cesar joel pineda torres - francisco josé de caldas
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DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE GESTIÓN REMOTA PARA LA RED
ELÉCTRICA DEL CERRO LA VIRGEN PARA EL EJÉRCITO NACIONAL DE COLOMBIA
POR MEDIO DE LA EMPRESA SEAN ELECTRÓNICA LTDA IMPLEMENTADO SOBRE
PLC Y LA PLATAFORMA LABVIEW
CESAR JOEL PINEDA TORRES
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE
INGENIERIA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA ELECTRÓNICA
COLOMBIA, BOGOTÁ
2017
ÍNDICE
1. Introducción…………………………………………………………………………...1
2. Planteamiento del problema………………………………………………………..2
3. Objetivos
3.1 General…………………………………………………………………………….. 3
3.2 Especifico…………………………………………………………………………...3
4. Presupuesto
4.1 Materiales………………………………………………………………………..4
4.2 Personal………………………………………………………………………….7
4.3 Instalación………………………………………………………………………..7
4.4 Transporte y alojamiento……………………………………………………….9
5. Cronograma…………………………………………………………………………..10
6. Desarrollo del proyecto y resultados obtenidos
6.1. ¿Qué es labVIEW?...................................................................................11
6.2. Módulos adicionales…………………………………………………………..12
6.3. Hardware empleado…………………………………………………………..15
6.3.1. Cabecera WAGO 750-842………………………………………………….15
6.3.2. Módulo de entadas digitales 750-1450……………………………………16
6.3.3. Módulo de entras digitales 753-431……………………………………….17
6.3.4. Módulo de salidas digitales 750-504……………………………………..18
6.3.5. Módulo de entradas analógicas 750-454………………………………...19
6.3.6. Módulo final de carrera 750-600……………………………………………21
6.3.7. Módulo 859-304………………………………………………………………22
6.3.8. Módulo MINI MCR-SL-PT100-UI-NC………………………………………23
6.3.9. Relés 859-304 ……………………………………………………………….24
6.3.10. Switch industrial cisco IE 3000……………………………………………..25
6.3.11. Cámaras IP…………………………………………………………………...25
6.3.12. Sensor de nivel Holy Kell HPT-604………………………………………...26
6.3.13. Fuente de tensión MW DR-60-24…………………………………………..27
6.4 Distribución de las señales ……………………………………………………...28
6.5 Lógica del programa ……………………………………………………………...31
6.6 Algoritmo de la aplicación y configuración de las herramientas empleada
6.6.1 NI OPC Server………………………………………………………………33
6.6.2 Programación en codesys y creación de variables enlazadas..……….38
6.6.3 configuración DVR virtual ………………………………………………….41
6.6.4 algoritmo de funcionamiento……………………………………………….43
6.5 Instalación en sitio ………………………………………………………………….52
7. Evaluación y cumplimiento de los objetivos………………………………….....56
8. Conclusiones y recomendaciones………………………………………………...57
9. Anexos
9.1. Guía rápida para el usuario………………………………………………….58
10. Referencias……………………………………………………………………………..65
1
1. INTRODUCCIÓN
La implementación de nuevas tecnologías les ha permitido a los ingenieros resolver
problemas de maneras más simples e ingeniosas. Hoy en día contamos con una amplia
gama de sensores y dispositivos que nos permiten extraer información de sucesos de
interés para poder así tomar decisiones con base en estos datos.
Dichas herramientas se pueden encontrar en ambiente domésticos e industriales, incluso
en aplicaciones de monitoreo del clima y otras tareas sofisticadas. Sin embargo un sensor
por sí solo no es de utilidad pues se requiere de un algoritmo que tome como variables de
entrada las señales que estos proporcionan y un dispositivo capaz de interpretar dicho
algoritmo. Para este caso el dispositivo encargado de interpretar las señales de entrada y
ejecutar los algoritmos previamente programados será un PLC.
Un PLC o controlador lógico programable es un elemento utilizado en la automatización de
procesos electromecánicos, estos están diseñados para soportar múltiples señales de
entrada y salida, rangos de temperatura amplios y también para poder trabajar en todo tipo
de ambiente industrial. El PLC irá de la mano con plataformas de diseño tales como
Codesys o LabVIEW que se emplean para desarrollar los programas que irán almacenados
en la memoria del PLC.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El Ejército Nacional de Colombia en conjunto con la Fuerza Aérea Colombiana poseen una
red de comunicaciones a lo largo del país, está compuesta por múltiples enlaces punto a
punto radiados, además de todos los elementos de capa dos y tres necesarios para su
funcionamiento (routers, switches, etc.). A través de esta red se comparten datos sensibles
entre los diferentes batallones y bases militares, adicionalmente es empleada para prestar
el servicio de aviónica.
Por lo general las antenas empleadas en los enlaces se sitúan en lugares remotos y de
difícil acceso, motivo por el cual el servicio de electricidad no es constante en las
instalaciones lo cual provoca una caída temporal de la red, dejando incomunicado
secciones del país y poniendo en riesgo vuelos que transiten por el área afectada.
El cerro la virgen cuenta con un sistema de respaldo el cual consta de dos plantas eléctricas
y un software especializado que pone en marcha una de las planta cuando la red eléctrica
falla. Este proyecto está encaminado a realizar un sistema de monitoreo remoto que permita
ver en tiempo real lo que suceda en la red eléctrica del cerro, para lograr este objetivo se
desarrollara una aplicación en labVIEW y se instalará un conjunto de sensores en lugares
estratégicos de la malla eléctrica, adicional a esto, se pretende instalar un conjunto de
cámaras para dar apoyo visual.
3
3. OBJETIVOS
3.1 General
Diseñar e implementar una aplicación en labVIEW para el monitoreo de la red eléctrica del
cerro la virgen para el Ejército Nacional de Colombia mediante el uso de PLC por medio
de la empresa SEAN ELECTRÓNICA LTDA.
3.2 Específicos
Estudiar y analizar las tecnologías disponibles en el mercado para tomar como
base las mejores características de cada una.
Desarrollar una solución para traer la información adquirida por medio de los
sensores hasta el centro de monitoreo ubicado en Bogotá.
Desarrollar un algoritmo que genere reportes y alarmas cada que haya un
cambio sobre la red eléctrica.
Comprobar el funcionamiento de la solución propuesta.
