REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

MINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIÓN UNIVERSITARIA

INSTITUTO UNIVERSITARIO DE TECNOLOGIA DE CABIMAS

CABIMA, EDO. ZULIA

Realizado Por:

CUELLO EDGAR C.I. 16.048.981

CHAMORRO DONACEL C.I. 15.764.912

GONZALEZ YORNET C.I. 19.458.776

VERA NORBER C.I. 14.356.574

Cabimas, Octubre de 2013.

INTRODUCCIÓN

En el mundo global en el que vivimos, disponer de un sistema que aúne

todos los dispositivos electrónicos de una empresa y los controle desde un

único aplicativo, muy intuitivo (totalmente visual), centralizado pero a la vez

accesible desde cualquier punto de la red interna de la compañía, y

conectado con el resto de herramientas de gestión, representa un punto de

inflexión importante y un valor añadido para cualquier organización.

Los sistemas SCADA nos proporcionan un control centralizado de una serie

de dispositivos electrónicos distribuidos. Estos sistemas obtienen información

en tiempo real de cada uno de los dispositivos que controlan y la almacenan

en un servidor central. A este servidor se puede acceder mediante una

interfaz Web desde cualquier punto de la red.

Sistema Scada

Es un sistema que permite supervisar y controlar a distancia una instalación

de cualquier tipo. Su nombre es la abreviación de la expresión

“SUPERVISORY CONTROL AND DATA ACQUISITION”. A diferencia de los

sistemas de control distribuido (DCS), en los SCADA el lazo de control es

cerrado por operador.

Diagrama conceptual de aplicación del sistema SCADA.

Fuente:

Gonzo E., Cano y 2005

Descripción general del sistema de control

El GTC consiste en un conjunto de subsistemas que deben trabajar de forma

coordinada. Estos subsistemas se encuentran distribuidos físicamente en las

instalaciones del GTC. La responsabilidad del sistema de control es el control

y monitorización de estos subsistemas y proporcionar una interfaz de usuario

homogénea.

La arquitectura física del sistema de control consistirá en una serie de

computadores, equipos electrónicos, sensores y actuadores interconectados.

Estos elementos serán responsables del control directo de los diferentes

subsistemas del GTC. El sistema de control será responsable de otras tareas

CONDICIÓN

DE SEÑAL

CONVERSIÓN

DE DATOS

Análisis/Toma

De Decisiones

MOSTRAR

INFORMACIÓ

N

CONVERSIÓN

DE DATOS

(e.g. planificación de observaciones, archivo de los datos, análisis de la

calidad de los datos) para lo cual existirán un número de estaciones de

trabajo conectadas a través de una o más redes de área local, las cuales

proveerán acceso a un grupo de servicios centralizados (por ejemplo,

catálogos, archivos).

Una arquitectura de software abierta, flexible, distribuida y orientada a

objetos será utilizada con el objeto de proveer acceso independiente de la

localización a los diferentes servicios distribuidos. Además, estos servicios

son requeridos para garantizar un nivel de calidad de servicio. La

implementación de esta arquitectura será simplificada mediante el uso de

middleware distribuido. Este middleware asegurará mediante una política de

planificación correcta, que todas las tareas tendrán los recursos necesarios.

Suministrará un esqueleto "plug&play" donde los diferentes componentes del

software de control serán conectados. Esta arquitectura suministrará un

entorno homogéneo tal, que el tiempo y coste de desarrollo de los diferentes

componentes será reducido.

Funciones Básicas de un Sistema SCADA.

Recabar, almacenar y mostrar información, en forma continua y confiable,

correspondiente a la señalización de campo.

Ejecutar acciones de control iniciadas por el operador.

Alertar al operador de cambios anormales (alarmas) y normales (eventos)

detectados en la planta.

Aplicaciones en general, basadas en la información obtenida por el sistema.

Necesidad de un Sistema SCADA.

Un sistema de SCADA se hace necesario cuando se cumplen las siguientes

condiciones:

El proceso presenta un número grande de variables a supervisar.

El proceso esta geográficamente distribuido (condición no limitativa).

La información se requiere en tiempo real.

Existe la necesidad de optimizar y facilitar las operaciones en la planta y la

toma de decisiones.

Los beneficios obtenidos justifican la inversión.

La complejidad y velocidad del proceso permiten que la mayoría de las

acciones de control sean realizadas por un operador.

ARQUITECTURA DE HARDWARE Y SOFTWARE

A partir de este punto se puede definir al sistema SCADA como un método

de monitoreo y control a distancia con las características de:

• Mantenimientos de rutina mejorando en los servicios de despliegues y base

de datos.

• Integrando nuevos equipos de control y monitoreo de producción tanto en el

campo como en los cuartos de control auxiliares y en el cuarto de control

maestro.

• Soporte y mantenimiento de las redes de comunicación, sistemas de

adquisición de datos remotas tanto en RTU’s y MTU’s.

A continuación se resume a nivel de hardware, de software y de

funcionalidad del sistema.

Para el desarrollo de estas actividades se utilizan consolas computarizadas

de monitoreo, control y mantenimiento, equipos de diagnóstico, herramientas

y repuestos necesarios para un buen funcionamiento del sistema en si.

La tecnología propuesta está dimensionada para las necesidades expuestas

y con la finalidad de tener futuras expansiones.

Debido a la arquitectura distribuida (tanto en procesos distribuidos y base de

datos distribuida), los subsistemas de software están diseñados para

coexistir en una estación independiente para pequeñas aplicaciones, o tener

múltiples copias distribuidas en diferentes estaciones, todo sin que el

software sea recopilado, para el tamaño de la base de datos o configuración

del sistema.

Las computadoras propuestas son de tipo RISC (SUN Microsystem), para el

CCM, y HP Compaq Pentium IV para los sitios remotos que lo exigen.

La plataforma de Hardware para los servidores SCADA es SUN Microsystem

Inc., el principal y más confiable proveedor de estaciones de trabajo del

mundo, con una amplia gama de productos, incluyendo procesadores de 64

bits y multiprocesadores. Junto con el sistema operativo, Solaris 8.0, también

de Sun, ofrece la arquitectura más confiable y la mayor disponibilidad.

