Migración e implementación del sistema SCADA en los edificios Río Amazonas y Páez del Servicio de Rentas Internas de Quito

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(1)La versión digital de esta tesis está protegida por la Ley de Derechos de Autor del Ecuador.. Los derechos de autor han sido entregados a la “ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL” bajo el libre consentimiento de los autores.. Al consultar esta tesis deberá acatar con las disposiciones de la Ley y las siguientes condiciones de uso:. · Cualquier uso que haga de estos documentos o imágenes deben ser sólo para efectos de investigación o estudio académico, y usted no puede ponerlos a disposición de otra persona.. · Usted deberá reconocer el derecho del autor a ser identificado y citado como el autor de esta tesis.. · No se podrá obtener ningún beneficio comercial y las obras derivadas tienen que estar bajo los mismos términos de licencia que el trabajo original.. El Libre Acceso a la información, promueve el reconocimiento de la originalidad de las ideas de los demás, respetando las normas de presentación y de citación de autores con el fin de no incurrir en actos ilegítimos de copiar y hacer pasar como propias las creaciones de terceras personas.. Respeto hacia sí mismo y hacia los demás..

(2) ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA. MIGRACIÓN E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA SCADA EN LOS EDIFICIOS RÍO AMAZONAS Y PÁEZ DEL SERVICIO DE RENTAS INTERNAS DE QUITO. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTRÓNICA Y CONTROL. ANDRÉS SEBASTIÁN PÁEZ DELGADO [email protected] CARLOS VLADIMIR SUASNAVAS LAGOS [email protected]. DIRECTORA: ING. SILVANA DEL PILAR GAMBOA BENÍTEZ, MSc. [email protected] CO-DIRECTOR: ING. LUIS ALBERTO MORALES ESCOBAR, MSc. [email protected]. Quito, Octubre 2016.

(3) DECLARACIÓN. Nosotros, Andrés Sebastián Páez Delgado y Carlos Vladimir Suasnavas Lagos, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría, que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la ley de propiedad intelectual por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. Andrés Sebastián Páez Delgado. Carlos Vladimir Suasnavas Lagos.

(4) CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Andrés Sebastián Páez Delgado y Carlos Vladimir Suasnavas Lagos, bajo mi supervisión.. ________________________ Ing. Silvana Gamboa MSc. DIRECTORA DEL PROYECTO. ________________________ Ing. Luis Morales MSc. CO-DIRECTOR DEL PROYECTO.

(5) AGRADECIMIENTO A: Mis padres Rubén y Azucena, por todo el apoyo que me han brindado desde el comienzo de mi vida universitaria, pues siempre se han preocupado por mi bienestar y han sido el pilar fundamental para lograr terminar mis metas.. Mi hermano Rubén, por ser ese brazo amigo que siempre me cuida y me ayuda en todo lo que necesite pues a más de ser mi hermano es mi mejor amigo.. Cinthya, por compartir junto a mi todo el recorrido universitario, por apoyarme y siempre alentarme a cumplir mis sueños. Especialmente te agradezco por brindarme tu cariño y amor pues gracias a ello me he formado como una mejor persona.. Mis sobrinos Doménica y Rubén, por inspirar mis sueños y metas, gracias a ellos tengo una razón más para luchar día a día.. Mi hermana Cristina, aunque no se encuentre junto a mí, siempre recordaré sus mimos y cuidados, y su solo recuerdo me llena de energía para continuar y afrontar todos los problemas que se presenten.. Carlos, pues a pesar de todos los problemas que se nos presentaron siempre estuviste ahí para encontrar la mejor solución.. Todos los amigos de la EPN, siempre los llevaré en mi corazón y gracias a ustedes la vida universitaria fue muy amena y un tiempo inolvidable.. Agradezco especialmente a la Dra. Silvana Gamboa por su acertada dirección en el desarrollo del presente proyecto.. Agradezco a todo el personal del cuarto de control del SRI, por abrirnos las puertas y apoyarnos en todo lo que necesitábamos. Andrés Páez.

(6) AGRADECIMIENTO Dios, ente magnánimo que ha permitido la consecución de este logro, gracias por no soltarme de la mano a pesar de mis constantes desatinos.. Mi núcleo familiar, lo han sido todo, ¡infinitas gracias! Sus consejos, sus reprimendas, y sus mimos, me han definido como persona. Su sola presencia se ha convertido en el bálsamo que mi alma ha necesitado durante el trajinar politécnico.. Mi compañero de tesis, agradezco tu compromiso y dedicación para sacar a flote el proyecto de titulación. Auguro éxitos y felicidad en tu vida.. Mi directora de tesis, Ing. Silvana Gamboa, valoro profundamente su guía sabia y permanente.. Cuarto de control del SRI, lugar donde queda plasmado el proyecto de titulación, inmensas gracias a todos y cada uno de los miembros del estupendo equipo que conforman, por su apertura y acogida incondicional.. Amigos y familiares todos, gracias por los momentos de alegría y tristeza. Gracias a todos ellos que, a pesar de las vicisitudes de la vida, permanecieron junto a mí.. Carlos Suasnavas.

(7) DEDICATORIA. Con mucho cariño dedico este proyecto a: mis padres, mis hermanos, mis sobrinos y a Cinthya. Los Amo. Andrés.

(8) DEDICATORIA. A mis padres y hermana, un amor genuino.. Carlos.

(9) CONTENIDO RESUMEN .............................................................................................................. I PRESENTACIÓN ................................................................................................... II. CAPÍTULO 1 .......................................................................................................... 1 MARCO TEÓRICO ................................................................................................ 1 1.1 SERVICIO DE RENTAS INTERNAS (SRI) ................................................ 1 1.1.1 DIRECCIÓN DE TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN EN EL SRI 1 1.1.2 MODERNIZACIÓN DEL SISTEMA SCADA ........................................ 2 1.2 SISTEMA SCADA ...................................................................................... 4 1.2.1 DEFINICIÓN ....................................................................................... 4 1.2.2 PRESTACIONES DE UN SISTEMA SCADA [3].................................. 5 1.2.3 COMPONENTES DE UN SISTEMA SCADA [2].................................. 5 1.2.3.1 Instrumentación de Campo [2] .................................................... 6 1.2.3.2 Estaciones Remotas [2]............................................................... 6 1.2.3.3 Red de Comunicación [2] ............................................................ 7 1.2.3.4 Unidad Terminal Maestra [2] ..................................................... 11 1.2.3.5 Interfaz Hombre-Máquina [3] ..................................................... 11 1.3 INTERFACES DE COMUNICACIÓN ....................................................... 12 1.3.1 RS-232 [6] ......................................................................................... 12 1.3.2 RS-485 [6] ......................................................................................... 13 1.4 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN [9] ................................................ 14 1.4.1 TCP/IP [11] ....................................................................................... 16 1.4.2 MODBUS [12] ................................................................................... 17 1.4.2.1 Direccionamiento Modbus [14] .................................................. 20 1.4.2.2 Implementación Serial [12] ........................................................ 21 1.4.2.3 Implementación TCP [12] .......................................................... 22 1.4.3 NI-PSP [17] ....................................................................................... 23. CAPÍTULO 2 ........................................................................................................ 24 INGENIERÍA CONCEPTUAL............................................................................... 24 2.1 ANTECEDENTES TÉCNICOS ................................................................ 24 2.2 DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO ............................................... 24.

