HMI para PLC: cómo se comunican pantallas y controladores

Una HMI para PLC es la pantalla que usa el operador para ver qué hace una máquina y para pedirle que haga algo. El PLC es la parte que decide. Por eso, una guía sobre HMI para PLC tiene que explicar cómo se conectan los dos, cómo debe verse la pantalla y cuánto de ese trabajo le toca a quien escribe el código del PLC.

Esta guía se apoya solo en lo que publican Siemens, Beckhoff, la International Society of Automation (ISA) y el NIST, con enlaces al final. También dice con claridad qué hace PLC Gym en este tema, porque aquí enseña las ideas, no las herramientas.

Qué es una HMI para PLC y qué no es

HMI son las siglas en inglés de interfaz hombre máquina. El NIST, el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de Estados Unidos, la describe como el hardware o software que usa un operador para interactuar con un controlador. Puede ser desde botones y luces piloto hasta una PC industrial con pantalla a color. Sirve para vigilar el proceso y cambiar consignas. Hoy, cuando alguien dice HMI, casi siempre habla de una pantalla táctil en la máquina o cerca de ella.

Lo importante es lo que una HMI no hace. No ejecuta la lógica. Si aprietas un botón en un ascensor, pides un piso. Otra cosa decide cuándo es seguro cerrar las puertas y moverse. Una pantalla funciona igual. Tocas Start y eso es una petición. El PLC revisa si la máquina tiene permiso para arrancar, y luego decide.

Así que si un panel se congela, el PLC sigue escaneando. Si la máquina debe seguir funcionando sin que nadie la vea es otra pregunta, y la responde el ingeniero que la diseña.

Si todo esto es nuevo para ti, empieza por el capítulo corto de PLC Gym sobre HMI y SCADA o por la guía más larga sobre qué es un PLC.

Cómo se comunica una HMI con un PLC a través de variables

Una variable (tag) es un nombre para un valor del programa: Level, PumpRunning, StartRequest. El PLC tiene sus variables, y la HMI tiene su propia lista que apunta a ellas a través de una conexión de red.

La guía de primeros pasos de Siemens para WinCC Unified, escrita para TIA Portal V18, lo explica así. Creas una conexión HMI y luego variables HMI, que son de dos tipos. Una variable externa es el enlace con el PLC: lee el valor de una variable PLC en la memoria del controlador, o escribe un valor nuevo. Una variable interna no tiene conexión y solo mueve valores dentro de la HMI.

Un viaje de ida y vuelta normal se ve así.

1. El PLC ejecuta su escaneo y actualiza sus variables.
2. La HMI lee las variables que necesita y las dibuja.
3. El operador toca un botón, y la HMI escribe un valor en una variable del PLC.
4. El PLC ve ese valor en un escaneo posterior, revisa sus reglas y decide qué hacer.

De ahí salen dos cosas. Primero, la pantalla y el PLC no van a la misma velocidad. El manual de comunicación de Siemens para WinCC V7.4 dice que el ciclo de adquisición, es decir, cada cuánto se lee una variable, se ajusta según lo rápido que cambia el valor. También advierte que un cambio en el controlador solo se detecta con seguridad si dura al menos un ciclo. Así, un bit que se activa durante un solo escaneo puede aparecer y desaparecer sin que la pantalla lo muestre nunca. Ese manual es de un WinCC antiguo, así que revisa el tuyo.

Segundo, un botón en pantalla es solo un valor que se escribe. ¿Cuenta mientras lo mantienes apretado, o solo al pulsarlo? ¿Gana Stop si llegan Stop y Start a la vez? Esas respuestas están en el código del PLC, no en la pantalla.

Siemens, Allen-Bradley y Beckhoff: los nombres que vas a encontrar

• Siemens. Los paneles SIMATIC HMI, que Siemens llama su primera opción para manejo y supervisión a nivel de máquina, con WinCC Unified configurado en TIA Portal.
• Allen-Bradley. Los nombres de Rockwell Automation son los terminales PanelView y FactoryTalk View. Revisa la documentación de Rockwell para ver cómo se conectan a las variables de Studio 5000 en tu versión.
• Beckhoff. TF2000, el TwinCAT 3 HMI Server, es un servidor web. Beckhoff dice que se enlaza con los controladores mediante ADS u OPC UA, y que los operadores solo necesitan un navegador compatible con HTML5.

