Analógico (DAC). Un DAC puede generar una señal analógica en función de un

dato digital.

Esto permite a las tarjetas de este tipo generar una señal analógica de salida, con

voltajes en corriente continua (DC) o corriente alterna (AC). Al igual que el ADC, los

DAC se encuentran limitados por el número de muestras que pueden procesar y el

número de bits que usan para convertir el dato digital en señal analógica.

Figura 1.4.1-III Generación de una onda sinusoidal con resolución de 3 bits. La Figura 1.4.1-III muestra cómo una onda sinusoidal es convertida por un DAC

de 3 bits.

Es también importante en un DAC un tiempo de fijado (Settling Time) pequeño,

ya que así podrá generar señales de frecuencia alta, debido a que el tiempo usado en

fijar la señal de salida para un nuevo nivel de voltaje será bajo.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 27 -

Page 28: Curso Scada Automatizacion Labview

1.5 Esquema típico de una Tarjeta de Adquisición de Datos

En la siguiente Figura 1.5.1-III se puede observar todos los componentes más

importantes de una tarjeta de Adquisición de Datos.

Figura 1.5.1-III Tarjeta real de Adquisición de Datos-

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 28 -

Page 29: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 29 -

1.6 Tarjeta PCL-812PG La tarjeta PCL-812PG es la tarjeta que se ha usado en el proyecto para la

adquisición de datos y control de señales para la monitorización y control del

Laboratorio de Automática. Es una tarjeta para PC/XT/AT y compatibles. Es de alta

velocidad y rendimiento, además de ser multifunción.

1.6.1 Características Técnicas

Las característica técnicas de la tarjeta son las siguientes:

• 16 canales de entradas analógicas (single-ended).

• Un convertidor standard industrial de 12-bit convirtiendo las señales de

entradas analógicas por aproximaciones sucesivas. La máxima frecuencia de

muestreo es de 30Mhz en Modo DMA.

• Rangos de entradas analógicas programables por software.

Bipolar : ± 5V, ± 2.5V, ±12.5V, ± 0.625V, ± 0.3125V.

• Tres entradas analógicas con los siguientes modos Trigger:

- Software Trigger.

- Trigger de Nivel (programable).

- Trigger de Pulso (programable).

• Posibilidad de transferencia de datos A/D convertidos por interrupción o

DMA.

• Un Temporizador/Contador INTEL 8253-5.

• Dos canales de salida D/A con resolución de 12 bits. Con rango de salida de

0 a +5V o 0 a +10V.

• 16 entradas digitales compatibles TTL/DTL.

• 16 salidas digitales compatibles TTL/DTL.

Page 30: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 30 -

1.6.2 Especificaciones del Producto.

Las especificaciones del producto son las siguientes:

• Entradas Analógicas (A/D Convertidor)

- Canales : 16 single-ended

- Resolución : 12 bits

- Rango de entrada : Bipolar : ± 5V, ± 2.5V, ±12.5V, ± 0.625V,

± 0.3125V.

- Sobre Voltaje: Continuo ± 30V max.

- Convertidor : HADC574Z.

- Velocidad de Conversión : 30 Mhz. max.

- Precisión : 0.015 % leyendo ± 1 bit

- Lineal en : ± 1 bit

- Modos en Trigger : por software, por placa o externo.

- Transferencia de datos : Control por programa, por

interrupción o DMA.

• Salidas Analógicas (D/A Convertidor)

- Canales : 2 canales

- Resolución : 12 bits

- Rango de salida : 0 a +5V o 0 a +10V.

- Dispositivos Analógicos : AD7541AKN o equivalentes.

- Lineal en : ± ½ bit

- Settling Time : 30 microsegundos.

• Entradas Digitales

- Canal : 16 bits

- Nivel : TTL compatible

- Voltaje de entrada : Bajo 0.8V max. Alto 2.0V min.

Page 31: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 31 -

• Salidas Digitales

- Canal : 16 bits.

- Nivel : TTL compatible.

- Voltaje de salida: Bajo 8mA a 0.5V max.

Alto 0.05mA a 2.7V max.

• Temporizador/Contador programable

- Dispositivo : INTEL 8253

- Contadores : 3 canales de 16 bits.

- Entrada, puerta : TTL/DTL/CMOS

- Base de Tiempo : 2MHz.

• Canal de Interrupción

- Nivel : IRQ 2 a 7, seleccionable por jumpers en placa.

- Permitido : Vía S0, S1 y S2 del registro de CONTROL.

• Canal DMA

- Nivel : 1 o 3, seleccionable por jumpers en placa

- Permitido : Vía S0, S1 y S2 del registro de CONTROL.

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 32 -

2. REDES LAN Y PROTOCOLO TCP/IP

Existen diferentes medios para que los datos puedan ser intercambiados entre los

instrumentos de campo y el ordenador. Muchos de los instrumentos poseen un puerto

serie, mediante el cual la información es enviada al ordenador o a otros instrumentos. El

uso de GPIB (Buses de Intercambio de Propósito General) permiten transferir datos a

través de puertos paralelos, puertos series y redes de instrumentos o ordenadores.

