Modulo de Electronica Industrial Avanzada

7/31/2019 Modulo de Electronica Industrial Avanzada

1/195

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERAPrograma de Ingeniera y Tecnologa en Electrnica.ELECTRONICA INDUSTRIAL AVANZADA

1

ELECTRONICA INDUSTRIAL AVANZADA

MDULO

JEISON MARIN ALFONSO

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA Y TECNOLOGA EN ELECTRONICABOGOTA

2008


2/195


2

AutorJeison Marn AlfonsoIngeniero Electrnico. Magister en Ingeniera.Programa de Ingeniera y Tecnologa en Electrnica. UNAD

COMIT DIRECTIVO

Jaime Alberto Leal AfanadorRector

Roberto Salazar Ramos

Vicerrector de Medios y Mediaciones Pedaggicas.

Gloria Herrera SanchezVicerrectora Acadmica y de Investigaciones

Claudia Patricia ToroVicerrectora de Desarrollo Regional y Proyeccin comunitaria

Maribel Crdoba GuerreroSecretaria General

Edgar Guillermo RodriguezDirector de Planeacin

Gustavo Velasquez QuintanaDecano Escuela de Ciencias Bsicas, Tecnologa e Ingeniera.

Pedro Torres SilvaCoordinador Nacional de Formacin en Ingeniera Electrnica

CURSO ELECTRONICA INDUSTRIAL AVANZADAGUA DIDACTICA

Primera Edicin

@CopyRigthUniversidad Abierta y a Distancia

ISBN

2008Centro Nacional de Medios para el aprendizaje


3/195


3

CONTENIDO

INTRODUCCION ................................................................................. 9UNIDAD 1: SISTEMAS DE SUPERVISION, CONTROL Y

ADQUISICION DE DATOS SCADA. ................................................. 101. GENERALIDADES ..................................................................................... 10

1.1 ANTECEDENTES ................................................................................. 101.2 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS SCADA. ..................................... 151.3 DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA ......................... 17

1.3.1 Objetivos de un sistema SCADA .................................................... 171.3.2 Ventajas de un Sistema SCADA..................................................... 18

1.3.3 Prestaciones de un Sistema SCADA .............................................. 201.3.4 Resumen de Caractersticas de un sistema SCADA ...................... 212. ARQUITECTURA SCADA .......................................................................... 23

2.1 DESCRIPCION GENERAL ................................................................... 232.2 HARDWARE DE UN SISTEMA SCADA ............................................... 25

2.2.1 Interfase Hombre Mquina (HMI, MMI) .......................................... 272.2.2 Unidad Central (MTU, Master Terminal Unit).................................. 272.2.3 Unidad Remota (RTU, Remote Terminal Unit) ............................... 282.2.4 Sistema de comunicaciones. .......................................................... 31

2.3 SOFTWARE DE UN SISTEMA SCADA ................................................ 362.3.1 Comunicacin entre aplicaciones ................................................... 38

2.3.2 Almacenamiento de Datos .............................................................. 403. MODULOS EN UN SISTEMA SCADA ........................................................ 433.1 Mdulo de Configuracin ...................................................................... 433.2 Mdulo de Interfase Grfica .................................................................. 443.3 Mdulo de Tendencias .......................................................................... 463.4 Mdulo de Alarmas y Eventos ............................................................... 483.5 Mdulo de Registro y Archivado ........................................................... 493.6 Mdulo de Generacin De Informes ...................................................... 503.7 Mdulo de Control De Procesos ........................................................... 513.8 Mdulo de Comunicaciones .................................................................. 53

4. EJEMPLO DE APLICACIN CON SCADA ................................................ 55

BILIOGRAFIA ................................................................................... 59

UNIDAD 2: ESTANDARES SCADA ................................................. 601. ESTANDARES DE INTERCONECTIVIDAD EN SOFTWARE YHARDWARE ...................................................................................................... 60

1.1 Active X ................................................................................................. 611.1.1 Inicios: Estndar DDE. .................................................................... 611.1.2 Evolucin: Estndar OLE y OCX .................................................... 641.1.3 Active X .......................................................................................... 64


4/195


4

1.2 Interfaz OPC server ............................................................................... 661.2.1 Estructuras Cliente-Servidor ........................................................... 671.2.2 Tecnologa y Especificaciones........................................................ 69

1.3 Visual Basic para Aplicaciones.............................................................. 721.4 Conectividad Remota WebServer. ........................................................ 72

2. ESTANDARES DE SEGURIDAD ............................................................... 742.1 Necesidades de seguridad en sistemas SCADA .................................. 74

2.1.1 Necesidades de Seguridad en Unidades Maestras (MTUs) .......... 762.1.2 Necesidades de seguridad en Estaciones Remotas (RTUs). ........ 782.1.3 Necesidades de seguridad en las comunicaciones. ....................... 79

2.2 Polticas de seguridad en sistemas SCADA. ......................................... 802.2.1 Proceso metodolgico. ................................................................... 82

2.2.2 Tcnicas de prevencin. ................................................................. 832.2.3 Estrategias de defensa. .................................................................. 862.2.4 Recomendaciones bsicas ............................................................. 89

3. ESTNDARES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES EN SISTEMASSCADA ............................................................................................................... 92

3.1 Fundamentos de comunicaciones aplicados a sistemas SCADA. ........ 923.1.1 Generalidades en comunicaciones SCADA. .................................. 933.1.2 Transmisin de seales. ................................................................. 993.1.3 Fundamentos de redes. ................................................................ 1143.1.4 Estndar ISA/SP50 y Protocolo CIP. ............................................ 122

3.2 Redes industriales de control. ............................................................. 127

3.2.1 Pirmide de la automatizacin. ..................................................... 1273.2.2 Redes de Datos Vs Redes de Control. ......................................... 1303.2.3 Redes MAP y TOP ....................................................................... 132

3.3 Buses de campo.................................................................................. 1353.3.1 Bus de campo AS-i. ...................................................................... 1383.3.2 Bus de campo CAN ...................................................................... 1393.3.3 El bus Interbus. ............................................................................. 1413.3.4 Profibus. ....................................................................................... 1433.3.5 Otros buses de campo .................................................................. 148

BILIOGRAFIA ................................................................................. 151

UNIDAD 3: SISTEMAS DE CONTROL ESPECIFICOS. ................. 1531. ESTANDARES EN SISTEMAS DE VISUALIZACIN .............................. 154

1.1 Riesgos y trastornos asociados al entorno de trabajo. ........................ 1541.1.1 Factores de riesgo. ....................................................................... 1561.1.2 Trastornos asociados al puesto .................................................... 1591.1.3 Reglamentacin en Colombia. ...................................................... 1631.1.4 Reglamentacin Internacional ...................................................... 170

2. REALIZACION DE PROYECTOS SCADA ............................................... 1792.1 Criterios de Seleccin y Diseo .......................................................... 179


5/195


5

2.1.1 Disponibilidad ............................................................................... 1792.1.2 Robustez ...................................................................................... 1812.1.3 Seguridad. .................................................................................... 1812.1.4 Prestaciones. ................................................................................ 1822.1.5 Mantenibilidad............................................................................... 1832.1.6 Escalabilidad................................................................................. 183

2.2 Software Comercial Para Sistemas SCADA ....................................... 1862.3 Fases en el Gerenciamiento de Proyectos SCADA. ........................... 190

2.3.1 Fase1: Identificacin de la Necesidad .......................................... 1902.3.2 Fase 2: Lanzamiento .................................................................... 1912.3.3 Fase 3: Definicin. ........................................................................ 1922.3.4 Fase 4: Diseo. ............................................................................. 193

2.3.5 Fase 5: Adquisicin. ..................................................................... 1932.3.6 Fase 6: Liquidacin del proyecto. ................................................. 194

BILIOGRAFIA ................................................................................. 195


6/195


6

LISTA DE GRFICOS

Grfico No 1. Evolucin Tecnolgica que precede un sistema SCADA. ............... 11Grfico No 2. Ejemplo de un sistema SCADA. ...................................................... 16Grfico No 3. Ejemplo de control de nivel hecho con WinCC (siemens). .............. 16Grfico No 4. Monitoreo de una linea de extrusionado. ......................................... 20Grfico No 5. Resumen Caractersticas SCADA. .................................................. 22Grfico No 6. Estructura bsica de un sistema de supervisin y mando. .............. 24Grfico No 7. Idea bsica de un sistema SCADA. ................................................. 24Grfico No 8 (1). Arquitectura bsica de hardware SCADA (1). ............................ 26Grfico No 8 (2). Arquitectura bsica de hardware SCADA (2). ............................ 26

Grfico No 9. Arquitectura bsica de una RTU ...................................................... 30Grfico No 10. Topologas bsicas ........................................................................ 32Grfico No 11. Seguridad en redes SCADA .......................................................... 33Grfico No 12. Situacin de cortafuegos en capas OSI......................................... 36Grfico No 13. Concepto de driver. ....................................................................... 37Grfico No 14. Ejemplo de configuracin de usuarios con WinCC (Siemens) ....... 44Grfico No 15. Ejemplo de interfase grfica para el panel de un horno................. 45Grfico No 16. Ejemplo de librera de la herramienta Reichard Software. ............. 45Grfico No 17. Grfica de tendencia histrica. ...................................................... 46Grfico No 18. Exportacin de datos de una grfica realizada con InTouch ......... 47Grfico No 19. Ejemplo de pantalla de alarmas con la herramienta In Touch. ...... 48Grfico No 20. Ejemplo de ventana de configuracin del archivo de alarmas del

