ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA PARA LA MEZCLA DE DOS SUSTANCIAS EN UNA INDUSTRIA QUÍMICA”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO ROBOTICO INDUSTRIAL
PRESENTA:
DE LA ROSA GALVÁN HERNÁN
INDICE
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CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN. ... 3
1.1 LOS PROCESOS INDUSTRIALES. ... 4
1.2 HISTORIA ... 6
1.3 LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Y LOS SISTEMAS DE CONTROL. ... 8
1.3.1 MEDIDORES VOLUMÉTRICOS: ... 11
1.3.2 MEDIDORES DE CAUDAL MÁSICO ... 12
1.3.3 MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS ... 12
1.3.4 MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS ... 13
1.3.5 ELEMENTOS ELECTROMECÁNICOS-ELECTRÓNICOS ... 15
1.3.6 ELEMENTOS ELECTRÓNICOS DE VACÍO ... 15
1.4 SISTEMA DE LAZO ABIERTO ... 17
1.5 SISTEMA DE LAZO CERRADO. ... 18
CAPÍTULO II DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA. ... 19
2.1 INTRODUCCION AL SISTEMA SCADA. ... 20
ASPECTO ... 21
TIPO DE ARQUITECTURA ... 21
2.2 CARACTERISTICAS DE UN SISTEMA SCADA ... 26
2.3 REQUISITOS ... 28
2.4 PRESTACIONES ... 29
CAPÍTULO III DESCRIPCIÓN E INTEGRACIÓN GENERAL DE UN SISTEMA SCADA. ... 31
3.1 COMPONENTES HARDWARE Y SOFTWARE DE UN SISTEMA SCADA ... 32
3.2 LA PLATAFORMA DE TRABAJO ... 34
3.3 LA INTERFAZ ... 37
3.4 EL ACONDICIONAMIENTO DE SEÑALES ... 38
3.5 LA CAPA FÍSICA DE LAS REDES INDUSTRIALES ... 39
3.6 COMPONENTES HARDWARE ... 40
3.7 COMPONENTES SOFTWARE ... 43
3.8 TECNOLOGIAS DE INTEGRACIÓN ... 50
3.8.1 INTERFACES DE COMUNICACIÓN... 50
3.8.2 TECNOLOGÍAS DE INTEGRACIÓN MICROSOFT: DRIVERS ESPECÍFICOS ... 51
3.9 PROCESADORES DE COMUNICACIONES FRONT END ... 55
3.10 ARQUITECTURA CLIENTE/SERVIDOR EN SISTEMAS SCADA ... 55
3.11 PROTOCOLOS Y REDES DE COMUNICACIÓN ... 57
3.11.1 LAS REDES DE COMUNICACIÓN ... 57
3.11.2 RADIO ... 59
3.11.3 LOS CIRCUITOS TELEFÓNICOS ... 60
3.11.4 INTERFAZ SERIAL RS-232 ... 60
3.11.5 COMUNICACIÓN EN RED CON PROTOCOLO PROPIETARIO ... 60
3.11.6 COMUNICACIÓN EN RED CON PROTOCOLO TCP/IP ... 61
3.11.7 ETHERNET/IP ... 62
3.11.8 DNP3.0... 62
3.12 SEGURIDAD EN LOS SISTEMAS SCADA ... 63
3.13 EVOLUCION DEL SOFTWARE SCADA ... 66
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CAPÍTULO IV
IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA SCADA. ... 69
4.1 IDENTIFICACIÓN ... 70
4.1.1 LANZAMIENTO ... 71
4.1.2 DEFINICIÓN ... 72
4.1.3 DISEÑO ... 73
4.1.4 ADQUISICIÓN ... 73
4.1.5 LIQUIDACIÓN DEL PROYECTO ... 74
4.2 PARTE APLICADA Y CARACTERÍSTICAS DEL PLC CPM1 ... 75
4.2.1 EJEMPLO DE APLICACION ... 75
4.3 PROGRAMACIÓN MEDIANTE CX-PROGRAMMER ... 77
4.3.1 CONFIGURACIÓN Y CREACIÓN DE UN NUEVO PROYECTO ... 78
4.3.2 ENTORNO DE PROGRAMACIÓN ... 81
4.3.3 MODO ON-LINE ... 86
4.3.4 TRANSFERENCIA DEL PROGRAMA ... 86
4.3.5 VERIFICACIÓN DEL PROGRAMA ... 86
4.3.6 MODO DE OPERACIÓN ... 86
4.4 SOFTWARE SCADA CX-SUPERVISOR. ... 87
4.4.1 CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONES ... 87
4.5 SUPERVISIÓN Y CONTROL DEL PROCESO. ... 89
4.5.1 PUNTOS DE ENTRADA AL SISTEMA. ... 92
4.5.2 PUNTOS DE SALIDA DEL SISTEMA. ... 93
4.5.3 CREACIÓN DE OBJETOS Y ANIMACIONES. ... 95
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CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN.
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4 CAPÍTULO I
INTRODUCCIÓN.
1.1 LOS PROCESOS INDUSTRIALES.
Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc.
En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, el PH, la conductividad, la velocidad, la humedad, el punto de rocío, etcétera. Los instrumentos de medición y control permiten el mantenimiento y la regulación de estas constantes en condiciones más idóneas que las que el propio operador podría realizar.
En los inicios de la era industrial, el operario llevaba a cabo un control manual de estas variables utilizando sólo instrumentos simples, manómetros, termómetros, válvulas manuales, etc., control que era suficiente por la relativa simplicidad de los procesos. Sin embargo, la gradual complejidad con que éstos se han ido desarrollando ha exigido su automatización progresiva por medio de los instrumentos de medición y control. Estos instrumentos han ido liberando al operario de su función de actuación física directa en la planta y al mismo tiempo, le han permitido una labor única de supervisión y de vigilancia del proceso desde centros de control situados en el propio proceso o bien en salas aisladas separadas; asimismo, gracias a los instrumentos ha sido posible fabricar productos complejos en condiciones estables de calidad y de características, condiciones que al operario le serían imposibles o muy difíciles de conseguir, realizando exclusivamente un control manual.
En los procesos industriales a controlar deben mantenerse en general las variables (presión, caudal, nivel, temperatura, etc.), bien en un valor deseado fijo, bien en un valor variable con el tiempo de acuerdo con una relación predeterminada, o bien guardando una relación determinada con otra variable.
El sistema de control que permite este mantenimiento de las variables puede definirse como aquel que compara el valor de la variable o condición a controlar con un valor deseado y toma una acción de corrección de acuerdo con la desviación existente sin que el operario intervenga en absoluto.
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El sistema de control exige pues, para que esta comparación y subsiguiente corrección sean posibles, que se incluya una unidad de medida, una unidad de control, un elemento final de control y el propio proceso. Este conjunto de unidades forman un bucle o lazo que recibe el nombre de bucle de control. El bucle puede ser abierto o bien cerrado.
Un ejemplo de bucle abierto es el calentamiento de agua en un tanque mediante una resistencia eléctrica sumergida.
