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Programa de Adiestramiento en Automatización Industrial Aplicada en
el área Petrolera.
Módulo: SISTEMA SCADA nivel Básico.
ccatatccatat
Tabla de Contenido
Tema 1: Introducción a los Sistemas SCADA.
• Definición General.
• Importancia.
• MTU, RTU y Módulo de Entrada/Salida.
• Control de Procesos.
• Principios de Control.
• Elementos Primarios.
• Lazo Binario y Analógico.
• Convertidores A/D, D/A, I/P
• Transmisores Inteligentes.
• Adquisición de Datos.
Tema 2: Partes de un Sistema SCADA.
• ¿Qué es un SCADA?
• Módulos de un Sistema SCADA
• Sistema de Control Local
• Medios de Comunicación
• Constitución de un Sistema SCADA.
• La Unidad Terminal Maestra.
• La Unidad Terminal Remota.
• El Módulo de Entrada / Salida.
• La Unidad Central de Proceso.
• El Módulo de Comunicaciones.
• El Operador y Funcionamiento.
Tema 3: El Controlador Lógico Programable (PLC)
1
• Estado Actual.
• El Controlador Lógico Programable (PLC).
• Estructura del PLC.
• Software de Comunicación con el PLC (Rockwell)
Tema 4: La Programación
• Sistema Operativo.
• Programación de base SCADA.
• Programas de Aplicación.
• Conceptos Básicos de Programación.
Tema 6: Disponibilidad y otros Conceptos
• Disponibilidad y Tiempo de Respuesta.
• Confiabilidad, Eficiencia y Efectividad.
• El Operador y la Eficiencia
• Eventos y Alarmas
2
SISTEMA SCADA (NIVEL BASICO)
Introducción: La moderna tecnología de Supervisión y Control Remoto de
procesos, la misma que ha producido telemetría espacial, ha
estimulado paralelamente el desarrollo de nuevas formas de
sistemas SCADA aplicados a la industria, razón por la cual la
especialización requiere de una actualización permanente.
La medición a distancia requiere, en primer lugar, que exista
un transductor en el sitio remoto, un dispositivo que convierta
la magnitud física que deseamos medir en una señal eléctrica
y luego en una señal digital, de manera que pueda ser
transmitida convenientemente.
Es por esta razón que se requiere un medio de comunicación
o enlace entre el punto donde se va a realizar la medición y el
sitio remoto donde la medición va a ser convertida en
información.
El medio físico para el transporte de datos se divide en dos
grupos los del medio enlazado y el medio libre. El medio
enlazado más simple es el cable trenzado.
Para la transmisión a través del medio libre uno de los
sistemas de comunicación utilizado más frecuente es el radio
de ultra alta frecuencia (U.H.F.)
A veces el enlace puede ser por ondas portadoras, rayos
infrarrojos, rayos laser, radio frecuencia, por cable trenzado,
por cable coaxial, fibra óptica, microonda.
TEMA 1
3
INTRODUCCIÓN A LOS SISTEMAS SCADA
Definición General
La palabra SCADA en este contexto significa Sistema de
Supervisión y Control. El origen es de ingeniería de control y
es una forma de control.
Importancia Los sistemas SCADA surgen como una respuesta a la
necesidad de centralizar la información proveniente de los
diferentes procesos, permitiendo, además, la integración de
estos sistemas en el ámbito de las redes Industriales y
Corporativas; los mismos se desarrollan con los avances en la
electrónica, la computación y las comunicaciones.
El propósito principal del sistema consiste en adquirir la
información y procesarla en tiempo real, facilitando al
operador, ubicado en un Centro de Control, la supervisión y
control continua, a distancia, de los procesos automatizados.
La Adquisición de Datos se refiere a la recopilación, en tiempo
real, del estado de las variables por la instrumentación local
instalada, para transmitirla hasta un Centro de Control, desde
el cual el operador puede solicitar, desplegar y archivar
información relacionada con los procesos.
Unidad
Terminal
Maestra
(MTU)
La parte del Sistema instalada en el Centro de Control se
llama Unidad Terminal Maestra (MTU o Master Terminal Unit
en Inglés). Consiste en unas aplicaciones computarizadas
con funciones de despliegue, cálculo, almacenamiento de
datos, comunicaciones, etc., que actualiza periódicamente la
información almacenada, permitiéndole al operador, como se
verá más adelante, supervisar los procesos e interactuar con
ellos.
4
Unidad
Terminal
Remota
(RTU)
La parte del Sistema instalada en los sitios remotos (plantas,
estaciones) se llama Unidad Terminal Remota (RTU o Remote
Terminal Unit) estos pueden ser computadoras o PLC y
consiste de unas aplicaciones computarizadas, en las cuales
se destaca especialmente el subsistema de Adquisición de
Datos, cuya tarea consiste en la recolección periódica,
procesamiento y monitoreo de información del proceso a
supervisar. Está en capacidad de recibir, decodificar y
responder las interrogaciones periódicas que le hace la MTU,
así como de ejecutar acciones de control a requerimiento del
operador.
Módulos de
Entrada /
Salida (E/S)
del RTU
En los sistemas SCADA el proceso de adquisición de datos
ocupa el grueso de la actividad y está totalmente
automatizado; hay comandos de control que están a cargo del
operador, ubicado en el Centro de Control, quien representa el
componente humano del sistema y tiene la opción de ejecutar
las acciones de control, de acuerdo a la información recibida,
los planes de contingencia y su conocimiento del proceso
productivo.
El Módulo de Entrada/Salida es una parte importante de La
Unidad Terminal Remota, ya que centraliza, precisamente, las
tareas de adquisición, sirviendo de interfaz entre los sensores
que monitorean las variables del proceso y la misma RTU o, lo
que viene a ser igual, entre los sensores y la Unidad Terminal
Maestra.