2.1 Conceptos básicos de Redes y protocolo TCP/IP

Una de las principales evoluciones de la informática ha sido el paso del modo

centralizado al modo distribuido o repartido. Uno de los efectos de los progresos

realizados en el plano de los componentes físicos está, en muchos casos, en el abandono

de la máquina central encargada de la ejecución de las diferentes tareas en beneficio de

varias máquinas. En dicho entorno, rápidamente se hace sentir la necesidad de

intercambio de información entre diferentes máquinas. Puede tratarse de intercambio de

datos entre programas o de archivos o informaciones entre usuarios. El concepto de red

corresponde a esta interconexión entre diferentes máquinas.

Las funcionalidades de las redes están en constante evolución y se pueden

caracterizar por el paso del modo repartido al modo distribuido. En el primero, los

recursos necesarios para una actividad deben localizarse explícitamente. Por tanto, un

usuario tiene que tener una cierta idea de la topografía de la red. Con el concepto de

distribución, los diferentes recursos de un mismo tipo constituyen un recurso

virtualmente único. Por ejemplo, los discos de las diferentes unidades constituyen un

disco virtual único al cual pueden acceder los diferentes sistemas de una manera

totalmente transparente.

Un primer criterio de clasificación de redes es el alejamiento de sus diferentes

componentes. En el caso de una red local, la distancia que separa los huéspedes no

excede de varios kilómetros permitiendo una interconexión física que se realiza

Page 33: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 33 -

mediante diferentes soportes. En una red a larga distancia para la unión entre dos

huéspedes puede utilizarse como soporte la línea telefónica o satélites.

La multiplicación de redes locales que ofrecen servicios a un grupo restringido

de usuarios, ha mostrado rápidamente sus límites y se ha dejado sentir la necesidad de

superar el cuadro local de sus intercambios. El satisfacer estas necesidades ha chocado

con la heterogeneidad de las redes. Por iniciativa del DARPA (Desfense Advanced

Research Project Agency), se han realizado investigaciones para obtener una red lógica

que, a priori, permita la interconexión de todas las redes, cualquiera que sea la

tecnología. Estas investigaciones convergen en la definición de una serie de protocolos

a los que generalmente se hace referencia nombrando los dos protocolos principales, es

decir TPC/IP.

Los interfaces IP aseguran la gestión de los protocolos específicos a cada tipo de

red física. Uno de los papeles que les incumbe es la fragmentación de los mensajes que

se van a emitir: se trata de dividir los mensajes para enviarlos mediante un trama física.

El protocolo IP se utiliza para el intercambio de paquetes de información en modo no

conectado: por tanto no garantiza la llegada correcta de los mensajes. Esta funcionalidad

se introducirá mediante el protocolo TCP. TCP es un protocolo orientado a conexión,

que ofrece un servicio seguro de transporte de información (octetos), los octetos que se

emiten desde un lado de la conexión se liberan en el mismo orden al otro lado de la

conexión. Este grupo de octetos no tiene ninguna estructura. La conexión se realiza en

modo duplex: por tanto, soporta una comunicación simultánea en los dos sentidos.

El modelo de servidor/cliente es el modo de interacción más corriente entre

aplicaciones en una red. Un servidor es un programa que ofrece un servicio en la red, es

decir, que realiza una función específica. En ciertas circunstancias, este término

designará a una máquina. Este será el caso si dicha máquina está dedicada a un servicio

particular (por ejemplo, servidor de datos adquiridos). Un cliente es un programa que

dirige a un servidor una petición específica que corresponde a una demanda de servicio.

De este modo, en el caso de aplicaciones que se comuniquen utilizando estos

protocolos, se enviará una petición de un cliente a un servidor por mediación de un

Page 34: Curso Scada Automatizacion Labview

paquete que contiene, en particular, un número de puerto que corresponde al servicio y

el número del puerto donde el cliente espera la respuesta.

2.2 Adquisición de Datos Locales y Comunicación Remota.

Muchos de los sistemas SCADA empleados necesitan comunicarse vía red,

puertos GPIB, telefónica o satélite. Mientras existen unos ordenadores que están

capturando datos en campo, normalmente llamados Estaciones Remotas, hay otros que

se encargan de recoger la información y gestionarla, Centros de Control.

En este proyecto se ha realizado una similitud con los sistemas SCADA de gran

tamaño o que gestionan una gran información en cuanto a que existe un ordenador

PC-PENTIUM que esta capturando los datos del Laboratorio de Automática y otros

ordenadores que pueden encontrarse en cualquier punto de la red de la U.A.B. que están

recibiendo la información que el ordenador del Laboratorio está capturando. Esto se ha

realizado gracias a la red de la U.A.B el protocolo TCPI/IP y la implementación de un

sistema cliente/servidor para LabVIEW. Este cliente/servidor de TCP/IP ha sido

diseñado a partir de unos ejemplos demostrativos del funcionamiento de LabVIEW con

TCP/IP, mejorado y adaptado para este proyecto. Ver la siguiente Figura 2.2.1-III. en la

que queda representada dicha comunicación.

