Resumen

 

Se propone un sistema de adquisición de datos aplicado a redes industriales cuyo protocolo sea Modbus/RTU y el medido físico en serie 485. El adquisitor tiene característica de maestro ModBus/RTU y los datos almacenados son valores de registros Modbus disponibles en los esclavos de la red. Cualquier instrumento, sea el una pantalla, un controlador, sensor o otros, pueden considerarse esclavos en la red, puesto que tenga una puerta de comunicación ModBus/RTU.

Palabras llave: Adquisición de datos, maestro ModBus/RTU, redes industriales. 

 

 

1- INTRODUCCIÓN

 

En los ambientes industriales hay siempre la necesidad de analizar el comportamiento de un proceso a través de sus variables y un sistema de adquisición de datos puede ser la solución. También, en el ambiente fabril es muy común los instrumentos distribuidos por la fábrica estar conectados por una red de comunicación (Modbus, Profibus, Fieldbus, etc.). La adquisición de datos es el proceso de medir un fenómeno eléctrico o físico tal como tensión, corriente, temperatura, frecuencia, etc. Todo sistema de adquisición de datos comparte un objetivo común sea adquirir, analizar y presentar la información. Sistemas de adquisición de datos incorporan señales, sensores, actuadores, condicionamiento de señales, dispositivos de adquisición de datos y software de aplicación.

En la automatización industrial se define como red industrial los protocolos de comunicación utilizados para supervisar y controlar un determinado proceso, tal como un cambio rápido y preciso de informaciones entre sensores, actuadores, computadoras, controladores lógicos programables (CLP) etc. Vislumbrando esta necesidad del mercado, se propuso un sistema de adquisición de datos aplicado a redes industriales cuyo protocolo sea el ModBus/TRU y el medio físico en serie 485.El adquisitor tiene la característica de un maestro ModBus/RTU en la red ModBus/RTU.

Los datos a almacenarse son los valores de registros ModBus disponibles en los esclavos de la red. Cualquier instrumento, sea un indicador, un controlador, un sensor o otros, pueden considerarse esclavos en la red, puesto que tenga disponible una puerta de comunicación ModBus/RTU.

El sistema de adquisición de datos propuesto está dividido en tres bloques funcionales. El primero es un bloque TCP/IP responsable por la configuración de las reglas de adquisición, monitoreo y transferencia de datos a través de un software dedicado. El segundo es un bloque Maestro Modbus/RTU, responsable por la barredura de los registros asociados a los equipos esclavos en la red Modbus/RTU. Y el tercero es un bloque de escritura en el formato FAT32, responsable por almacenar los datos de una tarjeta de memoria del tipo micro SD. Este artículo abordará, además de una introducción al sistema de adquisición de datos, un estudio de las topologías utilizadas en las redes industriales, la flexibilidad y la confiabilidad del protocolo de entrega de los datos al cliente y el estudio de casos aplicados a las redes industriales en Brasil.

 

 

2- ADQUISITOR DE DATOS

 

El adquisitor de datos puede dividirse en bloques funcionales para mejor comprensión. Los bloques principales son el UDP, el TCP/IP, el Modbus/RTU Master, el bloque de memoria, de indicación de estatus y el de la CPU.

En los próximos tópicos se abordarán los bloques más importantes del adquisitor de datos.

 

Figura Diagrama de Bloques funcional del adquisitor de datos.

 

 

2- Bloque Funcional UDP

 

El bloque funcional UDP es responsable por la configuración de los parámetros de comunicación del TCP/IP y da la puerta Modbus. Ese bloque utiliza la conexión Ethernet y el protocolo UDP. Los parámetros de configuración del TCP/IP son la dirección MAC, la dirección IP y la máscara de red (MASK). Los parámetros de configuración de la puerta Modbus son el número identificador de la red (ID), la tasa de comunicación (baudrate) y el tiempo excedido (timeout).

La dirección MAC es la dirección física del elemento de la red Ethernet, la cual es fija y única para todos los elementos de la red.

La dirección IP es la identificadora del elemento de la red en uso. Esta dirección es configurable según el dominio de la red en uso.

La máscara de red es usada para separar en un IP separado la parte correspondiente a la red pública, a la sub red y a los hosts. 

El ID en la red Modbus es el identificador configurable y único para cada esclavo presente en la red. El ID puede configurarse con la banda de valores de1 a 255. El baudrate es la tasa en bits por segundo (bps) en la cual el maestro Modbus irá cambiar informaciones con los esclavos en la red. El baudrate será configurado con los valores 9600bps, 19200bps, 38400bps, 57600bps e 115200bps.