Este módulo es un subsistema del SCADA que le permite en
el campo (RTU/PLC), interactuar con el proceso de la manera
siguiente:
1.- MODULOS DE ENTRADAS (A1, DI):
Analógicas (4-20 mA, 1-5V, etc.: flujo, temperatura,
5
Etc.)
Binarias (Interruptores de protección: nivel, etc.)
2.-MODULOS DE SALIDAS (AO, DO):
Analógicas (4-20 mA para accionar válvula, etc.)
Binarias (Arranque/Parada de bombas, etc.)
Control de
Proceso
Venimos hablando de proceso, pero ¿qué significa?...
Industrialmente la palabra se refiere a procesos de
producción, es decir, a las etapas operacionales
interrelacionadas, a través de las cuales se va manipulando la
materia y/o la energía, para crear un producto final
(volúmenes de gas o crudo, etc.).
Principios de
Control
El control de los procesos, cuyo objetivo consiste en obtener
un producto con la calidad deseada, puede ser CERRADO, si
la señal es retroalimentada desde la salida del proceso al
controlador, o ABIERTO, si no lo es. El sistema consiste,
básicamente, en Medir, Comparar, Computar y Corregir.
Los sistemas de control automático comprenden los siguientes
elementos: Proceso, Medición, Controlador, Lazo de Control y
Elemento Final de Control.
Sistema de Control.
6
SET POINT (AJUSTE)
POSICIONADOR DE LA VÁLVULA
CONTROLADOR
P R O C E S O ACTUADOR DE LA VÁLVULA
POSICIONADOR
PERTURBACIÓN (GANANCIA DE
ENERGÍA)
TRANSMISOR
REGISTRADOR
PERTURBACIÓN (PÉRDIDA DE ENERGÍA)
VARIABLE MANIPULADA
VARIABLE CONTROLADA
ELEMENTO PRIMARIO (SENSOR)
SALIDA
Elementos
Primarios
Antes de describir las partes de un Sistema SCADA, es
conveniente referirse, aunque brevemente, a los elementos
primarios o sensores en el campo (transductores), junto a
algunos dispositivos muy importantes que median entre cada
uno de ellos y los módulos de entrada (parte del Subsistema
de Entrada/Salida o Input/Output) y entre los módulos de
salida y los elementos finales de control. Los llamados
elementos primarios constituyen el verdadero comienzo de la
medición de cualquier variable en el campo, que debe, como
es lógico, partir del proceso mismo.
En los procesos de petróleo y gas los traductores más
comunes son de Presión Estática (P.S.I.), Presión Diferencial,
Temperatura, Nivel, Velocidad, etc.
El Lazo
Binario
Las señales binarias, por su parte, provienen de interruptores
de nivel, presión, etc., cuya salida es considerada digital por
presentar características discontinuas o discretas, que en
este caso sólo poseen dos estados o valores: 0 voltios DC, 24
voltios DC (son los niveles de tensión más usados en petróleo
y gas), apagado o encendido, Cero o Uno Lógicos, etc.
Estos interruptores funcionan asociados a determinadas
variables como el nivel bajo o el nivel alto de un tanque y su
estado, es decir, el valor que representan en un momento
dado, valor representado en voltaje que es conducido, vía
cable, hasta el módulo de Entradas Digitales de la RTU/PLC.
7
A su vez, en base a esta información, un Módulo de Salidas
Digitales puede enviar un nivel de tensión eléctrica o voltaje
(0-5 o 0-24 Voltios) hasta el panel de control de una bomba
para ponerla en servicio o apagarla.
LAZO BINARIO
El Lazo
Analógico
Tenemos, en primer lugar, una placa de orificio, instalada en
la tubería de proceso, con sus tomas de alta y baja presión
conectadas, mediante tubería de instrumentación, a un
transmisor electrónico de presión diferencial, que depende del
caudal a medir.
Este componente básico, el TRANSMISOR, recibe la presión
diferencial en pulgadas de agua que el flujo produce entre los
dos lados de la Placa de Orificio y la convierte en una
corriente proporcional de 4 a 20 miliamperios (4-20 mA), que
va a transmitir, generalmente mediante un par de cables,
desde el sitio de medición hasta el terminal del módulo de
Entradas Analógicas de una RTU o un PLC donde es
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SEÑAL NEUMÁTICA
PLC/RTU
MODULO DE
ENTRADAS BINARIAS
MODULO DE SALIDAS BINARIAS
RADIO
ARRANCADOR
BOMBA
SWITCH DE NIVEL
PLC/RTU
MÓDULO DE ENTRADAS
ANALÓGICAS
MODULO DE SALIDAS
ANALÓGICAS
RADIO
FT
VÁLVULA (ELEMENTO FINAL DE CONTROL)
PLACA DE ORIFICIO (ELEMENTO PRIMARIO)
PROCESO
SEÑAL NEUMÁTICA
SEÑAL ELECTRÓNICA (4-20 mA.)
I/P
convertida a 1 – 5 v DC para luego a través de un convertidor
A/D se convierte en un número y luego a un valor de
ingeniería presión diferencial. Esta presión diferencial puede
ser utilizada para controlar el flujo mediante una válvula que
representaría un Elemento Final de Control.
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Conversión
Analógico /
Digital,
Digital/
Analógico y
Corriente/
Presión
En lo que respecta al Módulo de Entradas Analógicas de una
RTU o de un PLC, esta señal de 4-20 mA, al representar
instantáneamente las variaciones correspondientes de presión
diferencial presentes en la entrada del transmisor, debe ser
convertida en una magnitud digital antes de ser transmitida
hasta el Centro de Control y procesada para los efectos de
indicación o control previsto en el sistema SCADA.
Esta conversión Analógico/Digital tiene, efectivamente, lugar
dentro del PLC o la RTU, para, finalmente salir, si es el caso, a
través de un convertidor D/A y luego al Módulo de Salidas
Analógicas, en forma de otra señal de 4-20 mA, para mover el
actuador de la válvula final, mediante un CONVERTIDOR I/P
(de Corriente a Presión), con salida de 3-15 PSI, capaz de
mover el diafragma de la válvula respectiva.
