Informática Industrial. Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática. Arantza Burgos

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1 Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Bilbao Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática y Entorno de Aplicación Docente: Índice 1 Definiciones 11 Informática 12 Industria Información en la Industria 2 Esquema de Control 3 Pirámide de Automatización 4 Comunicaciones 5 SCADA Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos 51 Introducción 52 Componentes Básicos 53 Funciones de los Sistemas SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA 2

2 1 Definiciones 11 Informática INFORmación + automatica = INFORMATICA Informática: Conjunto de conocimientos científicos y técnicas que hacen posible el tratamiento automático de la información por medio de computadoras electrónicas Datos de Entrada e Instrucciones Datos de Salida o Resultados (*)Computador: Máquina capaz de aceptar unos datos de entrada, efectuar con ellos operaciones lógicas y aritméticas y proporcionar la información resultante a través de un medio de salida 3 1 Definiciones 11 Informática TECNOLOGIA DE AUTOMATIZACION LOGICA CLEADA LOGICA PROGRAMADA NEUMATICA ELECTRICA AUTOMATAS MICROCONTROLADORES HIDRAULICA COMPUTADORES RELES (*)Computador Computador: Máquina capaz de aceptar unos datos de entrada, efectuar con ellos operaciones lógicas y aritméticas y proporcionar la información resultante a través de un medio de salida 4

3 1 Definiciones 12 Industria Industria: Conjunto de operaciones materiales ejecutadas para la obtención, transformación o transporte de uno o varios productos naturales Cervecera Química Planta de Cementos Planta de Laminados Planos 5 1 Definiciones 12 Industria Sistema Industrial: Proceso enlazado por un flujo de Materiales Energía Información 6

4 1 Definiciones 12 Industria Industrias de Procesos Continuos Industrias químicas Industria del petróleo El principal Manipulan objetivo de materia los sistemas prima de deforma controlpara continua procesos continuoses mantener Productos las variables a granel de dicho proceso dentro de los márgenes óptimos de funcionamiento e intentar corregir lo más rápidamente posible cualquier desviación que se pueda producir Proceso para la producción de planchas de cobre Planta de producción de gas 7 1 Definiciones 12 Industria Industrias de Procesos Discretos Sección de pintura en una fábrica de automóviles Fabricación de botellas de vidrio Manipulan piezas sueltas El objetivo específico de los sistemas de controlpara procesos o lotes individuales de materiales discretoses planificar y mantener un flujo óptimo de materiales, de forma que no se produzcan Unidades cuellos discretas de botella idénticas ni falta de recursos (piezas, herramientas, etc) en ninguna de las estaciones de trabajo 8

5 1 Definiciones 12 Industria Industrias Discreto Puro? Continuo Puro? 9 1 Definiciones 12 Industria Automatización de Procesos Industriales Control de un proceso industrial por medios automáticos Automatización Industrial: El conjunto de técnicas basadas en sistemas capaces de recibir información del medio, sobre el cual actúan y se realizan acciones de análisis, organización y control, con el fin de optimizar los recursos productivos: mecánicos, materiales y humanos 10

6 1 Definiciones 13 Automatizaciónde la Informaciónde los Procesos Industriales mediante el uso de Computadores (*) Qué Información? Cómo se obtiene la Información? Para qué se requiere la Información? Cómo se puede transmitir la Información? Quién o quiénes van a utilizar la Información? De qué disponemos para la automatización de la Información? 11 1 Definiciones 14 Información en la Industria El hecho de que "el conocimiento es poder", es especialmente cierto en fabricación Cuanto más se conoce sobre lo que ocurre en un proceso de fabricación, mayor será la capacidad para controlarlo Qué, dónde, quién y cómo Mayor capacidad de Control Información Moverse fácilmente Disponible Diferentes Formatos 12

7 1 Definiciones 14 Información en la Industria Se dice que el conocimiento es poder, pero si ese fuera el caso, los académicos dominarían el mundo El conocimiento en sí mismo no es poder; el poder radica más bien en la aplicación del conocimiento Se dice que saber poco es peligroso Bueno; saber demasiado puede conducir a una parálisis y a la falta de movimientos decisivos, oportunos FILTROS" que nos permitan acceder al contenido que queremos en cada momento 13 1 Definiciones 14 Información en la Industria Automatización de los Procesos de producción Información Integrar la información en todos los ámbitos de la empresa Captación de los datos cerca de la fuente que los produce para, a continuación hacerlos llegar a todos los departamentos que componen la organización TALLER INVERSIONES DESARROLLOS PROPIOS SISTEMAS OPERATIVOS PRODUCTOS COMERCIALES INDUSTRIA OFIMATICA CRECIMIENTO PROTOCOLOS 14

8 Índice 1 Definiciones 11 Informática 12 Industria Información en la Industria 2 Esquema de Control 3 Pirámide de Automatización 4 Comunicaciones 5 SCADA Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos 51 Introducción 52 Componentes Básicos 53 Funciones de los Sistemas SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA 15 2 Esquema de Control Clasificación de los Sistemas de Control Según la información que recibe el sistema de control: Control en Lazo Abierto Control en Lazo Cerrado Según la naturaleza de las señales que intervienen en el proceso: Sistemas Analógicos Sistemas Digitales Sistemas Híbridos Analógicos-Digitales Según el sistema de producción que se quiere controlar: Control de Procesos Continuos Control de Procesos Discretos Según la distribución de los elementos de Control: Centralizado Distribuido 16

