INGENIERÍA DE DETALLE
3.8 Implementación de un sistema HMI SCADA y elaboración de pantallas.
3.8.1 Definición de los sistemas SCADA.
SCADA proviene del acrónimo “Supervisory Control And Data Acquisition”, SCADA es la tecnología que permite al usuario recolectar datos de una o más localidades remotas y/o enviar instrucciones de control limitadas a esas localidades.
“SCADA se define, de acuerdo a ANSI/IEEE, como un conjunto de sistemas usados para control supervisorio, a través de la adquisición de datos y/o control automático en tiempo real”. Normalmente se refiere a sistemas de control digital cuyos constituyentes se encuentran ampliamente dispersos, utilizando en su sistema estaciones remotas con comunicaciones en redes de área metropolitana o de área extendida.
¿Que es la adquisición de datos?
Es un sistema de procesamiento de información computarizado que se refiere a la recopilación de datos, generalmente variables de proceso, y que son mostradas en desplegados gráficos, reportes, sumarios, índices, tendencias, balances y que es almacenado en una memoria en forma de base de datos.
3.8.2 .Antecedentes históricos de los sistemas SCADA.
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 gabinetes llenos de indicadores. Mientras la tecnología se desarrollaba, las computadoras
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asumieron el papel de manejar la recolección de datos, disponiendo comandos de control, y una nueva función - presentación de la información sobre una pantalla de video. Las computadoras agregaron la capacidad de programar el sistema para realizar funciones de control más complejas.
Los primeros sistemas automatizados SCADA fueron altamente modificados con programas de aplicación específicos para atender a requisitos de algún proyecto particular. Como ingenieros de varias industrias asistieron al diseño de estos sistemas, 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, hizo 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 algunas industrias 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.
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Para alcanzar un nivel aceptable de tolerancia de fallas con estos sistemas, es común tener computadoras 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.
3.8.3 Objetivos. Economía. Accesibilidad. Mantenimiento. Ergonomía. Gestión. Flexibilidad. Conectividad.
3.8.4 Servicios de un sistema SCADA.
La monitorización. Representa los datos en tiempo real a los operadores de planta. Se leen los datos de los sistemas de control (temperaturas, flujo, presión, etc.). Muchos procesos de diferentes plantas pueden ser vigilados desde kilómetros de distancia. La supervisión. La supervisión es una herramienta que permite realizar la toma de
decisiones (mantenimiento predictivo por ejemplo). Tiene la capacidad de ejecutar programas que puedan supervisar y modificar el control establecido y , bajo ciertas condiciones, anular o modificar tareas asociadas a los sistemas de control. Evita continua supervisión humana.
La adquisición de datos de los procesos en observación. Los parámetros de las variables del proceso se almacenan para su posterior revisión.
La visualización de los estados de las señales del sistema (alarmas y eventos). Reconocimiento de eventos excepcionales en la planta y su inmediata puesta en conocimiento a los operadores para efectuar las acciones correctivas pertinentes.
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Además los paneles de alarma pueden exigir alguna acción de reconocimiento por parte del operario, de forma que queden registradas las incidencias.
El mando. Posibilidad de que los operadores puedan cambiar consignas u otros datos claves de proceso directamente desde el ordenador (marcha, paro, modificación de parámetros…). Se escriben datos sobre los datos de control.
Grabación de acciones o recetas. En algunos procesos se utilizan combinaciones de variables que son siempre las mismas. Un sistema de recetas permite configurar toda una planta de producción ejecutando solo un comando. Estas recetas son utilizadas en sistemas de control batch, donde por ejemplo se puede realizar alguna mezcla en algún tipo de contenedor, y se utilizan cantidades diferentes de ingredientes dependiendo del tipo de mezcla que se desee elaborar. En el sistema SCADA se pueden escoger las recetas a ejecutar y con una sola pulsación se pueden poner en marcha.
Garantizar la seguridad de los datos. Tanto el envío y recepción de datos deben estar suficientemente protegidos de influencias no deseadas, intencionadas o no (fallos en la programación, intrusos, situaciones inesperadas, etc.).
Garantizar la seguridad en los accesos. Restringiendo zonas de programa comprometidas a usuarios no autorizados, registrando todos los accesos y acciones llevadas a cabo por cualquier operador.
Posibilidad de programación numérica. Permite realizar calculo aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador (lenguajes de alto nivel, C y Visual Basic, generalmente).
3.8.5 Ventajas.
Creación de aplicaciones funcionales sin necesidad de ser experto en la materia.