Transmisores
Inteligentes
La Tecnología de semiconductores produce transmisores
cada vez más sofisticados. Estos transmisores están basados
en la aplicación de un microprocesador y tienen memoria, lo
cual los hace altamente competitivos, tendiendo, actualmente,
a remplazar los tradicionales en la mayoría de las
aplicaciones. Entre sus características y ventajas pueden
citarse las siguientes:
- Puerto de Salida Serial y Analógico- Pueden conectarse al Bus de Campo (Field Bus)- Son Configurables- Se configuran localmente (botones) o a distancia mediante
una interfaz- Su linealidad es muy buena- Aceptan funciones cuadráticas y lineales, mensajes,
fechas, etc.- Pueden transmitir y controlar- Pueden comunicarse directamente con la RTU o el
PLC.Adquisición
de Datos
Los sensores en el campo monitorean las condiciones reales
de operación (variables del proceso), convirtiéndolas en
10
magnitudes eléctricas de voltaje o corriente. En el caso de
una medición analógica, una tensión eléctrica - por ejemplo -,
la misma puede tomar valores intermedios a través de toda su
escala o rango, mientras que un sensor de estado sólo puede
representar dos estados o condiciones (voltaje alto o normal,
“1” ó “0”).
Estas señales son transmitidas a la MTU por la RTU o el PLC,
después de digitalizarlas, utilizando los módems y la línea de
comunicación. La Maestra procesa esta información de
acuerdo a su programa y despliega la información en las
pantallas, impresoras, etc. O activa una alarma sonora si el
punto entra en alarma. El operador supervisa las operaciones
mediante los referidos dispositivos (monitores, impresoras) y
decide las acciones a tomar, que son introducidas en el
sistema a través del teclado de la cónsola de comando u otros
medios tales como Ratón, Track Ball, etc.
Estos comandos introducidos por el operador son procesados
por la Estación Maestra (MTU), que envía, a su vez, otra señal
codificada a las unidades remotas (RTU/PLC), a través de los
módems y las líneas de comunicación. En su momento cada
RTU direccionada decodifica y procesa los comandos
transmitidos por la Maestra, enviando, a su vez, las señales
requeridas al campo para arrancar/parar, encender/apagar o,
en general, actuar sobre los elementos finales de control.
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TEMA 2
PARTES DE UN SISTEMA SCADA
¿Qué es un
SCADA?
El SCADA es - repetimos - un sistema que, basado en
computadoras permite:
1. Adquirir información (datos o data en Inglés) de procesos
distantes, mediante Unidades de Transmisión Remota
(RTU-PLC).
2. Enviar esa información desde el sitio remoto hasta un
Centro de Control.
3. Supervisar el proceso automatizado y decidir acciones de
control.
DE UNA MANERA MAS AMPLIA UN SISTEMA SCADA
PERMITE:
• Poseer datos actualizados de las variables de procesos
remotos
• Visualizar selectivamente la información mediante tablas y
despliegues
• Ejercer Control a distancia
• Detectar eventos y condiciones de alarma a través de
monitores e impresoras
• Planificar y evaluar mantenimiento
• Mantener la información en Bases de Datos para elaborar
informes: diarios, especiales, históricos, estadísticos y de
planificación para políticas gerenciales.
Partes. Todo sistema SCADA consta de cuatro partes
12
fundamentales:
1.- Los sistemas de control local, geográficamente
dispersos, capaces de interactuar con equipos de
campo (Instrumentación Local).
2.- Las unidades de recolección y transmisión de datos y
receptores de instrucciones en campo (Módulos de E/S
y Control del RTU).
3.- Los medios de comunicación entre el Centro de Control
y las estaciones remotas (Sistema de Comunicaciones).
4.- El Centro de Control donde se recibe la información de
campo y del sistema y se ejercen las acciones de
operación necesarias (MTU).
Sistemas de
Control Local
Los sistemas de control en campo son los encargados de
mantener el control de cada proceso en condiciones
normales, asegurando una eficiente productividad.
Los sistemas de control requieren una cantidad de equipos
de instrumentación para mantener su operación, entre los
cuales se pueden enumerar los siguientes:
• Elementos finales de control (Válvulas neumáticas,
Eléctricas, Calentadores, Motores, Contactores y Relés)
• Elementos transductores (Convertidores de variables de
campo a señales eléctricas) como:
- Transmisores de presión absoluta para nivel de tanques
abiertos y presión diferencial y nivel de tanque cerrado
- Transmisión de presión estática para tanques de techo
abierto y de los procesos.
- Transmisores de presión diferencial para flujo y nivel.
- Transmisores de temperatura
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- Transmisores de humedad
- Transmisores de desplazamiento
- Detectores de fuego y sustancias peligrosas
• Elementos electrónicos de control automático con
capacidad de comunicación como:
- Transmisores inteligentes con manejadores de lazos de
Control pid y on-off
- Controladores electrónicos manejadores de múltiples
Lazos de control (Smart)
- Controladores Lógicos Programables (PLC’s)
- Unidades concentradoras de campo.
Esta parte del sistema SCADA esta constituida por equipos
electrónicos conectados a los instrumentos de campo para
recolectar los parámetros de proceso, almacenarlas y
enviarlas al Centro de Control cuando sean requeridas;
reciben y ejecutan, además, los comandos emanados
desde el mismo Centro de Control.
Los equipos que hacen esta tarea son las Unidades
Terminales Remotas y, más recientemente, los PLC´s.
Las Unidades Terminales Remotas están especializadas
en la recolección, almacenamiento, procesamiento y
transmisión de datos y, en la recepción y ejecución en
campo de comandos procedentes del Centro de Control.