Todos estos servidores disponen de una conexión del tipo SCSI mediante la

cual se puede conectar una unidad de cinta DAT. De esta manera no se

perturba a la red LAN si se tiene necesidad de transferir demasiados datos.

RESUMEN DE ARQUITECTURA BÁSICA DEL SISTEMA SCADA

El sistema SCADA tiene un Cuarto de Control Maestro (CCM) en donde se

colocará servidores SCADA redundantes, interfaces Operador-Máquina,

Sistema de Entrenamiento, equipamiento de red, impresoras, PC’s portátiles

y sistemas de reloj GPS con accesorios relevantes.

SERVIDORES SCADA

Los servidores SCADA comprenden las actividades de mantenimiento de

rutina y de mejoras de actualización de despliegues, bases de datos, soporte

de redes de comunicación y sistema de adquisición de datos Todo el

funcionamiento se realiza con datos en tiempo real.

El sistema es redundante con alta fiabilidad. Cumpliendo con la norma IEC

870-4 tiene tiempos de restauración y reparación bajos.

Para servidores SCADA se utiliza:

• SunFire V240 cib Ultra SPARC IIIi 1 GHz CPU, 73 GB SCSI Disco Duro,

512 MB RAM y cuatro conexiones 10/100/1000 BaseT para el servicio

FrontEnd y para el servicio de funciones en tiempo real.

• SunFire V240 con dos Ultra SPARC IIIi 1.28 GHz CPU, 4x73 GB SCSI

Disco Duro, 2 GB RAM y cuatro conexiones 10/100/1000 Base T para el

servicio de aplicaciones.

Los servidores están en configuración “Hot-Standby”, es decir, uno actúa

como primario y el otro como respaldo, con función de conmutación

automática. El servidor de respaldo es actualizado continuamente por el

servidor principal.

Los servidores SCADA están conectados a los MTU’s locales con una

extensión de la red LAN dedicada por medio del sistema de

telecomunicaciones. Se incluirá en el diseño un enrutador para interconectar

el Sistema de Telecomunicaciones. El protocolo usado es DNP 3.0 sobre

TCP/IP ya que adquiere sus datos de esta manera por lo que la solución es

la más económica.

ESTACIONES DE OPERACIÓN

Las estaciones de operación facilitan al operador y al usuario el acceso

completo a datos y control de las funciones del sistema consistente a un nivel

de acceso asignado. Las Estaciones de Operación son dos y ejecutan todas

las funciones HMI.

El hardware seleccionado está basado en un servidor Sun Blade 150. Cada

Estación de Trabajo dispone de 3 monitores a color con su correspondiente

tarjeta de gráficos. Los monitores son de 19” LCD TFT. Cada estación está

conectada a una red redundante LAN 100 BaseT (conexión doble), y está

equipada con una CPU SPARC de 650 MHz, Disco Duro de 80GB, DVD-

ROM, 512 MB de memoria RAM y parlantes. Todos los paquetes de HMI

propuestos son basados en Solaris 8.0 y el las aplicaciones del sistema

SINAUT Spectrum.

A fin de dar una idea de expansibilidad de estas estaciones propuesta, este

equipo puede crecer desde 2GB hasta 20GB Disco Duro.

ESTACIÓN DE INGENIERÍA O SUPERVISIÓN

Las estaciones de ingeniería están dispuestas para el desarrollo de

aplicaciones y mantenimiento del sistema. La finalidad de esta estación es

configurar y mantener los sistemas SCADA, modificar y actualizar base de

datos, y manejar remotamente parámetros de la configuración del sistema.

La base de datos del sistema SCADA desarrollada es modificada usando el

software de Configuración del sistema e instalada en cada servidor y

Workstation de la red LAN desde esta Workstation. El editor de pantalla no

corre en esta máquina, sino en el servidor de aplicaciones, pero puede ser

visualizado en ésta para desarrollar las páginas de pantalla instaladas en

cada una de las estaciones de operación.

El hardware para la estación de Ingeniería del Centro de Control está basado

en un servidor Sun Blade 150, procesador SPARC de 650 MHz, Disco Duro

de 80 GB y 512 MB de memoria RAM, doble conexión LAN 100 BaseT,

Unidad de Cinta de datos , teclado, ratón y parlantes. Esta estación maneja

tres monitores de 19” con sus correspondientes tarjetas gráficas.

El software para la estación de ingeniería está basado en el sistema

operativo Solaris 8.0 y HMI. Lógicamente esta estación es la misma que las

estaciones de operación, pero está dedicada para el mantenimiento.

Acoplado a esta estación está la unidad de cinta DAT para respaldar vía

Tape Backup las bases de datos, las configuraciones y los despliegues. Esta

estación tiene las mismas facilidades de expansión que las anteriores

mencionadas.

RED REDUNDANTE

La comunicación entre el procesador y los periféricos del Centro de Control

está diseñada en base a una red dual redundante LAN con protocolo TCP/IP.

El sistema SINAUT Spectrum usa ambas LAN’s, conmutando del primero al

segundo en caso de falla.

Hay dos puertos y conmutadores 10/100 (CISCO 2950), que están en

configuración redundante. Cada uno de los componentes críticos del SCADA

(Servidores SCADA, Estaciones de Ingeniería y de Operación, etc), tienen

interfaces Ethernet redundante. La configuración redundante de los

conmutadores garantiza la alta fiabilidad del sistema de red. También se

prevé un enrutador con un programa Firewall que conecta los dos segmentos

del LAN SINAUT Spectrum con el LAN, para una conexión confiable y

segura, utilizando un enrutador CISCO 2611 o equivalente.

SISTEMAS DE ENTRENAMIENTO

Como parte del sistema se toma en cuenta un Simulador totalmente

integrado al sistema para el entrenamiento de los operadores y para

pruebas. Consiste en una estación de trabajo de las siguientes

características:

• Servidor Blade 150 con CPU de 650 MHz, 80 GB en disco duro, 512 MB en

RAM, DVD-ROM, dos conexiones LAN 10/100 Base T con dos monitores de

19” LCD TFT.

