INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

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1 ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA LA MEZCLA DE DOS SUSTANCIAS EN UNA INDUSTRIA QUÍMICA TESIS QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO ROBOTICO INDUSTRIAL PRESENTA: DE LA ROSA GALVÁN HERNÁN INDICE

2 IINDICE CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN LOS PROCESOS INDUSTRIALES HISTORIA LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Y LOS SISTEMAS DE CONTROL MEDIDORES VOLUMÉTRICOS: MEDIDORES DE CAUDAL MÁSICO MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS ELEMENTOS ELECTROMECÁNICOS-ELECTRÓNICOS ELEMENTOS ELECTRÓNICOS DE VACÍO SISTEMA DE LAZO ABIERTO SISTEMA DE LAZO CERRADO CAPÍTULO II DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA INTRODUCCION AL SISTEMA SCADA ASPECTO TIPO DE ARQUITECTURA CARACTERISTICAS DE UN SISTEMA SCADA REQUISITOS PRESTACIONES CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN E INTEGRACIÓN GENERAL DE UN SISTEMA SCADA COMPONENTES HARDWARE Y SOFTWARE DE UN SISTEMA SCADA LA PLATAFORMA DE TRABAJO LA INTERFAZ EL ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES LA CAPA FÍSICA DE LAS REDES INDUSTRIALES COMPONENTES HARDWARE COMPONENTES SOFTWARE TECNOLOGIAS DE INTEGRACIÓN INTERFACES DE COMUNICACIÓN TECNOLOGÍAS DE INTEGRACIÓN MICROSOFT: DRIVERS ESPECÍFICOS PROCESADORES DE COMUNICACIONES FRONT END ARQUITECTURA CLIENTE/SERVIDOR EN SISTEMAS SCADA PROTOCOLOS Y REDES DE COMUNICACIÓN LAS REDES DE COMUNICACIÓN RADIO LOS CIRCUITOS TELEFÓNICOS INTERFAZ SERIAL RS COMUNICACIÓN EN RED CON PROTOCOLO PROPIETARIO COMUNICACIÓN EN RED CON PROTOCOLO TCP/IP ETHERNET/IP DNP SEGURIDAD EN LOS SISTEMAS SCADA EVOLUCION DEL SOFTWARE SCADA

3 TENDENCIAS CAPÍTULO IV IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA IDENTIFICACIÓN LANZAMIENTO DEFINICIÓN DISEÑO ADQUISICIÓN LIQUIDACIÓN DEL PROYECTO PARTE APLICADA Y CARACTERÍSTICAS DEL PLC CPM EJEMPLO DE APLICACION PROGRAMACIÓN MEDIANTE CX-PROGRAMMER CONFIGURACIÓN Y CREACIÓN DE UN NUEVO PROYECTO ENTORNO DE PROGRAMACIÓN MODO ON-LINE TRANSFERENCIA DEL PROGRAMA VERIFICACIÓN DEL PROGRAMA MODO DE OPERACIÓN SOFTWARE SCADA CX-SUPERVISOR CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES SUPERVISIÓN Y CONTROL DEL PROCESO PUNTOS DE ENTRADA AL SISTEMA PUNTOS DE SALIDA DEL SISTEMA CREACIÓN DE OBJETOS Y ANIMACIONES

4 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN. 3

5 CAPÍTULO I INTRODUCCIÓN. 1.1 LOS PROCESOS INDUSTRIALES. Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc. En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el PH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar. En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de estas variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control. Estos instrumentos han ido liberando al operario de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual. En los procesos industriales a controlar deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable. El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto. 4

6 El sistema de control exige pues, para que esta comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el nombre de bucle de control. El bucle puede ser abierto o bien cerrado. Un ejemplo de bucle abierto es el calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia eléctrica sumergida. Un bucle cerrado representativo lo constituye la regulación de temperatura en un intercambiador de calor. En ambos casos se observa que existen elementos definidos como el elemento de medida, el transmisor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento final. Mediante el presente trabajo se pretende realizar un acercamiento al complejo, cambiante y, en ocasiones, difuso mundo de los sistemas de supervisión y control en la industria. El objetivo principal de la automatización industrial consiste en gobernar la actividad y la evolución de los procesos sin la intervención continua de un operador humano. En los últimos años, se ha estado desarrollado un sistema, denominado SCADA, el cuál permite supervisar y controlar, las distintas variables que se encuentran en un proceso o planta determinada. Para ello se deben utilizar distintos periféricos, software de aplicación, unidades remotas, sistemas de comunicación, etc., los cuales permiten al operador mediante la visualización en una pantalla de computador, tener el completo acceso al proceso. Existen como sabemos varios sistemas que permiten controlar y supervisar, como lo son: PLC, DCS y ahora SCADA, que se pueden integrar y comunicar entre sí, mediante una red Ethernet, y así mejorar en tiempo real, la interfaz al operador. Ahora no sólo se puede supervisar el proceso, sino además tener acceso al historial de las alarmas y variables de control con mayor claridad, combinar bases de datos relacionadas, presentar en un simple computador, por ejemplo, una plantilla Excel, documento Word, todo en ambiente Windows, siendo así todo el sistema más amigable. 5

7 Lejos de ofrecer un trabajo exhaustivo y en profundidad sobre el tema, lo que se intenta es dejar clara la idea de cómo es un sistema SCADA en su forma más genérica; desde el software utilizado en su configuración o los drivers de protocolo, hasta la parte más hardware y de componentes tecnológicos de dichos sistemas. Para ello, éste proyecto revisa las características, prestaciones y requisitos que debe presentar un sistema SCADA; así como, la configuración, estructura e integración de sus componentes: software y hardware; es decir, la parte lógica y física del sistema que permite el funcionamiento de las distintas partes de la industria donde se aplica, como un único sistema funcional. Finalmente, lo que se quiere es dejar patente que los sistemas SCADA son una aplicación para la integración de los procesos industriales, que ofrecen muchas expectativas en eficacia y optimización de los procesos industriales. Por ello, el nivel de automatización que presenta una industria basada en software SCADA es el más alto que hoy en día se puede ver. 1.2 HISTORIA Los primeros SCADA eran simplemente sistemas de telemetría que proporcionaban reportes periódicos de las condiciones de campo vigilando las señales que representaban medidas y/o condiciones de estado en ubicaciones de campo remotas. Estos sistemas ofrecían capacidades muy simples de monitoreo y control, sin proveer funciones de aplicación alguna. La visión del operador en el proceso estaba basada en los contadores y las lámparas detrás de paneles llenos de indicadores. Mientras la tecnología se desarrollaba, los ordenadores asumieron el papel de manejar la recolección de datos, disponiendo comandos de control, y una nueva función la presentación de la información sobre una pantalla de CRT. Los ordenadores agregaron la capacidad de programar el sistema para realizar funciones de control más complejas. Muchas empresas viendo la necesidad y lo rápido que avanzaba el desarrollo de los computadores, fueron realizando programas de aplicación específicos para atender requisitos de algún proyecto particular. Así nacieron los pequeños SCADAS, desarrollados por empresas desarrolladoras de software y una nueva experiencia para muchas de ellas. 6

8 Ingenieros de varias industrias asistieron al diseño de estos sistemas, por ésta razón su percepción de SCADA adquirió las características de su propia industria. Proveedores de sistemas de software SCADA, deseando reutilizar su trabajo previo sobre los nuevos proyectos, perpetuaron esta imagen de industria-específicos por su propia visión de los ambientes de control con los cuales tenían experiencia. Solamente cuando nuevos proyectos requirieron funciones y aplicaciones adicionales, se logró que los desarrolladores de sistemas SCADA tuvieran la oportunidad de desarrollar experiencia en otras industrias. Hoy, los proveedores de SCADA están diseñando sistemas que son pensados para resolver las necesidades de muchas industrias con módulos de software industria-específicos disponibles para proporcionar las capacidades requeridas comúnmente. No es inusual encontrar software SCADA comercialmente disponible adaptado para procesamiento de papel y celulosa, industrias de aceite y gas, hidroeléctricas, gerenciamiento y provisión de agua, control de fluidos, etc. Puesto que los proveedores de SCADA aún tienen tendencia en favor de alguna industria sobre otras, los compradores de estos sistemas a menudo dependen del proveedor para una comprensiva solución a su requisito, y generalmente procurar seleccionar un vendedor que pueda ofrecer una completa solución con un producto estándar que esté apuntado hacia las necesidades específicas del usuario final. Si selecciona a un vendedor con experiencia limitada en la industria del comprador, el comprador debe estar preparado para asistir al esfuerzo de ingeniería necesario para desarrollar el conocimiento adicional de la industria requerido por el vendedor para poner con éxito el sistema en ejecución. La mayoría de los sistemas SCADA que son instalados hoy se está convirtiendo en una parte integral de la estructura de gerenciamiento de la información corporativa. Estos sistemas ya no son vistos por la gerencia simplemente como herramientas operacionales, sino como un recurso importante de información. En este papel continúan sirviendo como centro de responsabilidad operacional, pero también proporcionan datos a los sistemas y usuarios fuera del ambiente del centro de control que dependen de la información oportuna en la cual basan sus decisiones económicas cotidianas. La mayoría de los vendedores principales de SCADA han reconocido esta tendencia, y están desarrollando rápidamente métodos eficientes para hacer disponibles los datos, mientras protegen la seguridad y funcionamiento del sistema SCADA. La arquitectura de los sistemas de hoy integra a menudo 7

9 muchos ambientes de control diferentes, tales como tuberías de gas y aceite, en un solo centro de control. Para alcanzar un nivel aceptable de tolerancia de fallas con estos sistemas, es común tener ordenadores SCADA redundantes operando en paralelo en el centro primario del control, y un sistema de reserva del mismo situado en un área geográficamente distante. Esta arquitectura proporciona la transferencia automática de la responsabilidad del control de cualquier ordenador que pueda llegar a ser inasequible por cualquier razón, a una computadora de reserva en línea, sin interrupción significativa de las operaciones. Aún no se ha establecido un estándar para poseer extensiones compatibles en tiempo real de sistemas operativos. De una forma estrictamente determinante, los sistemas estándar actuales deben ser modificados de forma general, así que la principal ventaja de un sistema basado en PC -su estructura abierta puede llegar a ser un inconveniente. No obstante, la estructura abierta, permite a la empresa o el desarrollador más libertad en la elección de la herramienta adecuada para el análisis, diseño y programación del sistema SCADA. Cada vez más, las empresas se plantean la automatización de una serie de procesos en su entorno industrial. Con ello se pretende mejorar la productividad, aumentar la calidad del producto final, además de aumentar la seguridad en el trabajo. Para conseguir estos objetivos, las empresas deben utilizar ordenadores y un software especializado en monitorización, control y adquisición de datos; sistemas SCADA. Además el estudio del sistema a monitorizar y/o controlar abre grandes puertas al conocimiento no sólo de informática, sino de otros campos. Cuando se quiere supervisar un sistema no sólo deben tenerse conocimientos de informática, sino que además es necesario saber como actúa, funciona y reacciona dicho sistema, por lo tanto es necesario el estudio del sistema en sí. Es la puerta de entrada al conocimiento de otros campos, al trabajo en grupo que puede estar formado por Químicos, Físicos, Ingenieros en Telecomunicación, Ingenieros Industriales donde cada individuo aporta sus conocimientos y adquiere de otros. 1.3 LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Y LOS SISTEMAS DE CONTROL. Los instrumentos de control empleados, en las industrias de proceso tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc., 8

10 tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados: Indicadores, registradores, controladores, transmisores y válvulas de control. Los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y su función puede comprenderse bien si están incluidos dentro de una clasificación adecuada. Como es lógico, pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se considerarán dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable del proceso. De acuerdo con la función del instrumento, obtenemos las formas siguientes: Instrumentos ciegos; son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación. Los instrumentos indicadores disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos. Los instrumentos registradores registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico. Los elementos primarios están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz. El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor Los transductores reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son 9

11 transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática), etc. Los convertidores son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3-15 psi) o electrónica (4-20 ma c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo: un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica, un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática). Conviene señalar que a veces se confunde convertidor con transductor. Este último término es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una señal de instrumentos. Los receptores reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada que actúan sobre el elemento final de control. Los controladores comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor. El elemento final de control recibe la señal del controlador y modifica el agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan. Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las tres primeras, las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor. De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, PH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc. 10

12 Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este modo, un transmisor neumático de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la señal neumática del transmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumático lo podríamos considerar instrumento de presión, caudal, nivel o cualquier otra variable, según fuera la señal medida por el transmisor correspondiente; un registrador potenciométrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, según sean las señales medidas por los elementos primarios de termopar, electrodos o dínamo. En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las efectuadas en laboratorio y en plantas piloto es muy importante la medición de los caudales de líquidos o de gases. Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de caudal volumétrico o másico deseado. Entre los transductores más importantes figuran los siguientes: MEDIDORES VOLUMÉTRICOS: De presión diferencial Placa orificio Tobera Tubo Vénturi Tubo Pitot Tubo Annubar De área variable Rotámetro De velocidad Vertedero con flotador en canales abiertos Caudalímetro de Turbina Caudalímetro ultrasónicas De Fuerza Placa de impacto 11

13 De tensión inducida Caudalímetro magnético De desplazamiento positivo Caudalímetro de disco oscilante Caudalímetro de pistón oscilante Caudalímetro de pistón alternativo Caudalímetro rotativo Caudalímetro de paredes deformables De torbellino Medidor de frecuencia de termistancia, o condensador o ultrasonidos Oscilante Válvula oscilante MEDIDORES DE CAUDAL MÁSICO Térmico Diferencia de temperaturas en dos sondas de resistencia Fuerza de Coriolis Tubo en vibración En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales. Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS Los medidores de nivel de líquidos trabajan midiendo, bien directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando características eléctricas del líquido. Los instrumentos de medida directa se dividen en: Medidor de sonda 12

14 Medidor de cinta y plomada Medidor de nivel de cristal Medidor de flotador. Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en: Medidor manométrico Medidor de membrana Medidor de tipo burbujeo Medidor de presión diferencial de diafragma Los instrumentos que utilizan características eléctricas del líquido se clasifican en: Medidor conductivo Medidor capacitivo Medidor ultrasónico Medidor de radiación Medidor láser MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS En los procesos continuos, la industria ha ido exigiendo el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los estanques destinados a contener materias primas o productos finales. Medidores de nivel de punto fijo Medidor de Diafragma Varilla flexible Paletas rotativas Medidores de nivel continuos Medidor de nivel de sondeo electromecánico ó de peso El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando ésta, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas 13

15 absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema. Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión es de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación. La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza conocida que puede ser la de una columna liquida, un resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión. Los instrumentos industriales de medición de presión son una parte muy importante para las industrias de proceso en general de hoy en día. Tienen un campo de aplicación muy amplio y abarca desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones muy altas. Los instrumentos de presión se dividen en tres grupos: Mecánicos, Neumáticos, Electromecánicos-Electrónicos. Elementos mecánicos se dividen en: Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas (barómetro de cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana). Elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen. Los elementos primarios elásticos más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle. Como elementos neumáticos consideramos los instrumentos transmisores neumáticos: Transmisores neumáticos: Los transmisores neumáticos se basan en el sistema tobera-obturador que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática. 14

