Sistemas de Supervisión y Control (SCADA)

Ing. Francisco Aleaga LoaizaUniversidad Nacional de Loja

Temas:-Criterios de Diseño de arquitectura.-Componentes de un SCADA.-Explicación de la pirámide CIM.-Requisitos a cumplirse.

Porque implementar SCADA?

Utilizando: -Medidores, transductores.- Equipos controladores electrónicos.- Red de comunicaciones.- Ordenadores con SWy HW especializado.

Productividad

Calidad

Seguridad

Nivel de Automatización de Procesos.Hay que tener en cuenta un principio que no debe violarse por la importancia no sólo práctica, sino también económica que tiene, y que establece que no se debe automatizar un grado tan alto como sea posible, sino hasta donde sea necesario

Primer Paso.Para automatizar y controlar un sistema primero se tiene que dominar el proceso a automatizar, supervisar y/o controlar (estado del arte).

¡No se puede automatizar algo que no se conoce...!

Segundo Paso.Conformar un equipo especializado de diseño en distintas ramas de acuerdo al sistema a implantar la solución (equipo de trabajo).

Equipo multidisciplinario que conozca de:-Proceso. ( Ing. Electromecánico, Industrial, etc.)-Instrumentación.-Electricidad.-Controladores industriales.-Protecciones eléctricas.-Tele-Comunicaciones.-Software Scada.-Telemática (Software, Hardware, Comunicaciones, Seguridad Informática, Base de Datos).

-Comunicaciones Industriales.

Flu

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Pirámide de Automatización de Sistemas (CIM)

(Computer Integrated Manufacturing)

Comunicaciones

Equipos

Comunicaciones entre las redes

TOPOLOGIAS

DE REDES

Modelo de referencia OSI

Interconexión de Sistemas Abiertos (1984) Creado por la ISO.

Brinda un conjunto de estándares que aseguran una mayor compatibilidad e interoperabilidad entre los distintos tipos de tecnología de red.

Nivel 0 (Proceso, Sensor/actuador):

Aparatos en contacto directo con el sistema a controlar.

Equipos: sensores, actuadores, instrumentos de medida, máquinas herramientas de control numérico, etc. Comunicaciones:cableado tradicional de los Buses de Sensores y Actuadores o también denominados Buses de Campo.

Equipos en Nivel 0:Para seleccionar los sensores y actuadores se debe determinar las variable de entrada y salida del sistema para determinar las características de funcionamiento.

•Entradas/Salidas analógicas:

Flujo, presión, temperatura, Voltaje, corriente, nivel, posición, etc.

•Entrada/Salidas digitales:

- Pulsadores, relés , estado de dispositivos (on / off), finales de carrera, sensores de presencia, switch, controles de encendido (on-off), termostatos, presostatos, etc.

Comunicaciones en Nivel 0:Cableado Tradicional:

•Cada elemento se cablea independientemente (2, 3 o más hilos).•Sólo pueden ser gestionados y monitorizados desde el equipo al que están conectado tales como PLC, RTU, PAC, DAQ. •La información digital o analógica se trasmite en función de la variación de señales eléctricas, algunas de esta pueden ser:

Señales de voltaje: 0-24 Vcc, 0-10Vcc, 0-5Vcc, +/-10Vcc Señales de corriente: 0-20 mA, 4-20 mAResistencia: 0-100 ohm (PT-100), Etc.

Trasmisores de temperatura: Para termopar tipo J, K, S R; para RTD tipo PT-100.Transmisores de presión: Diferencial, absoluta, manométrica.Trasmisores de nivel: Ultrasónicos, de Radar, de Resistencia, Capacitivos, potenciométricos, etc.

Comunicaciones en Nivel 0:Utilizando un Bus de Sensores y Actuadores: Sistema de comunicaciones en Tiempo Real a Bajo Coste,alimentación está incorporada al mismo bus de comunicaciones, además de la reducción de la complejidad del cableado del sistema de comunicaciones.

•La Conexión / desconexión se la puede realizar en caliente.•Se obtiene la detección y reconocimiento de elementos (Plug & Play).

•Opción de soportar dispositivos inteligentes tales como Variadores de velocidad, PIDs, CNC, Relés Multifunción, IEDs, etc. En este tipo de comunicación la modificación y ampliación del sistema se la hace de forma muy rápida. En el mercado industrial existen diversos tipos de comunicaciones industriales a nivel 0 estos los más populares son:

•HART •AS-i•DeviceNet

Especificaciones de sensores:

Campo de medida (Range).Alcance (span).Error.Exactitud.Precisión (accuracy).Zona muerta (dead zone).Sensibilidad (Sensibility).Repetibilidad.Histéresis.Tipo de Transmisor (comunicaciones).Alimentación de energía.Grado de protección IP, NEMA.Tipo y Material del elemento sensor.Características dimensionales y de ajuste.