4
4. PRESUPUESTO
4.1 Materiales
CONCEPTO CANTIDAD VALOR
UNITARIO
VALOR
TOTAL
VALOR +
IVA
Cabecera PLC 1 $ 507.500 $ 507.500 $ 603.925
Módulo de entradas
digitales
1 $ 217.500 $ 217.500 $ 258.825
Módulo de salidas
digitales
1 $ 185.600 $ 185.600 $ 220.864
Módulo de entradas
analógicas
1 $ 667.000 $ 667.000 $ 793.730
Caja para PLC 1 $ 377.000 $ 377.000 $ 448.630
Cableado - $ 58.000 $ 58.000 $ 69.020
Fuente de poder 24V 5A 2 $ 290.000 $ 580.000 $ 690.200
5
CONCEPTO CANTIDAD VALOR
UNITARIO
VALOR
TOTAL
VALOR + IVA
Switch Cisco IE
3000
1 $ 2’175.000 $ 2’175.000 $ 2’588.250
Borneras de
tres pisos
4 $ 14.500 $ 58.000 $ 69.020
Borneras de
dos pisos
30 $5.800 $ 174.000 $ 207.060
Multímetro
digital LOVATO
1 $ 1’450.000 $ 1’450.000 $ 1’725.500
Sensor de
nivel de
combustible
1 $ 217.500 $ 217.500 $ 630.750
Sensor PT 100 1 $ 116.000 $ 116.000 $ 138.040
6
CONCEPTO CANTIDAD VALOR
UNITARIO
VALOR
TOTAL
VALOR + IVA
Detector de fase 5 $ 58.000 $ 290.000 $ 345.100
Protectores
galvánicos
2 $ 725.000 $ 1’450.000 $ 1’725.500
Cámara IP de 2
MP
2 $ 638.000 $ 1’276.000 $ 1’518.440
Control de
acceso
1 $ 870.000 $ 870.000 $ 1’035.300
Relés 6 $ 58.000 $ 348.000 $ 414.120
Sub-Total $ 13’482.274
7
4.2 Personal
Funcionario Valor hora Cantidad de horas Total
Director externo $ 13.000 150 $ 1’950.000
Pasante $ 3.000 384 $ 1’152.000
Técnico $ 3.000 100 $ 300.000
Sub-Total $ 3’402.000
4.3 Instalación
CONCEPTO CANTIDAD VALOR
UNITARIO
VALOR
TOTAL
VALOR + IVA
Tubería 3/4 “
20
$ 5.600
$ 112.000
$ 133.280
Cánulas
100x45
5
$30.000
$150.000
$ 178.500
8
CONCEPTO CANTIDAD VALOR
UNITARIO
VALOR
TOTAL
VALOR + IVA
Escalerilla
8x200 2.4m
2
$ 64.000
$ 128.000
$ 152.320
Amarres cal
12
3
$5.600
$16.800
$ 19.992
Rótulos 0.5 “
1
$78.000
78.000
$ 92.820
Cinta
5
$ 5.500
$ 27.500
$ 32.725
Chazos
100
$ 500
$50.000
$ 59.900
Sub-Total $ 636.412
9
4.4 Transporte y alojamiento
CONCEPTO
VALOR TOTAL + IVA
Gasolina y peajes
$ 3’000.000
Hotel y alimentación
$ 500.000
Sub-Total $ 3’500.000
Costo total
$ 21’020.686
10
5. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
11
6. DESARROLLO
6.1 ¿Qué es labVIEW?
Es un Entorno de desarrollo integrado especializado en informática industrial y científica,
que cuenta con una sintaxis de programación desarrollada por el fabricante, el cual permite
realizar la implementación de un algoritmo de forma gráfica por medio de bloques
facilitando la codificación de cualquier sistema. LabVIEW está diseñado para incorporarse
con otro software, ya sea métodos alternativos de desarrollo o plataformas de fuente
abierta, para garantizar que usted puede usar todas las herramientas a su disposición. [1]
Una de las principales características de la sintaxis grafica es que emplea un modelo de
flujo de datos en lugar de líneas secuenciales de código de texto, lo que le permite escribir
código funcional utilizando un diseño visual que se asemeja a su proceso de pensamiento.
Esta abstracción del lenguaje gráfico no requiere de ser un experto en programación para
desarrollar software sencillo. [2]
Figura 1. Código gráfico en LabVIEW.
Este programa es compatible con una amplia gama de dispositivos y programas tanto
privados como de código abierto, lo que lo hace perfecto para ser implementado en
sistemas de medición, como monitoreo de procesos y aplicaciones de control al igual que
en procesamiento de señales. La interacción con el usuario final es por medio de una
interfaz gráfica creada por el desarrollador de la aplicación, lo cual evita que el usuario
intervenga el código de la misma haciendo la experiencia de manejo completamente
trasparente.
12
Figura 2. Ejemplo de interfaz gráfica de usuario.
6.2 MÓDULOS ADICIONALES
LabVIEW cuenta con una licencia básica a la cual se le pueden agregar módulos
adicionales que permitirán la implementación de la solución de acuerdo a las necesidades
de la misma. En este caso particular en el que se desea realizar un proceso de
automatización se agregaron dos módulos, el Datalogging and Supervisory Control (DSC)
y el Real-Time.
El Módulo LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC) amplía los beneficios de
la programación gráfica al desarrollo de aplicaciones Supervisory Control and Data
Acquisition (SCADA) o de registro de datos de gran cantidad de canales. Use las
herramientas para comunicar controladores lógicos programables (PLCs) y controladores
de automatización programables (PACs) convencionales, registrar datos a bases de datos,
administrar alarmas y eventos y crear interfaces humano-máquina (HMIs). [3]
13
Figura 3. Paleta adicional del módulo DSC
En cuanto al módulo Real-Time podemos decir que es una solución completa para crear
sistemas embebidos autónomos y confiables con un enfoque de programación gráfica.
Como un complemento del entorno desarrollo de LabVIEW, el módulo le ayuda a desarrollar
y depurar aplicaciones gráficas que usted puede descargar y ejecutar en dispositivos de
hardware embebido. [4]
Figura 4. Paleta adicional modulo Real-Time.
14
Finalmente con el objetivo de realizar la comunicación entre el PLC y la aplicación de control
diseñada el LabVIEW se debe emplear un último recurso, este es el NI OPC Server. Esto
es necesario ya que las tecnologías empleadas y los protocolos que gobiernan las mismas
son diferentes.
