Automatización Industrial: SCADA,DCS, PLC
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Quito, 15 de septiembre de 2013
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TABLA DE CONTENIDO 1
INTRODUCCIÓN INTROD UCCIÓN ............................................................................................................................................. 3
2
AUTOMATIZACIÓN AUTOMATI ZACIÓN INDUSTRIAL INDUS TRIAL ....................................................................................................................3
3
HERRAMIENTAS DE LA AUTOMATIZACIÓN ................................................................................................. 4
4
JERARQUíA JERARQUí A DE LA AUTOMATI AUT OMATIZACIÓN ZACIÓN ........................................................................................................5
5
SISTEMAS SISTEM AS DE CONTROL ................................................................................................................................. 6
6
JERARQUÍA DE UN SISTEMA DE CONTROL ................................................................................................. 7 6.1
7
8
9
FUNCIONALIDAD DE LOS NIVELES DE JERARQUÍA DE D E UN SISTEMA DE CONTROL. ............... ..................... ......8
PLC: CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE ...................................................................................... 8 7.1
CAMPOS DE APLICACIÓN APLICACI ÓN ....................................................................................................................9
7.2
VENTAJAS E INCONVENIENTES ...........................................................................................................10
7.3
ESTRUCTURA DE UN PLC ......................................................................................................................11
7.4
LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN .....................................................................................................13
7.5
TIPOS DE PLC .........................................................................................................................................14
DCS: SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO ..............................................................................................14 8.1
EVOLUCIÓN HISTÓRICA ......................................................................................................................14
8.2
DEFINICIÓN DEFINI CIÓN ............................................................................................................................................15
8.3
CARACTERÍSTICAS ................................................................................................................................15
8.4
VENTAJAS E INCONVENIENTES ...........................................................................................................15
8.5
ELEMENTOS, CONTROL E IMPLEMENTACIÓN ...................................................................................16
8.6
TIPOS DE COMUNICACIÓN EN LOS SISTEMAS DISTRIBUIDOS ........................................................16
SISTEMAS SISTEM AS SCADA SCAD A ..........................................................................................................................................17 9.1
DEFINICIÓN DEFINI CIÓN ............................................................................................................................................17
9.2
CONCEPTOS ASOCIADOS A UN SISTEMA SCADA ..........................................................................18
9.2.1
TIEMPO REAL ..................................................................................................................................19
9.2.2
ESTRUCTURA ABIERTA ...................................................................................................................19
9.3
FUNCIONES DE UN SISTEMA SCADA ..................................................................................................19
9.3.1
AUTOMATIZACIÓN: ......................................................................................................................19
9.3.2
SUPERVISIÓN: ................................................................................................................................20
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9.3.3
MANEJO DE ALARMAS: ...............................................................................................................20
9.3.4
GENERACIÓN DE REPORTES: .......................................................................................................20
9.4
INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA (HMI O MMI) ....................................................................................20
9.5
ARQUITECTURA DE SISTEMAS SCADA ...............................................................................................21
9.5.1
ARQUITECTURA TRADICIONAL ....................................................................................................21
9.5.2
ARQUITECTURA ACTUAL ..............................................................................................................23
9.6
DIFERENCIAS ENTRE SCADA Y DCS ...................................................................................................24
9.7
PLC VS RTU .............................................................................................................................................25
LISTA DE TABLAS Tabla 1 Funciones de los niveles de jerarquía de un sistema de control ....................................................8 Tabla 2 Ejemplos de programación de PLCs ..................................................................................................13 Tabla 3 Tipos de comunicaciones industriales................................................................................................17 Tabla 4 Diferencias entre SCADA y DCS (PhD Luis Corrales, 2007) .............................................................25
LISTA DE FIGURAS Fig. 1. Automatización en la industria................................................................................................................. 3 Fig. 2 Pirámide de Jerarquía de la Automatización. ....................................................................................... 5 Fig. 3. Esquema de clasificación estándar ANSI/ISA 95 .................................................................................. 6 Fig. 4. Pirámide de la automatización de una planta de energía............................................................... 7 Fig. 5. Jerarquía de un sistema de control ........................................................................................................ 7 Fig. 6 PLC SLC 500 AB de Rockwell ......................................................................................................................8 Fig. 7 Estructura básica de un PLC y la secuencia de barrido (PhD Luis Corrales, 2007) ......................11 Fig. 8 Evolución histórica del DCS (PhD Luis Corrales, 2007) ........................................................................14 Fig. 9. Esquema de un sistema SCADA ............................................................................................................18 Fig. 10 Ejemplo de una HMI de un sistema SCADA .......................................................................................21 Fig. 11 Arquitectura típica de un sistema SACDA tradicional .....................................................................22 Fig. 12 Arquitectura actual de un sistema SCADA ........................................................................................23
LISTA DE REFERENCIAS 1. http://www.rocatek.com/forum_automatizacion_industrial.php 2. Corrales, L. (2007). Interfaces de Comunicación Industrial. Quito: EPN - Dpto. de Automatización y Control Industrial. 3. EPFL. (n.d.). Industrial Automation. 4. UPC TELECOM BCN. (2011-2012). Comunicaciones y Control Distribuido. 5. TOSHIBA. (2009). Curso de programación de PLCs. 6. MICRO. (n.d.). Controlador Lógico Programable (PLC). Buenos Aires.