9 2 Esquema de Control Sistema de Control en Lazo Cerrado Elementos de Señal Energía Elementos de Potencia Señales de Consigna Entradas Sistema de Control Señales de Control Salidas Accionamientos Planta Respuesta Señales de Realimentación Interfaces Sensores 17 2 Esquema de Control Sistemas Híbridos Procesan a la vez señales analógicas y digitales Se tiende a que la unidad de control sea totalmente digitaly basada en un microprocesador Señales todo o nada en forma de bits Señales analógicas numéricamente Conversión analógico-digital (A/D) Conversión digital-analógica (D/A), 18

10 2 Esquema de Control Sistemas discretos: V 1 estado del sistema M FC 0 FC 1 FC 2 El sistema de control se encarga de controlar eventosy tiemposcon el fin de disminuir al máximo los tiempos muertos y manejar etapas en paralelo 19 2 Esquema de Control Operador Consignas Información Informaciones Entradas Sistema de Control Órdenes Salidas Sensores Actuadores Planta o proceso de fabricación 20

11 2 Esquema de Control SISTEMAS IERTOS Comunicaciones Informaciones Órdenes Sensores Actuadores Planta o proceso de fabricación 21 2 Esquema de Control Comunicaciones CIM(Computer Integrated Manufacturing) Sistema Abiertos IEC IEEE Un sistema que incorpora suficientes especificaciones o estándares para interfaces, servicios y formatos como para desarrollar y planificar aplicaciones software capaces de: trasladarse con cambios mínimos a un amplio abanico de sistemas provenientes de uno o más fabricantes, dialogar con otras aplicaciones tanto en el sistema local como en sistemas remotos, e interactuar con los usuarios y programadores de modo que facilita la migración 22

12 Índice 1 Definiciones 11 Informática 12 Industria Información en la Industria 2 Esquema de Control 3 Pirámide de Automatización 4 Comunicaciones 5 SCADA Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos 51 Introducción 52 Componentes Básicos 53 Funciones de los Sistemas SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA 23 3 Pirámide de Automatización Los sistemas digitales para el control de procesosno se distribuyen por la planta de forma aleatoria, ni funcionan de forma independiente En las instalaciones modernas el control está distribuido(distribución de las funciones de control de proceso en diversos equipos repartidos por áreas) yjerarquizado(las decisiones fluyen en desde los equipos de alto nivel hasta los equipos de bajo nivel) FÁBRICA PLANTA ÁREA/CÉLULA CONTROL DE DISPOSITIVOS CAMPO DISPOSITIVOS 24

13 3 Pirámide de Automatización Gestión económica Pedidos, compras, marketing, recursos humanos, Gestión producción Planificación, recursos materiales Control de Area: Mantenimiento, Optimización, producción Control de Area: Mantenimiento, Optimización, producción Control Supervisor Control Supervisor Control Supervisor Control local Control local Controles locales Controles locales Actua Senso res dores Proceso 1 Actua Senso res dores Proceso 2 Procesos az 25 3 Pirámide de Automatización Nivel de campo (nivel O): nivel donde se encuentran los dispositivos que se comunican directamente con el sistema físico: elementos de entrada/salida, válvulas, relés, etc Realiza la ejecución física de las tareas en las máquinas; milisegundos a minutos Nivel de control de dispositivos (Control local directo) (nivel l): contiene todos los sistemas, inteligentes o no, que controlan directamente a los dispositivos de campo, encargándose de mantener al proceso trabajando bajo las consignas dadas por el nivel de área/célula Los elementos que se encuentran en este nivel son los controladores de dispositivos (autómatas programables o PLC'S, controladores de robots, controles numéricos, etc) Es responsable de la dirección y coordinación de pequeñas estaciones de trabajo integradas; horas hasta varios segundos Nivel

14 3 Pirámide de Automatización Nivel de área/célula(supervisión y control de célula)(nivel 2): en este nivel se diseña, se eligen y se ponen a punto las herramientas y tácticas de operación necesarias según la estrategia elegida en el nivel de planta Se encarga de secuenciar las distintas operaciones a las estaciones bajo su mando; entre sus labores están el análisis y la asignación de recursos, toma de decisiones sobre rutas de operaciones, distribución de las mismas a las estaciones individuales y monitorización de las tareas y del estatus de las estaciones; en torno a los minutos, horas hasta varios segundos Nivel 2 FMC Nivel de supervisión al nivel de célula de fabricación o de control Elabora la información procedente del nivel inferior y se informa al operario de la situación de las variables y de las alarmas Corrige algoritmos de control, consignas y programas 27 3 Pirámide de Automatización 28

15 3 Pirámide de Automatización Control General GC Comunicación Control General S1 S2 S3 S4 S5 ST Comunicación entre estaciones Control de las Estaciones 29 3 Pirámide de Automatización Station1 (S1) S1_GSecPrincipal S1_GCondIni S1_GMarchaPre S1_GManualNP S1_GPasoPaso S1_GEmerencia S1_GFallos S1_ProducciónNormal S1_GExtraerBase S1_GBaseSobrePalet S1_GIntroducirBases S1_GAlmacenBases S1_GTransPalet Control General GC_GSecPrincipal GC_GCondIni GC_GMarPre GC_GManual GC_GEmerencia GC_Fallos CG_ProducciónNormal Comunicación Control General S1 S2 S3 S4 S5 ST Comunicación entre estaciones Control de las Estaciones Estación 1 30