TOUCH SCREEN

Respecto a las touch screen de los laboratorios se ha seleccionado los

Touch

Panel Computer con características de protección antiexplosión, LCD de 15

pulgadas, Alum Bezel, Windows XP PRO y con el HMI Wonderware Intouch

9.0.

IMPRESORAS

Las impresoras servirán para imprimir alarmas, eventos, reportes e impresión

de imágenes.

Se han tomado en cuenta los siguientes tipos de impresoras:

• Para el CCM, dos impresoras una matricial a blanco y negro como

impresoras de alarmas y eventos, y dos impresoras de color para imprimir

reportes y mensajes. Las impresoras propuestas son:

o HP Matricial 5100TN (A3-A4), como impresora de eventos y alarmas o HP

color LaserJet 2550Ln como impresoras de reportes e imágenes o también si

se da el caso para eventos y alarmas.

Las impresoras están equipadas con servidor interno de impresión y

conectadas directamente a los switches LAN.

PLOTTERS

Los plotters sirven para imprimir imágenes de gran tamaño como son

diagramas de ingeniería, pantallas de aplicación, HMI, etc. Se sugiere el

plotter para el Cuarto de Control Maetro:

• HP DesignJet 5500PS-UV de ancho de 107 cm.

GABINETES

Se suministrara gabinetes Estándar Siemes y Foxboro propios para el

sistema SINAUT Spectrum.

SISTEMAS GPS

Es necesario un reloj GPS con despliegue digital de fecha y tiempo,

frecuencia y desviación de frecuencia. Este reloj sincroniza con el tiempo

estándar mundial.

Este reloj sincronizará también todas las computadoras en la red LAN

SCADA.

PROYECTORES

Para proyectar una visión general de la planta, con la mayor calidad y gran

resolución se requiere de paneles de visualización o proyectores.

El personal del cuarto de control requiere despliegues detallados y precisos

de los mapas y de la situación actual, como la cantidad de información es

grande y están involucrados diferentes tipos de personas, un despliegue

grande de información es una herramienta realmente útil.

Siendo la aplicación de bastante minuosidad se .sugiere los Proyectores

IQG300 de la empresa Barco tanto en el centro de control como en un salón

de entrenamiento.

Teniendo en cuenta el objetivo del sistema y dado el tamaño del cuarto de

control se propone un sistema con las siguientes características:

• Fabricante: Barco

• Número de unidades de pantalla: 6 (3 en filax2 en columna)

• Tipo de pantalla: Matriz negra continua (seemless)

• Tamaño de pantalla: 50”

• Sistema operacional: Linux

• CPU: Intel Pentium IV

• Velocidad: 2GHz

• Memoria: 256 MB

• Tarjeta gráfica: OVT Digital Barco

• Número de proyecciones: 1 por módulo (6 en total)

• Tipo de panel de protección: DLP (1024x768 pixels)

• Resolución de cada unidad: 1024x768 por módulo (Resolución total

3072x1536 pixels)

• Vida útil de la lámpara: máximo de 5000 horas

• Iluminación: 300 cd/m2

• Distancia de pixels entre pantallas adyacentes: Menos de 1mm (imagen

continua)

El sistema BARCO seleccionado proyecta datos y video sobre una gran

pantalla de despliegue. Por su diseño modular se pueden construir

proyectores de cualquier tamaño.

FUNCIONES DEL SISTEMA SCADA

Como todo sistema computarizado, el diseño consiste de licencias y software

del SCADA básico.

El sistema tiene la capacidad de desarrollar funciones del control, supervisión

y vigilancia en los nodos de la red. Con un ambiente gráfico se crea

representaciones del proceso, animaciones y despliegue de las mismas para

controlar el proceso en funcionamiento. Una estructura distribuida es

característica principal de estos sistemas por la presencia de varias unidades

inteligentes (nodos). Cada nodo tiene funciones específicas. Se

interconectan todo los nodos por una red local (LAN), que es muy eficiente y

confiable.

SINAUT SPECTRUM

SINAUT Spectrum es un sistema SCADA abierto y distribuido especialmente

diseñado para aplicaciones en industrias de Petróleos, Energía Eléctrica,

Gas, Agua, Aguas servidas y varias utilidades Municipales.

Este sistema está basado en una arquitectura abierta y de inteligencia

distribuida de acuerdo con los estándares internacionales normalmente

usados (UNIX, X_Windows, TCP/IP, X25, Windows 2000, Windows NT, MS-

DOS, etc). Su concepto de modularidad y su modelo cliente-servidor, permite

un fácil cambio de cualquier módulo de la aplicación, en cada nodo

inteligente, local o remoto.

Para satisfacer las necesidades propias de un sistema como el diseñado se

sugiere el siguiente software básico:

• Solaris 8.0 Como sistema operativo de servidores

• Windows XP Como sistema operativo de estaciones de trabajo

• OS9 Como sistema operativo en tiempo real en los RTU’s

• Lenguaje C Como lenguaje de programación estructurado

• X_Windows Como ambiente gráfico estándar

• TCP/IP Como protocolo de gestión de redes Ethernet

• IEC 61131-3 Como lenguaje de programación de RTU

• SQL/ODBC Como interfaz de acceso de datos

• ORACLE Como base de datos de configuración

HERRAMIENTAS DEL SOFTWARE DE APLICACIÓN

Descripción General

SINAUT Spectrum incluye muchos subsistemas. Basado en una

configuración mínima requerida para la operación es posible añadir

subsistemas si la tarea, tamaño o estructura del sistema cambian. El sistema

fácilmente puede actualizarse y cambiarse a versiones nuevas.

Los subsistemas previstos para el proyecto son:

BSS: Sistema de servicios básicos, para asegurar las tareas básicas

(sistema operativo, intercambio de datos, coordinación de los servicios,

otros)

SDM: Manejador de datos, que asegura un desempeño óptimo de la base

de datos en tiempo real, también controla la entrada de datos a la red,

construcción de despliegues, importación y exportación de datos.