Scada InTouch ............................................................................... 50Grfico No 21. Ejemplo de programacin asociada a un evento, con In Touch. ... 52Grfico No 22. Controladores Especificos. ............................................................ 53Grfico No 23. Controladores Genricos. .............................................................. 54Grfico No 24. Integracin de sistemas de gestin en la explotacin minera de

Olympic Dam .................................................................................. 56Grfico No 25. Arquitectura de comunicaciones en Olympic Dam. ....................... 58Grfico No 26. Ejemplo de acceso DDE a un grupo de PLCs. ............................. 62Grfico No 27. Ejemplo de acceso DDE a una necesidad Software. .................... 63Grfico No 28. Ejemplo de aplicacin SCADA con accesos DDE. ........................ 63Grfico No 29. Estructura bsica de un sistema basado en OPC. ........................ 67Grfico No 30. Estructura bsica de un sistema basado en OPC. ........................ 68Grfico No 31. Estructura cliente servidor de un sistema basado en OPC......... 69Grfico No 32. Estructura cliente servidor OPC, con acceso a redes................. 70Grfico No 33. Ejemplo de conexin remota cliente/servidor ................................ 73Grfico No 34. Integracin estructura coorporativa / sistema SCADA. .................. 74Grfico No 35. Intrusos en unidades remotas RTUs. ........................................... 79Grfico No 36. Polticas de seguridad en sistemas SCADA. ................................. 81Grfico No 37. Proceso Metodolgico de Seguridad SCADA. ............................... 82Grfico No 38. Ejemplo de Firewall. ...................................................................... 86


7/195


7

Grfico No 39. Ejemplo de VPN. ........................................................................... 87Grfico No 40. Ejemplo de IDS. ............................................................................. 89Grfico No 41. Control centralizado. ...................................................................... 93Grfico No 42. Control Distribuido. ........................................................................ 94Grfico No 43. Estructura general de un enlace de comunicaciones. ................... 96Grfico No 44. Estructura general de un enlace de comunicaciones. ................... 98Grfico No 45. Interconexin con RS232. ........................................................... 105Grfico No 46. Representacin de caracteres en el protocolo RS232. ............... 106Grfico No 47. Uso de la UART en conexin asncrona. ..................................... 107Grfico No 48. Uso del conectro DB25 para protocolo RS232. ........................... 108Grfico No 49. Seales balanceadas y no balanceadas. .................................... 110Grfico No 50. Arquitectura de Conexin RS-485. .............................................. 111

Grfico No 51. Conversores entre distintas normas. ........................................... 112Grfico No 52. Bucle de corriente de 4 a 20 mA. ................................................ 114Grfico No 53. Transmisin de datos usando modelo de capas. ........................ 118Grfico No 54. Niveles de Usuario y Supervisin en estandar ISA/SP50 ............ 123Grfico No 55. Niveles de Usuario y Supervisin en estandar ISA/SP50 ............ 126Grfico No 56. Piramide de la automatizacin. .................................................... 128Grfico No 57. Flujo de datos y Velocidad de Reaccin en Piramide CIM. ......... 129Grfico No 58. Comparacin entre redes de datos y redes de control. ............... 131Grfico No 59. Niveles de red en protocolos MAP y TOP. .................................. 134Grfico No 60. Tipos de bus de campo. .............................................................. 136Grfico No 61. Bus CAN ...................................................................................... 140

Grfico No 62. Topologia Interbus ....................................................................... 142Grfico No 63. Perfiels Profibus .......................................................................... 144Grfico No 64. Modelo de capas, Profibus .......................................................... 145Grfico No 65. Topologia Profibus ....................................................................... 146Grfico No 66. Capa de enlace Profibus ............................................................. 146Grfico No 67. Riesgos, normas y transtornos fsicos relacionados con

puestos de trabajo. ....................................................................... 155Grfico No 68. Factores de riesgo en el entorno laboral. .................................... 155Grfico No 69. Matriz de representacin de caracteres para buena legibilidad. .. 174Grfico No 70. Posicin ideal frente al monitor. ................................................... 174Grfico No 71. Ajustes de posicin ideales en las pantallas. ............................... 175

Grfico No 72. Equilibrio en la iluminacin. ......................................................... 176Grfico No 73. Posicin recomendada de puesto de trabajo. .............................. 176Grfico No 74. Niveles de iluminacin ideales. .................................................... 177Grfico No 75. Ejemplo de Redundancia en sistemas SCADA ........................... 180Grfico No 76. Proceso de escalamiento en sistemas SCADA ........................... 185Grfico No 77. Entorno Software SCADA ............................................................ 186


8/195


8

LISTA DE CUADROS

Cuadro 1. Evolucin de la informtica en el siglo XX. (Generaciones de lascomputadoras). ..................................................................................... 11

Cuadro 2. Amenazas de seguridad en un sistema SCADA. .................................. 75Cuadro 3. Comparacin entre sistemas centralizados y distribuidos. ................... 95Cuadro 4. Medios de transmisin. ......................................................................... 99Cuadro 5. Correspondencia de un DB-25 con un conector DB-9. ....................... 108Cuadro 6. Comparacin entre estndares seriales. ............................................ 113Cuadro 7. Resumen de topologias de red en sistemas SCADA. ......................... 115Cuadro 8. Capas implementadas por el modelo de referencia OSI. .................... 119

Cuadro 9. Mtodos de acceso al medio en sistemas SCADA. ............................ 121Cuadro 10. Funciones de las capas de modelo de referencia para bus de campoen Estandar ISA / SP50. .................................................................... 124

Cuadro 11. Factores a tener en cuenta en el diseo de redes de control. .......... 131Cuadro 12. Tipos de buses de campo segn su funcionalidad. .......................... 136Cuadro 13. Buses de campo ms conocidos. .................................................... 149Cuadro 14. Medidas preventivas para los operarios SCADA, de acuerdo al factor

de riesgo. .......................................................................................... 158Cuadro 15. Transtornos visuales comunes en trabajadores SCADA. Causas /

Efectos. ............................................................................................. 159Cuadro 16. Transtornos msculo - esquelticos comunes en trabajadores SCADA.

Causas / Efectos. ............................................................................. 160Cuadro 17. Transtornos mentales comunes en trabajadores SCADA. Causas /

Efectos. ............................................................................................. 162Cuadro 18. Estndares tcnicos de pantallas, de acuerdo a su funcin. ............ 172Cuadro 19. Estndares con respecto a las resoluciones para TRC .................... 173Cuadro 20. Estndares para pneles planos. ...................................................... 173Cuadro 21. Efectos psicolgicos de los colores. ................................................. 177Cuadro 22. Estndares en cuanto a niveles sonoros. ......................................... 178Cuadro 23. Principales Software SCADA en el mercado. ................................... 187Cuadro 24. Comparacin entre los Principales Software SCADA. ...................... 189


9/195


9

INTRODUCCION

Hoy da, debido al auge en la automatizacin de procesos industriales, esindispensable para un Ingeniero Electrnico, conocer los sistemas de supervisin,control y adquisicin de datos SCADA.

Hasta este punto, usted ya debe tener las bases de los sistemas electrnicos y depotencia usados en la industria, y las bases sobre dispositivos programables comomicrocontroladores, PLC`s o DSP, etc. Sin embargo es la implementacin deestos dispositivos en la industria lo que los hace verdaderamente tiles. Estaimplementacin anteriormente era un asunto particular de cada necesidad oempresa, pero debido a que se extendi el control automtico a ms del 80% delcampo industrial en el mundo, dejo de ser una cuestin particular y se convirti enun campo de desarrollo, normalizado por estndares internacionales, y coordinadopor diversas firmas mundiales que se fueron poco a poco constituyendo,encargadas del desarrollo de sistemas de control automtico supervisado.

De esta manera se fueron generando tecnologas enfocadas a sistemas desupervisin y control industrial. Bsicamente se estandarizaron lascomunicaciones industriales con los llamados buses de campo, y los entornos decontrol, la arquitectura de las redes industriales, el software y hardwareinvolucrado, la seguridad de los sistemas, y hasta los mtodos, modelos y criteriosde diseo e implementacin; bsicamente se agruparon bajo normas nacionales einternacionales.

En este curso usted encontrar los fundamentos para el desarrollo de estossistemas de control y supervisin industrial (sistemas SCADA), inicialmenteconociendo su significado, estructura y arquitectura; para luego abordar temassobre seguridad industrial, comunicaciones industriales aplicadas a SCADA,estndares de interconexin de software, y finalmente, algunas herramientas paraemprender proyectos reales en sistemas SCADA.


10/195


10

UNIDAD 1: SISTEMAS DE SUPERVISION, CONTROL YADQUISICION DE DATOS SCADA.

