Diseño de una maleta portàtil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante node-red

TRABAJO FINAL DE MÁSTER TÍTULO: DISEÑO DE UNA MALETA PORTÁTIL PARA REALIZAR DEMOSTRACIONES DE PROCESOS DE DIGITALIZACIÓN MEDIANTE NODE-RED CONTEXTUADOS EN LA INDUSTRIA 4.0 AUTORES: BENEDICTO BASALLOTE, DANIEL FECHA DE PRESENTACIÓN: JULIO, 2022 Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 1 APELLIDOS: BENEDICTO BASALLOTE NOMBRE: DANIEL TITULACIÓN: MÁSTER UNIVERSITARIO EN INGENIERÍA DE SISTEMAS AUTOMÁTICOS Y ELECTRÓNICA INDUSTRIAL PLAN: 2012 DIRECTOR: RAYA GINER, CRISTOBAL DEPARTAMENTO: ESAII CALIFICACIÓN DEL TFM FECHA DE LECTURA: Este Proyecto tiene en cuenta aspectos medioambientales:  Sí  No TRIBUNAL PRESIDENTE SECRETARIO VOCAL Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 2 RESUMEN El presente proyecto contextualiza las principales tecnologías de la era de la digitalización o Industria 4.0, también conocida como cuarta revolución industrial. En primer lugar, se describe brevemente las principales arquitecturas, estándares, características y componentes de la Industria 4.0, y las distintas disciplinas de la ingeniería que desempeñan un papel fundamental para su evolución. El objetivo de este proyecto es el diseño, montaje y puesta en marcha de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED. Con el objetivo de poder presentar y explicar a clientes y expertos del sector los equipos del fabricante Weidmüller concebidos para este tipo de aplicaciones de Industria 4.0. Para ello se han utilizado equipos de control específicos de IOT y comunicaciones, dotando a la maleta de todos los equipos necesarios para ser autónoma y poder realizar todo el proceso completo que equivaldría en la industria. Y con el fin de poder presentar y conocer el potencial de los diferentes equipos se ha desarrollado una serie de aplicaciones típicas de digitalización a nivel industrial. Donde se explica cómo se han resuelto y los beneficios que aporta cada una de ellas. Cabe destacar que se realizan también con el fin de poder dar ejemplos y facilidades para cumplir con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) aprobados por la ONU enfocados en la Industria. Palabras clave (máximo 10): Industria 4.0 Digitalización IOT Node-RED PLC SCADA Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 3 ABSTRACT This project contextualizes the main technologies of the digitalization era or Industry 4.0, also known as the fourth industrial revolution. First, it briefly describes the main architectures, standards, characteristics and components of Industry 4.0, and the different engineering disciplines that play a fundamental role in its evolution. The objective of this project is the design, assembly and commissioning of a portable suitcase to carry out demonstrations of digitization processes using Node-RED. With the aim of being able to present and explain to customers and industry experts the equipment from the manufacturer Weidmüller designed for this type of Industry 4.0 applications. For this, specific IOT and communications control equipment has been used, providing the suitcase with all the necessary equipment to be autonomous and to be able to carry out the entire process that would be equivalent in the industry. To be able to present and discover the potential of the different equipment, a series of typical digitalization applications have been developed at an industrial level. Where it is explained how it has been resolved and the benefits that each of them brings. It should be noted that they are also carried out in order to be able to give examples and facilities to comply with the Sustainable Development Goals (SDG) approved by the UN focused on the Industry. Keywords (10 maximum): Industry 4.0 Digitalization IOT Node-RED PLC SCADA Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 4 ÍNDICE DE CONTENIDO 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 11 1.1 OBJETIVOS DEL PROYECTO ................................................................................... 12 1.1.1 OBJETIVO PRINCIPAL ........................................................................................... 12 1.1.2 ALCANCE DEL PROYECTO .................................................................................. 12 2 ESTADO DEL ARTE........................................................................................................... 13 2.1 TECNOLOGÍAS Y CONCEPTOS DE LA INDUSTRIA 4.0 .......................................... 13 2.2 NIVELES NECESARIOS EN LA INTEGRACIÓN DE IIOT .......................................... 15 2.3 CAMBIOS QUE SUPONE EN LA EMPRESA .............................................................. 16 2.4 VENTAJAS Y BENEFICIOS QUE APORTA ................................................................ 17 2.5 HECHOS Y CIFRAS DEL IOT INDUSTRIAL ............................................................... 18 2.6 MALETAS Y KITS DE DEMOSTRACIÓN EXISTENTES ............................................ 18 3 DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE Y SOFTWARE QUE COMPONE LA MALETA ......... 21 3.1 CONTROLADOR PLC-IOT ......................................................................................... 21 3.1.1 Características técnicas: ......................................................................................... 22 3.1.2 Concepto y cálculo de alimentación del equipo ...................................................... 22 3.1.3 Tarjetas utilizadas .................................................................................................... 23 3.1.4 Arquitectura de aplicación posibles ......................................................................... 24 3.1.5 Plataforma web ........................................................................................................ 24 3.1.6 Ayuda online ............................................................................................................ 25 3.1.7 Firmware update ...................................................................................................... 26 3.1.8 Network settings ...................................................................................................... 27 3.1.9 Time settings ........................................................................................................... 28 3.1.10 Configuración y programación ............................................................................ 29 3.2 ROUTER INDUSTRIAL ............................................................................................... 36 3.2.1 Datos técnicos: ........................................................................................................ 37 3.2.2 Aplicaciones típicas industriales que se implementan con el router ....................... 38 3.3 ACCES POINT WLAN ................................................................................................. 42 3.3.1 Características: ........................................................................................................ 43 3.3.2 Aplicaciones típicas industriales y usos que se implementan con el acces point WLAN 44 3.4 SWITCH ...................................................................................................................... 46 3.4.1 Topologías de red redundantes .............................................................................. 47 3.4.2 Analizar y controlar el tráfico ................................................................................... 47 3.4.3 Acciones de ciberseguridad .................................................................................... 48 3.4.4 Gestión del dispositivo y la red ................................................................................ 49 3.4.5 Supervisar el rendimiento de la red ......................................................................... 49 3.4.6 Datos técnicos: ........................................................................................................ 50 3.5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN .................................................................................... 51 3.5.1 Datos técnicos: ........................................................................................................ 52 3.6 PANTALLA TÁCTIL HMI ............................................................................................. 54 3.7 CONECTORIZACIÓN ................................................................................................. 54 3.8 NODE-RED ................................................................................................................. 57 3.8.1 Interfaz Node-RED en PLC Weidmüller .................................................................. 58 3.8.2 Conceptos básicos y nomenclatura propia ............................................................. 63 3.8.3 Nodos básicos ......................................................................................................... 65 3.9 U-LINK ......................................................................................................................... 68 3.9.1 Beneficios de su uso ............................................................................................... 69 3.9.2 Túneles VPN clásicos e instalación con U-LINK ..................................................... 69 3.9.3 Operación simple ..................................................................................................... 70 4 ARQUITECTURA DE LA APLICACIÓN ............................................................................ 72 Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 5 4.1 WEIDMÜLLER CONFIGURATOR .............................................................................. 72 4.2 ESTRUCTURA RED ETHERNET ............................................................................... 75 4.3 CONFIGURACIÓN DEL WIFI ACCES POINT ............................................................ 76 4.4 CONFIGURACIÓN DE U-LINK ................................................................................... 80 4.5 CONFIGURACIÓN DEL ROUTER .............................................................................. 86 4.6 CONFIGURACIÓN DEL PLC-IOT ............................................................................... 90 4.7 CONFIGURACIÓN DE LA PANTALLA HMI ................................................................ 93 5 APLICACIONES ESPECÍFICAS ........................................................................................ 96 5.1 ACCESO REMOTO MEDIANTE VPN ......................................................................... 96 5.2 CONTROL DE TEMPERATURA Y GESTIÓN DE ALARMAS ..................................... 98 5.3 ENVÍO DE INFORMACIÓN A UNA BASE DE DATOS EN EL CLOUD MEDIANTE MYSQL .................................................................................................................................. 103 5.4 CONTROL PWM Y APLICACIÓN DE SEGURIDAD ................................................. 106 5.5 GENERAR Y GESTIONAR ARCHIVO CSV EN MICROSD DEL PLC Y ENVÍO POR CORREO ............................................................................................................................... 114 5.6 INTERACCIÓN CON LA MALETA A TRAVÉS DE TELEGRAM ............................... 