(10) 2.2.1 SISTEMA DE TRANSFERENCIA AUTOMÁTICA DE ENERGÍA ELÉCTRICA ................................................................................................. 25 2.2.1.1 Sistema de Transferencia Automática de Energía Eléctrica – Agencia Páez .......................................................................................... 26 2.2.1.2 Sistema de Transferencia Automática de Energía Eléctrica – Agencia Amazonas .................................................................................. 29 2.2.2 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE ENERGÍA ELÉCTRICA ................................................................................................. 32 2.2.2.1 Sistema de Alimentación Ininterrumpida de Energía Eléctrica – Agencia Páez .......................................................................................... 34 2.2.2.2 Sistema de Alimentación Ininterrumpida de Energía Eléctrica – Agencia Amazonas .................................................................................. 35 2.2.3 SISTEMA DE AIRE ACONDICIONADO DE PRECISIÓN – AGENCIA PÁEZ 36 2.2.4 SISTEMA DE DETECCIÓN DE INCENDIOS – AGENCIA PÁEZ ...... 39 2.2.5 SISTEMA DE CONTROL DE ILUMINACIÓN .................................... 42 2.2.5.1 Sistema de Control de Iluminación – Agencia Páez .................. 42 2.2.5.2 Sistema de Control de Iluminación – Agencia Amazonas ......... 44 2.3 REQUERIMIENTOS TÉCNICOS DEL SCADA .................................... 46 2.4 ARQUITECTURA DEL SISTEMA ........................................................ 46 2.4.1 NIVELES DE OPERACIÓN [20] ........................................................ 46 2.4.1.1 Nivel 0 ....................................................................................... 48 2.4.1.2 Nivel 1 ....................................................................................... 48 2.4.1.3 Nivel 2 ....................................................................................... 48. CAPITULO 3 ........................................................................................................ 51 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA.................................................. 51 3.1 INGENIERÍA BÁSICA .............................................................................. 51 3.1.1 SOFTWARE DE MONITOREO Y CONTROL ................................... 51 3.1.1.1 LabVIEW [22] - [23] ................................................................... 51 3.1.1.2 Módulo DSC .............................................................................. 55 3.1.2 GUÍA DE DISEÑO DE UN HMI CON LABVIEW ................................ 56 3.1.2.1 Creación de Servidores de E/S ................................................. 56.

(11) 3.1.2.2 Creación de Base de Datos (Citadel) [28] ................................. 57 3.1.2.3 Alarmas y Eventos..................................................................... 62 3.1.2.4 Conversor virtual de interfaces .................................................. 64 3.2 INGENIERÍA DE DETALLE ..................................................................... 65 3.2.1 ADQUISICIÓN Y ENVÍO DE DATOS EN LABVIEW .......................... 65 3.2.2 PLANTILLA PARA EL DESARROLLO DE INTERFACES ................. 70 3.2.3 NOMENCLATURA DE TAGS ........................................................... 73 3.2.4 DESARROLLO DE LA INTERFAZ DE OPERADOR ......................... 73 3.2.4.1 Sistema de Transferencia Automática de Energía Eléctrica Agencia Páez .......................................................................................... 73 3.2.4.2 Sistema de UPS Agencia Páez ................................................. 87 3.2.4.3 Sistema de Aire Acondicionado de Precisión en la Agencia Páez del SRI 92 3.2.4.4 Sistema de Detección de Incendios en la Agencia Páez del SRI 111 3.2.4.5 Sistema de Control de Iluminación en la Agencia Páez del SRI 115 3.2.4.6 Sistema de Transferencia Automática de Energía Eléctrica de la Agencia Amazonas del SRI ................................................................... 122 3.2.4.7 Sistema de UPS de la Agencia Amazonas del SRI. ................ 123 3.2.4.8 Sistema de Control de Iluminación en la Agencia Amazonas del SRI. 124. 3.2.5 GENERACIÓN AUTOMÁTICA DE REPORTES ............................. 128. CAPÍTULO 4 ...................................................................................................... 131 PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................. 131 4.1 INTERFACES REALIZADAS ................................................................. 131 4.2 PROTOCOLO DE PRUEBAS ................................................................ 136 4.3 RESULTADOS ...................................................................................... 136 4.3.1 PARÁMETROS DE COMUNICACIÓN ............................................ 137 4.3.2 PARÁMETROS DE MONITOREO .................................................. 138 4.3.2.1 Sistema de Aire Acondicionado de Precisión .......................... 139 4.3.2.2 Sistema de Detección de Incendios ........................................ 139.

(12) 4.3.2.3 Sistema de Transferencia Automática ..................................... 140 4.3.2.4 Sistema de UPS ...................................................................... 141 4.3.2.5 Sistema de Control de Iluminación .......................................... 142 4.3.3 PARÁMETROS DE CONTROL....................................................... 143 4.3.4 HISTÓRICOS, ALARMAS, Y EVENTOS ........................................ 147 4.4 EVALUACIÓN DE LAS ESTACIONES DE TRABAJO ........................... 149 4.5 COMPLEMENTOS ................................................................................ 151. CAPÍTULO 5 ...................................................................................................... 152 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ..................................................... 152 5.1 CONCLUSIONES .................................................................................. 152 5.2 RECOMENDACIONES.......................................................................... 154. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................. 156 ANEXOS ............................................................................................................ 159.

(13) i. RESUMEN El objetivo del presente proyecto consiste en migrar el sistema SCADA de los edificios Río Amazonas y Páez del SRI, a LabVIEW 2014.. Se realiza la ingeniería conceptual, básica, y de detalle, para la implementación del proyecto; de tal manera que se establezca un modelo referencial de diseño de sistemas SCADA utilizando LabVIEW.. Los sistemas que abarca el proyecto son:. ·. Sistema de transferencia automática de energía eléctrica en la agencia Páez del SRI.. ·. Sistema de transferencia automática de energía eléctrica en la agencia Amazonas del SRI.. ·. Sistema de alimentación ininterrumpida de energía eléctrica en la agencia Páez del SRI.. ·. Sistema de alimentación ininterrumpida de energía eléctrica en la agencia Amazonas del SRI.. ·. Sistema de control de iluminación en la agencia Páez del SRI.. ·. Sistema de control de iluminación en la agencia Amazonas del SRI.. ·. Sistema de detección de incendios en la agencia Páez del SRI.. ·. Sistema de aire acondicionado de precisión en la agencia Páez del SRI.. El módulo DSC de LabVIEW es la herramienta que se utiliza para generar la base de datos, gráfico histórico, gestor de alarmas y eventos, y servidor de entradas y salidas que permitirán establecer la comunicación con las diferentes estaciones remotas involucradas en el sistema SCADA..

(14) ii. PRESENTACIÓN El presente proyecto consta de cinco capítulos, referencias bibliográficas y anexos. A continuación, se describe cada uno de ellos.. En el Capítulo 1, se desarrolla el marco teórico del proyecto. En primera instancia se mencionan los antecedentes, la situación actual, y las necesidades del SRI; y, en segundo lugar, se realiza una descripción teórica de los sistemas SCADA, interfaces de comunicación, y protocolos de comunicación que se utilizarán en el proyecto.. En el Capítulo 2, se presenta la ingeniería conceptual del proyecto. Se mencionan los antecedentes y requerimientos técnicos, se detalla el funcionamiento que deberá tener el sistema SCADA, y se establece la arquitectura de comunicación de cada uno de los sistemas intervenidos.. En el Capítulo 3, se desarrolla la ingeniería básica y de detalle del proyecto. Dentro de la ingeniería básica se describe el software que se utiliza para implementar el sistema SCADA y se establece una guía de diseño de HMIs con LabVIEW para futuros trabajos que realice el SRI.. En la ingeniería de detalle se describe el desarrollo de cada una de las interfaces realizadas, configuración de protocolos, programación, y diseño de las interfaces gráficas para cada uno de los subsistemas que compone el proyecto.. En el Capítulo 4, se muestran las pruebas a las que fue sometido el sistema SCADA, con el fin de comprobar su correcto funcionamiento y los resultados que se obtuvieron.. En el Capítulo 5, se presenta las conclusiones y recomendaciones que resultan de la implementación del presente proyecto..