En esta unidad se dan a conocer los conceptos bsicos de los sistemas deSupervisin, Control y Adquisicin de Datos SCADA (Supervisory Control AndData Acquisition); los cuales son usados en procesos de automatizacin industrialpara gestionar y controlar sistemas de manera local o remota.

Este control se hace normalmente por medio de una interfase grfica desde ellugar de operacin del usuario, en la cual se puede acceder y configurar losdispositivos de campo (Autmatas programables, controladores, etc..), los

actuadores y los sistemas controlados; verificar su funcionamiento, activarlos odesactivarlos, monitorear su estado y supervisarlos, entre otras funciones;mediante la transmisin y adquisicin de los datos arrojados o recibidos por cadadispositivo, por medio de tcnicas y protocolos de comunicaciones industriales.

OBJETVO GENERAL

Fundamentar a los estudiantes del programa en describir y caracterizar loscomponentes de hardware y software de un sistema SCADA, y su importancia enla industria moderna, como sistemas capaces de integrar procesos industrialespara optimizar el trabajo y generar resultados ms eficaces.

1. GENERALIDADES

1.1 ANTECEDENTES

La historia de los sistemas SCADA est directamente relacionada con la historiade la informtica y la computacin, la electrnica y las comunicaciones. Podradecirse que un sistema SCADA surge de la aplicacin e integracin de laelectrnica industrial con sistemas de control, comunicaciones industriales einformtica aplicada.

El Grfico No. 1 y el Cuadro 1 muestran de manera general la evolucintecnolgica que precede a un sistema SCADA. Todo parte de la necesidad deautomatizar el clculo matemtico, lo que da origen a la informtica; cuyodesarrollo fue dependiendo de la evolucin de la electrnica, los procesadores ylos ordenadores; los cuales finalmente se adaptan para realizar tareas deadquisicin de datos y control de procesos. Para esta adaptacin tambin fuenecesario; por un lado el desarrollo de paquetes de software aplicado quepermitieran la implementacin de un sistema SCADA, y de otro lado la evolucinde sistemas de visualizacin, sistemas de control a distancia y sistemas detransmisin de datos.


11/195


11

Grfico No 1. Evolucin Tecnolgica que precede un sistema SCADA.

Fuente: El autor. 2008

Cuadro 1. Evolucin de la informtica en el siglo XX. (Generaciones de lascomputadoras).

Generacin 1 (1951 1958).

Ao Suceso1904 Sir Ambrose Fleming construye el primer tubo de vaco o Diodo.1906 Lee De Forest modifica el diodo de vaco de Fleming, introduciendo una rejilla de control

que permita regular el paso de la corriente principal mediante una corriente muy pequeaen la rejilla.

1947 Se termina en Estados Unidos la que se considera la primera computadora digital: ENIAC,

de tipo experimental.1949 Basndose en una serie de mejoras sobre ENIAC, se construye EDVAC, provista de

memoria programable.1954 IBM fabrica sus exitosos modelos de computadoras electrnicas IBM701 e IBM650.1955 Diseo de la primera red informtica SABRE, para comunicar ordenadores comerciales.1957 Creacin de red ARPA, antecesora de INTERNET.1958 Primer lenguaje de alto nivel ALGOL 58.


12/195


12

Generacin 2 (1959 1954).Ao Suceso1947 Creacin del transistor por los fsicos Walter Brattain, William Shockley y John Bardeen,

de los laboratorios Bell.1957 IBM fabrica el primer disco magntico: RAMAC 650.1960 Douglass Engelbart crea el primerratn, un dispositivo capaz de mover un puntero en la

pantalla con capacidades de interfase (arrastrar, seleccionar etc.).1959 DEC (Digital Electric Corporation) crea su primer ordenador, a un costo muy inferior a los

disponibles comercialmente hasta ahora.1964 Se crea en el Dartmouth College el lenguaje de programacin BASIC (Beginner's All-

purpose Symbolic Instruction Code)Generacin 3 (1964 1971).

Ao Suceso1958 Jack Kilby, de Texas Instruments, construy el primer circuito integrado, con nada menosque seis transistores hechos sobre la misma placa. (Actualmente un procesador Pentiumcontiene ms de cinco millones de transistores).

1964 La compaa IBM, produce la serie 360, que sustitua los transistores de la serie 700 porcircuitos integrados. Esta serie de computadoras empleaba agrupaciones de ocho bits,dndose el nombre de Byte a este tipo de organizacin de memoria.

1970 La firma DEC (Digital Equipment Corporation), para diversificar mercado, dirige sus mirasa la fabricacin de equipos ms pequeos, conocidos como minicomputadoras.

Generacin 4 (1971 )Ao Suceso1969 La empresa japonesa BUSICOM, junto con Intel Corporation, comienzan el desarrollo de

un circuito integrado que rena todas las funciones bsicas de proceso para aplicar en

una calculadora de mesa de bajo coste.1969 Se comienza el estudio sobre las memorias magnticas de burbuja.1971 Se pone a la venta el INTEL4004, y aparece en 1972 la CPU INTEL8008.1972 Aparece la CPU 8080, que revolucion el mercado de los microprocesadores al poderse

aplicar en mltiples productos. En este micro corra el sistema operativo CP/M (ControlProgram for Microcomputers), desarrollado por Digital Research.

1972 IBM lanza el disco flexible, o floppy disk.1976 Stephen Wozniak y Steven Jobs inventan la primera microcomputadora de uso general y

fundan Apple Computers en 1977. Tambin, en este ao, la empresa Zilog lanza uno delos mayores competidores del Intel 8080, el Z-80.

1978 Intel lanza el primer microprocesador de 16 BIT: el 8086.1981 IBM sac a la venta el modelo IBM PC (IBM Personal Computer), la computadora ideal

para uso personal.

1984 Aparece la CPU 80286, llamada PC-AT.1988 IBM presenta el ordenador personal IBM PS/2 (con la CPU 80386).1991 Aparece la CPU Intel80486, Motorola saca la CPU 68040 y la alianza de Apple, IBM y

Motorola da origen al PowerPC, basado en tecnologa RISC (Reduced Instruction SetComputer, Computadores con un conjunto reducido de instrucciones).

1993 Intel comercializa el 80586 o Pentium.Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007.Sistemas SCADA, 2 ed. pg 8-12.

Ya con la plataforma informtica disponible, era posible pensar en un sistemaindustrial de control, donde se regularan todas las acciones de los diferentesbloques funcionales de manera centralizada. Para la aparicin de los sistemas


13/195


13

SCADA adems de la informtica, fue necesario el desarrollo de los siguientestpicos tecnolgicos:

- Automatizacin Industrial: Paralelamente a la evolucin de la informtica,la aparicin de los circuitos integrados y el microprocesador permitieron eldesarrollo de sistemas de control industrial ms robustos y con mejoresprestaciones. En los aos 70 surgieron las primeras empresas dedicadas ala fabricacin de equipos elctricos con propsitos de automatizacin ycontrol, como Siemens, Square-D, o Allen-Bradley. Aos ms tarde, laevolucin electrnica permiti que aparecieran los primeros autmatasprogramables, los micro PLC y los controles modulares. La programacinde estos sistemas se comenz a normalizar y aparecieron los sistemas de

programacin genricos como Ladder, siendo este el inicio de lo que hoy esla automatizacin industrial.

- Telemetra: Los sistemas SCADA no solo necesitan controlar sistemas,sino que debe ser en la mayora de casos, a distancia, de manera cableadao inalmbrica. Se hace necesario entonces intercambiar seales entre elsistema que se controla y el sistema que controla; la telemetra esprecisamente la transmisin a distancia de informacin. La palabratelemetra procede de las palabras griegas tele ("lejos") y metron("medida"), y su objetivo es la medicin de magnitudes fsicas y su posteriorenvo de manera remota hacia el operador del sistema. Este envo se

realiza tpicamente mediante comunicacin inalmbrica, aunque tambin sepuede realizar por otros medios (telfono, redes de ordenadores, enlace defibra ptica, etctera)1.

La telemetra ha permitido que medidas como niveles de lquido, caudales,temperaturas, presiones o tensiones se enven de un punto a otro mediantemtodos de transmisin. Estos sistemas pueden ser cableados, como porejemplo la transmisin de seales usando la red telefnica cableada enbanda base; o sistemas dedicados ethernet. Tambin pueden usarsemtodos de transmisin inalmbrica.

- Metrologa: Es el estudio de las medidas, en el caso de sistemas SCADA,enfocado a magnitudes fsicas en la industria. La Metrologa industrial tienecomo objetivo la calibracin, control y mantenimiento de todos los equiposde medicin empleados en produccin, inspeccin y pruebas; con lafinalidad de que pueda garantizarse que los productos estn deconformidad con las normas. El equipo se controla con frecuenciasestablecidas y de forma que se conozca la incertidumbre de las mediciones.La calibracin debe hacerse contra equipos certificados, con relacin vlida

1 http://es.wikipedia.org/wiki/Telemetr%C3%ADa.


14/195


14

conocida a patrones, por ejemplo los patrones nacionales de referencia2.Se nombra la metrologa en sistemas SCADA debido a que estos sistemastransmiten y visualizan la seales medidas en los equipos, las cuales debencumplir las normas locales e internacionales.