122 CONCLUSIONES...................................................................................................................... 126 WEBGRAFÍA ............................................................................................................................ 128 ANEXOS ................................................................................................................................... 129 Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 6 ÍNDICE DE FIGURAS FIGURA 1 REVOLUCIONES INDUSTRIALES A LO LARGO DE LA HISTORIA .............................................. 11 FIGURA 2 PIRÁMIDE DE LA AUTOMATIZACIÓN ................................................................................... 14 FIGURA 3 FASES PARA GENERAR VALOR A PARTIR DE UN DATO ........................................................ 15 FIGURA 4 CAMBIOS EN LA INDUSTRIA 4.0, DE RONALD BERGER ....................................................... 16 FIGURA 5 DATOS DEL USO E INFLUENCIA DEL IOT A NIVEL MUNDIAL, PRESENTE Y FUTURO CERCANO . 17 FIGURA 6 KIT DE INICIO SIEMENS .................................................................................................... 18 FIGURA 7 KIT DE INICIO PHOENIX CONTACT..................................................................................... 19 FIGURA 8 CÉLULA ROBOTIZADA PARA DEMOS FESTO ....................................................................... 19 FIGURA 9 PLC WEIDMÜLLER UC-20-WL2000-AC .......................................................................... 21 FIGURA 10 ALIMENTACIÓN DE LOS DIFERENTES MÓDULOS DE ENTRADAS Y SALIDAS .......................... 23 FIGURA 11 TARJETAS UTILIZADAS EN EL PLC .................................................................................. 23 FIGURA 12 ARQUITECTURAS POSIBLES CON EL PLC ........................................................................ 24 FIGURA 13 WEBSERVER PLC WEIDMÜLLER .................................................................................... 25 FIGURA 14 APARTADO DE AYUDA .................................................................................................... 25 FIGURA 15 APARTADO DE ACTUALIZACIÓN VERSIONES ..................................................................... 26 FIGURA 16 APARTADO DE CONFIGURACIÓN DE RED ......................................................................... 27 FIGURA 17 APARTADO DE CONFIGURACIÓN DE HORA ....................................................................... 28 FIGURA 18 APARTADO PARA EDITAR EL PROGRAMA ......................................................................... 29 FIGURA 19 CONFIGURACIÓN DE LAS TARJETAS ................................................................................ 29 FIGURA 20 DETECCIÓN DE TARJETAS AUTOMÁTICA .......................................................................... 30 FIGURA 21 PALETA DE TARJETAS DISPONIBLE ................................................................................. 30 FIGURA 22 CONFIGURACIÓN DE LA TARJETA PROPIAMENTE .............................................................. 31 FIGURA 23 BOTÓN PARA CARGAR CONFIGURACIÓN.......................................................................... 32 FIGURA 24 APARTADO PARA REALIZAR PROGRAMACIÓN EN FB ........................................................ 32 FIGURA 25 DESCRIPCIÓN APARTADOS ............................................................................................ 33 FIGURA 26 AÑADIR POU AL PROGRAMA.......................................................................................... 33 FIGURA 27 VARIABLES GLOBALES ................................................................................................... 34 FIGURA 28 DEFINICIÓN Y MAPEO DE LAS VARIABLES GLOBALES ........................................................ 34 FIGURA 29 APARTADO DE REALIZACIÓN DE VISUALIZACIÓN ............................................................... 35 FIGURA 30 DEFINICIÓN PARTES PARA GENERAR SCADA ................................................................... 35 FIGURA 31 ROUTER WEIDMÜLLER .................................................................................................. 36 FIGURA 32 APLICACIÓN DE ROUTING ............................................................................................... 39 FIGURA 33 APLICACIÓN DE ACCESO REMOTO .................................................................................. 39 FIGURA 34 APLICACIÓN DE NAT ..................................................................................................... 40 FIGURA 35 APLICACIÓN DE NAT MASQUERADING ...................................................................... 41 FIGURA 36 APLICACIÓN DE FIREWALL ............................................................................................. 42 FIGURA 37 ACCES POINT WEIDMÜLLER ........................................................................................... 43 FIGURA 38 APLICACIÓN DE ACCESS POINT ..................................................................................... 44 FIGURA 39 APLICACIÓN DE ROUTING .............................................................................................. 44 Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 7 FIGURA 40 APLICACIÓN DE ROAMING .............................................................................................. 45 FIGURA 41 APLICACIÓN DE BRIDGE ................................................................................................. 45 FIGURA 42 RUTAS EN ESTRUCTURAS REDUNDANTES ....................................................................... 47 FIGURA 43 APLICACIÓN DE GENERAR VLAN ................................................................................... 48 FIGURA 44 BLOQUEO DE PUERTOS ................................................................................................. 48 FIGURA 45 GESTIÓN DE LOS EQUIPOS Y DE LA RED .......................................................................... 49 FIGURA 46 SWITCH NO GESTIONADO WEIDMÜLLER .......................................................................... 50 FIGURA 47 FUENTE DE ALIMENTACIÓN WEIDMÜLLER ....................................................................... 51 FIGURA 48 MÓDULOS DE COMUNICACIÓN PARA LA FUENTE .............................................................. 52 FIGURA 49 CURVA DINÁMICA DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN ......................................................... 53 FIGURA 50 INCORPORACIÓN DE LOS TRANSISTORES EN LA PROPIA FUENTE ....................................... 53 FIGURA 51 PANTALLA HMI WEIDMÜLLER ........................................................................................ 54 FIGURA 52 BORNE DISTRIBUCIÓN 24VDC ........................................................................................ 55 FIGURA 53 POTENCIÓMETROS DE LA MALETA .................................................................................. 55 FIGURA 54 INTERRUPTORES DE LA MALETA ..................................................................................... 55 FIGURA 55 LEDS DE LA MALETA ...................................................................................................... 56 FIGURA 56 SETA EMERGENCIA ....................................................................................................... 56 FIGURA 57 MOTOR CC DE LA MALETA ............................................................................................. 56 FIGURA 58 LUMINARIA LED WEIDMÜLLER ........................................................................................ 57 FIGURA 59 INTERFAZ DE NODE-RED .............................................................................................. 58 FIGURA 60 LIBRERÍA DE NODOS ...................................................................................................... 59 FIGURA 61 CATEGORÍAS DE NODOS ................................................................................................ 59 FIGURA 62 APARTADO DE INFORMACIÓN Y VISUALIZACIÓN DEBUG .................................................... 60 FIGURA 63 NODO DEBUG ............................................................................................................... 60 FIGURA 64 FILTROS POSIBLES PARA VISUALIZAR NODOS DEBUG ....................................................... 61 FIGURA 65 ÁREAS DE PROGRAMACIÓN (FLOWS) .............................................................................. 61 FIGURA 66 DEFINICIÓN DE FLOWS .................................................................................................. 62 FIGURA 67 INSTALACIÓN DE NODOS DE INTERNET ............................................................................ 62 FIGURA 68 EXPORTACIÓN DEL PROGRAMA EN NODE-RED............................................................... 63 FIGURA 69 DIFERENTES TIPOS DE NODOS ....................................................................................... 63 FIGURA 70 DEFINICIÓN FLOW ......................................................................................................... 63 FIGURA 71 PROGRAMA EN NODE-RED ........................................................................................... 64 FIGURA 72 SENTENCIA JSON ........................................................................................................ 64 FIGURA 73 DIFERENTES SINTAXIS EN JAVASCRIPT OBJECT (NODE-RED) Y JSON ........................... 65 FIGURA 74 CONFIGURACIÓN NODO INJECT ...................................................................................... 65 FIGURA 75 CONFIGURACIÓN NODO DEBUG ..................................................................................... 66 FIGURA 76 CONFIGURACIÓN NODO CHANNELDATA PROPIO DE WEIDMÜLLER .................................... 66 FIGURA 77 CONFIGURACIÓN NODO IODATA-IN PROPIO DE WEIDMÜLLER ........................................... 67 FIGURA 78 DIFERENCIA ENTRE SELECCIÓN DE TODAS O UNA ÚNICA VARIABLE ................................... 67 FIGURA 79 CONFIGURACIÓN NODO IODATA-OUT PROPIO DE WEIDMÜLLER ........................................ 68 Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 8 FIGURA 80 ACCESO REMOTO A TRAVÉS DE U-LINK .......................................................................... 68 FIGURA 81 PARTES PARA REALIZAR CONEXIÓN VPN A TRAVÉS DE U-LINK ........................................ 70 FIGURA 82 APLICACIÓN DE EJEMPLO DE ACCESO REMOTO A LOS EQUIPOS DE UNA PLANTA FOTOVOLTAICA ...................................................................................................................... 71 FIGURA 83 SOFTWARE WEIDMÜLLER CONFIGURATOR ..................................................................... 72 FIGURA 84 REGLETERO NÚMERO UNO DE LA MALETA ....................................................................... 74 FIGURA 85 REGLETERO NÚMERO DOS DE LA MALETA ....................................................................... 74 FIGURA 86 REGLETERO NÚMERO TRES DE LA MALETA ..................................................................... 75 FIGURA 87 ESTRUCTURA DE RED OPCIÓN 1 DE LA MALETA ............................................................... 75 FIGURA 88 ESTRUCTURA DE RED OPCIÓN 2 DE LA MALETA ............................................................... 76 FIGURA 89 WEBSERVER PARA ACCEDER EL ACCES POINT DE WEIDMÜLLER ..................................... 