Los PLC fueron en el principio diseñados para ejecutar
secuencias en sustitución de los relés y no en la
transmisión de datos, pero usan su propia base de datos
para, a través de una unidad externa de comunicación,
enviar la información al Centro de Control SCADA.
14
La rapidez de reacción del proceso a los cambios fija los
tiempos de muestreo, procesamiento y de comandos de
control hacia el campo.
Medios de
comunicación
entre el Centro
de Control y las
RTU´s
En todo sistema de comunicación hay por lo menos dos
elementos que se quieren comunicar y un medio o canal
de comunicación, por el cual transita la información (datos
y ordenes) de un lugar (fuente) a otro (destino). Como las
comunicaciones en los sistemas SCADA son
bidireccionales, las áreas remotas y el Centro de Control
son alternativamente fuente y destino de las
comunicaciones.
Entre los canales de comunicación más comunes se
pueden mencionar:
1.- Cables,
2.- Espacio libre (radio - frecuencia) y
3.- Fibra óptica.
A veces la distancia y los accidentes geográficos entre el
Centro de Control y las estaciones remotas ameritan el uso
de repetidoras de señal y varios tipos de canales para
asegurar una buena comunicación.
Ejemplo: Puede utilizarse radiofrequencia UHF como canal
de transmisión, desde la estación remota hasta una
repetidora, y microondas desde allí al Centro de Control;
cada tipo de canal tiene sus propias características de nivel
de ruido aceptable, direccionalidad, penetración, alcance y
ancho de banda.
BLOQUE DE COMUNICACION EN SERIE
15
1.- DTE: Equipos terminales de data.2.- DCE: Equipos de comunicación de data.
Constitución de
un Sistema
SCADA:
✓Unidad Terminal Maestra (MTU)
Computador Maestro (puede ser redundante: uno o varios
de respaldo)
Periféricos (Interfaz humano - máquina): Monitores,
Teclado, Ratón o trackball, Sensor de tacto (touch screen),
Impresora de alarmas y eventos, plotter, etc.
Paneles auxiliares
Modem
Fuente ininterrumplible (UPS, Cuarto de Baterías)
Medio de Comunicación
✓Unidad Terminal Remota (RTU)Sensores (Transductores para los parámetros
operacionales de campo)
Controladores Integrados (PLC, SCD, etc.)
Modem
Medio de Comunicación
Medios de Comunicación
• Cable trenzado o Coaxial• Par telefónico o Teléfono Celular• Radio-enlace VHF / UHF• Microonda• Satelital• Fibra Optica
16
• Otro
Unidad Terminal
Maestra (MTU)
Esta Unidad está conformada normalmente por una
sistema redundante, es decir, que cuenta con uno o más
computadores de respaldo en caliente. La computadora
de respaldo se mantiene normalmente energizada y
actualizada con respecto a la información compartida
(Base de Datos iguales), lo cual le permite tomar control
del sistema ante cualquier falla de la Computadora
Primaria o Maestra, maximizando la disponibilidad y la
confiabilidad del Sistema.
UNIDAD TERMINAL MAESTRA
La Unidad Maestra es el cerebro central de cualquier
Sistema SCADA y sirve como interfaz inteligente entre el
operador y el proceso a supervisar y/o controlar.
Una de sus tareas consiste en manejar la comunicación
entre las Unidades de Transmisión Remota (RTU/PLC) y
ella misma, procesando toda la información suministrada,
que representa los datos adquiridos en el campo a través
de los sensores, a ser archivada o desplegada a
requerimiento del operador.
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CPU RE- DUNDAN-
TE
INTERFAZ HOMBRE-MAQUINA
RADIOMODEMC P UMOD. DE COMUNI-
CACIONES
FUENTE DE POTENCIA
U P S
MONITOR DE MANTENIMEINTO
RED CORPORATIVA
Los datos recibidos también se convierten en mensajes
impresos (eventos y alarmas), como el arranque de una
bomba, precisando fecha y hora, o la detención no-
programada del compresor que suministra aire para los
instrumentos, por ejemplo, debido a una falla.
La Unidad Maestra convierte los comandos entrados –a
través del teclado – por el operador en datos digitales que
son transferidos, vía el medio de comunicación, a las
unidades remotas y, finalmente, al equipo a ser controlado.
Igualmente ejecuta de manera programas de aplicación y
rutinas.
El Barrido (scan) o método de interrogación, consiste en la
interrogación de las RTU’S/PLC para actualizar los valores
o ejecutar comandos, mediante un proceso secuencial y
repetitivo
Unidad Terminal
Remota (RTU)
Actuando como intérprete entre los elementos sensores o
primarios en el campo y el computador de la Unidad
Maestra están la Unidades Terminales Remotas
(RTU/PLC).
A pesar de que la estructura interna o arquitectura de una
RTU/PLC puede variar según la tecnología y filosofía de su
diseño, todas constan típicamente de un Bloque de
Entrada/Salida (E/S o I/O en Inglés), un Módulo de Control
(CPU) y un Módulo de Comunicaciones, más la Fuente de
Alimentación.
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UNIDAD TERMINAL REMOTA
Módulo de
Entrada Salida
(E/S)
Uno de los servicios prestados por estas unidades,
a través de su módulo de E/S, es el de convertir
las variables analógicas procedentes de los
transductores/transmisores en el campo, tales
como temperaturas, presiones, etc., en sus
equivalencias binarias, a fin de que puedan ser
procesadas digitalmente por las computadoras.
Las variables que se originan en forma digital,
como las entregadas por los contactos de los
relevadores (relays) y los interruptores,
denominados Contactos Secos son procesadas
directamente, puesto que encuentran con tensión
24v DC o 0v DC que equivale a 1o’0 binario.