Localización rápida de errores gracias a su herramienta de diagnostico, minimizando periodos de paro.
Presenta todo tipo de ayuda al usuario desde la aparición de una alarma hasta la localización de la causa o la parte de esquema eléctrico implicada en la misma, reduciendo tiempo de localización de averías.
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Recoge datos del autómata y los presenta en formatos fácilmente exportables a otras aplicaciones de uso común tales como hojas de cálculo.
Mediante tecnologías celulares (GSM), los sistemas SCADA pueden mantener informados sobre cualquier incidencia a los operadores responsables de los mismos mediante mensajes a teléfonos celulares y/o mensajes de correo electrónico.
La integración de sistemas es rápida gracias a los sistemas de comunicación estandarizados.
La tecnología Web permite el acceso desde cualquier punto geográfico a nuestro sistema de control.
Los protocolos de seguridad permiten una gestión segura y eficiente de los datos limitando el acceso a personas no autorizadas.
Aumento de calidad en el producto mediante herramientas de diagnostico. El operador es notificado en el momento en el que existe alguna incidencia.
Posibilidad de mantenimiento por parte de suministradores locales de servicios. Descentralización haciendo un sistema modular.
Mediante redes de comunicación, el sistema SCADA se integra en la red corporativa, permite la integración entre los niveles de campo y gestión.
3.8.6 Entorno.
La automatización de sistemas, desde el estado inicial de aislamiento productivo, ha pasado a formar parte del ámbito corporativo y se engloba dentro del paquete empresarial con la finalidad de optimizar la productividad y mejorar la calidad.
El esquema que representa los flujos de información dentro de la empresa y representa como se realiza la integración a todos los niveles es similar a la conocida pirámide de la automatización CIM (Computer Intetgrated Manufacturing, Fabricación Integral
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Figura 3.42. Pirámide de la automatización (CIM).
ERP (Enterprise Resource Planning o Planificación de Recursos Empresariales): Engloba la parte de gestión: finanzas, compras, ventas, logística.
MES (Manufacturing Execution System o Gestión de la Producción): Comprende la gestión de calidad, documentación, gestión de producción, mantenimiento y optimización.
CONTROL: Engloba toda la parte de automatización y control de procesos.
La finalidad de este organigrama es disponer de la máxima información posible sobre el estado operativo global de la empresa para planificar las acciones de producción:
3.8.7 Criterios de selección y diseño.
Los principales criterios a considerar para la selección de un sistema SCADA para su correcta operatividad son los siguientes:
Capítulo 3 Ingeniería de detalle 167 Disponibilidad Robustez Seguridad Prestaciones Mantenibilidad Escalabilidad 3.8.7.1 Disponibilidad.
Por disponibilidad se entiende la medida en la que sus parámetros de funcionamiento se mantienen dentro de las especificaciones de diseño. Se basará en hartware y software.
Hartware: Es el elemento físico y su estrategia se fundamenta en el concepto de redundancia, entendida como la capacidad de un elemento de asumir las funciones de otro de forma transparente al elemento que sirve.
El principio de redundancia se aplica a todos los niveles, desde componentes individuales hasta sistemas enteros. De esta manera es posible continuar trabajando en caso de fallo de alguno de los componentes.
3.8.7.2 Robustez.
Ante un fallo de diseño, un accidente o una intrusión, un sistema eficiente debe poder mantener un nivel de operatividad suficiente como para mantener unos mínimos de servicio.
3.8.7.3 Seguridad.
Un fallo de diseño, un usuario mal intencionado o una situación imprevista podrían alterar los parámetros de funcionamiento de un sistema. Ante estas situaciones el sistema debe
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permitir establecer estrategias para prevenir, detectar y defenderse de acciones no deseadas:
Mediante el establecimiento de toda una serie de derechos y jerarquías de usuario, que limitan el acceso a datos sensibles mediante contraseñas. Además, el acceso mediante usuarios permite establecer un archivo de accesos para conocer en todo momento quien ha cambiado algo en el sistema de control.
Encriptando los datos que se emiten desde las estaciones remotas.
Filtrando toda la información recibida, comprobando si su origen es conocido o no. Fijando unos caminos de acceso predeterminados para la información, provistos de
las herramientas necesarias para asegurar la fiabilidad de la información que los atraviesa (los puertos de acceso a un sistema).
El sistema debe ser capas de detectar incoherencias en los datos que ha recibido. Programas de vigilancia (watchdog o perro guardián).