76 FIGURA 90 PORTAL DEL WEBSERVER .............................................................................................. 77 FIGURA 91 CONFIGURACIÓN DE RED ............................................................................................... 77 FIGURA 92 DEFINIR MODO DE OPERACIÓN DEL ACCES POINT ........................................................... 78 FIGURA 93 ENLACE CON EL WIFI QUE SUMINISTRA EL MÓVIL ............................................................ 78 FIGURA 94 CONFIGURACIÓN DE LA RED WIFI APORTADA POR EL MÓVIL ............................................ 79 FIGURA 95 PERMITIR LINK FAULT PASS-THROUGH .......................................................................... 79 FIGURA 96 PORTAL U-LINK DE WEIDMÜLLER .................................................................................. 80 FIGURA 97 PERFIL DE USUARIO ...................................................................................................... 81 FIGURA 98 GESTIÓN DE USUARIOS ASOCIADOS ............................................................................... 81 FIGURA 99 GESTIÓN DE PERFILES Y GRUPOS .................................................................................. 82 FIGURA 100 PERMISOS DE LOS USUARIOS ...................................................................................... 82 FIGURA 101 CONEXIÓN Y ENLACE DEL U-LINK VPN CLIENT ............................................................. 83 FIGURA 102 CONEXIÓN ESTABLECIDA CORRECTAMENTE .................................................................. 84 FIGURA 103 ARQUITECTURA E INCORPORACIÓN DE EQUIPOS EN U-LINK ........................................... 84 FIGURA 104 ARQUITECTURA EQUIPOS DE LA MALETA EN U-LINK ....................................................... 85 FIGURA 105 VISUALIZACIÓN ESTADO DE LA CONEXIÓN REMOTA ........................................................ 85 FIGURA 106 CONFIGURACIÓN DEL APARTADO DE RED DEL ROUTER .................................................. 86 FIGURA 107 CONFIGURACIÓN DE DNS ........................................................................................... 87 FIGURA 108 DEFINIR SERVIDOR NTP PARA FECHA Y HORA .............................................................. 87 FIGURA 109 CONFIGURACIÓN DE PERMISOS PARA REALIZAR EL CANAL VPN ..................................... 88 FIGURA 110 CÓDIGO PARA REALIZAR ENLACE DE FORMA SEGURA CON LOS CERTIFICADOS ................ 89 FIGURA 111 REALIZAR LA CONEXIÓN VPN ...................................................................................... 89 FIGURA 112 REALIZACIÓN EXITOSA VPN MEDIANTE U-LINK ............................................................. 90 FIGURA 113 WEBSERVER DEL PLC WEIDMÜLLER ........................................................................... 91 FIGURA 114 APARTADOS PREINSTALADOS PARA CONFIGURAR Y PROGRAMAR EL PLC ...................... 91 FIGURA 115 DEFINICIÓN DE LOS PUERTOS ...................................................................................... 92 FIGURA 116 CONFIGURACIÓN SERVIDOR NTP PARA FECHA Y HORA ................................................. 92 FIGURA 117 APLICACIONES QUE INCORPORA EL PLC ...................................................................... 92 FIGURA 118 CÓDIGO DE ACTIVACIÓN PARA U-LINK CON CERTIFICADOS DE SEGURIDAD ...................... 93 Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 15 2.2 NIVELES NECESARIOS EN LA INTEGRACIÓN DE IIOT Como ya se ha avanzado en el apartado anterior la integración de Industrial Internet Of Things (IIoT) requiere de 4 fases para poder generar de un dato un valor que nos aporte beneficio. Figura 3 Fases para generar valor a partir de un dato 1) Adquisición de datos Primero de todo es necesario tener monitorizado en todo momento los procesos que queremos controlar. Esto hoy en día ya se logra con los diferentes equipos de campo que existen, como pueden ser los PLC, sensores de todo tipo, periferia distribuida que recogen los diferentes inputs que recogen directamente de los procesos, medidores de energía, equipos específicos que salen nuevos con la capacidad de registrar eventos y poderlos comunicar a través de algún protocolo de comunicación. Por tanto, podríamos establecer que es una fase que ya existe en muchas industrias automatizadas y que se trata de obtener valores del proceso que queremos controlar. 2) Preprocesado de datos Una fase importante es la del preprocesado de datos, que es la fase donde se hace un filtrado de todos los datos que se obtienen. Esto es necesario ya que al estar controlando las 24 horas del día el proceso, se generan muchos datos y realmente una gran mayoría no aportan un valor. Si no se hiciera este filtrado los diferentes niveles superiores del proceso se ralentizarían y sería más costoso y menos eficiente. Un claro ejemplo sería monitorizar el funcionamiento de un motor donde queremos saber si está encendido o no, si registráramos y enviáramos minuto a minuto si está encendido saturaríamos tanto las comunicaciones como el servidor donde enviamos la información, por eso lo ideal es generar un proceso que sólo nos avise cuando se pare y se encienda el motor. Esto se logra en esta etapa de preprocesado de datos. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 16 3) Comunicación de los datos Cuando logramos obtener unos datos que sí ya son analizables y una cantidad óptima, el siguiente paso es escalarlo desde el nivel de control a un servidor que puede ser local o en la nube, lo que sería el nivel de gestión con el fin de ser analizados. Esto se logra a través de las comunicaciones, ya sea a través de switches y routers en la parte de Ethernet industrial o mediante protocolos como MQTT, MySQL... que van desarrollándose para facilitar la integración entre equipos industriales y plataformas donde se recogen esos datos. 4) Analítica de datos y generación de valor Es la última etapa y la más importante, es donde se genera un valor a partir de los datos y que por tanto obtenemos un beneficio. Ya puede ser por detección de anomalías antes de que ocurra el fallo, realizar mantenimiento predictivo, ahorro de costes en producción por optimización de los procesos, menos rechazos por producción de mejor calidad, procesos más eficientes energéticamente… Esto se logra gracias a los avanzados procesos de analítica de datos e inteligencia artificial que hoy en día existen, conocidos industrialmente como Machine Learning. 2.3 CAMBIOS QUE SUPONE EN LA EMPRESA Figura 4 Cambios en la Industria 4.0, de Ronald Berger Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 17 2.4 VENTAJAS Y BENEFICIOS QUE APORTA • Mejora de los procesos productivos e incremento de la productividad. • Mejora del Time-to-Market (tiempo que se tarda en desarrollar un producto y fabricarlo). • Mantenimiento predictivo que evita paradas no planificadas. • Flexibilidad (productos a medida). • Integrar la parte de producción con otras áreas de la empresa, como logística, proveedores, clientes… • Gestión correcta de los activos y elementos de la producción. • Reducción de stocks y plazos de entrega. • Soluciones sostenibles respecto al medio ambiente. • Ahorro de energía. • Reducción de costes. • Toma de decisiones contrastadas y con mayor probabilidad de éxito. • Agilidad y rapidez para definir cambios de producción. • Acceso independiente del lugar de donde esté la fábrica. Como conclusión obtenemos fábricas inteligentes con la capacidad de competir con otros países y la economía global. Figura 5 Datos del uso e influencia del IOT a nivel mundial, presente y futuro cercano Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 18 2.5 HECHOS Y CIFRAS DEL IOT INDUSTRIAL En la figura 5, se muestran cifras y hechos que nos demuestra como está incrementando cada día el uso de este tipo de tecnología, el potencial todavía de crecimiento y las grandes inversiones previstas para su integración y desarrollo en diferentes industrias. 2.6 MALETAS Y KITS DE DEMOSTRACIÓN EXISTENTES En este apartado se hace un estudio previo de maletas similares que pueda haber en el mercado para valorar la necesidad y madurez del proyecto. Siemens, como empresa líder en automatización y con largo recorrido en la vertiente académica, tiene diferentes soluciones para enseñar sus productos e incluso kits. Principalmente todas sus soluciones se enfocan para realizar formaciones o presentaciones en centros formativos. Principalmente son kits de producto especialmente enfocados a PLC y son para montar en talleres o escuelas. Figura 6 Kit de inicio Siemens Phoenix Contact, también tiene un kit de inicio con componentes preinstalados para sus aplicaciones de prueba. Bastante enfocado también para conocer su PLC y formato de programación. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 19 Figura 7 Kit de inicio Phoenix Contact Festo es otra importante compañía de automatización y muy fuertemente ligada a innovación y educación. También dispone de diferentes formatos para realizar demostraciones y formaciones. En este caso tienen hasta incluso células robotizadas completas para enseñar sus productos. Figura 8 Célula robotizada para demos Festo A forma de resumen, se puede extraer la conclusión que los diferentes equipos que proponen las empresas líderes de automatización para hacer demostraciones y enseñar productos, están muy enfocados a control propiamente y procesos de automatización y Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 20 para ser instalados en aulas. Pero no existen maletas de momento para temas de digitalización e Industria 4.0, donde se incorporen también los equipos de comunicación. En el caso de la maleta que se desea construir en este proyecto, el enfoque que se le quiere dar es que sea una maleta portátil para poder llevarla a visitas comerciales, y no para ser instalada en ningún taller o escuela. A parte que no sea una maleta exclusiva para acceder a los equipos para ver o enseñar a programar el PLC, como las que se ha visto que existen en el mercado. Sino que, a través de los diferentes actuadores, HMI y procesos se pueda interactuar y simular los procesos. Además, se pretende que sea flexible para poder ser modificada e incorporar más aplicaciones a futuro. Por otra parte, dado que será una maleta para simular procesos de digitalización y no de control exclusivamente, necesita dotar de acceso a internet, y para ello se tratará de equipar con los diferentes dispositivos necesarios para lograrlo. Esto se pretende que se haga de forma autónoma e independiente al lugar de la visita, por tanto, también necesitará de una arquitectura de equipos de comunicación. Logrando así incorporar en una misma maleta los diferentes equipos de control, comunicaciones, visualización y actuadores, que engloba el proceso completo de una industria automatizada que incorpora procesos de Industria 4.0. Permitiendo así poder simular y enseñar los diferentes equipos necesarios. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 21 3 DESCRIPCIÓN DEL HARDWARE Y SOFTWARE QUE COMPONE LA MALETA En este apartado se van a definir los diferentes equipos y softwares utilizados para poder desarrollar la aplicación con éxito. Se va a hacer de forma individual de cada uno de los dispositivos para tener una visión más clara de cada uno de ellos. Es en el apartado 4 en el que se desarrollará la configuración y conexión entre los diferentes equipos logrando así la arquitectura completa de la aplicación. También es al final de este mismo apartado donde se explica los diferentes softwares utilizados y donde se introduce los conceptos básicos de funcionamiento de cada uno de ellos. 