A) LA ESTACIN MAESTRA O MASTERRecibe datos de las condiciones de
los equipos en campo que es enviada por las estaciones remotas
(RTU). Procesa la informacin y enva comandos a las estaciones
remotas para mantener las variables de los procesos dentro de los
parmetros establecidos.La estacin maestra dependiendo del tipo de
sistema a Scada a implementar puede ser una PC con un software de
supervisin y control. En muchos casos se opta por trabajar con un
PLC con capacidad de comunicacin que realizara la tarea de leer la
informacin de las unidades remotas.
Fig. 3 - Estacion Maestra o MasterB) LAS UNIDADES REMOTAS O
RTUControlan todas las seales de entrada y salida del campo como
vlvulas, equipos de medicin, motores, etc. Monitorean las
condiciones de los dispositivos de campo y almacenan los estados de
las alarmas. Envan los estados y alarmas de los equipos en campo y
reciben comandos de la estacin maestra.
Fig. 4 La estacin maestra interroga a las RTU por medio de un
proceso de encuesta o PollingAlgunos autores clasifican a las RTU
es unidades tontas y unidades inteligentes. A los inicios de los
sistemas Scada era comn instalar unidades tontas que slo se
encargaban de enviar informacin a la estacin maestra y esta estacin
tomaba la decisin y se la transmita al RTU.En la actualidad las RTU
tontas han sido reemplazados por los RTU inteligentes que
bsicamente son pequeos PLC's que tienen capacidad de comunicaciones
y se encargan de hacer un control de procesos en forma local y
posteriormente la estacin maestra se informa de la accin tomada por
la RTU a fin de actualizar su registro de los datos.Otros autores
clasifican a las RTU dependiendo del nmero de seales de entrada
salida que maneja cada equipo. Se considera a un RTU con menos de
100 seales de I/O como pequeas, hasta 500 I/O como medianas y
mayores a 500 I/O como grandes.C) RED DE TELEMETRAPermite
establecer el intercambio de informacin entre la estacin maestra y
las unidades remotas. Cuando hablamos de telemetra nos referimos
bsicamente a tres componentes:La topologa usada : Corresponde al
arreglo geomtrico de los nodos. Entre los principales se tiene el
punto a punto, punto a multipunto, etc.Modo de transmisin : Es la
forma como viaja la informacin entre los distintos nodos de la red.
Se puede tener dos modos principales: Full Duplex y Half Duplex.El
medio utilizado : Corresponde al tipo de medio utilizado para
enviar y recibir la informacin. Puede ser una lnea fsica dedicada,
a travs del medio atmosfrico, a travs de las lneas de alta tensin,
etc.
Fig. 5 - Red de TelemetriaD) LA ESTACIN DE SUPERVISINPermite la
visualizacin grfica del estado del proceso, es decir proporciona al
operador las funciones de control y supervisin de la planta. El
proceso se representa mediante sinpticos almacenados en el
ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el
SCADA o importados desde otra aplicacin durante la configuracin del
paquete.
Fig. 6 - Estacion de SupervisionAlgunos softwares de
supervisin:RSView32, de Rockwell Software.InTouch, de
Wonderware.WinCC, de Siemens.Coros LS-B/Win, de Siemens.SYSMAC SCS,
de Omron.FIXDMACS, de Omron-Intellution.Un software de supervisin
SCADA debe estar en disposicin de ofrecer las siguientes
prestaciones:Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la
presencia del operador para reconocer una parada o situacin de
alarma, con registro de incidencias.Generacin de histricos de seal
de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja
de clculo.Ejecucin de programas que modifican la ley de control o
incluso, el programa total sobre el autmata, bajo ciertas
condiciones.Posibilidad de programacin numrica, que permite
realizar clculos aritmticos de elevada resolucin sobre la CPU del
ordenador y no sobre la del autmata, menos especializado, etc.- See
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A LOS SISTEMAS SCADASISTEMAS SCADALa palabraSCADAest compuesta por
las iniciales de la denominacin
inglesaSupervisoryControlAndDataAcquisition cuya traduccin al
idioma castellano sera: Control Supervisorio y Adquisicin de
Datos.
La informacin capturada es transmitida a un lugar conveniente
(normalmente en una Sala de Control) y presentada de una manera
compresible y utilizable.En resumen el SCADA es un sistema de
Telemetra.FUNCIONES DEL SISTEMA SCADALas funcionesbsicas de un
sistema SCADA son las que se describen a continuacin:Supervisin
Remota de InstalacionesControl Remoto de InstalacionesProcesamiento
de InformacinPresentacin de Grficos DinmicosGeneracin de
ReportesPresentacin de AlarmasAlmacenamiento de Informacin
HistricaPresentacin de Grficos de TendenciasProgramacin de
EventosDe lo mencionado anteriormente podemos decir que en un
sistema SCADA existen tres tareas crticas a ejecutarse:1.Recoleccin
peridica, procesamiento y monitoreo de informacin del sistema a
controlar.2.Control remoto de dispositivos y reemplazo de valores
en la base de datos del sistema.3.Presentacin de despliegues y
alarmas a los operadores del sistema.