Un bucle cerrado representativo lo constituye la regulación de temperatura en un intercambiador de calor.
En ambos casos se observa que existen elementos definidos como el elemento de medida, el transmisor, el controlador, el indicador, el registrador y el elemento final.
Mediante el presente trabajo se pretende realizar un acercamiento al complejo, cambiante y, en ocasiones, difuso mundo de los sistemas de supervisión y control en la industria.
El objetivo principal de la automatización industrial consiste en gobernar la actividad y la evolución de los procesos sin la intervención continua de un operador humano.
En los últimos años, se ha estado desarrollado un sistema, denominado SCADA, el cuál permite supervisar y controlar, las distintas variables que se encuentran en un proceso o planta determinada. Para ello se deben utilizar distintos periféricos, software de aplicación, unidades remotas, sistemas de comunicación, etc., los cuales permiten al operador mediante la visualización en una pantalla de computador, tener el completo acceso al proceso.
Existen como sabemos varios sistemas que permiten controlar y supervisar, como lo son: PLC, DCS y ahora SCADA, que se pueden integrar y comunicar entre sí, mediante una red Ethernet, y así mejorar en tiempo real, la interfaz al operador.
Ahora no sólo se puede supervisar el proceso, sino además tener acceso al historial de las alarmas y variables de control con mayor claridad, combinar bases de datos relacionadas, presentar en un simple computador, por ejemplo, una plantilla Excel, documento Word, todo en ambiente Windows, siendo así todo el sistema más amigable.
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Lejos de ofrecer un trabajo exhaustivo y en profundidad sobre el tema, lo que se intenta es dejar clara la idea de cómo es un sistema SCADA en su forma más genérica; desde el software utilizado en su configuración o los drivers de
protocolo, hasta la parte más hardware y de componentes tecnológicos de dichos sistemas.
Para ello, éste proyecto revisa las características, prestaciones y requisitos que debe presentar un sistema SCADA; así como, la configuración, estructura e integración de sus componentes: software y hardware; es decir, la parte lógica y física del sistema que permite el funcionamiento de las distintas partes de la industria donde se aplica, como un único sistema funcional.
Finalmente, lo que se quiere es dejar patente que los sistemas SCADA son una aplicación para la integración de los procesos industriales, que ofrecen muchas expectativas en eficacia y optimización de los procesos industriales.
Por ello, el nivel de automatización que presenta una industria basada en software SCADA es el más alto que hoy en día se puede ver.
1.2 HISTORIA
Los primeros SCADA eran simplemente sistemas de telemetría que proporcionaban reportes periódicos de las condiciones de campo vigilando las señales que representaban medidas y/o condiciones de estado en ubicaciones de campo remotas. Estos sistemas ofrecían capacidades muy simples de monitoreo y control, sin proveer funciones de aplicación alguna. La visión del operador en el proceso estaba basada en los contadores y las lámparas detrás de paneles llenos de indicadores.
Mientras la tecnología se desarrollaba, los ordenadores asumieron el papel de manejar la recolección de datos, disponiendo comandos de control, y una nueva función la presentación de la información sobre una pantalla de CRT. Los ordenadores agregaron la capacidad de programar el sistema para realizar funciones de control más complejas.
Muchas empresas viendo la necesidad y lo rápido que avanzaba el desarrollo de los computadores, fueron realizando programas de aplicación específicos para atender requisitos de algún proyecto particular. Así nacieron los pequeños SCADAS, desarrollados por empresas desarrolladoras de software y una nueva experiencia para muchas de ellas.
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Ingenieros de varias industrias asistieron al diseño de estos sistemas, por ésta razón su percepción de SCADA adquirió las características de su propia industria. Proveedores de sistemas de software SCADA, deseando reutilizar su trabajo previo sobre los nuevos proyectos, perpetuaron esta imagen de industria-específicos por su propia visión de los ambientes de control con los cuales tenían experiencia. Solamente cuando nuevos proyectos requirieron funciones y aplicaciones adicionales, se logró que los desarrolladores de sistemas SCADA tuvieran la oportunidad de desarrollar experiencia en otras industrias.
Hoy, los proveedores de SCADA están diseñando sistemas que son pensados para resolver las necesidades de muchas industrias con módulos de software industria-específicos disponibles para proporcionar las capacidades requeridas comúnmente. No es inusual encontrar software SCADA comercialmente disponible adaptado para procesamiento de papel y celulosa, industrias de aceite y gas, hidroeléctricas, gerenciamiento y provisión de agua, control de fluidos, etc.
Puesto que los proveedores de SCADA aún tienen tendencia en favor de alguna industria sobre otras, los compradores de estos sistemas a menudo dependen del proveedor para una comprensiva solución a su requisito, y generalmente procurar seleccionar un vendedor que pueda ofrecer una completa solución con un producto estándar que esté apuntado hacia las necesidades específicas del usuario final. Si selecciona a un vendedor con experiencia limitada en la industria del comprador, el comprador debe estar preparado para asistir al esfuerzo de ingeniería necesario para desarrollar el conocimiento adicional de la industria requerido por el vendedor para poner con éxito el sistema en ejecución.
La mayoría de los sistemas SCADA que son instalados hoy se está convirtiendo en una parte integral de la estructura de gerenciamiento de la información corporativa. Estos sistemas ya no son vistos por la gerencia simplemente como herramientas operacionales, sino como un recurso importante de información.
En este papel continúan sirviendo como centro de responsabilidad operacional, pero también proporcionan datos a los sistemas y usuarios fuera del ambiente del centro de control que dependen de la información oportuna en la cual basan sus decisiones económicas cotidianas.
La mayoría de los vendedores principales de SCADA han reconocido esta tendencia, y están desarrollando rápidamente métodos eficientes para hacer disponibles los datos, mientras protegen la seguridad y funcionamiento del sistema SCADA. La arquitectura de los sistemas de hoy integra a menudo
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muchos ambientes de control diferentes, tales como tuberías de gas y aceite, en un solo centro de control.
Para alcanzar un nivel aceptable de tolerancia de fallas con estos sistemas, es común tener ordenadores SCADA redundantes operando en paralelo en el centro primario del control, y un sistema de reserva del mismo situado en un área geográficamente distante. Esta arquitectura proporciona la transferencia automática de la responsabilidad del control de cualquier ordenador que pueda llegar a ser inasequible por cualquier razón, a una computadora de reserva en línea, sin interrupción significativa de las operaciones.
Aún no se ha establecido un estándar para poseer extensiones compatibles en tiempo real de sistemas operativos.
De una forma estrictamente determinante, los sistemas estándar actuales deben ser modificados de forma general, así que la principal ventaja de un sistema basado en PC -su estructura abierta– puede llegar a ser un inconveniente. No obstante, la estructura abierta, permite a la empresa o el desarrollador más libertad en la elección de la herramienta adecuada para el análisis, diseño y programación del sistema SCADA.
Cada vez más, las empresas se plantean la automatización de una serie de procesos en su entorno industrial. Con ello se pretende mejorar la productividad, aumentar la calidad del producto final, además de aumentar la seguridad en el trabajo. Para conseguir estos objetivos, las empresas deben utilizar ordenadores y un software especializado en monitorización, control y adquisición de datos; sistemas SCADA.