- Sistemas de Visualizacin. Parte fundamental de un sistema SCADA es lavisualizacin y control de las plantas o sistemas en el mdulo central. Laaparicin de los CRT (Tubos de rayos catdicos) dio inicio a la tecnologaenfocada a la visualizacin de informacin. Posteriormente aparecieron losprimeros lenguajes de programacin grfica, incluyendo mas pixeles,colores en las celdas, dando inicio a las primeras interfases hombre-maquina, los cuales luego en los sistemas SCADA serian llamados

sistemas MMI (Interfase hombre-maquina, Man Machine Interface) o HMI(Interfase Humano Mquina, Human Machine Interface). En los aos 70 y80, nacieron empresas fabricantes de sistemas de interfase grfica, comoCimplicity e Intellution. Posteriormente la compaa Wonderware cre unpaquete de visualizacin llamado InTouch, el cual corra bajo el sistemaoperativo windows, y ha tenido una gran acogida desde que sali suprimera versin en 1989. De aqu en adelante, con el gran auge deWindows, se fueron creando aplicaciones como Visual Basic, LabView, yotros paquetes, que permiten crear controles grficos e interfases deusuario, y as adaptarlas a sistemas o funciones especficas.

- Software para aplicaciones de control y visualizacin. Junto con eldesarrollo de sistemas de visualizacin, varios fabricantes desarrollaronpaquetes de software capaces de comunicarse con sistemas de control, yde agrupar toda la informacin recibida en sistemas de visualizacinindustrial. Estos paquetes son hoy la base de sistemas SCADA. Algunos delos ms conocidos son:

Intellution Omron Siemens Rockwell Automation

Wonderware GE Fanuc IFIX SCS WinCC RS View, Cimplicity InTouch.

2 www.science.oas.org/OEA_GTZ/LIBROS/METROLOGIA/cap_1.pdf


15/195


15

En los sistemas SCADA modernos, se busca adems la intercomunicacinentre diferentes sistemas; con la irrupcin de Internet en el mundo de lascomunicaciones industriales ahora es posible conectarse con un sistema decontrol situado en cualquier lugar del mundo gracias a la tecnologa Web-Server: un ordenador dotado de un explorador y su direccin.

1.2 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS SCADA.

SCADA (Supervisory Control And Data Adquisition, Control Supervisor yadquisicin de datos) se puede definir como una aplicacin o un softwareespecialmente diseado para funcionar sobre ordenadores, con el fin de tener elacceso a datos remotos de procesos industriales, mediante protocolos y mediosde comunicacin definidos de acuerdo a cada aplicacin; para su monitoreo ycontrol.

Un sistema SCADA, permite comunicarse con diversos dispositivos de campo(controladores autnomos, autmatas programables, etc.) y controlar el procesoen forma automtica desde la pantalla de un ordenador, la cual puede serconfigurada y modificada con facilidad por el operador del sistema central.

Adems, monitorea toda la informacin que se genera en cada proceso y lamuestra de una manera clara por medio de sistemas de visualizacinespecializados.

No hay que confundir a SCADA con un sistema de control. SCADA es la interfaseentre los sistemas de control y los rganos de gestin de dicho control. Estos seutilizan, por ejemplo, en el control de oleoductos, sistemas de transmisin deenerga elctrica, yacimientos de gas y petrleo, redes de distribucin de gasnatural, generacin energtica (convencional y nuclear) y en general, en cualquierproceso industrial susceptible a monitorear y/o controlar. Debido al gran auge desistemas SCADA, se han venido desarrollando numerosos productos, en hardwarey software, diseados y adaptados para este tipo de sistemas; inclusive en lascomunicaciones industriales han surgido buses de comunicacin adaptados asistemas SCADA.

Lo que diferencia a un sistema SCADA de los sistemas convencionales de controlo monitoreo, es precisamente que SCADA combina todas estas acciones en unmismo sistema: Monitoreo, adquisicin y transporte de datos, control ysupervisin. El usuario no solamente tiene acceso a la informacin de la plantacontrolada, sino adems puede accionar actuadores y corregir o cambiarparmetros; todo desde el mdulo central. Esta variacin de variables controladasen tiempo real es la que hace de SCADA un sistema tan flexible y eficiente.


16/195


16

Un ejemplo de un sistema SCADA es el control de un depsito de agua desde unamina, como se observa en el Grfico No 2. Unos sensores se ocupan de vigilar elnivel de agua del depsito y el de la mina, informando a la bomba de cundo debeponerse en marcha para bombear agua al depsito, de acuerdo a si hay nivelinsuficiente en ste o cuando debe detenerse, o si el depsito est lleno o el nivelde la mina no es suficiente. Desde el centro de control, por medio de un softwareSCADA, se puede ver la evolucin del nivel de la estacin y decidir las accionespertinentes en caso de problemas (detener el bombeo manualmente, ver si hayelementos defectuosos, etc.).

Grfico No 2. Ejemplo de un sistema SCADA.

Fuente: Autor. 2008.

Un ejemplo de interfaz grfica, con el software WinCC, se muestra en el GrficoNo 3.

Grfico No 3. Ejemplo de control de nivel hecho con WinCC (siemens).

Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007.Sistemas SCADA, 1 ed. pg 22.


17/195


17

1.3 DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA

1.3.1 Objetivos de un sistema SCADA

Una instalacin SCADA debe garantizar:

- Manejo desde un PC. Este manejo debe incluir no solo la visualizacin delestado de los elementos monitoreados, sino su control y manipulacin.

- Hardware accequible. Hardware fcil de instalar y usar; fcilmenteconfigurable, cuyo montaje y mantenimiento pueda ser realizado de manerasencilla.

- Software flexible. Cuya interfaz grfica sea amigable al usuario. Debepermitir la integracin con las herramientas ofimticas y de produccin, eintegracin de funciones de mando y supervisin.

- Arquitectura Abierta. Debido a que un sistema SCADA est comprendidopor varias tecnologas; se debe garantizar su inter-funcionalidad. Lasaplicaciones deben ser soportadas por los sistemas operativos mscomunes, y se deben permitir combinaciones con aplicaciones estndar yde usuario que permitan a los integradores crear soluciones de mando ysupervisin optimizadas.

- Arquitectura escalable. Si los niveles de produccin crecen y a su vez lossistemas monitoreados se hacen ms grandes o robustos, lo ideal es queno sea necesario desmontar el sistema SCADA presente, sino que este seaescalable y pueda crecer y adaptarse a las nuevas necesidades.

- Comunicaciones confiables. Es sistema SCADA debe garantizar eltransporte de datos entre sus respectivos bloques o sistemas controlados.Esta comunicacin debe ser flexible, adaptable a la topologa del sistema ysoportada por una tecnologa de transporte de datos estandarizada. Paraeste propsito ya estn disponibles numerosos protocolos decomunicaciones industriales.

Estas garantas le permitirn a los sistemas SCADA cumplir adecuadamente consus objetivos en la industria. Estos objetivos, entre otros, son:

- Ofrecer accesibilidad por parte de los operadores a los sistemas de maneradirecta, en tiempo real, rpida y fcil. Un sistema SCADA permite que lossistemas supervisados sean ms accequibles. La telemetra usada enalgunos sistemas SCADA permite que aun, sistemas que estngeogrficamente alejados del modulo central, sean monitoreados sin tenerque ir fsicamente hasta sus instalaciones.


18/195


18

- Ofrecer conectividad entre sistemas. Un sistema SCADA mantiene inter-comunicados los sistemas supervisados, de manera centralizada (unmdulo central gestiona la comunicacin). El constante flujo de informacinmejora muchos procesos internos en la industria.

- Mejorar la gestin de los recursos tecnolgicos y los datos que estosrecursos manejan. Un sistema SCADA le permite a una empresa manejar elestado de sus sistemas, lo niveles de sus seales en tiempo real, el historialde su desempeo; y sacar grficos, tablas, informes con las estadsticas oreportes de funcionamiento. Todo esto permite gestionar los recursos deuna manera ms organizada y detallada.

- Mejorar el mantenimiento de los equipos. Los sistemas SCADA permitenprevenir posibles fallas, al tener informada a la administracin tcnica, en

todo tiempo, el estado de los equipos. Algunos sistemas SCADA tienenrecursos de gestin de mantenimiento, donde se pueden programar fechasde revisin de mquinas, historial de fallos y arreglos, permitiendo asoptimizar y organizar las acciones orientadas a mantener y reparar losequipos o sistemas.

- Optimizar el manejo de recursos, tanto humanos como financieros. Lossistemas SCADA evitan presencia innecesaria de operadores, viajes desupervisin, recoleccin de datos, y diversas tareas que demandabantiempo y por lo tanto dinero.

- Permitir que las acciones de supervisin y control de procesos sea mscmoda y ergonmica.

1.3.2 Ventajas de un Sistema SCADA

En un sistema SCADA, adems de la supervisin de procesos se realizanmltiples tareas de adquisicin de datos, control, registro de datos; todo bajo unaplataforma de buses de comunicacin y un software que permite al sistemafuncionar eficientemente. Todo esto trae innumerables ventajas a los sistemasindustriales que deciden implementarlo en sus procesos. Algunas de esasventajas son:

- Ms facilidad en el manejo y control de procesos industriales. Los entornos

SCADA desarrollados permiten que su manejo sea ms sencillo yaccequible a ms personas; ya no se necesita ser un experto en control yautomatizacin industrial para poder administrar procesos industriales.