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ELEMENTOS BSICOS DE LOS SISTEMAS SCADAEn la figura se muestran
los elementos bsicos que constituyen a los sistemas SCADA, a
saber:a.Interfaz Humano Maquinab. Unidad Maestra (MTU)UNIDAD
TERMINAL MAESTRA (MTU) eINTERFAZ HUMANO MQUINA (HMI)El elemento
central de control de un sistema de adquisicin de datos y control
supervisorio es denominado Unidad Terminal Maestra (MTU) o Estacin
Maestra. Este trmino ha sido comnmente utilizado para designar al
sistema electrnico de computacin que adquiere toda la data
procedente de las unidades terminales remotas y que la presenta de
una forma a una RTU para ejecutar una accin de control remoto. La
capacidad funcional de una estacin maestra incluye todas las tareas
de recoleccin de datos y envo de comandos remotos. Adicionalmente
las funciones de la MTU incluyen el almacenamiento de data
histrica, programacin, despacho y ejecucin de tareas especficas
tales como reportes y contabilidad de produccin.La transmisin de
datos entre la estacin maestra y las remotas generalmente se inicia
por la primera, ya que el modo general de operacin es la continua
informacin almacenadas en la RTU. Esto significa que los mensajes
de interrogacin se transmiten a cada RTU de forma secuencial y
luego que todas son interrogadas, el proceso vuelve a comenzar.La
estacin maestra es generalmente un minicomputador o un
microcomputador de altas prestaciones que contiene mdulos de
software, los cuales consisten en programas de aplicacin especficos
para llevar a cabo cada una de las tareas de la unidad. Cada mdulo
de software est interrelacionado con el resto para realizar la
adquisicin, el procesamiento y el almacenamiento de datos, la
presentacin de despliegues alarmas, generacin de reportes, envos de
comandos, etc.Las funciones de un sistema computacional maestro son
gobernadas por el sistema operativo. El almacenamiento y adquisicin
de datos, la interfaz humano mquina y dems programas de aplicacin
son todas funciones de software dentro del sistema computacional
basadas en las capacidades que ofrece su sistema operativo. El
operador sentado frente a una consola de operacin, la cual cuenta
con una unidad de despliegues visuales y un teclado, y un sistema
independiente conectado a l, es capaz de monitorear y controlar las
operaciones de un proceso remoto. Sin embargo, todas las funciones
son gobernadas mediante software.Las aplicaciones SCADA se
consideran funciones en tiempo real, en las cuales los programas
operan continuamente basados en una secuencia de reloj y pueden
operar ciertas funciones de un programa sobre la base de las
interrupciones generadas, por lo tanto ciertos eventos en el
proceso pueden afectar la ejecucin de un programa mediante la
generacin de interrupciones las cuales tienen asignadas niveles de
prioridad. Los sistemas computacionales en tiempo real tienen
mltiples niveles de interrupcin, con el ms alto nivel signado a las
tareas ms importantes o crticas.Sistema de Alarmas:El sistema de
alarmas es responsable del monitoreo y reporte de las mismas. Una
seal de alarma es sencillamente una seal (analgica o digital) que
tiene informacin asociada a ella y que es utilizada para determinar
condiciones anormales de funcionamiento. Cuando el valor o estado
de una seal est fuera de operacin normal, se dice que la seal est
en alarma.Tan pronto una alarma es detectada, el sistema de alarmas
informa de la condicin de la misma a travs de las estaciones de
trabajo, las impresoras y dispositivos audibles. El sistema permite
observar el listado de alarmas a travs de una opcin denominada
ALARM SUMMARY (Resumen de Alarmas).Un mensaje de alarma contiene
informacin referente al lugar de procedencia y al grado de
importancia que posee dentro del proceso. Esto constituye las
caractersticas de la alarma, a saber:Tipo de AlarmaEl tipo de
alarma describe cual fue la condicin que gener la alarma. Las
condiciones que causan una alarma dependen si la seal es analgica o
discreta, y el grado de prioridad que posea.Alarmas de Seales
Analgicas:Una de las funciones de las RTUs es la deteccin de
alarmas la cual es generada cuando el valor de la seal excede su
rango normal de operacin sobrepasando sus lmites. Dichos lmites son
constituidos por valores que pueden ser constantes o variables,
informacin la cual se encuentra almacenada en la RTU.Una seal
analgica puede tener cuatro lmites posibles:Muy alto (High-
High)Alto (High)Bajo (Low)Muy Bajo (Low- Low)El rango normal de
operacin est entre el lmite alto y bajo. Los lmites muy alto y muy
bajo son utilizados para indicar una seal que ha excedido los
niveles mximos permitidos.Adems de que es importante conocer cuando
una seal entra en alarma, es tambin importante saber cuando la seal
deja la condicin de alarma, reportando al momento de su ocurrencia
en campo el retorno a su condicin normal.Hay casos en que el valor
de una seal oscila cerca de un lmite de alarma provocando que entre
y salga del estado de alarma repetidamente, ocasionando al operador
molestias innecesarias. Para evitar lo anterior, se coloca un rango
dentro del cual estas variaciones no son consideradas como alarmas.