16 1.3.5 ELEMENTOS ELECTROMECÁNICOS-ELECTRÓNICOS Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. El elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos que, a través de un sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en un desplazamiento mecánico. Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos: Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas Resistivos. Magnéticos Capacitivos. Extensométricos. Piezoeléctricos ELEMENTOS ELECTRÓNICOS DE VACÍO Los transductores electrónicos de vacío se emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en los siguientes tipos: Mecánicos Fuelle y Ionización Filamento caliente Diafragma Cátodo frío Radiación Medidor McLeod Térmicos Termopar Pirani Bimetal La Temperatura es difícil de definir, ya que no es una variable tan tangible como lo es la presión, dado que en su caso, no podemos referirla a otras variables. La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material referido a un valor patrón definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados de la materia Por otra parte, si, positivamente, podremos definir los efectos que los cambios de temperatura producen sobre la materia, tales como los aumentos o disminución de la velocidad de las moléculas de ella, con 15

17 consecuencia palpable, tales como el aumento o disminución del volumen de esa porción de materia o posibles cambios de estado. Existen dos escalas de temperatura o dos formas de expresar el estado relativo de la materia, estas son: Temperaturas absolutas Temperaturas relativas Las escalas absolutas expresan la temperatura de tal forma que su valor cero, es equivalente al estado ideal de las moléculas de esa porción de materia en estado estático o con energía cinética nula. Las escalas relativas, son aquellas que se refieren a valores preestablecidos o patrones en base los cuales fue establecida una escala de uso común. Los diferentes tipos de instrumentos que son usados para la medición de la temperatura son básicamente los siguientes: Termómetro de Vidrio Termómetro Bimetálico Termopares Termoresistencia ( RTD ) Pirómetro de Radiación La medición del ph se efectúa ya sea por un método colorimétrico o por uno electrométrico. Para este último, el uso de peachímetros, instrumentos electrónicos al efecto, es lo más común hoy en día. Sin embargo, mucha gente sigue prefiriendo los antiguos métodos colorimétricos, sencillos y prácticos que además no se descomponen. La medición mediante el electrodo de ph (ph-metro) de vidrio es en la actualidad, el método más utilizado para determinar el ph. Este método consiste en una medición potenciométrica con un sensor electroquímico. Los sensores electroquímicos transmiten un voltaje que varía directamente con la concentración de hidrogeniones. Dependiendo del tipo de sensor y la calidad de la calibración, se pueden obtener niveles de precisión mejores que ±0.03 unidades de ph. El método colorimétrico se basa en el uso de colorantes orgánicos complejos que cambian de color de acuerdo al valor del ph de una solución acuosa. Estas substancias se conocen como indicadores. 16

18 Para la mayoría de los casos, aquellos que requieren un rango de ph entre 4,0 y 8,4, son suficientes sólo cuatro colorantes en solución. Estos colorantes son: verde de bromocresol rojo de clorofenol azul de bromotimol y rojo fenol. 1.4 SISTEMA DE LAZO ABIERTO Un sistema de lazo abierto es aquél donde la salida no tiene efecto sobre la acción de control. La exactitud de un sistema de lazo abierto depende de dos factores: a) La calibración del elemento de control. b) La repetitividad de eventos de entrada sobre un extenso período de tiempo en ausencia de perturbaciones externas. Un esquema típico de un control de lazo abierto se puede apreciar en la figura (1.1). En ésta se muestra que para que la temperatura del agua en el tanque permanezca constante es necesario que las temperaturas en las tomas de agua fría y caliente no sufran cambios. Otro factor que incide sobre el estado final de la salida es la temperatura de operación del proceso. Si por cualquier motivo esta cambia, entonces la salida cambia en casi la misma proporción. 17

19 1.5 SISTEMA DE LAZO CERRADO. Un sistema de control de lazo cerrado es aquél donde la señal de salida tiene efecto sobre la acción de control. La figura da un panorama general de un sistema de lazo cerrado donde se puede apreciar que la salida es medida y retroalimentada para establecer la diferencia entre en valor deseado y el valor obtenido a la salida, y en base a esta diferencia, adoptar acciones de control adecuadas. 18

20 CAPÍTULO II DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA. 19

21 CAPÍTULO II DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA. 2.1 INTRODUCCION AL SISTEMA SCADA. El nombre SCADA significa: (Supervisory Control And Data Adquisition, Control Supervisor y Adquisición de datos). Un sistema SCADA es una aplicación o conjunto de aplicaciones software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción, con acceso a la planta mediante la comunicación digital con los instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica de alto nivel con el usuario (pantallas táctiles, ratones o cursores, lápices ópticos, etc.) Aunque inicialmente solo era un programa que permitía la supervisión y adquisición de datos en procesos de control, en los últimos tiempos han ido surgiendo una serie de productos hardware y buses especialmente diseñados o adaptados para éste tipo de sistemas. La interconexión de los sistemas SCADA también es propia, se realiza una interfaz del PC a la planta centralizada, cerrando el lazo sobre el ordenador principal de supervisión. El sistema permite comunicarse con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, sistemas de dosificación, etc.) para controlar el proceso en forma automática desde la pantalla del ordenador, que es configurada por el usuario y puede ser modificada con facilidad. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios. Los sistemas SCADA se utilizan en el control de oleoductos, sistemas de transmisión de energía eléctrica, yacimientos de gas y petróleo, redes de distribución de gas natural, subterráneos, generación energética (convencional y nuclear). No todos los sistemas SCADA están limitados a procesos industriales sino que también se ha extendido su uso a instalaciones experimentales como la fusión nuclear donde la alta capacidad de gestionar un número elevado de E/S, la adquisición y supervisión de esos datos; convierte a estos, en sistemas ideales en procesos que pueden tener canales entorno a los 100k o incluso cerca de 1M. Sistemas similares a SCADA son vistos rutinariamente en fábricas, plantas de tratamiento, etc. Éstos son llamados a menudo como Sistemas de Control 20

22 Distribuidos (DCS - Distributed Control Systems). Tienen funciones similares a los sistemas SCADA, pero las unidades de colección o de control de datos de campo se establecen generalmente dentro de un área confinada. Las comunicaciones pueden ser vía una red de área local (LAN), y serán normalmente confiables y de alta velocidad. Un sistema DCS emplea generalmente cantidades significativas de control a lazo cerrado. A diferencia de los Sistemas de Control Distribuido, en un SCADA el lazo de control es GENERALMENTE cerrado por el operador. Los Sistemas de Control Distribuido se caracterizan por realizar las acciones de control en forma automática. Hoy en día es fácil hallar un sistema SCADA realizando labores de control automático en cualquiera de sus niveles, aunque su labor principal sea de supervisión y control por parte del operador. En la tabla No. 1 se muestra un cuadro comparativo de las principales características de los sistemas SCADA y los Sistemas de Control Distribuido (estas características no son limitantes para uno u otro tipo de sistemas, son típicas). ASPECTO SCADA s DCS TIPO DE ARQUITECTURA CENTRALIZADA DISTRIBUÍDA TIPO DE CONTROL PREDOMINANTE REGULATORIO: SUPERVISORIO: Lazos de control cerrados Lazos de control cerrados automáticamente por el por el operador. sistema. Adicionalmente: Adicionalmente: Control secuencial y Control secuencial, batch, regulatorio. algoritmos avanzados, etc. TIPOS DE VARIABLES DESACOPLADAS ACOPLADAS ÁREA DE ACCIÓN UNIDADES DE ADQUISICIÓN DE DATOS Y CONTROL MEDIOS DE COMUNICACIÓN Áreas geográficamente distribuidas. Remotas, PLC s. Radio, satélite, líneas telefónicas, conexión directa, LAN, WAN. Área de la planta. Controladores de lazo, PLC s. Redes de área local, conexión directa. BASE DE DATOS CENTRALIZADA DISTRIBUÍDA Tabla No. 1: Algunas diferencias típicas entre sistemas SCADA y DCS. 21

23 Un sistema SCADA por otra parte, generalmente cubre áreas geográficas más grandes, y normalmente depende de una variedad de sistemas de comunicación menos confiables que una LAN. El control a lazo cerrado en esta situación será menos deseable. Un sistema SCADA se utiliza para vigilar y para controlar la planta industrial o el equipamiento. El control puede ser automático, o iniciado por comandos de operador. La adquisición de datos es lograda en primer lugar por los RTU's que exploran las entradas de información de campo conectadas con ellos (pueden también ser usados PLC's (Programmable Logic Controllers). Esto se hace generalmente a intervalos muy cortos. La MTU entonces explorará los RTU's generalmente con una frecuencia menor. Los datos se procesarán para detectar condiciones de alarma, y si una alarma estuviera presente, sería catalogada y visualizada en listas especiales de alarmas. Los datos pueden ser de tres tipos principales: Datos analógicos (por ejemplo números reales) que quizás sean presentados en gráficos. Datos digitales (On/Off) que pueden tener alarmas asociadas a un estado o al otro. Datos de pulsos (por ejemplo conteo de revoluciones de un medidor) que serán normalmente contabilizados o acumulados. La interfaz primaria al operador es un display que muestra una representación de la planta o del equipamiento en forma gráfica. Los datos vivos (dispositivos) se muestran como dibujos o esquemas en primer plano (foreground) sobre un fondo estático (background). Mientras los datos cambian en campo, el foreground es actualizado (una válvula se puede mostrar como abierta o cerrada, etc.). Los datos analógicos se pueden mostrar como números, o gráficamente (esquema de un tanque con su nivel de líquido almacenado). El sistema puede tener muchos de tales displays, y el operador puede seleccionar los más relevantes en cualquier momento. El flujo de la información en los sistemas SCADA es como se describe a continuación: El FENÓMENO FÍSICO lo constituye la variable que deseamos medir, dependiendo del proceso, la naturaleza del fenómeno es muy diversa: presión, temperatura, flujo, potencia, intensidad de corriente, voltaje, ph., densidad, etc. 22

24 Este fenómeno debe traducirse a una variable que sea inteligible para el sistema SCADA, es decir, en una variable eléctrica. Para ello, se utilizan los SENSORES o TRANSDUCTORES. Los SENSORES o TRANSDUCTORES convierten las variaciones del fenómeno físico en variaciones proporcionales de una variable eléctrica. Las variables eléctricas más utilizadas son: voltaje, corriente, carga, resistencia o capacitancia. SCADA típico 23

25 Sin embargo, esta variedad de tipos de señales eléctricas debe ser procesada para ser entendida por el computador digital. Para ello se utilizan ACONDICIONADORES DE SEÑAL, cuya función es la de referenciar estos cambios eléctricos a una misma escala de corriente o voltaje. Además, provee aislamiento eléctrico y filtraje de la señal con el objeto de proteger el sistema de eventualidades y ruidos originados en el campo. Una vez acondicionada la señal, la misma se convierte en un valor digital equivalente en el bloque de CONVERSIÓN DE DATOS. Generalmente, esta función es llevada a cabo por un circuito de conversión analógico/digital. El computador almacena esta información, la cual es utilizada para su ANÁLISIS y para la TOMA DE DECISIONES. Simultáneamente, se MUESTRA LA INFORMACIÓN al usuario del sistema, en tiempo real. Basado en la información, el operador puede TOMAR LA DECISIÓN de realizar una acción de control sobre el proceso. El operador comanda al computador a realizarla, y de nuevo debe convertirse la información digital a una señal eléctrica. Esta señal eléctrica es procesada por una SALIDA DE CONTROL, el cual funciona como un acondicionador de señal, la cual la escala para manejar un dispositivo dado: bobina de un relé, setpoint de un controlador, etc. Los sistemas SCADA mejoran la eficacia del proceso de monitoreo y control proporcionando la información oportuna para poder tomar decisiones operacionales apropiadas. De igual forma, ya que cuenta con información (alarmas, históricos, paradas, etc.) de primera mano de lo que ocurre u ocurrió en el proceso, permite la integración con otras herramientas del negocio como lo son intranets, ERP, SPC, etc. Para comprender mejor el funcionamiento de estos sistemas se utiliza el siguiente ejemplo: Supóngase tener un circuito eléctrico simple que consiste en un interruptor y una luz. Similar a este: 24

26 Este circuito permite que un operador mire la luz y sepa si el interruptor está abierto o cerrado. El interruptor puede indicar que un motor está trabajando o parado, o si una puerta está abierta o cerrada, o aún si ha habido un incidente o el equipo está trabajando. Hasta ahora no hay nada especial sobre esto. Pero ahora imagínese que el interruptor y la lámpara están separados 100 kilómetros. Obviamente no se podría tener un circuito eléctrico tan grande, y ahora será un problema que involucrará equipamiento de comunicaciones. Ahora complique un poco más el problema. Imagínese que se tienen 2000 de tales circuitos. No se podrían producir 2000 circuitos de comunicación. Sin embargo alguien encontró que se podría utilizar un solo circuito de comunicación compartiéndolo. Primero envía el estado (abierto / cerrado o 0/1) del primer circuito. Luego envía el estado del segundo circuito, etc. Necesita indicar a qué circuito se aplica el estado cuando se envían los datos. El operador en el otro extremo todavía tiene un problema: tiene que monitorear los 2000 circuitos. Para simplificar su tarea se puede utilizar una computadora. La computadora vigilaría todos los circuitos, y le diría al operador cuándo necesita prestarle atención a un circuito determinado. La computadora será informada cuál es el estado normal del circuito y cuál es un estado de "alarma". Vigila todos los circuitos, e informa al operador cuando cualquier circuito entra en alarma comparando con estos valores. Algunos circuitos pueden contener datos "analógicos", por ejemplo, un número que representa el nivel de agua en un tanque. En estos casos la computadora será informada de los valores de niveles máximo y mínimo que deban ser considerados normales. Cuando el valor cae fuera de este rango, la computadora considerará esto como una alarma, y el operador será informado. Se podría también utilizar la computadora para presentar la información de una manera gráfica (un cuadro vale mil palabras). Podría mostrar una válvula en color rojo cuando está cerrada, o verde cuando está abierta, etc. Un sistema SCADA real es aún más complejo. Hay más de un sitio. Algunos tienen a "puntos" que normalmente proporcionan tanto información analógica como digital o de estado (por ejemplo, números tales como el nivel del líquido en un tanque), puede enviar un valor de estado (por ejemplo, encender una bomba) tanto como recibirlo (bomba encendida). La potencia de la computadora se puede utilizar para realizar un complejo secuenciamiento de operaciones, por ejemplo: ABRA una válvula, después ENCIENDA una bomba, pero solamente si la presión es mayor de

