Desarrollo de Scada en una Plataforma de Software Libre

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1 Desarrollo de Scada en una Plataforma de Software Libre Carlos Abaffy Gerencia de Investigación y Desarrollo. CVG Venalum Departamento de Ciencia y Tecnología. Universidad Nacional Experimental de Guayana carlos.abaffy@venalum.com.ve Jesús Lárez Gerencia de Investigación y Desarrollo. CVG Venalum Departamento de Ciencia y Tecnología. Universidad Nacional Experimental de Guayana jesus.larez@venalum.com.ve RESUMEN Uno de los temas que ha despertado un creciente interés en el sector industrial del estado venezolano a raíz del decreto 3390 del gobierno nacional, es el desarrollo de un SCADA (acrónimo para Supervisory Control And Data Acquisition ) utilizando estándares de software libre. Los sistemas SCADA juegan un papel de primera importancia en los procesos industriales de las empresas, ya que los mismos tienen funciones de control, supervisión y gestión en los procesos industriales. Los sistemas SCADA dan soporte a diferentes niveles de la pirámide organizacional, y en la actualidad la mayoría de los disponibles en el mercado son propietarios. Debido a la importancia de estos sistemas en las organizaciones, es esencial manejar con mucha prudencia la sustitución del mismo, para evitar afectar el desarrollo de los procesos productivos. En este artículo se busca identificar algunos elementos claves de la arquitectura de un SCADA, los cuales deben ser tomados en cuenta para su desarrollo. Para identificar estos elementos se desarrolló un SCADA en software libre de un proceso particular y se extrajeron los elementos que pueden ser llevados a una arquitectura general. La implementación realizada y la posterior evaluación de la misma, mostró una serie de elementos de diseño e implementación que deben ser considerados en el desarrollo del SCADA nacional en software libre. Palabras claves: SCADA, sistema supervisor, software libre, arquitectura SCADA, decreto ABSTRACT Development of an Free/Open-Source Scada Free/open-source software is a growing interest subject in the industrial segment of the Venezuelan public sector. This interest is because of the Decree N 3390 issued by the Venezuelan government, establishing the mandatory use of free/open-source software in the processes of the public administration. For this reason, one of the projects in progress is the development of a SCADA( Supervisory Control And Data Acquisition ) using free/open-source standards. The SCADA plays a major role in the industrial processes of businesses, since it has functions of control, supervision and management. The majority of the SCADA available in the market are private software. Because of the importance of these systems in the organization, it is essential to handle with a lot of prudence the replacement of the SCADA, to avoid affecting the development of the productive processes. In this article we attempt to identify some key items of the architecture of a SCADA, which should be taken into account in the new development. To identify these elements, a SCADA for a specific process was developed, and the elements that can be carried out to a general architecture were extracted. The implementation realized and the subsequent evaluation, showed several elements that should be considered in the development of the free/open-source SCADA. Keywords: SCADA, supervisory systems, free/open-source software, SCADA architecture, decree Artículo recibido el 17 de Octubre de 2007 y aceptado en su versión final el 12 de Noviembre de CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007

2 I. INTRODUCCION El objetivo principal de la automatización industrial es administrar la actividad y la evolución de los procesos sin la intervención continua de un operador humano. Es en esta línea de trabajo que se han desarrollado los sistemas SCADA, los cuales permiten supervisar y controlar las diferentes variables de un proceso determinado. Los sistemas SCADA trabajan en conjunto con los equipos controladores de campo (controladores autónomos, dispositivos de campo, etc.) y permiten la integración y la comunicación entre los diferentes dispositivos, suministrando al mismo tiempo acceso al historial de alarmas, variables de control y bases de datos relacionadas, siendo así el sistema más amigable. Los sistemas SCADA generalmente efectúan tareas de supervisión y gestión de alarmas, así como tratamiento de datos y control de procesos. La comunicación se realiza mediante buses especiales o redes LAN. Todo esto se ejecuta