Principios físicos de medida mas utilizados.-Resistencia(temperatura, luz, posición, nivel, humedad, etc.)-Par de cables.( temperatura)-Capacitancia. (nivel, humedad, posición etc.)-Ultrasonido (caudal, posición, velocidad, nivel, etc.)-Radar (velocidad, posición, velocidad, nivel, etc)-Electromagnetismo (caudal)-Magneto-resistencia (corriente, posición, detección de metales, etc.)-Inductancia (finales de carrera, detección de metales, switch de nivel etc.)

Especificaciones de actuadores (válvulas):

Condiciones de servicio:Fluido, Caudal, Presión, Temperatura etc.

Tipo de válvula de control:Globo, Compuerta, mariposa, etc.

Partes internas.Tipo de actuador.Neumático, eléctrico, hidráulico, etc.

Tipo de posicionador.Neumático, electrónico.

Accesorios. Alimentación de energía.Grado de protección IP, NEMA.Materiales de construcción.Características dimensionales y de ajuste.

Arquitectura Nivel 0

Nivel 1 (Campo):Equipos electrónicos de control industrial individual.

Equipos: PLCs, RTUs de gama baja y media, sistemas de control numérico (CNC), transporte automatizado etc.Comunicaciones:Buses industriales de Campo de alta velocidad.

Equipos en Nivel 1:Para seleccionar el controlador se debe tener en cuenta el numero y tipo de entradas/salidas por controlador, además de las tareas de procesamiento (lógicas, matemáticas, temporizadores, tratamiento de datos), como de comunicación:Tenemos las siguientes opciones:

PLC: Control Lógico Programable.RTU: Unidad Terminal remota.IED: Instrumentos Electrónicos Inteligentes.DAQ: Tarjeta de adquisición de datos (solo medición).

PLC

Ventajas / desventajas

•Menor tiempo de desarrollo pues no es necesario dibujar el esquema de contactos.

•Memoria es lo suficientemente grande.

•Modificaciones sin cambiar el cableado ni añadir aparatos.

• Mínimo espacio de ocupación.

• Menor coste de mano de obra de la instalación.

• Economía de mantenimiento.

•Fiabilidad del sistema.

• Posibilidad de gobernar varias máquinas con un mismo autómata.

•Menor tiempo para la puesta en funcionamiento

•Coste inicial del equipo. •Capacitación en la programación del

equipo.

Funciones Básicas PLC Detección

Mando

Dialogo

Programación

Supervisión

Comunicación

Control de procesos

E/SDistribuidas

Buses de campo industriales

Escalabilidad

RTU

Ventajas / desventajas

•Aptos para una aplicación con un gran numero de E/S.

•Memoria grande suficiente para para ejecutar datalogging y control al mismo tiempo.

•Compatibilidad con múltiples protocolos SCADA (IEC870/5, DNP3, Modbus, MMS).

•Opciones de programación de funciones básicas de PLC bajo IEC 1131-3

•Muchas veces utilizada como pasarela de comunicaciones de protocolos SCADA y buses de campo.

•Opciones de sincronización horaria ejemplo: GPS

•Sirve como Gateway de sistemas IEDs (relés, medidores, controladores, sensores inteligentes etc,).

•Aptos para la tele-medición y tele-control a grandes distancias.

•No apta para funciones de controles automático complejos.

IEDs:

Funciones Básicas RTU Detección

Mando

Dialogo

Programación IEC 1131-

3 básicas

Supervisión

Comunicaciones

múltiples

Control de procesos no muy complejos

E/SDistribuidas

Gateway de Buses de campo

industriales

Gran Nro. E/S

Comunicaciones en Nivel 1:Utilizando un Bus de Campo: Control en Tiempo Real muy parecidos a buses de sensores y actuadores, su diferencia está en que pueden manejar mayores cantidades de información, debido a que manejan tramas pequeñas y los datos se envían de forma cíclica, con restricciones temporales. Los mensajes se envían sólo cuando son necesarios.

•Métodos de Comunicación:Strobe: Los maestros realizan peticiones a los esclavos y estos las sirvenPolling: El maestro envía las salidas a cada esclavo y estos responden con las entradas.Cambio de Estado: Se transmite información cuando cambia el estado.Cíclico: El dispositivo envía la información con un intervalo de tiempo prefijado.