(15) 1. CAPÍTULO 1 MARCO TEÓRICO 1.1. SERVICIO DE RENTAS INTERNAS (SRI). Sin restar importancia a ninguna de las áreas involucradas en el proceso del SRI, es preciso resaltar que este proyecto está enmarcado exclusivamente dentro del área tecnológica de la institución, precisamente dentro de la Dirección de Tecnologías de la Información del SRI.. 1.1.1 DIRECCIÓN DE TECNOLOGÍAS DE LA INFORMACIÓN EN EL SRI La Dirección de Tecnologías de la Información tiene como objetivo, proveer eficaz y eficientemente a la administración tributaria asesoría y servicios tecnológicos de calidad que faciliten el cumplimiento de la misión y visión institucional, a través de la investigación, implementación, y operación de soluciones tecnológicas innovadoras basados en las mejores prácticas de la industria. Esta dirección tiene a su cargo los siguientes departamentos:. ·. Departamento de Planificación.. ·. Departamento de Desarrollo.. ·. Departamento de Infraestructura y Operaciones.. ·. Departamento de Seguridad Informática.. Dentro de las múltiples tareas de la Dirección en mención, se tiene el gestionar y controlar la vasta cantidad de información y tránsito de datos que posee la institución. Para solventar este requerimiento, el Departamento de Seguridad Informática ha instaurado centros de cómputo o centros de datos (cuentan con todos los servicios auxiliares, entre ellos, el sistema de aire acondicionado de precisión) que se encuentran estratégicamente ubicados en las principales ciudades del país; es así que, en la ciudad de Quito, específicamente en la agencia Páez, yace el centro de datos de la región sierra..

(16) 2. Además, al Departamento de Infraestructura y Operaciones se le ha encargado la seguridad de los edificios y, la continua disponibilidad de los servidores en el centro de datos y de los computadores de los funcionarios en todos los edificios de la institución. Para hacer frente a esta tarea, se ha instalado sistemas de transferencia automática con la red eléctrica de la EEQ, sistemas de UPS, y sistemas contra incendios, en las principales agencias de la capital y el país.. Adicionalmente, el ahorro energético es un factor preponderante pues incide en las cuentas por pagar de la institución. Por tal motivo, el Departamento de Planificación y Desarrollo ha dispuesto la creación de un sistema que controle la iluminación de los edificios, tanto por zonas como por horarios, posibilitando que las zonas en las que incide directamente la luz natural se vean vetadas de iluminación artificial, por citar uno de los criterios que se tomarán en cuenta en el sistema de control de iluminación.. 1.1.2 MODERNIZACIÓN DEL SISTEMA SCADA El control y supervisión de los sistemas mencionados líneas arriba, dada la relevancia que adquieren para con el normal funcionamiento de los procesos en la institución, han sido concentrados en varias estaciones de trabajo que forman parte del sistema SCADA del SRI. El monitoreo y control se realiza desde el cuarto de control de la agencia Páez del Servicio de Rentas Internas. El sistema SCADA fue desarrollado con la plataforma Lookout de National Instruments, que trabaja sobre Windows XP y, se ha mantenido operativo desde el año 2002.. Ha transcurrido más de una década desde que se instauró este sistema de monitoreo y control, y son varias las limitaciones que se evidencian:. ·. Microsoft suspendió el soporte respecto al sistema operativo Windows XP (necesario para que corra Lookout) desde el segundo trimestre de 2014. [1]. ·. La licencia adquirida del software Lookout limita el número de tags o variables a 100, imposibilitando la creación de programas extensos, y como se mencionó.

(17) 3. previamente, en el sistema de iluminación se requiere añadir un control por horarios y zonas.. ·. El transcurrir del tiempo deriva lamentablemente en obsolescencia tecnológica, nuevas tecnologías y soluciones emergen vertiginosamente; por ello, instituciones que se mantienen a la vanguardia evitando el rezago tecnológico, y que entienden el potencial de la tecnología en los procesos de una empresa, se verán en la obligación de modernizar y actualizar su hardware y software periódicamente.. Una vez definida y analizada la problemática, la entidad da luz verde para ejecutar un proyecto de modernización del sistema de monitoreo y control de las agencias Páez y Amazonas del SRI. La agencia Páez está compuesta por 2 torres: Edificio 655 y Edificio 657. En la Tabla 1.1, se detallan los pisos de estos edificios. Tabla 1.1. Distribución de pisos agencia Páez Edificio Páez – 655 Edificio Páez – 657 Subsuelo. Planta Baja. Planta Baja. Primer Piso. Primer Piso. Segundo Piso. Segundo Piso. Tercer Piso. Tercer Piso Cuarto Piso Quinto Piso Sexto Piso Séptimo Piso Octavo Piso Noveno Piso. Mientras que, la agencia Amazonas está compuesta por un solo edificio, sus pisos se muestran en la Tabla 1.2..

(18) 4. Tabla 1.2. Distribución de pisos agencia Amazonas Edificio Amazonas Subsuelo Planta Baja Altillo Mezanine Primer Piso. El software con el que se realizará la migración del sistema SCADA es LabVIEW 2014 de National Instruments y se acordó incluir 8 sistemas.. 1.2 SISTEMA SCADA 1.2.1 DEFINICIÓN SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) es un acrónimo en inglés cuyo significado traducido al español resume las funciones de este sistema: adquisición de datos, supervisión, y control. Un SCADA es un sistema usado para controlar procesos geográficamente dispersos, a menudo separados cientos de kilómetros, donde la adquisición de datos y el control centralizado resulta crítico en la operación del sistema. Un sistema SCADA lleva a cabo el monitoreo y control centralizado a través de redes de comunicación de largo alcance, incluyendo el monitoreo de alarmas y el procesamiento de datos. En definitiva, la característica inherente a un sistema SCADA es la adquisición de datos y el control desde y hacia locaciones remotas.. Un sistema SCADA realiza las siguientes acciones en orden cronológico:. ·. Adquisición de datos de variables del proceso.. ·. Transferencia de los datos recolectados a un sitio central.. ·. Despliegue de la información en interfaces gráficas, habilitando al operador a ejecutar tareas de supervisión.. ·. Si es menester: procesamiento y análisis de datos, para ejecutar tareas automáticas de supervisión.. ·. En los casos que se requiera, se habilita el envío de comandos de control..

(19) 5. Es preciso resaltar que el control que realiza un sistema SCADA puede ser automático o a su vez, iniciado manualmente por comandos del operador.. En una definición sucinta de sistema SCADA se puede mencionar que se trata de la combinación entre un sistema de telemetría1 y un sistema de adquisición de datos para habilitar la supervisión y control de un proceso. [2]. 1.2.2 PRESTACIONES DE UN SISTEMA SCADA [3] Las principales prestaciones de un sistema SCADA son las siguientes:. ·. Monitorización o supervisión del proceso.. ·. Mando o ejecución de acciones de control.. ·. Alarmas y eventos.. ·. Gráficos históricos.. ·. Base de datos.. 1.2.3 COMPONENTES DE UN SISTEMA SCADA [2] Los componentes de un sistema SCADA son los siguientes:. ·. Instrumentación de campo. ·. Estaciones remotas. ·. Red de comunicación. ·. Unidad Terminal Maestra. ·. Interfaz Hombre-Máquina. En la Figura 1.1, se observan de derecha a izquierda los componentes de un sistema SCADA: se inicia con la instrumentación de campo a través de sensores o. 1. Telemetría: Técnica usada para recibir o transmitir información desde locaciones remotas a la. ubicación donde se centraliza los datos. La información puede ser mediciones como voltaje, corriente, flujo, etc. Se necesita un medio de transmisión: cable, teléfono, radio. La información proviene de múltiples lugares, los cuales podrán ser direccionados individualmente..

(20) 6. actuadores, a continuación, están las estaciones remotas, las redes de comunicación, la unidad terminal maestra, y se culmina con el HMI.. Figura 1.1. Componentes de un sistema SCADA [4]. 1.2.3.1 Instrumentación de Campo [2] La instrumentación de campo hace referencia a los dispositivos conectados a las unidades o equipos a ser controlados y monitoreados por el sistema SCADA. Estos dispositivos pueden ser sensores para medición de variables; y actuadores, para controlar variables del proceso. Los sensores generan las señales eléctricas analógicas o discretas que serán adquiridas a través de la estación remota, mientras que los actuadores reciben señales eléctricas analógicas o discretas a través de la estación remota para efectuar determinado control.. 1.2.3.2 Estaciones Remotas [2] La instrumentación de campo, asociada con la planta a ser monitoreada y controlada, es conectada a la estación remota que cumple la función de recolectar datos desde ubicaciones remotas del proceso y transferir esta información hacia la estación central, así también se encarga de convertir comandos enviados desde la estación central en señales para los actuadores, habilitando la manipulación de los componentes del proceso ubicados en estos sitios remotos. La estación remota puede ser una RTU, un PLC, o un IED..