UI: Interfaz de Usuario, que maneja la interacción entre el operador y el

sistema de manera gráfica.

TCI, Interfaz de Telecontrol, que mantiene la comunicación entre los

servidores y los RTU’s o MTU’s.

SCADA: implementación de funciones requeridas para la señalización,

supervisión y procesamiento de las señales básicas y que son el fin del

proyecto.

HIS: Sistema de información de históricos, que archiva datos de

parámetros esenciales tanto para el proceso como para el sistema de

cómputo que pueden servir para advertir problemas como para futuros

estudios.

PA: Aplicaciones de poder, para monitorear todo lo referente a la obtención

de energía para el sistema.

NA: Aplicaciones de red, que se preocupa de la salud de la red del sistema.

TS: Simulador de entrenamiento, para capacitar a los operadores en un

ambiente realista utilizando escenarios virtuales.

CA: Aplicaciones de comunicación (TASE.2), que garantiza el intercambio

de información con otros centros de control.

El software de aplicación tiene el objetivo de integrar funcionalmente las

diferentes estructuras básicas, con el fin de obtener herramientas para el

monitoreo y control de la planta.

Los instrumentos principales utilizados para el desarrollo del software de

aplicación son:

• Tuberías, para la transferencia de datos entre aplicaciones. Su

implementación permite la comunicación entre procesos a través de la

técnica de primero en entrar – primero en salir (FIFO).

• Empalmes, para la comunicación entre procesos que están en máquinas

diferentes conectadas a la red.

• Memoria Compartida, para asignar espacio en memoria que se pueda

aceptar en cualquier proceso, usualmente la memoria compartida contiene la

base de datos para que todo el sistema tenga acceso.

• Semáforos, que establece y sincroniza el acceso de procesos en un recurso

común.

Las funciones principales de este software para el sistema SCADA son:

• Adquisición de datos desde la RTU y subsistemas inteligente locales.

• Procesamiento de datos.

• Despliegue de datos procesados.

• Alarmas

• Manejo de base de datos

• Acciones de autodiagnóstico y autorecuperación

• Controles

• Obtención de datos históricos

• Interfaz hombre-máquina (HMI)

• Configuración del sistema

• Manejo de seguridad de accesos

• Manejo de proyecciones

• Manejo de sincronización en el tiempo del SCADA

• Manejo de seguridades

• Interfaz estandarizada de acceso a base de datos

El área funcional de cada subsistema ha sido identificada como un juego de

tareas homogéneas dependiendo del usuario. Usualmente uno o un mayor

número de módulos componen estas áreas para que el sistema tenga una

funcionalidad separada y modular. Los módulos funcionales están

compuestos por una serie de módulos elementales que no se pueden

subdividir, siendo de uso general y sirven como biblioteca para distintos

servicios. Cada módulo elemental tiene un significado funcional propio y se

compone al menos de una entrada y una salida.

ADQUISICIÓN DE DATOS

El sistema de adquisición permite el manejo de:

• Los RTU’s de la familia IA Series RTU 20 fabricados por “Foxboro SCADA”,

que se pueden conectar sea en una línea serial o en red con la posibilidad de

respaldo de los canales de comunicación y CPU’s periféricos.

• PLC’s o RTU’s dialogan en protocolo DPN3 o MODBUS. La arquitectura del

sistema tiene la capacidad de protocolos de comunicación que se enlacen a

equipos no estándar.

• Protocolos de adquisición desde procesador front-end.

DNP3.0

DNP3 encapsulado en protocolo TCP/IP

MODBUS RTU

Otros protocolos

FUNCIONES DE ADQUISICIÓN DE DATOS

Esta función une a todos los periféricos que están presentes en el sistema

SCADA para adquisición de datos, para la validación de parámetros de

proceso y para acciones futuras propias de la estrategia de control

implementada.

Los elementos que determinan la arquitectura del hardware son:

• FEP: número de puertos seriales maestro

• RTU: número de puertos seriales

• Equipo RTU: En el caso de la IA Series RTU & S20 de un CPU.

La arquitectura de hardware se distribuye 3 niveles: el CCM se une por

medio de un concentrador (MTU), a los RTU’s.

El subsistema de adquisición intercambia datos con el IA Series RTU

utilizando principalmente el protocolo MODBUS y DPN3.0 en conexión

dedicada con una línea serial.

El subsistema de adquisición ejecutará las funciones siguientes:

1. Adquisición de los datos de plantas siguientes:

• Alarmas de proceso desde señales digitales

• Estado de equipos de la planta de señales digitales

• Medida de señales análogas

Estos datos (parte dinámica del banco de datos), se le enviará al subsistema

de elaboración de proceso.

2. Control del mal funcionamiento eventual en los equipos de hardware para

adquisición de datos, en problemas de comunicación y mensajes de

autodiagnóstico de los equipos.

En caso de malfuncionamiento de un equipo, el subsistema maneja y

controla el retorno a condición normal del aparato.

Mensajes de diagnóstico son enviados al subsistema de elaboración.

3. Manejo de estado de canales y nodos (RTU), en particular de los

siguientes aspectos:

• Canal

No inicializado

Mal funcionamiento

• Nodo

No inicializado

Inicialización del funcionamiento

Mal funcionamiento

En el estado de no adquisición causa un estado de inconfiabilidad a todas las

variables relevantes del instrumento.

4. Activación del subsistema debido a un estado “en control” del nodo de red

(netnode), donde el software está trabajando. Y predisposición de

exclusión/reinserción desde el ciclo normal de adquisición sea de solamente

un RTU o de un canal entero.

5. Manejo de base de datos desde el RTU propiamente dichos. Los datos

deben ser adquiridos y enviados correctamente a un subsistema de

elaboración.

El subsistema es activo en máquinas con funcionalidad Front-end y en

aquellos que tienen líneas de comunicación propietarias hacia aparatos

periféricos.