normalmente en tiempo real, y están diseñados para dar al operador de planta la posibilidad de supervisar y controlar los procesos. A raíz del decreto 3390 del gobierno nacional sobre uso prioritario de software libre en la administración pública, las empresas del estado se han visto en la necesidad de buscar alternativas a los SCADA propietarios que actualmente están en funcionamiento en sus procesos productivos. El mercado de los SCADA hasta los momentos ha sido principalmente de software propietario, por lo que la adaptación a software libre en este campo requerirá de esfuerzos mancomunados entre todos los actores, que conlleven a obtener un producto que pueda satisfacer los requerimientos de una gran diversidad de procesos industriales que se manejan en las organizaciones. La arquitectura de un SCADA debe ser abierta, de forma que sea capaz de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. Más aún, el SCADA debe estar en capacidad de satisfacer los requerimientos de los procesos industriales de los diferentes sectores, tal como eléctrico, aluminio, hierro, petróleo, etc. Por esta razón para el proceso de definición de la arquitectura de un SCADA se debe involucrar a todos los sectores productivos, de manera que ningún requerimiento específico de algún proceso quede sin consideración. En este artículo se define una propuesta de arquitectura para el desarrollo de un SCADA. Para ello se decidió realizar un SCADA en software libre para un proceso específico (Línea de reducción de aluminio), y luego se analizó que resultados obtenidos en este proceso se pueden generalizar para el desarrollo del SCADA nacional. El artículo está organizado en 4 secciones. En la primera parte se describe brevemente los sistemas SCADA y sus componentes. En la sección dos se presentan los elementos a considerar en la arquitectura de un SCADA. La tercera sección presenta los resultados obtenidos en el desarrollo de un SCADA particular para una línea de reducción de celdas de aluminio en CVG VENALUM. Finalmente en la sección cuatro, se presentan las conclusiones obtenidas del desarrollo realizado y los trabajos futuros a realizar. II. DESARROLLO 1. Componentes de un SCADA El término SCADA es un acrónimo para Supervisory Control And Data Acquisition, es decir Adquisición de Datos y Supervisión de Control. Los sistemas SCADA utilizan la computadora y tecnologías de comunicación para automatizar el monitoreo y control de procesos CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007, pp

3 industriales. Estos sistemas son parte integral de la mayoría de los ambientes industriales complejos o muy geográficamente dispersos, ya que pueden recoger la información de una gran cantidad de fuentes muy rápidamente, y la presentan a un operador en una forma amigable. Los sistemas SCADA mejoran la eficacia del proceso de monitoreo y control proporcionando la información oportuna para poder tomar decisiones operacionales apropiadas. Los primeros SCADA desarrollados eran sistemas muy específicos que atendían requerimientos particulares de algún proceso o sector de la industria, pero a medida que la tecnología se fue expandiendo a diferentes sectores, los desarrolladores de sistemas SCADA fueron agregando funciones y aplicaciones que se podían adaptar a un gran rango de sectores de la industria. En la actualidad, 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. La mayoría de los sistemas SCADA que están instalados en la actualidad forman parte integral de la estructura para la gerencia 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. Para alcanzar un nivel aceptable de tolerancia de fallas con estos sistemas, es común tener 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 computador que pueda llegar a ser inasequible por cualquier razón, a una computadora de reserva en línea, sin interrupción significativa de las operaciones. Las principales funciones de un SCADA se pueden resumir en los siguientes puntos [5]: 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. Ejecución de acciones de control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.) o 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. Presentación, representación gráfica de los datos. Interfaz del Operador o 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. 86 CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007