(21) 7. 1.2.3.2.1 RTU [2] La RTU (Unidad Terminal Remota) es una computadora robusta con capacidad de comunicación, ya sea radio, Ethernet, etc. Es usada en situaciones donde la comunicación se torna difícil debido a las largas distancias. Una desventaja de la RTU es su limitada capacidad de programación, sin embargo, RTUs modernas ofrecen capacidad de programación comparable con la de un PLC.. 1.2.3.2.2 PLC [2] El PLC (Controlador Lógico Programable) es un computador industrial propuesto para reemplazar los tableros de control en base a relés que eran usados inicialmente para el control de una planta o proceso. Actualmente, el PLC está siendo utilizado en sistemas SCADA debido a la flexibilidad que presta para adaptarse a cualquier proceso debido a su excelente capacidad de programación. Hace algunos años, los PLCs carecían de capacidad de comunicación para transmitir datos hacia localidades remotas a su ubicación, pero con el transcurrir del tiempo esta propiedad ha sido integrada a los PLCs, por lo que en la actualidad es práctica común el uso de PLCs para la tarea de adquisición de datos en sistemas SCADA.. 1.2.3.2.3 IED [2] Un IED (Dispositivo Electrónico Inteligente) es un dispositivo programable basado en microprocesador, diseñado para ejecutar tareas específicas de un proceso; debido a que incluye capacidades de comunicación se ha extendido su uso en la adquisición de datos en aplicaciones de monitoreo y/o control, incluyendo sistemas SCADA.. 1.2.3.3 Red de Comunicación [2] La red de comunicación es el medio por el cual se intercambia información entre los dispositivos que integran el sistema SCADA. La transferencia puede ser vía línea telefónica, radio, o cable, entre otros.. La comunicación a través de cable es comúnmente implementada en procesos donde la distancia geográfica entre componentes, no superan ciertos límites que.

(22) 8. perjudiquen a la comunicación. Por el contrario, para procesos que abarcan grandes áreas geográficas, se evita la comunicación a través de cable debido al elevado costo de los conductores y a la ardua tarea que supone su instalación.. Utilizar líneas telefónicas (dedicadas o conmutadas) es una solución económica para procesos extendidos en áreas geográficas grandes. Las líneas dedicadas son usadas para sistemas que requieren conexión en línea con estaciones remotas, pero esto resulta costoso pues se necesitaría una línea telefónica por punto que se desee interconectar. En cambio, las líneas conmutadas son menos costosas que las dedicadas y pueden ser usadas en sistemas que requieren actualizaciones por intervalos de tiempo.. En aplicaciones donde los lugares remotos no son accesibles a través de líneas telefónicas, el uso de radio ofrece una solución económica ante esta situación. Módems de radio se utilizan para interconectar dispositivos en sitios remotos con la estación central.. 1.2.3.3.1 Topologías de Red [2] Existen dos topologías de red típicas para sistemas SCADA, ellas son: punto a punto y punto-multipunto.. 1.2.3.3.1.1 Topología Punto a Punto [2] La topología punto a punto es la configuración más simple para un sistema de telemetría, en esta configuración los datos son intercambiados entre dos estaciones. Una estación puede disponerse como el maestro y la otra como el esclavo.. 1.2.3.3.1.2 Topología Punto-Multipunto [2] La topología punto-multipunto es aquella donde un dispositivo es designado como la unidad maestra para varios dispositivos esclavos. El maestro es generalmente el host principal y está localizado en el cuarto de control, mientras que los esclavos son las unidades remotas ubicadas en sitios remotos, valga la redundancia. A cada esclavo se le asigna una dirección única o número de identificación..

(23) 9. 1.2.3.3.1.3 Otras Topologías Además, existen topologías usadas con menos frecuencia en relación a las descritas anteriormente, estas son: tipo serie y serie-estrella. En la Figura 1.2, se muestra con claridad un esquema que contiene las topologías básicas de un sistema SCADA.. Figura 1.2. Topologías básicas de comunicación en un sistema SCADA [5]. 1.2.3.3.2 Tipos de Comunicación [2] Hay dos tipos de comunicación disponibles que se denominan: sistema ininterrumpido y sistema interrumpido.. 1.2.3.3.2.1 Sistema Ininterrumpido [2] En el sistema ininterrumpido, conocido también como sistema maestro/esclavo, el maestro tiene total control de la comunicación. El maestro realiza una consulta constante del conjunto de datos (envía y recibe datos) de cada uno de los esclavos de manera secuencial. El esclavo responde únicamente cuando recibe un requerimiento, este tipo de comunicación se conoce como half-duplex. Cada esclavo tendrá una dirección exclusiva para una correcta identificación. Si el esclavo no responde durante un período de tiempo predeterminado, el maestro reintenta comunicarse algunas veces antes de continuar la consulta con el siguiente esclavo.. Entre las ventajas de este tipo de comunicación se tiene:.

(24) 10. ·. El proceso de recopilación de datos es bastante simple.. ·. No hay manera de que se produzcan colisiones en la red.. ·. Una falla de enlace puede ser fácilmente detectada.. Entre las desventajas de este tipo de comunicación se tiene:. ·. Solicitudes de esclavos no pueden ser atendidas inmediatamente.. ·. El tiempo de espera se incrementa con el número de esclavos.. ·. Todas las comunicaciones entre esclavos tienen que pasar a través del maestro.. 1.2.3.3.2.2 Sistema Interrumpido [2] En el sistema interrumpido, conocido también como reporte por excepción, el esclavo monitorea sus entradas. Cuando se detecta un cambio significativo o se excede un límite, el esclavo inicia comunicación con el maestro y transfiere información. Este sistema está diseñado con detección de errores y recuperación del proceso para hacer frente con las colisiones. Antes de que alguna unidad transmita, ésta debe revisar si alguna otra está transmitiendo. Si otra unidad está transmitiendo, existe un tiempo de espera antes de volver a intentar la comunicación. Excesivas colisiones se traducen en una operación errática y en una posible falla del sistema; por tal razón, si después de varios intentos el esclavo aún falla en transmitir el mensaje para el maestro, el esclavo finalmente espera hasta ser consultado por el maestro.. Entre las ventajas de este tipo de comunicación se tiene:. ·. Reducción de transferencia innecesaria de datos.. ·. Detección inmediata de información urgente.. ·. Se posibilita la comunicación esclavo a esclavo.. Entre las desventajas de este tipo de comunicación se tiene:. ·. El maestro solo podrá detectar una falla de enlace después de un período de tiempo, que es, cuando el sistema es consultado..

(25) 11. ·. Las colisiones están presentes y podrían causar retardo en la comunicación.. 1.2.3.4 Unidad Terminal Maestra [2] La unidad terminal maestra (MTU, por sus siglas en inglés) tiene como función recolectar la información adquirida por las estaciones remotas, habilitándola a tener el conocimiento del proceso en forma global; además, está en la capacidad de usar esta información para generar acciones de control automáticas sobre el proceso ante un evento pre configurado en la MTU. Entre sus funciones también se encuentra el habilitar los datos adquiridos para ser mostrados en las interfaces hombre-máquina, adicionalmente puede realizar el almacenamiento temporal de algunos de los datos adquiridos. Dependiendo de los requerimientos del proceso objeto de supervisión y control, las funciones de la MTU pueden ser ejecutadas por una computadora o por un grupo de éstas. Asimismo, las facilidades de comunicación y programación de los actuales PLCs, han llevado a que estos también puedan desempeñar las funciones de MTU.. 1.2.3.5 Interfaz Hombre-Máquina [3] Una interfaz hombre-máquina (HMI, por sus siglas en inglés) es una aplicación de software que estará ejecutándose en la computadora que cumple la función de estación de operador. Su función es mostrar una representación gráfica del proceso supervisado a través de pantallas, facilitando una sencilla identificación del estado del sistema real.. Cada entrada o salida de las unidades remotas puede ser desplegada en pantalla con su correspondiente representación gráfica. Parámetros de set-point pueden ser ingresados en el entorno del HMI y descargados en las respectivas unidades remotas para actualizar parámetros de operación.. El HMI puede además crear una ventana diferenciada para alarmas, donde se despliega el nombre de la alarma, el valor, la descripción, la fecha, la hora, e información pertinente adicional. Todas las alarmas se guardarán en un archivo por separado para una revisión posterior..