3.8.7.4 Prestaciones.
Se refiere al tiempo de respuesta del sistema. Durante el desarrollo normal del proceso la carga de trabajo de los equipos y el personal se considera que es mínima y esta dentro de los
parámetros que determinan el tiempo real de un sistema.
En caso de declararse un estado de alerta, la actividad que se desarrolla aumenta de forma considerable la carga de los equipos informáticos y del personal que los maneja. El equipo debe poder asimilar toda la información que se genera, incluso bajo condiciones de trabajo extremas, de manera que no se pierda información aunque su proceso y presentación no se realicen en tiempo real.
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3.8.7.5 Mantenibilidad.
Los tiempo de mantenimiento pueden reducirse al mínimo si el sistema esta provisto de buenas herramientas de diagnostico que permitan realizar tareas de mantenimiento preventivo, modificaciones y pruebas de forma simultánea al funcionamiento normal del sistema.
3.8.7.6 Escalabilidad.
Este concepto esta relacionado a la posibilidad de poder ampliar el sistema con nuevas herramientas o prestaciones y los requerimientos de tiempo necesarios para implementar estas ampliaciones, debido a lo siguiente:
Espacio disponible.
Capacidad del equipo informático (memoria, procesadores, alimentaciones).
Capacidad del sistema de comunicaciones (limitaciones físicas, protocolos, tiempo de respuesta).
La ampliación de control debe poder evolucionar, adaptándose al entorno que controla, de manera que funcione de forma eficiente sin importar el tipo de equipamiento o el volumen de datos. El sistema SCADA debe poder ampliarse y actualizarse. Puede empezar con un único servidor para todas las tareas (Scada, Archivo, Alarmas, Comunicaciones). El problema aquí, reside en que todo pasa por un único punto que es el talón de Aquiles del sistema.
3.8.8 Arquitectura de un sistema SCADA.
El desarrollo del ordenador personal ha permitido su implantación en todos los campos de conocimiento y a todos los niveles imaginables.
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Las primeras incursiones en el campo de la automatización localizaban todo el control en el PC y tendían progresivamente a la distribución del control en planta. De esta manera, el sistema queda dividido en tres bloques principales:
Software de adquisición de datos y control (SCADA). Sistema de adquisición y mando (Sensores y actuadores). Sistema de interconexión (comunicaciones).
El usuario mediante herramientas de visualización y control, tiene acceso al sistema de
control de proceso, generalmente un ordenador donde reside la aplicación de control y
supervisión (Se trata de un sistema servidor). La comunicación entre estos dos sistemas se suele realizar a través de redes de comunicación corporativas (Ethernet).
El sistema de proceso capta el estado del sistema a través de los elementos sensores e informa al usuario a través de las herramientas HMI. Basándose en los comandos ejecutados por el usuario, el sistema de proceso inicia acciones pertinentes para mantener el control del sistema de los elementos actuadores.
La transmisión de los datos entre sistemas del proceso y los elementos de campo (sensores y actuadores) se lleva a cabo mediante los denominados buses de campo, la tendencia actual es englobar los sistemas de comunicación en una base común, como Ethernet
Industrial. Toda la información generada durante la ejecución de las tareas de supervisión y
control se almacena para disponer de los datos a posteriori.
Mediante el software de adquisición de datos y control, el mundo de las maquinas se integra directamente en la red empresarial, pasando a formar parte de los elementos que permitan crear estrategias de empresa globales. Aparece el concepto de Fabricación
Integral Informatizada (Computer Integrated Manufacturing).
Un sistema SCADA es una aplicación de software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores en control de producción que proporciona comunicación entre los dispositivos de campo, llamados también RTU (Remote Terminal Unit o Unidades
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autómatas programables, y un centro de control o Unidad Terminal Maestra (MTU, Master
Terminal Unit), donde se controla el proceso de forma automática desde la pantalla de uno
o varios ordenadores.
La estructura funcional de un sistema de visualización y adquisición de datos obedece generalmente a la estructura Maestro – Esclavo. La estación central (el maestro o master) se comunica con el resto de las estaciones (esclavos o slaves) requiriendo de éstas una serie de acciones o datos.
3.8.8.1 El hardware.
Un sistema SCADA, a escala conceptual, está dividido en dos grandes bloques.
Captadores de datos: Recopilan los datos de los elementos de control del sistema (por ejemplo, autómatas, reguladores, registradores) y los procesan para su utilización. Son los servidores del sistema.