16 3 Pirámide de Automatización 31 3 Pirámide de Automatización Nivel de planta(coordinación de planta)(nivel 3): es el encargado de recoger las variables de producción leídas del proceso y decidir la estrategia a seguir Es responsable de proveer y asignar los recursos necesarios, y de coordinar la producción de planta Su horizonte de trabajo oscila desde las semanas a varios días Lleva a cabo labores de coordinación de la planta Controla y organiza todo el área de producción tratando de optimizar balances de materias y energía Para ello establece las condiciones de operación de cada proceso del área y las envía a cada control supervisor para que estos las adapten y distribuyan entre los controles directos 32

17 3 Pirámide de Automatización Nivel de Fábrica/Planta (Oficina Técnica y Planificación) (nivel 4): Se encarga de la implementación de las diversas funciones de la empresa (ingeniería de fabricación, gestión de la información, gestión y planificación de la producción, ingeniería de producción), y de informar del estatus al nivel de empresa Su horizonte de tiempo varía desde meses hasta varias semanas Nivel de Empresa (Gestión de Empresa) (nivel 5): Es responsable de alcanzar los objetivos finales de la empresa; se establece la política de la producción del conjunto de la empresa en función de los recursos y costes del mercado En el se incluyen labores de contabilidad y gestión empresarial; meses hasta años 33 3 Pirámide de Automatización Niveles de Automatización Integrada de Procesos Actividades específicas en Ingeniería de Control N4 FÁBRICA N3 PLANTA Supervisión y Optimización Programación de la producción Exigencias de calidad N0 N1 N2 A C I T ÁREA/CÉLULA Á M R CONTROL DE DISPOSITIVOS O F N I CAMPO-DISPOSITIVOS I N D L U A S T R I Integración Control Adquisición Selección de los puntos de consigna Ajuste paramétrico de los modelos Gestión del tráfico del flujo de información Configuraciones Comunicaciones Elección, programación e implantación de los dispositivos de control Elección, programación e implantación de los dispositivos de campo 34

18 Índice 1 Definiciones 11 Informática 12 Industria Información en la Industria 2 Esquema de Control 3 Pirámide de Automatización 4 Comunicaciones 5 SCADA Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos 51 Introducción 52 Componentes Básicos 53 Funciones de los Sistemas SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA 35 4 Comunicaciones La implementación completa de todos los niveles de la pirámide da lugar a la aparición de la Fabricación Integrada (CIM-Computeer Integrated Manufacturing) El principal inconveniente para el logro de esta integración se encuentra en los problemas que presenta la intercomunicación de los elementos de la base de la pirámide En el esquema piramidal existen diferentes niveles de comunicación, cada uno de ellos con diferentes necesidades En el nivel de campo se requiere el intercambio de un gran volumen de datos entiemporealyamenudodeforma cíclica En los niveles más altos los datos intercambiados son en general de menor volumen y admiten retardos, pero la comunicación ha de ser muy fiable Podemoshablarenrealidaddedostiposderedes: RedesdeControl:ligadasalapartebajadelapirámide RedesdeDatos:másligadasalaspartesaltasdelajerarquía 36

19 4 Comunicaciones En general, las redes de datosestán orientadas al transporte de grandes paquetes de datos, que aparecen de forma esporádica (baja carga), y con un gran ancho de banda para permitir el envío rápido de una gran cantidad de datos Tiempo de transmisión Cantidad de datos En contraste, las redes de controlse enfrentan a un tráfico formado por un gran número de pequeños paquetes, intercambiados con frecuencia entre un alto número de estaciones que forman la red 37 4 Comunicaciones Redes de Datos Red de Gestión Red de oficina Red de Célula Red industrial Red de Planta Punto a Punto Buses de Campo Redes de Control 38

20 4 Comunicaciones Se denomina COMUNICACIÓNal intercambio de información entre dos o más EQUIPOS MEDIO DETRANSMISIÓN Medio físico por el que va a viajar la información PROTOCOLO DE COMUNICACIONES (compartido por todos los equipos) Conjunto de reglas concretas que establecen los convenios para la transmisión de datos Por medio de estas reglas la información puede ser recuperada y comprendida correctamente <<Drivers>> 39 4 Comunicaciones PROTOCOLO DE COMUNICACIONES Iniciar Mantener Terminar un dialogo Mensajes Datos Flag inicial Dirección Control Información FCS Flag final 8 bits 8 ó Nx8 ( ) bits 8 ó 16 bits Variable 16 ó 32 bits Chequeo de trama e inserción de ceros 8 bits ( ) DRIVERS: Implementan los algoritmos de generación e interpretación de los mensajes 40

21 Índice 1 Definiciones 11 Informática 12 Industria Información en la Industria 2 Esquema de Control 3 Pirámide de Automatización 4 Comunicaciones 5 SCADA Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos 51 Introducción 52 Componentes Básicos 53 Funciones de los Sistemas SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA 41 5 SCADA 51 Introducción 42