3.1 CONTROLADOR PLC-IOT Uno de los elementos claves de esta aplicación es el PLC-IOT de Weidmüller, UC20WL2000-AC. Es un controlador lógico programables (PLC) enfocado a la digitalización y que permite realizar aplicaciones de IOT. Figura 9 PLC Weidmüller UC-20-WL2000-AC Esto es así dado que lleva incorporado internamente Node-Red, que es una herramienta de desarrollo basada en flujo para programación visual, desarrollada originalmente por IBM para conectar dispositivos de hardware, API y servicios en línea como parte de Internet of Things. Node-Red se ha convertido en el estándar open-source para la gestión y procesado de datos en tiempo real, logrando simplificar los procesos entre productores y consumidores de información. Como motor de flujos con enfoque IoT, permite definir gráficamente flujos de servicios, a través de protocolos estándares como REST, MQTT, Websocket, AMQP… además de ofrecer integración con apis de terceros, tales como Twitter, Facebook, Yahoo!, e incluso enlazarte con servidores Cloud públicos como Azure, AWS, IBM… y privados de las propias empresas. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 22 A parte de poder utilizar Node-Red, también se puede programar vía Web-server con lenguaje de programación Functions Blocks para el control de procesos según la norma IEC 61131-3. Otro protocolo que también lleva incorporado para poder tener interoperabilidad con equipos de otros fabricantes es OPC-UA, y se puede configurar como OPC-UA Server. Es por todas estas razones y la posibilidad de incorporar diferentes tarjetas de entrada y salida típicas de un PLC, que lo hacen clave para poder digitalizar y darle un enfoque de Industria 4.0 de cualquier aplicación. 3.1.1 Características técnicas: • Procesador: Dual Core ARM A9, 624 MHz. • PM Security Chip para funciones de alta seguridad. • Memoria: 512 Mbyte RAM y 4 GB internal flash memory. • Memoria de datos: tarjeta μSD con max. 32 Gbyte. • Reloj a tiempo real con backup de larga duración de batería (tipo de batería: CR1220). • Combinación con las tarjetas estándar de la periferia U-Remote (max. 64 tarjetas). • 2 conectores de alimentación para entradas/sistema. • Conector micro USB para acceso local de ingeniería. • 2 puertos independientes de Ethernet (conector X1 para conexión de servidor/red). 3.1.2 Concepto y cálculo de alimentación del equipo Los controladores U-control y los módulos U-remote utilizan tres rutas de corriente internas, la del propio sistema para alimentar el equipo, la de alimentación de los módulos de entradas y la de la alimentación de los módulos de salidas. Las rutas de entrada y salida se suministran por separado, por lo que una actualización personalizada mediante módulos de alimentación es fácilmente factible. La figura 10 muestra el concepto de suministro general. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 23 Figura 10 Alimentación de los diferentes módulos de entradas y salidas 3.1.3 Tarjetas utilizadas Figura 11 Tarjetas utilizadas en el PLC Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 24 3.1.4 Arquitectura de aplicación posibles Figura 12 Arquitecturas posibles con el PLC Para programar y hacer diagnosis del PLC no hace falta ningún software adicional. Todo se hace a través del web server, que se denomina U-Control Web. Esto es otra gran ventaja de utilizar este equipo. 3.1.5 Plataforma web Para acceder al servidor web o la interfaz de configuración del controlador IoT se hace a través del navegador (Mozilla Firefox 61 o superior / Google Chrome 67 o superior). Se puede hacer a través del mini USB o del puerto de Ethernet. Si se utiliza USB (Siempre) 192.168.10.202 o si es el puerto Ethernet (Default) 192.168.0.101. Se solicitan los siguientes datos de inicio de sesión: User: admin Password: Detmold En la parte superior donde se ve lo de Real-time application en la figura 13, es donde se programa y configura el equipo. Después más abajo están las diferentes aplicaciones que ya vienen instaladas como Node-RED, U-Link (plataforma propia de Weidmüller para acceso remoto al equipo) y OPC UA server para poder comunicarte con equipos de terceros. A continuación, se explica brevemente los diferentes apartados que podemos encontrar, que contienen y funcionalidades. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 31 Figura 22 Configuración de la tarjeta propiamente Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 32 Doble click en la tarjeta para entrar en su configuración Figura 23 Botón para cargar configuración Una vez configurados los módulos, con el botón de Deploy, cargamos los cambios al controlador. Programación Programación vía Function Block Diagram (FBD) Figura 24 Apartado para realizar programación en FB Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 33 Definición e inicialización de variables locales usadas únicamente a nivel del POU o Function Block específico Figura 25 Descripción apartados Área de programación con Diagrama de bloques de funciones según la norma "IEC 61131-3“. Figura 26 Añadir POU al programa Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 34 Variables globales Figura 27 Variables globales Figura 28 Definición y mapeo de las variables globales Es importante anotar que estas variables se pueden utilizar en la aplicación de NodeRed para interactuar entre los dos formatos de programación. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 35 Visualización de la aplicación Figura 29 Apartado de realización de visualización Permite generar visualización hecha a medida a tiempo real de las variables definidas en formato dash-board. Figura 30 Definición partes para generar scada En el apartado 4.6 de este mismo proyecto se explica cómo se debe configurar el equipo para poder comenzar a trabajar con él. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 36 3.2 ROUTER INDUSTRIAL Una industria altamente productiva y eficiente requiere una infraestructura de redes bien estructurada, potente y segura. El concepto y los componentes adecuados protegen su instalación frente a fallos de los sistemas de automatización y los costosos tiempos de parada. Es lo que se le denomina producción interconectada. En instalaciones interconectadas, la protección segura frente a accesos no autorizados por parte de personas o software dañino es imprescindible. Actualmente, a menudo una máquina de producción moderna está interconectada de distintos modos. Ya sea con Internet para el mantenimiento remoto, la red empresarial para el intercambio de datos de producción o con otras máquinas y sistemas periféricos para una producción automatizada. Y es que una mayor interconexión también significa redes más grandes, un aumento de la comunicación y más requisitos en cuanto a la seguridad. Para ello es necesario utilizar en la arquitectura de red de la máquina un router industrial. Los routers son dispositivos de capa 3 (nivel de red) del modelo OSI, con la capacidad de transferir información entre sistemas finales, encaminamiento y control de congestión, adaptados a la industria. Esto significa que tienen unas características especiales en robustez frente a temperaturas, vibraciones, protección contra ruido electromagnético (EMC), baños especiales de los circuitos electrónicos frente a polvo y humedad y diseñados específicamente para este tipo de aplicaciones, que son reguladas por normativa industrial. En concreto en este proyecto se utiliza el router de seguridad industrial de Weidmüller IE-SR-4TX. Figura 31 Router Weidmüller Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 37 3.2.1 Datos técnicos: Modos de operación IP-Router Enrutamiento IPv4 entre las interfaces (puertos LAN / puerto WAN / opcional Módem 4G). Los puertos LAN se comportan como los de un switch no gestionado Fast Ethernet, 4x RJ45 10/100BaseT(X). Enrutamiento estático o dinámico según el protocolo RIPv2 u OSPF Servicios de red DHCP Server / DHCP Relay DNS-Relay NTP-Client DynDNS (DHCP-Client according to RFC 2136) Firewall IPv4 Stateful inspection Firewall NAT-Masquerading, 1:1 NAT, Port forwarding Layer-2/3-Filter (VLAN ID, VLAN QoS Tag, MAC address based, Ethertype Frame) Formatos para conexión remota a través de canal VPN de forma segura OpenVPN Configurable como OpenVPN server or client (Layer 2 and Layer 3) Authentication with X.509 Certificates Tunnel support via HTTP-Proxy Un máximo de 10 configuraciones de servidor diferentes Número ilimitado de conexiones de clientes en modo servidor. IPsec Puede configurarse como IPsec server or client. Autentificación con PSK (user ID, password) or X.509 certificates. Hardware encryption for faster data flow rate. Un máximo de 64 conexiones simultaneas (subnet with subnet or as IPsec server) Encryption algorithms DES-56, 3DES-168, AES 128, AES 192, AES256 u-link Basado en certificate-secured OpenVPN technology Para ser usado con Weidmüller Remote Access Service Simplificar conexiones VPN y su gestión Fáciles y rápidas conexiones Gratuito (dependiendo tipología licencia) Configuración Gestión Configuración a través de interface web (HTTP/HTTPS) Interface Web seleccionable en Inglés o Alemán Soporte de configuración a través del asistente Acceso multiusuario configurable con derechos definibles Soporte para SNMP v1 / v2 / v3 Registro de eventos / syslog Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 38 Otras características Modbus/TCP (Modo esclavo) El esclavo Modbus / TCP integrado proporciona funciones de control enviadas por un Maestro Modbus / TCP. Las siguientes funciones se muestran en los registros: Corte y alarma: obtenga el estado / configure el reconocimiento Diagnosis “Captura remota": función para el diagnóstico de red a través de un PC conectado (Wireshark) Interfaces RJ45-Ports 4 x 10/100 BaseT(X) RS 485 Interface para comunicación Modbus RTU SCM card reader Guarde y restaure la configuración utilizando una tarjeta inteligente (tarjeta SIM sin datos del proveedor de telefonía móvil, solo se incluirá la capacidad de almacenamiento del chip usado) LED displays Señalización del estado de alimentación, estado del dispositivo, conexión VPN activa Digital Inputs DI para activar diferentes funciones como VPN, Firewall o CUT Reset-Button Restaurar a la configuración de fábrica Certificados y aprobaciones Seguridad cULus (UL 61010) EMC FCC Part 15 Class A, EN61000-6-2 Immunity for industrial environments EN61000-6-4 Emission Standard for industrial environments Golpes y choques DIN EN 60068-2-27 Vibraciones DIN EN 60068-2-6 3.2.2 Aplicaciones típicas industriales que se implementan con el router 3.2.2.1 Conexión de diferentes redes IP • Routing entre puertos LAN – WAN • Routing estático y dinámico (RIPv2 & OSPF) • Posibilidad de Routing extendido → routing entre todos puertos del modelo de 6 puertos Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 39 Figura 32 Aplicación de routing 3.2.2.2 Acceso remoto Figura 33 Aplicación de acceso remoto Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 40 • Acceso remoto para configurar y supervisar instalaciones desde cualquier lugar → Mantenimiento remoto • Protocolos estándar disponibles (Open VPN, IPSec) para garantizar el acceso SEGURO utilizando cualquier red externa • Posibilidad de utilizar el exclusivo servicio de