4 Un sistema SCADA generalmente consiste en un computador principal o master (llamado Estación Principal, Master Terminal Unit o MTU); una o más unidades de control obteniendo datos de campo y realizando el control directo (generalmente llamadas estaciones remotas, Remote Terminal Units, o RTU s); una red de comunicación; una instrumentación de campo y una colección de software estándar y/o a medida usado para monitorear y controlar remotamente los dispositivos de campo (figura 1). Figura 1. Componentes de Hardware de un SCADA El computador central o MTU (Master Terminal Unit) se encarga de supervisar y recoger la información del resto de las subestaciones, bien sean otros computadores conectados (en sistemas complejos) a los instrumentos de campo o directamente sobre dichos instrumentos. Este componente soporta el HMI. Las funciones principales del MTU son: Interroga en forma periódica a las RTU s, y les transmite consignas; siguiendo usualmente un esquema maestro-esclavo. 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 histórica. Puede ejecutar software especializado que cumple funciones específicas asociadas al proceso supervisado por el SCADA. Los RTUs (Remote Terminal Unit) 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. Una tendencia actual es la de dotar a los PLCs (en función de las E/S a gestionar) con la capacidad de funcionar como RTUs gracias a un nivel de integración mayor y CPUs con mayor potencia de cálculo. Esta solución minimiza costos en sistemas donde las subestaciones no sean muy complejas sustituyendo el computador industrial que es mucho más costoso. La red de comunicación es el nivel que gestiona la información que los instrumentos de campo envían a la red de computadores 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. A partir del tipo de BUS, el sistema SCADA provee interfaces de comunicación. Los instrumentos de campo son todos aquellos que permiten tanto realizar la automatización o control del sistema (PLCs, controladores de procesos industriales, y actuadores en general) como los que se encargan de la captación de información del sistema (sensores y alarmas). 2. Arquitectura de Software de un SCADA El SCADA comprende una serie de módulos de software que trabajan en forma integrada para lograr la supervisión de los diferentes procesos. La arquitectura de software propuesta consiste en un desarrollo en Software Libre, que pueda soportar aplicaciones en el área CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007, pp

5 de automatización industrial, basados en: Distributed Control System (DSC), Remote Terminal Unit (RTU), Programmable Logic Controller (PLC), SoftPLC, Dispositivos Inteligentes, con el soporte de múltiples infraestructuras de comunicaciones. Figura 2. Arquitectura de Software de un SCADA y la Funcionalidad del Núcleo En la figura 2, se presenta una arquitectura de software preliminar, donde se destacan los siguientes componentes de software: Núcleo: El núcleo maneja todos los procesos medulares del SCADA, como lo son planificador de eventos, el manejo de la comunicación con los operadores y con otros procesos, el cómputo de parámetros y manejo de alarmas y eventos, entre otras funciones propia del SCADA, así mismo da el soporte operativo a nivel de Watchdog, IPC, Memoria Compartida por una parte y por otra parte el soporte de accesos de seguridad y para alta disponibilidad. Los elementos del núcleo, o instancia de los mismos, pueden ejecutarse en entornos distribuidos, para lo cual se propone un middlerware [2] ligero orientado a mensajes [6], para el soporte de esta configuración. Esto le permitirá al sistema (la aplicación SCADA) ubicar en cada computador solamente los componentes de software necesarios, y permitir escalar la aplicación [7] según los requerimientos específicos del proceso, en un entorno distribuido multiplataforma. Manejadores (Driver) de comunicaciones con el proceso: Aquí se implementan todos los protocolos de comunicación requeridos, con el proceso (nivel de planta) el cual va a permitir al SCADA interactuar con los diferentes elementos de hardware en campo (nivel de planta) tales como: Dispositivos de campo (sensores y/o actuadores), RTU, PLC, DSC, Controladores, etc. Estos dan soporte a las múltiples infraestructuras de comunicaciones, que debe soportar la aplicación SCADA. Herramientas de Configuración: Agrupa los diferentes programas de configuración para la aplicación SCADA, los archivos de configuración estarán bajo el formato XML. Interfaz con el Manejador de Base de Datos: Se manejan los elementos dependiente del Sistema Manejador de Base de Datos (DBMS) específico y se implementan todas las funciones de soporte relacionadas, ya sean el componente de software o en el propio manejador de Bases de Datos, tales como funciones y comandos propios del mantenimiento y/o operación relacionados con el almacenamiento de los datos. Interfaz con el Operador: Especifica las diferentes interfaces, Human-Machine Interface (HMI), por las cuales los operadores del proceso, podrán interactuar con el sistema. Se especifican dos tipos básicos de interfaces: Modo Nativo, son Interfaces Gráficas de Operación, que se ejecutan en modo nativo del sistema operativo del dispositivos, pueden ser OIT (Terminales de Interfaz de Operación), Panel PC, PDA, etc. ejecutando una aplicación gráfica en Linux, Unix, MacOS, Windows, etc. 88 CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007