Esto es conocido como banda muerta, estableciendo sta segn la
condicin del instrumento.Alarmas de Seales Discretas:Una seal
discreta es una seal que representa un estado, tal como
abierto/cerrado, verdadero/falso, encendido/apagado, etc.La
prioridad de una alarma le indica al operador la importancia de la
misma dentro del sistema. Dependiendo de la prioridad, el mensaje
de la alarma aparecer en pantalla con colores diferentes. En el
sistema existen cuatro niveles de prioridad de alarma: crtica, no
crtica, gua del operador, y sealizacin del evento.Niveles de
prioridad de alarmasPRIORIDADDESCRIPCIN
CrticaIndica peligro a equipo y/o personal. Se produce acompaada
de la alarma audible de la estacin de trabajo (Prioridad alta).
No crticaRequiere que el operador tome la accin, pero no tiene
que ser inmediata. (Prioridad media).
Gua del OperadorSuministra informacin al operador. (Prioridad
Baja).
EventoSuministra informacin sobre eventos de baja prioridad.
(Sin prioridad).
Cuando una seal se encuentra en estado de alarma su presentacin
en la pantalla depende de su tipo y prioridad. Cualquier alarma
estar inicialmente intermitente para indicar que no ha sido
reconocida por el operador. Cuando sta es reconocida,
inmediatamente se detiene la intermitencia y permanecen en rojo. El
color informa sobre la prioridad y tipo de alarma. Los colores
usados comnmente son el rojo, amarillo, gris y azul.Sistema de
Tendencias:Una tendencia es la representacin grfica del
comportamiento de una variable analgica en un perodo determinado de
tiempo.El sistema de tendencias est conformado por un conjunto de
programas que permiten preservar la variable como un grfico
multicolor configurable de forma interactiva en la pantalla.
Permite adems, configurar un grfico de tendencia en funcin de un
punto de seleccin.La data que conforma una tendencia puede ser
representada de dos maneras diferentes: la primera, consiste en un
grfico donde se presenta el valor de una variable (eje vertical) en
el tiempo (eje horizontal); y la segunda consiste en un grfico del
comportamiento de una variable con respecto a la otra.Un grfico
puede contener hasta seis variables y el valor de cada variable
puede estar representado por un color diferente. La escala es
configurable y puede ser diferente en cada variable. Igualmente, la
base de tiempo es seleccionable y todas las variables tendrn la
misma base de tiempo. Tambin existe la opcin de representar las
variables de cada una en una seleccin o ventanas independientes del
despliegue.En el caso de las tendencias histricas se presenta la
informacin que ha sido almacenada en la base de datos histrica. Por
tanto, requiere que el punto seleccionado est definido en la misma
aplicando las restricciones definidas para los datos histricos en
cuanto a observaciones y permanencia.Para desplegar tendencias en
tiempo real la data es colectada cada cinco segundos de la base de
datos y plasmada en pantalla. Esta data no es almacenable ni
recuperable una vez que se cierra la ventana de tendencias.Con el
fin de garantizar la confiabilidad de las operaciones, el sistema
SCADA est diseado con recursos redundantes, duplicando el
procesamiento de los datos y sus perifricos ms crticos. La MTU
consta de dos computadores dispuestos en una configuracin maestra
redundante, en las cuales se ejecuta el softwaredel servidor bajo
un sistema operativo en tiempo real, multiusuario, multitarea y con
interfaz grfica de ventanas (p.e. Open VMS) y donde se va
almacenando la informacin de campo en una base de datos de tiempo
real. sta data puede ser almacenada a su vez en bases de datos
histricas y de tendencias, en las cuales adems pueden definirse
clculos sobre seales de las bases de datos real e histrica. Los
datos en tiempo real, histricos y toda la informacin necesaria es
enviada a las estaciones de operacin a travs de una red local o a
travs de mdem.Cada uno de los computadores que constituyen el
conjunto MTU, es capaz de operar independientemente y estn
configurados en Host-Stand by, de tal manera que una unidad e
considera la principal o en lnea mientras la otra se considera de
respaldo. La maestra de respaldo se mantiene energizada y debe
contar con la informacin de la base de datos, despliegues, cargas,
etc. Actualizados. Esto permite asumir el completo control del
sistema al ocurrir una falla en la maestra principal. Este tipo de
configuracin permite maximizar la disponibilidad y confiabilidad
del sistema.La estacin de trabajo es el principal recurso a travs
del cual el operador es notificado de los cambios en las
condiciones del proceso. Consiste bsicamente de un computador
personal, un monitor a color, un teclado y un ratn (mouse). La
informacin se despliega en la pantalla de la estacin de trabajo a
travs del software Windows que es ejecutado bajo el soporte del
sistema operativo OS/2. Este software presenta al operador la
informacin en diversas formas, tal como despliegues de grficos,
tendencias y mensajes de alarmas. Adicionalmente permite imprimir y
almacenar las alarmas generadas en la red de controladores. El
operador puede imprimir reportes diarios de los mensajes as como
tambin un reporte general del sistema.
