Sistema SCADA

Aplicaciones Modernas de la medicin y el control 75

6. Sistemas SCADA.

Generalizacin:

SCADA viene de las siglas de "Supervisory Control And Data Acquisition", es decir:adquisicin de datos y control de supervisin. Se trata de una aplicacin softwareespecialmente diseada para funcionar sobre ordenadores en el control de produccin,proporcionando comunicacin con los dispositivos de campo (controladores autnomos,autmatas programables, etc.) y controlando el proceso de forma automtica desde lapantalla del ordenador. Adems, provee de toda la informacin que se genera en el procesoproductivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros supervisores dentro dela empresa: control de calidad, supervisin, mantenimiento, etc.

Objetivos Generales:

El estudiante entender los conceptos fundamentales con los sistemas de adquisicin dedatos; as como la manipulacin de los sistemas supervisorios y configuradotes.

Mdulos:

1.1- Arquitectura del Sistema SCADA. 1.2- Sistema Supervisorio. 1.3- Sistema de Configuracin. 1.4- Hardware

6.1.- Arquitectura del Sistema SCADA .

Los primeros sistemas SCADA eran simples sistemas de Telemetra queprovean reportes peridicos de condiciones de campo mediante monitoreode seales que representaban medidas y/o condiciones de sistemas que seencontraban en sitios remotos. A medida que la tecnologa fue involucrandocomputadoras, estas asumieron el rol de manejar la recoleccin de los datos,inferir comandos de control y una nueva funcin presentar la informacinen pantallas. Las computadoras adicionaron la capacidad de programar elsistema para ejecutar tareas ms complejas de control. Hoy en da, lossuplidores de sistemas SCADA disean sistemas que intentan cubrir lasnecesidades de muchas industrias y es as como es usual ver sistemasSCADA comerciales adaptados a la industria del procesamiento depetroleo, gas, plantas de generacin elctrica, manejo de aguas servidas,aguas blancas, entre otras.

Muchos de los sistemas SCADA, instalados hoy en da, se estnconvirtiendo en parte integral de la estructura de los Sistemas Gerencialesde informacin. Estos sistemas no estn siendo vistos por los Gerentes


como simples herramientas operacionales y de Ingeniera, sino como unafuente importante de informacin. En este rol, estos sistemas continansirviendo como el centro de responsabilidades operacionales, pero adems,proveen data a sistemas y usuarios fuera del ambiente de control quedependen ms de informacin inherente al tiempo importante para la tomade decisiones de negocio.

Posibilidades que nos brinda un sistema SCADA

Un paquete SCADA debe estar en disposicin de ofrecer las siguientesprestaciones:

Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia deloperador para reconocer una parada o situacin de alarma, con registro deincidencias.

Generacin de histricos de seal de planta, que pueden ser volcados parasu proceso sobre una hoja de clculo.

Ejecucin de programas, que modifican la ley de control, o incluso anular omodificar las tareas asociadas al autmata, bajo ciertas condiciones.

Posibilidad de programacin numrica, que permite realizar clculosaritmticos de elevada resolucin sobre la CPU del ordenador.

Arquitectura del sistema SCADA

Los mdulos o bloques que permiten las actividades de adquisicin, supervisin ycontrol son los siguientes:


Sistema de Configuracin.: permite al usuario definir el entorno de trabajode su SCADA, adaptndolo a la aplicacin particular que se deseadesarrollar.

Sistema supervisorio o Interfaz grfico del operador: proporciona aloperador las funciones de control y supervisin de la planta. El proceso serepresenta mediante sinpticos grficos almacenados en el ordenador deproceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA oimportados desde otra aplicacin durante la configuracin del paquete.

Interfaces con el operador (MMI - Man Machine Inteface)Capacidad de programacin (Visual Basic, C)Transferencia dinmica de datos (DDE)Conexin a redesSe presenta una estructura bsica:

Hay varios paquetes de calidad: FIX, INTOUCH , FACTORY, TAURUS, REALFLEX,GENESIS ,LABVIEW por nombrar proveedores independientes, que no son fabricantes de equipos demedicin y control.

6.2 Hardware.

COMUNICACIONES EN ENTORNOS INDUSTRIALESLa estandarizacin de protocolos en la industria es un tema en permanente discusin, dondeintervienen problemas tcnicos y comerciales. Cada protocolo esta optimizado paradiferentes niveles de automatizacin y en consecuencia responden al inters de diferentesproveedores. Por ejemplo Fieldbus Foundation, Profibusy Hart, estn diseados para instrumentacin de control de procesos. En cambio


DevicetNect y SDC estn optimizados para los mercados de los dispositivos discretos (on-off) de detectores, actuadores e interruptores, donde el tiempo de respuesta y repetibilidadson factores crticos.