El tiempo excedido (Time Out) es el tiempo total que el maestro Modbus espera, tras una pregunta en la red y antes de reportar un fallo, por una respuesta del esclavo correspondiente. El tiempo excedido puede configurarse de 0 a 9999 milisegundos.

 

 

3- Bloque Funcional TCP/IP

 

El adquisitor propuesto puede logar hasta cuatro esclavos en la red Modbus, tiendo sido limitado a este valor a causa del volumen de datos a adquirirse. A cada esclavo en la red está asociada una regla para la adquisición de datos.

Una de las funcionalidades del bloque TCP/IP es configurar las reglas de adquisición. Esta reglas se componen de varios parámetros y son el ID del esclavo en la red, la función Modbus a ser usada, la banda de direcciones Modbus, el intervalo de adquisición, el  tipo de formateado, estadísticas, fecha y hora de inicio y término y el nombre del archivo.

El ID, supra mencionado, es la dirección de identificación del esclavo en la red Modbus. El tipo de función Modbus se refiere a las funciones Modbus estándares de lectura, respectivamente:

Función 1 (Read Coil);

Función 2 (Read Discrets Inputs);

Función 3 (Read Holding Registers);

Función 4 (Read Input Registers).

La banda de direcciones Modbus inicial y final se refieren a las direcciones a logarse en los esclavos. El intervalo de adquisición es el tiempo entre adquisiciones en segundos.

El tipo de formateado del archivo puede ser normal o encriptado. Con el formateado normal, el usuario podrá bajar y visualizar los datos formateados y legibles. Con el formateado

encriptado el usuario solamente logrará visualizar los datos con la ayuda del software a fin de interpretar la encriptación.

Los recursos de estadística pueden añadirse al reporte. Los datos serán de muestras o pueden ser por la media de muestras, pudiéndose  también registrar los valores mínimo y máximo de cada muestra.

Las fechas y horas de inicio y término pueden ser configuradas pues el adquisitor tiene un calendario interno alimentado por batería interna, calendario este sincronizado con el calendario del PC para actualización.

El nombre del archivo podrá contener hasta siete caracteres. Después del último carácter el nombre será llenado con la extensión “txt” automáticamente.

El bloque funcional TCP/IP tiene también otras funcionalidades tales como impulsar el inicio y la parada de la adquisición, bajar y cargar las configuraciones de la reglas, leer la tensión de la batería del calendario, formatear la memoria, sincronizar el calendario del adquisitor con el del PC y abrir, bajar y apagar los archivos en la memoria.

 

 

4- Bloque Funcional Maestro Modbus/RTU

 

El Bloque Funcional Maestro Modbus/RTU es responsable por la ejecución de todos los parámetros configurados en las reglas de adquisición. Es también responsable por publicar una pregunta en la red Modbus/RTU y aguardar la respuesta del esclavo. La respuesta es recibida y verificada con respecto a su integridad. Si la respuesta fuere íntegra el adquisitor irá reportarla, sino irá reportar un error (CRC) en el informe. Si ocurrir un tempo excedido (timeout), o sea, si por cualquier motivo el esclavo de la red no responder, el adquisitor irá reportar otro error (timeout).

 

 

5- Bloco Funcional Tarjeta de Memoria

 

El Bloque Funcional Tarjeta de Memoria es responsable por generar todos los reportes de la adquisición. El sistema de archivo de ese bloque genera reportes en formato estándar (FAT32) compatibles con el sistema operacional de un PC.

El titular del reporte registra un resumen de todos los parámetros configurados en la regla y luego abajo se describen los datos en columnas. Los parámetros del reporte son   índice, fecha, hora, error, dirección Modbus y CRC de la línea. El sumario es un número creciente que corresponde al número de adquisiciones hechas bajo aquella regla.

La columna de hora corresponde al momento en que ocurrió la adquisición.

La columna de error informa si la adquisición ocurrió sin errores (None), con error de integridad (CRC) o error de tiempo de respuesta excedido (timeout)

Las columnas con direcciones Modbus corresponden a la banda de direcciones configuradas en la regla y luego abajo los valores adquiridos.

Y finalmente la columna del CRC de la línea garantiza la integridad de los datos contenidos en cada línea del informe.

 

Figura: Ilustración del informe

 

 

6- SOFTWARE APLICATIVO

 

El software aplicativo es una herramienta desarrollada para auxiliar el usuario a trabajar con el adquisitor de datos. Es responsable por utilizar el bloque UDP para configurar la puerta Modbus/RTU y el bloque TCP/IP para configurar las reglas, las funcionalidades del adquisitor de datos  y también el rescate de los datos. La figura abajo muestra las principales pantallas de configuración del software aplicativo.

 

Figura Principales pantallas de configuración del software aplicativo.