c. Canales o Medios de ComunicacinCANALES O MEDIOS DE
COMUNICACINLa efectividad y confiabilidad operacional de un sistema
SCADA depende en gran medida de la transmisin de datos entre la
estacin maestra y las unidades terminales remotas, por lo tanto,
debe ser provisto de un medio a travs del cual se establezca el
intercambio de datos entre stas unidades de una forma coordinada,
confiable y segura.Para establecer intercambio de datos entre los
dispositivos de campo y la estacin maestra slo se requiere un medio
de comunicacin, como por ejemplo una lnea telefnica, un radio
enlace, un enlace de microondas o satelital, cable coaxial o fibra
ptica y un protocolo de transmisin de datos. Los fabricantes de
equipos para sistemas SCADA emplean diferentes protocolos de
comunicacin y no existe un estndar para la estructura de los
mensajes, sin embargo existen estndares internacionales que regulan
el diseo de las interfaces de comunicacinentre los equipos del
sistema SCADA y equipos de transmisin de datos.De acuerdo a lo
expresado anteriormente, el sistema de comunicacin que forma parte
de un sistema SCADA es el conjunto de elementos, dispositivos y
equipos de transmisin de datos a travs de los cuales se realiza el
intercambio efectivo de mensajes entre las RTUs y la MTU.Entre los
componentes del sistema de comunicacin de un SCADA tpico, se
encuentran las interfaces de comunicacin digital, mdems, medios de
transmisin de datos, el computador frontal de comunicaciones. (CFE,
Communication Front End) y el protocolo de comunicacin.Interfaces
de Comunicacin DigitalLas interfaces de comunicacin digital son
circuitos que permiten interconectar un equipo terminal de datos y
un equipo terminal del circuito de datos para la transferencia de
datos, seales de control y temporizacin entre ellos. Por lo tanto,
es un vnculo que permite que seales digitales pasen de un equipo
emisor a otro receptor con las caractersticas deseadas.Existe un
gran nmero de interfaces estandarizadas, y un ejemplo de ello es la
popular RS-232C. Una interfaz de comunicacin digital se caracteriza
por un tipo de conector especfico (nivel mecnico), tensin y
corrientes de operacin (nivel elctrico) y una sealizacin (nivel
lgico).MdemUn mdem es aquel dispositivo que convierte las seales
digitales provenientes de un equipo terminal de datos, en seales
aptas para ser transmitidas eficazmente para canales de comunicacin
analgicos. Por otro lado, convierte en el extremo terminal de un
circuito teleinformtico, las seales analgicas que entrega la red,
en seales digitales aptas para ser procesadas por el equipo
terminal de datos, ubicado en el extremo receptor.Estos
dispositivos son precisamente utilizados para interconectar equipos
terminales de datos digitales, como lo son las RTUs y la estacin
maestra, utilizando para ello bien sea un canal de radio o un canal
telefnico.Las funciones bsicas de un mdem son la decodificacin y la
modulacin, y consecuentemente las funciones inversas, decodificacin
y demodulacin.
Esquema Bsico de un MdemEntre las caractersticas ms importantes
de un mdem est el tipo de modulacin que emplea, el tipo de
transmisin, el control de flujo de datos y la velocidad de
transmisin.Medios de Transmisin de DatosUno de los elementos
principales para llevar a cabo el dilogo entre equipos terminales
de datos es el medio fsico por el cual se propaga la informacin.En
los sistemas SCADA se utilizan distintos medios de transmisin de
informacin a lo largo de todo el proceso que involucra tomar una
medicin de un fenmeno fsico hasta mostrarla mediante un computador.
Algunos de estos medios son:Cable de Par TrenzadoSistemas de
Enlaces de Radio (VHF, UHF y Microondas)Sistemas basados en Redes
CelularesSistemas basados en Redes SatelitalesProcesador Frontal de
ComunicacionesEn los sistemas distribuidos donde un computador
central puede tener conectados un gran nmero de equipos terminales,
ste debe encargarse simultneamente de las siguientes
tareas:Procesamiento de datos propios de la aplicacin que ejecuta
dicho procesador.Manejo de las comunicaciones de datos entre el
prosador y los equipos terminales conectados al mismo.Algunos
computadores, denominados de configuracin aislada, estn
especialmente diseados para manejar de forma simultnea ambos
procesos.Otros sistemas de computacin, denominados de configuracin
delantera, tienen las funciones de procesamiento de datos y de
comunicaciones separadas. Precisamente el nombre est dado porque
poseen un equipamiento auxiliar denominado procesador frontal de
comunicaciones.En los sistemas organizados de esta manera existe
una clara diferencia entre el procesamiento de datos por un lado y
el manejo de las comunicaciones por el otro.A estos equipos se les
conoce como controladores frontales de comunicacin, pues su misin
es controlar la transmisin de datos entre el computador central y
los equipos terminales remotos. Estn capacitados para realizar el
mximo posible de funciones relacionadas con las comunicaciones, a
efectos de que la unidad central de procesamiento del equipo
principal, tenga una menor carga de trabajo.Protocolo de
ComunicacinLa informacin transmitida entre la unidad remota y la
unidad maestra va empaquetada en un lenguaje y un formato conocido
tanto por el emisor como por el receptor.Es la nica forma de que un
extremo pueda interpretar correctamente el (los) mensaje (s) por el