El puente de Servidores NI OPC convierte protocolos industriales a los protocolos abiertos
OPC Clásico y OPC Arquitectura Unificada (UA). Esta conversión a OPC le permite al
software NI LabVIEW comunicarse con diferentes controladores lógicos programables
(PLCs) y dispositivos de terceros a través del Cliente OPC que está incluido con el Módulo
LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC). La combinación de los Servidores
NI OPC y LabVIEW ofrece una sola plataforma para brindar medidas y control de alto
rendimiento a sistemas industriales. Vea una lista de los controladores de protocolos con
Servidores NI OPC en la sección Recurso. [5]
Figura 5. NI OPC Server en funcionamiento.
15
6.3 HARDWARE EMPLEADO
Para la adquisición de señales en sitio y la implementación de la automatización se empleó
un PLC WAGO. Estos PLCs tiene una característica particular que los vuelve versátiles,
esta es su capacidad modular la cual le proporciona al diseñador la capacidad de ensamblar
el dispositivo de acuerdo a las necesidad de la aplicación.
Una vez analizadas las necesidades del problema se llega a la conclusión que los módulos
que se deben emplear para la solución son los siguientes:
6.3.1 Cabecera WAGO 750-842
Controlador general FIELBUS, cuenta con un puerto Ethernet de 10 Mbps, soporta
protocolos TCP/IP. Su configuración se puede realizar mediante la conexión Ethernet o a
través de un puerto RS 232. Requiere una fuente de 24 V para su alimentación, una ventaja
de este controlador es que proporciona la alimentación para todos los módulos adicionales
que se le conecten, es decir solo se necesita una fuente para alimentar todos los
componentes del PLC.
Figura 6. Cabecera 750-842
16
6.3.2 Módulo de entadas digitales 750-1450
Esta sección del PLC se encarga de recibir las señales binarias provenientes de los
dispositivos de control (sensores), cuenta con 16 entradas para cubrir la necesidad entera
del proyecto. Estos módulos adquieren su alimentación de la cabecera.
Figura 7. Módulo de entradas digitales.
Figura 8. Diagrama de bloques.
17
6.3.3 Módulo de entras digitales 753-431
Este segmento es una opción al módulo 750-1405, la diferencia radica en que este solo
cuenta con 8 entradas digitales. Pese a este factor se puede implementar en la solución
pues al emplear dos se iguala la capacidad de su homologo, este proceso para el PLC es
transparente ya que al momento de realizar las etiquetas las entradas se configuran sobre
un módulo genérico.
Figura 9. Módulo 750-431
Figura 10. Diagrama de bloques 753-431
18
6.3.4 Módulo de salidas digitales 750-504
Este módulo cuenta con 4 salidas digitales y dos fuentes de tensión de 24V, tiene un led de
estatus para cada salida, este se enciende cuando la salida correspondiente se encuentra
activa.
Figura 11. Módulo salida digital 750-504
Figura 12. Diagrama de bloques 750-504
19
6.3.5 Módulo de entradas analógicas 750-454
Al igual que el 750-504 cuenta leds de estado que indican su correcto funcionamiento o la
presencia de un error, este dispositivo puede convertir entradas analógicas de entre 4mA
y 20mA generadas por el sensor que tenga conectado a formato digital, en esencia es un
ADC. Soporta dos entras analógicas.
Figura 13. Módulo 750-454
Figura 14. Diagrama de bloques 750.454
20
La conversión la realiza mediante la siguiente tabla y tiene una resolución de 12 bit con un
error menor a 0.1% de la escala total.
Tabla 1. Formato de la información entregada por el 750-454
21
6.3.6 Módulo final de carrera 750-600
Por ultimo pero no menos importante se encuentra el final de carrera. Este juega un papel
fundamental ya que cierra el circuito eléctrico y el de datos, permitiendo el flujo correcto de
información a través de todos los dispositivos conectados entre la cabecera y el final de
carrera. Cabe resaltar que si este módulo no se encuentra conectado el PLC no podrá entrar
en operación. No cuenta con Leds de estado para verificar su operación, ni con entradas
o salidas digitales o mucho menos fuentes de alimentación que se puedan aprovechar.
Figura 15. Módulo 750-600
22
6.3.7 Módulo 859-304
Este dispositivo es un repetidor de potencia configurable a los parámetros de entrada. Su
finalidad es trasmitir las señales análogas provenientes de los sensores instalados en sitio
a los módulos de entradas analógicas. El 859-304 soporta sensores de 2 y 3 hilos y aísla
los circuitos de entrada y de control. Trabaja dentro del rango de 4-20 mA lo cual lo hace
ideal para trabajar con los sensores escogidos para el desarrollo de la solución. La
configuración del módulo se realiza mediante un dip switch de 10 interruptores.
Figura 16. Módulo 858-304
Figura 17. Diagrama de conexión.
23
6.3.8 Módulo MINI MCR-SL-PT100-UI-NC
Este módulo al igual que el 859-304 es un aislamiento para separar los circuitos de
medición de los de control, también presta el servicio de transductor para sensores de
temperatura PT 100. Su configuración se realiza mediante un Dip Switch y la
conectorización requiere del uso de un destornillador. Tiene como salida señales entre 4
mA y 20 mA. Soporta sensores de 2,3 y 4 hilos.
Figura 18. Transductor para PT-100
Figura 19. Diagrama de bloques.
24
6.3.9 Relés 859-304
Estos relés serán utilizados para la apertura de la puerta, encendido de luces y selección
de plantas eléctricas con el fin de ponerlas en marcha. Fueron construidas de acuerdo a
la norma DIN VDE 0140.
Figura 20. Relé 859-304
Figura 21. Diagrama eléctrico del 859-304
Las cargas inductivas deben ser atenuadas por el circuito protector adecuado con el fin de
proteger el las bobinas del relé y sus contactos.
25
6.3.10 Switch industrial cisco IE 3000
Esta familia de switches cisco está especialmente para desenvolverse en ambientes
industriales, es resistente a vibraciones y altas temperaturas. Cuenta con 8 puertos Ethernet
10/100, 2 uplinks doble propósito que contiene 2 puertos Ethernet 10/100/100 y dos puertos
SFP.