(26) 12. Se podrá programar un gráfico histórico para puntos o variables sensibles del sistema. Estos gráficos podrán ser visualizados en cualquier instante.. También se generan reportes o registros históricos basados en: una hora específica del día, cada cierto tiempo, bajo pedido del operador, o al producirse una alarma.. 1.3 INTERFACES DE COMUNICACIÓN 1.3.1 RS-232 [6] Es una interfaz de comunicación serial bastante difundida que fue propuesta por la EIA en la década de 1960.. El estándar RS-232 fue propuesto como interfaz para enlazar un equipo DTE (Data Terminal Equipment) y un equipo DCE (Data Circuit Terminating Equipment) a través de un intercambio binario de datos serial. En particular, RS-232 fue desarrollado para interconectar terminales de datos con módems.. El estándar ha definido que un valor de voltaje entre -3 [V] y -25 [V] representa “1 lógico”; mientras que un voltaje entre +3 [V] y +25 [V] representa “0 lógico” (Ver Figura 1.3). Voltajes entre -3 [V] y +3 [V] se descartan, de tal manera que exista una ventana o barrera para que señales espurias, ruido, por ejemplo, no sean catalogadas como “1 lógico” o “0 lógico”.. La configuración del transmisor y receptor es del tipo terminal único (single-ended) con una referencia a tierra.. Figura 1.3. Niveles de Voltaje para el Protocolo RS-232 [7].

(27) 13. El cable por el que se transmitirá la información puede ser simplemente un par de hilos paralelos o un par trenzado. La longitud del cable determina la máxima tasa de transmisión de datos y generalmente no debería exceder de 15 metros. Velocidades típicas de transmisión de datos son: 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, y 115200 bits por segundo. La operación de este protocolo es de tipo fullduplex, es decir, la transmisión y recepción de datos puede ser simultánea.. Los datos son a menudo caracteres ASCII, pero ninguna palabra o dato que supere los 8 bits podrá ser transmitido. El UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) puede ser configurado para manejar distintos tamaños de palabras (de 5 a 8 bits), para añadir 1, 1.5, o 2 bits de parada, y para incluir bits de paridad.. 1.3.2 RS-485 [6] Al igual que RS-232, el estándar RS-485 fue definido por la EIA/TIA. Este protocolo define no solo un interfaz dispositivo a dispositivo, sino un bus de comunicaciones que puede ser usado para formar redes simples de múltiples dispositivos (Ver Figura 1.4). El estándar especifica un máximo de 32 usuarios.. RS-485 especifica señalización diferencial sobre dos líneas (en la especificación del estándar se utilizan las letras A y B para denominar a las líneas). Un “1 lógico” es un nivel de voltaje diferencial menor a -200 [mV] con límite de -6 [V], mientras que un “0 lógico” es un nivel de voltaje mayor a +200 [mV] con límite de +6 [V]. Ruido en el rango de ±200 [mV] es esencialmente bloqueado. La disposición diferencial produce una cancelación efectiva del ruido en modo común.. El estándar para el medio de transmisión dictamina cable par trenzado #22 o #24 AWG. Dos hilos son lo mínimo, pero un tercero como referencia puede usarse. Cuatro hilos pueden utilizarse también en el caso de requerir operación full-dúplex.. La longitud del cable define la tasa máxima de transmisión de datos, pero debido a los bajos niveles lógicos de voltaje y a la conexión diferencial, las tasas de transmisión pueden exceder fácilmente los 10 Mbits/s. La longitud máxima del cable.

(28) 14. se define en 1200 metros, siendo su típica velocidad de transmisión 100 Kbits/s, según EIA/TIA.. Figura 1.4. Bus RS-485 a 2 hilos [8]. 1.4 PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN [9] Los protocolos de comunicación son convenciones, acuerdos, o normativas que se deben seguir a cabalidad para establecer comunicación entre dos o más equipos. Existen muchos protocolos con tareas diversas dentro del campo de las redes de comunicación, conviene entonces organizarlos por capas o por niveles para facilitar la comprensión. Son 2 modelos de arquitectura de red a los que se hace referencia hoy en día: el modelo OSI y el modelo ARPA o TCP/IP.. El modelo TCP/IP hace referencia a un conjunto de protocolos que constituyen el motor de la Internet2 y redes en general a nivel mundial. Su simplicidad y potencial han convertido a TCP/IP en el protocolo más utilizado hoy en día.. TCP/IP es modelado en capas, pues esta división en capas trae consigo varias ventajas: repartición equitativa de tareas, facilita la implementación y testeo de código, y la posibilidad de desarrollar capas alternativas. Una capa provee de un servicio a la capa ubicada encima o en el inmediato nivel superior y, asimismo, hace. 2. Las palabras internetwork e internet son simplemente una contracción de la frase ‘interconnected network’ (red interconectada). Sin embargo, cuando se escribe con mayúscula ‘I’, la Internet se refiere al conjunto de redes interconectadas a nivel mundial. Fuente: https://www.redbooks.ibm.com/redbooks/pdfs/gg243376.pdf, pág 30..

(29) 15. uso de servicios provistos por la capa ubicada debajo o en el inmediato nivel inferior. Estas capas son:. ·. Capa de Aplicación: Esta capa se convierte en el espacio de interacción entre el usuario y la PC. Maneja aspectos de representación, codificación, y control de diálogo. Ejemplos de aplicaciones incluyen a Telnet, Protocolo de Transferencia de Archivos (FTP, por sus siglas en inglés), etc.. ·. Capa de Transporte: Esta capa se encarga de la entrega de datos desde una aplicación. hasta. su. par. remoto.. Múltiples. aplicaciones. se. admiten. simultáneamente de ser el caso. El protocolo más usado en la capa de transporte es el TCP que entre sus cualidades permite una entrega confiable de datos, suprime datos duplicados, controla el flujo de datos y posibles congestiones. Otro protocolo de capa de transporte es el Protocolo de Datagrama de Usuario (UDP, por sus siglas en inglés), que resulta menos confiable que TCP al no establecer conexión, sin embargo, es utilizado por aplicaciones que necesitan un mecanismo de transporte rápido y pueden tolerar la pérdida de cierta cantidad de información.. ·. Capa de Internet: Esta capa es la responsable del direccionamiento, encapsulamiento, y funciones de enrutamiento. El Protocolo de Internet (IP) es el más importante en esta capa, se trata de un protocolo sin conexión que no provee fiabilidad, control de flujo, o recuperación de errores; dichas funciones las proveen niveles o capas superiores. Un mensaje en una red IP se denomina datagrama IP, ésta es la unidad básica de información transmitida a través de las redes TCP/IP.. ·. Capa de Acceso a la Red: Esta capa resulta ser la interfaz para con el hardware de la red. Esta interfaz podría como no podría realizar una entrega fiable de información, de hecho, TCP/IP no especifica ningún protocolo en esta capa (tan solo estandariza la manera en que los protocolos accederán a la capa de Internet), pero se puede utilizar casi todas las interfaces de red disponibles, factor que pone en evidencia la flexibilidad de la capa de internet..