Además el estudio del sistema a monitorizar y/o controlar abre grandes puertas al conocimiento no sólo de informática, sino de otros campos. Cuando se quiere supervisar un sistema no sólo deben tenerse conocimientos de informática, sino que además es necesario saber como actúa, funciona y reacciona dicho sistema, por lo tanto es necesario el estudio del sistema en sí. Es la puerta de entrada al conocimiento de otros campos, al trabajo en grupo que puede estar formado por Químicos, Físicos, Ingenieros en Telecomunicación, Ingenieros Industriales donde cada individuo aporta sus conocimientos y adquiere de otros.
1.3 LA INSTRUMENTACIÓN INDUSTRIAL Y LOS SISTEMAS DE CONTROL.
Los instrumentos de control empleados, en las industrias de proceso tales como química, petroquímica, alimenticia, metalúrgica, energética, textil, papel, etc.,
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tienen su propia terminología; los términos empleados definen las características propias de medida y de control y las estáticas y dinámicas de los diversos instrumentos utilizados: Indicadores, registradores, controladores, transmisores y válvulas de control.
Los instrumentos de medición y de control son relativamente complejos y su función puede comprenderse bien si están incluidos dentro de una clasificación adecuada. Como es lógico, pueden existir varias formas para clasificar los instrumentos, cada una de ellas con sus propias ventajas y limitaciones. Se considerarán dos clasificaciones básicas: la primera relacionada con la función del instrumento y la segunda con la variable del proceso.
De acuerdo con la función del instrumento, obtenemos las formas siguientes:
Instrumentos ciegos; son aquellos que no tienen indicación visible de la variable. Hay que hacer notar que son ciegos los instrumentos de alarma, tales como presostatos y termostatos (interruptores de presión y temperatura respectivamente) que poseen una escala exterior con un índice de selección de la variable, ya que sólo ajustan el punto de disparo del interruptor o conmutador al cruzar la variable el valor seleccionado. Son también instrumentos ciegos, los transmisores de caudal, presión, nivel y temperatura sin indicación.
Los instrumentos indicadores disponen de un índice y de una escala graduada en la que puede leerse el valor de la variable. Según la amplitud de la escala se dividen en indicadores concéntricos y excéntricos. Existen también indicadores digitales que muestran la variable en forma numérica con dígitos.
Los instrumentos registradores registran con trazo continuo o a puntos la variable, y pueden ser circulares o de gráfico rectangular o alargado según sea la forma del gráfico.
Los elementos primarios están en contacto con la variable y utilizan o absorben energía del medio controlado para dar al sistema de medición una indicación en respuesta a la variación de la variable controlada. El efecto producido por el elemento primario puede ser un cambio de presión, fuerza, posición, medida eléctrica, etc. Por ejemplo: en los elementos primarios de temperatura de bulbo y capilar, el efecto es la variación de presión del fluido que los llena y en los de termopar se presenta una variación de fuerza electromotriz. El elemento primario puede formar o no parte integral del transmisor
Los transductores reciben una señal de entrada función de una o más cantidades físicas y la convierten modificada o no a una señal de salida. Son
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transductores, un relé, un elemento primario, un transmisor, un convertidor PP/I (presión de proceso a intensidad), un convertidor PP/P (presión de proceso a señal neumática), etc.
Los convertidores son aparatos que reciben una señal de entrada neumática (3- 15 psi) o electrónica (4-20 mA c.c.) procedente de un instrumento y después de modificarla envían la resultante en forma de señal de salida estándar. Ejemplo:
un convertidor P/I (señal de entrada neumática a señal de salida electrónica, un convertidor I/P (señal de entrada eléctrica a señal de salida neumática).
Conviene señalar que a veces se confunde convertidor con transductor. Este
último término es general y no debe aplicarse a un aparato que convierta una señal de instrumentos.
Los receptores reciben las señales procedentes de los transmisores y las indican o registran. Los receptores controladores envían otra señal de salida normalizada que actúan sobre el elemento final de control.
Los controladores comparan la variable controlada (presión, nivel, temperatura) con un valor deseado y ejercen una acción correctiva de acuerdo con la desviación. La variable controlada la pueden recibir directamente, como controladores locales o bien indirectamente en forma de señal neumática, electrónica o digital procedente de un transmisor.
El elemento final de control recibe la señal del controlador y modifica el agente de control. En el control neumático, el elemento suele ser una válvula neumática o un servomotor neumático que efectúan.
Los transmisores son instrumentos que captan la variable de proceso y la transmiten a distancia a un instrumento receptor indicador, registrador, controlador o una combinación de estos. Existen varios tipos de señales de transmisión: neumáticas, electrónicas, digitales, hidráulicas y telemétricas. Las más empleadas en la industria son las tres primeras, las señales hidráulicas se utilizan ocasionalmente cuando se necesita una gran potencia y las señales telemétricas se emplean cuando hay una distancia de varios kilómetros entre el transmisor y el receptor.
De acuerdo con la variable del proceso, los instrumentos se dividen en instrumentos de caudal, nivel, presión, temperatura, densidad y peso específico, humedad y punto de rocío, viscosidad, posición, velocidad, PH, conductividad, frecuencia, fuerza, turbidez, etc.
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Esta clasificación corresponde específicamente al tipo de las señales medidas siendo independiente del sistema empleado en la conversión de la señal de proceso. De este modo, un transmisor neumático de temperatura del tipo de bulbo y capilar, es un instrumento de temperatura a pesar de que la medida se efectúa convirtiendo las variaciones de presión del fluido que llena el bulbo y el capilar; el aparato receptor de la señal neumática del transmisor anterior es un instrumento de temperatura, si bien, al ser receptor neumático lo podríamos considerar instrumento de presión, caudal, nivel o cualquier otra variable, según fuera la señal medida por el transmisor correspondiente; un registrador potenciométrico puede ser un instrumento de temperatura, de conductividad o de velocidad, según sean las señales medidas por los elementos primarios de termopar, electrodos o dínamo.
En la mayor parte de las operaciones realizadas en los procesos industriales y en las efectuadas en laboratorio y en plantas piloto es muy importante la medición de los caudales de líquidos o de gases.
Existen varios métodos para medir el caudal según sea el tipo de caudal volumétrico o másico deseado. Entre los transductores más importantes figuran los siguientes:
1.3.1 MEDIDORES VOLUMÉTRICOS:
De presión diferencial
Placa orificio
Tobera
Tubo Vénturi
Tubo Pitot
Tubo Annubar De área variable
Rotámetro De velocidad
Vertedero con flotador en canales abiertos Caudalímetro de Turbina
Caudalímetro ultrasónicas De Fuerza
Placa de impacto
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12 De tensión inducida
Caudalímetro magnético De desplazamiento positivo Caudalímetro de disco oscilante Caudalímetro de pistón oscilante Caudalímetro de pistón alternativo Caudalímetro rotativo
Caudalímetro de paredes deformables De torbellino
Medidor de frecuencia de termistancia, o condensador o ultrasonidos Oscilante
Válvula oscilante
1.3.2 MEDIDORES DE CAUDAL MÁSICO Térmico
Diferencia de temperaturas en dos sondas de resistencia Fuerza de Coriolis
Tubo en vibración
En la industria, la medición de nivel es muy importante, tanto desde el punto de vista del funcionamiento del proceso como de la consideración del balance adecuado de materias primas o de productos finales.