27 La computadora se puede utilizar para resumir y visualizar los datos que está procesando. Las tendencias (gráficos) de valores analógicos en un cierto plazo son muy comunes. Recoger los datos y resumirlos en informes para los operadores y la gerencia son características normales de un sistema SCADA. 2.2 CARACTERISTICAS DE UN SISTEMA SCADA Los sistemas SCADA, en su función de sistemas de control, dan una nueva característica de automatización que realmente pocos sistemas ofrecen: la de supervisión. Sistemas de control hay muchos y muy variados y todos, bien aplicados, ofrecen soluciones óptimas en entornos industriales. Lo que hace de los sistemas SCADA una herramienta diferente es la característica de control supervisado. De hecho, la parte de control viene definida y supeditada, por el proceso a controlar, y en última instancia, por el hardware e instrumental de control (PLC s, controladores lógicos, armarios de control... ) o los algoritmos lógicos de control aplicados sobre la planta los cuales pueden existir previamente a la implantación del sistema SCADA, el cual se instalará sobre y en función de estos sistemas de control (otros sistemas SCADA pueden requerir o aprovechar el hecho de implantar un nuevo sistema de automatización en la planta para cambiar u optimizar los sistemas de control previos) En consecuencia, se supervisa el control de la planta y no solamente se monitorean las variables que en un momento determinado están actuando sobre la planta; esto es, se pueden actuar y variar las variables de control en tiempo real, algo que pocos sistemas permiten con la facilidad intuitiva que dan los sistemas SCADA. Se puede definir la palabra supervisar como ejercer la inspección superior en determinados casos, ver con atención o cuidado y someter una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararla permitiendo una acción sobre la cosa supervisada. La labor del supervisor representa una tarea delicada y esencial desde el punto de vista normativo y operativo; de ésta acción depende en gran medida garantizar la calidad y eficiencia del proceso que se desarrolla. En el supervisor descansa la responsabilidad de orientar o corregir las acciones que se desarrollan. Por lo tanto tenemos una toma de decisiones sobre las acciones últimas de control por parte del supervisor, que en el caso de los sistemas SCADA, estas recaen sobre el operario. 26

28 Esto marca una diferencia notable en los sistemas SCADA de los sistemas clásicos de automatización donde las variables de control están distribuidas sobre los controladores electrónicos de la planta y dificulta mucho una variación en el proceso de control, ya que estos sistemas una vez implementados no permiten un control a tiempo real óptimo. La función de monitorización de estos sistemas se realiza sobre un PC industrial ofreciendo una visión de los parámetros de control sobre la pantalla de ordenador, lo que se denomina un HMI (Human Machine Interface), como en los sistemas SCADA, pero sólo ofrecen una función complementaria de monitorización: observar mediante aparatos especiales el curso de uno o varios parámetros fisiológicos o de otra naturaleza para detectar posibles anomalías (Definición Real Academia de la Lengua) Es decir, los sistemas de automatización de interfaz gráfica tipo HMI básicos, ofrecen una gestión de alarmas en formato rudimentarias mediante las cuales la única opción que le queda al operario es realizar una parada de emergencia, reparar o compensar la anomalía y realizar un reset. En los sistemas SCADA, se utiliza un HMI interactivo el cual permite detectar alarmas y a través de la pantalla solucionar el problema mediante las acciones adecuadas en tiempo real. Esto otorga una gran flexibilidad a los sistemas SCADA. En definitiva, el modo supervisor del HMI de un sistema SCADA no solamente señala los problemas, sino lo más importante, orienta en los procedimientos para solucionarlos. A menudo, las palabras SCADA y HMI inducen cierta confusión en los profanos (frecuentemente alentada por los mismos fabricantes en su afán de diferenciar el producto o exaltar comercialmente el mismo). Cierto es que todos los sistemas SCADA ofrecen una interfaz gráfica PC-Operario tipo HMI, pero no todos los sistemas de automatización que tienen HMI son SCADA. La diferencia radica en la función de supervisión que pueden realizar estos últimos a través del HMI. Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada: Adquisición y almacenado de datos, para recoger, procesar y almacenar la información recibida, en forma continua y confiable. Representación gráfica y animada de variables de proceso y monitorización de éstas por medio de alarmas 27

29 Ejecutar acciones de control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.) bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas. Arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación y adaptación. Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes de comunicación. Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control. Transmisión, de información con dispositivos de campo y otros PC. Base de datos, gestión de datos con bajos tiempos de acceso. Suele utilizar ODBC. Presentación, representación gráfica de los datos. Interfaz del Operador ó HMI (Human Machine Interface). Explotación de los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estadístico, gestión de la producción y gestión administrativa y financiera. 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). Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis. 2.3 REQUISITOS Estos son algunos de los requisitos que debe cumplir un sistema SCADA para sacarle el máximo provecho: -Deben ser sistemas de arquitecturas abiertas, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. -Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente para el usuario con el equipo de planta ( drivers ) y con el resto de la empresa (acceso a redes locales y de gestión). 28

30 -Los programas deberán ser sencillos de instalar, sin excesivas exigencias, y fáciles de utilizar, con interfaces amables con el usuario (sonido, imágenes, pantallas táctiles, etc.). -El número de variables del proceso que se necesita monitorear es alto. -El proceso está geográficamente distribuido. Esta condición no es limitativa, ya que puede instalarse un SCADA para la supervisión y control de un proceso concentrado en una localidad. -Las información del proceso se necesita en el momento en que los cambios se producen en el mismo, o en otras palabras, la información se requiere en tiempo real. La complejidad y velocidad del proceso permiten que la mayoría de las acciones de control sean iniciadas por un operador. En caso contrario, se requerirá de un Sistema de Control Automático, el cual lo puede constituir un Sistema de Control Distribuido, PLC's, Controladores a Lazo Cerrado o una combinación de ellos. 2.4 PRESTACIONES Las prestaciones que puede ofrecernos un sistema SCADA eran impensables hace una década y son las siguientes: -Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del ordenador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. -Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. -Creación de informes, avisos y documentación en general. -Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso el programa total sobre un autómata (bajo unas ciertas condiciones). -Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador, y no sobre la de un autómata, menos especializado, etc. 29

31 -Configuración, que permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA, adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar. -Interfaz gráfico del operador, que proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete. -Módulo de proceso, el cual ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales de variables leídas. -Gestión y archivo de datos, que se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. -Comunicaciones, que se encarga de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión. Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones basadas en el PC, con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco o impresora, control de actuadores, etc. 30

32 CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN E INTEGRACIÓN GENERAL DE UN SISTEMA SCADA. 31

33 CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN E INTEGRACIÓN GENERAL DE UN SISTEMA SCADA. 3.1 COMPONENTES HARDWARE Y SOFTWARE DE UN SISTEMA SCADA Los sistemas tendieron históricamente a ser propietarios y muy especializados, y donde fueron utilizados sistemas operativos de fines generales, tendieron a ser modificados pesadamente. Esto era debido a que los requisitos de SCADA superaban los límites de la tecnología disponible y, por razones de performance, tendieron a proporcionar sistemas gráficos por encargo, a usar bases de datos en tiempo real (con gran parte de la base de datos en memoria), y a menudo el hardware debió ser modificado para estos requisitos particulares. La serie Digital Equipment Corporation PDP11 y el sistema operativo RSX11M eran quizás la plataforma más común en los SCADA de los años 70 y principios de los 80. Posteriormente, Unix comenzó a ser el sistema operativo de más frecuente elección. Mientras la potencia de la PC aumentaba, los sistemas Intel llegaron a ser muy comunes, aunque las plataformas DEC Alfa, y otras estaciones de trabajo de fines elevados estén aún en uso. En épocas recientes Windows NT ha alcanzado alta aceptación dentro de la comunidad SCADA, aunque los sistemas muy grandes siguen siendo probablemente estaciones de trabajo Unix (QNX o Solaris) más veloces en sus respuestas. Actualmente la industria se está desarrollando claramente hacia estándares abiertos: ODBC, INTEL PC s, sistemas estándares de gráficos, e interconectividad a sistemas de computación corrientes. En años recientes ha aparecido en el mercado un importante número de sistemas SCADA sobre plataformas INTEL PC, ya que éstas están aumentando rápidamente su capacidad y performance. Ejemplos de ellos son Citect, FIX de Intellution, KEPware y Wonderware En la actualidad los SCADA presentan características muy diversas, tienen tal complejidad que un análisis general de su estado se debe de abordar teniendo en cuenta solo sus aspectos más representativos. 32

34 Es por ello que hemos seleccionado algunos tópicos que permiten caracterizar a los SCADA de forma global. Estos se muestran en la figura siguiente: Los tres aspectos generales que componen un SCADA son: La Teoría que los fundamenta. La Tecnología que permite su implementación. Las Aplicaciones que le dan un sentido a su existencia. Dentro de la Teoría se destacan la del Control Automático y Secuencial, la Metrología, el Control Estadístico, la Detección de Fallos, la Identificación de Acceso y la Gestión Empresarial. En el campo de la Tecnología se establece una división natural entre Hardware y Software. Y se reportan aplicaciones en diversos campos entre los que sobresalen la mediana y la gran industria, los laboratorios, la medicina, la automoción y la domótica. 33

35 Dentro del hardware que forma los SCADA podemos identificar 4 componentes, mostrados en la figura de siguiente. A continuación analizaremos el estado actual de cada uno. 3.2 LA PLATAFORMA DE TRABAJO Un SCADA puede establecerse sobre varias plataformas de trabajo que son: Reguladores Convencionales, Autómatas Programables y Computadoras. Los Reguladores Convencionales ocupan en muchos sistemas SCADA, la primera línea frente al proceso junto a los sensores y actuadores. Se encargan de procesar las mediciones, de calcular la ley de control, y si es necesario, de modificar el estado de los elementos de acción final. Estos elementos han evolucionado considerablemente en los últimos años y a ello se debe su presencia en los sistemas de controles actuales. A pesar de la fuerte competencia que le presentan otros sistemas, como por ejemplo los autómatas programables. Desde hace algún tiempo los Reguladores Convencionales cuentan con capacidades de control multilazo, y mantienen las estructuras en cascada, relación, etc., y se presentan con distintos tipos de algoritmos de control. Muchos de ellos permiten la comunicación con niveles superiores y a través de ella se pueden realizar cambios de referencia, ajuste de parámetros, envío de mediciones o detección de fallos. Incorporan además capacidades de conversión a diferentes unidades de ingeniería. Algunos constituyen verdaderos sistemas de adquisición de datos ya que poseen dispositivos de almacenamiento y de procesamiento en línea. 34

36 Existen reguladores especializados en variables específicas y con algoritmos de regulación preestablecidos por el fabricante, como por ejemplo el regulador PID para el control de temperatura que se muestra en la figura. En otros casos se pueden encontrar incorporados en el sensor (por lo que se especializan en el tipo de variable que mide el sensor) e incluso unidos sensor, regulador y actuador. Un ejemplo de ello son los variadores de velocidad que controlan la velocidad del motor manipulando la frecuencia y la tensión de alimentación, como lo hace el compresor inteligente ELMO-G-2BH7 de SIEMENS. Si bien tienen un papel importante en los lazos de regulación, estos dispositivos carecen de la capacidad para atender secuencias lógicas de operación. Ocurre en ocasiones que no solo se quiere controlar el comportamiento de una o más variables de interés, sino que también se quiere mantener el control sobre la secuencia de operación. Sobre todo en procesos batch los Autómatas Programables son capaces de realizar ambas funciones, de ahí que se analizan a continuación. Los Autómatas Programables o PLC (Programable Logic Controller), son el principal competidor de los reguladores convencionales. En sus inicios cumplían solo tareas de secuenciación pero han ido incorporando capacidades de regulación cada vez más complejas. Su capacidad para trabajar en ambientes adversos, su concepción modular y sus crecientes prestaciones, los han hecho preferidos entre los productores de SCADA. Se pueden encontrar desde los niveles más bajos de regulación, hasta los niveles superiores. Pero se considera que, en la mayoría de los casos, donde mejor se desempeñan es en un nivel intermedio, entre los reguladores convencionales y un nivel superior presidido por una computadora industrial. 35

37 Cuentan con amplias capacidades de comunicación, tanto con dispositivos de campo como sensores y actuadores, así como con redes industriales de diversos tipos. En este sentido permiten la transmisión de mediciones y valores de referencia o mando, parámetros de configuración y ajuste, verificación y detección de fallos, señalización de alarmas, etc. Cuentan con dispositivos de respaldo de energía, con gran cantidad de temporizadores y contadores, con diversas entradas y salidas de naturaleza analógica y digital. Su programación se realiza con una computadora personal, o empleando un programador de mano específico del autómata. En la mayoría de los casos utilizan lenguajes de alto nivel, formados por símbolos conocidos y utilizados ampliamente por el personal de la industria. También se han desarrollado gran cantidad de paneles operativos (OP) de muy buena resolución, con teclado o pantalla táctil. Las Computadoras Industriales generalmente forman parte de los niveles superiores del SCADA, donde se encargan de la supervisión del proceso, de los cambios en la estrategia de control que le transmiten a los niveles inferiores (donde pueden estar los autómatas, los reguladores u otras computadoras) y de mostrar la información de una forma más amigable y útil según la posición que ocupen en al estructura de la empresa o la fábrica. Aunque también podemos encontrarlas en el control digital directo (DDC) Las Computadoras de Oficina aumentan su índice de protección intrínseca o protección IP, mediante la adición de protecciones adicionales como cajas metálicas con presión positiva y filtros de aire, pantallas táctiles, etc. Adicionalmente y producto de su propio desarrollo, su robustez aumenta. Disminuyen las conexiones internas mediante la integración de las tarjetas de video, sonido y controladoras de comunicación, discos y puertos en la propia tarjeta principal. También los medios de almacenamiento evolucionan hacia elementos más estables que garantizan en mayor medida la conservación de los datos. En este grupo se destacan las computadoras portátiles que tienen potenciadas todas estas características y que pueden ser trasladadas de un lugar a otro con pocos riesgos de avería. Pero sobre todo se trata de que las computadoras de oficina constituyan una alternativa mucho menos costosa que las computadoras industriales. 36

38 Las Computadoras Empotradas (PC embedded) son computadoras diseñadas para que todos o la mayoría de sus componentes estén en una sola tarjeta. Fabricadas de forma robusta con un alto grado de integración, cuentan con la mayoría de las ventajas de una computadora convencional pero incorporan solo los recursos estrictamente necesarios (pueden funcionar sin monitor o sin teclado) Se han visto potenciadas por el desarrollo de sistema operativos en tiempo real o con soporte para trabajo en tiempo real, sistemas de tiempo real, de lenguajes de programación y de protocolos de comunicación para sistemas empotrados. Son buenas opciones para aplicaciones con requerimientos de tiempo críticos, donde se desee mantener el entorno de trabajo de una computadora estándar. Un ejemplo de estos sistemas es el estándar PC/104. (Motorola, PC-104) Otra variante a considerar en un futuro próximo son las pequeñas computadoras de mano, que con mayor frecuencia hacen uso de Internet y prestan servicios de información, incorporando versiones especializadas de sistemas operativos que usan las de oficina. Ya muchos productores de software para SCADA se preocupan por ofrecer variantes de sus productos para estos equipos, incluso ya se reportan algunas aplicaciones. En general las computadoras son ampliamente usadas tanto en el Control Digital Directo como en el control distribuido. En el primer caso pueden sustituir al regulador convencional y al autómata, cumpliendo las funciones de ambos en un único equipo, pero esto es factible solo en sistemas de pocas entradas y salidas, donde el cliente no desea hacer una gran inversión. En el caso del control distribuido la computadora es un elemento imprescindible y su trabajo se hace más efectivo si en niveles inferiores se emplean autómatas, reguladores convencionales o incluso otras computadoras. Hay casos en los que se requiere mucha potencia de cálculo y alta confiabilidad de los Sistemas Operativos. Para esto se emplean las Estaciones de Trabajo (Workstations) que aunque son computadoras superan en muchos aspectos a las PC. 3.3 LA INTERFAZ La interfaz tiene la función de transformar las señales que entran ó salen de la plataforma de trabajo desde ó hacia el proceso. En ella se encuentran los 37