Figura 2.2.1-III Comunicación utilizada por el SCADA.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 34 -

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Comunicación Aplicación SCADA con el entorno - 35 -

De esta manera se consigue que los datos que se están capturando en el

ordenador del Laboratorio de Automática, pueden ser vistos por ejemplo desde el

campus de Bellaterra o desde la Facultad de Informática E.U.I.S. Permitirá un apoyo y

supervisión constante por parte del personal encargado del Laboratorio de Automática,

que puede encontrarse en Bellaterra o en cualquier punto de la red de la U.A.B.

Al igual que en muchos grandes sistemas SCADA el control de los sistemas que

se supervisan, o el envío de órdenes a esos sistemas a través de la red no se ha

implementado ya que los sistemas que se supervisan son críticos, y podrían provocar

consecuencias graves al no estar presentes en el Laboratorio.

Todos los ordenadores del Aplicativo tienen las mismas ventanas de supervisión.

Lo que diferencia el servidor de los clientes, es que el primero tiene que ejecutar una

ventana que será el servidor de datos para TCP/IP.

Page 36: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 36 -

CAPÍTULO IV: APLICATIVO PARA EL

LABORATORIO DE AUTOMÁTICA

Este capítulo se centrará en el Aplicativo para el Laboratorio de Automática que

se ha creado como resultado del estudio de los sistemas SCADA y su entorno. Se

describen los sistemas a supervisar, así como los objetivos, la descripción funcional,

estructura y manejo del aplicativo.

1. DESCRIPCIÓN DE LOS SISTEMAS.

El aplicativo supervisa dos sistemas que se encuentran en el Laboratorio de

Automática que se describen a continuación:

• Sistema Servomotor, en el Laboratorio de Automática hay un motor de

corriente continua. Una fuente de alimentación proporciona la corriente

necesaria para el funcionamiento de todos los elementos del sistema. El

motor se alimenta con una señal que procede de un amplificador, el cual

tiene la misión de multiplicar la señal de entrada por una ganancia elevada,

para que a la salida se tenga la energía suficiente para hacer girar el motor. El

motor está conectado a un dial de salida, que indica la posición (ángulo) en

grados. Además, un tacómetro, incorporado al motor, genera una señal en

Voltios proporcional a la velocidad de giro. La constante que determina la

conversión de grados a voltaje se obtiene experimentalmente. De igual

manera, el dial de salida da una señal eléctrica proporcional al ángulo, el

valor de la constante que se encarga de hacer esta conversión también se

obtendrá empíricamente.

Un bloque preamplificador recibe dos señales en la entrada, que se suman, el

resultado se multiplica por una cierta constante (de amplificación). La señal

eléctrica resultante está conectada a la entrada del servoamplificador. Las

entradas al preamplificador (en el montaje de lazo abierto que se encuentra

Page 37: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 37 -

implementado) son, por una parte, la señal del tacómetro, que se multiplica

por una ganancia de ½ mediante un atenuador (realimentación tacométrica) y

la señal de salida de un bloque PID. El bloque PID entra la señal de error,

que es la diferencia entre la señal de referencia y la señal de salida (dial de

salida). La señal de entrada al sistema es proporcionado por otro dial (de

entrada), similar al de salida, el cual genera una señal eléctrica proporcional

al ángulo, con el mismo factor de conversión que el de salida. Las señales

procedentes de los dos diales se restan mediante un bloque amplificador

operacional, la salida del cual se envía al PID.

Las señales que son supervisadas por el aplicativo son la Posición de Salida

y la Velocidad, la señal que es controlada o a la que se le puede enviar una

orden es la Posición de Entrada.

• Sistema Depósitos, en este tipo de sistemas se suelen encontrar depósitos

conectados entre sí mediante tuberías y válvulas. El estudio de este sistema

se realizará para un depósito o dos depósitos conectados por una tubería y

una válvula. Adicionalmente se ha incorporado un modelo, que calcula la

apertura de la válvula del tanque para que el caudal de entrada y el de salida

sean iguales en función de un nivel de referencia. Esta simulación permitirá

al alumno realizar pruebas teóricas y observar las diferentes reacciones del

sistema.

Las señales que son supervisadas por el aplicativo son los niveles de agua en

los dos tanques, y las señales que se controlan o a las que se les pueden

enviar órdenes son las potencias en que las dos bombas de agua actúan,

obteniendo más o menos caudal de entrada.

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 38 -

2. OBJETIVOS DEL APLICATIVO

Los objetivos del aplicativo son los siguientes:

• Adquisición de datos por ordenador a través de la tarjeta de adquisición de

datos PCL812-PG.