22 5 SCADA 51 Introducción S C A D A Supervisory Control And Data Acquisition Se denomina en general Sistema SCADA: aplicación software, especialmente diseñada para controlar un proceso de forma automática, y que funciona sobre ordenadores de control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, etc), junto con el hardware adicional que se necesite 47 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA Interface de Usuario MTU Master Terminal Unit Estación Maestra Medio de Transmisión Remote Terminal Unit RTU RTU RTU Dispositivos de Campo 48

23 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA (1) Interface de Usuario Permite al personal el acceso al sistema Para ello debe incorporar: Unaunidad desalidaque muestre elestado actual del proceso Una unidad de entrada que permita al personal introducir los datos pertinentes Personal de Planta Seguridad de Acceso al Sistema SCADA - Accesibilidad + Número reducido de Funciones Ajustar puntos de consigna Activar/desactivar dispositivos de campo Personal Técnico de Instrumentación Mayor Número de Funciones Acceder al sistema de comunicaciones Configuración de equipos Personal de Ingeniería de Sistemas Todas las Funciones Acceder al programa y modificarlo Cambiar las claves de acceso de los niveles inferiores 49 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA (2) MTU Master Terminal Unit Eslaunidadconlaqueinteractúaelpersonalyeslaencargadadecontrolarelsistema Casi siempre consiste en un ordenador que permite monitorizar y controlar el proceso realizando funciones de supervisión, adquisición, control y almacenamiento de datos Las potentes herramientas de procesado de información propias del ordenador personal permiten realizar el posterior análisis de estos datos LasMTUssonlapartecentraldeunsistemaSCADA,yaquesonlasencargadasde: emitir todos los comandos, recoger todos los datos, almacenar cierta información, permitir el acceso del personal al sistema, etc además, muchos de estos equipos se utilizan para enviar información a los ordenadores de los niveles de fábrica y planta, en cuyo caso habrá que utilizar otros protocolos y otras redes diferentes Las RTUs suelen funcionar como esclavos y por tanto no pueden iniciar ninguna comunicación, mientras que la MTU, como maestro que es, debe encargarse de iniciar todas las transacciones con los diferentes equipos La MTU debe conocer perfectamente las características de todos elementos que forman el sistema, desde las RTUs que se van a conectar directamente a la MTU hasta los sensores y actuadores conectados a aquellas 50

24 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA (2) MTU Redes de Datos Información a niveles superiores (fabrica, planta) Interface de Comunicaciones Interface de Comunicaciones MTU Almacenar Información Acceso del Personal al Sistema Supervisión Emitir Comandos Recoger Datos Redes de Control 51 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA (2) MTU Configuración MTU 52

25 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA (2) MTU 53 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA (3) RTU Remote Terminal Unit PuedehaberdesdeunahastavarioscientosdeRTUs,cadaunadelascualestienequesercapazde: recoger y decodificar los mensajes destinados a ella, realizar la acción solicitada en dicho mensaje y contestar si es necesario Habitualmente se trata de autómatas programables, TADs, etc sobre los que recae la función de implementar el interfase con las señales eléctricas y/o el control de los dispositivos de campo Las RTUs se encargan fundamentalmente de las funciones de control de los dispositivos de campodentrodeunsistemascadayparaellodebencomunicarseporunaparteconlasmtus yporotraconlosdispositivosdecampo La RTU recoge la información de los dispositivos de campo (valores analógicos, alarmas, estado, etc) y la almacena en memoria hasta que le sea solicitada desde una MTU, momentoenquelacodificayenvía De la MTU le pueden llegar instrucciones para controlar los dispositivos de campo, ante lo cual tendrá que enviarles a éstos órdenes para abrir o cerrar válvulas, activar o desactivar interruptores, cambiar puntos de consigna analógicos, generar un tren de pulsosparamoverunmotorpasoapaso,etc 54

26 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA (3) RTU MTU Señales analógicas de campo Alarmas Estado de dispositivos Señales de contaje Mensajes de dispositivos Órdenes para control discreto Órdenes para control analógico Solicitud de datos Valores analógicos Mensajes serie de dispositivos Señales de alarma Señales de estado Señales para contaje de pulsos RTU Mensajes serie para dispositivos de campo Señales para control analógico Pulsos para control de motores Abrir o cerrar contactos Dispositivos de Campo 55 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA (3) RTU Interface de comunicaciones de una RTU: Las RTUs son sistemas basados en microprocesador equipados en un extremo con un interface de comunicaciones y en el otro con tarjetas que le permiten conectarse con los dispositivos de campo La configuración más típica se utilizan como RTUs autómatas programables a los que se les ha integrado un interface de comunicaciones Otras configuración es dotar a un ordenador personal de la función de control añadiéndole un hardware adicional(tads) que le permita adquirir datos sobre la evolución del proceso y actuar sobre el mismo MTU Interface de Comunicaciones Memoria de Programa CPU Memoria de Datos de Campo Interface con los Dispositivos de Campo Memoria de Configuración Acondicionamiento de Entrada Acondicionamiento de Salida Dispositivos de Campo 56