(30) 16. En la Figura 1.5, se muestra las capas de las que se compone el modelo TCP/IP con los respectivos protocolos por capa. Además, en la Figura 1.6, se aprecia una comparación e interrelación entre el modelo OSI (modelo referencial en el estudio de arquitectura de redes) y el modelo TCP/IP.. Figura 1.5. Capas del Modelo TCP/IP [10]. Figura 1.6. Correspondencia del Modelo OSI con TCP/IP [11]. Entre los protocolos que se utilizan en el desarrollo del presente proyecto, se encuentran los siguientes:. 1.4.1 TCP/IP [11] El Protocolo de Control de Transmisión (TCP, por sus siglas en inglés) y el Protocolo de Internet (IP, por sus siglas en inglés) son 2 de los protocolos más importantes del modelo ARPA, y es por ello que usualmente a este modelo de arquitectura de red se lo conoce como TCP/IP. TCP está ubicado en la capa de.

(31) 17. transporte (capa 4) del modelo OSI o en la capa de transporte (capa 3) del modelo ARPA, mientras que IP está ubicado en la capa de red (capa 3) del modelo OSI o en la capa de internet (capa 2) del modelo ARPA.. El principal objetivo de TCP/IP fue crear una interconexión de redes, lo que se conoce como internet o internetwork, siendo un beneficio evidente el habilitar la comunicación entre hosts de diferentes redes, incluso si se encuentran separados largas distancias.. Para identificar a un host dentro de la internetwork, a cada host le es asignada una dirección, denominada dirección IP. Cuando un host tiene múltiples interfaces de red, cada interfaz tendrá una dirección IP única. Las direcciones IP constan de 2 partes: número de red y número de host.. 1.4.2 MODBUS [12] Modbus es un protocolo serial (RS-232 o RS-485) de capa de aplicación, basado en la arquitectura cliente/servidor. Fue desarrollado por Modicon en 1979 y es usado principalmente en aplicaciones industriales.. Modbus es un protocolo de petición/respuesta y ofrece servicios especificados por códigos de función. Estos códigos de función son elementos de los PDUs (Unidad de Datos de Protocolo) de Modbus.. El protocolo Modbus tiene el mecanismo de acceso al medio maestro/esclavo, donde el maestro inicia el proceso comunicación al enviar un código de función que representa el tipo de transacción a efectuarse. Las transacciones pueden ser una petición de datos al esclavo o una orden al esclavo para que lleve a cabo alguna acción. El proceso de comunicación básico se muestra en la Figura 1.7.. Figura 1.7. Proceso de comunicación básico en Modbus [12].

(32) 18. Los mensajes intercambiados entre maestro y esclavo se denominan tramas. Existen dos tipos de tramas Modbus: PDU (Unidad de Datos de Protocolo) que es la unidad de datos a nivel de capa de aplicación y ADU (Unidad de Datos de Aplicación) que es la unidad de datos a nivel de la capa de enlace de datos (Ver Figura 1.8). Las tramas PDU contienen un código de función seguido por datos. El código de función representa la acción a llevar a cabo y los datos constituyen la información que se usará en dicha acción. Las tramas ADU por su parte, añaden campos relacionados con las funciones de la capa de enlace de datos, con un campo extra de dirección adicional y proveyendo además verificación de errores.. Figura 1.8. Trama Modbus general [13]. Las acciones que se realizan están encaminadas a leer o escribir a un conjunto de 4 tipos de datos:. ·. Contacts (Entradas Discretas): Representan un único bit (variable booleana) el cual solo puede ser leído, es decir, el maestro tan solo puede realizar una acción de lectura sobre las entradas discretas.. ·. Input Registers (Registros de Entrada): El maestro solo puede leer los registros de entrada del esclavo. La diferencia con las entradas discretas radica en que estos registros de entrada representan 16 bits.. ·. Holding Registers (Registros de Retención): Son registros de escritura, es decir, salidas desde el maestro. Estos registros representan una palabra de 16 bits que puede ser leída además de ser escrita.. ·. Coils (Bobinas): Representan variables de tipo booleano que pueden ser leídas o escritas por el maestro.. Como se mencionó anteriormente, el tipo de acción que el esclavo efectúa está definida por un código de función. Por ejemplo, si el maestro requiere leer cierta entrada discreta, éste enviará un código de función 0x02 seguido de la dirección de.

(33) 19. la entrada discreta deseada. El esclavo leerá el código 0x02 y entenderá que el maestro busca una entrada discreta. El esclavo recuperará la entrada discreta correspondiente a la dirección dada y contestará al maestro.. Existen 3 tipos principales de códigos de función: públicos, definidos por el usuario, y reservados. Debido a que los códigos de función públicos están validados, ampliamente documentados, y tienen disponibilidad de pruebas de conformidad por la comunidad MODBUS-IDA.org, son estos códigos de función los que mayoritariamente se implementan en los dispositivos Modbus. Cada uno de los códigos de función públicos están asociados con una función claramente definida. Un resumen de los códigos de función públicos se presenta en la Figura 1.9.. Figura 1.9. Códigos de función públicos [12]. En el ejemplo anterior, se utilizó el código de función 0x02 para leer entradas discretas. Ahora se analizará este código de función en detalle, dado que se trata de un código de función público..

(34) 20. Figura 1.10. Petición, respuesta, y errores al requerir una entrada discreta [12]. Como se observa en la Figura 1.10, el código de función deber ser acompañado de 2 bytes para la dirección de inicio, y 2 bytes para el número de entradas que el maestro requiera. El esclavo debe responder con el código de función, seguido de un byte que representa el número de bytes enviados, y luego, los valores de las entradas discretas. En cambio, los códigos de función definidos por usuario son únicos para cada dispositivo Modbus.. 1.4.2.1 Direccionamiento Modbus [14] La especificación del protocolo Modbus asigna direcciones de memoria a cada tipo de dato con el que se trabaja, sin embargo, esta asignación no resulta intuitiva y el manejo se dificulta. En tal virtud, para clarificar la ubicación de los datos dentro de la memoria, se ha creado un esquema de numeración que añade un prefijo a la dirección del dato respectivo.. Por ejemplo, si se requiere direccionar a un elemento como registro de entrada 12, un manual de dispositivo le designaría la dirección 3012, 30012, o 300012. La diferencia entre 3012, 30012, y 300012, radica en el espacio de direcciones que ocupa el dispositivo, esto es: en el primer caso se podría direccionar hasta 999 registros (3999), mientras que en el caso más amplio se podría direccionar hasta 65536 registros (365536).. En la Tabla 1.3, se muestra el tipo de dato junto a su respectivo prefijo de direccionamiento..

(35) 21. Tabla 1.3. Prefijos de Direccionamiento Modbus [14] Bloque de Datos. Prefijo. Bobinas. 0. Entradas Discretas. 1. Registros de Entrada. 3. Registros de Retención. 4. 1.4.2.2 Implementación Serial [12] Existen 2 modos seriales que la capa de aplicación Modbus puede adoptar: RTU y ASCII. En RTU, los datos son representados en sistema binario y se utiliza detección de errores CRC (verificación por redundancia cíclica), mientras que en modo ASCII los datos se representan en un sistema legible para los humanos, caracteres ASCII, y el método de detección de errores es LRC (verificación por redundancia longitudinal). En modo ASCII se emplean caracteres ASCII para empezar y terminar mensajes, mientras que en modo RTU se emplean intervalos de tiempo entre trama y trama. Estos modos son incompatibles, lo que significa que un dispositivo configurado en modo ASCII no podrá comunicarse con uno que utilice RTU. Los mensajes en modo ASCII requieren 2 veces más bytes para transmitir el mismo contenido que se podría transmitir en modo RTU. La Figura 1.11, señala la diferencia entre estos 2 modos de comunicación.. a). b) Figura 1.11. a) Trama Modbus RTU, b) Trama Modbus ASCII [15]. Las interfaces seriales más comunes usadas con Modbus son RS-232 y RS-485..