6 Basada en Web, son interfaces como su nombre lo indican basada en tecnología Web, y que se ejecutan en un explorador (Firefox, Opera, Netscape, Internet Explorer, etc.) están basadas en tecnologías tales como: Servicios Web, Ajax, etc. aplicaciones para manipulación de datos, generadores de indicadores, etc. PO: Interfaz de Operación en Modo Nativo. WIO: Interfaz de Operación en Modo Web. 2.1 Ventajas de la arquitectura Esta propuesta de arquitectura, al estar planteada sobre el uso de componentes de software y un núcleo que puede ser distribuido, ofrece de forma natural las configuraciones de los diferentes componentes de software, para constituir los elementos que conforman la aplicación SCADA, que puede dar solución, a la medida, a múltiples situaciones. Aprovechando al máximo de esta forma, la capacidad de los elementos de hardware (computadores, servidores, estaciones) que se dispongan. En la figura 3, se puede observar las diferentes configuraciones de los componentes de software que integran el SCADA, las cuales se describen brevemente a continuación: SCADA: Es una configuración donde todos los componentes se ejecutan en una sola computadora (MTU). HA/SCADA: En esta configuración todos los componente se ejecutan en forma redúndate en dos computadores, bajo una configuración de Alta Disponibilidad (HA: High Availability). D/SCADA: Es una configuración donde todos los componentes se ejecutan bajo un esquema de sistema distribuido, es decir, la aplicación se ejecuta de forma transparente, en varias computadores en un entorno multiplataforma. M/SCADA: Es una configuración donde todos los componentes se ejecutan en varias instancia en una sola computadora, es decir varias aplicaciones SCADA corriendo en un mismo computador. R/DATOS: Configuración de Historiador o Repositorio de Datos del o de los SCADA s. Esta configuración, se puede acompañar de Figura 3. Escalamiento de la Solución en una aplicación SCADA En resumen, como se observa en la pirámide de automatización, los diferentes elementos de SCADA puede ser implementados integrando configuraciones muy particulares de los componentes de software, para así lograr una Aplicación SCADA Distribuida, en un entorno multiplataforma, donde los recursos sean utilizados de forma eficiente, con el grado de confiabilidad requerido por el proceso. La filosofía de desarrollo de los diferentes componentes de software de esta arquitectura debe estar basado en Generalización del Núcleo del Sistema Supervisor de Celdas, la incorporación experiencias con PC/104 QNX, Linux a Tiempo Real, Linux Embebido, así como la incorporación de experiencias con SCADA s comerciales. De esta forma tendremos un desarrollo basado en Software Libre, con un Modelo de Desarrollo Evolutivo y sustentado en Componentes de software. CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007, pp

7 3. Desarrollo de un SCADA para una Línea de Celdas de Reducción En esta sección se describe la arquitectura y características del Sistema Supervisor de Celdas V-350 (SSC), el cual, además de la funcionalidad estándar de un sistema supervisor, permite una efectiva visualización y análisis de los datos de las líneas de celdas. El sistema fue desarrollado en LAMP (GNU/Linux-Apache-MySql-Php) y C++. La Interfaz Hombre Máquina es basada en Web, permitiendo al usuario interactuar fácilmente con el sistema utilizando un navegador Web estándar. Una línea de celdas de aluminio comprende un gran número de celdas de producción independientes, las cuales necesitan ser manejadas como una sola unidad. El sistema supervisor trabaja en conjunto con los controladores de celda y ayuda a reducir los esfuerzos laborales, permitiendo la inspección del estado operacional de la línea de celdas de una forma simple, rápida y confiable. Sistemas de entrega de información alternativos, tales como , SMS, buscapersonas, etc. Consulta y modificación de parámetros desde la interfaz Web para usuarios autorizados. Manejo de diferentes medios de comunicación (serial, ethernet, etc.) y protocolos (TCP, UDP, etc.) simultáneamente. El sistema ha sido diseñado para ser adaptado a diferentes arquitecturas de sistemas de control y tecnologías de base de datos. 