• Aplicativo totalmente configurable.

• Monitorización y control de la adquisición de datos mediante LabVIEW.

• Presentación y descripción del sistema Servomotor.

• Simulación de un modelo para el sistema de Depósitos.

• Supervisión, monitorización y control del Sistema Servomotor del

Laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

• Supervisión, monitorización y control del Sistema de Depósitos del

Laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

• Telecomunicación a través de la red de la U.A.B y protocolo TCPI/IP, para

poder presentar los datos adquiridos en cualquier punto de dicha red.

• Herramienta útil y de manejo sencillo para aquellos alumnos que cursan

asignaturas dentro del campo de Control y Automatica.

• Se dejará preparado el aplicativo para actualizaciones posteriores.

Page 39: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 39 -

3. DESCRIPCIÓN FUNCIONAL

Por tanto el aplicativo en función de los objetivos que se han marcado en el

apartado anterior, deberá realizar las siguientes funciones:

• Adquisición de datos en tiempo real mediante una tarjeta de adquisición de datos

para ordenadores PC/XT/AT o compatibles. La adquisición de datos debe estar

controlada desde LabVIEW, pudiéndose configurar los canales de entradas y

salidas de las señales a adquirir o controlar. Exigir que los datos presentados en el

aplicativo y su correspondiente valor real sea el mismo, no exista diferencia alguna.

• Aplicativo totalmente configurable. Se parametrize a través de una ventana de

configuración todas las variables necesarias para el correcto funcionamiento del

aplicativo, esto implica la configuración de los canales de salida y entrada de las

señales, y las direcciones y puertos TCP/IP. Esta ventana deberá ser ejecutada por el

usuario al iniciar el aplicativo para que el sistema SCADA quede totalmente

configurado.

• Se monitorizarán y controlarán las siguientes señales de los sistemas:

Sistema de Servomotor : Monitorizar la señal de Posición de Salida y la señal de

velocidad del motor. Se controlará la señal de Posición de Entrada del motor y el

error de ajuste del PID (de momento queda configurado y representado pero no se

utiliza).

Sistema de Depósitos : Monitorizar las señales de nivel de agua en los tanques, para

el Tanque 1 y el Tanque 2. Se controlará las dos señales de potencia de las Bombas

de Agua que repercuten en el caudal de entrada para el Tanque 1 y el Tanque 2.

• Creación de una pantalla para el Sistema de Depósitos, que permitirá al usuario

realizar el siguiente cálculo: en función de un nivel de referencia, se calculará la

abertura de la válvula para que el caudal de salida y el caudal de entrada sea el

mismo, ecuación diferencial que nos representará un transitorio y su posterior valor

estable. Para el Sistema Servomotor se creará una ventana donde se encuentra un

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 40 -

gráfico detallado de los elementos y conexiones que configuran dicho sistema, esta

herramienta será de gran utilidad para que el alumno pueda identificar cada

elemento del sistema, además se incorporará una descripción del sistema y de cada

uno de sus elementos.

• Creación de dos ventanas para el Sistema de Servomotor donde se visualizarán

gráficamente los valores reales del sistema mediante elementos gráficos que tienen

parecido con el modelo real, campos con los valores exactos de las señales y

gráficas de evolución donde se podrá observar la tendencia del sistema. En una de

las dos ventanas, la ventana de control, además se incorporará elementos gráficos y

campos con el valor exacto de la señales a controlar, permitiendo al usuario que

pueda cambiar los valores de dichos controles. En estas ventanas además se podrá

configurar el tiempo de muestreo.

• Creación de dos ventanas para el Sistema de Depósitos donde se visualizarán

gráficamente los valores reales del sistema mediante elementos gráficos que tienen

parecido con el modelo real, campos con los valores exactos de las señales gráficas

de evolución donde se podrá observar la tendencia del sistema. En una de las dos

ventanas, la ventana de control, además se incorporará elementos gráficos y campos

con el valor exacto de la señales a controlar, permitiendo al usuario que pueda

cambiar los valores de dichos controles. En estas ventanas además se podrá

configurar el tiempo de muestreo.

• Telecomunicación a través de la red de la U.A.B y protocolo TCPI/IP, para poder

presentar los datos adquiridos en cualquier punto de dicha red. Esto implica crear

una ventana que será el servidor remoto. Esta ventana deberá ejecutarse en el

ordenador donde se estén adquiriendo los datos, para que otros ordenadores

conectados a la red pueden visualizar dichos datos. Esto no implica tener un

ordenador solo como servidor de red para TCP/IP, sino que este ordenador a la vez

podrá presentar los datos localmente. También implica crear dos ventanas, una para

cada sistema, que serán los clientes remotos, donde se visualizarán los datos a través

de la red. En estas dos ventanas no se permitirán ni configurar el tiempo de

muestreo, ya que podría provocar sobrecarga en la red, ni tampoco el control de las

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 41 -

señales de salida, ya que son críticas y podrían provocar actuaciones no deseadas

sobre los sistemas al no estar presentes en el Laboratorio. Por ello en estas ventanas

sólo se presentarán datos del estado actual del sistema.