Utilizadores de datos: Los que utilizan la información recogida por los anteriores como pueden ser las herramientas de análisis de datos o los operadores del sistema son los clientes.
Mediante los clientes los datos residentes en los servidores pueden evaluarse, permitiendo realizar las acciones oportunas para mantener las condiciones nominales del sistema.
Mediante los denominados buses de campo, los Controladores de proceso (generalmente autómatas programables o sistemas de regulación) envían la información a los Servidores de datos (Data Servers), los cuales, a su vez, intercambian la información con niveles superiores del sistema automatizado a través de redes de comunicaciones de Área Local.
Elementos del sistema SCADA:
a) Interface Hombre-Máquina. Comprende los sinópticos y los sistemas de presentación gráfica. La función de un Panel Sinóptico es la de presentar, de forma
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simplificada, el sistema bajo control (un proceso de producción). Los paneles sinópticos actualmente se representan en un software de forma gráfica en pantallas de visualización de datos. En los sistemas complejos suelen aparecer los terminales múltiples, que permiten la visualización, de forma simultánea de varios sectores del sistema.
b) Unidad Terminal Maestra (MTU, Master Terminal Unit). También conocidas como servidores (host), que están basadas en una PC, y puede monitorear y controlar ciertos campos configurables cuando el operador no está presente, esto lo logra a través de esquemas calendarizados. Un MTU debe tener la capacidad de comunicarse con las RTUs.
Centraliza el mando del sistema. Se hace uso extensivo de protocolos abiertos, lo cual permite la interoperabilidad de multiplataformas y multisistemas. Un sistema de este tipo debe estar basado en estándares asequibles a bajo precio para cualquier parte interesada. De esta manera es posible intercambiar información en tiempo real entre centros de control y subestaciones situadas en cualquier lugar.
En el centro de control se realiza, principalmente, la tarea de recopilación y archivado de datos. Toda esta información que se genera en el proceso productivo se pone a disposición de los diversos usuarios que puedan requerirla. Realizando lo las siguientes tareas:
Gestionar las comunicaciones.
Recopilar los datos de todas las estaciones (RTU). Envío de información.
Comunicación con los operadores. Análisis.
Impresión.
Visualización de datos. Mando.
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c) Unidad Terminal Remota (RTU, Remote Terminal Unit). Son sistemas que realizan funciones de recepción y envío de mensajes y normalmente van acompañadas, en comunicaciones de una Unidad Terminal Maestra, de la cual reciben las señales para que la RTU efectúe las acciones de indicación y control.
Las RTU son similares a un PLC y están diseñados para recoger datos de la planta y comunicarse a un servidor usando telemetría (tal como radio, línea telefónica, o líneas alámbricas privadas de propósito general). Debido a la complejidad de estas tareas la mayoría de los RTU’s están basados en tecnología digital.
d) Sistema de Comunicación. El intercambio de información entre servidores y clientes se basa en la relación de productor-consumidor.
Los servidores de datos interrogan de manera cíclica a los elementos de campo, recopilando los datos generados por registradores, autómatas, reguladores de proceso, etc. Gracias a los controladores suministrados por los diferentes fabricantes y a su compatibilidad con la mayoría de los estándares de comunicación existentes, es posible establecer cualquier tipo de comunicación entre un servidor de datos y cualquier elemento de campo.
e) La Comunicación RTU-proceso. Comunicación entre los RTUs y los dispositivos de campo, normalmente es realizada a través de señales eléctricas de voltaje, corriente y frecuencia mediante conductores eléctricos.
3.8.9 El software.
a) Controladores (driver).
Un programa del tipo SCADA se ejecuta en un ordenador o terminal gráfico y unos programas específicos le permiten comunicarse con los dispositivos de control de planta
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(hacia abajo) y los elementos de gestión (hacia arriba). Estos programas son los que se denominan controladores (o driver) de comunicaciones.
Una parte propia del paquete (propia de terceros) contiene todos los controladores de comunicación entre una aplicación y el exterior, ocupándose de gestionar los enlaces de comunicación, tratamiento de la información a transferir y protocolos de comunicación.
El controlador o driver mostrado en la figura 3.43 realiza la función de traducción entre el lenguaje del programa SCADA y el autómata (PLC).
Figura 3.43. Configuración del controlador. b) Programa de desarrollo.
El programa de desarrollo engloba las utilidades relacionadas con la creación y edición de las diferentes ventanas de la aplicación, así como sus características (textos, dibujos,