otro extremo.Para que pueda tener xito la comunicacin debe haber
compatibilidad en dos niveles bsicos: el que se refiere a las
seales elctricas presente en el medio de comunicacin y el que se
refiere a la interpretacin de tales seales como informacin.En
sistemas prcticos, se utilizan ms de dos niveles para incluir mayor
informacin (por ejemplo direccionalidad en ambiente de redes).Con
base en lo explicado anteriormente, la interfaz entre los
diferentes equipos se definen dividiendo el manejo de informacin en
niveles o capas, cada una usando los servicios suministrados por
las capas debajo de ellas y agregando informacin o capacidad
adicional.En el modelo de capas, el nivel 1 define las
caractersticas elctricas, mecnicas y funcionales de la interfaz, lo
cual permite intercambiar unos (1) y ceros (0) lgicos; se definen
voltajes, cables y conexiones y se establecen secuencias de
control.Este nivel tambin es conocido comocapafsica.El nivel 2 se
refiere al formateo de mensajes, deteccin de errores y exactitud de
la transmisin.El nivel 3 se refiere al enrutamiento de mensajes,
dependiendo del tipo de red utilizadaEl intercambio de informacin
en un sistema de transmisin de datos exige una serie de pasos bien
definidos o dilogo entre las estaciones transmisoras y
receptoras.Estos pasos son: La determinacin o seleccin de un
circuito dado entre las estaciones. El pedido o demanda para
transmisin o recepcin de informacin. La verificacin de que la
informacin no contiene errores. La repeticin de un bloque de
informacin que ha sido recibido con errores, La finalizacin de la
transmisin. La supervisin, control y sincronizacin de las
estaciones en el caso de transmisin sincrnica.Un protocolo de
comunicacin es un conjunto de reglas y procedimientos que permite a
las unidades remotas y maestra el intercambio de informacin.Los
protocolos empleados dependen si el control se efecta mediante
caracteres especiales o por conteo de bytes o bit por bit.
Tpicamente, en los sistemas SCADA los protocolos utilizados son
orientados a bit debido a la naturaleza de la secuencia de
intercambio de mensajes entre la estacinmaestra y las RTUs, son del
tipo direccionamiento y envo.Para la utilizacin de este tipo de
protocolo se ha creado una estructura de bloques o entramado
general para el intercambio de informacin, comandos y
reconocimientos que se muestra a continuacin:Sentido del Flujo de
DatosBandera8 bitsCampo de Direccin8 bitsCampo de Control8
bitsCampo de Informacinn bitsChequeo de ErroresCRC-16Bandera8
bits
Elcampo banderapermite la sincronizacin del sistema, elcampo de
direccinidentifica las dos estaciones entre las cuales se establece
la transaccin de datos y elcampo de controlcontiene 8 bits para la
identificacin de comandos o respuestas en forma codificada.En
elcampo de informacinse localiza la data a transmitir entre los
equipos terminales de datos fuente y destino.Y a travs del ltimo
campo se puede realizar laverificacin de errores (Chequeo de
Errores), garantizando la integridad de la informacin.En el mercado
existe una diversidad considerable de protocolos, muchos de los
cuales han sido desarrollados en forma individual por cada
fabricante (denominados protocolos propietarios), y otros han sido
producto del consenso de varias empresas en bsqueda de una
estandarizacin (denominados protocolos abiertos) obteniendo la
posibilidad de integracin de dispositivos de diversas marcas
comerciales. A continuacin se presentan las caractersticas bsicas
de algunos protocolos utilizados por Unidades Remotas de los
Sistemas SCADA:MODBUS: Trabaja bajo la filosofa Maestro Esclavo,
donde el maestro controla toda la actividad de transmisin de datos,
interrogando en un instante de tiempo distinto a cada unidad
esclava (proceso conocido comopolling). Es muy utilizado en los
Controladores Lgicos Programables (PLC), y debido a su naturaleza,
puede facilitar el uso de PLC como Unidad Remota de un Sistema
SCADA. Puede direccionar hasta 254 esclavos. Opera sobre una
interfaz de conexin basada en el estndar IEEE RS-485, que define el
nmero y disposicin fsica de los conductores, as como los valores de
tensin correspondientes a cada nivel lgico. Distributed Network
Protocol (DNP):Permite la implementacin de sistemas Maestro Esclavo
que posean una o ms estaciones Maestras, as como la operacin en
diversos modos que permiten la transmisin de datos desde la
Unidades Terminales Remotas (RTU) a peticin de la Unidad Maestra, o
exclusivamente cuando se presenten estados de alarma. Es por ello
que su uso se ha generalizado sobre las RTU. Bristol Standard
Asynchronous Protocol (BSAP): Es un protocolo propietario orientado
a bit en el cual la estacin central siempre interroga a la RTU, y
sta puede contestar segn el estado de sus variables. La informacin
es transmitida por Modulacin de Duracin de Pulsacin (PDM). IEC
870-5 :Es un protocolo que se aplica para equipos y sistemas de
Telecontrol con transmisin de datoscon codificacin serial de
bit.Este es orientado por bytes y se basa en un modelo de
referencia de tres capas.La capa Fsicapreserva un alto nivel de
integridad de la data del mtodo de codificacin de bloque.La capa de
enlace utiliza una seleccin de formatos para proporcionar la
integridad / eficiencia y conveniencia de transmisin requerida.La
capa de aplicacin contiene un nmero de Funciones de Aplicacin que
envuelven la transmisin de ASDUs entre la fuente y el destino.