39 conversores analógicos/digitales (A/D) encargados de convertir las magnitudes físicas en valores digitales utilizables por la plataforma de trabajo, y conversores digitales/analógicos (D/A) que realizan la función contraria. También manejan las entradas y las salidas digitales, y al igual que las analógicas, necesitan que su valor se conserve durante todo el período de muestreo. Incluyen además, en algunos casos, contadores de eventos y generadores de señales de una frecuencia determinada. En un mismo SCADA se pueden encontrar diferentes tipos de interfaces que se clasifican según la posición que ocupan en la plataforma de trabajo, según el tipo de señal a tratar y según la norma de la señal que tratan, mostramos a continuación esta clasificación: Según la posición que ocupan en la plataforma de trabajo, pueden ser Internas ó Externas. 1. Las internas son las más empleadas en los autómatas y reguladores convencionales. 2. En el caso de las computadoras existe una marcada tendencia al empleo de interfaces externas, que se comunican por los puertos serie, paralelo, USB o Ethernet de la misma. Esto se debe fundamentalmente a la rápida evolución en que están envueltos los buses internos de las computadoras (ISA, PCI, AGP, etc.) por lo que se hace más confiable y más fácil el empleo de interfaces externas. Según el tipo de señal a tratar se pueden clasificar en: 1. interfaces para señales analógicas 2. interfaces para señales digitales 3. interfaces para diferentes tipos de señales Y según la norma de la señal que tratan se encuentran: 1. de Corriente 2. de Tensión 3. Multinorma. 3.4 EL ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES Los elementos de acondicionamiento de señales son necesarios cuando la interfaz no es capaz, producto de la naturaleza de la señal tratada, de 38

40 interactuar directamente con los sistemas de medición o los de accionamiento, o cuando la señal medida no llega con la calidad requerida. En el primer caso se encuentran los dispositivos de desacople galvánico que ofrecen protección al equipamiento instalado. También encontramos relés o contactores, amplificadores de señal, semiconductores de potencia, etc. Cuando la señal medida incorpora ruido o varía muy rápido, puede que sea necesario filtrarla. También se ofrecen diferentes filtros para diversos tipos y normas de señales. En muchos casos el acondicionamiento de señales se incluye en la interfaz, haciendo un producto más compacto pero mucho más específico. 3.5 LA CAPA FÍSICA DE LAS REDES INDUSTRIALES Los SCADA no escapan al vertiginoso desarrollo que experimentan las comunicaciones en nuestros días. En este sentido sufren cambios las redes industriales empleadas en el control de procesos en función de las necesidades de los nuevos esquemas de control distribuido. Las redes industriales juegan un papel imprescindible en la coordinación de las tareas entre los elementos que se encuentran en diferentes niveles del SCADA, o en el mismo nivel. En la actualidad la información puede viajar desde un sensor al pie del proceso, hasta una estación ubicada cerca o a muchos kilómetros de distancia, y regresar una señal con un cambio para el sistema de accionamiento. Para ello emplea diferentes topologías, las cuales incluyen Internet, por cables, fibra óptica, radio o satélites. Todo esto es posible, entre otros, gracias al desarrollo de la capa física de las redes, al aumento del ancho de banda, la potencia de transmisión y a su fiabilidad. Tiene una influencia decisiva la normalización o estandarización de los equipos que la forman. Aquí debemos destacar el trabajo meritorio de organizaciones como IEEE y la FieldBus Foundation. En este sentido es importante señalar el surgimiento y desarrollo de los buses de campo. 39

41 3.6 COMPONENTES HARDWARE Un sistema SCADA, como aplicación de software industrial específica, necesita ciertos componentes inherentes de hardware en su sistema, para poder tratar y gestionar la información captada. Ordenador Central o MTU (Master Terminal Unit): Se trata del ordenador principal del sistema el cual supervisa y recoge la información del resto de las subestaciones, bien sean otros ordenadores conectados (en sistemas complejos) a los instrumentos de campo o directamente sobre dichos instrumentos. Este ordenador suele ser un PC, el cual soporta el HMI. De esto se deriva que el sistema SCADA más sencillo es el compuesto por un único ordenador, el cual es el MTU que supervisa toda la estación. Las funciones principales de la MTU son: Interroga en forma periódica a las RTU s, y les transmite consignas; siguiendo usualmente un esquema maestro-esclavo. 40

42 Actúa como interfase al operador, incluyendo la presentación de información de variables en tiempo real, la administración de alarmas, y la recolección y presentación de información historiada. Puede ejecutar software especializado que cumple funciones específicas asociadas al proceso supervisado por el SCADA. Por ejemplo, software para detección de pérdidas en un oleoducto. Ordenadores Remotos o RTU s (Remote Terminal Unit): Estos ordenadores están situados en los nodos estratégicos del sistema gestionando y controlando las subestaciones del sistema, reciben las señales de los sensores de campo, y comandan los elementos finales de control ejecutando el software de la aplicación SCADA. Se encuentran en el nivel intermedio o de automatización, a un nivel superior está el MTU y a un nivel inferior los distintos instrumentos de campo que son los que ejercen la automatización física del sistema, control y adquisición de datos. Estos ordenadores no tienen porque ser PC s, ya que la necesidad de soportar un HMI no es tan grande a este nivel, por lo tanto suelen ser ordenadores industriales tipo armarios de control, aunque en sistemas muy complejos puede haber subestaciones intermedias en formato HMI. Una tendencia actual es la de dotar a los PLC s (en función de las E/S a gestionar) con la capacidad de funcionar como RTU s gracias a un nivel de integración mayor y CPU s con mayor potencia de cálculo. Esta solución minimiza costes en sistemas donde las subestaciones no sean muy complejas sustituyendo el ordenador industrial mucho más costoso. Un ejemplo de esto son los nuevos PLC s (adaptables a su sistema SCADA) Experion PKS (Power Knowledge System)) de Honeywell o los de Motorola MOSCAD, de implementación mucho más genérica. (Anexo MOSCAD) 41

43 Red de comunicación: Éste es el nivel que gestiona la información que los instrumentos de campo envían a la red de ordenadores desde el sistema. El tipo de BUS utilizado en las comunicaciones puede ser muy variado según las necesidades del sistema y del software escogido para implementar el sistema SCADA, ya que no todos los paquetes software (así como los instrumentos de campo como PLC s) pueden trabajar con todos los tipos de BUS. Hoy en día, gracias a la estandarización de las comunicaciones con los dispositivos de campo, podemos implementar un sistema SCADA sobre prácticamente cualquier tipo de BUS. Es posible encontrar SCADA s sobre formatos estándares como los RS-232, RS-422 y RS-485 a partir de los cuales, y mediante un protocolo TCP/IP, podemos conectar el sistema sobre un bus en configuración DMS ya existente; pasando por todo tipo de buses de campo industriales, hasta formas más modernas de comunicación como Bluetooth (Bus de Radio), Micro-Ondas, Satélite, Cable... A parte del tipo de BUS, existen interfaces de comunicación especiales para la comunicación en un sistema SCADA como puede ser módems para estos sistemas que soportan los protocolos de comunicación SCADA y facilitan la implementación de la aplicación. (Anexo módems SCADA) Otra característica de las comunicaciones de un sistema SCADA es que la mayoría se implementan sobre sistemas WAN de comunicaciones, es decir, los distintos terminales RTU pueden no estar localizados geográficamente. 42

44 Instrumentos de Campo: Son todos aquellos que permiten tanto realizar la automatización o control del sistema (PLC s, controladores de procesos industriales, y actuadores en general) como los que se encargan de la captación de información del sistema (sensores y alarmas) Una característica de los Sistemas SCADA es que sus componentes son diseñados por distintos proveedores, sin coordinación entre sí. Así, se tienen diferentes proveedores para las RTU s (es posible que un sistema utilice RTU s de más de un proveedor), módems, radios, mini computadores, software de supervisión e interfase con el operador, software de detección de pérdidas, etc. 3.7 COMPONENTES SOFTWARE Para obtener las características y prestaciones propias de un sistema SCADA, el software debe presentar las siguientes funciones: Manejo del soporte o canal de comunicación. Manejo de uno o varios protocolos de comunicación (Drive) Manejo y actualización de una Base de Datos Administración de alarmas (Eventos) Generación de archivos históricos. Interfaces con el operador (MMI - Man Machine Interface) Capacidad de programación (Visual Basic, C) Transferencia dinámica de datos (DDE) Conexión a redes Debe tener capacidad para comunicarse con múltiples redes de instrumentos, aun siendo de distinta procedencia y fabricantes (standard IEC ) 43

45 A continuación exponemos los principales softwares SCADA que podemos encontrar en el mercado. En algunos casos no tan solo proporcionan una solución puramente SCADA sino que incluyen el registro y gestión de datos sobre software MES (Manufacturing Execution System) para explotación de datos de fabricación. Este tipo de integración de software MES en un sistema SCADA es una solución cada vez más demandada por los usuarios. 44

46 Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes: Configuración: permite al usuario definir el entorno de trabajo de su aplicación según la disposición de pantallas requerida y los niveles de acceso para los distintos usuarios. Dentro del módulo de configuración el usuario define las pantallas gráficas o de texto que va a utilizar, importándolas desde otra aplicación o generándolas desde el propio SCADA. Para ello, se incorpora un editor gráfico que permite dibujar a nivel de píxeles (puntos de pantalla) o utilizar elementos estándar disponibles, líneas, círculos, textos o figuras, con funciones de edición típicas como copiar, mover, borrar, etc. También durante la configuración se seleccionan los drivers de comunicación que permitirán el enlace con los elementos de campo y la conexión o no en red de estos últimos, se selecciona el puerto de comunicación sobre el ordenador y los parámetros de la misma, etc. En algunos sistemas es también en la configuración donde se indican las variables que después se van a visualizar, procesar o controlar, en forma de lista o tabla donde pueden definirse a ellas y facilitar la programación posterior. Interfaz gráfica del operador: proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso a supervisar se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación de uso general (Paintbrush, DrawPerfect, AutoCAD, etc.) durante la configuración del paquete. Los sinópticos están formados por un fondo fijo y varias zonas activas que cambian dinámicamente a diferentes formas y colores, según los valores leídos en la planta o en respuesta a las acciones del operador. 45

47 Se tienen que tener en cuenta algunas consideraciones a la hora de diseñar las pantallas: Las pantallas deben tener apariencia consistente, con zonas diferenciadas para mostrar la planta (sinópticos), las botoneras y entradas de mando (control) y las salidas de mensajes del sistema (estados, alarmas) La representación del proceso se realizará preferentemente mediante sinópticos que se desarrollan de izquierda a derecha. La información presentada aparecerá sobre el elemento gráfico que la genera o soporta, y las señales de control estarán agrupadas por funciones. La clasificación por colores ayuda a la comprensión rápida de la información; los colores serán usados de forma consistente en toda la aplicación: si rojo significa peligro o alarma, y verde se percibe como indicación de normalidad, este será el significado dado a estos colores en cualquier parte de la aplicación. Previendo dificultades en la observación del color debe añadirse alguna forma de redundancia, sobre todo en los mensajes de alarma y atención: textos adicionales, símbolos gráficos dinámicos, intermitencias, etc. 46

48 Módulo de proceso: ejecuta las acciones de mando pre programadas a partir de los valores actuales de variables leídas. Sobre cada pantalla es posible programar relaciones entre variables del ordenador o del autómata que se ejecutan continuamente mientras la pantalla esté activa. La programación se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (C, Basic, etc.) Es muy frecuente que el sistema SCADA confíe a los dispositivos de campo, principalmente autómatas, el trabajo de control directo de la planta, reservándose para sí las operaciones propias de la supervisión, como el control del proceso, análisis de tendencias, generación de históricos, etc. 47

49 Las relaciones entre variables que constituyen el programa de mando que el SCADA ejecuta de forma automática pueden ser de los tipos siguientes: 1. Acciones de mando automáticas preprogramadas dependiendo de valores de señales de entrada, salida o combinaciones de éstas. 2. Maniobras o secuencias de acciones de mando. 3. Animación de figuras y dibujos, asociando su forma, color, tamaño, etc., a valor actual de las variables. 4. Gestión de recetas, que modifican los parámetros de producción (consignas de tiempo, de conteo, estados de variables, etc.) de forma preprogramada en el tiempo o dinámicamente según la evolución de planta. Gestión y archivo de datos: Se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, según formatos inteligibles para periféricos hardware (impresoras, registradores) o software (bases de datos, hojas de cálculo) del sistema, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. Pueden seleccionarse datos de planta para ser capturados a intervalos periódicos, y almacenados con un cierto tiempo, como un registro histórico de actividad, o para ser procesados inmediatamente por alguna aplicación software para presentaciones estadísticas, análisis de calidad o mantenimiento. Esto último se consigue con un intercambio de datos dinámico entre el SCADA y el resto de aplicaciones que corren bajo el mismo sistema operativo. Por ejemplo, el protocolo DDE de Windows permite intercambio de datos en tiempo real. Para ello, el SCADA actúa como un servidor DDE que carga variables de planta y las deja en memoria para su uso por otras aplicaciones Windows, o las lee en memoria para su propio uso después de haber sido escritas por otras aplicaciones. Una vez procesados, los datos se presentan en forma de gráficas analógicas, histogramas, representación tridimensional, etc., que permiten después analizar la evolución global del proceso. 48

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51 3.8 TECNOLOGIAS DE INTEGRACIÓN Para que exista la comunicación dentro del sistema se cuentan con los siguientes métodos INTERFACES DE COMUNICACIÓN Es la que permite al PC MTU acceder a los dispositivos de campo, a través de los RTU. Así, la interfaz de comunicación enlazará el MTU con los distintos RTU s del sistema a través del BUS de campo. La interfaz de comunicación consta de distintos elementos: La base del sistema de comunicación es el BUS de Campo que es el que transporta la información y las ordenes de control; éste vendrá definido en función del tamaño del sistema SCADA (número de E/S del sistema), distancias entre RTU s y/o disponibilidad del servicio público de comunicación (para sistemas SCADA de tipo red WAN en interconexión entre distintas plantas) Los Modems que conectan físicamente los RTU s y el MTU al BUS. El módulo de comunicaciones contiene los drivers de conexión con el resto de elementos digitales conectados, entendiendo el driver como un programa (software) que se encarga de la iniciación del enlace, aplicación de los formatos, ordenación de las transferencias, etc., en definitiva, de la gestión del protocolo de comunicación. Estos protocolos pueden ser abiertos (ModBus, FieldBus, Map, etc.), o propios de fabricante. 50

