Control en tiempo real de múltiples terminales remotas para edificios inteligentes a través de DNP3

Jesús Hidalgo, Endeavour Consult C.A.

"Después de colaborar con el equipo de aplicaciones y R&D de NI, pudimos utilizar el CompactRIO como un controlador maestro y evitar el uso de dispositivos secundarios para la comunicación con DNP3, lo que se tradujo en un ahorro de alrededor de $500 USD en hardware y costos de instalación para cada terminal remota."

- Jesús Hidalgo, Endeavour Consult C.A.

El Reto:

Monitorear y controlar múltiples interruptores de desconexión para edificios inteligentes con varias PCs funcionando como HMIs y un controlador NI CompactRIO configurado como un maestro DNP3 (Distributed Network Protocol).

La Solución:

Mejorar la librería de DNP3 para LabVIEW existente para poder usar un controlador CompactRIO como maestro de múltiples interruptores de desconexión automatizados de voltaje medio (terminales remotas DNP3) con un uso optimizado de memoria e interacción en tiempo real con HMIs basados en PCs por redes TCP/IP.

Autor(es):

Jesús Hidalgo - Endeavour Consult C.A.
Héctor Rojas - SIDEV

 

Introducción

Endeavour Consult C.A. (establecido en 2008) es un miembro del programa NI Alliance Partner, basado en Caracas, Venezuela. Se dedica al desarrollo de soluciones de control e instrumentación con experiencia en la industria energética y de petróleo y gas. Además, la empresa cuenta con un creciente potencial en el desarrollo de soluciones para edificios inteligentes. A través de la red de NI Alliance Partners, Endeavor Consult trabajó junto con SIDEV, un Alliance Partner mexicano, para crear la solución que el cliente final necesitaba en este proyecto.


Actualmente estamos presenciando el auge de una nueva generación de edificios inteligentes que requieren sistemas operacionales con información más exacta, interactiva y procesada sobre subsistemas como la distribución de energía, agua, protección contra incendios, sistemas HVAC, transporte vertical, seguridad e iluminación, entre otros. El reto es proveer la mejor experiencia y, al mismo tiempo, disminuir el consumo de energía lo más posible para los propietarios, ocupantes y gerentes de mantenimiento. Siguiendo la tendencia global de mejoras para acceso remoto (on-the-go), el cliente de este proyecto requería monitorear y controlar once interruptores de desconexión desde tres cuartos de control diferentes con PCs con Windows, pero una aplicación en tiempo real era necesaria. Estos desconectores pueden comunicarse a través de una red local Ethernet con DNP3 y TCP/IP (Ver Figura 1).

 

El interés del cliente en este requerimiento es un claro paso hacia convertir esta instalación en un edificio inteligente. Su éxito abriría las puertas para implementar progresivamente nuevos procesos de control y monitoreo relacionados con consumo y calidad de energía. Además, sería un ejemplo para otros clientes de la región que pueden beneficiarse de esta solución, incluso con un tiempo menor de desarrollo. La tecnología de National Instruments fue seleccionada por que LabVIEW ofrece la capacidad de programar en alto nivel y aprovechar una amplia librería para comunicaciones con protocolos como DNP3 y Modbus, lo que se traduce un menor tiempo de desarrollo.

 

Descripción del Sistema

La aplicación debe conectar, en tiempo real, tres HMIs (PCs con Windows) de forma simultánea con once desconectores automatizados de voltaje medio (terminales remotas), y al mismo tiempo mostrar al usuario más de 900 señales binarias y analógicas (Ver Figura 2 y Figura 3), y controlar el estado binario de algunas de ellas. Los registros de error documentan cualquier desviación del comportamiento normal en la aplicación y cada uno de los cambios de estados binarios realizados por el usuario. Cualquier estación de trabajo es capaz de leer y controlar cualquiera de las terminales remotas, pero solo una HMI puede cambiar valores binarios a la vez, para prevenir condiciones de carrera. Un controlador cRIO-9063 es el maestro que conecta cada una de las HMI a las respectivas terminales remotas. La comunicación entre las HMIs y el controlador CompactRIO se realiza a través de variables compartidas de LabVIEW, mientras que el protocolo usado para la comunicación entre el controlador y las terminales remotas es DNP3. El código debe de ser lo suficientemente modular para permitir futuras comunicaciones con otros dispositivos usando el protocolo Modbus RTU.