DEVICENET, MODBUS, PROFIBUS DP, FIELDBUS FOUNDATION(FF)

Arquitectura Nivel 1

Nivel 2 (Célula):Equipos de alto desempeño de control del sistema, Controlan la secuencia de fabricación y/o producción, se dan consignas a los equipos del nivel de campo.

Equipos: PLCs de gama media y alta, PCs Industriales, PACs RTU maestras.

Comunicaciones:Redes de alta capacidad de información. 

Equipos en Nivel 2:Para seleccionar el controlador de alto desempeño se debe cuenta el numero de variables que estará a cargo y la complejidad y cantidad de funciones a desarrollar (lógicas, matemáticas, temporizadores, tratamiento de datos, control predictivo, fuzzy, PIDs, etc), así como las opciones de comunicación:Tenemos las siguientes opciones:

•PLC: Control Lógico Programable gama media-alta.•PAC: Control Autónomo Programable.•PC INDUSTRIAL

Ventajas de PAC.

Ventajas de PC Industrial.•Manejar y observar la instalación con el mismo•equipo que se encarga también de las demás tareas de automatización.•Hardware apto para uso industrial y robusto.•Flexibilidad, automatización ampliable en todo momento en cuanto a software•y hardware•Calidad de las imágenes en las pantallas.•Mayor Modularidad.•S.O. Windows, UNIX, etc, en tiempo real.•Sistema multiprocesador modulares.•Almacenamiento y gestión de datos, computación compleja, monitorización y tareas primordiales.

Comunicaciones en Nivel 2:Utilizando un sistema de comunicaciones industrial de alta capacidad de información: Control en Tiempo Real de múltiples estaciones remotas, normalmente se suele utilizar una RTU configurada como maestra cuando las estaciones están a grandes distancias.

•Métodos de Comunicación:Strobe: Los maestros realizan peticiones a los esclavos y estos las sirvenPolling: El maestro envía las salidas a cada esclavo y estos responden con las entradas.Cambio de Estado: Se transmite información cuando cambia el estado.Cíclico: El dispositivo envía la información con un intervalo de tiempo prefijado.

DNP3, MODBUS RTU, PROFIBUS FMS, PROFINET, Ethernet Industrial.

Arquitectura Nivel 2

Enlaces de radio

Nivel 3 (Planta):Equipamiento de diseño, gestión y supervisión del proceso, donde se establecen las consignas (setpoint) que seguirán los niveles inferiores. Aquí se permite a los operadores del sistema la visualización, operación, monitoreo, registro y evaluación de la información recolectada y enviada por los aparatos de campo.

Equipos: Servidores, PCs con SW SCADA, estaciones de trabajo (HMI), servidores de bases de datos, backups, tarjetas especiales etc. Comunicaciones: LAN, Ethernet Industrial, Gigabit Ethernet, IEEE 802.11, Routers, Firewalls, Switchs, cableado estructurado, redundancia de redes, módems, Internet, etc.

 

Arquitectura Nivel 3 Centro de control

Nivel 4 (Factoría):Infraestructura empresarial, estaciones de trabajo con herramienta de gestión de la empresa haciendo uso de software ofimáticos y de base de datos.

Gestión de producción, comunicando las distintas plantas distantes manteniendo relaciones con los proveedores y clientes.

Equipo que proporcionan las consignas básicas para el diseño y la producción de la empresa.

Se emplean PCs de gama mediana, estaciones de trabajo y servidores de distinta índole.

Arquitectura Nivel 4

Ejemplo(propietario):

Ejemplo (Abierto):

SOFTWARE SCADA.Los programas de computo (software) que deben instalarse en las interfaz humano máquina HMI del Nivel 2 .

SO Windows, UNIX, LINUX, ETC, aplicaciones multi-tarea en una red de área local, y para mayor confiabilidad se deberán programar los procesadores en base una prioridad de eventos.

TIPOS DE SW SCADA SEGÚN SU APLICACION

•Software de medición, automatización, control y supervisión.

•Software de propósitos generales de supervisión y control.

•Software SCADA especializados.

Software de medición, automatización, control y supervisión

LabVIEW+ (DSC)

Software de propósitos generales de supervisión y control.

Ejemplo HMI

Ejemplo HMI

Software SCADA especializados (electricidad de potencia)

Seguridad Informática.

Seguridad Informática

GraciasFrancisco Aleaga Loaiza.UNIVERIDAD NACIONAL DE LOJA

LIBROS RECOMENDADOS:

“SISTEMAS SCADA”, Aquilino Rodríguez Penín, Editorial MARCOMBO. 2007. Segunda edición.“Practical SCADA for Industry”, David Bailey- Edwin Wright, Editorial Elsevier, primera edición, 2003