Figura 22. Switch cisco IE 3000
6.3.11 Cámaras IP
Para la adquisición de imágenes se usarán dos cámaras, un domo de 4 Megapíxeles a 15
FPS y una cámara PTZ la cual puede rotar en todas las direcciones, posee zoom óptico y
una protección IP66.
Figura 23. Cámara domo y PTZ
26
6.3.12 Sensor de nivel Holy Kell HPT-604
Para la medición del nivel de combustible se usara un sensor ultrasónico especialmente
construido para la detección del diésel colombiano cuya densidad ronda los 0.84 𝑔
𝑐𝑚3. El
sensor propuesto tiene un rango entre 0 y 3 metros y entrega la información a través de
una señal eléctrica con un rango entre 4mA y 20mA.
Distancia (m) Corriente (mA)
0 4
1 9.430
2 14.665
3 20.002
Tabla. Rango de entrada y salida del sensor HPT-604
Figura 24. Sensor de nivel ultrasónico
Figura 25. Cabeza del sensor de nivel
27
6.3.13 Fuente de tensión MW DR-60-24
La fuente seleccionada para la alimentación de los elementos que componen el sistema de
control es capaz de soportar un amplio rango de tensiones de entrada, este modelo de MW
cuenta con un sistema de protección ante corto circuito, sobrecarga y sobre picos de voltaje.
Su única salida entrega 24V DC con una tolerancia del 1% y un máximo de 2.5A, además
es una fuente de bajo ruido ya que el rango de ripple ronda los 120mVp-p. Estas
características la hacen apropiadas para alimentar la cabecera del PLC y el Switch.
Figura 26. Fuente de alimentación DC.
Figura 27. Diagrama de bloques fuente de alimentación DC.
28
6.4 DISTRIBUCIÓN DE LA SEÑALES
El objetivo principal de la aplicación es monitorear en tiempo real el estado de la red
eléctrica, conforme a este objetivo se han instalado cuatro detectores de fase en puntos
críticos de la misma, dichos elementos entregaran cuatro señales booleanas
correspondientes a la presencia del servicio de energía por parte de la compañía
proveedora, la presencia en red de las dos plantas eléctricas instaladas en sitio y el totalizar.
Los elementos nombrados anteriormente corresponden al tablero de transferencia. Estas
cuatro variables son las de mayor importancia y las que determinaran el funcionamiento de
la aplicación.
Figura 28. Tablero principal de transferencia.
29
Adicionalmente se tiene señales digitales de salida, y entradas analógicas las cuales
explicaremos en la siguiente tabla:
NOMBRE REFERENCIA EN EL PROGRAMA
TIPO DESCRIPCIÓN
Planta 01 red DI_01 BOOL Simboliza la presencia en red de la planta 1.
Red eléctrica DI_02 BOOL Presencia de fluido eléctrico por parte de la empresa proveedora del servicio.
Totalizador DI_03 BOOL Presencia de fluido eléctrico en el punto de alimentación al sistema.
Planta 02 red DI_04 BOOL Simboliza la presencia en red de la planta 2.
Inversor 01 DI_05 BOOL Variable que indica si el inversor 1 se encuentra activo.
Inversor 02 DI_06 BOOL Variable que indica si el inversor 2 se encuentra activo.
Inversor 03 DI_07 BOOL Variable que indica si el inversor 3 se encuentra activo.
Inversor 04 DI_08 BOOL Variable que indica si el inversor 4 se encuentra activo.
Inversor 05 DI_09 BOOL Variable que indica si el inversor 5 se encuentra activo.
AR TBAC DI_10 BOOL Presencia aguas arriba en el TBAC
Encendido P 01 DI_11 BOOL Variable que indica si la planta 1 está encendida o pagada.
Encendido P 02 DI_12 BOOL Variable que indica si la planta 2 está encendida o apagada.
P1_s_DI_13 DI_13 BOOL Esta variable evita que las planta dos
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sea seleccionada cuando la planta uno se encuentra encendida.
P2_s_DI_14 DI_14 BOOL Esta variable evita que las planta uno sea seleccionada cuando la planta dos se encuentra encendida.
Puerta_DI_15 DI_15 BOOL Variable que indica cuando la puerta está abierta o cerrada.
Luces_DI_16 DI_16 BOOL Variable que indica cuando las luces se encienden.
Luces DO_01 BOOL Variable para encender o apagar las luces de forma remota.
Puerta DO_02 BOOL Variable para abrir la puerta de forma remota.
Aux P 01 DO_03 BOOL Señal de salida para seleccionar la planta uno para ser encendida.
Aux P 02 DO_04 BOOL Señal de salida para seleccionar la planta dos para ser encendida.
Temperatura AI_01 Entrada análoga Temperatura de la habitación.
Combustible A_02 Entrada análoga Nivel de combustible en el tanque de las plantas.
Tabla 2. Distribución de variables
31
6.5 LÓGICA DEL PROGRAMA
Como se mencionó anteriormente, el funcionamiento del programa dependerá del
comportamiento de cuatro variables, la presencia en red de las dos plantas, la red eléctrica
y el totalizador. Al ser variables booleanas se tienen las siguientes combinaciones.
Número de identificación
TOTALIZADOR PLANTA 01 PLANTA 02 RED ELÉCTRICA
01 0 0 0 0
02 0 0 0 1
03 0 0 1 0
04 0 0 1 1
05 0 1 0 0
06 0 1 0 1
07 0 1 1 0
08 0 1 1 1
09 1 0 0 0
10 1 0 0 1
11 1 0 1 0
12 1 0 1 1
13 1 1 0 0
14 1 1 0 1
15 1 1 1 0
16 1 1 1 1
Tabla 3. Condiciones lógicas del programa
Cada uno de estos posibles escenarios tiene una interpretación las cuales se explican a
continuación.
NÚMERO DE IDENTIFICACIÓN
INTERPRETACIÓN
01 Imposible.
02 Fallo en totalizador. 03 Fallo en contacto planta 2, no hay presencia de red eléctrica. 04 Fallo en el totalizador, hay presencia de red eléctrica. Planta 2 está activa.