MODULOS DE ENTRADA SALIDA EN LA RTU
19
Proceso
E/S ANALOGICAS
PROCESO
E/S BINARIAS
RADIOMODEMC P UMOD. DE COMUNI-
CACIONES
FUENTE DE POTENCIA
U P S
INTERFAZ DE MANTENIMIENTO
PROCESO
A continuación algunas de las variables más importantes:
Presión, Flujo, Temperatura, Nivel, Voltaje, Corriente,
Potencia (Activa y Reactiva), etc. Un transductor es un
elemento primario que convierte la magnitud física Presión,
o cualquier otra, en una señal eléctrica proporcional; los
transductores generalmente trabajan junto con un
transmisor, que envía la señal equivalente en forma de
corriente o voltaje (4 a 20 mA, 1 a 5 V, etc.) hasta los
módulos de E/S del PLC (Controlador Lógico Programable)
o del RTU, donde son acondicionadas para ser procesadas
digitalmente.
Los canales de Entrada Analógica reciben la información
correspondiente de los transmisores (4 a 20 mA) y la
transforman, mediante Convertidores Analógico/Digitales
(A/D), en palabras apropiadas para ser procesadas por el
Computador de la Estación Maestra. Este Módulo también
permite el manejo de información digital, que viene
representada por presencia de 2 o 24v DC el cual es leido
a través de un aislador óptico como un 1 o un 0 para ser
procesado por el PLC o RTU. Es importante tener en
cuenta la Resolución de los convertidores A/D, que es la
20
medida incrementar mínima en que puede ser dividida la
señal analógica de entrada.
Cuando la Unidad Maestra envía un Comando de Control a
la Remota (RTU/PLC), esta se encarga de recibirlo,
verificarlo, decodificarlo y retransmitirlo debidamente a los
Elementos Finales para ejecutar la acción, que también
puede ser de lectura: sea cual fuere el mensaje,
oportunamente la Remota enviará un mensaje de
respuesta a la Maestra en forma de simultáneo recepción
transmisión o recepción y luego transmisión.
Unidad Terminal Remota Inteligente, poseen cierto nivel de
inteligencia agregada por el empleo de microprocesadores,
estando en capacidad de tomar decisiones a nivel local,
que se diferencian, además, por la manera como reportan
la información de campo. Ya dijimos que la tendencia
actual es que los IRTU´s puedan ser intercambiados con
los PLC´s.
21
Unidad Central
de Proceso
(CPU)
Este microprocesador o CPU (Central Processing Unit)
controla la transferencia de datos dentro de la Unidad; el
formato digital, en parte proveniente de los convertidores
Analógico/Digitales, se almacena en una dirección
específica de memoria; cuando la interfaz de
comunicación interrumpe solicitando, a nombre de la MTU,
la información recolectada localmente, los datos son
formateados y transmitidos, a través de la misma interfaz,
desde la memoria hasta la Estación Maestra, vía el medio
de comunicación.
Las interrupciones dentro del CPU, que pueden originarse
en algún periférico local, en el Módulo de E/S o provenir
de una solicitud de transmisión hecha por la MTU, son
manejadas por una rutina que determina las prioridades,
teniendo la primera prioridad la interfaz de comunicación,
lo cual es determinante para su eficiencia en lo que
respecta a la actualización contínua de la información.
Modulo de
Comunicación
La información digital y/o analógica procedente del campo,
ya convertida en digital por el Módulo de E/S, debe ser
codificada antes de ser transmitida hacia la Estación
Maestra por el medio de comunicación, generalmente un
canal de radio operando en la banda de UHF. La
información recibida de la MTU debe, así mismo, ser
decodificada localmente.
Estas dos tareas son hechas de manera contínua en esta
etapa del tratamiento de las señales, adecuándolas
apropiadamente en lo que respecta a forma, secuencia y
verificación de error, lo cual es atendido por la normativa y
el protocolo en uso.
El manejador de comunicación convierte los dígitos
22
binarios del mensaje en dos frecuencias bajas (audio)
equivalentes al Uno y al Cero, antes de que pasen, a su
vez, a modular la frecuencia portadora del canal de radio y
viceversa, en el caso de transmisión y recepción en FSK.
En los sistemas modernos el modem es parte integral del
Módulo de Comunicación.
El Operador Debido a la responsabilidad tan grande que conllevan las
intervenciones en un sistema productivo complejo, y a que
el operador es el elemento autorizado para ejecutarlas, los
candidatos a este puesto deben cumplir con unas
características de personalidad, destrezas y conocimientos
especiales para el cargo. A continuación se enumeran
dichas características:
Conocimiento profundo del proceso que supervisa, para
poder interpretar el cúmulo de datos recibidos.
Conocimiento de los equipos que tiene a su
disponibilidad.
Estabilidad emocional, para poder dedicar su atención a
una labor que requiere casi el 100% de su capacidad de
concentración. Responsabilidad, para entender que sus
decisiones afectarán sensiblemente el proceso.
Capacidad de síntesis para, a partir de los datos recibidos,
formarse una imagen global del estado del sistema.
Capacidad deducción, para seleccionar la mejor acción a
realizar a partir de las condiciones actuales del sistema.
23
TEMA 3
CONTROLADORES LOGICOS PROGRAMABLES (PLC´s)
Estado Actual La tendencia actual en lo que respecta a la integración de
sistemas de control local (PLC, Control Distribuido,
Instrumentos Inteligentes, etc.), con la Estación Maestra,
ya sea directamente o a través de la RTU, mientras utilizan
redes locales y basadas en sistemas de arquitectura
abierta, de gran flexibilidad y avanzada tecnología.
Antes de que existieran los PLC’s, una estación de control
de bombas, por ejemplo, se basaba en el uso del
Controlador de Instrumentos clásico para controlar la
Presión de Succión/Descarga, relevadores eléctricos
(relays) para el control de la secuencia, luces piloto y
anunciadores para la interfaz local humano - máquina, etc.