(36) 22. 1.4.2.3 Implementación TCP [12] TCP es protocolo de control de transmisión e IP es protocolo de internet. Estos protocolos son usados juntos y son el protocolo de transporte para la Internet. Cuando los datos de Modbus son enviados usando estos protocolos, se los traslada a TCP donde se adjunta información extra para luego ser entregado a IP. IP, a continuación, encapsula los datos en paquetes (datagramas) y los transmite.. TCP debe establecer una conexión antes de transferir datos, debido a que se trata de un protocolo basado en conexión. El maestro (conocido como cliente en Modbus TCP) establece una conexión con el esclavo (conocido como servidor en Modbus TCP). El servidor espera por una conexión proveniente desde el cliente. Una vez que se ha establecido la conexión, el servidor responde a las peticiones del cliente hasta que este último cierre la conexión.. Cuando se utiliza Modbus TCP, la dirección del esclavo es su dirección IP y el identificador de la unidad incluido en la cabecera MBAP es usado para gateways que soportan más de un esclavo en bus serial.. Figura 1.12. Modbus y sus tipos de implementación [16].

(37) 23. 1.4.3 NI-PSP [17] Las variables compartidas publicadas en la red se comunican entre VIs, computadores remotos, y hardware, a través del Gestor de Variables Compartidas (SVE, por sus siglas en inglés). El SVE utiliza el protocolo NI-PSP, desarrollado por National Instruments bajo la modalidad publicar-suscribir, con el objetivo de escribir y leer en tiempo real el dato. NI-PSP es una tecnología que proporciona una transmisión de datos rápida y confiable para aplicaciones a pequeña y gran escala. El protocolo NI-PSP utiliza “URLs psp” para transmitir datos por toda la red. Se puede acceder a cualquier dato en la red y juntar unas variables compartidas con otras, sin problema alguno..

(38) 24. CAPÍTULO 2 INGENIERÍA CONCEPTUAL 2.1. ANTECEDENTES TÉCNICOS. Todos los edificios tienen algún tipo de sistema eléctrico y mecánico con el propósito de proporcionar facilidades y seguridades necesarias para un adecuado entorno de trabajo. Estos servicios deben ser monitoreados y controlados desde varios medios con el fin de garantizar su correcto funcionamiento, es por esto que, un sistema SCADA ayudará a monitorear y controlar que todos estos procesos se estén realizando con normalidad.. Por estas razones, el Servicio de Rentas Internas (SRI) utilizaba Lookout como software de monitoreo y control, para gestionar los diversos sistemas con los que cuenta esta entidad pública; sin embargo, este software actualmente presenta ciertas limitaciones que se las mencionó en el apartado 1.1.3.. Para suplir estas falencias, la institución ha solicitado realizar la migración del sistema de monitoreo y control a LabVIEW. En este nuevo software se replicarán las funcionalidades de todos los sistemas, añadiendo características nuevas para mejorar el desempeño del SCADA y, para hacer un trabajo más eficiente en el monitoreo y control de las agencias del SRI. A continuación, se describe el funcionamiento que deberá tener el SCADA a desarrollarse en LabVIEW.. 2.2. DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO. El sistema SCADA del SRI realizará el control y monitoreo de los siguientes sistemas:. 1. Sistema de transferencia automática de energía eléctrica en la agencia Páez del SRI. 2. Sistema de transferencia automática de energía eléctrica en la agencia Amazonas del SRI..

(39) 25. 3. Sistema de alimentación ininterrumpida de energía eléctrica en la agencia Páez del SRI. 4. Sistema de alimentación ininterrumpida de energía eléctrica en la agencia Amazonas del SRI. 5. Sistema de control de iluminación en la agencia Páez del SRI. 6. Sistema de control de iluminación en la agencia Amazonas del SRI. 7. Sistema de detección de incendios en la agencia Páez del SRI. 8. Sistema de aire acondicionado de precisión en la agencia Páez del SRI.. El SCADA estará centralizado en el cuarto de control del SRI, de este modo se busca que el operador realice un monitoreo más eficiente de los diferentes sistemas y que pueda responder rápidamente frente a las posibles fallas que puedan suscitarse.. El funcionamiento por cada sistema se describe en los siguientes apartados.. 2.2.1 SISTEMA. DE. TRANSFERENCIA. AUTOMÁTICA. DE. ENERGÍA. ELÉCTRICA El sistema de transferencia automática está diseñado para asegurar el continuo suministro de energía eléctrica a las instalaciones del SRI, en caso de que la alimentación provista por la Empresa Eléctrica Quito (EEQ) no pueda cumplir con la correcta alimentación de energía, por fallas o averías que se originen en el sistema de la EEQ. Por este motivo, las agencias Páez y Amazonas cuentan con equipos de generación eléctrica, también conocidos como grupos electrógenos o de emergencia, compuestos por un motor de combustión que mueve a un generador eléctrico, produciendo así energía eléctrica.. El HMI del sistema de transferencia será el responsable de receptar las diferentes señales para un adecuado monitoreo de los parámetros eléctricos involucrados en la transferencia automática de energía y la posibilidad de realizar la transferencia manual y el suministro eléctrico de las dos agencias del SRI..

(40) 26. 2.2.1.1. Sistema de Transferencia Automática de Energía Eléctrica – Agencia Páez. La agencia Páez tiene a su disposición una serie de equipos electrónicos (IEDs), que realizan la tarea de supervisar y controlar el presente sistema, estos equipos se encuentran distribuidos en 6 gabinetes eléctricos que distribuyen la energía eléctrica de la EEQ, a las dos torres que tiene esta agencia (edificio 655 y edificio 657), como a su centro de datos.. En la Figura 2.1, se observa el diagrama unifilar simplificado de este sistema.. Figura 2.1. Diagrama unifilar del sistema de transferencia agencia Páez. La función de los tableros y de los equipos electrónicos se detallan a continuación:. ·. El primero de los tableros recibe la energía eléctrica del trasformador de la EEQ, en caso de existir alguna falla, el tablero cuenta con un dispositivo electrónico inteligente (IED), encargado de realizar el control para que la transferencia entre la alimentación principal y el generador se realice sin inconvenientes y en el momento preciso de la falla, disminuyendo así, el tiempo que la agencia se encuentra sin una fuente de energía. El dispositivo encargado de la transferencia además sensa parámetros eléctricos de entrada y de salida del tablero, así como parámetros de funcionamiento del generador eléctrico y los estados (accionado, no accionado) de los disyuntores motorizados que tiene a cargo el tablero. Los parámetros eléctricos de entrada son: voltajes y frecuencias del transformador y del generador. Los parámetros de salida son.

(41) 27. las corrientes por fase. Mientras que los parámetros de funcionamiento del generador son: Modo de operación (manual o automático), voltaje de la batería, y tiempo de funcionamiento del generador.. ·. El segundo tablero habilita o deshabilita el flujo de energía eléctrica a los 4 tableros restantes, además cuenta con un medidor electrónico inteligente que realiza el sensado de parámetros eléctricos. Estos parámetros corresponden a: corrientes de salida del gabinete, voltajes de las tres fases, potencia activa, potencia reactiva, potencia aparente, factor de potencia, frecuencia, y energía.. ·. El tercer gabinete es el responsable de distribuir la energía a la torre más grande de esta agencia (edificio 655). Para evitar los problemas de interrupción de energía por fallas, este tablero tiene a su disposición un equipo de alimentación ininterrumpida (UPS) principalmente para equipos de computación y equipos eléctricos de baja potencia que existen en esa torre, de este modo, una falla eléctrica pasará desapercibida para los funcionarios de esta institución. Si bien el UPS pertenece a otro sistema, continuamente se está comunicando con el sistema de transferencia para informar sobre voltajes y corrientes.. ·. El cuarto tablero alimenta la segunda torre de esta agencia (edificio 657) y de igual manera cuenta con un equipo de alimentación ininterrumpida (UPS) para equipos de computación y equipos eléctricos de baja potencia. Del mismo modo, la información sobre el estado de este tablero es transmitida por el UPS, comunicando información sobre voltajes y corrientes.. ·. El quinto tablero suministra la energía para los servicios generales de los edificios 655 y 657. Toda la carga del tablero es dedicada a: iluminación, bombas, motores, aspiradoras de gran potencia, y en general dispositivos que demanden un mayor consumo, pero que no sean de importancia crítica, por lo que no tienen equipos de alimentación ininterrumpida. Este tablero tiene un IED que realiza el sensado de los parámetros eléctricos del tablero. Este medidor es del mismo tipo que el descrito en el tablero 2, por lo que los parámetros sensados son los mismos mencionados en dicho tablero..