- Ms robustez y fiabilidad. Los sistemas SCADA son diseados conelevados estndares de seguridad y normalmente controlan y supervisanequipos robustos. Un ejemplo es el uso comn de autmatas programablesen sistemas SCADA, los cuales le dan robustez y flexibilidad al diseo.

- Flexibilidad. Un sistema SCADA permite expandir el control sin necesidadde desmontar el sistema o cambiar de tecnologa. Adems permite la


19/195


19

conexin, mediante tarjetas de adquisicin de datos, de mltiples tipos desensores y actuadores.

- Monitoreo en tiempo real. Esto a su vez trae ventajas. Por ejemplo, el daode equipos industriales, se puede evitar si se detecta a tiempo una falla y serealiza el mantenimiento inmediato. Un sistema SCADA permite ladeteccin de errores inmediata. Esto no solo beneficia a los equipos en s,sino a los procesos que estos equipos controlan. Un error detectado atiempo minimizar los periodos de paro en las instalaciones y repercute en lareduccin de costes de mantenimiento.

- Telemantenimiento. Desde el centro de control se puede realizarmantenimiento remoto a equipos. Este mantenimiento remoto incluyeacciones de diagnstico y aun reparacin. Los sistemas de diagnstico

implementados en los elementos de control informan continuamente decualquier incidencia en los equipos, y a distancia, pueden tomarse accionescorrectivas a tiempo.

- Los sistemas SCADA mejoran la gestin de los procesos industriales,facilitando el anlisis y presentacin de datos, interpretacin ms clara porparte de los tcnicos de las acciones y programas de control, y aun, porpersonas externas que no estn involucradas directamente por losprocesos.

- Un sistema SCADA tambin puede implementar comunicacin remota entreel mdulo de control y el operador, de esta manera, los sistemas de controlpueden mantener informados sobre cualquier incidencia a los operadores

responsables. Los sistemas SCADA pueden usar tecnologas decomunicacin celular, o por internet, para este propsito.

- El desarrollo y proliferacin de sistemas SCADA ha permitido estandarizarlos sistemas y bloques, tanto el software como el hardware. Esto permiteuna mayor integracin entre sistemas.

- Gestin de seguridad. El acceso a los sistemas controlados se puedelimitar.

- Mejoras en la produccin. Un sistema monitoreado y controladoconstantemente ofrece mejores prestaciones y servicios.

- Reduccin de costos de mantenimiento y operacin. Si antes se necesitabaun operario que supervisara y controlara un bloque respectivo; ahora todos

los sistemas se controlan de manera centralizada.- Mayor coordinacin entre estaciones, para los procesos productivos.

Los sistemas SCADA se diferencian notablemente de los sistemas clsicos deautomatizacin, donde las variables de control estn distribuidas sobre loscontroladores electrnicos de la planta, a diferencia de SCADA, donde estncentralizadas; esto dificulta variaciones en los parmetros a controlar en tiemporeal y peridicamente.


20/195


20

1.3.3 Prestaciones de un Sistema SCADA

Otra manera de describir un sistema SCADA en desde el punto de vista de susprestaciones. Se puede decir que su funcin principal es establecer una interfaseentre el hombre y la mquina, con una serie de servicios, funciones y utilidadesencaminadas a la supervisin, control y manejo de datos. Para esto se handesarrollado paquetes de software que permiten que un sistema SCADA tengaprestaciones como:

- La Adquisicin de Datos y monitoreo: Los datos y seales (temperatura,presin, tiempos de operacin, estado, etc...) se leen en tiempo real porparte de los operadores de planta. Se leen los datos de los autmatas

(temperaturas, velocidades, detectores). Una mquina o instalacinpueden ser vigilados desde muchos kilmetros de distancia. El grfico No 4muestra como desde una pantalla se puede conocer el estado de una lneade extrusionado. La adquisicin de datos remota que ofrece un sistemaSCADA lo hace un sistema muy atrayente y con innumerables aplicaciones;mientras los datos se puedan convertir en seales elctricas oelectromagnticas que se transporten por medios guiados o no guiados, nohay lmites en el tipo de seales a monitorear; alarmas, variables elctricas,variables fsicas, etc.

Grfico No 4. Monitoreo de una lnea de extrusionado.

Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007.Sistemas SCADA, 1 ed. pg 30.


21/195


21

- La supervisin: Cuando el monitoreo incluye la planeacin y registro detareas, con el fin de gobernar las decisiones que se toman sobre la planta;se habla de supervisin. Se puede definir la palabra supervisar comoejercer la inspeccin superior en determinados casos, ver con atencin ocuidado y someter una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararlapermitiendo una accin sobre la cosa supervisada. Los sistemas SCADApermiten configurar la realizacin de tareas de forma peridica oprogramada, automticamente. Tambin se pueden configurar acciones derespuesta ante ciertos problemas. Un sistema SCADA puede ayudarconsiderablemente a las acciones de supervisin humana.

- El control: Las acciones de adquisicin de datos y supervisin, arrojan

valores y permiten conocer el estado actual de las variables asociadas a lossistemas, plantas o mquinas monitoreadas. Cuando estas lecturas obligana tomar acciones ya sea de manera manual o automtica - para ajustar elfuncionamiento de los sistemas para que su comportamiento se ajuste a unideal, se comienza a hablar de control. A los sistemas SCADA, por estarmontados en plataformas gobernadas por sistemas informticos, se lespueden implementar programas orientados al control de procesos de formaautomtica. El control manual genera lo que se conoce como sistemas demando, donde los operadores controlan de manera remota los equipos.Muchas acciones de mando, sin embargo, pueden ser programadas,distribuidas y ejecutadas en varios sistemas a la vez. Algunas acciones de

control son avanzadas, donde los sistemas SCADA usan paquetesmatemticos que implementan algoritmos de control especializados.

- El registro: Toda la informacin de un sistema SCADA es susceptible a serguardada en memoria para luego ser usada para mantenimiento, informes,seguimiento, etc., por ejemplo, la generacin de histricos de seal deplanta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja declculo; creacin de informes, avisos y documentacin en general.

- La seguridad: Solo el personal autorizado puede acceder a los sistemascontrolados. Algunos sistemas SCADA incluyen protocolos de seguridad

avanzados.

1.3.4 Resumen de Caractersticas de un sistema SCADA

El Grfico No 5 muestra un resumen de lo anteriormente dicho. Es importante queen el momento de disear un sistema SCADA, se tengan en cuenta los objetivos,las prestaciones y las ventajas que ese sistema ofrece con respecto a otros tiposde sistemas de automatizacin industrial.


22/195


22

Grfico No 5. Resumen Caractersticas SCADA.

Fuente: Autor. 2008


23/195


23

2. ARQUITECTURA SCADA

2.1 DESCRIPCION GENERAL

Hablar de arquitectura es hablar de la organizacin de los elementos y su inter-relacin; de la topologa, de los bloques constitutivos, de las funciones.

Las primeras incursiones en el campo de la automatizacin localizaban todo elcontrol en el PC y tendan progresivamente a la distribucin del control en planta.De esta manera, el sistema queda dividido en tres bloques principales:

- Software de adquisicin de datos y control (Scada).- Sistemas de adquisicin y mando (sensores y actuadores).- Sistema de interconexin (comunicaciones).

El usuario, mediante herramientas de visualizacin y control, tiene acceso alsistema de Control de Proceso, que es generalmente un ordenador donde residela aplicacin de control y supervisin (se trata de un sistema servidor).

La comunicacin entre estos dos sistemas se suele realizar a travs de redes decomunicaciones corporativas (Ethernet).

El Sistema de Proceso capta el estado del Sistema a travs de los elementossensores e informa al usuario a travs de las herramientas HMI.

Basndose en los comandos ejecutados por el usuario, el sistema de procesoinicia las acciones pertinentes para mantener el control del Sistema a travs de loselementos actuadores.

La transmisin de los datos entre el Sistema de Proceso y los elementos decampo (sensores y actuadores) se lleva a cabo mediante los denominados busesde campo.

La tendencia actual es englobar los sistemas de comunicacin en una basecomn, como Ethernet Industrial. Toda la informacin generada durante laejecucin de las tareas de supervisin y control se almacena para disponer de losdatos a posteriori.

Mediante el software de adquisicin de datos y control, el mundo de las mquinasse integra directamente en la red empresarial, pasando a formar parte de loselementos que permitirn crear estrategias de empresa globales. Aparece el


24/195


24

concepto de Fabricacin Integral Informatizada (Computer IntegratedManufacturing).

Un sistema Scada es una aplicacin de software especialmente diseada parafuncionar sobre ordenadores en el control de produccin que proporcionacomunicacin entre los dispositivos de campo, llamados tambin RTU (RemoteTerminal Units o Unidades Remotas), donde se pueden encontrar elementos talescomo controladores autnomos o autmatas programables, y un centro de controlo Unidad Central (MTU, Master Terminal Unit), donde se controla el proceso deforma automtica desde la pantalla de uno o varios ordenadores.