27 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA (4) Sistema de Comunicaciones Compuesto por: Unmedio detransmisión (mediofísicoporelque vaaviajar lainformación) Un protocolo de comunicaciones compartido por todos los equipos Fuente Sistema fuente Transmisor Cable o medio a través del cual se transmite la señal Sistema de transmisión Receptor Sistema destino Destino Dispositivo generador de los datos que se quieren transmitir Transforma y codifica la información, produciendo señales electromagnéticas que pueden ser enviadas a través del medio de transmisión utilizado Captura la señal recibida por la línea y la transforma en la forma en que sea entendible por el dispositivo receptor Dispositivo destinatario de los datos 57 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA Interface de Comunicaciones Lectura de la señal El interface de comunicaciones lee la señal que le llega por el medio de transmisión en formato serie y la almacena en un buffer A continuación, la parte del interface de comunicaciones encargada de implementar el protocolo, denominado driver de comunicaciones, interpretará la trama de unos y ceros según las reglas establecidas por el protocolo y extraerá la información, pasándoselaalacpupara quelaprocese El interface solo interrumpirá a la CPU cuando haya llegado un nuevo mensaje para ella Almacenamiento Interpretación Extracción de la Información Transferencia CPU 58

28 5 SCADA 52 Componentes de los Sistemas SCADA Según los componentes descritos hablaremos entonces de un sistema donde: el control directo de planta es realizado entonces por los controladores autónomos digitales y/o autómatas programables(rtus), el ordenador conectado con ellos, realiza las funciones de dialogo con el personal, tratamiento de la información del proceso y control de producción(mtu) En esta estructura el ordenador no actúa directamente sobre la planta sino que realiza la supervisión y control de los RTUs, además de procesar y presentar la información Dependiendo del tipo de proceso, podría también ejercer acciones directas de control como: la lectura de sensores, activación/desactivación de actuadores, etc, por medio de un hardware adicional conectado a sus buses internos 59 5 SCADA 53 Funciones de los Sistemas SCADA Supervisión Control Adquisición de Datos 60

29 5 SCADA 53 Funciones de los Sistemas SCADA Supervisión Control Adquisición de Datos Función que permite al operador observaren un monitor la evolución en tiempo real de los parámetros de funcionamiento del proceso 61 5 SCADA 53 Funciones de los Sistemas SCADA Supervisión Control Adquisición de Datos Función del sistema SCADA encargada de realizar las tareas de control que permiten mantener al sistema dentro de unos estrechos márgenes gracias a las posibilidades de actuación sobre el proceso SDA SDD 62

30 5 SCADA 53 Funciones de los Sistemas SCADA Supervisión Control Adquisición de Datos Función que permite la adquisición y almacenamientode los valores de las magnitudes del proceso, posibilitando un posterior análisis de los distintos parámetros para conocer las condiciones en que se ha desarrollado el proceso La finalidad de un Sistema de Adquisición de Señales (SAD)es capturar las señales procedentes del proceso y transformarlas a un formato entendible por el computador SDA SDD La función de un Sistema de Distribución de Señales(SDD) es enviar al proceso las señales de control generadas por el computador 63 5 SCADA 53 Funciones de los Sistemas SCADA Medición Procesamiento Digital A/D Control lógico Tratamiento numérico Almacenamiento Transmisión Programas Visualización D/A Manipulación Funciones generales de un sistema de control S D A Sensores Respuesta Comunicación Muestreo y retención Multiplexado Acondicionamiento de señales Filtrado Preamplificación Aislamiento Linealización Transductores de Entrada Dispositivo Sistema Máquina Potencia Fenómeno Demultiplexado Muestreo y retención Filtrado Acondicionamiento de señales Amplificación de potencia Proceso Organismo Vehículo Transductores de Salida S D D Accionadores ó Efectores Entrada ó Estimulo 64

31 5 SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA Se puede definir un sistema en tiempo real como aquel que no introduce retardos o tiempos muertos entre la recepción de la medida de las variables de proceso y la generación de la señal de control En la práctica, todos los sistemas de control introducen un mayor o menor retardo; se llaman sistemas en tiempo real a aquellos que introducen un retardo que no tiene efectos apreciables sobre el control del sistema Tiempo Real Intervalo de SCAN El tiempo de trabajo de un sistema SCADA deberá ser elegido de tal forma que el control del proceso no se vea afectado y vendrá marcado por el intervalo de SCAN 65 5 SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA Los sistemas SCADAdeben operar en tiempo realpuesto que una de sus funciones básicas es el control de procesos Ejecución del Algoritmo de Control Medida de las Variables de Proceso Proceso Señales de Control Las variables controladas deben ser enviadas, el algoritmo de control ejecutado y las salidas generadas en el tiempo más corto posible 66

32 5 SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA Mensaje desde RTU1 A MTU MTU Mensaje desde RTU2 A MTU Mensaje desde RTU3 A MTU RTU1 RTU2 RTU3 Mensaje desde MTU A RTU 1 A RTU 2 A RTU 3 Intervalo de Scan A RTU 1 t Intervalo de Scano Periodo de Scanal tiempotranscurrido entre dos transacciones con la misma RTU 67 5 SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA Factores que determinan el Intervalo de Scan 1 Número de RTUs que deben ser interrogadas en cada ciclo 2 Cantidad de datos que deben ser intercambiados en cada transacción Dicha cantidad puede variar desde un único bit de información cuando se quiere transmitir un solo valor digital hasta varios bytes si se desean enviar datos analógicos o si se van a enviar varios datos en un solo mensaje(variables, alarmas, consignas, etc) [Tráfico generado RTU más crítica X Nº Estaciones] 68