d. Unidades RemotasPara el sistema SCADA el uso de un tipo
determinado de unidad remota responde a las necesidades e
importancia del proceso a supervisar y/o controlar, en
consecuenciade los elementos constitutivos del sistema se describen
a continuacin las unidades remotas:RTUs y PLC como elementos de
suma importancia en la supervisin y/o control de las variables de
un proceso determinado.UNIDADES TERMINALES REMOTAS (RTUs)El
concepto de RTU se muestra a continuacin:Laarquitecturade la unidad
terminal remota consta tpicamente de:A. Mdulo de EntradaB. Mdulo de
ControlC. Mdulo de Procesamiento de Informacin (CPU)D. Mdulo de
ComunicacionesE. Mdulo de Sincronizacin de Tiempo (GPS)Unidad
terminal remota, o RTU, es un trmino que ha sido usado en los
sistemas de adquisicin de datos y control supervisorio durante ms
de 20 aos. Este trmino no concuerda tan bien con su significado
funcional y se han realizado muchos intentos para desarrollar un
ttulo ms descriptivo, sin embargo, a lo largo de estas lneas se
mantendr esta designacin la cual describe una caja negra a travs de
la cual se adquiere la data (analgica y/o digital) de un proceso
remoto.Una unidad terminal remota tiene la capacidad de monitorear
un nmero de entradas/salidas (I/O) relacionadas con un proceso,
analizar y mantener datos en tiempo real, ejecutar algoritmos de
control programados por el usuario, comunicarse con la estacin
maestra y en algunos casos, con otras remotas.La RTU realiza una
exploracin peridica de las variables del proceso y, a travs de un
mdulo de comunicacin permite el intercambio de dicha informacin con
una estacin maestra (MTU) ubicada en una sala de control central,
utilizando diversos medios de comunicacin: lnea telefnica, UHF/VHF,
microondas, satlite, fibra ptica u otro medio, a travs de puertos
auxiliares con otras remotas y/o terminales porttiles. El protocolo
de comunicacin, estructura del mensaje y tcnicas de correccin de
errores son propias de cada fabricante.La tecnologa de estado slido
ha revolucionado el diseo electrnico de las RTUs en los ltimos aos,
extendindose al uso de unidades microprocesadoras equipadas con
memoria tipo de solo lectura y borrada electrnicamente (Electronic
Erase Programmable Read Only Memory, EEPROM) y del tipo de Acceso
Directo (Random Acces Memory, RAM) respaldada con batera de litio
para salvaguardar la programacin en caso de fallas elctricas e
incorporndoles una interfaz humano-mquina (HMI, Human Machine
Interace), capacidades de comunicacin con sistemas de medicin,
transductores, controladores lgicos programables (PLC), etc.La CPU
es la unidad controladora de todas las funciones de la unidad
terminal remota, ya que dirige todas las transferencias de data
entre los registros y las localidades de memoria, y controla las
interrupciones de la interfaz de comunicacin la cual enva la data
de la RTU a la MTU. EL microprocesador de la RTU contiene una serie
de registros destinados a almacenamiento temporal de instrucciones,
direcciones de memoria y/o resultados de ciertas operaciones.Esta
unidad central de procesamiento es la encargada, como su nombre lo
indica, de procesar la informacin adquirida del campo o transmitida
por la MTU, con la finalidad de ejecutar la tarea correspondiente,
bien sea una accin de control o de comunicacin.Las funciones de
procesamiento de datos de la RTU se conocen en una secuencia
determinada por el software de la misma. Los datos e instrucciones
se almacenan en mdulos de memoria RAM y/o ROM y las instrucciones
del programa son secuenciadas por un reloj de tiempo real.Una RTU
cuenta con mdulos de entradas/salidas los cuales son conectados al
sistema de instrumentacin y control local. Los mdulos de entrada
tienen como funcin adquirir la informacin suministrada por la
instrumentacin de campo y el sistema de control local y,
acondicionarla a los niveles de operacin adecuados.Los mdulos de
salida tienen como funcin dar al proceso las seales de control,
digitales o analgicas, provenientes del sistema SCADA. Las mismas
siguen el proceso inverso que en el mdulo de entrada, ya que
deformato binario deben ser transformadas a los niveles adecuados
de campo para las seales discretas y en un valor proporcional a la
accin de control en seales de control analgico.