Estos aparatos eléctricos se conectaban directamente al
Módulo de E/S del RTU en la estación, mediante señales
analógicas (1 a 5V y 4 a 20 mA, etc.), y digitales (contactos
de relay), tanto entradas como salidas. Estos sistemas de
control operaban con efectividad y muchos de ellos aún
trabajan.
Al inicio de los años 80 comenzaron a implementarse los
Controladores Lógicos Programables en los nuevos
diseños de control, tanto como en la renovación de
estaciones viejas. Los PLC’s reemplazaron los relays
eléctricos que se usaban para las paradas de emergencia
y la secuencia de las válvulas y arranque y parada de
bombas. También comenzaron a utilizarse como equipo
de control del tipo PID (Proporcional, Integral, Derivativa).
Los páneles anunciadores (alarmas) fueron parcialmente
24
sustituidos en las interfaces hombre - máquina por los
monitores de video y las impresoras.
El PLC El PLC puede servir de interfaz con el RTU a través de un
conexionado paralelo analógico y digital procedente de la
instrumentación de campo, incluyendo el sistema de
control o, en serie, a través de un puerto de comunicación
RS232C o similar; el PLC también podría comunicarse
directamente con la MTU ubicada en la Estación Principal,
para lo cual debería considerarse la compatibilidad del
protocolo al determinar la configuración durante la
ingeniería del proyecto.
Estructura de un PLC.
Los PLC´s están en capacidad de reemplazar funcional y
ventajosamente las aplicaciones orientadas a control con
relevadores o relays, ya que su programa consiste
básicamente en el mismo Diagrama de Escalera que se
aplicaba, utilizando la llamada Lógica de relays.
25
Un PLC es un sistema electrónico digital programable, que
opera en tiempo real, almacenando en su memoria las
instrucciones para ejecutar un programa que revisa
continuamente los estados de un conjunto de Entradas,
para controlar máquinas y/o procesos. El programa se
ejecuta secuencialmente, utilizando distintas funciones
(temporizadores, contadores, etc.). “Tiempo Real”
significa que el procesador debe ser capaz de responder a
los cambios de entrada durante el lapso en que el
problema planteado debería quedar resuelto en el mundo
real.
Al comienzo eran sistemas costosos debido al uso de
semiconductores y al proceso de desarrollo de las
aplicaciones, instalación, etc., comparados con las
implementaciones directamente basadas en relays, pero
debido a la rápida evolución de la industria de esos
mismos semiconductores, a la construcción de memorias
integradas y circuitos con elevada escala de integración a
precios más bajos, los costos han bajado tanto que son
altamente rentables.
Un PLC es un computador diseñado especialmente para
aplicaciones industriales en control discreto o continuo de
procesos. A diferencia de las computadoras y ciertos
controladores programables de posición, los PLC´s
controlan secuencias y aunque su arquitectura es
básicamente la misma, su complejidad relativa varía de
acuerdo a la marca y son muy fáciles de mantener y
programar.
Unidad Central
de
Procesamiento
Es el corazón del PLC puesto que contiene la
Unidad Aritmético-Lógica y la Unidad de Control,
que permiten leer y decodificar las instrucciones
26
(CPU) cargadas en la Memoria para tomar las
decisiones a que haya lugar con respecto a las
salidas, en base a los estados de las entradas.
Los datos, ordenados en palabras de 8, 16 o 32
bits, son manejados mediante registros
(memorias temporales) y procesados aritmética y
lógicamente, tomando en cuenta los comandos e
instrucciones de entrada para cumplir
secuencialmente con el programa. En general la
Unidad Central de Procesamiento es responsable
de:
El recorrido a través del conjunto completo de
instrucciones para su correspondiente ejecución.
El Control del tráfico en Bus de E/S.
La Ejecución del programa interactuando con el proceso.
La Comunicación con los periféricos y dispositivos
externos.
Las Funciones especiales.
Y los Autodiagnósticos.
Una manera práctica de evaluar el CPU de un
PLC consiste en ver su tiempo de barrido (scan
time), que se define como el tiempo en que el
PLC interroga los módulos de entrada, ejecuta el
programa de aplicación y actualiza los datos de
salida. Los tiempos de barrido varían entre 0,1 y
50 ms por cada 1K (1024) de lógica.
Memoria del PLC Aunque la Memoria es considerada como una función
separada, sirve, principalmente, para guardar el programa
Operativo y el de aplicación; puede ser volátil o no - volátil.
La memoria volátil se borra al apagar el sistema, lo cual no
27
es deseable y hace que los fabricantes agreguen una
batería interna de respaldo, como en las computadoras
personales, a fin de mantener la configuración del mismo.
Si conocemos bien la cantidad de palabras requerida para
cubrir el número de puntos que deseamos
supervisar/controlar con un PLC dado, podremos elegir
mejor el equipo: para un contacto se requiere normalmente
una instrucción que consume una palabra de memoria,
igual que para una bobina de salida; pero se requieren 3
palabras para un temporizador.
Cada 1024 palabras se denominan 1K de memoria, de
manera que 32K de memoria significa que tengo
suficientes celdas disponibles para almacenar 32768
palabras. Una mayor capacidad de memoria nos permite
manejar una cantidad proporcional de salidas, lo cual
significa poder manejar más contactos en el campo o más
capacidad para Adquirir información.
Finalmente en la memoria se almacenan temporalmente,
en forma de Tablas, los datos procedentes de los módulos
de entrada y los datos de control con destino a los módulos
de salida, lo cual se denomina "Tabla de Imagen".
Módulo de
Entrada/Salida
(E/S)
Este grupo de módulos, clasificados generalmente como
Analógicos, Discretos y de Control, proveen la conexión
física entre las variables del proceso (transductores,
contactos, etc.) y el CPU del PLC. Basado en esta
información de Entrada, vale decir, mediciones de
28
magnitudes físicas, estados de contactos, etc., el CPU
envía, a través de un Módulo de Salida, comandos que
manejan cualquier elemento de control como el actuador
de una válvula, el relevador de arranque/parada de una
bomba, el control de velocidad de un motor, el interruptor
de una alarma, etc.