HMI y SCADA: ¿cuál es la diferencia?

Una HMI es una pantalla. SCADA, siglas en inglés de supervisión, control y adquisición de datos, es un sistema completo que lleva pantallas HMI dentro.

El NIST describe SCADA como un sistema para instalaciones repartidas en un territorio, donde reunir los datos en un solo lugar importa tanto como el control. Por ejemplo, redes de agua, oleoductos, distribución eléctrica y ferrocarriles. Un centro de control se encarga de las alarmas centrales, las tendencias y los informes, mientras que un PLC o una unidad terminal remota sigue controlando el proceso local en cada sitio.

Aun así, la frontera no es rígida. Siemens vende WinCC Unified como una sola plataforma de HMI y SCADA, desde paneles hasta PC. Muchas veces depende más del tamaño del trabajo que del nombre en la caja.

Cómo es una buena pantalla de operador

La norma que conviene conocer por su nombre es ISA-101.01-2015, Human Machine Interfaces for Process Automation Systems. ISA dice que cubre el diseño y la gestión de las HMI durante toda su vida, en industrias continuas, por lotes y discretas. Si diseñas pantallas para una planta real, pregunta qué norma y qué guía de estilo se aplican allí.

Un término que vas a encontrar es HMI de alto rendimiento. Un artículo de InTech, la revista de ISA, la describe como un fondo gris con el color usado con moderación, para que las condiciones anormales destaquen. Las misiones de pantalla de operador de PLC Gym se basan en ideas como esa.

• El gris es lo normal. Si en marcha es verde brillante y parado es rojo, la pantalla es una pared de colores y el único problema real se esconde en ella.
• Entiéndela de un vistazo. El estado en palabras sencillas donde primero cae la vista, y los valores como barras con la banda normal marcada, no como números crudos ni con todas las variables del PLC.
• Mismo botón, mismo sitio. Los operadores crean hábitos. Si Stop cambia de sitio entre los paneles de dos bombas, el hábito puede llevar al botón equivocado.
• Pregunta antes de lo que no se puede deshacer. Si cada botón pregunta "¿estás seguro?", la gente toca sí sin leer. Pregunta antes de descartar un lote, di exactamente qué va a pasar y pon verbos en los botones.

Eso sí, una confirmación en pantalla no es una función de seguridad. Las funciones de seguridad reales necesitan equipos con clasificación de seguridad y una persona competente, y las misiones de seguridad de PLC Gym son solo para aprender.

Dónde entran las alarmas

Una alarma no es solo un mensaje. ISA-18.2, la norma de ISA sobre sistemas de alarmas en la industria de procesos, la define como una señal sonora o visual que avisa al operador de una falla, una desviación del proceso o una condición anormal que necesita una respuesta. Esa última parte es la prueba. La revista InTech de ISA dice lo mismo: alarma solo cuando el operador tiene que actuar. Después, la prioridad dice con qué urgencia. Cuando una tormenta dispara bombas en toda una ciudad, una lista ordenada por hora puede enterrar la única estación que está a punto de inundarse.

El PLC y la HMI participan los dos. En WinCC Unified, una alarma de bit salta cuando cambia un bit concreto de una variable, y una alarma analógica salta cuando un valor pasa un límite. Así que el programador del PLC muy probablemente escribe el bit del que cuelga la alarma, y ese bit tiene que ser honesto. Un indicador que se enciende en cada arranque normal enseña a la gente a ignorarlo. Dos límites con una banda muerta entre ellos evitan que un nivel que ondula haga parpadear la alarma, y un pequeño retardo le da tiempo a una válvula para abrir. Puedes probar las dos cosas en Límites de alarma que no parpadean y en la falla Alarma molesta.

Reconocer solo significa "ya lo vi". Puede silenciar la bocina, pero no arregla nada, e ISA-18.2 trata como estados distintos no reconocida, reconocida y vuelta a la normalidad. En Alarmas por orden de prioridad escribes la parte del PLC, con Ack actuando al pulsar y no mientras se mantiene apretado, para que un botón atascado no se trague alarmas que nadie ha mirado.