El proceso tomará datos de todos los RTU’s conectados a su línea de

adquisición propia según lo configurado en la base del SINAUT Spectrum. En

el caso de un RTU con accesos dobles (principal y backup), el proceso

comunica con el acceso declarado activo.

UNIDAD TERMINAL REMOTA (RTU)

Es una unidad a prueba de intemperie, localizada fuera del área clasificada

de las plataformas de distribución de gas, macollas y estaciones de flujo,

están equipadas principalmente con tarjetas electrónicas basadas en micro-

procesadores, las cuales pueden realizar tareas de control y adquisición de

datos en forma autónoma. Los datos procesados, pueden enviarse a través

de sistemas de comunicación hacia el centro de control ubicado en tierra.

Función: La R.T.U. recibe y controla vía radio las señales de los diferentes

equipos electrónicos para enviarlas a la unidad terminal remota ubicada en el

centro de control central o en la sala de servidores (computadoras

principales) de los SCADA. También almacena información en aquellos

casos en que se pierda la comunicación con tierra.

Para desempeñar sus funciones, la Unidad Terminal Remota (I.U.P/Bristol),

posee los siguientes componentes:

- Banco de baterías.

- Cargador de baterías.

- Radio (U.H.F.).

- Fuente de poder.

- Tarjetas electrónicas (Módulos de la R.T.U.)

- Accesorios de protección de alimentación.

- Antena bajante.

- Celdas solares (caso Múltiples Automatizados).

Banco de batería: se utilizan como fuente alterna de corriente, para el caso

de que se presenten fallas de alimentación VAC.

Tienen la capacidad suficiente como mantener las operaciones de la R.T.U.

por un periodo aproximado de 8 horas. En los múltiples L.A.G.

automatizados, la operación con baterías se limita a la supervisión de los

flujos y presiones pero no al control, ya que los actuadores “merla” trabajan

en 120 VAC (I.U.P.). En el caso de la Bristol si hay control del nivel de los

actuadores Merla, ya que éstas trabajan 24 VAC.

En caso de los múltiples de altas presiones, esta operación incluye el control

de la válvula P.C.U., ya que todos los dispositivos electrónicos trabajan con

los 24 VAC suministrados por las baterías.

Cargador de Batería: Convierten la alimentación de 120 VAC en voltaje AC,

para cargar las baterías y para alimentar un 24 U.D.C. las tarjetas de la

R.T.U. e instrumentos de campo.

Radio: La R.T.U. posee un radio que convierte las frecuencias de audio

U.H.F. y viceversa, de esta forma permite la comunicación con el “radio

base” correspondiente a su canal ubicado en la caseta de

telecomunicaciones de la Sajarita, de donde los datos son enviados a la

unidad maestra.

Fuente Poder: Es el dispositivo que se encarga de convertir el nivel D.C.

proveniente del sistema de alimentación cargador-baterías, a los niveles D.C.

requeridos por los módulos de la R.T.U. para su funcionamiento.

Tarjetas: Son dispositivos electrónicos que utilizan la R.T.U. con funciones

específicas. Las tarjetas electrónicas utilizadas en la R.T.U. son de diferentes

tipos:

- Entrada/salida

- Control de proceso

- Procesadora

- Comunicación serial

- Moduladora.

- Demoduladora

- Especializada.

Accesorios de Protección de Alimentación: Son dispositivos encargados

de desactivar completamente la R.T.U., cuando producto de una falla de A.C.

prolongada el nivel D.C. de las baterías alcanza el valor mínimo requerido

para el funcionamiento de la R.T.U.

Antena Bajante: Es el dispositivo encargado de enviar datos provenientes

de la RTU hacia los radios base y de recibir la información proveniente de la

U.T.M. y pasarla al radio R.T.U. se conecta al radio de la R.T.U a través de

un cable, llamado bajante coaxial.

Tipos:

La I.U.P. (4085) y

La Bristol.

Si la medición se realiza en:

- Múltiples viejos, tienen el medidor después de la válvula reguladora, la cual

tiene la ventaja de proveer un chequeo de la presión anular en el pozo. Pero

cuando existe una caída de presión grande a través de la válvula reguladora

( 300 LPC), los líquidos presentes en el gas se congelan en el medidor.

- Múltiples nuevos, el medidor se instala antes de la válvula reguladora, y la

pluma estática mide la presión del múltiple. Si se forman hidratos se derriten

y se evaporizan en la línea al pozo.

TRANSDUCTOR

Un transductor es un dispositivo capaz de transformar o convertir un

determinado tipo de energía de entrada, en otra de diferente a la salida. El

nombre del transductor ya nos indica cual es la transformación que realiza

(p.e. electromecánica, transforma una señal eléctrica en mecánica o

viceversa), aunque no necesariamente la dirección de la misma. Es un

dispositivo usado principalmente en la industria, en la medicina, en la

agricultura, en robótica, en aeronáutica, etc. para obtener la información de

entornos físicos y químicos y conseguir (a partir de esta información) señales

o impulsos eléctricos o viceversa. Los transductores siempre consumen algo

de energía por lo que la señal medida resulta debilitada.

TIPOS DE TRANSDUCTORES

MECANICOS

Un transductor mecánico consta de un convertidor dotado de una

pluralidad de elementos flexibles alargados (1) unidos entre si por sus

extremos opuestos y separados a intervalos alrededor del eje longitudinal del

transductor. Los extremos opuestos (2,2) del convertidor se acercan y se

alejan entre si a lo largo del eje, estando dicho desplazamiento acompañado

por un arqueamiento o enderezamiento de los elementos alargados (1). Así,

la fuerza axial aplicada al convertidor se convertirá en una fuerza radial

ejercida por los elementos alargados (1), o una fuerza radial aplicada a los

elementos alargados (1) se convertirá en una fuerza axial.

ELECTRICOS

Los transductores eléctricos de temperatura utilizan diversos fenómenos que

son influidos por la temperatura y entre los cuales figuran:

Variación de resistencia en un conductor (sondas de resistencia).