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INTRODUCCIÓN
Dentro del campo de la producción industrial, desde los inicios de la era industrial hasta la actualidad, la automatización ha pasado de ser una herramienta de trabajo deseable a una herramienta indispensable para competir en el mercado globalizado. Ninguna empresa puede omitir la automatización de sus procesos para aumentar la calidad de sus productos, reducir los tiempos de producción, realizar tareas complejas, reducir los desperdicios y especialmente aumentar la rentabilidad. La automatización es más amplia que un sistema de control, abarca la instrumentación industrial, que incluye los sensores, los transmisores de campo, los sistemas de control y supervisión, los sistemas de transmisión y recolección de datos y las aplicaciones de software en tiempo real para supervisar y controlar las operaciones de plantas o procesos industriales.
2
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
Automatización es el uso de sistemas de control y de tecnología informática para reducir la necesidad de la intervención humana en un proceso. En el enfoque de la industria, automatización es el paso más allá de la mecanización en donde los procesos industriales son asistidos por maquinas o sistemas mecánicos que reemplazan las funciones que antes eran realizadas por animales. Mientras en la mecanización los operadores son asistidos con maquinaria a través de su propia fuerza y de su intervención directa, en la automatización se reduce de gran manera la necesidad mental y sensorial del operador. De esta forma presenta grandes ventajas en cuanto a producción más eficiente y disminución de riesgos al operador.
Fig. 1. Automatización en la industria
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Las principales ventajas de aplicar automatización a un proceso son:
Reemplazo de operadores humanos en tareas repetitivas o de alto riesgo.
Reemplazo de operador humano en tareas que están fuera del alcance de sus capacidades como levantar cargas pesadas, trabajos en ambientes extremos o tareas que necesiten manejo de una alta precisión
Incremento de la producción. Al mantener la línea de producción automatizada, las demoras del proceso son mínimas, no hay agotamiento o desconcentración en las tareas repetitivas, el tiempo de ejecución se disminuye considerablemente según el proceso.
La automatización de un nuevo proceso requiere de una inversión inicial grande en comparación con el costo unitario del producto, sin embargo mientras la producción se mantenga constante esta inversión se recuperara, dándole a la empresa una línea de producción con altos índice de ingresos.
3
HERRAMIENTAS DE LA AUTOMATIZACIÓN
Con la implementación de métodos numéricos en dispositivos de automatización el resultado es una gama de aplicaciones de rápida expansión y de enfoque especializado en la industria. La Tecnología asistida por computadora (CAx) ahora sirve de base para las herramientas matemáticas y de organización utilizada para crear sistemas complejos. Ejemplos notables de CAx incluyen el diseño asistido por computadora (CAD) y fabricación asistida por ordenador (CAM). La mejora en el diseño, análisis, y la fabricación de productos basados en CAx ha sido beneficiosa para la industria. La tecnología informática, junto con los mecanismos y procesos industriales, pueden ayudar en el diseño, implementación y monitoreo de sistemas de control. Un ejemplo de un sistema de control industrial es un controlador lógico programable (PLC). Los PLC's están especializados en sincronizar el flujo de entradas de sensores y eventos con el flujo de salidas a los actuadores y eventos. La Interfaz hombre-máquina (HMI) o interfaces hombre computadora, se suelen utilizar para comunicarse con los PLC's y otros equipos. El personal de servicio se encarga del seguimiento y control del proceso a través de los HMI, en donde no solo puede visualizar el estado actual del proceso sino también hacer modificaciones a variables críticas del proceso. Existen diferentes tipos de herramientas para la automatización como:
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ANN - Artificial neural network
DCS - Distributed Control System
HMI - Human Machine Interface
SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition
PLC - Programmable Logic Controller
PAC - Programmable automation controller
Instrumentación
Control de movimiento
Robótica
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JERARQUÍA DE LA AUTOMATIZACIÓN
Las aplicaciones de la automatización son muy variadas, pero hay poca diferencia en la estructura general de sus sistemas de control. La distinción más grande es el dominio de conocimientos embebidos en el sistema de control.