Grfico No 6. Estructura bsica de un sistema de supervisin y mando.

Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007.Sistemas SCADA, 1 ed. pg 44

.Grfico No 7. Idea bsica de un sistema SCADA.



25/195


25

La estructura funcional de un sistema de visualizacin y adquisicin de datosobedece generalmente a la estructura Maestro-Esclavo. La estacin central (elmaestro o master) se comunica con el resto de estaciones (esclavos o slaves)requiriendo de stas una serie de acciones o datos.

2.2 HARDWARE DE UN SISTEMA SCADA

Un sistema SCADA, est dividido en dos grandes bloques:

- Captadores de datos: Recopilan los datos de los elementos de control delsistema (por ejemplo, autmatas, reguladores, registradores) y los procesanpara su utilizacin. Son los servidores del sistema.

- Utilizadores de datos: Los que utilizan la informacin recogida por losanteriores, como pueden ser las herramientas de anlisis de datos o losoperadores del sistema. Son los clientes.

Mediante los Clientes los datos residentes en los servidores pueden evaluarse,permitiendo realizar las acciones oportunas para mantener las condicionesnominales del sistema.

Mediante los denominados buses de campo, los controladores de proceso(generalmente autmatas programables o sistemas de regulacin) envan lainformacin a los servidores de datos (Data Servers), los cuales, a su vez,intercambian la informacin con niveles superiores del sistema automatizado atravs de redes de comunicaciones de rea local.

Existen mltiples posibilidades de implementacin de sistemas SCADA. Desdeuna mquina aislada provista de un sistema de captacin y presentacin de datos,hasta un gran conjunto de sistemas interconectados que se ocupan de ladistribucin elctrica en todo un pas.

Estos sistemas estn formados por los siguientes elementos bsicos:

- Interfase Hombre-Mquina- Unidad Central- Unidad Remota- Sistema de Comunicaciones


26/195


26

Grfico No 8 (1). Arquitectura bsica de hardware SCADA (1).


Grfico No 8 (2). Arquitectura bsica de hardware SCADA (2).

Fuente: bibliotecnica.upc.es/bustia/arxius/40201.pdf. Miniproyecto de Automatizacin Industrial.


27/195


27

2.2.1 Interfase Hombre Mquina (HMI, MMI)

Comprende los sinpticos de control y los sistemas de presentacin grfica. Lafuncin de un Panel Sinptico es la de representar, de forma simplificada, elsistema bajo control (un sistema de aprovisionamiento de agua, una red dedistribucin elctrica, una factora).

En un principio los paneles sinpticos eran de tipo esttico, colocados en grandespaneles plagados de indicadores y luces. Con el tiempo han ido evolucionando,

junto al software, en forma de representaciones grficas en pantallas devisualizacin (PVD, Pantallas de Visualizacin de Datos).

En los sistemas complejos suelen aparecer los terminales mltiples, que permitenla visualizacin, de forma simultnea, de varios sectores del sistema.

De todas formas, en ciertos casos, interesa mantener la forma antigua del PanelSinptico, pues la representacin del sistema completo es ms clara para elusuario al tenerla presente y no le afectan los eventuales fallos de alimentacin decomponentes o de controladores grficos.

2.2.2 Unidad Central (MTU, Master Terminal Unit)

Centraliza el mando del sistema. Se hace uso extensivo de protocolos abiertos, lo

cual permite la interoperabilidad de multiplataformas y multisistemas.

Un sistema de este tipo debe de estar basado en estndares asequibles a bajoprecio para cualquier parte interesada. De esta manera es posible intercambiarinformacin en tiempo real entre centros de control y subestaciones situadas encualquier lugar.

En el Centro de Control se realiza, principalmente, la tarea de recopilacin yarchivado de datos. Toda esta informacin que se genera en el proceso productivose pone a disposicin de los diversos usuarios que puedan requerirla. Se encargade:

- Gestionar las comunicaciones.- Recopilar los datos de todas las estaciones remotas (RTU).- Envo de informacin.- Comunicacin con los Operadores.- Anlisis.- Impresin.- Visualizacin de datos.- Mando.- Seguridad.


28/195


28

Estas tareas estn encomendadas a equipos informticos con funcionesespecficas y exclusivas, tales como:

- Almacenar Datos (Database Server): Se ocupa del archivado de datos parael proceso posterior de los mismos mediante herramientas derepresentacin grfica o de anlisis estadstico.

- Almacenar archivos (File Server): Almacena los resultados de los anlisisde los datos recogidos, guarda los datos concernientes a los eventos delsistema, datos de configuraciones, alarmas, etc.

- Administracin: Permite la gestin y el mantenimiento del sistema SCADA,

controlar los sistemas de seguridad, modificar la configuracin de las tareasde backup, etc.

- Comunicaciones: permite el intercambio de datos en tiempo real conestaciones remotas. ste es un punto de entrada y salida de datos, portanto, debe prestarse especial atencin a la seguridad y protegerlo deaccesos no autorizados.

2.2.3 Unidad Remota (RTU, Remote Terminal Unit)

Por Unidad o Estacin Remota, se puede entender como aquel conjunto deelementos dedicados a labores de control y/o supervisin de un sistema, alejadosdel centro de control y comunicados con ste mediante algn canal decomunicacin.

Dentro de esta clasificacin se pueden encontrar tres elementos, los RTU, los PLCy los IED:

- RTU (Remote Terminal Unit): Especializados en Comunicacin.- PLC (Programmable Logic Controller): Tareas Generales de Control.- IED (Intelligent Electronic Device): Tareas Especficas de Control.

RTU

Las Unidades Remotas se encargaban en un principio de recopilar los datos delos elementos de campo (autmatas reguladores) y transmitirlos hacia la unidadcentral, a la vez que enviar los comandos de control a stos. Seran losdenominados procesadores de comunicaciones.

Con la introduccin de sistemas inteligentes aparecen tambin las funciones derecogida y proceso de datos, as como de seguridad ante accesos sin


29/195


29

autorizacin o situaciones anmalas que puedan perjudicar al funcionamientode la estacin y provocar daos en sus componentes.

Las Unidades Remotas suelen estar basadas en ordenadores especiales quecontrolan directamente el proceso mediante tarjetas convertidoras adecuadas oque se comunican con los elementos de control (PLC, Reguladores) mediantelos protocolos de comunicacin adecuados.

Su construccin es ms robusta, son operativos dentro de un rango detemperaturas mayor que los ordenadores normales, y su robustez elctricatambin es mayor (transitorios de red, variaciones de alimentacin,interferencias electromagnticas).

El software de estos elementos suele estar elaborado en lenguajes de alto nivel(C, VisualBasic, Delphi) que permiten interpretar los comandos provenientes dela estacin Maestra (Master Terminal Unit).

PLC

Los controladores lgicos programables o PLC (Programmable LogicController), empezaron como sistemas de dedicacin exclusiva al control deinstalaciones, mquinas o procesos.

Con el tiempo han ido evolucionando, incorporando cada vez ms prestacionesen forma de mdulos de ampliacin, entre ellos los Procesadores deComunicaciones, que han hecho desvanecerse la lnea divisoria entre RTU yPLC, quedando incluidas todas las prestaciones en el PLC.

A su vez, los PLC pueden tener elementos distribuidos con los cuales secomunican a travs de sistemas de comunicacin llamados Buses de Campo.

IED

Son los denominados perifricos inteligentes (Intelligent Electronic Devices).

Se trata de elementos con propiedades de decisin propias (programas) que seocupan de tareas de control, regulacin y comunicacin. Dentro de estaclasificacin se pueden encontrar elementos tales como PCL, reguladores,variadores de frecuencia, registradores, procesadores de comunicaciones,generadores de tiempo y frecuencia, controladores de energa reactiva,transductores, etc.

Es todava habitual encontrar que muchos de estos elementos utilizanprotocolos propietarios y dan origen a las denominadas islas de automatizacin.


30/195


30

Sistemas remotos

Hoy da una estacin remota no es necesariamente un autmata concapacidades de comunicacin controlando una compuerta de un embalse.Puede tratarse de un gran sistema complejo que forme parte, a su vez, de unsistema de control mucho ms extenso, como el control de distribucin elctricade un pas, donde las estaciones remotas pueden tener a su cargo una ciudadentera o controlar la distribucin regional.

En este caso, la estacin remota tiene implementadas funciones de control,interfase hombre-mquina, adquisicin de datos, control de bases de datos,protocolos de seguridad y comunicaciones internas entre subsistemas.

En el Grfico No 9 hay un ejemplo de la arquitectura general de una RTU.

Grfico No 9. Arquitectura bsica de una RTU



31/195


31

2.2.4 Sistema de comunicaciones.

El intercambio de informacin entre servidores y clientes se basa en la relacin deproductor-consumidor.

Los servidores de datos interrogan de manera cclica a los elementos de campo(polling), recopilando los datos generados por registradores, autmatas,reguladores de proceso, etc.

Buses especiales de comunicacin proporcionan al operador la posibilidad decomunicarse con cualquier punto, local o remoto, de la planta en tiempo real.