El manejo del servidor/cliente de TCP/IP es sencillo en cuanto a requisitos

necesarios para el intercambio de información. El cliente deberá especificar al

servidor que datos quiere - esto lo hará mediante el nombre de las variables- y de

que VI - mediante el nombre del VI -, con esta simple operación, el servidor es

capaz de enviar los datos que se han solicitado al cliente correspondiente. No es

necesario hacer nada más.

• Herramienta útil y de manejo sencillo para aquellos alumnos que cursan asignaturas

dentro del campo de Control y Automática. El aplicativo será totalmente gráfico e

intuitivo, para que el alumno no se preste a malas interpretaciones y caiga en

posibles errores.

• El aplicativo queda totalmente abierto para posteriores actualizaciones, de manera

que podrán generarse nuevas ventanas, o modificar las ventanas existentes,

incorporar dichas ventanas al menú o incluso incorporar nuevas señales.

Page 42: Curso Scada Automatizacion Labview

4. ESTRUCTURA DEL APLICATIVO

Existen dos módulos de adquisición y control de datos, uno para cada sistema

que están continuamente capturando y/o dando órdenes al sistema. Una ventana de

configuración, que debe ejecutarse al iniciar el aplicativo para que el SCADA quede

totalmente configurado. Una ventana que es el servidor remoto, que deberá ejecutarse

cuando se quiera intercambiar información a través de la red. Y por último un menú

donde se presentan todas las opciones del aplicativo. Esta estructura se ve reflejada en la

siguiente Figura 4.1-IV.

Figura 4.1-IV Estructura del aplicativo

La figura 4.1-IV se interpreta de la siguiente manera: al iniciar el aplicativo lo

primero que se hace es configurar todos los parámetros del mismo, se ve reflejado en la

tarea ‘Configura Aplicativo’. A partir de aquí el aplicativo queda preparado para la

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 42 -

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 43 -

adquisición de datos y transferencia de información vía red LAN. El aplicativo entra en

un bucle de adquisición y control de datos para los dos sistemas supervisados, se

muestra mediante la flecha curvada que se encuentra en los procesos de

‘Adquisición/control de datos’ de ambos sistemas. Mientras se está haciendo la

adquisición/control de datos el aplicativo puede ejecutar el servidor TCP/IP si hay la

necesidad de transferir información por la red LAN, esto se refleja con la tarea

‘Servidor Remoto’. Por último, al mismo tiempo, el aplicativo muestra un menú ‘Menú

Principal’ , donde se encuentran todas las opciones de monitorización, control y cliente

TCP/IP de los sistemas que se supervisan. Además en este menú principal, aunque no se

muestra en la figura, también hay las opciones de Simulación para el sistema de

Depósitos y descripción del sistema para el sistema Servomotor.

Page 44: Curso Scada Automatizacion Labview

5. EL APLICATIVO El aplicativo para el Laboratorio de Automática es un conjunto de elementos

diseñados específicamente para la adquisición y supervisión de datos de los sistemas de

Depósitos y Servomotor que se encuentran en dicho Laboratorio. Estos elementos son:

un programa software, realizado con LabVIEW que actúa como SCADA, y una tarjeta

de Adquisición de Datos para PC/XT/AT o compatibles, la tarjeta PCL812-PG de PC-

LabCard.

5.1 Menú Principal

En el menú principal están todas las opciones posibles del aplicativo, desde

configurarlo hasta ejecutar un cliente remoto. Es totalmente intuitivo, está construido

mediante botones, los cuales llaman a la ventana correspondiente.

Figura 5.1.1-IV Menú Principal

Las ventanas del aplicativo deben llamarse siempre desde este menú principal, si se

intenta ejecutar una ventana (un VI) directamente, dará un error al cerrarse, ya que la

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 44 -

Page 45: Curso Scada Automatizacion Labview

ventana no se habrá llamado desde el menú principal. La diferencia radica en que

cuando se llama una ventana desde el menú principal, primero se carga en memoria y

posteriormente se ejecuta, de esta manera se logra que al estar la ventana o el VI en

memoria su ejecución es más rápida. Si se ejecuta directamente lo que ocurre es que

simplemente no se carga en memoria. Posteriormente al cerrar la ventana se descarga de

memoria, por lo tanto si no está cargada dará el error de que no se encuentra dicha

ventana.

5.2 Configuración del Aplicativo

En esta ventana se configura el aplicativo. Los posibles parámetros

configurables son los canales de E/S para la adquisición de datos, el puerto de conexión

para el Servidor Remoto en el caso que dicha máquina se utilice como tal, y las

direcciones IP y puertos de las máquinas servidores para que las máquinas cliente

puedan comunicarse vía red con protocolo TCP/IP. Esta ventana debe ejecutarse al

iniciar el SCADA para que éste quede totalmente configurado.