52 Estos drivers, propios del software SCADA, deben comunicarse con otros paquetes de software por medio de DDE (Dynamic Data Exchange) DLL (Dynamic Link Libraries) como canal de comunicación, implementados por el sistema operativo, que permite que diversos paquetes de software envíen y reciban datos comunes. Por ejemplo se puede relacionar una celda de una hoja de cálculo con una variable del sistema y así variar puntos de consignas del proceso, o bien la comunicación directa con los drivers de I/0 de los dispositivos de campo. Adicionalmente, y en los SCADA distribuidos en arquitecturas cliente-servidor, los módulos de comunicaciones son también los responsables del enlace entre los diferentes ordenadores de proceso que soportan la aplicación, enlace probablemente establecido sobre una red local DECnet, TCP/IP, IPX/SOX, NETBIOS, MAP/TOP, Novell, etc TECNOLOGÍAS DE INTEGRACIÓN MICROSOFT: DRIVERS ESPECÍFICOS COM/DCOM COM (Component Object Model) permite que una aplicación utilice funcionalidades de otra aplicación residente en la misma computadora, ello se hace incorporando a la aplicación principal objetos software, propios de la otra 51

53 aplicación. DCOM (Distributed COM) supone extender el estándar COM a sistemas formados por redes. Visual Basic for Applications (VBA) VBA es el lenguaje de programación (basado en scripts) incorporado en las aplicaciones de Microsoft Office y ofrece diversas ventajas. Está muy extendido y es aceptado por diversos fabricantes, por lo que se va convirtiendo en un estándar "de facto" que presenta una muy buena relación entre potencia y dificultad de aprendizaje y uso. El uso de un lenguaje común también facilita la integración de objetos suministrados por terceros, en la medida que aplican este mismo estándar. Además, permite interactuar directamente con las aplicaciones de Office (Access, Excel, Word ), de BackOffice y de otros productos compatibles. Interfaz OPC OPC (OLE for Process Control) es el estándar diseñado para comunicar sistemas y dispositivos. Esto incluye tanto las comunicaciones entre un software SCADA y los buses de comunicación con los autómatas, como las comunicaciones entre una aplicación SCADA y otras aplicaciones como puedan ser las de gestión, abriendo a estas últimas el acceso a los datos de planta, como datos históricos, datos batch, etc. Los productos OPC (Clientes y Servidores), pueden ser usados con Visual Basic y sus variantes. Es decir, OPC corresponde a un conjunto de especificaciones basadas en los estándares de Microsoft (COM, DCOM, OLE Automation, y ActiveX) que cubren los requerimientos de comunicación industrial entre aplicaciones y dispositivos, especialmente en lo que se refiere a la atención al tiempo real. 52

54 Las especificaciones OPC se mantienen a través de la OPC Foundation, conjunto de especificaciones técnicas no-propietario que define un conjunto de interfases estándar basadas en la tecnología OLE/COM de Microsoft. La tecnología COM permite la definición de objetos estándar así como de métodos y propiedades para los servidores de información en tiempo real. La tecnología OLE Automation posibilita comunicar las aplicaciones con datos recibidos a través de LAN, estaciones remotas o Internet. Antes del OPC, cada software requería de una interfase específica (servidor, driver) para intercambiar datos con una determinada familia de dispositivos de campo. Y para intercambiar datos entre aplicaciones se utilizaba el estándar DDE o bien interfaces específicas para cada pareja de aplicaciones. OPC elimina esta necesidad y permite utilizar una misma operativa para comunicar aplicaciones, dispositivos y drivers. Los proveedores, tanto de hardware como de software, pueden suministrar productos con una elevada conectividad y compatibilidad, y los usuarios tienen una amplia gama de opciones para construir la solución que mejor se adapta a sus necesidades. ActiveX Incorporar un Control ActiveX en una pantalla supone añadir un objeto con código asociado que realiza una determinada función de forma totalmente integrada dentro de la aplicación que estamos tratando, basta con establecer los enlaces necesarios entre las variables de la aplicación y las del Control ActiveX. Un Control ActiveX no es un lenguaje de programación, es una pequeña pieza de software, escrita según las especificaciones COM, y tiene propiedades, métodos y eventos. Cuando Usted compra un objeto ActiveX en realidad compra una licencia para usar este objeto en su aplicación. Un objeto ActiveX puede ser el servidor o driver de un PLC como SIMATIC (Siemens) Este driver tiene propiedades para definir los datos a ser leídos desde el PLC, métodos para iniciar la lectura de los valores y eventos para informar que los datos han sido recibidos desde el PLC. Debido a que los objetos ActiveX son basados en COM, ellos pueden ser usados en cualquier aplicación que soporta COM, tal como Visual Basic, Internet Explorer, Borland Delphi, Software SCADA Genesis32 de Iconics, etc. Existen varios objetos ActiveX que pueden comprarse independientemente para agregarlos a su aplicación SCADA basada en tecnología COM. Por ejemplo 53

55 drivers para comunicación con PLC's, DCS, conectividad a bases de datos, reportes, tendencias, símbolos de instrumentos de medición, selectores, barras indicadoras, etc. Conectividad remota WebServer (conexión a través de Internet) El trabajo en un entorno Intranet es considerado normal para bastantes proveedores que incluyen funcionalidades de cliente y de servidor de Web. Algunas de las ventajas de la utilización de Internet en los entornos SCADA son el ofrecimiento de una funcionalidad total, ofreciendo su operatividad a través de cualquier navegador estándar. La información en tiempo real de la planta de proceso es inmediatamente accesible para cualquier persona autorizada de la organización, esté donde esté, con el coste más bajo. Por ejemplo, mediante la herramienta VBScript de Visual Basic usada en el web browser de Microsoft Internet Explorer, se permite que en una aplicación Intranet dentro de una planta, se pueda construir páginas Web usando controles ActiveX para visualizar datos de planta. Esta aplicación SCADA usa un PLC con servidor ActiveX (OPC) para adquisición de datos, gráficos dinámicos y tendencias (curvas de comportamiento de valores de procesos) basadas en ActiveX. 54

56 Los usuarios ven la información en una interfase amigable y usan un software modular que integra sus diversos componentes gracias a un lenguaje estándar que tiene la posibilidad de reutilizar los scripts. 3.9 PROCESADORES DE COMUNICACIONES FRONT END El "centro" de SCADA consiste típicamente en una colección de computadoras conectadas vía LAN (o LAN redundante). Cada máquina realiza una tarea especializada. La responsabilidad de la colección de datos básicamente puede residir en una de ellas (con un sistema mirror), las visualizaciones pueden ser manejadas por una segunda computadora, etcétera. Una función asignada típicamente a una computadora separada es la interfaz a la red de comunicaciones. Ésta manejará toda la interconexión especializada a los canales de comunicaciones, y en muchos casos realizará la conversión del protocolo de modo que el sistema principal pueda contar con datos entrantes en un formato estándar ARQUITECTURA CLIENTE/SERVIDOR EN SISTEMAS SCADA El paradigma cliente servidor tiene presencia en los sistemas tipo SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition); el cual fue evolucionando conforme lo fueron haciendo estos sistemas, básicamente a través de los esquemas de comunicación asociados; desde la interfaz RS-232 con protocolo serial hasta 55

57 redes basadas en TCP/IP. La utilización de los estándares abiertos y los sistemas operativos que le dan soporte; la gama de posibilidades de funcionalidad se incrementan al diseño de soluciones que en sus inicios no se habían concebido. El paradigma cliente/servidor (PCS) se ha aplicado indistintamente a varios niveles de abstracción en dominios del conocimiento en áreas de informática y computación. El PCS se constituye en la práctica como una filosofía de diseño de soluciones. Empíricamente suele asociarse el concepto de servidor a un equipo de cómputo corporativo que ofrece una serie de servicios a equipos cliente conectados en red. Sin embargo, la concepción de la arquitectura cliente/servidor va más allá de esta percepción. En términos conceptuales, el cliente es aquella entidad en la que se formula un requerimiento y valida los datos indispensables para solicitarlo al servidor. El servidor es una entidad que recibe requerimientos por parte del cliente, los procesa, genera los resultados y los envía al cliente. El cliente recibe los resultados del servidor y los utiliza para mostrarlos al usuario para que éste disponga de ellos. El usuario puede ser una persona u otra aplicación. Cuando el PCS describe aspectos estructurales, suele expresarse como Arquitectura Cliente/Servidor (ACS) De tal forma que la ACS aplicado a redes (computadora servidor y computadoras cliente) es un caso particular de esta situación. La ACS también se puede aplicar a procesos (proceso servidor, proceso cliente), a objetos, a manejadores de bases de datos, a sistemas SCADA, etc. Otro aspecto importante del PCS, es la arquitectura de aplicaciones basada en capas; estas capas proporcionan estructuradamente los servicios de datos, negocio (algoritmos centrales) y presentación al usuario (persona o aplicación) Los elementos principales que interactúan con las aplicaciones SCADA son equipos de control automático, generalmente PLC s (Programmable Logic Controller) y aplicaciones en general, las cuales suelen ser de tipo científico o administrativos con acceso a bases de datos. Una vez considerados los aspectos básicos de la ACS, a continuación se presentan los niveles de comunicación entre los elementos mencionados (cabe recalcar que en ciertos momentos, una entidad puede comportarse como cliente o/ y en otro servidor, debido básicamente a los esquemas de comunicación establecidos): 56

58 1. Entre la aplicación SCADA y PLC, 2. Entre PLC s, 3. Entre aplicaciones o componentes de aplicación SCADA, y 4. Entre la aplicación SCADA y otras aplicaciones generales Aunque existen aplicaciones a todos los niveles mencionados anteriormente, el nivel 1 (ACS entre la aplicación SCADA y PLC) es la que se concibe a primera instancia al mencionar el concepto; sin embargo, esto no disminuye ni la importancia ni la cantidad de aplicaciones al respecto de los otros niveles. Los escenarios tradicionales a nivel de transmisión de datos son básicamente tres a nivel 1: 1. A través de una interfaz serial RS-232 y distintos protocolos asociados (la gran mayoría de ellos comprendidos en la capa 2 del modelo de referencia ISO/OSI) 2. A través de una red con protocolo propietario 3. A través de una red con protocolo TCP/IP Generalmente, las aplicaciones SCADA se ejecutan en estaciones de trabajo, equipos servidor o equipos de escritorio; sin embargo, la forma en que se comunican con los PLC s es la que varía, y por ende, la que les ofrece ventajas y desventajas en el ámbito de ACS PROTOCOLOS Y REDES DE COMUNICACIÓN SCADA tiende a utilizar la mayoría de las redes de comunicación disponibles, como son las siguientes LAS REDES DE COMUNICACIÓN Los sistemas SCADA basados en transmisión radial son probablemente los más comunes. Éstos evolucionaron con el tiempo, y lo más básico es el uso de FSK (Frequency Shift Keying - codificación por conmutación de frecuencia) sobre canales de radio analógicos. 57

59 Esto significa que aquellos 0 y 1 son representados por dos diversas frecuencias (1800 y 2100 Hertz son comunes). Estas frecuencias se pueden sintetizar y enviar sobre una radio de audio normal. Velocidades de hasta 1200 baudios son posibles. Una consideración especial necesita ser dada al retardo de RTS (Request To Send - petición de enviar) que normalmente se presenta. Esto se produce porque una radio se tomará algún tiempo después de ser encendida (on) para que la señal alcance niveles aceptables, y por lo tanto el sistema SCADA debe poder configurar estos retardos. La mayoría de las otras consideraciones con respecto a radio y SCADA se relacionan con el diseño básico de la red de radio. Servicios basados en satélites. Hay muchos de éstos, pero la mayoría son muy costosos. Hay situaciones donde no hay alternativas. No obstante, existe un servicio basado en satélites que es económico: los sistemas VSAT: Very Small Aperture Terminal. Con VSAT, usted alquila un segmento del espacio (64k o más), y los datos se envían de un sitio remoto a un hub vía satélite. Hay dos tipos de hubs. El primero es un sistema proporcionado típicamente por un proveedor de servicios de VSAT. La ventaja es un costo fijo para los datos aunque su implementación puede costar muy cara. La otra consideración para éstos es la necesidad de un "backlink" del hub al centro de SCADA. Esto puede ser de un costo considerable. El otro tipo de sistema utiliza un hub pequeño (los clásicos de LAN estructuradas) que se puede instalar con el Master. Este es más barato, pero la administración del hub es responsabilidad exclusiva del propietario de SCADA. La interfaz a cualquier tipo de sistema de VSAT implica el uso de protocolos utilizados por el sistema de VSAT - quizás TCP/IP. Modbus es un protocolo de comunicaciones desarrollado para el mundo del PLC, y fue definido para el uso de las conexiones por cable. Aunque los proyectos procuran con frecuencia utilizar Modbus sobre radio, éste está trayendo problemas, fundamentalmente con los temporizadores. En cualquier caso, Modbus es incompleto como un protocolo para SCADA, y existen alternativas mejores tales como DNP3. Modbus tiene su campo de aplicación en comunicaciones con PLC's sobre una conexión por cable. 58

60 Sistemas Landline. Éstos son comúnmente usados, pero una gran cantidad de sistemas SCADA implican el uso de la radio para sustituir landlines ante una falla. Las termitas y el relámpago son problemas comunes para los landlines RADIO La telemetría de radio es probablemente la tecnología base de SCADA. La velocidad de transmisión de datos sobre radio estaba en su momento limitada al rango 300 baudios a 1200 baudios, pero las radios de datos modernas soportan hasta 9600 baudios (e incluso hasta 64k). Una red de radio que funciona en la banda de 900 MHz es autorizada normalmente para utilizar 12,5 o 25 khz de ancho de banda. En 25 khz, las velocidades de 9600 baudios pueden ser alcanzadas, pero en 12,5 khz solamente 4800 baudios son posibles con el equipamiento actual. Una red de radio típica consiste en una conversación a través del repetidor situado en algún punto elevado, y un número de RTU's que comparten la red. Todos los RTU's "hablan" sobre una frecuencia (F1) y escuchan en una segunda frecuencia (F2). El repetidor escucha en F1, y retransmite esto en F2, de modo que un RTU que transmite un mensaje en F1, lo tiene retransmitido en F2, tal que el resto de RTU's pueda oírlo. Los mensajes del Master viajan sobre un enlace de comunicación dedicado hacia el repetidor y son difundidos desde el repetidor en F2 a todos los RTU's. Si el protocolo de comunicaciones usado entre el Master y el repetidor es diferente al usado en la red de radio, entonces debe haber un "Gateway" en el sitio del repetidor. Este hecho permitiría utilizar los protocolos apropiados para cada uno de los medios. Se ha utilizado con éxito DNP3 sobre la red de radio y después encapsulado el DNP3 en el TCP/IP para permitir que una red de fines generales lleve los datos al Master. El número de RTU's que puede compartir un repetidor depende de un número de factores. En primer lugar el tipo de equipo de radio puede afectar esto, teniendo en cuenta el retardo en alcanzar una señal estable. La aplicación también es un factor importante, ya que de ella depende el tiempo de respuesta requerido. Las 59