Fig. 2 Pirámide de Jerarquía de la Automatización. Tomada de la presentación EPFL “ Automation Hierarchy”
En contraste con la pirámide anterior, a continuación se presenta un esquema según la clasificación estándar ANSI/ISA 95 que define terminología y buenas prácticas para aplicar un sistema de automatización a nivel empresarial.
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Fig. 3. Esquema de clasificación estándar ANSI/ISA 95
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SISTEMAS DE CONTROL
Un sistema de control está definido como un conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de fallos y se obtengan los resultados buscados. Hoy en día los procesos de control son síntomas del proceso industrial que estamos viviendo. Estos sistemas se usan típicamente en sustituir un trabajador que controla un determinado sistema (ya sea eléctrico, mecánico, etc.) con una posibilidad nula o casi nula de error, y un grado de eficiencia mucho más grande que el de un trabajador. Los sistemas de control más modernos en ingeniería automatizan procesos en base a parámetros establecidos. Los sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos: 1. Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos. 2. Ser eficiente según un criterio preestablecido evitando comportamientos bruscos e irreales.
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Fig. 4. Pirámide de la automatización de una planta de energía.
6
JERARQUÍA DE UN SISTEMA DE CONTROL
Fig. 5. Jerarquía de un sistema de control Tomada de la presentación EPFL “ Large Control System Hierarchy”
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6.1
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FUNCIONALIDAD DE LOS NIVELES DE JERARQUÍA DE UN SISTEMA DE CONTROL.
Administración Empresa
Finanzas, recursos humanos, documentación, planeación a largo plazo Definir metas de producción, recursos y planes empresariales, coordinación desde diferentes sitios, manejar pedidos de producción
Manufactura
Manejar la ejecución, recursos, flujo de trabajo, supervisión de calidad, cronogramas de producción, mantenimiento
Supervisión
Supervisar la producción y el sitio, optimizar, ejecutar operaciones, visualizar la planta, guardar datos del proceso, registrar operaciones, historial
Grupo de Control
Unidad de Control
Campo
Controles bien definidos como parte de la planta (lazos cerrados, excepto para intervención de un operador)
Coordinar subgrupos individuales
Ajustar “set-points” y parámetros
Comandar varias unidades como un conjunto completo
Control (regulación, monitoreo y protección) como parte de un grupo (lazo cerrado excepto para mantenimiento)
Medición: muestreos, escala, procesamiento, calibración.
Control: regulación, “set -points” y parámetros
Comando: secuencia, protección y enclavamiento
Adquisición de datos (Sensores y Actuadores), transmisión de datos no procesados, excepto la corrección de la medición y protección incorporada Tabla 1 Funciones de los niveles de jerarquía de un sistema de control
7
PLC: CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE
Fig. 6 PLC SLC 500 AB de Rockwell
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“Según lo define la Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos de los Estados Unidos un PLC –
Controlador Lógico Programable (Programable Logic Controller) es un dispositivo digital electrónico con una memoria programable para el almacenamiento de instrucciones, permitiendo la implementación de funciones específicas como: lógicas, secuenciales, temporizadas, de conteo y aritméticas; con el objeto de controlar máquinas y procesos. ” (Curso 061: Controlador Lógico Programable, www.micro.com.ar) También se puede definir como un equipo electrónico, el cual realiza la ejecución de un programa
de
forma
cíclica.
La
ejecución
del
programa
puede
ser
interrumpida
momentáneamente para realizar otras tareas consideradas más prioritarias, pero el aspecto más importante es la garantía de ejecución completa del programa principal. Estos controladores son utilizados en ambientes industriales donde la decisión y la acción deben ser tomadas en forma muy rápida, para responder en tiempo real. Los PLC son utilizados donde se requieran tanto controles lógicos como secuenciales o ambos a la vez.