Variación de resistencia de un semiconductor (termistores).

f.e.m. creada en la unión de dos metales distintos (termopares).

Intensidad de la radiación total emitida por el cuerpo (pirómetros de

radiación).

Otros fenómenos utilizados en laboratorio (velocidad del sonido en un

gas, frecuencia de resonancia de un cristal, etc.).

Los metales puros tienen un coeficiente de resistencia de temperatura

positivo bastante constante. El coeficiente de resistencia de temperatura,

generalmente llamado coeficiente de temperatura es la razón de cambio de

resistencia al cambio de temperatura. Un coeficiente positivo significa que la

resistencia aumenta a medida que aumenta la temperatura. Si el coeficiente

es constante, significa que el factor de proporcionalidad entre la resistencia y

la temperatura es constante y que la resistencia y la temperatura se

graficarán en una línea recta.

ELECTRONICO

Los transductores electrónicos de equilibrio de fuerzas se caracterizan por

tener un movimiento muy pequeño de la barra de equilibrio, poseen

realimentación, una elasticidad muy buena y un nivel alto en la señal de

salida. Por su constitución mecánica presentan un ajuste del cero y del

alcance (span) complicado y un alta sensibilidad a vibraciones y su

estabilidad en el tiempo es de media a pobre.

OTROS

Transductor electroacústico.

Transductor electromagnético.

Transductor electromecánico.

Transductor electroquímico.

Transductor electrostático.

Transductor fotoeléctrico.

Transductor magnetoestrictivo.

Transductor piezoeléctrico.

Transductor radioacústico.

ESTACIÓN MAESTRA

Unidad Terminal Maestra (MTU)

El elemento central de control de un sistema de adquisición de datos y

control supervisorio es denominado Unidad Terminal Maestra (MTU) o

Estación Maestra. Este término ha sido comúnmente utilizado para designar

al sistema electrónico de computación que adquiere toda la data procedente

de las unidades terminales remotas y que la presenta de una forma a una

RTU para ejecutar una acción de control remoto. La capacidad funcional de

una estación maestra incluye todas las tareas de recolección de datos y

envío de comandos remotos. Adicionalmente las funciones de la MTU

incluyen el almacenamiento de data histórica, programación, despacho y

ejecución de tareas específicas tales como reportes y contabilidad de

producción.

 La transmisión de datos entre la estación maestra y las remotas

generalmente se inicia por la primera, ya que el modo general de operación

es la continua información almacenadas en la RTU. Esto significa que los

mensajes de interrogación se transmiten a cada RTU de forma secuencial y

luego que todas son interrogadas, el proceso vuelve a comenzar.

 La estación maestra es generalmente un minicomputador o un

microcomputador de altas prestaciones que contiene módulos de “software”,

los cuales consisten en programas de aplicación específicos para llevar a

cabo cada una de las tareas de la unidad. Cada módulo de ¨ software ¨ está

interrelacionado con el resto para realizar la adquisición, el procesamiento y

el almacenamiento de datos, la presentación de despliegues alarmas,

generación de reportes, envíos de comandos, etc.

 

Las funciones de un sistema computacional maestro son gobernadas por el

sistema operativo. El almacenamiento y adquisición de datos, la interfaz

humano – máquina y demás programas de aplicación 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

operación, la cual cuenta con una unidad de despliegues visuales y un

teclado, y un sistema independiente conectado a él, 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 ejecución de un programa mediante la generación de

interrupciones las cuales tienen asignadas niveles de prioridad. Los sistemas

computacionales en tiempo real tienen múltiples niveles de interrupción, con

el más alto nivel signado a las tareas más importantes o críticas.

 

Sistema de Alarmas

El sistema de alarmas es responsable del monitoreo y reporte de las mismas.

Una señal de alarma es sencillamente una señal (analógica o digital) que

tiene información asociada a ella y que es utilizada para determinar

condiciones anormales de funcionamiento. Cuando el valor o estado de una

señal está fuera de operación normal, se dice que la señal está en alarma.

 

Tan pronto una alarma es detectada, el sistema de alarmas informa de la

condición de la misma a través de las estaciones de trabajo, las impresoras y

dispositivos audibles. El sistema permite observar el listado de alarmas a

través de una opción denominada “ALARM SUMMARY” (Resumen de

Alarmas).

 

Un mensaje de alarma contiene información referente al lugar de

procedencia y al grado de importancia que posee dentro del proceso. Esto

constituye las características de la alarma, a saber:

 

Tipo de Alarma

El tipo de alarma describe cual fue la condición que generó la alarma. Las

condiciones que causan una alarma dependen si la señal es analógica o

discreta, y el grado de prioridad que posea.

 

Alarmas de Señales Analógicas:

Una de las funciones de las RTUs es la detección de alarmas la cual es

generada cuando el valor de la señal excede su rango normal de operación

sobrepasando sus límites. Dichos límites son constituidos por valores que

pueden ser constantes o variables, información la cual se encuentra

almacenada en la RTU.

 Una señal analógica puede tener cuatro límites posibles:

·        Muy alto (High- High)

·        Alto (High)

·        Bajo (Low)

·        Muy Bajo (Low- Low)

 

El rango normal de operación está entre el límite alto y bajo. Los límites muy

alto y muy bajo son utilizados para indicar una señal que ha excedido los

niveles máximos permitidos.

 

Además de que es importante conocer cuando una señal entra en alarma, es

también importante saber cuándo la señal deja la condición de alarma,

reportando al momento de su ocurrencia en campo el retorno a su condición

normal.

 

Hay casos en que el valor de una señal oscila cerca de un límite 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 ésta según la

condición del instrumento.

 

Alarmas de Señales Discretas:

Una señal discreta es una señal 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

aparecerá en pantalla con colores diferentes. En el sistema existen cuatro

niveles de prioridad de alarma: crítica, no crítica, guía del operador, y

señalización del evento.

 

Niveles de prioridad de alarmas

PRIORIDAD DESCRIPCIÓN

Crítica Indica peligro a equipo y/o personal. Se produce

acompañada de la alarma audible de la estación de

trabajo (Prioridad alta).