Gracias a los controladores suministrados por los diferentes fabricantes y a sucompatibilidad con la mayora de estndares de comunicacin existentes (lasebuses de campo), es posible establecer cualquier tipo de comunicacin entre unservidor de datos y cualquier elemento de campo.

Un servidor de datos puede gestionar varios protocolos de forma simultnea,estando limitado por su capacidad fsica de soportar las interfases de hardware(las popularmente conocidas tarjetas de comunicacin).

Permiten el intercambio de datos bidireccional entre la Unidad Central y lasUnidades Remotas (RTU) mediante un protocolo de comunicaciones determinado

y un sistema de transporte de la informacin para mantener el enlace entre losdiferentes elementos de la red:

- Lnea telefnica, dedicada o no.- Cable coaxial.- Fibra ptica.- Telefona celular (GPRS, UMTS).- Radio (enlaces de radio VHF, UHF, Microondas).

Las diversas combinaciones de los elementos que se comunican dan lugar a unastopologas determinadas:

- Punto a punto: la relacin es del tipo Maestro-Esclavo. Un solo elementoremoto (RTU) est conectado al sistema de control (MTU) mediante unalnea de comunicacin (dibujo 1 del Grfico No 10).

- Multipunto dedicado: una variante del modelo anterior. Un solo sistema decontrol conectado a varias estaciones remotas mediante enlaces directospermanentes (Dibujo 2). Esta configuracin es delicada, pues todo el trficode la red se centra en un solo punto, la Unidad Central, que debe podergestionar todo el trfico generado por el resto de elementos.


32/195


32

- Multipunto compartido estrella: tipo Maestro-Esclavo. Esta configuracinen estrella utiliza un solo puerto de comunicaciones, realizndose elintercambio de datos por turnos. Esto es posible debido a que lasestaciones remotas tienen identificadores nicos (Dibujo 3).

- Multipunto compartido en bus: similar al anterior, pero con estructuraMaestro-Esclavo, multimaestro o Cliente-Servidor. Una o varias unidadescentrales estn conectadas a una o varias estaciones remotas mediante unmedio comn (bus). El acceso es tambin por orden y est gestionado porel sistema Maestro (polling).

- Multipunto compartido en anillo: es la estructura del dibujo nmero 4.Ms robusta al proporcionar dos caminos para la informacin. En caso defallo de un nodo el trfico no se interrumpe.

Generalmente cualquier aplicacin de cierta envergadura utiliza varios de estosmtodos de forma simultnea, tanto en medios de transmisin como entopologas. Esto permite su implantacin de forma ms eficiente, adaptando losrecursos tcnicos al terreno y optimizando los costes.

Por ejemplo, para grandes distancias se utiliza la comunicacin por satlite,microondas o radio, cosa que no tendra sentido (econmico al menos) para

transmitir seales a pocos metros de distancia, caso en que es ms indicado elcable.

Grfico No 10. Topologas bsicas



33/195


33

La aplicacin de estndares a las comunicaciones permite una mayor integraciny flexibilidad en las configuraciones. No hay que olvidar que el uso de estndaresacarrea un problema, las carencias que estos estndares tienen.

Por ejemplo, la implantacin del sistema operativo Windows como un estndardefacto en los sistemas de visualizacin, o la adopcin de las tecnologas Web, traenconsigo problemas relacionados con la seguridad en los accesos (Hacking), losvirus informticos, la integridad de los datos o los problemas de comunicaciones.

Por ejemplo, en esta estructura se puede observar una red con dos servidoresSCADA conectados al bus de Proceso. Los datos del servidor SCADA principal(en el centro) se hallan replicados en otro servidor que da servicio a la Intranet

Corporativa.

En el servidor Scada principal se han implementado dos firewallque protegen elsistema de accesos externos no deseados, desde Internet o desde una intranet.

Grfico No 11. Seguridad en redes SCADA


Firewall: Siempre se ha considerado que los firewalls protegen la red, pero estenombre no lo explica.


34/195


34

El nombre tiene su origen en la construccin civil. Se trata de las paredesdivisorias, sin ventanas, que separan dos estancias, y cuya funcin es impedir queel fuego se propague de una estancia a otra en caso de incendio.

Informticamente hablando se trata de barreras lgicas entre redes diferentes, unalocal (LAN) y otra pblica (Internet) o de jerarqua diferente (Intranet). Estasbarreras permiten proteger la red local de accesos no deseados desde el exterior.

Los primeros cortafuegos aparecen en la dcada de los ochenta. Se parecan alos routers en su forma de trabajar: separaban una red en redes menores eindependientes a nivel de trfico de informacin. De esta manera, si una de lasredes tena algn tipo de problema (configuraciones o sobrecarga) no se

transmita al resto.Gracias al seor Robert Morris Junior, el 2 de Noviembre de 1988 aparece laprimera referencia a uno de los problemas ms graves de Internet: los gusanos.

Son programas que se copian a s mismos, acaparan los recursos de la red y lasaturan (el seor Morris dijo que todo fue un accidente, por supuesto, pero no lecreyeron).

A partir de hechos como ste, Internet deja de ser un prado con ovejitas yaparecen los primeros lobos. En los aos noventa aparecen los cortafuegos confunciones exclusivas de seguridad. Los primeros trabajaban como filtros depaquetes IP, gestionaban el trfico de informacin y decidan si se transmitan o se

destruan.

Los filtros de paquetes funcionan de la siguiente manera:

- El programa residente en el cortafuego revisa las cabeceras de todos lospaquetes que llegan.

- El programa tiene una serie de reglas que determinarn el destino de cadapaquete (bsicamente lo que puede pasar y lo que no puede pasar a lared).

Estos principios son aplicables tanto a los cortafuegos de uso general, desoftware, como a los de hardware (stos tienen un sistema operativo propio condeterminadas reglas de filtrado).

La siguiente generacin de cortafuegos aument su sofisticacin y convirti a loscortafuegos en nodos de red que permiten el flujo en los dos sentidos. En 1991 laDEC (Digital Equipment Corporation) presenta el que fue el primer cortafuegoscomercial de este tipo, llamado SEAL (Secure External Access Link).


35/195


35

Tipos de Cortafuegos: Segn el uso al que estn destinados se pueden clasificaren Corporativos o Personales:

- Corporativos: Como se ha explicado, se trata de programas (software) otarjetas (hardware) que realizan el control de trfico entre dos redes.

- Personales: Dedicados al filtrado del trfico que entra o sale de un soloordenador. Trabajan a nivel de la Capa de Aplicacin (intercambio deinformacin, funciones de usuario y servicios de comunicacin) y de laCapa de Red (caminos utilizados para realizar el intercambio deinformacin).

Deben ser configurados por el usuario y permiten establecer una medida

preventiva ante software malicioso (malware). Por ejemplo, al abrir un correoelectrnico portador de un troyano (programa que transfiere informacin denuestro ordenador sin nuestro consentimiento), el firewallpersonal impedir que lainformacin pueda salir de nuestro ordenador.

Segn la tecnologa que utilicen, se pueden clasificar como:

Filtro de paquetes:Mediante TCP/IP, realiza el encaminamiento de paquetes. Lapoltica de seguridad (Security Policy) determinada por el administrador permitirbloquear o permitir el paso de los paquetes IP.

Hay varios tipos en funcin de su comportamiento:- Static filtering(filtrado esttico) configurables manualmente.- Dynamic filtering (filtrado dinmico) que cambian las reglas de filtrado en

funcin de los eventos detectados.- Stateful inspection (inspeccin de estado), similares a los anteriores,

adems analizan los datos de los paquetes.

Reciben el nombre de Network Layer Firewalls.

Gateways de Capa de Aplicacin: Operan a nivel de esta capa OSI. Controlan eltrfico de los navegadores, interpretan los protocolos e interceptan todas las

peticiones de las aplicaciones, verificando el cumplimiento de las normas deseguridad antes de permitir que se transmitan.

Gateways de circuito: Operan a nivel de la Capa de Transporte, estableciendocircuitos entre clientes y servidores. No interpretan los protocolos.


36/195


36

Grfico No 12. Situacin de cortafuegos en capas OSI.


2.3 SOFTWARE DE UN SISTEMA SCADA3

Un programa del tipo HMI se ejecuta en un ordenador o Terminal grfico y unosprogramas especficos le permiten comunicarse con los dispositivos de control deplanta (hacia abajo) y los elementos de gestin (hacia arriba).

Estos programas son lo que denominamos controladores (o driver) de

comunicaciones.

Una parte del paquete (propia o de terceros) contiene todos los controladores decomunicacin entre nuestra aplicacin y el exterior, ocupndose de gestionar losenlaces de comunicacin, tratamiento de la informacin a transferir y protocolos decomunicacin (Profibus, AS-i, Can, Ethernet...).

3Adaptado de RODRIGUEZ, Aquilino, 2007.Sistemas SCADA. En la unidad 2 de este mdulo se profundizarmas sobre los estndares de interconectividad entre ordenadores, y en la Unidad 3 se har un resumen de lospaquetes software ms usados en sistemas SCADA.