Figura 5.2.1-IV Inicia y configura el aplicativo

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 45 -

Page 46: Curso Scada Automatizacion Labview

5.3 Simulación del Sistema de Depósitos En esta ventana se simula el siguiente modelo para un tanque: se calcula la

apertura de la válvula del tanque para que el caudal de entrada y el de salida sea el

mismo en función de un nivel de referencia (ecuación diferencial). El alumno podrá

observar como el sistema entra en un transitorio para posteriormente estabilizarse

cuando se varia el nivel de referencia o el caudal de entrada. Esta ventana muestra las

gráficas siguientes además de todos los valores de las variables que participan en el

cálculo: gráfica de caudal de entrada/caudal de salida, gráfica de altura del

depósito/nivel de referencia y gráfica de apertura de la válvula.

Figura 5.3.1-IV Simulación del modelo para un tanque en el sistema de depósitos.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 46 -

Page 47: Curso Scada Automatizacion Labview

5.4 Descripción del Sistema Servomotor En esta ventana se muestra el gráfico correspondiente al sistema servomotor, se

muestran todos sus elementos y las conexiones de estos elementos. La implementación

de esta ventana se ha realizado para que el alumno pueda identificar rápidamente cuales

son los elementos del sistema y tenga una descripción de dichos elementos y del sistema

en general.

Figura 5.4.1-IV Esquema del sistema servomotor.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 47 -

Page 48: Curso Scada Automatizacion Labview

5.5 Monitorización de señales

Hay dos ventanas dedicadas a la monitorización de las señales, una para cada

sistema. En estas ventanas se podrá observar los valores de las señales mediante campos

de valor, elementos gráficos que se asemejan a los del instrumento real de medición y

gráficas que nos mostrarán la evolución del sistema. En estas ventanas se podrá

modificar el tiempo de muestreo de las señales.

Figura 5.5.1-IV Ventana de monitorización del sistema de depósitos.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 48 -

Page 49: Curso Scada Automatizacion Labview

5.6 Control de señales Hay dos ventanas dedicadas al control de las señales, una para cada sistema. En

estas ventanas se podrá observar los valores de las señales mediante campos de valor,

elementos gráficos que se asemejan a los del instrumento real de medición y gráficas

que nos mostrarán la evolución del sistema. Además existen elementos gráficos y

campos de valor modificables para que el usuario pueda enviar el control o la orden que

desee al sistema. En estas ventanas se podrá modificar el tiempo de muestreo de las

señales.

Figura 5.6.1-IV Ventana de visualización y control manual para el sistema de depósitos

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 49 -

Page 50: Curso Scada Automatizacion Labview

Figura 5.6.2-IV Ventana de visualización y control manual para el sistema servomotor

Se puede observar en las dos figuras anteriores que los controles manuales para

el sistema de depósitos son objetos gráficos (tipo Gauge), y en cambio para el sistema

servomotor los controles son campos donde se pondrá el valor deseado. Esto es así

debido a que el sistema servomotor es un sistema donde la precisión del dato a

actualizar debe ser la máxima posible. Cuando se manejan objetos gráficos (tipo Gauge)

el valor no se puede precisar al máximo.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 50 -

Page 51: Curso Scada Automatizacion Labview

5.7 Servidor/Cliente TCP/IP

La ventana del Servidor TCP/IP muestra el puerto por el cual se comunica con

los clientes, el número de conexiones de clientes que se encuentran actualmente

conectados (dos para cada cliente, lectura y escritura), el estado actual del servidor y

una información adicional donde se muestra el VI y las señales de éste que se están

transfiriendo. Esta última información ha sido utilizada sobretodo en tiempo de

desarrollo del Servidor, pero en tiempo de ejecución esta información no es muy útil, ya

que es imposible ver cuando se están transmitiendo datos debido a su velocidad, de

todas maneras queda disponible en la ventana para que el usuario pueda ver en que

consiste el servidor TCP/IP.

Figura 5.7.1-IV Servidor Remoto

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 51 -

Page 52: Curso Scada Automatizacion Labview

Hay dos ventanas de Cliente Remoto, una para cada sistema. Estas ventanas son

exactamente iguales a las ventanas de Monitorización, salvo que no se puede cambiar el

tiempo de muestreo, ya que podría provocar sobrecarga en la red. Tampoco se pueden

controlar los sistemas remotamente, debido a que las señales son críticas, y podría ser

peligroso para el sistema enviar un control o orden sin estar presente en el Laboratorio.

En estas ventanas, además, se puede observar la dirección IP y el puerto de la

máquina donde se encuentra el Servidor.

Figura 5.7.2-IV Cliente TCP/IP del sistema servomotor.