61 características del protocolo (la interrogación, informe por excepción, las transmisiones iniciadas por el RTU) también pueden ser significativas. La velocidad tiene obviamente un impacto también LOS CIRCUITOS TELEFÓNICOS Tienen algunas implicaciones importantes para un sistema SCADA. En primer lugar la administración de módems en campo puede ser molesta. En segundo lugar el RTU debe poder salvar datos mientras el módem está desconectado, para después transmitirlos cuando se establece la conexión. Preferiblemente el RTU debe poder iniciar la llamada cuando ocurre una alarma, o sus buffers de datos corren el riesgo de desbordar. El Master debe poder manejar la recepción de este cúmulo de datos, y al mismo tiempo "rellenar" su base de datos, generar los gráficos, etcétera. Algunos informes producidos por el Master pueden necesitar ser corregidos cuando llegan los datos INTERFAZ SERIAL RS-232 La comunicación por RS-232 ha sido la forma más común de comunicación de un sistema SCADA con un PLC; teniendo un protocolo implantado por el fabricante que muchas veces trata de adaptarse a un estándar. Las primeras implantaciones generaban mensajes bajo un código numérico o mnemónico para solicitar que el PCL ejecutará una acción o proporcionará información, debido a que básicamente los PLC s se programaban de esa forma (lenguaje ensamblador); aunque posteriormente, se cuentan con implantaciones en las que su programación se realizaba con lenguajes de 3ª generación (BASIC, C, etc.) La ACS se conformaba por un cliente delgado que recibe las solicitudes del usuario y despliega la información hacia éste. Sin embargo, esta forma de comunicación se constituía en ser una conexión primitiva punto a punto, sin flexibilidad de comunicarse con otros equipos COMUNICACIÓN EN RED CON PROTOCOLO PROPIETARIO Dada la necesidad de conexiones multipunto entre equipos de cómputo soportando sistemas SCADA y PLC s; los fabricantes de estos últimos se vieron 60

62 en la necesidad de crear arquitecturas y topologías de redes para conectarlos. De esta forma una aplicación SCADA se podía comunicar con más de un PLC en red; y un PLC con más de una aplicación SCADA. Algunos de estos protocolos se convirtieron en estándares de facto. Tal ha sido el caso de PROFIBUS de Siemens. Muchos fabricantes de PLC ofrecen compatibilidad para este protocolo. Sin embargo, tal esquema de propiedad implica un alto costo COMUNICACIÓN EN RED CON PROTOCOLO TCP/IP La creciente demanda de la utilización de estándares abiertos de comunicación basados en el modelo de referencia OSI, conllevó al diseño de redes de computadoras y PLC s basadas en el protocolo TCP/IP. Aunado al bajo costo inherente al uso de estándares abiertos, la utilización de TCP/IP como esquema de comunicación entre equipos soportando aplicaciones SCADA y PLC s amplió una gama de posibilidades de transmisión de datos hacia otro tipo de equipos y esquemas tipo IPC (Inter Process Communication) tales como sockets, RPC s (Remote Procedure Calls) y una de las más importantes, el Middleware (esquemas de comunicación entre objetos) con la capacidad de generar aplicaciones distribuidas. Un aspecto importante a resaltar, es que la tecnología de PLC s no va a la par con la de equipos de cómputo corporativo y de escritorio, los cuales suelen ir 4 ó 5 generaciones de microprocesadores adelante. La explicación más lógica quizá sea la seguridad de los sistemas, ya que a través del tiempo la tecnología suele estabilizar y corregirse en errores. Sin embargo, se corre el riesgo de la obsolescencia de los equipos. Para ello se requiere que exista un compromiso de suministro y soporte entre el fabricante de PLC s y los fabricantes de insumos para éste. Otro ejemplo interesante de comentar, es que incluso a nivel de velocidad de transmisión de redes, los equipos actuales son capaces de transmitir a 100 Mbps, y los PLC s más modernos están a 10 Mbps. Con la utilización de TCP/IP, y en general, la adopción del modelo de referencia ISO/OSI, ha implicado considerar una mayor importancia del papel que desempeñan los sistemas operativos que soportan estos protocolos y esquemas de ventaja asociados. Siendo importante no olvidar las características de tiempo real que deben soportar éstos. Uno de los sistemas operativos que se ha ido incorporando a los ambientes productivos es el Microsoft Windows NT. 61

63 ETHERNET/IP Ethernet/IP es una abreviatura de Ethernet Protocolo Industrial, es una solución abierta estándar para interconectar redes industriales que aprovecha los medios físicos y los chips de comunicaciones Ethernet comerciales. Ethernet/IP se diseñó para satisfacer la gran demanda de aplicaciones de control compatibles con el Ethernet convencional. Esta solución estándar admite la transmisión de mensajes implícita (transmisión de mensajes E/S en tiempo real) y la transmisión de mensajes explícita (intercambio de mensajes). Es también una red abierta que utiliza tecnología convencional que ya existe en el mercado, por ejemplo: IEEE 802.3, estándar de vínculo físico y de datos; TCP/IP, Protocolo de Control de Transmisión/Protocolo de Internet (TCP/IP por sus siglas en inglés); Protocolo Industrial Común (CIP por sus siglas en inglés), que permiten la transmisión de mensajes de E/S en tiempo real, así como la información y transmisión de mensajes entre dispositivos similares. Por lo general esta red utiliza una topología de estrella, en la que los grupos de dispositivos están conectados punto a punto con un conmutador (switch). Puede combinar dispositivos de 10 y 100 Mbps, y el conmutador Ethernet se encarga de negociar la velocidad. Esta topología ofrece conexiones fáciles de cablear y depurar, por lo que es muy fácil detectar fallas y realizar el mantenimiento de la red. Ethernet/IP se desarrollo para gestionar una gran cantidad de datos de transmisión de mensajes, hasta 1500 bytes por paquete. Gracias a la gran aceptación de la tecnología de Ethernet en los últimos años, el costo por nodo esta disminuyendo con rapidez. Asimismo Ethernet permite reducir los costos a través de una extensa gama de productos y proveedores DNP3.0 DNP 3.0 es un protocolo SCADA moderno, abierto, inteligente, robusto y eficiente. Entre otras cosas, puede: Solicitar y responder con múltiples tipos de dato en un solo mensaje. Segmentar mensajes en múltiples frames para asegurar excelente detección y recuperación de errores. Incluir en respuesta sólo datos cambiados. Asignar prioridad a los ítems de datos y solicitarlos periódicamente basado en su prioridad. Responder sin solicitud previa. Utilizar sincronización de tiempo y con un formato estándar. Permitir múltiples operaciones punto a punto y al master. 62

64 Permitir objetos definibles por el usuario incluyendo transferencia de archivos. DNP 3.0 es un protocolo "encapado". Aún así, en lugar de asemejarse al protocolo de 7 capas de la OSI (Open System Interconection - interconexión de sistemas abiertos), DNP 3.0 adhiere a un estándar simplificado de 3 capas propuesto por el IEC (International Electrotechnical Commission - Comisión internacional de Electrotecnia) para implementaciones más básicas. El IEC llama a esto Enhanced Performance Architecture, o EPA. (en realidad, sin embargo, DNP 3.0 agrega una cuarta capa, una capa de pseudo-transporte que permite la segmentación del mensaje). Capa Física Capa de Transmisión De Datos Capa de Pseudo-Transporte Capa de Aplicación En DNP, los datos se ordenan en tipos de datos. Cada tipo de datos es un grupo objeto, para cada grupo de objetos, o tipo de datos, existen uno o más puntos de referencia. En DNP 3,0, los grupos de objeto, y los puntos de referencias dentro de él, se pueden ordenar más a fondo en clases. Esto proporciona un método eficiente de solicitar datos; un mensaje simple y pequeño se puede enviar para solicitar todos los datos en una clase específica (designada la exploración para los datos de la clase) SEGURIDAD EN LOS SISTEMAS SCADA En el pasado, los sistemas SCADA se comunicaban mediante radio, módems o líneas seriales dedicadas; ahora los datos se conducen utilizando Ethernet o IP sobre Internet. Además, la mayoría de ellos tienen cierta integración con los Sistemas de Control Distribuido (DCS) En una encuesta que realizó en 2005 The Instrumentation Systems and Automation Society (ISA por sus siglas en inglés), revelo que entre las cinco necesidades operacionales mas mencionadas por los entrevistados, dos correspondían a la seguridad en los sistemas de control y la integración de la ingeniería de producción con los sistemas de información empresarial. Esto demuestra la importancia que la seguridad y la integración tienen en la planta moderna. 63

65 Después de los ataques terroristas del 11 de Septiembre en los Estados Unidos de Norteamérica, se comenzó a visualizar la posibilidad de que las plantas industriales de proceso, tales como refinerías, petroquímicas, farmacéuticas, y plantas de abastecimiento de agua, entre otras, fueran posibles blancos de terroristas. Desde entonces, el tema de la seguridad tiene una importancia primordial para la mayoría de los gobiernos que tienen una industria desarrollada. En los Estados Unidos de Norteamérica se formo un Comité para la Protección de Infraestructura Critica, que como su nombre lo indica, tiene el propósito de analizar los riesgos y proponer iniciativas para proteger instalaciones industriales, suministro de agua, sistemas de ductos, plantas de generación de energía y nucleoeléctricas, entre otras. Este Comité, en conjunto con el Departamento de Energía, publico un documento en donde propone algunas medidas para proteger a los sistemas SCADA. Todas son importantes, aunque solamente se mencionarán algunas 1. Identifique todas las entradas a la red y desconecte las conexiones innecesarias. 2. No confíe en protocolos propietarios para proteger el sistema. 3. Establezca un fuerte control sobre cualquier medio que sea utilizado para acceder a la red. 4. Instale sistemas para protección de intrusiones. 5. Desarrolle auditorias técnicas a los dispositivos y redes. 6. Realice simulacros para identificar y evaluar posibles escenarios de ataque. 7. Defina claramente los roles de seguridad de los administradores y usuarios del sistema. 8. Documente la arquitectura de la red e identifique aquellos sistemas que proveen el servicio a funciones críticas o manejan información confidencial. 9. Identifique claramente los requisitos de la ciberseguridad. 64

66 10. Establezca sistemas de respaldo y recuperación del sistema. 11. Establezca políticas para disminuir la posibilidad de que se filtre al exterior información sensitiva relacionada con el diseño, operación y seguridad del sistema SCADA. The Instrumentation Systems and Automation Society, recientemente formo un comité para desarrollar la norma SP99, enfocada hacia las tecnologías de seguridad que pueden aplicarse a los sistemas SCADA y a otros sistemas de control. Es una norma aun en evolución, pero ya produjo un primer reporte: Tecnologías de seguridad para sistemas de manufactura y control. En este documento se incluyen secciones sobre autentificación, autorización, encriptación, corta-fuegos, auditoria, entre otros temas relacionados con la seguridad. En el argot de los sistemas, el corta-fuego (firewall) es un dispositivo que filtra continuamente la entrada y la salida del sistema para bloquear paquetes de información no autorizados. En el caso de los sistemas SCADA y Control Distribuido (DCS), se recomienda segmentar el sistema en zonas, colocar corta-fuegos entre cada zona para blindarlas de ataques cibernéticos que provienen de otras zonas y del exterior. Ya hay comercialmente varios productos de seguridad que ofrecen una protección de varias capas. Estas se pueden conceptualizar como una serie de círculos concéntricos, cuyo eje es el equipo o sistema que protegen. Algunos de estos productos utilizan cinco capas de protección, aunque no se desconoce que día a día están apareciendo nuevas aplicaciones. Aunque puede haber diferentes combinaciones, las capas tienen estas características: Capa 1. Eliminación de Host. 99% de todos los ataques se pueden mitigar filtrando los domicilios MAC para que el equipo de automatización industrial solamente reciba comunicaciones de equipos aprobados. Capa 2. Eliminación de servicio al puerto. Cada conexión definida se conecta a un puerto especifico TCP ó UDP, de tal manera que los otros 65,534 puertos en la pila TCP/IP quedan bloqueados. 65

67 Capa 3. Protección de servicio denegado. Se utilizan filtros que detectan velocidades de transferencia de datos y ancho de banda, y en el caso de mostrar una actividad normal se bloquea el servicio. Capa 4. Rechazo de paquetes defectuosos. Evita que un paquete defectuoso dañe la pila TCP/IP. Solamente pasa trafico normal TCP ó UDP hacia el dispositivo final. Capa 5. Alerta de intrusos. Se reporta cualquier violación en las reglas de acceso. A medida que evolucione la tecnología de corta-fuegos, se agregarán nuevas capas para mejorar la seguridad de los sistemas de control y SCADA que los protejan de piratas informáticos y eventuales ataques terroristas EVOLUCION DEL SOFTWARE SCADA En lo últimos años ha existido una evolución de los productos software de supervisión y control para PC (SCADA) orientada a ampliar su campo de aplicación. De una supervisión y control iniciales a nivel de máquina o de proceso se ha pasado a una supervisión y control a nivel de planta. De una adquisición y registro de datos orientada a un control de proceso o de línea se ha ampliado su utilidad a proveer información en tiempo real del estado de la planta o de la fábrica. El software orientado inicialmente a supervisión y control de proceso (máquina, proceso y línea) fue aprovechado para ampliar su utilidad a la supervisión y control de la producción. La adopción de forma generalizada de los estándares COM/DCOM, Active X, OPC y ODBC, entre otros, por parte de la gran mayoría de proveedores facilitaba que los datos adquiridos mediante la aplicación SCADA estuvieran disponibles para otras aplicaciones como gestión de almacenes, ERP, etc. Una de las demandas más generalizadas y, al mismo tiempo, una de las más críticas, es la capacidad de efectuar consultas trabajando con datos procedentes de diferentes fuentes: de diferentes aplicaciones (SCADA, ERP, etc.) o de bases de datos distintas y ubicadas en diferentes puntos del sistema. Disponer del conjunto de drivers necesario para intercomunicar los diversos componentes de la solución completa, configurarlos y activarlos de forma 66

68 transparente, es un elemento esencial para disponer de una integración efectiva. Actualmente, diversos proveedores ofrecen módulos específicos orientados al almacenamiento de grandes cantidades de datos, así como servidores de datos capaces de atender consultas de grandes cantidades de datos y que implican tanto a datos recogidos de proceso como a datos almacenados en otras bases de datos, y aptos para servir a múltiples usuarios, conectados a una red para la gestión y el control de la fábrica. Por su naturaleza, estos módulos pueden llegar a constituir aplicaciones aptas para trabajar con SCADA s de otros fabricantes, servidores de datos históricos y servidores de datos integrados (procedentes de diferentes bases de datos o aplicaciones pero interrelacionados). Entre estos productos podemos citar: Industrial SQL Server de Wonderware, RSSql de Rockwell Software, historian de GE Fanuc-Intellution, etc. Una de las necesidades del resultado de esta ampliación del entorno de aplicación ha sido la necesidad de disponer de herramientas cómodas, simples y potentes para la generación de interfaces de usuario que les permita acceder a la información que es de su interés. Dado que el entorno físico donde se ubican estos usuarios también se amplía, el medio generalizado de comunicación es Internet y la aplicación más común es cualquiera de los navegadores más difundidos. Por otra parte, es conveniente disponer de herramientas que ofrezcan a cualquier usuario la posibilidad de diseñar y configurar una Web específica que les permita dialogar con el sistema de información y obtener los datos necesarios. Un ejemplo de este tipo de aplicación es el InfoAgent de GE Fanuc- Intellution, un software de edición, configuración y activación de portales de Internet que proporciona un servidor y admite múltiples clientes TENDENCIAS La madurez de los productos software para la adquisición y registro de datos en Tiempo real y la supervisión y control de procesos ofrecen una evolución en los siguientes ámbitos: 67