7.1
CAMPOS DE APLICACIÓN
El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. La constante evolución del hardware y software amplía constantemente este campo, para poder satisfacer las necesidades que se detectan en el espectro de sus posibilidades reales. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control y señalización. Por tanto, su aplicación abarca desde procesos de fabricación industriales de cualquier tipo a transformaciones industriales, o control de instalaciones, entre otras. Sus reducidas dimensiones, la extremada facilidad de su montaje, la posibilidad de almacenar los programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o alteración de los mismos, hace que su eficacia se aprecie principalmente en procesos en que se producen necesidades tales como: • Espacio reducido • Procesos de producción periódicamente cambiantes • Procesos secuenciales • Maquinaria de procesos variables • Instalaciones de procesos complejos y amplios • Chequeo de programación c entralizada de las partes del proceso
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7.2
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VENTAJAS E INCONVENIENTES
Sabemos que no todos los autómatas ofrecen las mismas ventajas sobre la lógica cableada, ello es debido, principalmente, a la variedad de modelos existentes en el mercado y las innovaciones técnicas que surgen constantemente. Tales consideraciones obligan a referirse a las ventajas que proporciona un autómata de tipo medio. Ventajas: • Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos, debido a que no es necesario dibujar
previamente el esquema de contactos, es preciso simplificar las ecuaciones lógicas, ya que por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande. • Posibilidad de introducir modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir apara tos. • Mínimo espacio del tablero donde se instala el autómata programable. • Menor costo de mano de obra de la instalación. • Economía de mantenimiento. Además de aumentar la fiab ilidad del sistema, al eliminar
contactos móviles, los mismos autómatas pueden indicar y detectar averías. • Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata. • Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de
cableado. • Si por alguna razón la máquina queda fuera de servicio, el autómata sigue siendo útil para otra
máquina o sistema de producción. Inconvenientes: • Como inconvenientes podríamos hablar, en primer lugar, de que hace falta un programador, lo
que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido. Esta capacitación puede ser tomada en distintos cursos, inclusive en universidades. • El costo inicial.
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7.3
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ESTRUCTURA DE UN PLC
Fig. 7 Estructura básica de un PLC y la secuencia de barrido (PhD Luis Corrales, 2007)
Un PLC consiste de:
Fuente de alimentación
CPU
Memoria
Módulos de entrada
Módulos de salida
Algoritmo de programación (scan)
Terminal de programación
Periféricos.
Respecto a su disposición externa, los autómatas pueden contener varias de estas secciones en un mismo módulo o cada una de ellas separadas en diferentes módulos. Así se pueden distinguir PLCs Compactos y Modulares.
Fuente de alimentación
Es la encargada de convertir la tensión de la red, usualmente 115 V o 220 V AC, a baja tensión de DC, normalmente 24 V. Siendo esta la tensión de trabajo de los circuitos electrónicos que forma el PLC; esto es, la CPU y diferentes módulos que ejecutan tareas especializadas.
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CPU
La Unidad Central de Procesos es el auténtico cerebro del sistema. Controla la ejecución de todas las operaciones del PLC. Ejecuta el sistema operativo, maneja la memoria y monitorea las entradas; es decir, se encarga de recibir las órdenes del operario, desde la consola de programación, y desde el módulo de entradas. Posteriormente las procesa en concordancia con la lógica del usuario para enviar respuestas a los módulos de salida. En su memoria se encuentra residente el programa destinado a controlar el proceso. Maneja también las comunicaciones e interacciones con los otros componentes del sistema. El PLC ejecuta cíclicamente una secuencia de operaciones; este ciclo se denomina un “barrido (scan)”.
Memoria
Funcionalmente, la memoria está dividida en diferentes áreas y cumplen funciones específicas. Si bien la organización de la memoria varía de un fabricante a otro, tres áreas de memoria están presentes en todo PLC: Una tabla de datos de entrada, una tabla de datos de salida, y un área de memoria donde se guarda el programa del usuario. Es importante mencionar que la memoria en un PLC es volátil y, por lo mismo, una batería de litio alimenta el PLC cuando este es apagado, para mantener las tablas de datos y el programa incluso por años sin tener que energizar al PLC.
Módulos de entradas y salidas
Excepto por los PLCs más pequeños que usualmente viene con una estructura fija y se los llama micro PLCs, estos vienen con un formato modular. La forma modular está compuesta de: • Uno o más racks, también llamados backplanes • Un módulo con una CPU. • Uno o más módulos con fuente de poder. • Módulos de entrada y salida • Módulos de comunicaciones
Esto quiere decir que el usuario puede determinar la configuración final de un PLC dado. Hay una variedad importante de módulos de entrada y salida.
