Integration of sensors, controllers and instruments using a novel OPC architecture

Abstract

La interconexión entre sensores, controladores e instrumentos a través de una red de comunicación juega un papel vital en el rendimiento y la eficacia de un sistema de control. Desde su inicio en los años 90, el protocolo de vinculación e incrustación de objetos para el control de procesos (OPC) ha proporcionado conectividad abierta para los sistemas de monitoreo y automatización. Se ha utilizado ampliamente en varios entornos, como instalaciones industriales, automatización de edificios y energía, educación en ingeniería y muchos otros. Este artículo presenta una arquitectura novedosa basada en OPC para implementar sistemas de automatización dedicados a actividades de I + D y educativas. La propuesta es un marco conceptual novedoso, estructurado en cuatro capas funcionales donde se categorizan los diversos componentes con el objetivo de fomentar el diseño y la implementación sistemáticos de los sistemas de automatización que involucran la comunicación OPC. Debido a los beneficios de OPC, la arquitectura propuesta proporciona características como conectividad abierta, confiabilidad, escalabilidad y flexibilidad. Además, se reportan cuatro aplicaciones experimentales exitosas de tal arquitectura, desarrolladas en la Universidad de Extremadura (UEX). Estos casos son una prueba del concepto de la capacidad de esta arquitectura para admitir la interoperabilidad de diferentes dominios. A saber, se describen la automatización de los sistemas de energía, como las instalaciones de una micro red inteligente y un fotobiorreactor, la implementación de un laboratorio industrial accesible a través de la red y el desarrollo de una plataforma educativa de hardware en el circuito. Todos los casos incluyen un controlador lógico programable (PLC) para automatizar y controlar el comportamiento de la planta, que intercambia datos operativos (medidas y señales) con una multiplicidad de sensores, instrumentos y sistemas de supervisión bajo la estructura de la nueva arquitectura OPC. Finalmente, se resaltan las principales conclusiones y direcciones de investigación abiertas.

The interconnection between sensors, controllers and instruments through a communication network plays a vital role in the performance and effectiveness of a control system. Since its inception in the 90s, the Object Linking and Embedding for Process Control (OPC) protocol has provided open connectivity for monitoring and automation systems. It has been widely used in several environments such as industrial facilities, building and energy automation, engineering education and many others. This paper presents a novel OPC-based architecture to implement automation systems devoted to R&D and educational activities. The proposal is a novel conceptual framework, structured into four functional layers where the diverse components are categorized aiming to foster the systematic design and implementation of automation systems involving OPC communication. Due to the benefits of OPC, the proposed architecture provides features like open connectivity, reliability, scalability, and flexibility. Furthermore, four successful experimental applications of such an architecture, developed at the University of Extremadura (UEX), are reported. These cases are a proof of concept of the ability of this architecture to support interoperability for different domains. Namely, the automation of energy systems like a smart microgrid and photobioreactor facilities, the implementation of a network-accessible industrial laboratory and the development of an educational hardware-in-the-loop platform are described. All cases include a Programmable Logic Controller (PLC) to automate and control the plant behavior, which exchanges operative data (measurements and signals) with a multiplicity of sensors, instruments and supervisory systems under the structure of the novel OPC architecture. Finally, the main conclusions and open research directions are highlighted.