37/195


37

Por lo general son programas de pago, debemos conseguir licencias de utilizacinpara poder trabajar con ellos.

Grfico No 13. Concepto de driver.


El driverrealiza la funcin de traduccin entre el lenguaje del programa SCADA yel del Autmata (hacia abajo, por ejemplo, Profibus), o entre el SCADA y la red degestin de la empresa (hacia arriba, con Ethernet, por ejemplo).

Generalmente la configuracin del controlador de comunicaciones se realizadurante la instalacin del software principal o como programa de acceso externo alejecutar la aplicacin principal.

Segn la importancia del sistema, es posible especializar componentes, realizandotareas exclusivas dentro del sistema de control (servidores de datos, de alarmas,de histricos, de interfase hombre-mquina, etc.).

Una vez los datos de planta se han procesado, pueden transferirse a otrasaplicaciones de software, tales como hojas de clculo o bases de datos. Esto es loque podramos denominar gestin de datos, que nos permite analizar eventos,alarmas, emergencias, etc., ocurridos durante la produccin.


38/195


38

En un programa SCADA tendremos dos bloques bien diferenciados: el programade desarrollo y el programa de ejecucin o Run-time:

- El programa de desarrollo engloba las utilidades relacionadas con lacreacin y edicin de las diferentes ventanas de la aplicacin, as como suscaractersticas (textos, dibujos, colores, propiedades de los objetos,programas, etc.).

- El programa Run-time permite ejecutar la aplicacin creada con elprograma de desarrollo (en Industria se entrega, como producto acabado, elRun-time y la aplicacin).

2.3.1 Comunicacin entre aplicaciones

Los mtodos de intercambio de informacin entre aplicaciones informticas msconocidos son:

OPC: El estndar de intercambio de datos por excelencia se denomina OPC(OLE for Process Control). Es un estndar abierto que permite un mtodofiable para acceder a los datos desde aparatos de campo. El mtodo deacceso siempre es el mismo, sin depender del tipo y origen de los datos.

Se basa en la tecnologa COM (Component Object Model), de Microsoft, quepermite definir cualquier elemento de campo mediante sus propiedades,convirtindolo en una interfase. De esta manera es posible conectar fcilmentecualquier elemento de campo con un servidor de datos local (COM), o remoto(DCOM).

Los componentes OPC se pueden clasificar en clientes o servidores:

Cliente OPC (OPC client): Es una aplicacin que slo utiliza datos, talcomo hace un paquete SCADA. Cualquier cliente OPC se puede

comunicar con cualquier servidor OPC sin importar el tipo de elementoque recoge esos datos (el aspecto que veremos, desde el punto de vistade los datos, ser siempre similar, sin importar el fabricante del equipo).

Servidor OPC (OPC server): Es una aplicacin que realiza la recopilacinde datos de los diversos elementos de campo de un sistema automatizadoy permite el acceso libre a estos elementos desde otras aplicaciones quelos soliciten (clientes OPC).


39/195


39

ODBC: Mediante ODBC (Open Data Base Connectivity), tambin de MicrosoftWindows, tenemos un estndar que permite a las aplicaciones el acceso adatos en Sistemas de Gestin de Bases de Datos (Data Base ManagementSystems) utilizando SQL como mtodo estndar de acceso.

ODBC permite que una aplicacin pueda acceder a varias bases de datosmediante la inclusin del controlador correspondiente en la aplicacin quedebe acceder a los datos. La interfase ODBC define:

Una librera de llamadas a funciones ODBC. La sintaxis SQL necesaria. Cdigos de error estndar. El mtodo de conexin a un Sistema de Gestin de Bases de Datos

(DBMS). El formato de presentacin de los datos

Para acceder a los datos, una aplicacin necesita un controlador, que enWindows se llama Librera de Enlace Dinmico (DLL, Dynamic Link Library) yen UNIX recibe el nombre de Objeto (OBJ). ODBC permite definir un estndarque permita el intercambio entre bases de datos y aplicaciones.

SQL: La aparicin del estndar por excelencia para la comunicacin conbases de datos, SQL (Structured Query Language), permite una interfasecomn para el acceso a los datos por parte de cualquier programa que se ciaal estndar SQL. El primer SQL aparece en 1986 bajo el nombre: ANSIX3.135-1986.

Las posibilidades de esta tecnologa incluyen:

Procedimientos: Son bibliotecas de comandos almacenados en la base dedatos. Permiten reducir el trfico de red y simplificar los procedimientos deacceso a los usuarios de las bases de datos.

Eventos: Son comandos que se activan de forma automtica bajo unasciertas condiciones, facilitando el mantenimiento de la integridad de losdatos.

Replicacin: Permite la duplicacin y sincronizacin de bases de datos.Por ejemplo, para actualizar los datos de la base de datos central con losalmacenados en una unidad remota (RTU), ms actuales, o paraactualizar un servidor de datos que ha quedado temporalmente fuera deservicio y se vuelve a poner en funcionamiento.


40/195


40

Accesibilidad: Permite el intercambio o envo de informacin basndoseen eventos. Por ejemplo, el envo automtico de mensajes cuando secumplen ciertas condiciones dentro de un sistema.

ASCII: Mediante el formato ASCII, comn a prcticamente todas lasaplicaciones informticas, tenemos un estndar bsico de intercambio dedatos. Es sencillo exportar e importar datos de configuracin, valores devariables, etc.

API: Las herramientas API (Application Programming Interfaces) permiten queel usuario pueda adaptar el sistema a sus necesidades mediante rutinas deprograma propias escritas en lenguajes estandarizados, tales como Visual

Basic, C++, o Java, lo cual les confiere una potencia muy elevada y una granversatilidad. Permiten el acceso a las bases de datos de los servidores(valores almacenados temporalmente o archivos histricos).

2.3.2 Almacenamiento de Datos

Inicialmente los ordenadores estaban muy limitados en sus capacidades dealmacenamiento de variables, tanto en cantidad como en tiempo. Ya en losalbores de la automatizacin se vio la utilidad de poder disponer de datosalmacenados sobre un sistema, de manera que se pudiera realizar cualquier tipo

de anlisis a posteriori como, por ejemplo, diagnsticos.

Tambin aqu se podran establecer una serie de pasos evolutivos en la tcnica dealmacenamiento de informacin:

Ficheros: La primera poca de almacenamiento, anterior a las bases dedatos, se basaba en el almacenamiento de informacin en ficheros, accesiblespor los programadores de las aplicaciones. Estos ficheros eran complicadosde tratar debido a que tenan que estar perfectamente identificados ylocalizados en el disco, as como la situacin y el formato de los datos dentro

de stos.La primera revolucin aparece con la tcnica del indexado. Un archivo puedeentonces estar ordenado por un criterio determinado, por ejemplo, la fecha o elnombre de variable. De esta manera es fcil acceder a unos datos si elnombre de la variable es conocido. La limitacin de este mtodo radica en quela base de datos tiene un solo punto de acceso.


41/195


41

Bases de datos: La aparicin de las bases de datos jerrquicas permiteordenar los elementos por jerarquas, en las cuales un tipo de datos consisteen un subconjunto de otro tipo de datos ms genrico.

Por ejemplo, en una lnea de produccin hay un conjunto general de variablescompuesto por los conjuntos de variables particulares de cada mquina. Estemodelo est limitado en prestaciones si queremos acceder, por ejemplo, avariables pertenecientes a distintos grupos de datos situados en diferentesniveles del esquema de variables.

Surgen entonces las bases de datos de red, capaces de interpretar lasrelaciones ms complejas entre los diversos tipos de variables que aparecen.

Los programas, de todas formas, siguen necesitando conocer las formas deacceder a los datos dentro de estas estructuras.

Bases de datos relacionales: El paso definitivo, que separa los programasde las estructuras de datos, se da con la aparicin de las bases de datosrelacionales (Relational Data Base).

Este tipo de bases de datos permite reflejar estructuras de datos,independientemente del tipo de programas que accede a los datos o de laestructura de stos.

Una base de datos relacional no es ms que un conjunto de tablas de datosque contienen campos que sirven de nexo de unin (relacin) y que permitenestablecer mltiples combinaciones mediante la utilizacin de estos nexos.

Las combinaciones posibles son prcticamente ilimitadas, slo hay queconfigurar el mtodo de bsqueda (el query) o el tipo de datos que se quiereconsultar y aplicarlo a los datos. Este tipo de organizacin permite la aparicinde las arquitecturas del tipo Cliente-Servidor, simplificando la administracinde los datos y los programas que trabajan con stos.

La consecuente normalizacin disminuye las necesidades de espacio de

almacenamiento y reduce los problemas asociados a las bases de datosredundantes (inconsistencias debidas, por ejemplo, a repeticiones deregistros).

Los Usuarios deben poder acceder a los datos de forma rpida y sencilla,pudiendo realizar sus propias estructuras de interrogacin (queries) y obtenerlos datos adecuados a sus necesidades para su posterior tratamiento (hojasde clculo, documentacin, etc.).


42/195

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIAFACULTAD DE CIENCIAS BASICAS E IN

Modulo de Electronica Industrial Avanzada

Documents

Transcript of Modulo de Electronica Industrial Avanzada