69 Su integración en entornos completos para la gestión del negocio disponiendo de información de planta en tiempo real, control y tratamiento de datos, y supervisión y gestión global de la empresa. La existencia de aplicaciones MES, los servidores de datos y los servidores de Web son una prueba de ello. En el tratamiento de los datos adquiridos en planta por parte de sistemas expertos que ofrecen funcionalidades de detección y diagnóstico de fallos. Son evidentes las ventajas que supone disponer de un sistema experto que, a partir de los datos adquiridos de planta tanto en proceso continuo como discontinuo, pueda aplicar un conjunto de reglas que ayude al personal de operación en planta a detectar los fallos o situaciones delicadas y a tener una diagnosis de las causas que lo provocan, así como conocer cuál es la correcta actuación a seguir. La mejora de las interfaces con el usuario con el empleo de entornos gráficos de alta calidad, la incorporación de elementos multimedia de audio y vídeo, la mejora de los sistemas operativos para incrementar las velocidades de respuesta, el empleo de software orientado a objeto, con diálogos conversacionales con programador y usuario, etc., todo ello soportado por un hardware cada vez más compacto, fiable, potente, de mayor ancho de bus y más rápido. 68

70 CAPÍTULO IV IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA. 69

71 CAPÍTULO IV IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA. 4.1 IDENTIFICACIÓN Todas las metodologías de la gerencia de proyecto implican descomponerlo en fases, generalmente con entradas de aprobación al final de cada fase. Identificar la necesidad Preparar la estimación preliminar de costes Obtener la aprobación para que los fondos o los recursos procedan a la fase próxima. Esta fase es normalmente informal, y no requiere de muchos recursos. La identificación de la necesidad podría haberse presentado como ligada a alguna otra actividad, por ejemplo del desarrollo de estrategias corporativas, revisión de la condición de la planta, o de las consecuencias de hacer frente a un incidente importante. Típicamente un sistema SCADA será requerido por alguna de las razones siguientes: Para reducir costos de energía Para reducir costos de personal. Para reducir requisitos de capital futuros. Para mejorar el nivel del servicio. Para evitar incidentes ambientales. Para cumplir con requisitos regulatorios. Puede no ser posible ejecutar el negocio sin SCADA. Para obtener un costo competitivo. Para sustituir un sistema existente obsoleto. A menudo un sistema SCADA no está rigurosamente justificado sino que es requerido simplemente por la gerencia como parte de la forma en que la misma desea llevar el negocio. Ésta puede ser la mejor manera, pues los recursos a menudo substanciales son consumidos intentando dar una justificación para una implementación SCADA, y es extremadamente común que después de que el sistema esté instalado, se presenten beneficios inesperados que abruman las ventajas originalmente predichas. Además, las ventajas pueden presentarse multiplicadas por varias otras iniciativas claves que se estén desarrollando en 70

72 paralelo, como la reingeniería del negocio, y a veces es imposible separar los beneficios de SCADA de los que se originan en otras iniciativas. Una gerencia progresista creará un clima en el cual el personal busque activamente las vías en las cuales mejorar la productividad de la organización. En otras organizaciones, tal propuesta será tratada con escepticismo. La clave de esto reside en que la gerencia desarrolle una visión de cómo quisiera que la organización se maneje en el futuro. Esta fase es crucial en cualquier proyecto SCADA. El éxito económico del proyecto se encarna en determinar la factibilidad inicial. El alcance del proyecto esencialmente se define en este punto. Por ejemplo si no se consideran los beneficios del uso de los horarios de tarifas eléctricas reducidas para reducir el costo de bombeo, es improbable que usted incluya esto en el proyecto SCADA en una etapa posterior LANZAMIENTO Validar la necesidad del proyecto. Establecer los conceptos y su alcance. Establecer una estructura sumaria de la subdivisión del trabajo. Estimación conceptual de costos (-30 a +50%) Generalmente una cierta cantidad de recursos financieros se ha aprobado en esta etapa para emprender las investigaciones preliminares, y preparar un plan preliminar de la administración del proyecto. Será necesario afirmarse en el alcance, identificar las tecnologías principales que se utilizarán, y ganar el acuerdo y la aprobación de los usuarios potenciales del sistema. Es harto necesario la estimación del costo con una exactitud dentro del rango -30 a +50%, como así también establecer las ventajas del sistema con bastante exactitud para convencer a la gerencia de dar la aprobación para proceder con la siguiente fase. Un error común en este punto es entrar demasiado en detalles técnicos. El trabajo debe concentrarse en esta etapa en los requisitos funcionales (o de usuario), y los requisitos tecnológicos se deben mirar solamente al punto de permitir las estimaciones de costos con la exactitud señalada. El énfasis debe ponerse en asegurarse de que existe una comprensión común dentro de los usuarios finales de qué funcionalidad proporcionará el sistema. Si el sistema se está introduciendo para mejorar productividad, entonces es 71

73 importante que la gerencia del usuario entienda cómo puede ser utilizado el sistema SCADA para optimizar prácticas de trabajo. Es importante en esta etapa que el equipo de proyecto incluya a alguien del sector usuario de la organización para comenzar a construir un sentido de la propiedad del sistema. Esta implicación debe continuar a través del proyecto para poder entregar el sistema final a un operador familiarizado en usarlo a su capacidad máxima. Aunque el trabajo debe concentrarse en los requisitos funcionales, es necesario vigilar las capacidades técnicas ofrecidas por los proveedores como "off the shell" en su industria. Restringiendo la cantidad de software de encargo que el sistema requerirá es probablemente la acción más importante que usted puede tomar para reducir costos, riesgos, y reducir al mínimo la duración global del proyecto. Una cierta idea preliminar de la estrategia de contratación deberá haber sido desarrollada. Se podrá por ejemplo utilizar consultores, contratos prediseñados (recomendados), etcétera. Como es evidente, esto puede tener un impacto substancial en costos. La decisión de utilizar consultores se debe tomar con sumo cuidado. Un consultor pudo haber preconcebido ideas en cuanto a cómo el proyecto debe ser manejado. Algunas decisiones tales como el uso de contratos prediseñados pueden no ser del agrado de un consultor, prefiriendo realizar él mismo el diseño DEFINICIÓN Designar a miembros como líderes de equipo. Desarrollar los lineamientos básicos y la agenda para la gerencia del proyecto. Evaluar los riesgos. Realizar estudios económicos. Desarrollar las estrategias contractuales. Desarrollar las estrategias de implementación. Realizar la estimación definitiva de costo con una máxima exactitud (-15 a +25%). El proyecto está comenzando en esta etapa a volverse serio. Se está concluyendo la vista preliminar (qué sitios, qué funcionalidad, etc.). Decisiones 72

74 firmes se están tomando sobre estrategias contractuales tales como diseño y construcción, etc. El trabajo debe todavía concentrarse en esta etapa en los requisitos funcionales (o de usuario), y nuevamente los requisitos tecnológicos deben sólo observarse para permitir las estimaciones de costos. Es importante en esta etapa identificar firmemente las ventajas del sistema, y desarrollar "planes de realización de beneficios". Estos planes identificarán exactamente cómo las ventajas propuestas serán efectivizadas, por ejemplo, observando qué cambios serán realizados a los procesos existentes para alcanzar las ventajas previstas. Esto dará confianza a la gerencia que la inversión va a ser provechosa DISEÑO Revisiones de Diseño. Revisiones de los reportes de la etapa de definición. Justificación de los Fondos. Estimación de Diseño (-10%+10%). Esta fase implica normalmente la preparación de la especificación, y el desarrollo de planes de evaluación de licitadores. Es probable que una fase de precalificación pueda proceder en este momento a facilitar la tarea. La Precalificación se utiliza para pre-seleccionar a los licitadores de reputación que tienen una probada trayectoria en este campo. La Precalificación permite la selección de potenciales proveedores antes de que hayan emplazado una cotización, por ejemplo, sobre la base de su capacidad y experiencia. Una decisión clave en esta etapa es exigir la presentación de pruebas específicas. En los años 80 los contratos rutinariamente especificaban pruebas de aceptación de fábrica, pruebas de implementación, pruebas de aceptación, etcétera. Esto era obligatorio en virtud de que la tecnología era nueva, costosa y la separación del diseño y la adquisición implicaban un alto grado de personalización. La costumbre moderna es utilizar contratos prediseñados, y pagar por desempeño. Una prueba funcional es todo lo que se requiere desde la perspectiva del comprador. Si el proveedor desea ejecutar pruebas de aceptación de fábrica, es su decisión ADQUISICIÓN Especificación y preparación del trabajo. 73

75 Estimación de costos (después de la recepción de las ofertas) -5%+5%. Construcción. Fabricación fuera del sitio. Comisión. Terminación práctica. Bajo contratos prediseñados, todo el trabajo detallado es realizado por un solo proveedor. Los participantes clave en esta etapa son: El encargado de proyecto del proveedor. El superintendente del contrato. El encargado de proyecto. El éxito del proyecto dependerá de la actuación de estos tres. En esta fase el proyecto pasará por un número de etapas: Diseño (que culmina en un informe del diseño del proveedor para su aprobación). Configuración del software principal de SCADA. Desarrollo del software a medida. Ensamble de RTU's en fábrica, y prueba. Instalación de la instrumentación de campo, de comunicaciones, y de RTU's. Comisión. Prueba de aceptación en el sitio. Entrenamiento del cliente. Subsiguiente a esto, el sistema tiene normalmente un período de detección de problemas, más allá del mantenimiento que debe ser contratado LIQUIDACIÓN DEL PROYECTO Reporte final del proyecto. Liquidación de defectos y mal funcionamientos. Depuración final. Revisión pos implementación. 74

76 La revisión por implementación es algo que raramente se encara, pero debe ser una parte obligatoria de todos los proyectos. Es importante que una evaluación sea hecha de cuán bien está el sistema resolviendo las necesidades de la organización como son ahora concebidas. Si es probable que su organización emprenda proyectos futuros en SCADA, entonces la Revisión pos implementación se puede utilizar para documentar cualquier lección aprendida para evitar cometer los mismos errores. El siguiente ejemplo se ha extraído de la página Web especificada a continuación: 4.2 PARTE APLICADA Y CARACTERÍSTICAS DEL PLC CPM1 Autómata con E/S integradas. Este modelo de CPU dispone de 20 terminales de E/S que pueden ampliarse mediante la posibilidad de conexión de unidades de expansión. Dispone de 20 puntos de E/S distribuidos de la siguiente manera: De los 20 puntos, 12 puntos son de entrada (de la a la 00011) y 8 de salida (de la a la 01007). Dispone de 4 entradas de interrupción, las cuales se pueden dividir en dos tipos: Modo de interrupción de entrada. Modo de contador. Cualquier ordenador personal puede conectarse al CPM1 a través de los adaptadores RS-232 y RS-422. Alta velocidad de comunicación garantizada utilizando los terminales de la familia NT de OMRON. Se programa igual que los demás autómatas OMRON de alto nivel EJEMPLO DE APLICACION El ejemplo de aplicación se basa en una instalación mezcladora que tiene dos depósitos los cuales contienen dos productos A y B que se vacían 75

77 alternadamente sobre un recipiente C que hace de báscula, así se puede seleccionar la cantidad de cada uno de los productos que pasará a mezclarse. El mezclador M permite obtener la mezcla formada por estos dos productos gracias a la rotación de una hélice como se muestra a continuación. La orden de inicio la dará un operario apretando un pulsador P siempre y cuando las condiciones iniciales sean ciertas (C y M vacíos). Entonces se pesa la cantidad de producto A (abriendo la válvula va) en C hasta llegar al peso deseado, dato obtenido mediante el sensor a e inmediatamente volcada al mezclador a través de la válvula vc hasta que el recipiente C quede vacío (dato obtenido con el sensor c). De igual manera, se pesa la cantidad de producto B (abriendo la válvula vb) en C hasta llegar al peso deseado, dato obtenido mediante el sensor b e inmediatamente volcada al mezclador a través de la válvula vc hasta que el recipiente C quede vacío (dato obtenido con el sensor c). 76

78 Seguidamente se activa el motor de la hélice (mo), el producto A y el producto B son mezclados hasta llegar al nivel de mezcla deseado, indicado por el sensor m. Finalmente se vacía el contenido del mezclador M a través de la válvula vm hasta que éste quede vacío, indicado por el sensor f. A continuación, se puede observar el grafcet de nivel 1 realizado a partir de las especificaciones del proceso. En este primer nivel de grafcet se describe de forma global el proceso para poder ver rápidamente sus funciones. Por lo tanto, no será más que la estructura de unas especificaciones funcionales, en las cuáles no habrá ninguna referencia tecnológica. 4.3 PROGRAMACIÓN MEDIANTE CX-PROGRAMMER CX-Programmer es el programador de los autómatas programables de Omron. Permite programar todos los modelos, desde micro-plc hasta la nueva serie CS de gama alta. Además de un entorno de programación exhaustivo, CX- 77

79 Programmer proporciona todas las herramientas necesarias para proyectar, probar y depurar cualquier sistema de automatización CONFIGURACIÓN Y CREACIÓN DE UN NUEVO PROYECTO Para crear un nuevo proyecto, antes de utilizar la programación es necesario seleccionar un PLC y una red de comunicación. Por tanto, después de realizar las conexiones se debe comprobar el correcto funcionamiento de la comunicación entre PC y PLC. La comunicación entre PC y PLC funciona a partir de Archivo/Nuevo Como Nombre de Dispositivo se elige el nombre que se quiera dar al PLC (elegido por el usuario). En Tipo de Dispositivo se especifica el modelo del PLC. En este caso se selecciona la familia de autómatas CPM1 (CMP1A). Y en Configurar... se selecciona el modelo particular de esta familia. Así, tal y como se ha definido anteriormente se selecciona en Tipo de CPU una CPU de 20 E/S. 78

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81 En Tipo de Red se especifica el tipo de comunicación entre el PC y el PLC. En este caso, se selecciona una comunicación mediante SYSMAC WAY. En Configurar... se definirán los parámetros de la comunicación, es decir, una velocidad de transferencia de 9600bits/s y el COM1 como número de puerto serie. 80

82 4.3.2 ENTORNO DE PROGRAMACIÓN Una vez creado el proyecto, ya es posible acceder al área de trabajo, también denominado Editor de diagrama de relés. Para programar el autómata mediante el diagrama de relés se utilizarán las siguientes instrucciones representadas en los iconos que se describen a continuación: Nuevo contacto Nuevo contacto cerrado Nueva línea vertical Nueva línea horizontal Nueva bobina 81