3.2 Arquitectura del sistema El SSC utiliza ampliamente los recursos del GNU/Linux, el servidor Web y la base de datos, lo cual ha facilitado su desarrollo y operación. El sistema está dividido en dos módulos, los que han sido llamados como el Núcleo de Supervisión (Núcleo SSC) y la Interfaz de Supervisión (Interfaz SSC) [1], como se muestra en la Figura 4. El propósito del Sistema Supervisor de Celdas es el de proveer a los usuarios con las herramientas, facilidades e información para ayudar a la administración de una línea de reducción al logro de sus metas, incrementar la productividad y mejorar la calidad. 3.1 Funciones del sistema El SSC tiene varias características para proveer a los diferentes usuarios con las herramientas que ellos necesitan. Estas características son: Una interfaz Web funcional e intuitiva. Monitoreo de las operaciones diarias. Reportes predefinidos y definidos por el usuario. Interconectividad con otros sistemas, tales como, ERP, sistemas de producción, etc. Figura 4. Arquitectura del sistema supervisor de celdas El Núcleo SSC está a cargo de administrar la comunicación, datos y variables del sistema. Se ejecuta de forma independiente de la interfaz SSC, y recibe información de los controladores de celda y la procesa. También administra la 90 CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007

8 información saliente a los controladores y a otros recursos. El Núcleo SSC coloca los datos procesados en la memoria compartida y en la base de datos de donde la Interfaz SSC los recuperará. La Interfaz SSC provee los medios para que el usuario acceda a la información del sistema. Para representar los datos, se usan barras a tiempo real, gráficas, cuadros, tendencias, etc. La interfaz también tiene varias formas de personalizar la representación de datos para satisfacer las necesidades de los usuarios. La interfaz tiene dos partes: el lado del servidor, donde residen las aplicaciones, que administra y procesa toda la información (Apache y PHP), y el lado cliente, el cual tiene la interfaz, que interactúa con los usuarios. 3.3 Arquitectura del Núcleo SSC El Núcleo SSC está compuesto por diferentes procesos. Los procesos y la interacción entre ellos (como se muestra en la Figura 5) han sido diseñados para permitir al sistema mantenerse corriendo inclusive cuando alguno de los procesos no está trabajando. El uso de memoria compartida facilita la comunicación entre procesos y ayuda a tener una interfaz Web rápida. El sistema maneja mecanismos de seguridad para mantener a todos los procesos ejecutándose, reduciendo la intervención humana al mínimo 3.4 Interfaz de Usuario SSC La interfaz del sistema es Web. Esta arquitectura fue elegida debido a la riqueza y a la capacidad de respuesta que nuevas tecnologías como AJAX [3] (JavaScript Asíncrono + XML, por sus siglas en inglés) han alcanzado en la Web. El sistema de seguridad está garantizado con la autenticación de usuario y la autorización de IP para las operaciones relacionadas con la comunicación del control de celdas. El sistema es a tiempo real y obtiene los datos del computador supervisor en intervalos de tiempo exactos que los usuarios definen previamente. El usuario puede definir intervalos de tiempo de 5 a 30 segundos. Para asegurar el rendimiento, todas las opciones trabajan directamente con la memoria compartida del sistema supervisor y solamente se accede a la base de datos del supervisor para la recuperación y análisis de datos históricos. El sistema está diseñado para proveer a los usuarios con información de la línea completa o de una celda en particular. Los principales componentes de la interfaz de usuario son: Visualización de Data de Línea Visualización de Data Histórica de Celda Comunicación con los Controladores de Celdas Figura 5. Arquitectura del Núcleo SSC CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007, pp