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CONTROLADORES LGICOS PROGRAMABLES (PLC)Los controladores lgicos
programables (PLC) estn definidos por la National Equipment
Manufacturers Asociation, (NEMA) como:Esta definicin puede ser
mejorada al incluir la capacidad de control analgico, as como
tambin la comunicacin con dispositivos remotos.
PLC General Electric.Las funciones de un PLC pueden resumirse
como:Control de secuencias lgicas, temporizacin y conteo.Control
analgico.Operaciones aritmticas.Manejo de informacin.Interfaz de
datos entre los equipos instrumentaciny el sistema
supervisorio.Inicialmente, debido a los costos de desarrollo y
relativamente alto costo de los semiconductores, los costos de
instalacin de los PLC comparados a los sistemas de rel equivalentes
eran considerablemente elevados.Pero, debido al rpido desarrollo en
la industria de semiconductores y desarrollo de memorias de estado
slido, y circuitos LSI, que estn disponibles a precios
extremadamente bajos, los precios de los PLC tienen un continuo
declive.En 1978 el costo inicial de instalacin de un
controladorprogramable fue el mismo costo de instalacin que el de
un sistema de rel equivalente.Existe la tendencia a confundir los
PLC con computadores, minicomputadores, controladores programables
de proceso que se usan para el control de posiciones.Existen
diferentes modelos de PLC de acuerdo a cada fabricante, pero la
diferencia esencial, radica en los niveles de capacidad y
complejidad.LaArquitecturade los PLC consta tpicamente de:A.El
CPU,B.La Memoria,C.La Fuente de Poder,D.El Sistema de Entradas /
Salidas yE.Los Dispositivos de Programacin.Los PLCs generalmente
permiten varias opciones en cuanto al tipo de lenguaje de
programacin, bien sea diagrama en escalera, lgica booleana o
secuencia de instrucciones.Los PLCs con interfaces de comunicacin
conectados a un computador central pueden redimensionar el concepto
que relaciona a un PLC y un sistema microcomputarizado central como
una RTU a un sistema de adquisicin de datos. Si las secuencias y el
control estn establecidas dentro del PLC entonces la comunicacin
directa entre la estacin maestra y el PLC es posible. Como
consecuencia, los PLC pueden operar como RTUs, de modo tal de
eliminar la necesidad de un equipo electrnico adicional con los
elementos para la instalacin del mismo.Una reciente tendencia en la
industria ha sido la de disear y construir unidades terminales
remotas (RTUs) ms inteligentes y con ms capacidad de control local;
y la tendencia convergente de evolucin de los PLCs ha sido tambin
la de mejorar la inteligencia y capacidad de comunicacin hasta el
punto donde las dos tecnologas se solapan. Esta evolucin tecnolgica
da mayor flexibilidad en la ingeniera de diseo para seleccionar
opciones sobre la base de los requerimientos en
consideracin.Adicionalmente, un PLC puede ser conectado a una RTU a
travs del cableado de seales analgicas y digitales desde el sistema
de control e instrumentacin o a travs de un puerto serial de
transmisin de datos, o el PLC puede ser comunicado directamente con
la estacin maestra. El protocolo de comunicacin entre la MTU o RTU
y el PLC es una importante consideracin cuando se determina la
configuracin definitiva del sistema durante la fase conceptual y
bsica del proyecto de ingeniera.
e. TransductoresTRANSDUCTORESLos transductores constituyen uno
de los elementos de mayor relevancia para el sistema SCADA.El
correcto dimensionamiento de los transductores y la correcta
calibracin de estos con el sistema SCADA, permiten un
funcionamiento preciso y ptimo del sistema al momento de realizarse
las acciones de supervisin del sistema de potencia.La
instrumentacin es un rea especfica de la ingeniera de automatizacin
y control de procesos la cual comprende la medicin de cantidades
fsicas asociadas a los mismos.En toda accin de supervisin y/o
control de algn proceso se requiere el manejo de variables de
estado del mismo. Los instrumentos de campo cumplen con las
funciones de convertir una variable fsica, comnmente, en una seal
elctrica, en un rango manejable por el prximo elemento en la cadena
de adquisicin de informacin.Un instrumento est compuesto por el
elemento sensor, llamado tambin transductor, que transforma el
fenmeno fsico que se est midiendo en una seal elctrica y, el
elemento acondicionador que adeca el nivel de tensin o de corriente
de la seal de salida del instrumento.La seal elctrica de salida de
un instrumento puede ser:Analgica: de 4 a 20 mA, 1 a 5 Vdc, 10 a 50
mV, tales como las mediciones de flujo, presin y
temperatura.Digital: 0 a 24 Vdc. Tales como interruptores de nivel,
estado de bombas y compresores.Frecuencia de pulsos: como en el
caso de controladores de flujo.Actualmente, existen instrumentos de
medicin de cantidades analgicas cuyas salidas son digitales,
directamente compatibles con dispositivos microprocesadores.Las
caractersticas que definen la calidad de un instrumento son:Mnima
inferencia en el proceso.Exactitud.Linealidad.Rango de operacin
(entrada, salida, frecuencia).Estabilidad (susceptibilidad ante
vibracin, temperatura, humedad, polvo, etc.)Impedancia de
salida.Tiempo de respuesta.Clasificacin de los transductores de
corriente segn el Estndar ISA-S50.1
Tres tipos de lazos de control por corriente estn definidos en
el estndar ISA-S50.1. Cada uno est compuesto de una fuente de
poder, un transductor y un receptor. Estos sistemas estn designados
como tipo 2, 3 o 4 dependiendo del nmero de conductores que utilice
el transductor.