83 Un diagrama de relés ó esquema de contactos consiste en una línea vertical a la izquierda que se llama barra de bus y de líneas paralelas que parten de ella denominadas líneas de instrucción. En las líneas de instrucción se colocan los relés ó contactos, que pueden corresponder con estados del sistema ó con condiciones de ejecución. Las combinaciones lógicas de estos contactos determinan cuándo y cómo se ejecutan las instrucciones del esquema, situadas al final de las líneas de instrucción. Todos los contactos, a efectos de programación, llevan asignados una dirección de bit. Las entradas analógicas del PLC utilizado se representan por los bits comprendidos entre , las salidas por los bits y los demás bits utilizados en el programa corresponden a variables de memoria internas del PLC. Todo contacto del diagrama de relés está ON u OFF dependiendo del estado del bit operando asignado. Una condición normalmente abierta está en ON si el bit asignado está en ON, y en OFF si el bit asignado está en OFF. Una condición normalmente cerrada está en ON si el bit asignado está en OFF, y en OFF si el bit asignado está en ON. En todo caso, antes de proceder a la realización del programa en el diagrama de relés, es conveniente realizar el grafcet de nivel III, ya que en él quedaran definidas las etapas (estados), receptividades (entradas) y acciones (salidas) que permitirán la automatización y el control del proceso. Para la realización de este grafcet se tiene que partir del grafcet de nivel 1 realizado anteriormente, teniendo en cuenta que la asignación de entradas y salidas es la siguiente: Asignación de entradas y salidas: ENTRADAS SALIDAS 0.01 sensor de peso b válvula va 0.02 sensor de contenido c válvula vb 0.03 sensor m válvula vc 0.04 sensor de contenido f motor mo 0.05 sensor de peso a válvula vm 0.06 pulsador p 82

84 A continuación se puede observar el código implementado sobre el diagrama de relés a partir del grafcet descrito anteriormente. Cada segmento de código representa un estado, en el cual una vez superadas todas las transiciones en forma de contactos activaremos una bobina. Estas bobinas, más adelante (específicamente a partir del segmento de código 5) activaran las salidas correspondientes a cada estado del proceso. Como estas salidas se tratan de válvulas de simple efecto, no se tiene que implementar su desactivación o cierre de las mismas, sino que simplemente hay que evitar mantener su salida activa en el estado en que no sea necesario. 83

85 Un aspecto a tener en cuenta es que este proceso, se trata de un proceso secuencial, es decir, que sólo puede haber un estado activo a la vez, por tanto, nos se tiene que asegurar que la activación de un estado provoca la desactivación del estado anterior. Esto se consigue poniendo un contacto cerrado después de las condiciones de transición entre dos estados con el valor de bit correspondiente al siguiente estado. Además, para conseguir que este valor se refresque se tiene que realimentar la activación de la bobina con un contacto de valor correspondiente al estado activado. 84

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87 4.3.3 MODO ON-LINE El modo On-Line permite establecer la comunicación con el PLC. Para entrar en modo On-Line se selecciona el icono TRANSFERENCIA DEL PROGRAMA Una vez realizada la comunicación con el PLC mediante el modo On-Line se tiene que transferir el programa creado con el diagrama de relés al PLC. Para tal efecto, se tiene que seleccionar el icono partes del programa a transferir.. Es posible seleccionar las VERIFICACIÓN DEL PROGRAMA El chequeo del programa se realiza durante la compilación. Los posibles errores o avisos se muestran en la ventana de salida tal y como se muestra en la figura. Haciendo doble clic sobre el error, el cursor se posiciona en rojo sobre la instrucción o parte del programa que tiene el error. En todo caso, la compilación se realiza automáticamente antes de hacer una transferencia al PLC MODO DE OPERACIÓN Una vez transferido el programa es posible trabajar en diferentes modos de operación, tal y como se describen a continuación. 86

88 Modo monitor: en el modo de operación Monitor, los programas del PLC se ejecutan, y las operaciones de E/S están activas. A pesar de esto, es posible escribir en la memoria del PLC desde un ordenador. Mientras está en Monitor, se puede: Cambiar datos en todas las áreas de memoria Realizar ediciones de programa online Cambiar valores de TIM/CNT Forzar bits (contactos / bobinas) a ON u OFF Modo run: El modo de operación Run hace que el PLC ejecute el programa(s) y no permite escribir/forzar áreas de memoria del PLC desde un ordenador. Aunque si es posible leer (monitorizar) la memoria del PLC. 4.4 SOFTWARE SCADA CX-SUPERVISOR. CX-Supervisor es el software de supervisión para sistemas SCADA de la casa Omron. Es suficientemente flexible para trabajar sobre un solo PLC o sobre un sistema entero de producción. La programación es en un entorno Windows de forma intuitiva mediante scripts y ventanas. Los scripts pueden ser propios del programa o Java y Visual Basic Scripts CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES Las principales características y funciones del paquete SCADA CX-Supervisor son: Programación: La programación es en un entorno Windows de forma intuitiva mediante scripts y ventanas. Los scripts pueden ser propios del programa o Java y Visual Basic Scripts. Las ventanas ayudan a configurar las E/S y las funciones de los distintos objetos en la pantalla de aplicación. Soporta Drivers Microsoft: COM/DCOM, DDE, OPC, ActiveX (OLE), y tecnologías standard ODBC/ADO. COM/DCOM: Standard comunicaciones externas de Windows. DDE: Estándar de comunicaciones internas entre programas en entorno Windows. Con la incorporación del estándar OPC se puede enlazar con cualquier servidor de datos. Con el motor de comunicaciones CX-Server es 87

89 posible utilizar el control de comunicaciones CX-Comunication Control para el intercambio de datos de dos aplicaciones CX-Supervisor que estén funcionando de manera distribuida sobre una red LAN. Con el driver ActiveX se pueden incluir controles de éste tipo y objetos OLE (browsers Web, Controles o displays MP3...) en las pantallas de aplicación para crear tareas preprogramadas. Objetos y Animaciones: Librerías de más de 3000 objetos los cuales solo tienen que tomarse de la librería y colocarse (Drag & Drop) en la pantalla de aplicación. Es posible asociar a las librerías objetos más complejos tipo OLE o crear librerías propias. Se pueden realizar todo tipo de animaciones con el editor de animaciones (Cambiar de tamaño, movimientos, parpadeos, cambios de color...) sobre los objetos seleccionados o los controles ActiveX de Omron o otros controles de Windows. Recetas: Para crear secuencias de programa enteras que pueden ser transferidas hacía o desde un PLC concreto para realizar procesos similares. Son colecciones de variables de puntos de E/S a las cuales se les asocian unos valores predeterminados que serán los mismos en cualquier proceso que incluya dichas E/S. Estas pueden ser almacenadas en el disco y utilizadas en conjunto al editar un nuevo proyecto. Alarmas: Proporciona en la pantalla de aplicación una notificación de problemas durante el runtime del proceso y/o visualización de entradas salidas concretas. Tiene tres tipos: Simple, banda muerta (deadband) y rango de cambio. Tiene aplicaciones de historial de alarmas y aplicación, durante runtime, de visor de conocimiento de alarma (alarm confirmation viewer) para asegurar que el operario ha visto la alarma y actúa en consecuencia. Es tan simple como una ventana que surge durante el proceso, cuando una alarma salta. 88

90 Data Logging: Se pueden ver los datos a tiempo real y los históricos del proceso; adquiriendo datos de cualquier elemento vinculado a la aplicación CX- Supervisor: Sensores, comunicaciones, PLC s... Estos archivos de datos no están restringidos al PC MTU sino que cualquier PC puede recibir estos archivos con la aplicación de exportación de datos. Estos datos también pueden ser exportados a una hoja Excel dentro o fuera del sistema SCADA. Los datos pueden ser almacenados en forma de gráficos (a tiempo real o en históricos). Conexión a Bases de datos: Permite conexiones a bases de datos usando ADO, MSAccess, SQLServer, ODBC for Oracle, texto, etc. Mediante esta aplicación se puede actualizar la base de datos del sistema a tiempo real o acceder a datos históricos almacenados. Networking: Mediante esta aplicación se puede configurar la red de PLC s Omron asociadas al sistema. También es posible utilizarla en tiempo real durante el proceso para saber el estado de comunicaciones, realizar test del sistema y modificar E/S. 4.5 SUPERVISIÓN Y CONTROL DEL PROCESO. En la parte práctica del proyecto se realizó una interfase gráfica HMI SCADA con el programa CX-Supervisor. Para ello, se hizo un esquema que representaba el proceso de una mezcladora química. La parte de realizar el dibujo representativo de la planta que se verá en la pantalla de aplicación es muy sencilla con el CX-Supervisor. Sólo fue necesario abrir la librería de objetos y seleccionar los adecuados para el dibujo que se debía realizar. Mediante el ratón se pueden colocar y darles tamaño. 89

91 Mediante los controles ActiveX de Omron se seleccionan los botones relacionados con los sensores y el pulsador de marcha. Una vez realizado el esquema de la interfaz, se vinculan los distintos elementos del dibujo y los botones a las marcas y salidas del PLC mediante el menú de puntos del sistema. Los puntos del sistema son los pasos que se desean visualizar del proceso. En la ventana de puntos se puede ver la vinculación de las distintas variables del sistema con las señales E/S del PLC. Así, es posible ver el nombre de la variable, tipo de variable, tipo E/S y dirección de memoria interna (dentro del mismo PC) o externa (PLC, controlador lógico...) asociada a cada variable. El sistema de referencia para los puntos es el MTU del SCADA, así se ve que los datos que salen de la interfase hacia el PLC son de tipo salida y los datos que van del PLC al ordenador son de tipo entrada. 90

92 Se pueden añadir y crear más puntos del sistema simplemente apretando en el Icono, luego haciendo doble click sobre el icono que aparecerá en la columna del nombre perteneciente al nuevo punto creado, se accede a la ventana de configuración/modificación de punto. 91

93 4.5.1 PUNTOS DE ENTRADA AL SISTEMA. En esta aplicación se tienen 10 puntos de entrada al sistema, esto es, información que transfiere el PLC al ordenado y que se ve representada mediante animaciones en la interfase gráfica. Se tienen puntos asociados a cada uno de los estados (marcas ) y a las marcas de las válvulas y motor del sistema que son las salidas 10.xx del PLC, para determinar cuando están activados. Por ejemplo, si se quiere crear un punto del sistema para recibir información del PLC de la marca del PLC estado1, se tiene que dar un nombre al punto (estado_1), seleccionar el tipo de punto, tipo de E/S, Atributo, Frecuencia de actualización y los atributos E/S. El tipo de punto puede ser: booleano, para activación por flanco; entero o real, para obtener datos del objeto vinculado: éste puede ser un contador, un temporizador o una variable en la memoria del PLC o una dato asociado a un servidor OPC; o de texto, cuando queremos que aparezca un texto por la pantalla asociado a un punto determinado. El atributo de punto es el modo de activación booleano del punto: activación por nivel. En la frecuencia de activación se selecciona si el punto se activara a petición, sin retardo temporal, o después de un tiempo de haber sido activado. Esto es muy importante según las comunicaciones empleadas entre el ordenador y el dispositivo vinculado, ya que la transferencia de datos puede experimentar un retardo temporal. Esto fue observado en la aplicación ya que en los estados en los cuales tenían que estar todos los sensores activados en un instante de tiempo concreto, experimentaban cierto retardo temporal desde el PLC al PC que no permitía la visualización del siguiente estado. Por eso, se incorporó un retardo de actualización de 50ms. Los atributos E/S seleccionan a que dispositivo u objetos están vinculados los puntos, en este caso al PLC. Mediante la configuración de atributos E/S se vinculó el punto a una marca del PLC, en éste caso la marca del estado1: 1.0, a través del menú de configuración de atributos del PLC. 92

94 Al añadir el primer punto del proyecto lo primero que se debe de hacer es seleccionar el PLC con el cual estamos trabajando a partir de agregar PLC. Mediante esta opción se agrega el PLC, tipo de CPU, se le da un nombre (PLC1) y se configura el puerto COM por el que se está trabajando así como la velocidad de transferencia de datos. Una vez que se ha agregado el PLC, éste mismo quedará vinculado al resto de puntos a menos que se quiera agregar otro PLC. En ese caso se debería configurar el nuevo PLC y después escoger a cual de los dos asociar los distintos puntos. En este caso sólo se utiliza un PLC. Otra forma de configurar el PLC es mediante el icono puntos antes de empezar a definir los puntos. en la ventana de En ubicación de datos se selecciona la marca de memoria del PLC que se desea asociar al punto. Se habilita comunicaciones y actualizar siempre el valor del punto, para poder saber en todo momento cual es el valor de la marca PUNTOS DE SALIDA DEL SISTEMA. Los puntos de salida son los que activan marcas en el PLC desde la pantalla de configuración. Estos son los puntos que sirven para controlar el PLC desde la interfase grafica; se pueden añadir puntos que controlen botones de 93

95 emergencia, consignas, variables de control, botones de reset Estos puntos son los que dan al CX-Supervisor la condición de software de supervisión ya que permiten actuar sobre el sistema mediante el ordenador. En esta aplicación práctica se ha simulado el control de los sensores y el botón de puesta en marcha. Éste control de los sensores mediante el ordenador no tiene un sentido práctico real, ya que no tiene ningún sentido en el sistema, puesto que el objetivo es supervisar la automatización y no que se controle cada paso del sistema por el ordenador, sustituyendo la parte de automatización del sistema. Representan tan sólo un ejemplo ilustrativo de cómo controlar variables del sistema desde el PC. El sistema de creación de puntos de salida es tan sencillo como el anterior y no tiene muchas variaciones sólo se tiene que seleccionar como tipo E/S: Salida y la frecuencia de actualización será al cambiar, es decir, cuando se le indique apretando el botón asociado en la pantalla. 94

96 En los atributos del PLC se asocia la marca, PLC y en acciones de transferencia de datos se habilita escribir en PLC para que se modifique la marca en memoria CREACIÓN DE OBJETOS Y ANIMACIONES. Para crear los LED s de los sensores y válvulas así como los paneles de funcionamiento se han utilizado objetos hechos con las opciones de dibujo del CX-Supervisor. Una vez se crean los objetos deseados se les puede animar mediante el editor de animaciones. Asociando cada una de las animaciones a los puntos del sistema los cuales se requiere que se activen. 95

97 Otra forma de crear animaciones es vinculando scripts a los objetos, los cuales proporcionan animaciones más complejas y de mayor calidad, pero en este caso se utilizaron las animaciones básicas del programa. Por ejemplo, para simular la caída del líquido del producto B (en verde) en el contenedor de mezcla, se dibujó un rectángulo sobre el contenedor, haciéndolo visible solo en la activación de los puntos estado_4 y estado_5, los cuales corresponden con los estados en los que el líquido está en éste tanque. Se puso un color en el estado4 para que el líquido fuese verde (el color del producto B) y un cambio de color digital (a la activación del punto) a púrpura en el estado5 que es cuando se efectúa la mezcla. El color púrpura representa el color resultante de la mezcla de los dos productos. Para crear estas animaciones sólo hay que hacer doble click sobre la animación deseada y poner el nombre del punto en la ventana que aparece. Para editar los botones de control ActiveX de los sensores y el pulsador es tan sencillo como las animaciones, lo único que hay que hacer es entrar en el menú de edición del botón y poner el nombre del punto asociado. 96