Módulos de Entrada / Salida en un PLCLos módulos de E/S tienen protecciones que “aíslan” los
circuitos internos de los fenómenos eléctricos del campo
(rayos, interferencias), como fusibles, varistores,
acopladores opto-electrónicos, etc.
Los modernos PLC’s cuentan con toda clase de interfaces
para satisfacer los requerimientos de las aplicaciones
industriales más variadas, no sólo en lo que respecta a E/S
de tipo analógico y discreto, sino también de control, de
comunicaciones y especiales.
29
ENTRADA SALIDA
AISLADOR O PTOELECTRONICO
OPTOELECTRONICO-EELECTRONICOO
LED FOTO-TRANSISTOR
Fuente de Poder La fuente de poder es responsable del suministro de
potencia, es decir, los voltajes DC y la corriente máxima
necesaria para el funcionamiento del PLC, incluyendo los
requerimientos de los módulos de Entrada/Salida. Estos
voltajes, apropiadamente estabilizados, filtrados y
protegidos mediante fusibles, se obtienen a partir de los
120 voltios de AC disponibles en la red eléctrica. La
Fuente de Poder, es, un elemento muy importante y de él
depende la confiabilidad del sistema en su totalidad, por lo
cual puede apoyarse en una UPS o Fuente de Potencia
Ininterrumpible.
El PLC ejecuta continuamente un programa, que es el
mismo Diagrama de Escalera (RLL o Relay Logic Ladder),
mediante el cual actualiza las Entradas y las Salidas
correspondientes. El PLC y la RTU Inteligente puedan
intercambiar sus funciones locales y de comunicación,
diferenciándose sólo en el lenguaje de programación
utilizado.
Ciclo de Barrido Durante cada ciclo de Barrido el Controlador ejecuta las
30
(scan) siguientes operaciones:
1.- Actualización de las Entradas y Ejecución de las
Salidas.
2.- Ejecución del Diagrama de Escalera.
3.- Ejecución de las rutinas de Diagnóstico y
Comunicaciones.
Ciclo de barrido del PLC.
TEMA 4
NIVELES DE SOFTWARE DE UN SISTEMA SCADA
Sistema
Operativo
Es el programa básico, compuesto por rutinas de servicio,
permite la operación de la computadora, principalmente los
comandos para manejar los periféricos y los archivos,
tareas de almacenamiento, etc., como el DOS (Disk
Operating System de Microsoft® o el Unix. Algunos de los
sistemas operativos utilizados actualmente son multitarea
(como el UNIX), es decir, que permiten la ejecución
funcionalmente simultánea de dos o más tareas a la vez,
como por ejemplo imprimir y procesar palabras.
31
Software base
de SCADA
Es el programa que moldea y transfiere los comandos de
una aplicación SCADA al Operativo. Representa la parte
del programa que permanece sin cambios,
independientemente de los requerimientos de una
aplicación particular. Tanto las MTU’s como las RTU’s
requieren programación para el desempeño de sus
funciones: un RTU, por ejemplo, requiere de un Sistema
Operativo y de programas de aplicación, adquisición y
transmisión de datos.
Programas de
Aplicación
Es la parte del programa de supervisión y control diseñada
y construida para satisfacer las necesidades y
requerimientos de un usuario determinado. Cuando un
operador monitorea las variables de un proceso y ejecuta
comandos mediante un sistema SCADA, está utilizando el
software Base y los programas de aplicación de su
sistema.
Las computadoras digitales operan con el sistema
32
Funciones
ENTRADA/SAEspeciales de
LIDA
SISTEMAOPERATIVO
Softwaredel SCADA
INTERRELACIONES FUNCIONALES DE LA PROGRAMACION DE UN SCADA
-
PROGRAMASDE APLICA-
CION
INTERFAZ HOM-BRE/MAQUINA
GENERACIONDESPLIEGUES
GENERACIONINFORMES
Barrido deDATOS
S I S T E M A O P E R A T I V O
Manejador de Periféricos Compilador
Adm. De Memoria Pascal, C++
Adm. De Archivos Secuencia de Programas
SCADA:Funciones
Funciones Sis. Oper.:
ArchivoBASE DEDATOS
numérico llamado Binario, cuya base es 2, mientras los
humanos usamos el sistema Decimal cuya base es 10.
Nuestro sistema dispone de 10 dígitos, del 0 al 9, pero el
binario sólo cuenta con el 0 y el 1 para trabajar; estos
dígitos binarios se llaman bits, contracción de binary digit
en Inglés, 8 de los cuales forman un byte, que viene a ser
una palabra básica, ya que representa un caracter, aunque
las modernas computadoras poseen palabras de 32 y 64
bits.
Todos los comandos se convierten en palabras, antes de
ser procesados y todos los despliegues en las unidades de
vídeo o pantallas son generados a partir de la información
contenida en forma de palabras. Por esta razón es muy
importante que el operador escriba los comandos
correctamente, incluyendo la puntuación, ya que de no ser
así la computadora los rechazará.Base de Datos Es la organización y conservación de datos e información a
través de un control central el cual permite a diversos
usuarios el acceso a datos de acuerdo a sus atributos.
Punto Unidad discreta de software (datos asociados) y/o
hardware (sensor).
a) Dentro de la computadora: un Punto es una agrupación
de datos con información sobre un Punto del campo
b) En el campo: cualquier sensor o elemento final de
control manejado por el programa de aplicación;
representa una variable (analógica o binaria) de
Entrada o Salida del proceso que se desea controlar.
Campo a) Area donde se originan las variables de un proceso.
b) Los datos agrupados dentro del computador para
conformar un punto se hallan subagrupados en
campos; cada punto puede ser totalmente descrito por
33
el conjunto de campos que le pertenecen.