El sistema tipo 2 utiliza el mismo par de cables para conducir
la potencia que alimenta al transductor y tambin la seal 4-20mA.El
sistema tipo 3 conduce la potencia para el transductor por un
cable, y utiliza otro para transmitir la seal 4-20mA con un retorno
comn a ambos.El sistema 4 utiliza dos cables para alimentar de
potencia al transductor, y otros dos cables para conducir la seal
4-20mA.Adicionalmente a la clasificacin por tipos, los
transductores pueden ser clasificados segn tres clases (L, H y U).
Estas letras son utilizadas como sufijo para definir el valor de la
resistencia de carga externa a la que el transductor es capaz de
entregar la corriente requerida a un mnimo de tensin de la fuente
de alimentacin. Como se indica en la figura 2.15a, el receptor
contiene una resistencia que convierte la corriente transmitida en
una tensin, en concordancia con la Ley de Ohm. Por ejemplo, un
transductor clase 2L es capaz de enviar la seal de corriente a
travs de una resistencia de carga de 300 Ohm mediante una
alimentacin mnima de 23V.La curva de comportamiento de un
instrumento (seal de entrada vs. seal de salida), no siempre es
lineal, es ms bien una curva. Sin embargo, para ciertos rangos de
operacin los valores de la curva se pueden aproximar con una lnea
recta.La seleccin del tipo de instrumento a usar est determinada
por el proceso o variable fsica a medir adems, normalmente se
establece un compromiso entre la calidad requerida y
consideraciones de costo.Casi toda cantidad fsica puede ser
convertida en una seal elctrica con un transductor disponible
comercialmente. Los transductores analgicos ms comunes son de
temperatura, presin, nivel, flujo, velocidad, posicin, fuerza,
humedad, potencia elctrica, tensin, corriente, factor de potencia,
etc. Entre los detectores discretos existen: Detectores de nivel
alto/bajo, detectores de presin alta/baja y detectores de flujo/no
flujo.En el caso de los sistemas elctricos de potencia la capacidad
de los transductores se obtiene de la ecuacin:Ec. 1donde:=Capacidad
del Transductor.=Corriente Secundaria Nominal del Transformador de
Corriente.=Voltaje Secundario Nominal del Transformador de
Potencial.Con este valor de referencia ubicamos la capacidad
normalizada del transductor ms cercana por exceso y no por defecto
para estos equipos.
COORDINACIN TRANSDUCTOR UNIDAD MAESTRADespus del
dimensionamiento del equipo, este debe ser coordinado con el
sistema SCADA.La forma de hacerlo es adjudicando los valores
digitales del sistema a las medidas de potencia del transductor
equivalente a 1 mA.El procedimiento es el siguiente:1.Conocidas las
relaciones del CT y PT adems de la capacidad del transductor,
procedemos a utilizar la siguiente ecuacin:Ec.2donde:= Relacin de
Transformacin del Transformador de Corriente.= Relacin de
Transformacin del Transformador de Potencial.= Capacidad
Normalizada del Transductor.La ecuacin 2 nos lleva a igualar
unidades de potencia (KW) con unidades de corriente lo que parecera
incorrecto.En realidad la ecuacin plantea para que valor de
potencia el transductor genere 1 mA en su salida como respuesta a
la medicin realizada por el CT y el PT.2. Finalmente se obtienen
las denominadas unidades de ingeniera igualando los topes de escala
del transductor con la unidad de potencia resultante del paso
anterior.Los topes de escala del transductor son los valores
digitales mximos y mnimos que enva el equipo a la unidad terminal
cuando la magnitud de 1 mA.En la tabla N 1 se muestran los topes de
escala de un transductor.TABLA N 1.Topes de Escala de un
TransductorVALOR DIGITALTR
32.6761 mA
00
- 32.676- 1mA
Ejemplo:En un sistema elctrico de potencia se encuentra un CT
cuya relacin de transformacin esy un PT con una relacin de.Se
persigue establecer la capacidad apropiada del transductor y la
coordinacin de este con la unidad maestra.Solucin:La capacidad del
transductor se obtiene utilizando la ecuacin 1:
sustituyendo:
Escogemos el transductor cuya capacidad sea igual o
inmediatamente superior al valor establecido porentonces el valor
normalizado se presenta en:
Para la coordinacin del transductor con la unidad maestra se
obtiene comoprimer paso la unidad de potencia para la cual l
transductor genera 1 mA, utilizamos la ecuacin 2:
sustituyendo:
resolviendo:
Por ultimo las unidades de ingeniera se establecen igualando los
topes de escala del transductor (vase la tabla N 1) con la unidad
de potencia resultante del paso anterior.UNIDADES DE INGENIERA
3267613,8 MW
-32676-13,8 MW