Los instrumentos de nivel pueden dividirse en medidores de nivel de líquidos y de sólidos.
1.3.3 MEDIDORES DE NIVEL DE LÍQUIDOS
Los medidores de nivel de líquidos trabajan midiendo, bien directamente la altura de líquido sobre una línea de referencia, bien la presión hidrostática, bien el desplazamiento producido en un flotador por el propio líquido contenido en el tanque del proceso, o bien aprovechando características eléctricas del líquido.
Los instrumentos de medida directa se dividen en:
Medidor de sonda
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Medidor de cinta y plomada
Medidor de nivel de cristal
Medidor de flotador.
Los aparatos que miden el nivel aprovechando la presión hidrostática se dividen en:
Medidor manométrico
Medidor de membrana
Medidor de tipo burbujeo
Medidor de presión diferencial de diafragma
Los instrumentos que utilizan características eléctricas del líquido se clasifican en:
Medidor conductivo
Medidor capacitivo
Medidor ultrasónico
Medidor de radiación
Medidor láser
1.3.4 MEDIDORES DE NIVEL DE SÓLIDOS
En los procesos continuos, la industria ha ido exigiendo el desarrollo de instrumentos capaces de medir el nivel de sólidos en puntos fijos o de forma continua, en particular en los estanques destinados a contener materias primas o productos finales.
Medidores de nivel de punto fijo
Medidor de Diafragma
Varilla flexible
Paletas rotativas Medidores de nivel continuos
Medidor de nivel de sondeo electromecánico ó de peso
El control de la presión en los procesos industriales da condiciones de operación seguras. Cualquier recipiente o tubería posee cierta presión máxima de operación y de seguridad variando ésta, de acuerdo con el material y la construcción. Las presiones excesivas no solo pueden provocar la destrucción del equipo, si no también puede provocar la destrucción del equipo adyacente y ponen al personal en situaciones peligrosas, particularmente cuando están implícitas, fluidos inflamables o corrosivos. Para tales aplicaciones, las lecturas
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absolutas de gran precisión con frecuencia son tan importantes como lo es la seguridad extrema.
Por otro lado, la presión puede llegar a tener efectos directos o indirectos en el valor de las variables del proceso (como la composición de una mezcla en el proceso de destilación). En tales casos, su valor absoluto medio o controlado con precisión es de gran importancia ya que afectaría la pureza de los productos poniéndolos fuera de especificación.
La presión puede definirse como una fuerza por unidad de área o superficie, en donde para la mayoría de los casos se mide directamente por su equilibrio directamente con otra fuerza conocida que puede ser la de una columna liquida, un resorte, un embolo cargado con un peso o un diafragma cargado con un resorte o cualquier otro elemento que puede sufrir una deformación cualitativa cuando se le aplica la presión.
Los instrumentos industriales de medición de presión son una parte muy importante para las industrias de proceso en general de hoy en día.
Tienen un campo de aplicación muy amplio y abarca desde valores muy bajos (vacío) hasta presiones muy altas. Los instrumentos de presión se dividen en tres grupos: Mecánicos, Neumáticos, Electromecánicos-Electrónicos.
Elementos mecánicos se dividen en:
Elementos primarios de medida directa que miden la presión comparándola con la ejercida por un líquido de densidad y altura conocidas (barómetro de cubeta, manómetro de tubo en U, manómetro de tubo inclinado, manómetro de toro pendular, manómetro de campana).
Elementos primarios elásticos que se deforman por la presión interna del fluido que contienen. Los elementos primarios elásticos más empleados son: el tubo Bourdon, el elemento en espiral, el helicoidal, el diafragma y el fuelle.
Como elementos neumáticos consideramos los instrumentos transmisores neumáticos:
Transmisores neumáticos: Los transmisores neumáticos se basan en el sistema tobera-obturador que convierte el movimiento del elemento de medición en una señal neumática.
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1.3.5 ELEMENTOS ELECTROMECÁNICOS-ELECTRÓNICOS
Los elementos electromecánicos de presión utilizan un elemento mecánico elástico combinado con un transductor eléctrico que genera la señal eléctrica correspondiente. El elemento mecánico consiste en un tubo Bourdon, espiral, hélice, diafragma, fuelle o una combinación de los mismos que, a través de un sistema de palancas convierte la presión en una fuerza o en un desplazamiento mecánico.
Los elementos electromecánicos de presión se clasifican según el principio de funcionamiento en los siguientes tipos:
Transmisores electrónicos de equilibrio de fuerzas
Resistivos.
Magnéticos
Capacitivos.
Extensométricos.
Piezoeléctricos.
1.3.6 ELEMENTOS ELECTRÓNICOS DE VACÍO
Los transductores electrónicos de vacío se emplean para la medida de alto vacío, son muy sensibles y se clasifican en los siguientes tipos:
Mecánicos Fuelle y Ionización Filamento caliente
Diafragma Cátodo frío
Radiación
Medidor McLeod
Térmicos Termopar
Pirani
Bimetal
La Temperatura es difícil de definir, ya que no es una variable tan tangible como lo es la presión, dado que en su caso, no podemos referirla a otras variables.
La temperatura es un estado relativo del ambiente, de un fluido o de un material referido a un valor patrón definido por el hombre, un valor comparativo de uno de los estados de la materia Por otra parte, si, positivamente, podremos definir los efectos que los cambios de temperatura producen sobre la materia, tales como los aumentos o disminución de la velocidad de las moléculas de ella, con
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consecuencia palpable, tales como el aumento o disminución del volumen de esa porción de materia o posibles cambios de estado.
Existen dos escalas de temperatura o dos formas de expresar el estado relativo de la materia, estas son:
Temperaturas absolutas
Temperaturas relativas
Las escalas absolutas expresan la temperatura de tal forma que su valor cero, es equivalente al estado ideal de las moléculas de esa porción de materia en estado estático o con energía cinética nula.
Las escalas relativas, son aquellas que se refieren a valores preestablecidos o patrones en base los cuales fue establecida una escala de uso común.
Los diferentes tipos de instrumentos que son usados para la medición de la temperatura son básicamente los siguientes:
Termómetro de Vidrio
Termómetro Bimetálico
Termopares
Termoresistencia ( RTD )
Pirómetro de Radiación
La medición del pH se efectúa ya sea por un método colorimétrico o por uno electrométrico. Para este último, el uso de peachímetros, instrumentos electrónicos al efecto, es lo más común hoy en día. Sin embargo, mucha gente sigue prefiriendo los antiguos métodos colorimétricos, sencillos y prácticos que además no se descomponen.