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7.4
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LENGUAJES DE PROGRAMACIÓN
Cuando se habla de los lenguajes de programación se hace referencia a diferentes formas de poder escribir el programa usuario. Los softwares actuales permiten traducir el programa usuario de un lenguaje a otro, pudiendo así escribir el programa en el lenguaje que más convenga. La creciente complejidad en la programación de los autómatas programables requiere más que nunca de la estandarización de la misma. Bajo la dirección del IEC el estándar IEC 1131-3 (IEC 65) para la programación de PLC ha sido definido. Alcanzó el estado de estándar internacional en agosto de 1992. Con la idea de hacer el modelo adecuado para un gran abanico de aplicaciones, cinco lenguajes han sido definidos en total:
Gráfico secuencial de
Lista de
Diagrama de contactos o Lógica de
funciones (Grafcet)
instrucciones.
Escalera o Ladder Logic.
Texto estructurado.
Bloques de funciones
Tabla 2 Ejemplos de programación de PLCs
No obstante, los lenguajes de programación más empleados en la actualidad son: el listado de instrucciones y el diagrama de contactos o Ladder Logic.
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7.5
TIPOS DE PLC
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Compactos: Estos tipos de Autómatas están constituidos por su fuente de alimentación,
CPU, entradas y salidas digitales.
Semimodulares: A este tipo de autómatas se les puede integrar módulos de entradas y
salidas digitales y analógicos
Modulares: Estos se montan sobre Rack, y la CPU es independiente de la fuente de
alimentación así como de las entradas y salidas digitales y analógicas, este tipo de autómatas se arma de acuerdo a las necesidades del cliente y por su estructura suelen ser más flexibles que los anteriores.
8 8.1
DCS: SISTEMAS DE CONTROL DISTRIBUIDO EVOLUCIÓN HISTÓRICA
La problemática que se tenía por el año 1959 era la de controlar plantas que abarcaban espacios geográficos amplios y que controlaban gran número y variedad de dispositivos. Frente a esta necesidad se dio la evolución de los sistemas de control distribuido tal como se muestra en la figura.
Fig. 8 Evolución histórica del DCS (PhD Luis Corrales, 2007)
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8.2
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DEFINICIÓN
El término DCS, viene de las siglas Distributed Control System , es un sistema de control que cumple con sus funciones de control a través de una serie de módulos de control automáticos e independientes, distribuidos en una planta o proceso. La filosofía de funcionamiento de esta arquitectura es evitar que el control de toda la Bplanta esté centralizado en una sola unidad, que es lo que se busca con el SCADA. De esta forma, si una unidad de control falla, el resto de unidades podría seguir funcionando. Los sistemas DCS se desarrollan sobre la base de dispositivos de control, tales como Controladores o PLCs, en los que, como se conoce, un programa de control se encarga de tomar decisiones dependiendo de los datos que reciben en sus entradas. Las decisiones son enviadas hacia actuadores que son los que se encargan de mantener las variables del proceso bajo control en los valores apropiados. A los sistemas de control distribuido se da preferencia hoy en día en la mayoría de las empresas industriales, buscando aprovechar la mejor confiabilidad de su diseño; y se han ajustado los sistemas SCADA para supervisar a los PLCs y controladores que conforman el DCS.
8.3
CARACTERÍSTICAS
Paralelismo en el Control de Procesos.
Tiempo Real en el Control y en las Comunicaciones.
Sistema de Comunicaciones Determinista Adaptado a Diferentes Entornos.
Apertura (openness): uso de estándares abiertos.
Flexibilidad de Adaptación a Distintas Tareas.
Escalabilidad.
8.4
VENTAJAS E INCONVENIENTES Ventajas:
Mayor robustez a fallos de algún ordenador.
Mayor eficiencia debida al proceso paralelo.
Menor rigidez en los dispositivos.
Mayor escalabilidad.
Cobertura de plantas de mayor tamaño.
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Alto grado de automatización, integración y flexibilidad
Inconveniente:
8.5
Necesidad de alto flujo de datos en caso de distribución automática de tareas.