mantenimiento de Weidmüller basado en la nube (u-link) o Simple (basado en web; sin manipulación de certificados) o Seguro (Túneles VPN; acceso https) 3.2.2.3 Network Address Translation (NAT) Figura 34 Aplicación de NAT • Gracias a NAT podemos ahorrar tiempo en el direccionamiento IP • No es necesario cambiar la dirección IP predeterminada de las diferentes máquinas (puede ser la mismo para todas) • El router adapta las direcciones IP • IP forwarding también es una alternativa para evitar la reprogramación de IP Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 47 3.4.1 Topologías de red redundantes • Prevención contra fallos de elementos • Ruta principal y Ruta Back-up entre dos puntos o El switch gestiona el camino correcto o Condiciones de fallo → Desde principal a Back-up o Tiempo de recuperación (depende del protocolo utilizado) • Protocolos estándar y propietarios o Estándar: Interoperabilidad entre diferentes fabricantes o Propietario: Tiempos de recuperación más rápidos y programación más sencilla. Todos los switches tienen que ser del mismo fabricante. Figura 42 Rutas en estructuras redundantes Protocolos estándar: STP / RSTP / MSTP Protocolos propietarios Weidmüller: ORING, TURBO_RING 3.4.2 Analizar y controlar el tráfico • Mensajes entre dispositivos Broadcast / Multicast → Pueden colapsar la red si el número es alto, pueden ser filtrados y limitados con un switch gestionado. • Necesidad de controlar el tráfico para evitar la congestión o Creación de VLANs (Virtual LAN): Segmentación de red → Una red física se comporta como varias redes independientes aislando el tráfico de red. o QoS (Quality of Service): Priorización de tráfico → Gestiona la cola del switch de acuerdo con una prioridad dada. Implementable en los procesos críticos o necesidad de tiempo real. o Rutas de priorización de datos IGMP (Internet group management protocol) Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 48 Figura 43 Aplicación de generar VLAN VLAN 1 y VLAN 2 son redes completamente aisladas y el tráfico de las cámaras IP nunca afectará el tráfico en PLCs y Robots / Máquinas 3.4.3 Acciones de ciberseguridad • Un switch es una puerta de entrada a dispositivos críticos → Riesgo de usuarios no deseados dentro de la red • Los switches gestionados permiten mecanismos sencillos para: o Control de acceso: Se requiere usuario y contraseña. Autentificación remota o Bloqueo de puertos: Los puertos no utilizados se pueden deshabilitar o Bloqueo de IP/MAC: Limitar dispositivos en la red o Lista de Acceso: Crear nuestras propias reglas de acceso/bloqueo para cualquier puerto • Simplicidad para controlar el acceso a la red Figura 44 Bloqueo de puertos ROBOT / MACHINE HMI PLC DATA BASE SECURITY VLAN 2 VLAN 1 Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 49 Podemos bloquear que cualquier dispositivo externo pueda acceder a la red bloqueando los puertos libres del switch o permitiendo el acceso sólo a las direcciones MAC de los elementos conocidos (PLC, …) 3.4.4 Gestión del dispositivo y la red • Monitorización/Configuración tanto local como remota • Switches de Weidmüller proporcionan varias opciones de gestión: o Web server integrado para la gestión de elementos o SNMP agent para gestión de la red o Telnet y CLI (Interfaz de línea de comandos) o Registro de Syslog o Relé de salida de alarmas Figura 45 Gestión de los equipos y de la red Podemos acceder al switch (web / SNMP / telnet) ya sea localmente (LAN) o remotamente (WAN si tenemos la infraestructura correcta). 3.4.5 Supervisar el rendimiento de la red • Herramientas de diagnóstico en el switch → Es útil si el rendimiento de la red no es el adecuado • Switches de Weidmüller permiten al usuario monitorizar la actividad en todos los puertos → Comprobar el número inusual de paquetes por puerto • Port mirroring función para duplicar la información de cualquier puerto → Conexión a una herramienta de análisis de paquetes, por ejemplo, Wireshark. Para la aplicación de este proyecto no es necesario el uso de un switch gestionado ya que no va a haber un tráfico de datos muy elevados ni se requiere priorización de paquetes. El switch que se implementa es el modelo IE-SW-BL05-5TX de Weidmüller, un modelo muy compacto que facilita su integración en la maleta. Es un switch industrial que cumple con requisitos exigentes de los ambientes industriales como son vibraciones, temperaturas, humedad y EMC. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 50 Figura 46 Switch no gestionado Weidmüller 3.4.6 Datos técnicos: Dimensiones Profundidad: 70 mm Altura: 115 mm Anchura: 30 mm Temperaturas Temperatura de servicio: -10°C...60 °C Temperatura de almacenamiento: -40°C...85 °C Humedad 5 hasta 95% (sin condensación) Normas EMC EN 55032, EN 55024, CISPR 32, FCC Part 15 Subpart B Class A, IEC 61000-4-2 ESD: Contact: 6 kV; Air: 8 kV, IEC 61000-43 RS: 80 MHz to 1 Ghz: 10 V/m, IEC 61000-4-4 EFT: Power: 2 kV; Signal: 1 kV, IEC 61000-4-5 Surge: Power: 2 kV; Signal: 2 kV, IEC 61000-4-6 CS: 10 V, IEC 61000-4-8 Garantía 5 años Interfaces Conmutador DIP de funciones: 1x para activar/desactivar la limitación de tráfico Indicador LED: PWR1, PWR2, 10/100M (TP-Port) Número de puertos: 5x RJ45 Puertos RJ45: 10/100BaseT(X), auto negotiation, Modo Half Duplex/Full Duplex, Conexión Auto MDI/MDI-X Tecnología Comunicación de datos: Store and Forward Control de flujo: Control de flujo IEEE 802.3x, Control de flujo Back Pressure Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 51 3.5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN Los procesos de producción deben ser cada vez más eficientes. Al igual que el rendimiento, la eficiencia energética y la sostenibilidad también juegan un papel cada vez más importante en la industria 4.0. La fuente de alimentación PROTOP1 120W 24V 5A de Weidmüller que se usa en este proyecto para alimentar a todos los equipos a 24VDC a través de conector schuko, combina excelentes datos de rendimiento con una sostenibilidad ejemplar, que tiene un impacto positivo en la productividad de toda la instalación de producción. • Reducción sostenida de los costes energéticos gracias a la mejora de la eficiencia. • Mayor disponibilidad del sistema gracias a la larga vida útil y los altos valores de MTBF. • Tipos de diseño que ahorran mucho espacio para una alta densidad funcional. Figura 47 Fuente de alimentación Weidmüller Las fuentes PROtop pueden lograr ahorros significativos en comparación con una fuente de alimentación convencional. Su mayor eficiencia ahorra una media de 50 kWh por día, en un tamaño medio de planta de producción con aproximadamente 100 fuentes de alimentación PROtop que funcionan en operación de tres turnos. Esto suma más de 15.000 kWh al año y también mejora la huella de carbono de la instalación. La vida útil, que es el doble que la de fuentes de alimentación estándar, también reduce de forma sostenible los costes de recompra e intercambio. A parte es una fuente que está pensada para aplicaciones de digitalización, ya que, a parte de sus buenas prestaciones como fuente, permite añadir un módulo de comunicaciones que permite trasladar los datos que interfieren a la fuente a un equipo superior de control. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 52 3.5.1 Datos técnicos: DATOS DE ENTRADA PRO TOP1 120W 24V 5A Tensión de entrada nominal, CA / CC 100...240 V AC / 120...340 V DC Rango de frecuencia CA 45...65 Hz Corriente de entrada máx. @ 100 V AC ≤ 2 A Fusible de entrada (interno) Sí DATOS DE SALIDA Tensión de salida nominal (regulable mediante potenciómetro) 24 V DC (22.5...28.8 V DC) Corriente de salida nominal @ Unomin 5 A @ 60 °C DATOS GENERALES Eficiencia, típica 91 % @ 230 V AC Factor de potencia (aproximado) > 0.85 @ 230 V AC MTBF según IEC 61709 (SN29500) > 1.000.000 h Protección contra cortocircuitos Sí Figura 48 Módulos de comunicación para la fuente Añadiendo este módulo se pueden enviar a PLC superior datos de la fuente tales como: horas de funcionamiento, consumo de corriente y tensión a tiempo real, histórico de eventos como sobre picos de corriente o huecos de tensión en la alimentación, ajustar la fuente de forma remota... También cuenta con la tecnología patentada DCL, que permite entregar más corriente de sobre pico gracias al powerboost. Lo que permite arranque de motores en cascada durante 5 segundos sin que se amorre la fuente. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 53 Figura 49 Curva dinámica de la fuente de alimentación Y, por último, como característica también diferenciadora llevan incorporado un transistor tipo MOSFET ORing, que permite poner dos fuentes en paralelo de forma redundante sin la necesidad de incorporar un módulo de diodos y se auto balancean las fuentes para suministrar la misma carga. Figura 50 Incorporación de los transistores en la propia fuente Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 54 3.6 PANTALLA TÁCTIL HMI Una parte importante del control de los procesos es visualizar las alarmas y los diferentes parámetros de control críticos. Lo que industrialmente se le denomina panel de control o scada, que es donde se representa gráficamente estos datos en formato dashboard y permite ver de forma intuitiva y rápida como se está ejecutando el proceso. Para visualizar el scada de la aplicación se incorpora en la maleta una pantalla táctil HMI. Es una pantalla Weidmüller modelo UV66-BAS-7-RES-W de 7 pulgadas resistiva. El sistema operativo es Linux+Browser (HTML5). Interfaz 2 x Ethernet 10/100/1000 MBit/s (RJ45), 2 x USB 2.0 (host), 1 x serie RS-232/RS-485/RS-422 Memoria (Flash) 4 GB Memory (RAM) 1 GB Procesador ARM Cortex A9 1 GHz NXP® i.MX6 DualLite Luminancia 500 cd/m² Número de colores visualizables 16 M Resolución 800 x 480 Figura 51 Pantalla HMI Weidmüller En el apartado 4.7 se explica cómo se debe configurar la pantalla para poder visualizar el scada creado a través del propio PLC. 3.7 CONECTORIZACIÓN Para complementar lo que es la maleta y poder hacer demostraciones visuales se implementan los siguientes elementos. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 55 Bornes de distribución de la parte de continua marca Weidmüller donde se identifica claramente los positivos y negativos de forma compacta. Figura 52 Borne distribución 24vdc Potenciómetros para simular entradas analógicas. Figura 53 Potenciómetros de la maleta Interruptores para simular entradas digitales. Figura 54 Interruptores de la maleta Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 56 Leds para simular salidas digitales. Figura 55 Leds de la maleta Seta de emergencia Figura 56 Seta emergencia Motor de CC Figura 57 Motor CC de la maleta Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 63 Exportar el programa: Figura 68 Exportación del programa en Node-RED 3.8.2 Conceptos básicos y nomenclatura propia Tipos de nodos: Figura 69 Diferentes tipos de nodos Flow: Figura 70 Definición flow Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 64 Mensajes: Figura 71 Programa en Node-RED • Los mensajes se envían de un nodo a otro. Estos pueden ser inyectados manualmente por el usuario, por un dato de proceso o vía un evento externo. • Los mensajes son del tipo JavaScript Object, conteniendo valores, arrays u otros objetos. • Los objetos JavaScript se representan como JSON String. Propiedades de los mensajes: • El nombre del objeto que se intercambia entre nodos se denomina “msg”. • Las propiedades más comunes del (“msg”) son: o “_msgid”: identificador del mensaje (todos los mensajes tienen uno). o “topic”: identificador para separar diferentes secuencias de mensajes. Por ejemplo, si tenemos varios mensajes de entrada, es una forma de diferenciar-los. o “payload”: parte de los datos transmitidos que es la que realmente contiene el valor significativo del mensaje. JSON: • Significa JavaScript Object Notation. • Formato ligero para almacenar y traspasar datos. • Normalmente usado en envío de datos de servidor a página web. JSON Sintaxis: • Datos: nombre/valor. • Datos: separados por coma. • Llaves contienen objetos. • Corchetes forman arrays. Figura 72 Sentencia JSON Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 65 Figura 73 Diferentes sintaxis en JavaScript Object (Node-RED) y JSON 3.8.3 Nodos básicos Figura 74 Configuración nodo Inject Iniciar la cadena del mensaje de forma manual o como evento. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 66 Figura 75 Configuración nodo Debug Permite visualizar el mensaje que se transmite. Nodos específicos de Weidmüller creados para facilitar y asegurar la interconexión física del equipo PLC con Software Node-RED. Figura 76 Configuración nodo Channeldata propio de Weidmüller Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 67 Figura 77 Configuración nodo Iodata-in propio de Weidmüller Figura 78 Diferencia entre selección de todas o una única variable Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 68 Figura 79 Configuración nodo Iodata-out propio de Weidmüller 3.9 U-LINK U-link es la plataforma de software en el cloud de Weidmüller que se integra con los equipos de IoT y routers, para poder acceder remotamente a los equipos de forma cibersegura. Figura 80 Acceso remoto a través de U-Link Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 69 U-link garantiza un acceso rápido y seguro a las máquinas y plantas, y al mismo tiempo permite una gestión eficiente de las plantas de fabricación, clientes, usuarios, derechos de acceso o versiones de firmware. 3.9.1 Beneficios de su uso Los beneficios de utilizar esta plataforma son: • No se requiere altos conocimientos en IT (Tecnologías de la Información) para crear un túnel VPN (Virtual Private Network) de acceso remoto que garantice la seguridad de la comunicación entre los elementos de la red. • Interfaz de usuario sencilla que se puede diseñar sin conocimientos de programación → Herramientas de configuración fáciles. • Posibilidad de definir diferentes tipos de permisos según perfil de usuario que lo utilice, útil para restringir funcionalidades según nivel o jerarquía del trabajador. • Diferentes licencias de uso disponibles dependiendo de los requisitos del cliente. • Servidor exclusivo e instancia de base de datos por cuenta de cada cliente. 3.9.2 Túneles VPN clásicos e instalación con U-LINK Los túneles VPN clásicos estándar no son sencillos de manejar, requieren altos conocimientos. Es necesario configurar el ordenador, el servidor y el router al igual que definir y generar los certificados para cada uno de los elementos comentados. A parte de todo esto se requiere de disponer de una dirección IP pública, lo cual dificultan la gestión de este tipo de conexiones en empresas que no disponen de un departamento especializado de IT. U-link simplifica el proceso: • Sólo el router tiene que ser configurado. • La gestión de certificados es automática. • No se requiere dirección IP pública. • Cumple con requisitos más estrictos de ciberseguridad a nivel industrial alemana. Para su uso es necesario 3 elementos: • Router o equipo de IOT Weidmüller en el sitio remoto. • Cliente U-link instalado en el PC desde donde se quiere acceder. • Portal U-link en la nube (propiedad de Weidmüller) Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 70 Figura 81 Partes para realizar conexión VPN a través de U-Link Para la instalación hay que seguir los siguientes pasos: • Crear una cuenta en el portal U-link → Acceso basado en web (https). • Descargar y registrar el cliente U-link → Equipo basado en Windows. • Configurar router Weidmüller. → Interfaz web fácil de usar → Guía de proceso paso a paso disponible • Video tutorial disponible con proceso completo paso a paso (español e inglés). 3.9.3 Operación simple Para realizar un acceso remoto mediante la plataforma es muy sencillo y ágil. Se describen a continuación los pasos. • Acceso al portal U-link con el registro individual con cuenta de usuario y password → Muestra todos los routers y topologías creadas. • Túnel VPN entre el ordenador y el enlace → Sólo tiene que ejecutar U-link Client en el ordenador. • Túnel VPN entre el router y u-link → ¡Con un solo click del portal u-link! Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 71 Figura 82 Aplicación de ejemplo de acceso remoto a los equipos de una planta fotovoltaica Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 72 4 ARQUITECTURA DE LA APLICACIÓN En los apartados anteriores se ha presentado los equipos utilizados de forma individual. En este apartado lo que se hace es explicar cómo se integran estos equipos con el fin de conseguir realizar las aplicaciones que se desarrollan en el proyecto. Para poder dar acceso a internet a los equipos de la maleta y ser independiente de donde se vaya a hacer la demostración, se incorpora un Wifi Acces Point que recoge el internet compartido a través del móvil. Después hay dos opciones posibles en la arquitectura de red, o incorporar un router para poder realizar reglas de firewall y acceder remotamente a la maleta mediante Ulink o ir directamente al PLC. Esto se hace así para demostrar el gran abanico de posibilidades que permite el PLC-IOT, ya que integra el software U-link y entonces para accesos remotos no hace falta usar un router para hacer la VPN. Aguas abajo del Acces Point se encuentra en el nivel de control, el PLC-IOT de Weidmüller que es la piedra angular del proyecto. A partir de este PLC se puede realizar el control de las distintas aplicaciones, hacer el preproceso de los datos y enlazar con los diferentes aplicativos que veremos más adelante. 4.1 WEIDMÜLLER CONFIGURATOR Para poder configurar la disposición de equipos de la maleta se ha utilizado el software de diseño Weidmüller Configurator. Figura 83 Software Weidmüller Configurator Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 79 Figura 94 Configuración de la red WIFI aportada por el móvil Habilitamos la opción de routing en el dispositivo Wifi. Entramos en Advanced Setup/Link Fault Pass-Through y lo habilitamos. Como siempre dar Submit al cambiarlo. Figura 95 Permitir Link Fault Pass-Through Finalmente se guarda y restaura el equipo para que los cambios se carguen. Cuando todo funcione correctamente y el enlace esté realizado se verán todos los leds en verde. La ganancia que tiene el dispositivo se aprecia en la barrera de leds. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 80 4.4 CONFIGURACIÓN DE U-LINK Primero de todo hay que generar una cuenta en U-link, a través de la página web de ULINK. Figura 96 Portal U-Link de Weidmüller Una vez creada, se puede gestionar los tipos de usuarios asociados a la cuenta y permisos de cada una de las cuentas generadas. Se pueden generar grupos dentro de los usuarios para asignar fácilmente según criterios del administrador los permisos de cada uno. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 81 Figura 97 Perfil de usuario Figura 98 Gestión de usuarios asociados Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 82 Desde User Management es donde se puede ver y gestionar los usuarios. Figura 99 Gestión de perfiles y grupos Figura 100 Permisos de los usuarios Una vez se ha generado la cuenta en U-LINK se tiene que descargar en el PC, desde donde nos queremos conectar remotamente, el software U-link VPN Client. Se encuentra el enlace de descarga directamente desde el portal de U-link. En el paso anterior cuando hemos generado la cuenta en el servidor, se nos ha otorgado un código de activación único para la cuenta registrada. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 83 Una vez instalado el software, el siguiente paso es activarlo con el código único de activación que se nos ha generado. Esto es lo que nos permite hacer una conexión de forma segura VPN, por lo que no hay que mostrar este código. Figura 101 Conexión y enlace del U-Link VPN Client Para comprobar que hemos realizado bien la instalación y creamos el canal VPN desde el PC hasta el servidor U-LINK, le damos a CONNECT VPN. Y vemos que la conexión se pone en verde e indica que estamos conectados. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 84 Figura 102 Conexión establecida correctamente El siguiente paso es añadir dentro de nuestra cuenta U-LINK los equipos de la maleta que se han definido. Con la arquitectura de carpetas deseada. Esto se hace desde el apartado de Device Management y se le da a Add Device, donde después nos permite definir el equipo, poner ip, asociar acciones al equipo y demás. Figura 103 Arquitectura e incorporación de equipos en U-link Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 85 Los equipos que conllevan al proyecto están dentro de la carpeta proyecto, y finalmente queda la estructura así. Figura 104 Arquitectura equipos de la maleta en U-link Podemos comprobar desde el U-LINK VPN Client que se pone en verde la conexión e indica que está conectado. En el portal de U-link también se muestra cómo está el estado del canal VPN. Figura 105 Visualización estado de la conexión remota De momento sólo tenemos conectado a través de VPN el PC hasta el servidor U-LINK que se encuentra en Alemania. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 86 4.5 CONFIGURACIÓN DEL ROUTER Primero de todo se tiene que conectar el router a través de un puerto LAN al PC con un cable ethernet. Para ello se tiene que configurar el puerto de Ethernet del PC para que esté en el mismo rango de la red del Router. Por defecto el router viene con la IP: 192.168.1.110. Para acceder hay que introducir el nombre de usuario y password. Una vez dentro del webserver, se pasa a configurar realmente la dirección IP deseada para la parte LAN y WAN. En nuestra aplicación por cómo se había definido en la arquitectura, el router en la parte LAN tendrá la IP:192.168.100.1 y se le asignará de forma estática. Importante también el permitir que haga NAT e indicar la submáscara. La parte de WAN dado que cuelga del acces point es necesario que se le asigne por defecto a través de DHCP. Figura 106 Configuración del apartado de red del router El siguiente paso es definir el servidor DNS, lo más habituales son el 8.8.8.8 y 8.8.4.4. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 87 Figura 107 Configuración de DNS Una vez está esto configurado, el siguiente paso es definir la fecha y hora. Esto se hace desde General Settings en Data & Time. Importante como en cada paso ir dando a Apply Settings. Figura 108 Definir servidor NTP para fecha y hora Por último, quedaría activar el servicio U-link en el router, para ello se tiene que ir a Configuration en el apartado de VPN y se despliega U-link. En la primera pestaña se Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 88 tiene que activar el sistema dándole a Enable U-link, elegir cómo queremos que se conecte el router en nuestro caso dado que no tenemos restricciones de cliente final, lo activamos para que esté siempre activo. Esta opción permite que se pueda conectar al router vía U-link, a través de una entrada digital que incorpora el router controlada por el cliente, así el cliente tiene el control de cuando permite a terceros conectarse por VPN. Y otra opción es nunca, entonces para acceder ha de venir algún responsable y cambiar esto. Figura 109 Configuración de permisos para realizar el canal VPN Para acabar de registrar este router dentro del servicio U-link hay que ponerle el identificador del router. Esto se define en la tercera pestaña donde pone Registration, y se tiene que indicar el identificador único. Que esto nos lo facilita el propio U-link cuando hemos dado de alta el nuevo router en nuestra estructura de equipos y se le da a register, una vez está registrado aparece registering y entonces es que se ha hecho ya la negociación de certificados y es cuando hay que dar a Reload. Una vez acabado el proceso tiene que indicar Registered. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 95 Figura 122 Maleta completa Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 96 5 APLICACIONES ESPECÍFICAS En este apartado 5 de la memoria se describen una serie de aplicaciones y procesos que permiten reflejar y demostrar las capacidades de los equipos. Consiguiendo así reflejar claramente como se puede utilizar los diferentes equipos y los beneficios que aportan cada una de las aplicaciones realizadas. Que son típicas en cualquier proceso de digitalización a nivel industrial. 5.1 ACCESO REMOTO MEDIANTE VPN Las fábricas de producción deben tener la capacidad de adaptarse cada vez más rápidamente a cambios en las demandas de los clientes. La flexibilidad necesaria para hacer esto se puede lograr teniendo un mayor nivel de automatización con un número creciente de componentes de software. Esto también conduce a sistemas cada vez más complejos. Además de eso, las expectativas de productividad de la maquinaria también están constantemente en aumento. Los tiempos de inactividad o paradas no planificadas inevitablemente se vuelven molestas y cuestan mucho dinero. Para evitar que pase, es esencial asegurarse de que el personal de mantenimiento de las propias plantas cuenta con el apoyo de los especialistas pertinentes en caso de avería. Ellos conocen sus aplicaciones hasta el último detalle, y son capaces de identificar rápidamente las posibles causas del fallo. Con la solución de mantenimiento remoto de Weidmüller, se puede ofrecer a los clientes servicios a medida que cubren todo el ciclo de vida de la máquina. Estos servicios pueden ser asistencia rápida en la resolución de problemas y un equipo de soporte para proporcionar respuestas rápidas a preguntas relacionadas con la operación, el proceso optimización y mantenimiento de máquinas y líneas de producción del cliente final. Esto se consigue gracias a la incorporación de U-link en nuestros equipos de IOT y router. Tal y como se ha visto en los capítulos anteriores gracias a la configuración de los diferentes equipos, vemos que ahora desde el PC donde se tiene instalado el VPN Client podemos conectarnos a los equipos de la maleta a través de una VPN de forma segura, independientemente de donde esté la maleta. En la imagen siguiente se comprueba que está conectado todo el canal VPN desde el PC hasta el router y permitiendo el acceso remoto al equipo final que cuelga del router, en este caso el PLC-IOT. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 97 Figura 123 Conexión remota desde el PC hasta el Router a través de VPN En la maleta podemos visualizar como el Wifi Acces Point tiene el máximo rango de cobertura transmitida por el móvil a través del wifi y como el router tiene encendido el led conforme está conectado el canal VPN. Figura 124 Router y Acces Point de la maleta indicando las conexiones Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 98 Beneficios que aporta esta aplicación: • Permite ahorrarse el desplazamiento de técnicos a la otra punta del mundo exclusivamente para verificar el estado de los equipos, ya que de forma remota se pueden conectar. Por tanto, ahorro económico en viajes y menos contaminación medio ambiental ya que se disminuyen desplazamientos. • Respuesta rápida a paradas de máquinas, minimizando el coste de la parada. • Soporte técnico de personas especializadas de forma sencilla gracias a este tipo de conexión. • Visualización y conocimiento previa a la visita presencial del error o fallo de la máquina, por tanto, ya puedes definir el material de recambio y personal necesario para la reparación in situ en caso de necesidad. • Agregar una segmentación en la arquitectura de red a los equipos de operación para temas de ciberseguridad. 5.2 CONTROL DE TEMPERATURA Y GESTIÓN DE ALARMAS En este apartado se va a realizar un control de temperatura integrando opciones de monitorización según requerimientos deseados. También se genera un scada de control y alarmas para reducir tiempos de parada y avisos mediante correo electrónico. Concretamente se conecta físicamente una sonda de temperatura tipo PT100 en la entrada analógica de la tarjeta RTD. Se configura para que los valores leídos se traspasen a valores en grados centígrados y se pueda monitorizar a tiempo real con el timestamp de lectura. Para ello se realiza un scada de control donde se debe escoger el valor mínimo y máximo que deseamos que se encuentre esta temperatura para poder realizar una alarma en caso de que no se mantenga entre estos valores. Una vez establecidos los límites se grafica a tiempo real las lecturas de temperatura. Se genera también en la pantalla de scada tres leds de alarma donde se indica si la temperatura está por debajo de límites, si está por encima de la temperatura máxima y un tercero que nos indica que está fuera de rango, ya sea que esté por encima o por debajo. Estos leds están también conectados físicamente a los leds de la maleta para verlo también desde fuera. Para digitalizar este proceso y simular que se avisa al responsable de mantenimiento, cuando se sobrepasa alguno de estos límites (equivaldría al tercer led de alarma) se envía un correo indicando que el rango de temperatura no es correcto y cuando ocurre, así se puede minimizar el tiempo de parada o de mal funcionamiento del proceso. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 99 Figura 125 Scada en funcionamiento correcto del proceso Figura 126 Scada en funcionamiento incorrecto donde la temperatura está por encima del valor máximo. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 100 Figura 127 Scada en funcionamiento incorrecto donde la temperatura está por debajo del valor mínimo Para generar este scada, se ha utilizado la parte de visualización U-Create Web Visualization, que integra el propio PLC. Es un apartado donde se puede integrar diferentes elementos gráficos de control típicos de un scada y que permite la interacción con las variables del programa. Para la generación y envío del correo se ha utilizado Node-Red. Se ha enlazado con la variable de alarma de temperatura de fuera de rango, se ha preprocesado con diferentes nodos para que no nos lo envíe cada vez para no saturar ni a los equipos enviando datos ni al personal recibiendo correos. Por tanto, sólo le llega un email cuando se sobrepasa y otro cuando la temperatura ya está en rango, es decir está solventado el problema. Los nodos utilizados serían los siguientes: Figura 128 Programa de Node-RED Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 101 Importante habilitar en la cuenta de Gmail el acceso a aplicaciones externas, que en este caso lo indican como poco seguras, sino no se pueden enviar correos desde NodeRed. Figura 129 Permiso de uso de cuenta de gmail en Node-RED Figura 130 Confirmación del permiso Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 102 Correo cuando salta la alarma y existe el problema. Figura 131 Correo con la alarma Correo cuando está solucionado el problema. Figura 132 Correo con la solución del problema Beneficios que aporta esta aplicación: • Fácil y rápida interacción con el control del proceso, dado que se escoge por pantalla los valores límite del proceso. En otros casos se puede extrapolar a cambio de recetas, por ejemplo, en procesos productivos dependiendo el tipo de material a producir. Por tanto, puede estar a cargo del proceso personal no cualificado o sin conocimientos en automatización. • Visualización de variables críticas en tiempo real para su supervisión. • Gestión de alarmas con el fin de reducir el tiempo de parada y diagnosticar rápidamente cual es la causa del error. • La posibilidad de recibir esta alarma de forma remota al personal deseado por correo, sabiendo fecha y hora del evento y poniendo toda la información deseada. • Posibilidad de destinar un técnico de mantenimiento a otros trabajos de mayor valor añadido que estar únicamente controlando cada cierto tiempo esta alarma. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 103 5.3 ENVÍO DE INFORMACIÓN A UNA BASE DE DATOS EN EL CLOUD MEDIANTE MYSQL Una parte importante de los procesos de digitalización es el envío de los datos que se procesan en un PLC o cualquier otro equipo de control, a un servidor que puede ser local o en la nube (cloud) para su posterior análisis. También cabe destacar, como ya se ha comentado en otros apartados del proyecto, que no es operativo ni óptimo el enviar todos los datos que se generan, sino que han de ser aquellos datos o variables que realmente nos pueden generar un beneficio tras su análisis, es lo que denominamos en este proyecto del dato al valor. Para conseguirlo previamente se ha de preprocesar y filtrar toda esta información, así logramos no saturar las comunicaciones ni ocupar grandes espacios de memoria en los servidores. En esta aplicación se va a enviar la temperatura que recogemos en el PLC a una base de datos en el cloud mediante MySQL. Y para ello vamos a prepocesar esta variable, para que no se envíe a su libre albedrío, si no únicamente cuando nosotros lo deseemos mediante una entrada digital ligada al switch número 1 de la maleta. A parte serán lecturas cada 30 segundos e indicando la fecha y hora que se toma la temperatura. En este proyecto se ha utilizado la plataforma DB4FREE que permite generar una base de datos en un servidor MySQL situado en el cloud y es gratuito. Sí que es cierto que está limitado en capacidad de almacenamiento y en tiempo de respuesta, pero para realizar estudios como el que se define en este proyecto es ideal. Db4free.net es un servicio de prueba, lo que significa que no es adecuado para un entorno de producción. Pueden presentarse interrupciones, pérdida de datos y funciones de seguridad que no cumplen con los estándares que usted espera de un proveedor de hosting de datos profesional. En el mismo portal de Db4free se dispone de la herramienta phpMyAdmin que es un software de código abierto diseñado para manejar la administración y gestión de bases de datos MySQL a través de una interfaz gráfica de usuario, escrito en PHP. Con esta herramienta podemos crear y eliminar Bases de Datos, crear, eliminar y alterar tablas, borrar, editar y añadir campos, ejecutar cualquier sentencia SQL, administrar claves en campos, administrar privilegios, exportar datos en varios formatos y otras opciones. Una vez hecha esta introducción a la base de datos utilizada se describe como se realiza el proceso. Para la generación de la base de datos lo primero que hay que realizar es ir al portal web de https://www.db4free.net/ y registrarte