Controlar múltiples estaciones remotas para edificios inteligentes con DNP3 en tiempo real

Jesús Hidalgo, Endeavour Consult C.A.

"Trabajar con el equipo de soporte e I&D de NI, nos permitió usar un dispositivo CompactRIO como controlador maestro y evitar dispositivos secundarios para el protocolo DNP3, lo que se tradujo en un ahorro de alrededor de $500 USD en hardware y costos de instalación para cada estación remota."

- Jesús Hidalgo, Endeavour Consult C.A.

El desafío:

Monitorear y controlar múltiples interruptores de desconexión de voltaje medio para edificios inteligentes con varias PCs como interfaces humano-máquina (HMI) y un controlador CompactRIO de National Instruments configurado como un maestro de protocolo de red distribuida (DNP3).

La solución:

Mejorar las bibliotecas existentes de LabVIEW DNP3 para usar un controlador CompactRIO como maestro de múltiples interruptores automatizados de desconexión de voltaje medio (estaciones remotas DNP3) con un uso optimizado del rendimiento de la memoria e interacción en tiempo real con varias HMIs basadas en PC a través de redes TCP/IP.

Autor(es):

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

 

Introducción

Endeavour Consult C.A. (establecida en 2008) es una compañía de NI Alliance Partner, con sede en Caracas, Venezuela. Se dedica al desarrollo de soluciones de instrumentación y control con experiencia en los sector midstream de la industria petrolera y en los sector de la industria de energía y también tiene un creciente potencial para desarrollar soluciones para aplicaciones de edificios inteligentes. A través de la Red Alliance Partner, Endeavor Consult unió fuerzas con SIDEV, miembro de NI Alliance Partner de México para crear la solución que el cliente final necesitaba para este proyecto.


Hoy en día, ha surgido una nueva generación de edificios inteligentes que requieren sistemas operativos con información procesada, interactiva, más precisa y al instante sobre sus sistemas, como distribución de energía, distribución de agua, protección contra incendios, calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC), transporte vertical, seguridad, iluminación, etc. El desafío es brindar la mejor experiencia y minimizar el consumo de energía tanto como sea posible para los propietarios, inquilinos y gerentes de mantenimiento. Alineado con las constantes mejoras de este mundo, el cliente final de este proyecto debía monitorear y controlar once interruptores de desconexión de voltaje medio desde tres salas de control diferentes con PCs de escritorio con Windows, pero era necesaria una aplicación en tiempo real. Estos seccionadores pueden comunicarse a través de una red local Ethernet con protocolo de red distribuida v.3 (conocido popularmente por el acrónimo “DNP3”) y protocolos TCP/IP (Ver Figura 1).

 

El interés del cliente por este requisito es un paso claro para convertir sus instalaciones en un edificio inteligente. Su éxito abriría las puertas para implementar progresivamente nuevos procesos de control y monitoreo relacionados con la calidad y el consumo de la energía. Además, sería un ejemplo para nuevos clientes que pueden beneficiarse de esta solución con un tiempo de desarrollo aún más corto. La tecnología de National Instruments fue seleccionada debido a su lenguaje de programación de alto nivel, LabVIEW, que ofrece un tiempo de desarrollo rápido y una amplia biblioteca para comunicación con múltiples protocolos como DNP3 o ModBus.

 

Descripción general del sistema

La aplicación debe conectar, en tiempo real, tres interfaces humano-máquina simultáneas (PCs de escritorio con Windows), con once interruptores automatizados de desconexión de voltaje medio (estaciones remotas) y mostrar al usuario más de 900 señales binarias y analógicas (ver Figura 2 y Figura 3) y controlar el estado binario de algunos de ellos. Los registros de errores muestran cualquier tipo de desviación de la aplicación de su comportamiento normal y cada uno de los usuarios cambia a los estados binarios. Cualquier estación de trabajo puede leer y controlar cualquier estación remota, pero solo una HMI puede cambiar los estados binarios a la vez, para evitar problemas de condición de rivalidad introducidos por el usuario. Un controlador cRIO-9063 es el maestro que conecta cada HMI a cada estación remota. Se ha seleccionado el protocolo de variables NI PSP para comunicar las HMIs con el controlador cRIO, y DNP3 es el protocolo de comunicación entre el controlador y las estaciones remotas. El código debe ser lo suficientemente modular para permitir comunicaciones en el futuro con otros dispositivos que utilicen el protocolo ModBus RTU.

 

La principal aplicación embebida se construyó con varios subVIs que manejan los errores de forma independiente, las comunicaciones logDNP3. La arquitectura es modular por lo que puede permitir futuras comunicaciones con nuevos dispositivos a través de otros protocolos como Modbus. Los mensajes de cola del productor-consumidor intercambian información entre todos los subVIs principales y el error.vi decide si es necesario un apagado de seguridad de la aplicación, utilizando una estructura de eventos del usuario para detener todos los subVIs como se muestra en la Figura 2.


Debido a que los interruptores de desconexión ya están instalados y funcionando, el tiempo de puesta en marcha es muy corto y se deben realizar ajustes mínimos en el código. No hay espacio para ningún error de control, por lo tanto, una simulación completa de las estaciones remotas permitió las condiciones de prueba durante todas las etapas del diseño. Este código de simulación se puede ejecutar únicamente en un entorno de LabVIEW.

 

Las estaciones remotas del cliente energizan todos los equipos y dispositivos eléctricos de las instalaciones, incluyendo el suministro de agua y los servicios de HVAC. Por esta razón, la plataforma CompactRIO de National Instruments fue seleccionada como el controlador maestro, ya que cumple con los estándares IEEE para ser tan confiable como sus estaciones remotas. Además, se requiere un potente software para integrar fácilmente varios protocolos y estructuras de comunicación (ver Figura 4) para permitir tareas simultáneas, e incluso compilar la aplicación HMI en un entorno Windows. Otra característica importante de LabVIEW es su forma gráfica y fácil de comentar e identificar el código, lo que permite a los ingenieros que hablan español, inglés o chino comprender, evaluar y mejorar el código.

 

El ecosistema de NI fue la clave para mejorar el uso de la memoria del controlador CompactRIO y para ajustar las bibliotecas DNP3 para manejar todas las posibles señales de error provenientes de las estaciones remotas DNP3. Los ingenieros de soporte de NI hicieron sugerencias importantes para optimizar el espacio de memoria requerido.

 

Resultados de la solución y más

Trabajar con el equipo de soporte e I&D de NI, nos permitió usar un dispositivo CompactRIO como controlador maestro y evitar dispositivos secundarios para el protocolo DNP3, lo que se tradujo en un ahorro de alrededor de $500 USD en hardware y costos de instalación para cada estación remota.

 

El DNP3 es un protocolo ampliamente utilizado por las compañías de agua y energía y ofrece más funciones que otros protocolos industriales, lo que lo hace confiable, robusto y eficiente, pero con una mayor complejidad de código. Esta solución expande las oportunidades del ecosistema de NI para resolver nuevos desafíos en aquellas industrias que usan una arquitectura como esta, sin la necesidad de integrar recursos de hardware adicionales y trabajar solamente con LabVIEW como un entorno de desarrollo.

 

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 de la solución principal
Figura 2. Captura de pantalla de la página de la interfaz HMI
Figura 3. Captura de pantalla de la página del estado de señales de desconexión HIM
Figura 4. Estructura del diagrama de aplicación principal