ELEMENTOS, CONTROL E IMPLEMENTACIÓN Elementos: El sistema de control distribuido incorpora los siguientes elementos:
Conjunto de ordenadores (PCs, estaciones de trabajo,…)
Módulos controladores (correspondientes al control de máquinas o dispositivos)
Autómatas programables
Sistemas de comunicación que enlazan a todos los anteriores
Control:
El sistema de control distribuido se caracteriza por una funcionalidad jerarquizada. En este sentido
Se convierten los problemas complejos en un conjunto de problemas individuales
Se usa la teoría del control de sistemas multivariable y de los sistemas de gran escala
Se preparan soluciones de uso general
Se admite una modularidad equilibrada
Implementación:
La implementación en hardware y software de tiempo real debe ser suficientemente fiable y mantenible. Se pueden diseñar de manera eficiente las características de fiabilidad que se desean para el sistema:
8.6
Duplicación
Gestión de métodos de excepción
Gestión de alarmas
Recopilación de incidencias
TIPOS DE COMUNICACIÓN EN LOS SISTEMAS DISTRIBUIDOS
Los sistemas distribuidos están formados por dispositivos autónomos inteligentes que cooperan con objetivos concretos. En el área de las comunicaciones industriales existen tres procedimientos o modelos de comunicación:
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Modelo cliente-servidor
Modelo productor-consumidor
Modelo de publicación-subscripción
Tipo de Comunicación
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Modelo
Modelo Productor -
Modelo Publicación -
Cliente - Servidor
Consumidor
Subscripción
Entre iguales
Difusión
Multidifusión
(peer to peer)
(broadcast)
(multicast)
Estilo de comunicación Orientada
a
la Sin conexión explicita
Sin conexión explicita
conexión
Relación
Uno o varios maestros
Varios maestros
Varios maestros
Servicios de
Confirmados
Sin confirmar
Sin confirmar
Comunicaciones
Sin confirmar
Con confirmación
Con confirmación
Notificación de
Cambios de estado.
Parámetros.
eventos.
Notificación de
Comunicación
Alarmas.
eventos.
cíclica.
Eventos.
Maestro - Esclavo
Con confirmación
Clases de Aplicaciones Transferencia de
Sincronización. Tabla 3 Tipos de comunicaciones industriales
9
SISTEMAS SCADA
Los sistemas SCADA originalmente se diseñaron para cubrir las necesidades de un sistema de control centralizado, sobre procesos o complejos industriales distribuidos sobre áreas geográficas muy extensas. Tal es así que en la definición clásica de un sistema SCADA se hace referencia a esta característica. Hoy en día, con el desarrollo de las redes digitales, la definición se tiene que modificar para incluir esta nueva forma de conectividad.
9.1
DEFINICIÓN
SCADA viene de las siglas: "Supervisory Control And Data Acquisition"; es decir, hace referencia a un sistema de adquisición de datos y control supervisor. Tradicionalmente se define a un SCADA como un sistema que permite supervisar una planta o proceso por medio de una estación central que hace de Master (llamada también estación maestra o unidad terminal maestra, MTU) y una o
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varias unidades remotas (generalmente RTUs) por medio de las cuales se hace el control /adquisición de datos hacia / desde el campo. Esquemáticamente, un sistema SCADA conectado a un proceso automatizado consta de las siguientes partes:
Fig. 9. Esquema de un sistema SCADA
1. Proceso Objeto del control: Es el proceso que se desea supervisar. En consecuencia, es el origen de los datos que se requiere colectar y distribuir.
2. Adquisición de Datos: Son un conjunto de instrumentos de medición dotados de alguna interface de comunicación que permita su interconexión.
3. SCADA: Combinación de hardware y software que permita la colección y visualización de los datos proporcionados por los instrumentos.
4. Clientes: Conjunto de aplicaciones que utilizan los datos obtenidos por el sistema SCADA. 9.2
CONCEPTOS ASOCIADOS A UN SISTEMA SCADA
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9.2.1
TIEMPO REAL
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“En tiempo real” significa que un dispositivo de medida es capaz de mostrar el valor de una
variable en el instante preciso en que la misma efectivamente tiene ese valor. Cuando se emplea computadoras, controladores o cualquier dispositivo que funciona en base a un programa de computación para procesar información de campo, aparece un desfase en el tiempo, un retardo, que puede incidir en la exactitud instantánea del valor mostrado. Esta falta de exactitud puede pasar desapercibida, particularmente en la m edición de variables “lentas” o puede ser considerable si se trata de variables “rápidas”.
Es por esto que para ciertas aplicaciones se llega a definir el retardo que puede ser tolerado por el proceso y en este contexto "estrictamente en tiempo real" significa que un sistema reacciona a los eventos externos dentro de ese tiempo especificado en un 100% de los casos. Además si se habla de “tiempo real” el sistema debe responder en tiempos concretos también en un 100% de los
casos. Si los tiempos concretos de reacción llegan a superarse sin causar problemas irreversibles, como en sistemas no críticos, se habla de "tiempo real suave".