05 Daño en contactor planta uno, no hay presencia de red eléctrica. 06 Daño en el totalizador y contactor de planta 1, hay presencia de red
eléctrica. 07 Daño en contactores planta 1y 2, no hay presencia de red eléctrica. 08 Fallo en Totalizador Planta 1 y Planta 2 encendidas, hay presencia de red
eléctrica. 09 Daño en el sensor del totalizador, no hay presencia de red eléctrica. 10 Ok.
32
11 No hay red eléctrica, La planta 2 entró en funcionamiento. 12 Planta 2 encendida, hay presencia de red eléctrica.
13 Imposible.
14 Planta 1 encendida, hay presencia de red eléctrica.
15 Imposible. 16 Imposible.
Tabla 4. Interpretación de los escenarios.
De la tabla cuatro, nos damos cuenta que alguno de los escenarios planteados no son
posibles, por lo tanto definiremos el sistema de alarmas con base a los casos que se
puedan dar en la realidad. Finalmente es necesario tener en la cuenta las direcciones IP a
utilizar.
IDENTIFICADOR DE LA ALARMA
DESCRIPCIÓN
Alarma 01 Fallo en totalizador. Alarma 02 Fallo en contacto planta 2, no hay presencia de red eléctrica.
Alarma 03 Fallo en el totalizador, hay presencia de red eléctrica. Planta 2 está activa. Alarma 04 Daño en contactor planta uno, no hay presencia de red eléctrica. Alarma 05 Daño en el totalizador y contactor de planta 1, hay presencia de red
eléctrica. Alarma 06 Daño en contactores planta 1y 2, no hay presencia de red eléctrica. Alarma 07 Fallo en Totalizador Planta 1 y Planta 2 encendidas, hay presencia de red
eléctrica.
Alarma 08 Daño en el sensor del totalizador, no hay presencia de red eléctrica. Alarma 09 Ok. Alarma 10 No hay red eléctrica, La planta 2 entró en funcionamiento.
Alarma 11 Planta 2 encendida, hay presencia de red eléctrica. Alarma 12 Planta 1 encendida, hay presencia de red eléctrica.
Tabla 5. Casos posibles y nombre de alarma.
Dispositivo empleado Dirección IP
Switch 172.18.120.157
Gate way default 172.18.120.158
Rectificador 172.18.120.20
Cámara PTZ 172.18.120.30
Cámara domo 172.18.120.31
PLC 172.18.120.32
Planta uno 172.18.120.33
Planta dos 172.18.120.34
Control de acceso 172.18.120.35
Tabla 6. Direcciones IP empleadas.
33
6.6 ALGORITMO DE LA APLICACIÓN Y CONFIGURACIÓN DE LAS HERRAMIENTAS
EMPLEADAS
6.6.1 NI OPC Server
Tras la instalación de labVIEW junto con los módulos adicionales y el servidor OPC para
realizar la comunicación con el PLC, lo primero que se debe realizar es la configuración del
NI OPC server, pues este nos brindara las variables de trabajo que implementaremos en la
aplicación y nos proveerá de información. Cabe resaltar que esta acción solo se realiza una
vez y es un proceso trasparente para el usuario final ya que está labor la realiza el ingeniero
de desarrollo al igual que las demás configuraciones necesarias para el funcionamiento de
la aplicación.
Inmediatamente después de abrir el NI OPC server crearemos un canal, aquí agregaremos
los dispositivos que se utilizarán.
Figura 29. Creación del canal en NI OPC server
Al dar clic en siguiente, pasaremos a la configuración del driver que se utilizara, este se
elige en función del PLC que emplearemos. Para este caso escogeremos el driver WAGO
Ethernet que corresponde a la cabecera que se adquirió para la solución.
34
Figura 30. Selección del driver.
Una vez más damos clic en siguiente, ahora el servidor nos pide especificar el tipo de
adaptador de red que utilizaremos para realizar la conexión física. La selección se deja por
defecto.
Figura 31. Selección del adaptador de red
35
A continuación hay dos opciones que pueden ser configurables, pero se recomienda
dejarlas por default. Al dar clic en finalizar, en el panel izquierdo de la página principal
aparecerá el nuevo canal que se ha creado.
Figura 32. Canal configurado.
Ahora se agregaran los dispositivos que se emplean, es decir el PLC WAGO.se debe hacer
clic en la misma sección donde dice “clic para agregar un dispositivo”, una nueva ventana
se abrirá y procederemos a darle un nombre. Damos clic en siguiente.
Figura 33. Agregar un dispositivo al canal.
36
En este paso se escoge la referencia de la cabecera que se encuentra instalada en sitio,
para nuestro caso la 750-842.
Figura 34. Selección del modelo de la cabecera.
Ahora introduciremos la dirección IP del dispositivo para poder realizar la conexión.
Figura 35. Configuración de la IP.
37
El servidor requiere que se le indique el hardware que tiene el PLC, buscamos en las
opciones las referencias de los módulos y los agregamos en el mismo orden en el que están
instalados.
Figura 36. Selección del hardware.
Confirmamos y damos clic en finalizar, las etiquetas que traerán la información de cada
uno de los módulos se agregaran de forma automática.
Figura 37. Etiquetas para el PLC.
38
6.6.2 Programación en Codesys y creación de variable enlazadas
Previo a la instalación en sitio el PLC ha sido configurado con un programa básico donde
se le indica que posee 16 entradas digitales, 4 salidas digitales y 2 entradas analógicas.
Este programa se realiza sobre la plataforma Codesys.
Figura 38. Programa en Codesys.
En este punto se tiene todos los insumos necesarios para realizar el algoritmo que correrá
sobre labVIEW teniendo en la cuenta los casos estipulados en la tabla 5. Se debe crear un
I/O server que permitirá la conectividad con las etiquetas creadas en el OPC Server.
Figura 39. Creación de un cliente OPC
39
Al seleccionar la opción de cliente OPC se abrirá un panel para la selección del driver que
utilizaremos y el tipo de servidor que deseamos utilizar.
Figura 40. Creación del OPC en la aplicación final.
Ahora debemos agregar las variables enlazadas que traerán la información adquirida por
el PLC mediante el servidor OPC hasta nuestra aplicación final. Aquí se debe escoger el
tipo de variable y la dirección donde se encuentra alojada.
Figura 41. Creación de variables enlazadas.
40
Cuando todas las variables se encuentran agregadas se crea la interfaz humano maquina
(HMI) donde se programara la lógica de la aplicación.
Figura 42. Librería final empleada en la aplicación.