Cómo trabajan juntas la programación del PLC y la de la HMI

Son dos mitades del mismo trabajo. Una pantalla solo puede mostrar lo que el PLC le da, así que mucho del buen diseño de pantallas empieza en el código del PLC.

Aquí tienes un ejemplo de la misión Mismo botón, mismo sitio. El PLC sabe por qué una bomba no puede arrancar, así que le pasa un número a la pantalla. La pantalla convierte ese número en palabras y pone Start en gris.

// Por qué la bomba no puede arrancar: 0 lista, 1 disparada, 2 poca agua.
IF #Pump1Fault THEN
    #Pump1Why := 1;
ELSIF NOT #FloatLow THEN
    #Pump1Why := 2;
ELSE
    #Pump1Why := 0;
END_IF;
#Pump1Ready := #Pump1Why = 0;

// Stop gana. Un Start sin estar lista no hace nada.
IF #Pump1Stop OR NOT #Pump1Ready THEN
    #Pump1 := FALSE;
ELSIF #Pump1Start THEN
    #Pump1 := TRUE;
END_IF;

La pantalla lee Pump1Why y Pump1Ready, y escribe Pump1Start y Pump1Stop. Ninguna de las reglas está en la pantalla. En texto estructurado de Studio 5000 y en TwinCAT es el mismo código sin los signos #.

Por eso, antes de construir cualquiera de los dos lados, conviene acordar qué variables puede escribir la pantalla, qué significa cada número, qué pasa si un botón se mantiene apretado o se pulsa dos veces, y qué debe hacer la máquina si la pantalla desaparece.

Para hacerlo de verdad necesitas el software real. En Siemens, eso es WinCC dentro de TIA Portal, y Siemens dice que puedes probar elementos del proyecto HMI en su simulación integrada sin hardware conectado. La guía de simulación en TIA Portal cubre la parte del PLC, y la de software para programar PLC cubre el resto de herramientas. Tarde o temprano también vas a querer tocar un panel real.

Qué hace PLC Gym aquí y qué no

PLC Gym tiene cinco misiones de pantalla de operador, todas enlazadas arriba. Cada una pone una pantalla en vivo al lado de una máquina 3D, y la pantalla empieza mal hecha. Eliges mejores opciones de diseño en la pestaña Pantalla del operador y escribes la parte del PLC en texto o ladder de Siemens o Rockwell, o en texto estructurado de TwinCAT, y unas pruebas automáticas revisan las dos cosas.

Esto es lo que no es. No dibujas pantallas desde cero. No hay hardware HMI real, ni WinCC ni FactoryTalk View. No hay nada sobre conectar un panel a un PLC por red. Las misiones enseñan las ideas de diseño y el código PLC que hay detrás, en el simulador propio de PLC Gym, que no está hecho por Siemens, Rockwell ni Beckhoff ni tiene relación con ellos.

Así que si buscas formación en PLC y HMI con paneles reales, esto solo no te la da. Lo que hace es ordenar primero el razonamiento, para que sepas qué necesita una buena pantalla del PLC antes de abrir el software real.

Esas cinco misiones son parte de Pro, así que echa un vistazo a los planes. Si todavía no has escrito código PLC, empieza por el curso de programación de PLC. Las primeras misiones son gratis con una cuenta gratuita, y su primer módulo cubre escaneos, condiciones, memoria, temporizadores y conteo.

Fuentes

• Guide to Operational Technology (OT) Security, SP 800-82r3, NIST, septiembre de 2023
• SIMATIC HMI Panels, Siemens
• SIMATIC WinCC Unified, Siemens
• SIMATIC WinCC Unified Engineering, Siemens
• WinCC Unified Getting Started, First Time Users, Siemens, abril de 2023, para TIA Portal V18
• WinCC V7.4 SP1 Communication System Manual, Siemens
• TF2000 TwinCAT 3 HMI Server, Beckhoff
• ISA-101 Series of Standards, ISA
• ISA-18 Series of Standards, ISA
• Understanding and Applying the ANSI/ISA 18.2 Alarm Management Standard, un documento en el sitio de ISA sobre la edición de 2009
• How DCS Migration Improves Operator Experience, InTech, ISA, abril de 2023
• Alarm Management Questions That Everyone Asks, InTech, ISA, marzo y abril de 2020