No crítica Requiere que el operador tome la acción, pero no tiene

que ser inmediata. (Prioridad media).

Guía del

Operador

Suministra información al operador. (Prioridad Baja).

Evento Suministra información sobre eventos de baja prioridad.

(Sin prioridad).

 

Cuando una señal se encuentra en estado de alarma su presentación en la

pantalla depende de su tipo y prioridad. Cualquier alarma estará inicialmente

intermitente para indicar que no ha sido reconocida por el operador. Cuando

ésta es reconocida, inmediatamente se detiene la intermitencia y

permanecen en rojo. El color informa sobre la prioridad y tipo de alarma. Los

colores usados comúnmente son el rojo, amarillo, gris y azul.

 

Sistema de Tendencias

Una tendencia es la representación gráfica del comportamiento de una

variable analógica en un período determinado de tiempo.

 

El sistema de tendencias está conformado por un conjunto de programas que

permiten preservar la variable como un gráfico multicolor configurable de

forma interactiva en la pantalla. Permite además, configurar un gráfico de

tendencia en función de un punto de selección.

 

La data que conforma una tendencia puede ser representada de dos

maneras diferentes: la primera, consiste en un gráfico donde se presenta el

valor de una variable (eje vertical) en el tiempo (eje horizontal); y la segunda

consiste en un gráfico del comportamiento de una variable con respecto a la

otra.

 

Un gráfico 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 tendrán la misma base de tiempo.

También existe la opción de representar las variables de cada una en una

selección o ventanas independientes del despliegue.

 

En el caso de las tendencias históricas se presenta la información que ha

sido almacenada en la base de datos histórica. Por tanto, requiere que el

punto seleccionado esté definido en la misma aplicando las restricciones

definidas para los datos históricos 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 está diseñado con recursos redundantes, duplicando el

procesamiento de los datos y sus periféricos más críticos. La MTU consta de

dos computadores dispuestos en una configuración maestra redundante, en

las cuales se ejecuta el software del servidor bajo un sistema operativo en

tiempo real, multiusuario, multitarea y con interfaz gráfica de ventanas (p.e.

Open VMS) y donde se va almacenando la información de campo en una

base de datos de tiempo real. Ésta data puede ser almacenada a su vez en

bases de datos históricas y de tendencias, en las cuales además pueden

definirse cálculos sobre señales de las bases de datos real e histórica. Los

datos en tiempo real, históricos y toda la información necesaria es enviada a

las estaciones de operación a través de una red local o a través de módem.

 

Cada uno de los computadores que constituyen el conjunto MTU, es capaz

de operar independientemente y están configurados en “Host-Stand by”, de

tal manera que una unidad e considera la principal o en línea mientras la otra

se considera de respaldo. La maestra de respaldo se mantiene energizada y

debe contar con la información 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 configuración permite

maximizar la disponibilidad y confiabilidad del sistema.

  

La estación de trabajo es el principal recurso a través del cual el operador es

notificado de los cambios en las condiciones del proceso. Consiste

básicamente de un computador personal, un monitor a color, un teclado y un

ratón (mouse). La información se despliega en la pantalla de la estación de

trabajo a través del software Windows que es ejecutado bajo el soporte del

sistema operativo OS/2. Este software presenta al operador la información en

diversas formas, tal como despliegues de gráficos, 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 así como también un reporte general del sistema.

INTERFAZ

La interfaz de E/S es requerida cuando los dispositivos son ejecutados por el

procesador. La interfaz debe ser necesariamente lógica para interpretar la

dirección de los dispositivos generados por el procesador. El Handshaking

deberá ser implementado por la interfaz usando los comandos adecuados

(BUSY, READY, WAIT…), y el procesador puede comunicarse con el

dispositivo de E/S a través de la interfaz. Si se intercambian diferentes

formatos de datos, la interfaz debe ser capaz de convertir datos en serie a

paralelo y viceversa. Los dispositivos de E/S se comunican por

interrupciones con el procesador, si una interrupción es recibida, el

procesador la atenderá con la rutina de interrupción correspondiente a dicha

interrupción.

Un ordenador que usa E/S mapeados en memoria por lectura y escritura

accede al hardware a través de la posición de memoria específica, usando el

mismo lenguaje ensamblador que el procesador usa para el acceso a

memoria.

Implementación de interfaces a alto nivel

Los sistemas operativos y lenguajes de programación de alto nivel facilitan el

uso separado de más conceptos y primitivas abstractas de E/S. Por Ejemplo:

la mayoría de sistemas operativos proporcionan aplicaciones con el concepto

de fichero. Los lenguajes de programación C y C++, y los sistemas

operativos de la familia unix, tradicionalmente abstraen ficheros y dispositivos

como streams, los cuales pueden ser leídos o escritos, o ambas cosas. La

librería estándar de C proporciona funciones para la manipulación de

streams para E/S.

INTERFAZ HOMBRE MÁQUINA

La sigla HMI es la abreviación en ingles de Interfaz Hombre Maquina. Los

sistemas HMI podemos pensarlos como una “ventana” de un proceso. Esta

ventana puede estar en dispositivos especiales como paneles de operador o

en una computadora. Los sistemas HMI en computadoras se los conoce

también como software HMI (en adelante HMI) o de monitoreo y control de

supervisión. Las señales del procesos son conducidas al HMI por medio de

dispositivos como tarjetas de entrada/salida en la computadora, PLC’s

(Controladores lógicos programables), RTU (Unidades remotas de I/O ) o

DRIVE’s (Variadores de velocidad de motores). Todos estos dispositivos

deben tener una comunicación que entienda el HMI.

Tipos de HMI

Desarrollos a medida. Se desarrollan en un entorno de programación gráfica

como VC++, Visual Basic, Delphi, etc.

Paquetes enlatados HMI. Son paquetes de software que contemplan la

mayoría de las funciones estándares de los sistemas SCADA. Ejemplos son

FIX, WinCC, Wonderware, etc.