41
6.6.3 Configuración DVR virtual
Para el monitoreo de las cámaras usaremos un DBR virtual genérico llamado CMS, al abrir
la aplicación con permisos de administrados nos pedirá que iniciemos sesión. Los datos
para abrir la sesión serán los que aparezcan por default y solo daremos clic en “Login”.
Figura 43. Ventana de Login CMS.
A continuación se abrirá una ventana con tres paneles, para agregar los dispostivos
daremos clic en la poción “system” y luengo en la parte superior aparecerá un menú con
multiples opciones, debemos dar clic en “device Manager”.
Figura 44. Agregar un dispositivo en CMS.
42
Al abrirse el gestionador de dispositivos, agregaremos una nueva zona con el nombre del
cerro y haremos clic en ok
Figura 45. Gestionador de dispositivos.
Lugo sobre la nueva zona agregaremos las dos cámaras con sus nombres respectivos,
para realizar este procedimiento haremos clic en agregar un dispositivo, escribiremos la
dirección IP de las cámaras y dejaremos que el programa haga la búsqueda.
Figura 46. Búsqueda de la cámara por IP.
43
Después de agregar las dos cámaras en la página principal aparecerá en el costado
derecho la zona agregada y los dos dispositivos listos para ser usados.
Figura 47. Dispositivos listos para visualización.
6.6.4 Algoritmos de funcionamiento
Al interior del bloque de código podemos encontrar diferentes ciclos while que se ejecutan
en paralelo, los dos primeros corresponde a una rutina de temporización para las luces y
puerta, así cuando el usuario encienda las luces desde el panel de control remoto estas no
queden encendidas por un descuido. Al igual sucede con la puerta, después de que se haya
abierto desde el HMI trascurridos cinco segundos el relé cambia de estado y se apaga,
cerrando de nuevo la puerta.
Figura 48. Ciclo de temporización de la puerta.
44
Figura 49. Ciclo de temporización para las luces.
El tercer ciclo corresponde a la adquisición de una señal análoga, la temperatura. El valor
entregado por el censor es convertido a formato digital a un rango entre 0 y 32761, este
decimal es convertido a través de un procesamiento matemático a grados centígrados y
finalmente mostrado en el HMI.
Figura 50. Lectura de entrada análoga, temperatura.
Un Pt100 es un sensor de temperatura. Consiste en un alambre de platino que a 0 °C tiene
100 ohms y que al aumentar la temperatura aumenta su resistencia eléctrica. El incremento
de la resistencia no es lineal pero si creciente y característico del platino de tal forma que
mediante tablas es posible encontrar la temperatura exacta a la que corresponde.
45
Grafico 1. Curva característica PT100.
Para poder convertir la información que el sensor entrega a grados centígrados es
necesario convertir el valor digital a miliamperios primero, para ello se usa la tabla de
valores del CAD que se encuentra en la sección anterior y se encuentra la ecuación de la
recta para normalizar los valores.
Grafico 2. Conversión de decimal a mA.
La ecuación de la recta para está grafica está dada por la expresión:
𝑚𝐴 = 0.0005097652𝑚𝐴
𝑑𝑒𝑐∗ 𝑋 + 3.80172
Ecuación 1. Conversión de decimal a miliamperios
46
Ahora es necesario hacer la conversión de miliamperios a grados centígrados para obtener
la variable en el formato final deseado, el sensor tendrá 0mA cuando la temperatura sea
0°C y 20mA cuando la temperatura sea de 650°C.
Grafico 3. Conversión de mA a °C.
La ecuación de la recta para está grafica está dada por la expresión:
°𝐶 = 40.625°𝐶
𝑚𝐴∗ 𝑋 + 162.5
Ecuación 2. Conversión de miliamperios a grados centígrados.
Al interior de otro ciclo encontramos el proceso de adquisición de la segunda señal análoga
que integra el sistema, esta corresponde a los valores medido por el sensor ultrasónico de
nivel ubicado en el tanque cilíndrico que contiene el diésel que alimenta las plantas. Para
la interpretación de estos datos es necesario cambiar de dominio tres veces ya que la
información final se debe entregar en galones.
Al igual que en el caso de la temperatura el sensor entrega la información en formato
decimal, por lo que la primera conversión que se debe realizar corresponde con la ecuación
(1) descrita anteriormente.
𝑚𝐴 = 0.0005097652𝑚𝐴
𝑑𝑒𝑐∗ 𝑋 + 3.80172
Ecuación 1. Conversión de decimal a miliamperios
47
Una vez se tiene el valor en miliamperios debemos realizar una nueva transformación,
tomando los valores en miliamperios y pasándolos a un nuevo dominio, los metros. Con
este fin se realiza la siguiente escalización.
Grafico 4. Conversión de mA a metros.
La ecuación de la recta para este proceso está descrita como:
𝑀𝑡𝑠 = 0.1875𝑚𝑡𝑠
𝑚𝐴∗ 𝑋 − 0.75
Ecuación 3. Conversión de miliamperios a metros
En este punto las unidades de la información recolectada son metros, pero el dato final
debe estar dado en gaones. Para esto es necesario realizar una última conversión con base
a dos datos, la capacidad máxima del tanque y la altura del mismo. El depósito puede
almacenar un máximo de 96 galones y tiene una altura de 1,66m por lo tanto cuando el
tanque este vacío el sensor medirá una distancia cercana a 1,66m y cuando esté lleno
registrara 0m.
Lo anterior está descrito por la siguiente relación matemática.
𝐺𝑎𝑙 = 96.161532951 − 57.928634𝐺𝑎𝑙
𝑚𝑡𝑠∗ 𝑋
Ecuación 2. Conversión de miliamperios a grados centígrados.
48
Gráfico 5. Conversión de metros a galones.
Este procesamiento matemático se ve representado en labVIEW de la siguiente manera:
Figura 51. Procesamiento matemático para la entrada análoga de nivel de combustible.
El censado continuo de combustible es indispensable, pues en caso de presentarse una
falla en la red eléctrica será este el que ponga en funcionamiento las plantas de respaldo.
Por lo tanto es necesario contar con una alarma que indique si hay pérdidas de combustible
en el depósito sin que las plantas eléctricas estén en servicio. Para dicha tarea se
almacenara en una variable el valor del combustible en el tiempo uno y se contrastará dicha
variable con el valor presente del combustible, si la diferencia de estos valores es superior
a 0.3 Gal y las plantas están apagadas, la alarma se encenderá. Esta porción de código se
ejecutará en dos ciclos diferentes, uno para la captura de la variable y otro para relazar la
comparación entre la variable actual y la guardada.