33 5 SCADA 54 Requerimientos de un Sistema SCADA 3 Velocidad de Transmisión de la Información o Capacidad del Canal quesonlosbitsporsegundoquesepuedenenviarsobreelmediodecomunicaciones 4 Eficiencia de la Comunicación: Se calcula como el cociente entre el tiempo invertido en enviar al medio los datos válidos y el tiempo total invertido en la comunicación que incluye: el tiempo necesario para enviar información de control,tiempo malgastado en retransmisiones por causa de errores de transmisión, etc Tiempo Datos Validos Tiempo Total Comunicación 69 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA Módulos de Software de los Sistemas SCADA Módulo Gráfico Módulos de Alarmas Módulos de Informes Real Time Data Base RTDB Base de Datos en Tiempo Real Módulos de Acceso a BD Módulos de Tendencias Módulos de Comunicaciones 70

34 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA Módulo Gráfico El módulo gráfico permite al usuario representar el proceso mediante uno o varios sinópticos, sobre los cuales se van actualizando los valores alolargodeltiempoconloscambiosqueseproducen enplanta 71 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA Consiste en un editor gráfico que sirve para desarrollar las pantallas del interface de usuario Es un paquete de dibujo orientado a objeto, es decir, cada elemento gráfico es considerado como un objeto que tiene asignados unos atributos (que definen el aspecto: color, tamaño del texto, etc) y una animación (que controla las acciones asignadas: cambio de color de una barra cuando la variable asignada a ella supera un determinado valor, ejecución del código asociado a un botón cuando se pincha sobre él con el ratón, etc) El interface gráfico de usuario así creado ofrece, entre otras, las siguientes funcionalidades básicas: - Control supervisor de la planta a través de los sinópticos - Realización de acciones de mando sobre la planta - Tratamiento de alarmas 72

35 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA Módulos de Alarmas Permite crear y parametrizar los mensajes que se le envían al operador para informarle de ciertos eventos que están ocurriendo en el proceso 73 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA Informe por Excepción Aviso al superar el valor límite Dependencias entre las Alarmas Alarmas hijo y padre Grupos de Alarmas Clasificadas según prioridades, asociando una acción diferente a cada grupo Las alarmas pertenecientes al grupo menos prioritario se muestren en la pantalla sin más; Las alarmas del segundo grupopueden aparecer acompañadas de un parpadeo que llame más la atención del operario Las alarmas más críticas pueden acompañarse de una alarma sonora Reconocimiento de las Alarmas 74

36 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA Módulos de Informes Módulos de Tendencias 75 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA Gráficos de Tendencias: muestran gráficos animados que sirven para visualizar la evolución de las variables especificadas 76

37 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA Informes periódicos: permiten generar informes a partir de los datos contenidos en la basededatosentiemporeal Predecir problemas potenciales basándose en los patrones de datos Informes de Productividad 77 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA Módulos de Comunicaciones Redes de Datos Entre el sistema SCADA y los dispositivos de campo a través de puertos de comunicación o tarjetas específicas EntredossistemasSCADAatravésdeunareddeárealocal Entre el sistema SCADA y otra aplicación que se esté ejecutando en el mismo ordenador Redes de Control Módulos de Acceso a BD Facilita el almacenamiento y recuperación de la información en bases de datos estándar 78

38 5 SCADA 55 Estructura de un Paquete SCADA MTU Módulo Gráfico Módulos de Informes Módulos de Tendencias Real Time Data Base RTDB Base de Datos en Tiempo Real Módulos de Alarmas Módulos de Acceso a BD Módulos de Comunicaciones Medio de Transmisión RTU RTU RTU Dispositivos de Campo 79 Sistemas SCADA Sistemas de comunicación estándar LAN o WAN Informaciones Órdenes Posibilidad de visualizar el proceso en tiempo real Flexibilidad para realizar cambios Sensores Planta o proceso de fabricación Actuadores Mantenimiento fácil por secciones Control descentralizado con inteligencia distribuida, sin interrumpir todo el proceso cuando hay fallos del control Facilidad de interfaz con la planta Gran cantidad de software estándar para manipulación de datos y gestión de la producción Sistema programable con una gran potencia de cálculo Interfaces estándar de ordenador para estaciones gráficas, utilizadas para monitorizar el proceso 80