9 A continuación se describen los elementos más resaltantes de la interfaz. Visualización de data de Línea Permite el seguimiento de los principales parámetros de operación de una línea de una manera fácil. Las funciones más importantes son: Monitoreo de Parámetros en Tiempo Real: Usando objetos gráficos y códigos de colores, el usuario puede visualizar un parámetro para la línea completa o n parámetros para una sección. El sistema muestra el valor actual del parámetro para cada celda, usando códigos de colores para presentar si el parámetro está en rango (figura 6). Figura 6. Monitoreo de Parámetros en tiempo real Administración de las Operaciones en Tiempo Real: El sistema permite el seguimiento en tiempo real de las operaciones en una línea de celdas usando íconos gráficos. El usuario puede configurar hasta 5 operaciones a visualizar en forma simultánea. La Figura 7 presenta un ejemplo de esta interfaz. Figura 7. Administración de las operaciones en tiempo real 92 CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007

10 Mini-gráficos: Como se muestra en la figura 8, el sistema presenta mini-gráficos de un parámetro dado para una sección seleccionada, dando una visión rápida de la condición de todas las celdas en un período dado. El usuario puede cambiar el gráfico mostrado, el intervalo de tiempo y el número y tamaño de los gráficos. muestra el dispositivo y una de las interfases realizadas. Figura 9. Interfaz Inalámbrica Además del sistema supervisor para una línea de celdas, existe un sistema que integra todas las líneas de reducción de la planta en una única interfaz. Figura 8. Mini gráficos Visualización de Data Histórica de Celdas El sistema presenta información detallada relativa a los principales parámetros de operación (voltaje, desviación, nivel de baño, nivel de metal, etc.) de una celda en particular. La información presentada puede ser transferida a paquetes como Excel para otros análisis. Adicionalmente a las características antes descritas, se desarrolló una interfaz Web para dispositivos inalámbricos utilizando la misma plataforma de software (PHP-Apache). Esta interfase permite al operador visualizar los parámetros de celda y comunicarse con los controladores. La interfaz ha sido diseñada para mantener la eficiencia del sistema con una baja rata de transmisión de datos. La Figura 9 El usuario elige el parámetro a visualizar y el sistema lo muestra a tiempo real, usando el mismo código de colores que es usado en la visualización de datos de línea. Adicionalmente a la presentación de los gráficos de parámetros, el sistema muestra un resumen de las operaciones y eventos principales para cada línea, dividido en turnos de trabajo. La Figura 10 exhibe un ejemplo de esta interfaz. Figura 10. Interfaz de Líneas de reducción de planta CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007, pp

11 3.5 Plataforma de Software GNU/Linux fue seleccionado como la plataforma de desarrollo debido a su estabilidad, bajo costo y la disponibilidad de una gran comunidad de usuarios y desarrolladores. La distribución Fedora GNU/Linux fue elegida debido a su facilidad de uso. El núcleo del sistema fue desarrollado usando C++, y para el resto del sistema se usó la plataforma LAMP (GNU/Linux, Apache, MySQL, PHP), debido a que es una de las plataformas más aceptadas en la comunidad de Software Libre por sus características y rendimiento. 3.6 Resultados Operativos El sistema ha sido instalado en 5 líneas de reducción de CVG Venalum de 180 celdas cada una, como sistema visor (sólo visualización). Cada sistema está corriendo en un computador PIV de escritorio 2.0 GHz, 1 GB RAM. Se tiene un promedio de 10 usuarios conectados en forma simultánea y el rendimiento es excelente. El sistema tiene una excelente aceptación, debido a que ahora el usuario dispone de una interfaz fácil e intuitiva de la cual no disponía en el pasado. Más aún, se ha reducido drásticamente el tiempo empleado en el análisis y revisión de la información y se ha optimizado el tiempo empleado en algunas labores de rutina. Desde el punto de vista operacional, el sistema tiene los siguientes beneficios: Acceso en tiempo real a toda la información disponible en los controladores de celda. Información gráfica de la celda y todos sus parámetros. Acceso al Sistema desde todos los computadores de la planta. Seguimiento en tiempo real de las operaciones realizadas en la línea de Celdas. Fácil identificación de las desviaciones en el proceso. III. DISCUSIÓN DE RESULTADOS El esquema utilizado para el desarrollo de este sistema fue un esquema evolutivo, donde se probaron una gran cantidad de conceptos que posteriormente pueden ser generalizadas para el desarrollo de una arquitectura general. En el sistema desarrollado hay varios aspectos que es importante resaltar. En primer lugar la separación que se hace a nivel de software, del núcleo de supervisión y de la interfaz de usuario, permitió cumplir con