HART (Highway Addressable Remote Transducer)Es un protocolo de fines de 1980, que proporciona una seal digital que se superpone a laseal analgica de medicin en 4-20 mA. Permite conectar varios dispositivos sobre unmismo cable o bus (Multidrop), alimentacin de los dispositivos, mensajes de diagnsticosy acceso remoto de los datos del dispositivo, sin afectar la seal analgica de medicin.La mayor limitacin es su velocidad (1200 baudios), normalmente se pueden obtener 2respuestas por segundo.La alimentacin se suministra por el mismo cable y puede soportar hasta 15 dispositivos

MODBUS.Es un protocolo utilizado en comunicaciones va mden-radio, para cubrir grandes distanciaa los dispositivos de medicin y control, como el caso de pozos de petrleo, gas y agua.Velocidad a 1200 baudios por radio y mayores por cable.Es un estndar de facto.

DEVICENETResulta adecuado para conectar dispositivos simples como sensores fotoelctricos, sensoresmagnticos, pulsadores, etc. Provee informacin adicional sobre el estado de la red para lasinterfaces del usuario.AS-i (Actuador Sensor-interface)Es un bus de sensores y actuadores binario y puede conectarse a distintos tipos decontroladores lgicoProgramable (PLC), controladores numricos o computadores (PC).


El sistema de comunicacin es bididireccional entre un maestro y nodos esclavos. Estlimitado hasta 100 metros (300 metros con un repetidor) y pueden conectarse de 1 a 31esclavos por segmentos.El maestro AS-i interroga un esclavo por vez y para el maximo numero tarda en total 5 ms.Es un protocolo abierto y hay varios proveedores que suministran todos los elementos parala instalacin.Constituye un bus de muy bajo costo para reemplazar el tradicional rbol de cables enparalelo

PROFIBUSEsta desarrollada a partir del modelo de comunicaciones de siete niveles IS/OSI(International Standard /Open Systen Interconnet)

FIELDBUS FOUNDATION (FF).Esta desarrollada a partir del modelo de comunicaciones de siete niveles IS/OSI(International Standards /Open Systen Interconnet)Es un protocolo para redes industriales, especficamente para aplicaciones de controldistribuido.Puede comunicar grandes volmenes de informacin, ideal para aplicaciones con varioslazos complejos de control de procesos y automatizacin de la fabricacin,Provee bloques de funcin: IA, ID, OA, OD, PID, que pueden intercambiarse entre laestacin maestra (Host) y los dispositivos de campo. La longitud mxima por mensaje es de256 bytes, lo que permite transferir funciones de control con el concepto de objetos

ETHERNET INDUSTRIALLa aceptacin mundial de Ethernet en los entornos industriales y de oficina ha generado eldeseo de expandir su aplicacin a la planta. Es posible que con los avances de Ethenet y laemergente tecnologa Fast Ethenet se pueda aplicar tambin al manejo de aplicacionescrticas de control, actualmente implementadas con otras redes especficamente industrialesexistentes, como las que aqu se mencionan.

NIVEL DE COMUNICACIONRedes de comunicacionesLas redes de comunicacin pueden clasificarse en dos tipos generales:

* Redes de Area Local ( LAN - Local Area Network), reducida a un edificio y dealcance hasta 5 km..* Redes de Area Amplia (WAN - Wide Area Network), extendida a travs de todoel planeta.Los componentes bsicos son:* Cable fsico de comunicacin y equipo electrnico de transmisin /recepcin.* Programas o software de comunicaciones.Estos componentes determinan la topologa de la red.


1.Red Jerrquica 2. Red en Bus 3. Red en Anillo* Redes jerrquicas o en estrellas, donde uno de los equipos hace de host o nodocentral y todos los dems son esclavos. Todas las comunicaciones pasan por dichonodo central.* Redes en bus, donde cada equipo transmite cuando no hay presencia de seal en lared, utilizando una tcnica de acceso probabilistico denominada CSMA/CD (CarrierSense Multiple Access/ Collision Detection), de aplicacin en la red Internet.* Redes en anillo, donde un testigo (token passing) circula por la red. Cada equiporetiene el testigo mientras transmite, lo que le da caractersticas de accesodeterministico, garantizando un tiempo mximo de espera en el que una estacinaccede a la red, de aplicacin en la industria.