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40 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales Las funciones que se deben realizar en un Sistema de Adquisición de Datos son las siguientes: 1 Captación de las variables de proceso Dichas variables (temperatura, presión, nivel, etc) son medidas y convertidas a señales eléctricas por transductores de entrada (usualmente en forma de tensión) S e n s o r e s Transductores de Entrada Proceso A menudo se utilizan las palabras captador, sensor y transductor como si fueran sinónimas, pero existen entre ellas ciertas diferencias: Captador: es el elemento sensible primario (mercurio, cuarzo, etc), en el cual las características eléctricas (resistencia, inductancia, capacitancia, etc) varían proporcionalmente a la señal que se desea medir Transductor: es el dispositivo encargado de transformar la señal física obtenida por el captador en una señal medible (de naturaleza generalmente eléctrica) La cantidad de energía convertida por un transductor es pequeña, luego será necesario acondicionar la salida para adaptarla a los niveles necesarios en las etapas posteriores Sensor: dispositivo que incorpora en un mismo circuito el captador, el transductor y los circuitos de acondicionamiento de señal, de manera que genera en su salida una señal normalizada(en tensión o en corriente) 83 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales 2 Acondicionamiento de señales El hardware de acondicionamiento de señales realiza, usualmente, las funciones de amplificación, filtrado, aislamiento, excitación y linealización de los transductores que así lo requieran Muest y retención Multiplexado Acondicionamiento de s Filtrado Preamplificación Aislamiento Linealización En general, las señales eléctricas proporcionadas por los transductores resultan inadecuadas para su conexión directa al CAD por muy diversos motivos (margen de tensión inadecuado, presencia de componentes de alta frecuencia, etc) Los circuitos de acondicionamiento de señal hacen compatible dicha conexión, realizando entre otras las siguientes funciones: Se encargan de amplificar, filtrar y adaptar la señal de salida del sensor al Convertidor Analógico Digital(CAD) o a cualquier otro tipo de etapa posterior Deben estar protegidos frente a sobretensiones(aislamiento galvánico) Pueden realizar funciones de procesamiento como son la linealización de sensores, la diferenciación e integración de señales, etc Deben proporcionar la señal de alimentación externa a los sensores en caso de que éstos la necesiten 84

41 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales 3 Multiplexado Los convertidores analógico-digitales son los elementos más caros del sistema de adquisición, por lo que se tiende a utilizar un único CAD en la cadena de adquisición Para repartir el uso de dicho CAD entre los distintos canales se recurre al uso de un multiplexor analógico Se hará necesario entonces distribuir el tiempo entre los distintos canales de entrada de forma que el CAD tenga tiempo para transformar la señal que le llega en cada momento antes de que el multiplexor conmute a la siguiente entrada ì ï ï ï Entradas í analógicas ï ï ï î ï 1 2 N CAD Salida digital Multiplexado por división de tiempo Lógica de control 85 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales 4 Conversión analógica-digital Una vez acondicionadas, las señales analógicas deben ser enviada al computador para ser tratadas Para que esto sea posible, hay que convertirlas en señales digitales, que son las únicas que entiende el procesador Para ello se utiliza un convertidor analógico-digital(cad) precedido de un circuito de muestro y retención (S&H) que se encarga de leer la señal analógica y mantenerla constante hasta que el CAD obtiene la salida digital A/D La conversión de señales analógicas en señales digitales se realiza en tres etapas: Muestreo: es un proceso lineal que consiste en obtener una señal discreta en el tiempo y continua en amplitud a partir de la señal continua de entrada Cuantificación de la señal: consiste en representar la amplitud de las muestras adquiridas mediante un númerofinitodevaloresdistintos Sielconvertidor esdenbits,habrá2 n posiblesvaloresoestados Codificación: es la representación del valor asignado a la señal en la fase de cuantificación mediante combinaciones de símbolos, que se representan habitualmente con dos niveles de tensión("1" y"0") 86

42 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales Sensor 1 Sensor 2 Sensor n M U X S & H C A D B U S Sistema de Adquisición de Datos con multiplexado de bajo nivel En esta configuración el multiplexor permite que varios sensores compartan el resto de la cadena de medida En este caso, las señales analógicas no habrán sido amplificadas antes del multiplexado, por lo cual su amplitud será pequeña Será crucial por tanto en este caso que los errores que introduzca el multiplexor sean muy pequeños Si, además, las características de las señales de salida de todos los sensores no son similares, conviene que la ganancia del amplificador y la frecuencia de corte del filtro situados en la cadena de medida antes del S&H sean programables por software, para poder adaptarlos a la señal que está entrando por el canal activado en cada momento Por último, si la distancia entre sensores es apreciable, es posible que se capten interferencias en la conexión Estas señales no deseadas pueden causar errores graves, ya que la señal aún no ha sido amplificada Para evitar este problema habrá que usar cables apantallados, que son mucho más caros Sistema de Adquisición de Datos con multiplexado de alto nivel Sensor 1 Sensor 2 Sensor n M UX S&H CAD BUS En este tipo de arquitectura se utilizara un amplificador para cada canal, por lo que generalmente se trabajará con amplificadores de ganancia constante Así, se consigue que el sistema sea más rápido, ya que se elimina el tiempo de espera de estabilización del amplificador tras cada conmutación de ganancia Aunque se haya incluido un amplificador para cada canal, habrá que seguir manteniendo el amplificador que sigue al multiplexor, pero en este caso bastará con que tenga una ganancia pequeña y constante El reparto de la ganancia en dos etapas facilita sensiblemente el diseño de los amplificadores 87 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales Sensor 1 Sensor 2 Sensor n S&H S&H S&H M UX CA D BU S Sistema de Adquisición de Datos con muestreo simultáneo Una limitación de las configuraciones anteriores es que no permiten tomar muestras simultáneamente en los canales que comparten los elementos de medida Esto impide, por ejemplo, hacer medidas precisas de fase entre esos canales Una solución a este problema consiste en poner un S&H para cada canal previo al multiplexor De esta manera, los canales compartirán sólo el CAD y los elementos posteriores Sensor 1 S&H CAD BUS Sistema de Adquisición de Datos con un CAD por canal Sensor 2 S&H CAD MUX digital Según aumenta la velocidad de las señales, tanto el multiplexor como los elementos de medida deben ser más rápidos Lo mismo ocurre si aumenta el número de canales, aunque las señales no sean rápidas Sensor n S&H CAD Si se pone un CAD por cada canal además de resolver el problema anterior se puede conseguir adaptar mejor el CAD a las necesidades de cada canal, ya que normalmente los canales no necesitan la misma resolución Si las señales no tienen variaciones rápidas, se puede incluso prescindir del S&H Esto facilita la transmisión de las señales, ya que es más fácil hacerlo cuando las señales son digitales Sihayunsoloprocesador,lasseñalesamultiplexareneste casoson lassalidasdigitalesde los CAD Paraelmultiplexadodigital nohacefalta un dispositivo, sino que se aprovecha la conexión a un bus mediante elementos con salida tri-estado Éstos pueden configurarse de manera que den un"1", o un"0" o que queden desconectados eléctricamente del elemento al que están unidos físicamente 88