los requerimientos de tiempo real del sistema y brindar una interfaz Web que también cumpla con los requerimientos del usuario. Este tipo de separación generalmente tiene problemas con la comunicación entre procesos, pero mediante el uso de la memoria compartida del sistema operativo, esto se pudo realizar de una manera bastante sencilla. Con este esquema, la interfaz decide dependiendo del tipo de dato que va a mostrar, si lo busca en la memoria compartida o en la base de datos. Generalmente en la memoria compartida encontramos valores instantáneos, resúmenes y pequeñas tendencias, mientras que en la base de dato se encuentra una historia completa con todo el detalle necesario para análisis posteriores. Otro elemento importante encontrado en el núcleo del SSC, es la división del sistema en procesos independientes que se comunican a través de mecanismos de comunicación entre procesos y memoria compartida. Esto nos permite que el sistema pueda seguir funcionando 94 CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007

12 aún cuando algunos de sus procesos no este funcionando. El ejemplo más importante de esta situación es el módulo de base datos, el cual debido a su manejo independiente, el sistema puede seguir supervisando un proceso sin el módulo de base de datos. En este caso los usuarios tendrán acceso a valores instantáneos, funcionará la lógica de control pero no se podrán consultar los históricos. Una vez que el módulo de base de datos entre en funcionamiento de nuevo, el sistema enviará todas las transacciones pendientes para ser registradas en las tablas correspondientes. Esta facilidad ha sido probada en el sistema hasta por un lapso de 20 minutos y el mismo se pudo recuperar sin ningún problema. El sistema puede ser configurado para manejar un buffer más grande y de esta forma aumentar el tiempo que podría funcionar sin uno de sus módulos. Otro beneficio que brinda la división del sistema en procesos independientes, es la facilidad para la inclusión de nuevas funcionalidades. Durante el desarrollo del sistema se incorporó un nuevo módulo para el procesamiento de algoritmos de control especiales y su impacto en los otros módulos fue mínimo, ya que todo se realizó a través de la comunicación entre procesos. Otro aspecto resaltante es la interfaz Web en tiempo real. Aunque esto parezca una contradicción, ya que las interfases Web por si solas no pueden reaccionar a eventos en el mismo momento que ocurren, en este caso se definió tiempo real como la recuperación de información en intervalos fijos de tiempo [4] (5 30 seg). Es importante resaltar que el núcleo de supervisión (donde reside la lógica de control y supervisión) si es realmente en tiempo real, y para efectos de los usuarios Web esta definición de tiempo real cumple totalmente con los requerimientos para la supervisión del proceso. Con respecto a las interfases realizadas es necesario resaltar dos aspectos, la utilización de la memoria compartida para todas las opciones de tiempo real y el empleo de elementos gráficos y códigos de colores para mostrar gran cantidad de información en una sola pantalla. Los tiempos de respuesta obtenidos por las opciones de tiempo real son realmente sorprendentes, dado el tipo de hardware que se está utilizando. La pantalla de monitoreo de parámetros de la línea puede actualizar una pantalla de 180 celdas cada 5 seg sin ningún impacto en el rendimiento del cliente y más aún la pantalla de integración de todas las celdas de planta (900 celdas) puede actualizar la información de la misma en cada 10 seg. Todo esto se realiza mediante el empleo de servicios Web y AJAX. Finalmente las interfases realizadas demostraron los beneficios del uso de componentes gráficos para presentar los resultados al usuario. El uso de códigos de colores para representar valores en rango, por debajo o por encima, son de una gran ayuda cuando es necesario visualizar gran cantidad de parámetros en una sola pantalla. Esto quedó claramente demostrado con la interfaz que presenta 900 celdas en una sola pantalla y la misma es fácilmente visualizada por el usuario para detectar desviaciones o problemas en las líneas de reducción. La interfaz que integra todas las celdas de planta en una sola pantalla, utiliza servicios Web para solicitar a cada uno de los computadores de las líneas los datos a presentar. En este caso como en todas las interfases Web del sistema, la comunicación es a través de la memoria compartida, lo cual permite exhibir tiempo de respuesta acordes con la dinámica del proceso sin utilizar grandes recursos de hardware. Adicionalmente se realizó una interfaz en PDA que no requirió el desarrollo de software adicional, sino que las mismas interfases que ya habían sido desarrolladas se modificaron para que fueran un poco más livianas y tuvieran CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007, pp