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 52 -

Page 53: Curso Scada Automatizacion Labview

Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Aplicativo para el Laboratorio de Automática - 53 -

5.6 Requisitos del Sistema, Instalación y Ejecución • Requisitos Software : para utilizar el aplicativo se necesita ejecutar Windows 95 o

superior (Windows 98 o Windows NT según especificaciones de LabView) y

LabView ver 4.1 o superior.

• Requisitos Hardware: PC/AT o PENTIUM. Una vez instalado LabView se

requieren 10Mb de espacio libre en disco duro para el aplicativo.

Para instalar el aplicativo se deben realizar los siguientes pasos:

- Abrir una sesión de Windows 95 o superior

- Insertar el disquete de instalación en la disquetera

- Ejecutar el programa setup.exe. Es posible que dicho

programa muestre un mensaje de aviso o error al iniciarlo,

esto es debido a que el instalador usa una DLL de versión

muy reciente. Pulsar continuar y el Aplicativo se instalará de

todas manera.

Para ejecutar el programa, pulsar el icono con el nombre “Aplicativo” que se ha creado

en el grupo “Aplicativo Laboratorio Automática”.

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Conclusiones - 54 -

CAPÍTULO V: CONCLUSIONES

1. PRUEBAS REALIZADAS

Las pruebas realizadas han sido las siguientes, dando todas ellas un correcto

funcionamiento:

• Adquisición de datos por ordenador a través de la tarjeta de adquisición de

datos PCL812-PG.

• Monitorización y control de la adquisición de datos mediante LabVIEW.

• Simulación del modelo para el sistema de Depósitos.

• Configuración del SCADA.

• Supervisión, monitorización y control del Sistema Servomotor del

Laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

• Supervisión, monitorización y control del Sistema de Depósitos del

Laboratorio de Automática de la E.U.I.S.

• Telecomunicación a través de la red de la U.A.B y protocolo TCPI/IP.

• Telecontrol a través de la red de la U.A.B y protocolo TCPI/IP. Aunque no

se ha dejado implementado por los motivos anteriormente citados.

Se han probado todas las opciones posibles a partir de la descripción funcional.

Todas ellas han resultado satisfactorias.

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Conclusiones - 55 -

2. DIFICULTADES INICIALES

Los problemas encontrados han sido pocos pero de gran envergadura, son los

siguientes:

• Desconocimiento de las características y funcionamiento de la tarjeta de

adquisición de datos PCL812-PG. Problema resuelto a través del estudio del

mismo, mediante el manual del producto y pruebas empíricas.

• Desconocimiento de las posibilidades y programación de LabView.

Problema resuelto a través del estudio del mismo, mediante los manuales del

producto y los ejemplos que incorpora el producto.

• Desconocimiento del funcionamiento de los sistemas. Problema resuelto

mediante la explicación del Director de Proyecto.

• Desconocimiento de LabView en cuanto a sus posibilidades en el trato de

trasferencia de datos vía TCP/IP.

3. CONCLUSIONES

Las conclusiones a las que se ha llegado en este proyecto son las siguientes :

• Se ha podido experimentar las ventajas de utilizar herramientas diseñadas

especialmente para la creación de sistemas SCADA, en particular, la

herramienta LabView. Esta herramienta está diseñada específicamente para

la creación de estos sistemas, esto supone un gran ahorro en tiempo y trabajo

realizado. Es cierto que el aplicativo que se ha desarrollado también se

hubiera podido hacer con lenguajes de propósito general, de programación

estructurada u Orientados a Objetos, pero si se intenta comparar este tipo de

lenguajes con las herramientas diseñadas específicamente para este tipo de

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Conclusiones - 56 -

aplicaciones se ve claramente que dichas herramientas ofrecen una facilidad

inmejorable para la creación y manejo de sistemas de supervisión, en cuanto

a la disponibilidad de librerías/drives para la adquisición de datos, la

creación de interfaz con el usuario, gestión de datos en tiempo real, gestión

de datos históricos, conectividad vía red, módulos de simulación y cálculos.

Es obvio, pues, entender estas herramientas como un acercamiento fácil y

rápido a la supervisión de sistemas que pueden llegar a ser muy complicados.

Por otro lado, la herramienta LabView, permite construir módulos en

lenguaje ‘C’, para aquellas aplicaciones que supervisan sistemas que

necesitan de soluciones realmente particulares.

• Otra de las grandes ventajas encontradas en este proyecto ha sido la

utilización de tarjetas de adquisición de datos. Tarjetas especialmente

diseñadas para la captura de datos analógicos y digitales. Es evidente

también que estos datos pueden ser capturados de muy diversas formas,

mediante simples convertidores Analógicos/Digitales y circuitería especial y

dedicada para la comunicación con el ordenador, vía puertos paralelo o serie

en el caso de señales digitales, DSPs o microcontroladores que incorporan

DACs, etc... Pero al comparar, se ve claramente que la captura de datos con

tarjetas de adquisición de datos es muy simple y eficaz, puesto que para ello

han sido diseñadas, logrando de esta forma una fácil interactividad entre el

ordenador y el sistema supervisado.