9.2.2
ESTRUCTURA ABIERTA
La estructura abierta, permite a la empresa o al desarrollador más libertad en la elección de la herramienta adecuada para el diseño, programación e implementación del sistema SCADA. La solución comienza a ser propietaria nuevamente (cada empresa ofrece su solución) y la conversión a futuras generaciones de sistemas operativos se hace más difícil.
9.3
FUNCIONES DE UN SISTEMA SCADA
Dentro de las funciones básicas realizadas por un sistema SCADA están las siguientes:
9.3.1
AUTOMATIZACIÓN:
Se refiere a recabar, almacenar y mostrar información, en forma continua y confiable, desde los equipos de campo: estados de dispositivos, magnitud de variables. También se refiere a ejecutar en forma automática disparo de alarmas para que el operador pueda notar un estado anormal en el proceso.
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9.3.2
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SUPERVISIÓN:
Por medio de la HMI mostrar y / o alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de la planta (eventos). Basados en los datos enviados, el operador podrá iniciar acciones de control, tales como: abrir o cerrar válvulas, arrancar o parar bombas, etc., con la aclaración que ya se hizo al respecto.
9.3.3
MANEJO DE ALARMAS:
Disparar alarmas en forma automática para que el usuario pueda ejecutar acciones que controlen las situaciones anómalas que las generaron.
9.3.4
GENERACIÓN DE REPORTES:
Basadas en la información obtenida por el sistema es posible generar: reportes, gráficos de tendencia, historia de variables, cálculos, predicciones, detección de fugas, etc.
9.4
INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA (HMI O MMI)
Una Interfaz Hombre-Máquina, HMI (Man-Machine Interface, MMI), es un mecanismo que le permite a un operador humano interactuar con una máquina o proceso y determinar el estado (prendido / apagado) o magnitud de los dispositivos y/o variables físicas que están presentes en una planta o proceso industrial. Una HMI puede ser tan simple como un interruptor para encender un motor y una lámpara indicadora del estado del mismo, hasta una o varias pantallas desarrolladas en una computadora que llegan a mostrar en la pantalla del monitor representaciones esquemáticas de todo el proceso bajo supervisión, incluyendo valores en tiempo real de las variables presentes en ese momento en la planta. Un ejemplo conocido de una HMI es el cajero automático que posibilita al usuario ejecutar una serie de transacciones bancarias. Para manejar un sistema SCADA generalmente se recurre a un paquete de software especializado que funciona en la computadora central, por medio del cual se desarrolla una o varias “pantallas” que actúan como una interfaz gráfica entre el hombre y la máquina o el proceso. De
esta forma es posible supervisar o cambiar puntos de consigna o reconfigurar dispositivos en el proceso supervisado por medio de acciones ingresadas por el operador en la computadora. Además, estos paquetes tienen opciones que permiten proveer a un nivel superior administrativo información selecta que se genere en el proceso productivo.
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Fig. 10 Ejemplo de una HMI de un sistema SCADA
9.5 9.5.1
ARQUITECTURA DE SISTEMAS SCADA ARQUITECTURA TRADICIONAL
Históricamente los sistemas SCADA presentan un equipo que, conectado físicamente a los dispositivos de adquisición de datos, actúa como servidor para sus clientes interconectados a través de una red de comunicaciones. El siguiente esquema expone la topología tradicional de un sistema SCADA conectado a un proceso industrial automatizado.
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Fig. 11 Arquitectura típica de un sistema SACDA tradicional
El flujo de la información es como sigue: Un FENÓMENO FÍSICO (presión, temperatura, flujo, el disparo de un breaker, exceso de presión en una tubería, nivel de un tanque, etc.), es captado por un TRANSDUCTOR, el cual alimenta una señal eléctrica a un TRANSMISOR para que éste entregue una señal análoga también eléctrica pero normalizada (4 a 20 mA, o 0 a 5 V DC, o desde o a 10 V DC) hacia un PLC o RTU. Dependiendo del caso, el transmisor además proveerá aislación eléctrica y filtraje con el objeto de reducir posibles transitorios y ruido originado en el campo. La señal que entregan los transmisores se envía hacia un cuarto de control donde se reúne la información de toda la planta industrial, y así es como aparecieron y se desarrollaron los sistemas SCADA basados en redes análogas 4-20 mA. Donde las distancias son grandes (20 Km se considera el punto de “equilibrio”) los enlaces se
hacen con técnicas inalámbricas; en ese entonces se empezó con enlaces de RF o Microondas.