6.3 Comunicaciones en la industria

Los protocolos de comunicaciones digitales en la industria siguen, en general, el modeloestndar de interconexin de sistemas abiertos OSI. Sobre esta base y las recomendacionesde ISA (International Society for Measurement and Control) y la IEC (InternationalElectrotechnic Commitees) se ha establecido normas al respecto , en particular la IEC 1158en desarrollo aun.No obstante, como resultado de estas normalizaciones se presenta la estructura principal dedos importantes buses de campo que compiten en el mbito internacional: FF (FoundationFieldbus) y PROFIBUS.No se incluyen otros buses de campo por razones de tiempo y espacio, tan importantescomo WorldFIP, DeviceNet, ControlNet, InterbBus, LonWorks y en particular AS-i, SDS ySeriplex orientados al control discreto.FF - Funndation FieldbusFundamentalmente consta de: a) un nivel fsico, b), una pila de comunicaciones (Stack) y c)nivel de usuario.


No se implementan los niveles 3, 4, 5 y 6 del modelo OSI a causa que estos no serequerieren en aplicaciones de control de proceso, pero si se tiene en cuenta un importanteNivel de Usuario.El nivel fsico (caractersticas mecnicas, elctricas y funcionales para establecer y liberarconexiones fsica) responde a normas ISA/IEC (ISA 550.02-1992/IEC 1158.2).Poseen velocidades de 31,25 Kbs (baja), 1 Mbps (media) y 2,5 Mbps (alta).En baja se puede alcanzar una distancia de 1900 m, la que disminuye con la cantidad dedispositivos en el bus, soporta especificaciones de seguridad intrinsica y es la velocidadprioritaria del FF.La comunicacin es compatible dispositivos existente en 4-20 mA.Los dispositivos del bus toman energa del mismo par, evitando fuentes independientes.El stack de comunicaciones provee los servicios de interfaces entre el nivel fsico y el nivelde usuario y comprende fundamentalmente:* El Nivel Enlace de Datos (Data Link) es del tipo token-ring y establece la vinculacin conel Nivel Fsico. Su funcin es la de controlar la transmisin de mensajes hacia y desde elNivel Fsico.El acceso al bus se realiza mediante el programa LAS (link Active Scheduler) que actacomo un centralizador y arbitrador de uso del bus, permitiendo una comunicacindeterminista realizando una distribucin del tiempo para que todo dispositivo conectado seasensado. Adems permite que todos los datos publicados en el bus estn disponibles paratodos los dispositivos conectados que los reciben simultneamente.


* El Nivel de Aplicacin comprende la transferencia de datos desde en Nivel 2 al Nivel 7 yel tratamiento de los comandos del Nivel de Usuario para direccionar y acceder por sunombre los dispositivos remotos.Nivel Usuario define una interface que permite que el usuario interactue con losdispositivos de campo Hay dos recursos importantes: los bloques y la descripcin dedispositivos.Existen 3 tipos de bloques:* Bloque de Recurso. Describe caractersticas del dispositivo tales como: nombre,fabricante, modelo y numero de serie.* Bloque de Funcin. Son objetos que proveen acciones de control en base alcomportamiento de las I/O del dispositivo. Los bloques pueden residir dentro de losdispositivos de campo y estar disponibles para otros, a travs de la redLa tabla siguiente rene algunas funciones usuales de control y de I/O.

Block de Funcin SmboloAnalog Input _____________________ AIAnalog Ouput _____________________AODiscrete Input _____________________DIDiscrete Ouput ____________________DOManual Loader ____________________MLProportional/Derivative _____________PDProportional/Integral/Derivative ______PID

* Bloque de Transferencia. Acopla o desacopla bloques de funciones de acuerdo alrequerimiento local de las I/O del dispositivo. El usuario crea aplicaciones sobre el bus decampo, conectando los bloques de funcin formando una estrategia de control distribuido,pudiendo especificar en que tiempo y en que dispositivose ejecutan. Por ejemplo las funciones AI, PID y AO pueden residir en forma individual enun transmisor, en un controlador de lazo abierto y en un actuador respectivamenteEl esquema siguiente muestra un control de lazo cerrado utilizando 3 Block de Funcion,donde la entrada analgica corresponde a un transmisor de presin, mientras que elalgoritmo PID y la salida analgica corresponde a un posicionador de vlvula de control.