Funciones de un Software HMI

• Monitoreo. Es la habilidad de obtener y mostrar datos de la planta en

tiempo real.

Estos datos se pueden mostrar como numeros, texto o graficos que permitan

una lectura más facil de interpretar.

• Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de

ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la

computadora.

• Alarmas. Es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del

proceso y reportarlo estos eventos. Las alarmas son reportadas basadas en

límites de control preestablecidos.

• Control. Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores del

proceso y asi mantener estos valores dentro de ciertos límites. Control va as

haya del control de supervisión removiendo la necesidad de la interacción

humana. Sin embargo la aplicación de esta función desde un software

corriendo en una PC puede quedar limitada por la confiabilidad que quiera

obtenerse del sistema.

• Históricos. Es la capacidad de muestra y almacenar en archivos, datos del

proceso a una determinada frecuencia. Este almacenamiento de datos es

una poderosa herramienta para la optimización y corrección de procesos.

Tareas de un Software de Supervisión y Control

• Permitir una comunicación con dispositivos de campo.

• Actualizar una base de datos “dinámica” con las variables del proceso.

• Visualizar las variables mediante pantallas con objetos animados (mímicos).

• Permitir que el operador pueda enviar señales al proceso, mediante

botones, controles ON/OFF , ajustes continuos con el mouse o teclado.

• Supervisar niveles de alarma y alertar/actuar en caso de que las variables

excedan los límites normales.

• Almacenar los valores de la variables para análisis estadístico y/o control.

• Controlar en forma limitada ciertas variables de proceso.

Tipos de Software de Supervisión y Control para PC

• Lenguajes de programación visual como Visual C++ o Visual Basic. Se

utilizan para desarrollar software HMI a medida del usuario. Una vez

generado el software el usuario no tiene posibilidad de re-programarlo.

• Paquetes de desarrollo que están orientados a tareas HMI. Pueden ser

utilizados para desarrollar un HMI a medida del usuario y/o para ejecutar un

HMI desarrollado para el usuario. El usuario podrá re-programarlo si tiene la

llave (software) como para hacerlo. Ejemplos son FIX Dynamics,

Wonderware, PCIM, Factory Link, WinCC

Como facilitan las tareas de diseño los paquetes orientados HMI/SCADA

• Incorporan protocolos para comunicarse con los dispositivos de campo más

conocidos. Drivers, OPC

• Tienen herramientas para crear bases de datos dinámicas

• Permiten crear y animar pantallas en forma sencilla,

• Incluyen gran cantidad de librería de objetos para representar dispositivos

de uso en la industria como: motores, tanques, indicadores, interruptores,

etc.

Los software HMI están compuestos por un conjunto de programas y

archivos. Hay programas para diseño y configuración del sistema y otros que

son el motor mismo del sistema. Se muestra cómo funcionan algunos de los

programas y archivos más importantes. Los rectángulos de la figura

representan programas y las elipses representan archivos. Los programas

que están con recuadro simple representan programas de diseño o

configuración del sistema; los que tienen doble recuadro representan

programas que son el motor del HMI.

Con los programas de diseño, como el “editor de pantallas” se crea moldes

de pantallas para visualización de datos del proceso. Estos moldes son

guardados en archivos “Archivo de pantalla” y almacenan la forma como

serán visualizados los datos en las pantallas.

Interfaz Hombre: Es un programa que se encarga de refrescar las variables

de la base de datos en la pantalla, y actualizarla, si corresponde, por

entradas del teclado o el mouse. Este programa realiza la interfaz entre la

base de datos y el hombre. El diseño de esta interfaz está establecido en el

archivo molde “Archivo de pantalla” que debe estar previamente creado.

Base de datos: Es un lugar de la memoria de la computadora donde se

almacenan los datos requeridos del proceso. Estos datos varian en el tiempo

según cambien los datos del procesos, por esta razon se denomina “base de

datos dinámica”. La base de datos está formada por bloques que pueden

estar interconectados. La creación de la base de datos, sus bloques y la

relación entre ellos se realiza a través de “editor de base de datos”.

Driver: La conexión entre los bloques de la base de datos y la señales de los

procesos se realiza por medio de drivers. Estos drivers manejan los

protocolos de comunicación entre el HMI y los distintos dispositivos de

campo. Los drivers son entonces la interfaz hacia la máquina.

Bloques (tags): Como ya mencionamos, la base de datos está compuesta

por bloques. Para agregar o modificar las características de cada bloque se

utiliza el editor de la base de datos.

Los bloques pueden recibir información de los drivers u otros bloques y

enviar información hacia los drivers u otros bloques.

Las funciones principales de los bloques son:

• Recibir datos de otros bloques o al driver.

• Enviar datos a otros bloques o al driver.

• Establecer enlaces (links) a la pantalla (visualización, teclado o mouse)

• Realizar cálculos de acuerdo a instrucciones del bloque.

• Comparar los valores con umbrales de alarmas

• Escalar los datos del driver a unidades de ingeniería.

Los bloques pueden estructurarse en cadenas para procesar una señal

CONCLUSIONES

Una Protección Preventiva consiste en la utilización de dispositivos

que son capaces de dar señales de alarma antes de que suceda una falla; es

decir, no esperan que ésta se produzca sino que actúan con cierta

anticipación a la falla. Modernamente, con la técnica digital, se utiliza equipos

con capacidad de efectuar un monitoreo de los parámetros de las máquinas

con la finalidad de dar las alarmas correspondientes; y más aún, de efectuar

una supervisión de los parámetros, evaluando su variación (derivada con

respecto del tiempo) y el cambio de su variación (segunda derivada con

respecto del tiempo). Estos dispositivos suelen aplicarse en forma individual

o como parte de un Sistema de Control (SCADA) de las instalaciones.

BIBLIOGRAFIA

ING. GERARDO ALBERTO LEAL. SISTEMAS DE SUPERVISIÓN, CONTROL Y

PROCESAMIENTO DE DATOS. UNIVERSIDAD ALONSO DE OJEDA FACULTAD DE

INGENIERIA ESCUELA DE COMPUTACION, (2011)