13 la resolución adecuada para el PDA. Estas interfases de PDA trabajan directamente con el servidor Web y son un cliente más del supervisor. El principal beneficio de la técnica utilizada para desarrollar estas interfases en PDA, es que no es necesario que los desarrolladores aprendan una nueva plataforma de desarrollo, sino que utilizan la misma para todos los clientes del supervisor. IV. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS Para la implementación del SCADA se propone un esquema evolutivo, donde las primeras fases del proyecto, estarán basados en librerías para el soporte de programación. Será en esta fase donde se probarán los conceptos y se pondrá a punto el núcleo del sistema. Luego en fases posteriores se desarrollarán interfases basadas en entornos de programación, generación por partes de la aplicación a partir de especificaciones y entornos para configuración. Lo cual nos dará una gama de herramientas que van desde un alto nivel de abstracción donde se puede ofrecer soluciones en muy corto plazo hasta soluciones basadas en programación para problemas muy específicos o que demande altos grados de desempeño. La propuesta de este trabajo puede ser tomada como base para el desarrollo de otros proyectos en esta área La separación del núcleo de supervisión y la interfaz del sistema con herramientas que se integran a través de la comunicación entre procesos (IPC) y memoria compartida, facilitan el desarrollo de las aplicaciones SCADA, permitiendo de esta manera satisfacer los requerimientos de rendimiento en tiempo real y de disponibilidad de información en cualquier momento y cualquier lugar mediante una intuitiva interfaz Web. El uso de IPC y memoria compartida es esencial para el desarrollo de un SCADA, ya que los mismos permiten la integración de diferentes procesos (realizados con diferentes herramientas) en tiempo real. La independencia de los procesos del SCADA es fundamental para la robustez del sistema. De esta forma cualquier componente no crítico del sistema podrá colocarse fuera de línea sin interrumpir el proceso de supervisión. Es necesario definir las necesidades de tiempo real de las aplicaciones, especialmente de las interfases para ver si es posible realizar las mimas vía Web. En el caso particular de la línea de celdas de reducción, la interfaz Web satisface los requerimientos de tiempo real de la misma. Para el desarrollo de las interfases Web en tiempo real es mandatario la utilización de la memoria compartida, ya que si se hace a través de base de datos el sistema supervisor se puede ver afectado en su rendimiento. La utilización de códigos de colores en los elementos del SCADA facilita al usuario la visualización de alarmas y detección de situaciones anormales en la supervisión de un proceso. El código de colores hace que en aquellos casos cuando hay muchos elementos a considerar el usuario se concentre solamente en aquellos que están fuera del estándar definido. En este sentido, este trabajo puede ser usado como base para proponer herramientas que faciliten la construcción de este tipo de interfaz para el sistema SCADA. Los elementos identificados en este trabajo se pueden incorporar a una arquitectura general de SCADA, y una vez definida y validada esta arquitectura en diferentes procesos de los sectores productivos, se debe proceder a trabajar en el desarrollo de las herramientas que faciliten la configuración del SCADA en base a esta arquitectura. 96 CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007

14 V. REFERENCIAS 1. Abaffy C., Lárez J., Aiquel R., Gonzalez J., CVG Venalum Potline Supervisory System, TMS 2006, pp , San Antonio-USA. 2. Bernstein, Philip A. Middleware: A Model for Distributed Services Communications of the ACM 39, 2 (February 1996): Garret, J., Ajax: A New Approach to Web Applications, Ozdilek, O., Seker, D.Z., A Web-Based Application for Real Time GIS, Romagosa C., Jaume. Gallego N. David. Pacheco P. Raúl, Sistemas SCADA, Universidad Politécnica de Cataluña- España, Steinke, Steve. Middleware Meets the Network. LAN: The Network Solutions Magazine 10, 13 (December 1995): Schreiber, Richard. Middleware Demystified. Datamation 41, 6 (April 1, 1995): CITEG Revista Arbitrada. Año I. N 2. Julio - Diciembre 2007, pp