Con esta posibilidad de interconectar diferentes funciones de control que residen endiferentes dispositivos del bus de campo, el FF permite una verdadera arquitectura decontrol distribuido.El segundo recurso importante es la descripcin de las funciones disponibles en eldispositivo, partir de cuya informacin se puede crear la HMI (Human Machine Interface),que le permita al usuario configurar parmetros y realizar la calibracin, diagnostico yacceder a otras funciones de servicio que se encuentran en los dispositivo de campo.Para mayor informacin sobre Fieldbus Foundation consultar a: www.fieldbus.org


PROFIBUSEs un estndar originado en normas alemanas y europeas DIN 19245 / EN 50170. Cumpletambin con el modelo OSI de 7 niveles y las normas ISA/IEC. Utilizado en aplicacionesde alta velocidad de transmisin de datos entre controladores de I/O y complejascomunicaciones entre PLC. Tal es as que para diferentes tipos de comunicacin presentadistinto tipos de soluciones, los cuales satisface con 3 implementaciones separadas ycompatibles entre ellas: FMS, DP y PA

Profibus-DPEsta diseado para la comunicacin con sensores y actuadores, donde importa la velocidadsobre la cantidad de datos (Tiempo de ciclo del bus < 10 ms.). En una red DP uncontrolador central como PLC o PC se comunica con los dispositivos de campo Tienedefinido los niveles 1 y 2 del modelo OSI, pero no los nivele 3 al 7. Tiene definido el Nivelde Usuario y dispone de un servicio de intercomunicacin con el Nivel 2. Para el Nivel 1dispone soporte de fibra ptica en RS-485Prpfibus-PAEsta diseado especficamente para procesos de automatizacin, utilizando la norma IEC1158.2 para el Nivel Fsico el mismo bus suministra energa a los dispositivos de campoUtiliza el mismo protocolo de transmisin que el DP, ambos pueden ser integrados en la redcon el uso de un segmento acoplador.Nivel de FabricaTiempo de ciclo del Bus < 1000 ms.Nivel de CeldaTiempo de ciclo del Bus < 100 ms. PC PLC DCSNivel de Campo


Tiempo de ciclo del Bus < 10 ms.PROFIBUS - DP PROFIBUS - PAComando E/S Vlvula Transmisor de CampoDispositivo de CampoDispositivo de CampoTCP/IPCNC PC HOSTPROFIBUS - FMSProfibus-FMSEs la mas completa y esta diseada para proveer facilidades de comunicacin entre varioscontroladores programables como PLCs y PCs ( Red de Celdas) y acceder tambin adispositivos de campo (Tiempo de ciclo del bus < 100 ms.) Este servicio permite acceder avariables, transmitir programas y ejecutar programas de control tan pronto ocurra unevento.Tiene definido los niveles 1, 2 y 7. Mediante el FDL (Fielbus Data Link ) se realiza elcontrol y acceso al bus correspondiente al Nivel 2. Con el FMS Fieldbus MessageSpecifications se implementa el Nivel 7 vinculando el Usuario con el Nivel 2. Para el Niveldispone soporte de fibra ptica en RS-485.Nivel Fsico para DP/FMSEl nivel fsico ms frecuente usado por Profibus-DP/FMS es RS-485. Las velocidades detransmisin pueden ser de 9.6 Kb/s a 12 Mb/s. En cada segmento del bus sin repetidor,pueden conectarse hasta 32 dispositivos y hasta 127 dispositivos pueden conectarse conrepetidores.La mxima longitud del cable (trenzado y apantallado) depende de la velocidad detransmisin.

* Unidades Remotas - RTU (Remote Terminal Unit) que reciben seales de los sensores decampo y comandan elementos finales de control. Tienen un canal serie de comunicacinpara interconexin por cable o radio frecuencia Son programables y tienen capacidad dealgoritmos de control. Un PLC tambin puede integrarse dentro de una RTU y formar partede la estrategia de control que se quiera implementar en el lugar. Un protocolo decomunicacin muy utilizado por varios fabricantes es el MODBUS.* Estacin Maestra, es un computador que permita correr un programa SCADA de ciertacomplejidad, que comprende diversas funciones.* Sistema de comunicacin, realizada por distintos soportes y medios de acuerdo al tamaodel sistema SCADA, distancias de las RTU, velocidad y disponibilidad de servicio publicode comunicacin.Lnea dedicadaLnea telefnicaCoaxil/fibra pticaTelefona celularRadio VHF (Very High Frecuency)/UHF (Ultra High Frecuency)MicroondasSatlite.


Autmatas o PLC: Dispositivo electrnico que cuenta con una o varias entradasanalgicas y digitales y una o varias salidas analgicas y digitales y una interfasede conexin a la computadora por el puerto RS 232; que puede ser programadopara desarrollar cierto algoritmo o funcin en dependencia de los valores de lasentradas o de una orden recibida desde una computadora.

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