 

 

La aplicación embebida principal fue desarrollada con varios SubVIs que manejan errores y registran la comunicación DNP3 de forma independiente. Esta arquitectura es modular, para permitir comunicaciones en el futuro con nuevos dispositivos a través de otros protocolos, como Modbus. Se utilizó una arquitectura de productor-consumidor con queued messages para intercambiar información entre los SubVIs principales y el VI de manejo de error decide si se requiere un apagado seguro de la aplicación es necesario, usando una estructura de eventos para detener todos los SubVIs, como se muestra en la figura 2.

 


Debido a que los interruptores de desconexión ya están instalados y en funcionamiento, el tiempo para la puesta en marcha es muy corto y los ajustes al código deben de ser mínimos. No hay cabida para errores en el control, por lo que una simulación completa de las terminales remotas permitió contar con las condiciones necesarias para pruebas a lo largo de las diferentes etapas de desarrollo. El código de simulación solo puede ejecutarse en LabVIEW.

 

Las terminales remotas del cliente alimentan todos los dispositivos y el equipo eléctrico de la estación, incluyendo los servicios de suministro de agua y HVAC. Por ello, se seleccionó la plataforma NI CompactRIO como el controlador maestro, ya que cumple con estándares de la IEEE para ser tan confiable como sus terminales remotas. Además, se requiere de un software poderoso para integrar fácilmente varios protocolos y estructuras de comunicación (Ver Figura 4) para permitir la ejecución de tareas simultáneas, e incluso compilar la aplicación de la HMI a un entorno de Windows.

 

Otra característica importante de LabVIEW es la facilidad para comentar e identificar el código de forma gráfica, que permite a ingenieros que hablan inglés, español o chino entender, evaluar y mejorar el código.

 

El ecosistema de NI fue clave para mejorar el uso de memoria del controlador CompactRIO, y ajustar las librerías de DNP3 para manejar todas las señales de error posibles que se produzcan en las terminales remotas de DNP3. Los ingenieros de soporte técnico de NI dieron recomendaciones avanzadas para optimizar el espacio de memoria.

 

Resultados y Futuro de la Aplicación

Después de colaborar con el equipo de aplicaciones y R&D de NI, pudimos utilizar el CompactRIO como un controlador maestro y evitar el uso de dispositivos secundarios para la comunicación con DNP3, lo que se tradujo en un ahorro de alrededor de $500 USD en hardware y costos de instalación para cada terminal remota.

 

El protocolo DNP3 es usado ampliamente por compañías de suministro de agua y energía, y ofrece más capacidades que otros protocolos de comunicación industrial, siendo confiable, robusto y eficiente, pero con mayor complejidad de programación. Esta solución expande el ecosistema de NI para resolver nuevos retos en esas industrias usando arquitecturas como esta, sin la necesidad de integrar dispositivos adicionales de hardware, y requiriendo solo un entorno de desarrollo, LabVIEW.

 

Información del Autor:

Jesús Hidalgo
Endeavour Consult C.A.
Edif. El Saman 12C, Calle B
Caracas
Venezuela
Tel: +58 412-262-0000
jesus.hidalgo@endeavourconsult.com

Figura 1. Diagrama principal de la solución
Figura 2. Interfaz HMI en la página de inicio
Figura 3. Pantalla con estados de desconectores en la página principal de la HMI
Figura 4. Diagrama de la estructura de la aplicación principal