43 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales 5 Transferencia de datos hacia el Computador La señal obtenida a la salida del CAD está ya en condiciones de ser tratada en el computador, pero para ello hay que transferir los datos Control lógico Tratamiento numérico Almacenamiento Transmisión Programas Visualización Comunicación 89 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales La señales de control deben atacar a elementos que de nuevo pertenecen en su mayoría al mundo analógico, por lo que las funciones de los sistemas de distribución de datos deben incluir: 1 Demultiplexado Cuando se envían varias señales de salida a partir de un solo procesador es necesario demultiplexarlas, es decir, enviar cada una de ellas al elemento que debe accionar Dado que los Conversores Digitales Analógicos no son elementos caros, el demultiplexor se puede colocar en función de las necesidades a la salida del procesador (en cuyo caso habrá un CDA y un retenedor por cada canal)odespuésdelcda(arquitectura con un solo CDAy un retenedor por cada canal) Cuando las señales de control a enviar hacia el proceso son varias, se hace necesario demultiplexarlas AdiferenciadelosCAD,losCDAnosonmuycaros,porloqueseofrecendosalternativas: Realizar un demultiplexado digital, lo que implica utilizar un CDA por cada canal Utilizar un solo CDA seguido de un demultiplexor analógico 90

44 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales 2 Conversión digital-analógica La obtención de la señal analógica a partir de la información digital generada por el procesador se hace mediante un convertidor digital-analógico (CDA) seguido de un retenedor o extrapolador, cuya misión es la de reconstruir la forma deondadelaseñalapartirdesuvaloreninstantes determinados D/A Las señales de control generadas tras el procesamiento de los datos en el microprocesador deben ser enviadas al proceso para activar a los dispositivos actuadores Si el actuador es analógico, habrá que convertir la señal digital de salida del microprocesador en una señal analógica, para lo cual hay que realizar dos funciones: Conversión de los datos digitales de entrada en señales de tensión Reconstrucción de la forma de onda de la señal analógica 91 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales 3 Filtrado La señal reconstruida se filtra a continuación para alisar y compensar la distorsión creada durante el proceso de reconstrucción Demultiplexado Muestreo y retención Filtrado Acondiciona de señales Amplificación de potencia 4 Acondicionamiento de salida Se debe acondicionar la señal de salida para que sea capaz de activar el actuador correspondiente Esto supone amplificar las señales hasta los niveles exigidos por el actuador La etapa de salida de un sistema de distribución de señales permite obtener señales analógicas de nivel adecuado para excitar los correspondientes actuadores (motores,) Los actuadores no son, en general, directamente compatibles con las señales obtenidas en las etapas finales de los CDAs, y por ello hay que acondicionarlas En particular, los valores de salida del CDA no son continuos, y los niveles de tensión y corriente (y por tanto la potencia) que suministra suelen ser insuficientes 92

45 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales 5 Transducción de salida Dada la diversidad de actuadores que existen con características muy distintas, las funciones a realizar en cada caso depende del actuador concreto que se pretende activar Transductores de Salida Cuando la señal de salida se va a aplicar sobre una magnitud controlada que no es eléctrica, será preciso convertir la señal eléctrica de control en otra distinta Hace falta por tanto una nueva transducción, esta vez de salida Los elementos que dan una salida no eléctrica a partir de una entrada eléctrica se denominan de diferente forma en función de la forma de energía que obtienen a su salida Así, pueden distinguirse: Accionamientos o actuadores: obtienen una salida mecánica Calefactores o refrigeradores: convierten la entrada eléctrica en salida térmica Zumbadores y visualizadores: obtienen una salida óptica o acústica 93 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales Sistema de Distribución de Datos con distribución paralela En este tipo de arquitectura se utiliza un CDA por cada canal, y el demultiplexado será por tanto digital Con esta configuración los canales analógicos se actualizan secuencialmente BUS DEMUX digital CDA S&H Actuador 1 CDA S&H Actuador 2 CDA S&H Actuador n Sistema de Distribución de Datos con distribución analógica BUS S&H Actuador 1 En esta arquitectura existe un único CDA, cuya salida se lleva a un demultiplexor para que se distribuya la información analógica entre los distintos canales de salida CDA DEMUX S&H Actuador 2 S&H Actuador n 94

46 Sistemas de Adquisición y Distribución de Señales Transductor 1 SDA Transductor 2 MUX S&H CAD Transductor n BUS Proceso Actuador 1 S&H CDA Actuador 2 S&H CDA DEMUX Actuador n S&H CDA SDD 95