La medición mediante el electrodo de pH (pH-metro) de vidrio es en la actualidad, el método más utilizado para determinar el pH. Este método consiste en una medición potenciométrica con un sensor electroquímico. Los sensores electroquímicos transmiten un voltaje que varía directamente con la concentración de hidrogeniones. Dependiendo del tipo de sensor y la calidad de la calibración, se pueden obtener niveles de precisión mejores que ±0.03 unidades de pH.
El método colorimétrico se basa en el uso de colorantes orgánicos complejos que cambian de color de acuerdo al valor del pH de una solución acuosa. Estas substancias se conocen como indicadores.
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Para la mayoría de los casos, aquellos que requieren un rango de pH entre 4,0 y 8,4, son suficientes sólo cuatro colorantes en solución. Estos colorantes son:
verde de bromocresol
rojo de clorofenol
azul de bromotimol
y rojo fenol.
1.4 SISTEMA DE LAZO ABIERTO
Un sistema de lazo abierto es aquél donde la salida no tiene efecto sobre la acción de control. La exactitud de un sistema de lazo abierto depende de dos factores:
a) La calibración del elemento de control.
b) La repetitividad de eventos de entrada sobre un extenso período de tiempo en ausencia de perturbaciones externas.
Un esquema típico de un control de lazo abierto se puede apreciar en la figura (1.1). En ésta se muestra que para que la temperatura del agua en el tanque permanezca constante es necesario que las temperaturas en las tomas de agua fría y caliente no sufran cambios. Otro factor que incide sobre el estado final de la salida es la temperatura de operación del proceso. Si por cualquier motivo esta cambia, entonces la salida cambia en casi la misma proporción.
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18 1.5 SISTEMA DE LAZO CERRADO.
Un sistema de control de lazo cerrado es aquél donde la señal de salida tiene efecto sobre la acción de control. La figura da un panorama general de un sistema de lazo cerrado donde se puede apreciar que la salida es medida y retroalimentada para establecer la diferencia entre en valor deseado y el valor obtenido a la salida, y en base a esta diferencia, adoptar acciones de control adecuadas.
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CAPÍTULO II
DESCRIPCION GENERAL DE UN
SISTEMA SCADA.
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20 CAPÍTULO II
DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA.
2.1 INTRODUCCION AL SISTEMA SCADA.
El nombre SCADA significa: (Supervisory Control And Data Adquisition, Control Supervisor y Adquisición de datos).
Un sistema SCADA es una aplicación o conjunto de aplicaciones software especialmente diseñada para funcionar sobre ordenadores de control de producción, con acceso a la planta mediante la comunicación digital con los instrumentos y actuadores, e interfaz gráfica de alto nivel con el usuario (pantallas táctiles, ratones o cursores, lápices ópticos, etc.)
Aunque inicialmente solo era un programa que permitía la supervisión y adquisición de datos en procesos de control, en los últimos tiempos han ido surgiendo una serie de productos hardware y buses especialmente diseñados o adaptados para éste tipo de sistemas. La interconexión de los sistemas SCADA también es propia, se realiza una interfaz del PC a la planta centralizada, cerrando el lazo sobre el ordenador principal de supervisión.
El sistema permite comunicarse con los dispositivos de campo (controladores autónomos, autómatas programables, sistemas de dosificación, etc.) para controlar el proceso en forma automática desde la pantalla del ordenador, que es configurada por el usuario y puede ser modificada con facilidad. Además, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios.
Los sistemas SCADA se utilizan en el control de oleoductos, sistemas de transmisión de energía eléctrica, yacimientos de gas y petróleo, redes de distribución de gas natural, subterráneos, generación energética (convencional y nuclear).
No todos los sistemas SCADA están limitados a procesos industriales sino que también se ha extendido su uso a instalaciones experimentales como la fusión nuclear donde la alta capacidad de gestionar un número elevado de E/S, la adquisición y supervisión de esos datos; convierte a estos, en sistemas ideales en procesos que pueden tener canales entorno a los 100k o incluso cerca de 1M.
Sistemas similares a SCADA son vistos rutinariamente en fábricas, plantas de tratamiento, etc. Éstos son llamados a menudo como Sistemas de Control
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Distribuidos (DCS - Distributed Control Systems). Tienen funciones similares a los sistemas SCADA, pero las unidades de colección o de control de datos de campo se establecen generalmente dentro de un área confinada.
Las comunicaciones pueden ser vía una red de área local (LAN), y serán normalmente confiables y de alta velocidad. Un sistema DCS emplea generalmente cantidades significativas de control a lazo cerrado. A diferencia de los Sistemas de Control Distribuido, en un SCADA el lazo de control es GENERALMENTE cerrado por el operador.
Los Sistemas de Control Distribuido se caracterizan por realizar las acciones de control en forma automática. Hoy en día es fácil hallar un sistema SCADA realizando labores de control automático en cualquiera de sus niveles, aunque su labor principal sea de supervisión y control por parte del operador.
En la tabla No. 1 se muestra un cuadro comparativo de las principales características de los sistemas SCADA y los Sistemas de Control Distribuido (estas características no son limitantes para uno u otro tipo de sistemas, son típicas).
ASPECTO SCADA’s DCS
TIPO DE ARQUITECTURA CENTRALIZADA DISTRIBUÍDA
TIPO DE CONTROL PREDOMINANTE
SUPERVISORIO:
Lazos de control cerrados por el operador.
Adicionalmente:
Control secuencial y regulatorio.
REGULATORIO:
Lazos de control cerrados automáticamente por el sistema.
Adicionalmente:
Control secuencial, batch, algoritmos avanzados, etc.
TIPOS DE VARIABLES DESACOPLADAS ACOPLADAS
ÁREA DE ACCIÓN Áreas geográficamente
distribuidas. Área de la planta.
UNIDADES DE ADQUISICIÓN
DE DATOS Y CONTROL Remotas, PLC’s. Controladores de lazo, PLC’s.
MEDIOS DE COMUNICACIÓN Radio, satélite, líneas telefónicas, conexión directa, LAN, WAN.
Redes de área local, conexión directa.
BASE DE DATOS CENTRALIZADA DISTRIBUÍDA
Tabla No. 1: Algunas diferencias típicas entre sistemas SCADA y DCS.
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Un sistema SCADA por otra parte, generalmente cubre áreas geográficas más grandes, y normalmente depende de una variedad de sistemas de comunicación menos confiables que una LAN. El control a lazo cerrado en esta situación será menos deseable.
Un sistema SCADA se utiliza para vigilar y para controlar la planta industrial o el equipamiento. El control puede ser automático, o iniciado por comandos de operador. La adquisición de datos es lograda en primer lugar por los RTU's que exploran las entradas de información de campo conectadas con ellos (pueden también ser usados PLC's (Programmable Logic Controllers).
Esto se hace generalmente a intervalos muy cortos. La MTU entonces explorará los RTU's generalmente con una frecuencia menor. Los datos se procesarán para detectar condiciones de alarma, y si una alarma estuviera presente, sería catalogada y visualizada en listas especiales de alarmas.