• Una de las aportaciones más importantes encontradas en el proyecto ha sido

la capacidad que tiene LabView para el intercambio de información vía red.

A partir de unos modelos y mediante las librerías propias de LabView se ha

desarrollado un cliente/servidor TCP/IP que ofrece un alto rendimiento, en

cuanto a versatilidad en el intercambio de información y funcionamiento

autóctono a la aplicación. No es necesario dedicar en uso exclusivo una

máquina para el funcionamiento del servidor TCP/IP y además no influye en

las restantes tareas que el ordenador pueda estar realizando, de esta manera

el ordenador puede estar intercambiando información y monitorizando o

controlando el sistema al mismo tiempo.

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Conclusiones - 57 -

• Se han logrado de la mejor manera los objetivos propuestos en el proyecto y

en el aplicativo. Inicialmente se tenían algunas dudas sobre las posibilidades

del sistema SCADA a desarrollar en general, ¿las características de la tarjeta

PCL-812PG serían suficientes para garantizar los datos en tiempo real, sobre

todo en el sistema de servomotor?, ¿LabView sería capaz de comunicarse de

forma eficiente vía red, podría realizar los cálculos del modelo del sistema

servomotor (ecuaciones diferenciales) y a su vez poder generar un entorno

gráfico suficientemente intuitivo?, ¿podría comunicarse vía red, presentar y

controlar el sistema, y realizar cálculos complejos, todo a la vez, sin que se

pierda información?. Los interrogantes a estas preguntas se han resulto de

forma efectiva, sin la necesidad de crear soluciones particulares a estos

problemas, usando las posibilidades de LabView y la tarjeta PCL-812PG ha

sido suficiente.

• Por último, queda uno de los grandes objetivos del proyecto, el intentar crear

una herramienta útil y de manejo sencillo e intuitivo para el alumno que

cursa asignaturas relacionadas en el campo de Automática. Obviamente, mi

opinión en este punto no es muy objetiva, ya que como desarrollador del

aplicativo conozco en exactitud dicho aplicativo, y no tengo la necesidad de

que sea intuitivo, pero, por supuesto, creo que lo es en un 100%, ya que el

aplicativo utiliza un interfaz con elementos y objetos gráficos semejantes al

instrumento real de los sistemas supervisados. En cuanto a su utilidad para el

alumno, aun siendo totalmente subjetivo y positivo, es evidente que sí, ya

que con esta aplicación el alumno podrá: desde estudiar el modelo simulado

para el sistema de depósitos hasta monitorizar y controlar dos sistemas

diferentes, además de poder ser guiado por el profesor del Laboratorio de

forma local o remota.

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Conclusiones - 58 -

4. POSIBLES MEJORAS

Como se ha mencionado anteriormente el proyecto queda totalmente abierto

para nuevas actualizaciones, y, por ello se exponen las siguientes posibles mejoras:

• Seguridad: implementar claves de accesos para envío de controles y

opciones de menú. Permitir sólo a usuarios privilegiados que puedan hacer

según qué operaciones. Clave de acceso para usuarios remotos. Mediante el

estudio que se ha realizado del producto LabView ver 5.0, una versión

superior a la utilizada en el aplicativo, este punto no sería difícil de realizar.

• Historia: almacenar datos históricos de la evolución de los sistemas. Este

punto no se ha implementado ya que el interés del proyecto se centra en la

adquisición de datos y monitorización en tiempo real.

• DDE: gestión de la información que se ha adquirido a través de paquetes de

ofimática.

• Transportar el aplicativo a Internet. Mediante el estudio que se ha realizado

del producto LabView ver 5.0, una versión superior a la utilizada en el

aplicativo, este punto no sería difícil de realizar.

• Monitorizar y controlar un tercer sistema del Laboratorio que funciona con

un PLC. Este punto no se ha podido realizar debido al desconocimiento de

las tramas del protocolo usado por el PLC.

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Diseño de Aplicaciones SCADA con LabView – Bibliografía - 59 -

BIBLIOGRAFÍA

ÍNDICE BIBLIOGRÁFICO [1] USER’S MANUAL PCL812-PG

PC-LabCard Products

[2] CONJUNTO DE MANUALES DE LABVIEW

NATIONAL INSTRUMENTS

[3] COMPUTER SYSTEMS FOR AUTOMATION AND CONTROL

Gustaff Olsson

Gianguido Piani

Ed. M. J. GRIMBLE

[4] AUTOMATAS PROGRAMABLES Josep Balcells

José Luis Romeral

SERIE MUNDO ELECTRONICO, MARCOMBO EDITORES.

[5] SISTEMAS OPERATIVOS: CONCEPTOS FUNDAMENTALES

James L. Peterson

Abraham Silberschatz

Ed. REVERTÉ

[6] INTERNETWORKING with TCP/IP

Douglas E. Comer

PRENTICE HALL