Bajo requerimiento del cliente, se implementó una alarma de apertura para la puerta de
acceso al cuarto de telecomunicaciones, la variable que se supervisará para realizar la tarea
será la correspondiente a la entrada digital dieciséis (DI_16), al estar en uno se guardara
un reporte con hora y fecha de apertura.
49
Figura 52. Ciclo para el almacenamiento de la variable antigua
Figura 53. Ciclo alarma de combustible.
Figura 54. Alarma apertura puerta.
50
A continuación encontramos el ciclo más importante, este monitorea de forma constante
las cuatro variables de mayor relevancia anteriormente descritas. El equivalente de este
bloque serían cuatro ciclos “IF” anidados entre sí. Los valores de estas variables son
actualizados cada 500 ms. Cuando una combinación que coincide con una alarma ocurre,
la aplicación guarda en una carpeta un archivo de texto plano con la hora, fecha y
descripción del incidente, además muestra una ventana con la alerta en la interfaz de
usuario.
Figura 55. Ciclo de control de las cuatro variables principales.
La interacción con el usuario final será a través del HMI, esta está compuesta de dos
paneles. El primero es un mapa de Colombia que servirá de guía ya que el programa se
planea instalar en otros cerros alrededor de la rede nacional, este tendrá un botón ubicado
en el lugar en el que geográficamente está localizado el cerro, al oprimir el botón, el panel
de control correspondiente se abrirá en otra pestaña.
51
Figura 56. Mapa de Colombia en la aplicación.
La segunda interfaz es el panel de control del cerro, en este encontraremos información
sobre todas las variables relacionadas en la tabla 2 de una forma intuitiva de entender.
Además sobre este panel saldrás las ventanas con las alarmas programadas en cuanto
haya una alteración en el sistema.
Figura 57. Panel de control cerro la virgen.
52
6.5 INTALACIÓN EN SITIO
Tras concluir la etapa de diseño y realizar las pruebas de escritorio pertinentes en las
instalaciones de la empresa, se coordina una visita al cerro de la virgen, ubicado en la vía
Pamplona Saravena con el fin de instalar el hardware necesario para la ejecución de la
aplicación.
Figura 58. Maqueta empleada para pruebas de laboratorio.
La obra civil se inicia con la instalación de la tubería y escalerilla necesaria para la
disposición del cable que llevara las señales desde los sensores hasta el módulo de
entradas digitales y el gabinete que contendrá al PLC, los módulos y el Switch. El
ensamblaje del PLC con sus respectivos elementos se realiza en Bogotá de forma previa
para poder ser verificado.
Figura 59. Ensamblado previo.
53
La siguiente etapa consistio en el tendido del cable tanto electrico como de datos, pues
algunos de los elemntos cuentan con tarjeta de red para realizar comunicación seríal por
medio de protocolo como modbuss y TCP/IP. En paralelo se realizó la instalación de los
sensores de fase que llevaran la señal del tablero de transferencias hacia el PLC.
Figura 62. Escalerilla y gabinete instalados.
Figura 63. Gabinete cableado y en operación.
Al finalizar las actividades anteriormente mencionadas se procedió con la instalación de los
sensores de temperatura, nivel de combustible, la cámara IP y el control de acceso junto
con la configuración del Switch para que los dispositivos tengan acceso a la red LAN del
ejército y así poder extraer información remotamente. Por motivos de seguridad dicha
configuración no se incluye en este informe.
54
Figura 64. Cama IP.
Figura 65. Control de acceso.
Figura 66. Detectores de fase y tablero de transferencia
55
Una vez finalizada la instalación y configuración de los equipos se realizó una prueba en
conjunto con un equipo en Bogotá con el fin de verificar el funcionamiento del sistema, el
técnico encargado opero la interfaz de usuario desarrollada desde un computador ubicado
en el edificio de comando central. Se verifico el funcionamiento de los relés y de las señales
de entrada así como el correcto funcionamiento del algoritmo desarrollado obteniendo
resultados satisfactorios.
56
7. EVALUACIÓN Y CUMPLIMIENTO DE LOS OBJETIVOS
El principal objetivo propuesto desde el inicio de ésta pasantía fue Diseñar e implementar
una aplicación en labVIEW para el monitoreo de la red eléctrica del cerro la virgen, con el
fin de realizar un diagnóstico sobre la misma en tiempo real, y en caso de fallas poder tomar
acciones correctivas para el restablecimiento del servicio. La solución instalada cubre por
completo dicha necesidad no solo permitiendo monitorear la red sino que también genera
reportes con información detallada del suceso.
La información almacenada en el ordenador será enviada y analizada por un grupo
denominado la mesa de ayuda, quienes gestionaran de la mejor manera las posibles
eventualidad. Dependiendo del tipo de falla se escalara el problema a diferentes
dependencias las cuales están organizadas en un sistema jerárquico, escalando el
problema al siguiente nivel hasta darle solución. Gracias a la implementación del sistema
la información se reunirá de forma inmediata lo que permitirá agilizar el proceso.
Mediante la instalación de dispositivos como el control de acceso y la cámara IP se logra
restringir el paso hacia el cuarto de comunicaciones de personal no autorizado,
disminuyendo el índice de accidente ocasionados por la mala utilización del espacio y
equipos, ya que los soldados usaban el cuarto de comunicaciones debido a la alta
temperatura del mismo para secar ropa.
El cliente ha decidido darle extensibilidad al proyecto debido al buen funcionamiento de la
aplicación y el sistema de control. Poniendo en marcha un proceso para realizar la
instalación de la solución en un segundo cerro, ubicado en un punto geográfico de gran
importancia para el funcionamiento de la red de datos SAR.
57
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Para que la aplicación funcione correctamente debe ser ejecutada en un equipo con
sistema operativo de 64bits, sobre Windows.
Pese a que la aplicación no consume una gran cantidad de recursos, se recomienda
instalarla un computador con al menos 4GB de memoria RAM.
La configuración del software no debe ser cambiada bajo ninguna circunstancia, el
proceso de configuración es completamente transparente para el usuario.