Los datos pueden ser de tres tipos principales:
Datos analógicos (por ejemplo números reales) que quizás sean presentados en gráficos.
Datos digitales (On/Off) que pueden tener alarmas asociadas a un estado o al otro.
Datos de pulsos (por ejemplo conteo de revoluciones de un medidor) que serán normalmente contabilizados o acumulados.
La interfaz primaria al operador es un display que muestra una representación de la planta o del equipamiento en forma gráfica. Los datos vivos (dispositivos) se muestran como dibujos o esquemas en primer plano (foreground) sobre un fondo estático (background). Mientras los datos cambian en campo, el foreground es actualizado (una válvula se puede mostrar como abierta o cerrada, etc.).
Los datos analógicos se pueden mostrar como números, o gráficamente (esquema de un tanque con su nivel de líquido almacenado). El sistema puede tener muchos de tales displays, y el operador puede seleccionar los más relevantes en cualquier momento.
El flujo de la información en los sistemas SCADA es como se describe a continuación:
El FENÓMENO FÍSICO lo constituye la variable que deseamos medir, dependiendo del proceso, la naturaleza del fenómeno es muy diversa: presión, temperatura, flujo, potencia, intensidad de corriente, voltaje, ph., densidad, etc.
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Este fenómeno debe traducirse a una variable que sea inteligible para el sistema SCADA, es decir, en una variable eléctrica. Para ello, se utilizan los SENSORES o TRANSDUCTORES.
Los SENSORES o TRANSDUCTORES convierten las variaciones del fenómeno físico en variaciones proporcionales de una variable eléctrica. Las variables eléctricas más utilizadas son: voltaje, corriente, carga, resistencia o
capacitancia.
SCADA típico
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Sin embargo, esta variedad de tipos de señales eléctricas debe ser procesada para ser entendida por el computador digital. Para ello se utilizan ACONDICIONADORES DE SEÑAL, cuya función es la de referenciar estos cambios eléctricos a una misma escala de corriente o voltaje. Además, provee aislamiento eléctrico y filtraje de la señal con el objeto de proteger el sistema de eventualidades y ruidos originados en el campo.
Una vez acondicionada la señal, la misma se convierte en un valor digital equivalente en el bloque de CONVERSIÓN DE DATOS. Generalmente, esta función es llevada a cabo por un circuito de conversión analógico/digital. El computador almacena esta información, la cual es utilizada para su ANÁLISIS y para la TOMA DE DECISIONES. Simultáneamente, se MUESTRA LA INFORMACIÓN al usuario del sistema, en tiempo real.
Basado en la información, el operador puede TOMAR LA DECISIÓN de realizar una acción de control sobre el proceso. El operador comanda al computador a realizarla, y de nuevo debe convertirse la información digital a una señal eléctrica. Esta señal eléctrica es procesada por una SALIDA DE CONTROL, el cual funciona como un acondicionador de señal, la cual la escala para manejar un dispositivo dado: bobina de un relé, setpoint de un controlador, etc.
Los sistemas SCADA mejoran la eficacia del proceso de monitoreo y control proporcionando la información oportuna para poder tomar decisiones operacionales apropiadas. De igual forma, ya que cuenta con información (alarmas, históricos, paradas, etc.) de primera mano de lo que ocurre u ocurrió en el proceso, permite la integración con otras herramientas del negocio como lo son intranets, ERP, SPC, etc.
Para comprender mejor el funcionamiento de estos sistemas se utiliza el siguiente ejemplo:
Supóngase tener un circuito eléctrico simple que consiste en un interruptor y una luz. Similar a este:
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Este circuito permite que un operador mire la luz y sepa si el interruptor está abierto o cerrado. El interruptor puede indicar que un motor está trabajando o parado, o si una puerta está abierta o cerrada, o aún si ha habido un incidente o el equipo está trabajando.
Hasta ahora no hay nada especial sobre esto. Pero ahora imagínese que el interruptor y la lámpara están separados 100 kilómetros. Obviamente no se podría tener un circuito eléctrico tan grande, y ahora será un problema que involucrará equipamiento de comunicaciones.
Ahora complique un poco más el problema. Imagínese que se tienen 2000 de tales circuitos. No se podrían producir 2000 circuitos de comunicación. Sin embargo alguien encontró que se podría utilizar un solo circuito de comunicación compartiéndolo. Primero envía el estado (abierto / cerrado o 0/1) del primer circuito. Luego envía el estado del segundo circuito, etc. Necesita indicar a qué circuito se aplica el estado cuando se envían los datos.
El operador en el otro extremo todavía tiene un problema: tiene que monitorear los 2000 circuitos. Para simplificar su tarea se puede utilizar una computadora.
La computadora vigilaría todos los circuitos, y le diría al operador cuándo necesita prestarle atención a un circuito determinado. La computadora será informada cuál es el estado normal del circuito y cuál es un estado de "alarma".
Vigila todos los circuitos, e informa al operador cuando cualquier circuito entra en alarma comparando con estos valores.
Algunos circuitos pueden contener datos "analógicos", por ejemplo, un número que representa el nivel de agua en un tanque. En estos casos la computadora será informada de los valores de niveles máximo y mínimo que deban ser considerados normales. Cuando el valor cae fuera de este rango, la computadora considerará esto como una alarma, y el operador será informado.
Se podría también utilizar la computadora para presentar la información de una manera gráfica (un cuadro vale mil palabras). Podría mostrar una válvula en color rojo cuando está cerrada, o verde cuando está abierta, etc.
Un sistema SCADA real es aún más complejo. Hay más de un sitio. Algunos tienen 30.000 a 50.000 "puntos" que normalmente proporcionan tanto información analógica como digital o de estado (por ejemplo, números tales como el nivel del líquido en un tanque), puede enviar un valor de estado (por ejemplo, encender una bomba) tanto como recibirlo (bomba encendida).
La potencia de la computadora se puede utilizar para realizar un complejo secuenciamiento de operaciones, por ejemplo: ABRA una válvula, después ENCIENDA una bomba, pero solamente si la presión es mayor de 50.
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La computadora se puede utilizar para resumir y visualizar los datos que está procesando. Las tendencias (gráficos) de valores analógicos en un cierto plazo son muy comunes. Recoger los datos y resumirlos en informes para los operadores y la gerencia son características normales de un sistema SCADA.
2.2 CARACTERISTICAS DE UN SISTEMA SCADA
Los sistemas SCADA, en su función de sistemas de control, dan una nueva característica de automatización que realmente pocos sistemas ofrecen: la de supervisión.
Sistemas de control hay muchos y muy variados y todos, bien aplicados, ofrecen soluciones óptimas en entornos industriales. Lo que hace de los sistemas SCADA una herramienta diferente es la característica de control supervisado. De hecho, la parte de control viene definida y supeditada, por el proceso a controlar, y en última instancia, por el hardware e instrumental de control (PLC’s, controladores lógicos, armarios de control... ) o los algoritmos lógicos de control aplicados sobre la planta los cuales pueden existir previamente a la implantación del sistema SCADA, el cual se instalará sobre y en función de estos sistemas de control (otros sistemas SCADA pueden requerir o aprovechar el hecho de implantar un nuevo sistema de automatización en la planta para cambiar u optimizar los sistemas de control previos)
En consecuencia, se supervisa el control de la planta y no solamente se monitorean las variables que en un momento determinado están actuando sobre la planta; esto es, se pueden actuar y variar las variables de control en tiempo real, algo que pocos sistemas permiten con la facilidad intuitiva que dan los sistemas SCADA.