(42) 28. ·. El sexto tablero suministra la alimentación para el centro de datos del SRI. Cuenta con dos unidades de alimentación ininterrumpida para todos los dispositivos de routing y switching. Además de los UPS, este tablero tiene su propio grupo electrógeno y su propio dispositivo electrónico inteligente que realiza la transferencia automática entre la alimentación principal del tablero y el generador eléctrico, manteniendo así la alimentación para el centro de datos en todo momento. El dispositivo inteligente también realiza el sensado de los mismos parámetros que se mencionaron en el primer tablero. Adicionalmente, este tablero tiene una red de medidores eléctricos inteligentes que realizan el monitoreo de los 6 centros de carga que tiene el centro de datos, monitoreando parámetros de corriente, voltaje, frecuencia, potencia, energía y factor de potencia.. Como se ha descrito, estos seis gabinetes realizan la distribución eléctrica para toda la agencia Páez.. Además del monitoreo y control, el HMI deberá tener un registro histórico de la información generada por los diferentes equipos, visualización de gráficos históricos, eventos y alarmas y, un respaldo en una base de datos de toda esta información. Como medida extra, el HMI deberá tener alarmas visuales y sonoras en el caso de que se generen fallas, e indicadores que muestren la correcta comunicación con los diferentes equipos que forman parte de este sistema.. Todas las señales están siendo comparadas continuamente con señales de referencia y en el momento en que alguna señal no esté dentro de un límite establecido, se generará una alarma, pues la señal estará fuera de rango, y de esta manera se detectará el equipo del que proviene la señal y se dará aviso al operador acerca del lugar exacto en donde está ocurriendo la falla.. En la Figura 2.2, se puede ver el HMI del sistema de transferencia automática desarrollado en Lookout. La nueva interfaz se comportará tal y como se ha descrito en el presente apartado, y en comparación al sistema antiguo, la base de datos y el registro histórico se extiende a todas las variables que participan en el sistema,.

(43) 29. y no solo para algunas como ocurría previamente. Esto debido a que los especialistas de la institución necesitan el espectro completo de datos para realizar un análisis pormenorizado en caso de una falla.. Figura 2.2. HMI antiguo del sistema transferencia automática de energía eléctrica de la agencia Páez. La arquitectura de comunicación simplificada de este sistema se muestra en la Figura 2.3.. 2.2.1.2. Sistema de Transferencia Automática de Energía Eléctrica – Agencia Amazonas. En el caso de la agencia Amazonas, el funcionamiento del sistema es similar al de la agencia Páez, pero esta agencia no dispone de un centro de datos y la distribución de energía se la realiza por medio de tres tableros de distribución. En la Figura 2.4, se observa el diagrama unifilar simplificado de este sistema.. La función de los 3 tableros de distribución es la siguiente:. ·. El primero de los tableros recibe la energía eléctrica del trasformador de la EEQ, en caso de existir alguna falla, el tablero cuenta con un dispositivo electrónico inteligente (IED), encargado de realizar el control para que la transferencia entre.

(44) 30. Figura 2.3. Arquitectura de comunicación simplificada del sistema de transferencia automática de energía eléctrica de la agencia Páez. Figura 2.4. Diagrama unifilar del sistema de transferencia automática de energía eléctrica de la agencia Amazonas.

(45) 31. la alimentación principal y el generador se realice sin inconvenientes y en el momento preciso de la falla, disminuyendo así, el tiempo que la agencia se encuentra sin una fuente de energía. El dispositivo encargado de la transferencia además sensa parámetros eléctricos de entrada y de salida del tablero, así como parámetros de funcionamiento del generador eléctrico y los estados (accionado, no accionado) de los disyuntores motorizados que tiene a cargo el tablero. Los parámetros eléctricos de entrada son: voltajes y frecuencias del transformador y del generador. Los parámetros de salida son las corrientes por fase. Mientras que los parámetros de funcionamiento del generador son: Modo de operación (manual o automático), voltaje de la batería, y tiempo de funcionamiento del generador.. ·. El segundo tablero suministra la energía para los servicios generales de esta agencia. Toda la carga del tablero es dedicada a: iluminación, bombas, motores, aspiradoras de gran potencia, y en general dispositivos que demanden un mayor consumo, pero que no sean de importancia crítica, por lo que no tienen equipos de alimentación ininterrumpida.. ·. El tercer gabinete es el responsable de distribuir la energía para la carga restante de esta agencia. Para evitar los problemas de interrupción de energía por fallas, este tablero tiene a su disposición un equipo de alimentación ininterrumpida (UPS), principalmente para equipos de computación y equipos eléctricos de baja potencia que existen en esa agencia, de este modo, una falla eléctrica pasará desapercibida para los funcionarios de esta institución.. Además del monitoreo y control, el HMI deberá tener un registro histórico de la información generada por los diferentes equipos, visualización de gráficos históricos, eventos y alarmas y, un respaldo en una base de datos de toda esta información. Como medida extra, el HMI deberá tener alarmas visuales y sonoras en el caso de que se den fallas, y de igual manera indicadores que muestren la correcta comunicación con los diferentes equipos que forman parte de este sistema..

(46) 32. Previamente en Lookout, no existía una interfaz gráfica que realizara el monitoreo de este sistema. El monitoreo se lo realizaba únicamente al equipo del tablero 1 y mediante el software del fabricante, por lo que en el presento proyecto se diseñará completamente una interfaz, cumpliendo todos los requisitos funcionales que se plantearon en el presente apartado.. En la Figura 2.5, se muestra la arquitectura de comunicación de este sistema.. Figura 2.5. Arquitectura de comunicación del sistema de transferencia automática de energía eléctrica de la agencia Amazonas. 2.2.2 SISTEMA DE ALIMENTACIÓN ININTERRUMPIDA DE ENERGÍA ELÉCTRICA El sistema de Alimentación Ininterrumpida (UPS, por sus siglas en inglés), está planificado para suplir la falta de energía a una carga cuando hay la pérdida de energía principal, esto gracias a un banco de baterías u otros elementos almacenadores de energía como capacitores. Los UPS se diferencian de otros sistemas de alimentación de emergencia, en que estos proveen de protección instantánea ante las interrupciones de energía, haciendo estas fallas imperceptibles para los equipos que se encuentran conectados a los UPS. El diagrama de bloques del funcionamiento de los UPS se encuentra en la Figura 2.6..

(47) 33. Figura 2.6. Diagrama de bloques de un UPS [18]. Existen tres líneas que deben ser monitoreadas constantemente para conocer el estado en que se encuentra el UPS: la línea de entrada, la línea de bypass y la línea de salida. El estado de carga de las baterías del UPS también es de gran importancia conocer pues en caso de una falla, las baterías serán las que darán soporte energético.. Toda la información de las 4 unidades es centralizada y procesada por el HMI. Los parámetros más importantes a ser monitoreados son:. ·. Voltajes y corrientes en las tres fases de entrada, frecuencia y potencia aparente en la línea de entrada del UPS.. ·. Voltajes y corrientes en las tres fases de salida, frecuencia y potencia aparente en la línea de salida del UPS.. ·. Voltajes y corrientes en las tres fases de bypass.. ·. Parámetros eléctricos de las baterías (porcentaje de carga, voltaje, corriente, entre otros).. Al no existir señales booleanas provenientes de los UPS que reporten el estado de las diferentes líneas con las que cuenta el UPS, el HMI será el encargado de crear estas variables, a partir de los datos mencionados anteriormente, y así, reportar el estado del UPS lo más claro posible para los operadores, para que en caso de una falla conozcan oportunamente donde está el problema y puedan solucionarlo a tiempo. Y en el caso de que haya sucedido una falla, el sistema tendrá un registro.