El proceso de la aplicación debe estar siempre en ejecución para que se realice la
recolección de datos y se generen los respectivos reportes en caso de presentarse
alguna falla.
La versión del sistema operativo empleado debe ser como mínimo Windows 7.
El sistema fue diseñado para prestar extensibilidad, por lo que la ampliación a
nuevos cerros no requerirá grandes esfuerzos desde la perspectiva del software.
Por cuestiones de licenciamiento es recomendable instalar un programa antivirus
para evitar daños en el equipo.
Debido a que la red LAN no cuenta con un servidor DHCP, la configuración de la
tarjeta de red se hizo de forma manual dejando una IP fija que se encontraba
disponible. Esta configuración no debe ser cambiada en la medida de lo posible.
58
9. ANEXOS
9.1 GUÍA RÁPIDA PARA EL USUARIO
Para abrir la aplicación se debe dar clic sobre el acceso directo que se encuentra en el
escritorio, este hará que labVIEW se inicialice y abrirá una pestaña con el mapa de
Colombia.
Figura 67. Acceso directo para el mapa de Colombia.
Una vez abierto, en la parte superior izquierda de la pantalla a parecerá un símbolo con
forma de flecha apuntando a la derecha, presionamos sobre este para que el programa se
ejecute. Sabremos que el programa está corriendo porque la cuadricula que se encuentra
detrás del mapa desaparecerá. Es importante dar clic en este símbolo y no el que se
encuentra a su lado, pues si presionamos este el programa entrara en un Loop y la
aplicación dejara de funcionar. Para mayor seguridad podemos dejar el mause encima del
icono unos segundos y un letrero con la palabra “run” aparecerá sobre este, el símbolo con
estas características es el que hará ejecutar la aplicación.
Figura 68. La figura encerrada ejecutará el programa.
59
Figura 69. Programa en ejecución.
Al seleccionar el panel de control que se desea monitorear este se abrirá en una pestaña
nueva en una ventana similar a la que encontramos el mapa la primera vez que lo abrimos.
Figura 70. Panel de control para ser ejecutado.
60
Al igual que con el mapa, debemos dar clic sobre el icono en forma de flecha que se
encuentra en la parte superior izquierda para que el programa se ejecute, la primera vez
que corramos el panel de control saldrá una ventana emergente que nos indicara el estado
actual del sistema, al dar Ok la ventana se cerrará. En él mismo instante en que se ejecute
el programa se creará el reporte de texto plano que se almacenará en la carpeta ubicada
en el escritorio con el nombre “ALARMAS”.
Figura 71. Panel de control en ejecución.
Figura 72. Formato del reporte generado por la aplicación.
61
Como se puede observar el reporte contiene tres partes, la primera es la fecha en la que
ocurrió la alarma, la segunda es la hora en la que sucedió y finalmente tenemos una breve
descripción de la alteración en el sistema.
El panel de control está dividido en varias secciones, la primera parte del panel nos entrega
información discreta del estado de la red, allí observamos el comportamiento de las cuatro
variables principales discutidas con anterioridad. También observamos los botones
auxiliares para la selección de las plantas. Un verde oscuro indica que la variable observada
está apagada y un verde intenso y claro indica que se encuentra encendida o activa.
Figura 73. Variables principales.
Luego encontramos la parte donde se visualiza la información de las variables análogas
que corresponden a la temperatura de la habitación y el nivel de combustible del depósito
que alimenta las plantas. La temperatura está representada en grados centígrados y el nivel
combustible en litros.
Figura 74. Temperatura y nivel de combustible.
62
Al lado derecho del panel de variables análogas encontramos dos bonotes con la etiqueta
de puerta y luces al igual que dos indicadores de estado. Cuando las luces estén
encendidas en el indicador de la derecha aparecerá un bombillo. Cuando la puerta este
abierta se verá reflejado en el indicador con la etiqueta puerta_DI_15. Al presionar los
botones se activará la rutina de temporización, una vez trascurrido el tiempo programado
volverá a su estado de reposo.
Figura 75. Panel de apertura de puerta y encendido de luces.
En la parte inferior observamos el estado de los inversores instalados en sitio, esto nos
indica cuales se encuentran en funcionamiento y cuales en reposo. Cada inversor posee
una etiqueta para identificar el estado.
Figura 76. Inversores.
Para acceder a las cámaras emplearemos un programa adicional ubicado también en el
escritorio con el nombre CMS, este nos pedirá permisos de administrador cuando lo
abramos, damos clic en si para que el programa abra, luego aparecerá una ventada de
login. En esta ventana no introducimos datos si no que solo damos clic en Login para
continuar con la visualización remota.
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Figura 77. Ventana de Login CMS.
Figura 78. Panel de inicio CMS.
Para observar la cámara daremos doble clic sobre los iconos que se encuentran a mano
derecha hasta que se despliegue un menú con los dos dispositivos, luego arrastraremos el
icono del menú que se desplego hasta uno de los recuadros del centro para que el programa
realice la conexión con el dispositivo y adquiera las imágenes que este está capturando en
tiempo real.
64
Figura 79. Cámaras en funcionamiento.
65
10. REFERENCIAS
[1] Ni.com. (2008). LabVIEW System Design Software - National Instruments. [Online]
disponible en: http://www.ni.com/labview/esa/ [Consultado 15 Abr. 2017].
[2] LabVIEW que es - Ingeniero especialista en bancos de pruebas y medición, experto en
LabVIEW, TestStand, LabWindows/CVI. [Online] Ajolly.com.mx. Disponible en:
http://www.ajolly.com.mx/es/desarrollo-consulta-sistema-supervisor-control-prueba-
medida/19-LabVIEW-que-es.html [Consultado 18 Abr. 2017].
[3] Ni.com. (2017). LabVIEW Datalogging and Supervisory Control (DSC) Module - National
Instruments. [Online] Disponible en: http://www.ni.com/labview/labviewdsc/esa/
[Consultado18 Abr. 2017].
[4] Ni.com. (2017). LabVIEW Real-Time Module - National Instruments. [Online] Disponible
en: http://www.ni.com/labview/realtime/esa/ [Consultado 18 Abr. 2017].
[5] Sine.ni.com. (2017). NI OPC Servers - National Instruments. [Online] Disponible en:
http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/es/nid/209059 [Consultado 19 Abr. 2017].