como usuario añadiendo: - Nombre de la base de datos: proyectodaniel - Nombre de usuario: danielbe - Contraseña: ****** Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 104 - Correo electrónico Una vez está generada la cuenta llega al correo una confirmación para dar de alta la cuenta. El siguiente paso es generar a través del aplicativo phpMyAdmin las tablas dentro de la base de datos y definir cómo será la estructura de la tabla (cantidad de columnas, el tipo de valores, orden...). Para ello hay diferentes opciones, una es utilizando sentencias SQL o aprovechar los diferentes apartados del aplicativo para ir generándola de forma más intuitiva. La tabla que se ha generado se llama TEMPERATURA y está dentro de la base de datos que se denomina PROYECTODANIEL. Figura 133 Estructura base de datos MYSQL La estructura de la tabla definida es la siguiente: Figura 134 Estructura de la tabla de datos Una vez ya está la base de datos preparada en MySQL se tiene que desarrollar el programa en Node-Red dentro del PLC para poder enlazar y enviar los datos según comentado anteriormente. El programa en Node-Red para poder leer la variable de temperatura cada 30 segundos, tratarla para poder ser procesada según necesita la base de datos y hacer el envío cuando se genera ese input de la entrada digital, que es cuando se ha decido escribir en la base de datos, es el siguiente: Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 111 Figura 143 Programa de aplicación en Node-RED Figura 144 Programa de aplicación en U Control-WEB Para la luminaria lo que se controla es la intensidad de la luz emitida y se realiza a través del potenciómetro 2 de la maleta. Después se ha generado una segunda pantalla en el Scada de control donde se puede visualizar en el HMI la velocidad de giro e intensidad de la luminaria led, aparte de poder cambiar el sentido de giro. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 112 Figura 145 Scada control PWM A parte de desarrollar la parte de movimiento, cuando se tienen actuadores o partes mecánicas en movimiento en la industria es necesario aplicar con equipos de seguridad aplicaciones que permitan desarrollar estas actividades de forma segura. Es por ello que en este apartado se desarrolla también una instalación de un sistema de seguridad según los parámetros reguladores existentes en España a día de hoy. El nivel de seguridad en máquinas según la tipología de la aplicación y daños que puedan causar, se definen unos niveles de seguridad u otros, y estos se obtienen a través de un análisis de toda la aplicación. Para ello existe una normativa que lo regulariza y según esta normativa los sistemas tienen que cumplir con una determinada categoría SIL (Safety Integrity Level) y PL (Performance level). En esta aplicación, como es una simulación y no hay otros equipos que interactúen ni personas, hemos considerado los siguientes equipos: -Tarjeta de entrada segura que corta toda la alimentación a las tarjetas adjuntas a ellas realizando un paro seguro. Por lo cual hasta que no se reactiva de forma intencionada el sistema no se activa. La tarjeta utilizada es la UR20-PF-O-1DI-SIL. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 113 Figura 146 Tarjeta de seguridad -Seta de emergencia -Botonera con led para reactivar sistema y confirmar que no existe peligro. El conexionado de la tarjeta y la aplicación es la siguiente: Figura 147 Configuración alimentación periferia de forma segura Entonces lo que sucede cuando se golpea la seta de emergencia en la maleta es que hace desactivar la tarjeta del PWM y por tanto para de forma segura el motor y la luminaria. Y no permite que se activen hasta que no se desclava la seta de emergencia y se pulsa el botón de reactive del sistema. Para ello en la misma pantalla del control del PWM del HMI se ha generado también dos leds de aviso para tener el control de forma visual también. Así es como queda la pantalla 2 del Scada: Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 114 Figura 148 Scada de control PWM Beneficios que aporta esta aplicación: • Con el mismo PLC de digitalización realizar un control de movimiento del motor a través de PWM. • Posibilidad de realizar mediante incorporación de tarjetas de seguridad aplicaciones seguras bajo normativas industriales. • A través del propio scada comprobar velocidad del motor, intensidad de luminaria y cambiar el sentido de giro. • Gestión de alarmas. • Posibilidad de integrar la aplicación de movimiento con aplicaciones de digitalización. 5.5 GENERAR Y GESTIONAR ARCHIVO CSV EN MICROSD DEL PLC Y ENVÍO POR CORREO En este apartado de aplicación se va a generar un archivo CSV dentro de la tarjeta microSD que incorpora el PLC. En este archivo CSV se van a incorporar los valores de las entradas analógicas (que se corresponden con los dos potenciómetros de la maleta) y el timestamp de la lectura. Para ello se va a leer estas entradas físicas cada 5 segundos y se va a generar en 3 columnas las variables POT1, POT2 y Time. Este archivo CSV se grabará con nombre DATA, en una carpeta dentro de la microSD llamada MEASUREMENTS. Como gestión de este archivo dentro del programa en Node-RED se podrá recuperar el archivo para hacer lecturas de los datos grabados anteriores, se podrá borrar el fichero y por último se podrá adjuntar y enviar por correo. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 115 Estas operativas se hacen como ejemplo para ver que con relativa facilidad se puede generar un archivo CSV con los datos de proceso que puedan ser interesantes o importantes de tratar y que también se pueden grabar en la microSD para tener un resguardo de información valiosa. Además, se pueden tomar decisiones o ejecutar algún proceso a través de la lectura de algún valor del archivo ya grabado y que se pueden adjuntar y enviar por correo a modo de informe. El código de Node-RED para recoger los valores de la tarjeta analógica cada 5 segundos, preparar y filtrar los datos para poder después generar el archivo CSV como se ha definido en columnas y finalmente generar el archivo en la microSD para que se vayan grabando los datos automáticamente, es el siguiente: Figura 149 Programa de aplicación en Node-RED Nodo Function (Data Prepare): Figura 150 Programa nodo fuction Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 116 Nodo CSV: Figura 151 Configuración nodo CSV Nodo Change (Filename) Figura 152 Configuración nodo change Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 117 Nodo File: Figura 153 Configuración nodo file Así es como se ve si se saca la tarjeta microSD y se observa desde el PC: Figura 154 Captura archivo en microSD La parte de programa que permite leer el archivo CSV ya grabado o borrarlo es el siguiente: Figura 155 Programa de aplicación en Node-RED Se ejecutaría cualquiera de las dos opciones en el momento en el que presionáramos el nodo inject (nodo que pone timestamp). Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 118 Por último, para adjuntar el archivo y enviarlo por correo lo haremos de forma automática para que se envíe todas las semanas cada jueves a las 19:45, para simular el envío del informe de producción de la semana. Para ello el código en Node-RED es el siguiente: Figura 156 Programa de aplicación en Node-RED Inject de cada jueves automático a las 19:45: Figura 157 Configuración nodo inject Lectura del fichero en el path descrito anteriormente: Figura 158 Configuración nodo file Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 119 Nodo change, para ponerlo como adjunto: Figura 159 Configuración nodo change Nodo change, para estructurar correo: Figura 160 Configuración nodo change Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 120 Nodo email: Figura 161 Configuración nodo email Y como podemos comprobar nos envía de forma automática al correo el archivo como adjunto: Figura 162 Correo con archivo adjunto Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 127 modelos generados para realizar mantenimiento predictivo, clasificación y detección de anomalías, procesos de calidad predictiva y analítica de consumos. Como conclusión habría que destacar el trabajo que le corresponde ahora a cada sector de la sociedad de desarrollar un análisis crítico de los impactos tanto positivos como negativos que trae la industria 4.0, visto desde diferentes frentes, (en lo económico, lo social, el medio ambiente, etc.), y en la capacidad de adaptarse a estos cambios, con la premisa de elevar como seres humanos nuestra calidad de vida. Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 128 WEBGRAFÍA https://iotsens.com/ https://www.bitkom.org/Presse/Presseinformation/Startups-setzen-auf-KuenstlicheIntelligenz https://financesonline.com/iot-statistics/ https://alfapeople.com/me/smart-factory-industry-4-0-how-microsoft-technology-isbringingmajor-changes-to-manufacturing/ https://nodered.org/ Diseño de una maleta portátil para realizar demostraciones de procesos de digitalización mediante Node-RED contextuados en la Industria 4.0 129 ANEXOS Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Frontal Carril 1 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 1,00 es 1 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Inferior Carril 1 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 1,00 es 2 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Izquierda Carril 1 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 300,00es 3 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Atrás Carril 1 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 1,00 es 4 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Arriba Carril 1 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 1,00 es 5 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Derecha Carril 1 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 300,00es 6 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Isométrica Carril 1 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 300,00es 7 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Derecha Carril 2 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 300,00es 14 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Isométrica Carril 2 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 300,00es 15 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Dimétrica Carril 2 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 300,00es 16 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Frontal Carril 3 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 1,00 es 17 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Inferior Carril 3 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 1,00 es 18 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Izquierda Carril 3 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 300,00es 19 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Atrás Carril 3 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 1,00 es 20 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Arriba Carril 3 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 1,00 es 21 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Derecha Carril 3 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 300,00es 22 / 25 Comment Function, Location: View Title Hand-out Date Documentname: Customer, Order, Ordernumber Created by, at: Verified by, at: Released by, at: Scale Language Page Isométrica Carril 3 24/03/2022 Maleta.conf UPC wes0389 13/11/2021 1 : 300,00es 23 / 25