Se puede definir la palabra supervisar como ejercer la inspección superior en determinados casos, ver con atención o cuidado y someter una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararla permitiendo una acción sobre la cosa supervisada. La labor del supervisor representa una tarea delicada y esencial desde el punto de vista normativo y operativo; de ésta acción depende en gran medida garantizar la calidad y eficiencia del proceso que se desarrolla.
En el supervisor descansa la responsabilidad de orientar o corregir las acciones que se desarrollan. Por lo tanto tenemos una toma de decisiones sobre las acciones últimas de control por parte del supervisor, que en el caso de los sistemas SCADA, estas recaen sobre el operario.
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Esto marca una diferencia notable en los sistemas SCADA de los sistemas clásicos de automatización donde las variables de control están distribuidas sobre los controladores electrónicos de la planta y dificulta mucho una variación en el proceso de control, ya que estos sistemas una vez implementados no permiten un control a tiempo real óptimo.
La función de monitorización de estos sistemas se realiza sobre un PC industrial ofreciendo una visión de los parámetros de control sobre la pantalla de ordenador, lo que se denomina un HMI (Human Machine Interface), como en los sistemas SCADA, pero sólo ofrecen una función complementaria de monitorización: observar mediante aparatos especiales el curso de uno o varios parámetros fisiológicos o de otra naturaleza para detectar posibles anomalías (Definición Real Academia de la Lengua)
Es decir, los sistemas de automatización de interfaz gráfica tipo HMI básicos, ofrecen una gestión de alarmas en formato rudimentarias mediante las cuales la única opción que le queda al operario es realizar una parada de emergencia, reparar o compensar la anomalía y realizar un reset. En los sistemas SCADA, se utiliza un HMI interactivo el cual permite detectar alarmas y a través de la pantalla solucionar el problema mediante las acciones adecuadas en tiempo real. Esto otorga una gran flexibilidad a los sistemas SCADA.
En definitiva, el modo supervisor del HMI de un sistema SCADA no solamente señala los problemas, sino lo más importante, orienta en los procedimientos para solucionarlos.
A menudo, las palabras SCADA y HMI inducen cierta confusión en los profanos (frecuentemente alentada por los mismos fabricantes en su afán de diferenciar el producto o exaltar comercialmente el mismo). Cierto es que todos los sistemas SCADA ofrecen una interfaz gráfica PC-Operario tipo HMI, pero no todos los sistemas de automatización que tienen HMI son SCADA. La diferencia radica en la función de supervisión que pueden realizar estos últimos a través del HMI.
Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada:
Adquisición y almacenado de datos, para recoger, procesar y almacenar la información recibida, en forma continua y confiable.
Representación gráfica y animada de variables de proceso y monitorización de éstas por medio de alarmas
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Ejecutar acciones de control, para modificar la evolución del proceso, actuando bien sobre los reguladores autónomos básicos (consignas, alarmas, menús, etc.) bien directamente sobre el proceso mediante las salidas conectadas.
Arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliación y adaptación.
Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes de comunicación.
Supervisión, para observar desde un monitor la evolución de las variables de control.
Transmisión, de información con dispositivos de campo y otros PC.
Base de datos, gestión de datos con bajos tiempos de acceso. Suele utilizar ODBC.
Presentación, representación gráfica de los datos. Interfaz del Operador ó HMI (Human Machine Interface).
Explotación de los datos adquiridos para gestión de la calidad, control estadístico, gestión de la producción y gestión administrativa y financiera.
Alertar al operador de cambios detectados en la planta, tanto aquellos que no se consideren normales (alarmas) como cambios que se produzcan en la operación diaria de la planta (eventos). Estos cambios son almacenados en el sistema para su posterior análisis.
2.3 REQUISITOS
Estos son algunos de los requisitos que debe cumplir un sistema SCADA para sacarle el máximo provecho:
-Deben ser sistemas de arquitecturas abiertas, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa.
-Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente para el usuario con el equipo de planta (“drivers”) y con el resto de la empresa (acceso a redes locales y de gestión).
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-Los programas deberán ser sencillos de instalar, sin excesivas exigencias, y fáciles de utilizar, con interfaces amables con el usuario (sonido, imágenes, pantallas táctiles, etc.).
-El número de variables del proceso que se necesita monitorear es alto.
-El proceso está geográficamente distribuido. Esta condición no es limitativa, ya que puede instalarse un SCADA para la supervisión y control de un proceso concentrado en una localidad.
-Las información del proceso se necesita en el momento en que los cambios se producen en el mismo, o en otras palabras, la información se requiere en tiempo real.
La complejidad y velocidad del proceso permiten que la mayoría de las acciones de control sean iniciadas por un operador. En caso contrario, se requerirá de un Sistema de Control Automático, el cual lo puede constituir un Sistema de Control Distribuido, PLC's, Controladores a Lazo Cerrado o una combinación de ellos.
2.4 PRESTACIONES
Las prestaciones que puede ofrecernos un sistema SCADA eran impensables hace una década y son las siguientes:
-Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del ordenador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias.
-Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo.
-Creación de informes, avisos y documentación en general.
-Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso el programa total sobre un autómata (bajo unas ciertas condiciones).
-Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador, y no sobre la de un autómata, menos especializado, etc.
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-Configuración, que permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA, adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar.
-Interfaz gráfico del operador, que proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.
-Módulo de proceso, el cual ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales de variables leídas.
-Gestión y archivo de datos, que se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos.
-Comunicaciones, que se encarga de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre ésta y el resto de elementos informáticos de gestión.
Con ellas, se pueden desarrollar aplicaciones basadas en el PC, con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco o impresora, control de actuadores, etc.
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CAPÍTULO III
DESCRIPCIÓN E INTEGRACIÓN GENERAL DE UN SISTEMA
SCADA.
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32 CAPÍTULO III
DESCRIPCIÓN E INTEGRACIÓN GENERAL DE UN SISTEMA SCADA.
3.1 COMPONENTES HARDWARE Y SOFTWARE DE UN SISTEMA SCADA Los sistemas tendieron históricamente a ser propietarios y muy especializados, y donde fueron utilizados sistemas operativos de fines generales, tendieron a ser modificados pesadamente.
Esto era debido a que los requisitos de SCADA superaban los límites de la tecnología disponible y, por razones de performance, tendieron a proporcionar sistemas gráficos por encargo, a usar bases de datos en tiempo real (con gran parte de la base de datos en memoria), y a menudo el hardware debió ser modificado para estos requisitos particulares.
La serie Digital Equipment Corporation PDP11 y el sistema operativo RSX11M eran quizás la plataforma más común en los SCADA de los años 70 y principios de los 80. Posteriormente, Unix comenzó a ser el sistema operativo de más frecuente elección.