Estructura de
datos
El nombre aplica a una descripción de los campos que
conforman un punto determinado y como están agrupados
o estructurados para formar el punto. Todos los sensores
idénticos pertenecientes a un sistema se describen
mediante puntos con la misma estructura; si los sensores o
actuadores son diferentes sus estructuras también lo
serán.
Una estructura de datos contiene campos que no sufren
cambios desde su definición; otros campos cambiarán con
cada barrido o scan de los sensores y otros sólo cambiarán
mediante la intervención del operador.
Formato de
despliegue
Es la imagen, patrón o formato usado para crear
despliegues en la pantalla; este formato permanece
almacenado y es reusable.
Página de
Despliegue
La imagen de despliegue, tal como aparece en la pantalla,
resulta al colocar la información dinámica proveniente de
los sensores físicos (campo), en los “campos” del formato
de despliegue reservados para ello.
Módulos de
software
Así como, físicamente, los equipos electrónicos están
constituidos por módulos (tarjetas de circuito impreso), los
programas del sistema lo están por módulos de
programación llamados rutinas, subrutinas, tareas,
manejadores, etc. Cada módulo efectúa una función
específica.
34
35
TEMA 5
DISPONIBILIDAD Y OTROS CONCEPTOS BASICOSDisponibilidad La disponibilidad puede definirse como un indicador de la
operatividad de un sistema o su capacidad para realizar
todas y cada una de las funciones para las cuales fue
diseñado.
Una manera sencilla de calcular la disponibilidad (D) de un
sistema consiste en hallar el porcentaje representado por
el tiempo en que está operativo (To), en relación con el
tiempo en que no está operativo (Tno). Para ello dividimos
el tiempo de operatividad (To) sobre el tiempo total (Tt),
siendo Tt = To + Tno. El tiempo total puede verse también
como el tiempo continuo durante el cual vamos a medir la
disponibilidad.
TnoTo
ToD
+=
El intervalo durante el cual el sistema no está operativo es
igual al tiempo de reparación (Tr) más el tiempo muerto
entre el reporte de la falla y el comienzo de la reparación
(Ts), lo cual puede expresarse como sigue:
Tno = Tr + Ts
Se dice que un sistema o equipo ha fallado cuando no está
en capacidad de realizar sus funciones.
La cifra normal de disponibilidad de un sistema debe ser
igual a 0,999 sobre un período continuo de 4320 horas (6
meses), lo cual implica sólo 4,3 horas de no-operatividad
(Tno).
Deben determinarse los criterios que definen cuando un
36
sistema no está operativo, lo cual depende
fundamentalmente del sistema y su aplicación.
Típicamente un sistema deberá trabajar como mínimo 240
horas continuas después de aceptada la reparación, sin
que presente falla alguna.
Por ejemplo, si un sistema trabajó sin fallar durante 700
horas y dejó de trabajar 20 horas por reparaciones, dentro
de un período continuo de 720 horas, la disponibilidad será
de:
97,0720
700
20700
700D ==
+=
Disponibilidad y
tiempos de
respuesta
Esto significa que el sistema tuvo un índice de
Disponibilidad de 0,97 durante ese período, es decir, que
estuvo operando el 97% de su tiempo durante un mes.
La Disponibilidad también puede medirse dividiendo el
Tiempo Promedio Entre Fallas (TPEF) menos el Tiempo
Promedio Para Reparar (TPPR), sobre el Tiempo
Promedio Entre Fallas:
TPEF
TPPRTPEFidadDisponibil
−=
Ejemplo: Si el TPEF es de 600 horas y el TPPR de 1,5
horas, la Disponibilidad del sistema será de 0,997, lo cual
indica un buen tiempo de respuesta; de esta manera los
tiempos de respuesta se convierten en un parámetro
mejorable de la Disponibilidad.
Confiabilidad La Confiabilidad representa la precisión de la información
suministrada por el sistema y la certeza de que, tanto sus
indicaciones como los comandos que se impartieron,
37
fueron ejecutados sin errores. En general la confiabilidad,
en lo que respecta a las reparaciones, depende del
desempeño de los componentes empleados en las
mismas.
Para mejorar la confiabilidad de los sistemas es altamente
recomendable esforzase por reducir la incidencia de las
fallas y el efecto de las mismas sobre la operatividad,
desarrollando una mayor tolerancia; es igualmente
recomendable permitir el mantenimiento en línea a objeto
de disminuir el Tiempo Promedio Para Reparar (TPPR).
Eficiencia y
Efectividad
Mientras la eficiencia se relaciona con la ejecución de una
tarea con el mínimo de recursos, la efectividad se refiere a
los tiempos de respuesta por parte del operador y de los
mantenedores.
Operador y
eficiencia
El Operador representa la inteligencia de la confiabilidad la
eficiencia y la efectividad. Es la persona que conoce a
fondo un proceso, estando, por lo tanto, en capacidad de
manejarlo, interviniendo sus variables para mantenerlo
funcionando óptima y eficazmente. El operador es parte
integral del Sistema de Control Supervisorio y Adquisición
de Datos, razón por la cual debe familiarizarse con el
proceso y con el funcionamiento y la operación del
sistema, para hallarse en capacidad de tomar decisiones
inteligentes en caso de que sea necesario.
Eventos y
Alarmas
Se considera evento cualquier variación o condición lo
suficientemente importante como para registrarla
(imprimirla) en el momento que ocurra. Una alarma es un
evento con la suficiente relevancia como para requerir la
38
atención inmediata del operador, forzando el
reconocimiento por parte del mismo; cada alarma generará
o no acciones de control, según la situación, disponibilidad
y el criterio del operador.
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![[0] LabVIEW de National Instruments CURSO Scada](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5571f8a149795991698dcb91/0-labview-de-national-instruments-curso-scada.jpg)