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Una vez que los datos llegan al centro de acopio, generalmente una computadora, se los almacena para su ANÁLISIS, GENERACIÓN DE HISTORICOS y para la TOMA DE DECISIONES. Simultáneamente, por medio de una HMI se MUESTRA LA INFORMACIÓN al operador del sistema, para la supervisión. En aquellas ocasiones donde se debían construir enlaces de larga distancia sean con hilos o inalámbricos, resultaba muy costosa la inversión para tan solo trasmitir el dato de una variable física. Es aquí donde apareció la RTU que es un dispositivo que permite concentrar la información desde / hacia muchos transductores / actuadores y prepararlos para su transmisión / recepción.
9.5.2
ARQUITECTURA ACTUAL
Fig. 12 Arquitectura actual de un sistema SCADA
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Hoy en día, con el empleo más generalizado de las redes digitales industriales, un sistema SCADA no solo se diseña e implementa para procesos industriales ampliamente distribuidos geográficamente, como es el caso de los oleoductos, por dar un ejemplo conocido, sino que también pueden implementarse en complejos industriales concentrados en un solo sitio. Aprovechando las redes de comunicación, industriales y administrativas, en los sistemas SCADA actuales existe una computadora central que efectúa tareas de supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y generación de tendencias de un proceso. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar sus procesos. Es en estas computadoras donde se diseñan las HMIs compuestas de una o varias pantallas que, sobre todo, tienen el objetivo de facilitar la comunicación entre el usuario y el proceso, dando origen a los sistemas denominados “amigables (user friendly)”.
La comunicación a nivel de campo se realiza mediante redes de campo industriales HART, MODBUS, PROFIBUS, FIELDBUS, etc. Alrededor de la unidad master se implementan redes que, para conectarse a las redes administrativas, en su mayoría tipo Ethernet, recurren a redes tipo Ethernet Industrial. Esto significa que en alguna parte deben conectarse ambas redes físicamente y lógicamente.
9.6
DIFERENCIAS ENTRE SCADA Y DCS ASPECTO TIPO DE
SCADA
DCS
Centralizada
Distribuida
SUPERVISION:
REGULATORIO:
Supervisión y monitoreo a lazo cerrado. No
Lazos
ARQUITECTURA TIPO DE CONTROL PREDOMINANTE
de
control
es aconsejable lazos cerrados de control automáticamente Adicionalmente:
control
secuencial
regulatorio.
cerrados por
y sistema. Adicionalmente: control
secuencial,
batch,
algoritmos avanzados, etc.
TIPOS DE
Desacopladas
Acopladas
Áreas geográficamente distribuidas
Área de la planta
VARIABLES ÁREA DE ACCIÓN
el
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UNIDADES DE
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Remotas, PLCs
Controladores de lazo. PLCs
Radio, satélite, líneas telefónicas, conexión
Redes de área local, conexión
directa, LAN, WAN.
directa.
Centralizada
Distribuida
ADQUISICIÓN DE DATOS Y CONTROL MEDIOS DE COMUNICACIÓN BASE DE DATOS
Tabla 4 Diferencias entre SCADA y DCS (PhD Luis Corrales, 2007)
9.7
PLC VS RTU
Otra situación de discusión ha comenzado a darse entre los PLCs y las RTUS. Como se ha dicho el PLC es una pequeña computadora industrial que originalmente se creó para reemplazar la lógica de los relees. Tiene entradas y salidas como una RTU. Contiene un programa que ejecuta un lazo y barre continuamente las entradas y toma acciones basadas en tales entradas. Originalmente el PLC no tenía capacidad de comunicación, pero se les empezó a proveer de la misma en situaciones donde la capacidad de comunicación era una característica muy deseable. Así que se diseñaron módulos de comunicación para PLCs que incluso trabajan con ethernet (para uso en DCSs) y el protocolo Modbus para uso en ciertos enlaces dedicados. En la actualidad cada vez va a ser más posible ver PLCs que den soporte a los últimos protocolos de comunicación. Las RTUs siempre han sido empleadas en situaciones donde las comunicaciones son más difíciles y el fuerte de las RTUs es su habilidad para manejarlas. Las RTUs originalmente tenían poco poder de programación comparadas con los PLCs. Sin embargo, con el avance del tiempo la funcionalidad de las RTU se ha incrementado. Estamos en el punto donde se fusionan ciertas tareas en las RTUs y los PLCs, pero deberá transcurrir un buen tiempo (quizás nunca) antes que las diferencias desaparezcan.
ANEXOS
ANEXO 1