Mientras la potencia de la PC aumentaba, los sistemas Intel llegaron a ser muy comunes, aunque las plataformas DEC Alfa, y otras estaciones de trabajo de fines elevados estén aún en uso.
En épocas recientes Windows NT ha alcanzado alta aceptación dentro de la comunidad SCADA, aunque los sistemas muy grandes siguen siendo probablemente estaciones de trabajo Unix (QNX o Solaris) más veloces en sus respuestas.
Actualmente la industria se está desarrollando claramente hacia estándares abiertos: ODBC, INTEL PC’s, sistemas estándares de gráficos, e interconectividad a sistemas de computación corrientes.
En años recientes ha aparecido en el mercado un importante número de sistemas SCADA sobre plataformas INTEL PC, ya que éstas están aumentando rápidamente su capacidad y performance. Ejemplos de ellos son Citect, FIX de Intellution, KEPware y Wonderware
En la actualidad los SCADA presentan características muy diversas, tienen tal complejidad que un análisis general de su estado se debe de abordar teniendo en cuenta solo sus aspectos más representativos.
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Es por ello que hemos seleccionado algunos tópicos que permiten caracterizar a los SCADA de forma global.
Estos se muestran en la figura siguiente:
Los tres aspectos generales que componen un SCADA son:
La Teoría que los fundamenta.
La Tecnología que permite su implementación.
Las Aplicaciones que le dan un sentido a su existencia.
Dentro de la Teoría se destacan la del Control Automático y Secuencial, la Metrología, el Control Estadístico, la Detección de Fallos, la Identificación de Acceso y la Gestión Empresarial.
En el campo de la Tecnología se establece una división natural entre Hardware y Software.
Y se reportan aplicaciones en diversos campos entre los que sobresalen la mediana y la gran industria, los laboratorios, la medicina, la automoción y la domótica.
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Dentro del hardware que forma los SCADA podemos identificar 4 componentes, mostrados en la figura de siguiente. A continuación analizaremos el estado actual de cada uno.
3.2 LA PLATAFORMA DE TRABAJO
Un SCADA puede establecerse sobre varias plataformas de trabajo que son:
Reguladores Convencionales, Autómatas Programables y Computadoras.
Los Reguladores Convencionales ocupan en muchos sistemas SCADA, la primera línea frente al proceso junto a los sensores y actuadores. Se encargan de procesar las mediciones, de calcular la ley de control, y si es necesario, de modificar el estado de los elementos de acción final.
Estos elementos han evolucionado considerablemente en los últimos años y a ello se debe su presencia en los sistemas de controles actuales. A pesar de la fuerte competencia que le presentan otros sistemas, como por ejemplo los autómatas programables.
Desde hace algún tiempo los Reguladores Convencionales cuentan con capacidades de control multilazo, y mantienen las estructuras en cascada, relación, etc., y se presentan con distintos tipos de algoritmos de control.
Muchos de ellos permiten la comunicación con niveles superiores y a través de ella se pueden realizar cambios de referencia, ajuste de parámetros, envío de mediciones o detección de fallos. Incorporan además capacidades de conversión a diferentes unidades de ingeniería.
Algunos constituyen verdaderos sistemas de adquisición de datos ya que poseen dispositivos de almacenamiento y de procesamiento en línea.
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Existen reguladores especializados en variables específicas y con algoritmos de regulación preestablecidos por el fabricante, como por ejemplo el regulador PID para el control de temperatura que se muestra en la figura.
En otros casos se pueden encontrar incorporados en el sensor (por lo que se especializan en el tipo de variable que mide el sensor) e incluso unidos sensor, regulador y actuador.
Un ejemplo de ello son los variadores de velocidad que controlan la velocidad del motor manipulando la frecuencia y la tensión de alimentación, como lo hace el compresor inteligente ELMO-G-2BH7 de SIEMENS. Si bien tienen un papel importante en los lazos de regulación, estos dispositivos carecen de la capacidad para atender secuencias lógicas de operación.
Ocurre en ocasiones que no solo se quiere controlar el comportamiento de una o más variables de interés, sino que también se quiere mantener el control sobre la secuencia de operación. Sobre todo en procesos batch los Autómatas Programables son capaces de realizar ambas funciones, de ahí que se analizan a continuación.
Los Autómatas Programables o PLC (Programable Logic Controller), son el principal competidor de los reguladores convencionales. En sus inicios cumplían solo tareas de secuenciación pero han ido incorporando capacidades de regulación cada vez más complejas. Su capacidad para trabajar en ambientes adversos, su concepción modular y sus crecientes prestaciones, los han hecho preferidos entre los productores de SCADA.
Se pueden encontrar desde los niveles más bajos de regulación, hasta los niveles superiores. Pero se considera que, en la mayoría de los casos, donde mejor se desempeñan es en un nivel intermedio, entre los reguladores convencionales y un nivel superior presidido por una computadora industrial.
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Cuentan con amplias capacidades de comunicación, tanto con dispositivos de campo como sensores y actuadores, así como con redes industriales de diversos tipos. En este sentido permiten la transmisión de mediciones y valores de referencia o mando, parámetros de configuración y ajuste, verificación y detección de fallos, señalización de alarmas, etc. Cuentan con dispositivos de respaldo de energía, con gran cantidad de temporizadores y contadores, con diversas entradas y salidas de naturaleza analógica y digital.
Su programación se realiza con una computadora personal, o empleando un programador de mano específico del autómata. En la mayoría de los casos utilizan lenguajes de alto nivel, formados por símbolos conocidos y utilizados ampliamente por el personal de la industria.
También se han desarrollado gran cantidad de paneles operativos (OP) de muy buena resolución, con teclado o pantalla táctil.
Las Computadoras Industriales generalmente forman parte de los niveles superiores del SCADA, donde se encargan de la supervisión del proceso, de los cambios en la estrategia de control que le transmiten a los niveles inferiores (donde pueden estar los autómatas, los reguladores u otras computadoras) y de mostrar la información de una forma más amigable y útil según la posición que ocupen en al estructura de la empresa o la fábrica. Aunque también podemos encontrarlas en el control digital directo (DDC)
Las Computadoras de Oficina aumentan su índice de protección intrínseca o protección IP, mediante la adición de protecciones adicionales como cajas metálicas con presión positiva y filtros de aire, pantallas táctiles, etc.
Adicionalmente y producto de su propio desarrollo, su robustez aumenta.
Disminuyen las conexiones internas mediante la integración de las tarjetas de video, sonido y controladoras de comunicación, discos y puertos en la propia tarjeta principal. También los medios de almacenamiento evolucionan hacia elementos más estables que garantizan en mayor medida la conservación de los datos.
En este grupo se destacan las computadoras portátiles que tienen potenciadas todas estas características y que pueden ser trasladadas de un lugar a otro con pocos riesgos de avería. Pero sobre todo se trata de que las computadoras de oficina constituyan una alternativa mucho menos costosa que las computadoras industriales.
