DCS & SCADA

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Breve introducción a los sistemas SCADA y sistemas de control distribuido.

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DCS & SCADA

  1. 1. Maestría en Automatización y Control Industrial 2012 Dr.-Ing. Andrés Rosales A. Facultadde Ingeniería Eléctrica y Electrónica Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional Ecuador Escuela Politécnica Nacional del del Ecuador
  2. 2. INTRODUCCIÓN: Organización 1El presente curso se ha dividido en once unidades. La Unidad 1 presenta los lineamientosgenerales del curso. La Unidad 2 proporciona un vistazo general de los sistemasSCADA, mediante algunas definiciones y limitaciones de los mismos. La Unidad 3muestra una reseña histórica de los sistemas SCADA y su analogía con otras tecnologíasrelacionadas. La Unidad 4 hace un estudio de los sistemas en tiempo real y establece laimportancia de la materia prima para los sistemas SCADA, los datos.La Unidad 5 se refiere a las comunicaciones de los sistemas SCADA, trata acerca de latransferencia de información entre los distintos componentes del sistema. Debido a quela radio es el medio de comunicación más común para los sistemas SCADA , en estaunidad se presenta una sección aparte para esta tecnología. La Unidad 6 describen loreferente a las Unidades Terminales Remotas y Maestras (RTUs & MTUs). La Unidad 7realiza un vistazo a los elementos terminales de campo: sensores, actuadores y cableado.La Unidad 8 discute la forma en que el operador interactúa con el sistema SCADA através de diferentes tipos de software dedicados.Las Unidades 9, 10 y 11 se enfocan en las aplicaciones, la economía y los nuevastecnologías para los sistemas SCADA, respectivamente. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  3. 3. INTRODUCCIÓN: Objetivos 2A partir de que los sistemas SCADA están constituidos por varios tipos de elementospertenecientes a diferentes y diversas tecnologías, muy a menudo es muy difícil saberdónde terminar cuando se empiezan a describir cada una de estas tecnologías. Este cursointenta enfocarse en varios puntos de estas tecnologías de manera de volver másentendible a un sistema SCADA.Por tanto, el objetivo del curso será el de introducir al estudiante a las bases de lossistemas SCADA, proporcionando información acerca de los temas más relevantesrelacionados a las tecnologías que conforman el sistema.Además, los objetivos específicos establecidos para el presente curso son:• Familiarizarse con la nomenclatura de los sistemas SCADA.• Describir la arquitectura típica de un sistema SCADA.• Comprender la tecnología básica de los principales componentes de un SCADA.• Entender las limitaciones de los sistemas SCADA.• Advertir cuando un sistema SCADA es beneficioso o no.• Seleccionar la tecnología SCADA apropiada acorde a los requerimientos establecidos.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  4. 4. ¿QUE ES UN SCADA?: Definición 3 Nivel de Operadores, DCS, C Supervisión C, HMI Controladores, RTUs Nivel de , PLCs, HMI Control Instrumentos de Nivel de Adquisición Campo, Sensores, Ac tuadores, Cableado, HMI SCADA Supervisory Control and Data AcquisitionFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  5. 5. ¿QUE ES UN SCADA?: Definición 5 Consolas de Desarrollo Sala de Servidores Video Wall en la Sala de Control Rack principal: Servidor RAS/RDAS/ICCP Consolas de Operación Servidor CIMSCADA es una tecnología que habilita a un usuario para recolectar datos desde una omás instalaciones distantes y/o enviar instrucciones limitadas de control hacia lasmencionadas instalaciones.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  6. 6. ¿QUE ES UN SCADA?: Procesos Aplicables 6La tecnología SCADA se aplica mejor a procesos que se extienden sobre grandes áreas;son relativamente simples de controlar y monitorear; y requieren de frecuentes, regulareso inmediatas intervenciones. Generación Hidroeléctrica Producción de Petróleo/Gas Sistemas de Transmisión Eléctrica Sistemas de Irrigación Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  7. 7. ¿QUE ES UN SCADA?: Componentes del Sistema 3 VDU Red LAN OPERADOR I/O MODEMS INTERNET MODEMS RADIOS PLC MODEMS MTU o HOST PC RTU PLC RTU HMI SOFTWARE IEDs, SENSORES, PLCa VDU LOCALFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  8. 8. ¿QUE ES UN SCADA?: Componentes del Sistema 3 SIMULADOR DE ENTRENAMIENTO ORACLE RAS Consolas de Consolas de (R) HIS (R) WEB DTS Operación Mantenimiento (R) Consola Estudiante Consola EntrenadorDC(R) Red de Fast Ethernet 10/100 TX (Tiempo Real) RDAS Firewall PC Servidor ICCP (R) Router (R)APPS Firewall (R) GPS PDS VIDEO WALL ISO INTERNET RED CORPORATIVA (BMS) COLOMBIA RP570 e-LANs IEC-870-5-101 Router Router CCG HIDROPAUTE DNP 3.0 Serial Consola de Respaldo SCADA/EMS Acceso Autorizado UTRs TRANSELECTRIC Agentes MEM Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  9. 9. ¿QUE ES UN SCADA?: Componentes del Sistema 7 Red Serial: RP570 LAN RS232/RS422/RS485 IEC-870-5-101 Ethernet, Modem, USB, Blu etooh, Radio Frecuencia DNP 3.0 Serial OIML 117-2007 IEC 61131-3 UPS Almacenamiento de Datos - ODBC PLC Bus de Campo: MTU Hart, Profibus, PLC: Power Line Carrier Modbus, ASI,Software: Windows, Linux, … Fibra Optica Field FoundationPlataforma para el Servidor CoaxialDDE: Excel, Visula C++, VisualBasic, JAVA RTU Simplex/Duplex UPSOPC: OLE Process Control Normas ISA para instrumentosOLE: Object Linking and EmbeddingFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  10. 10. 8 SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition. Stuart Boyer. 2nd Edition, 1999. Field Bus & Device Networks for Engineers and Technicians, IDC Data Acquisition using Personal Computers and Standalone Systems, IDC Technologies, 1999. Wikipedia, www.wikipedia.org ISA, www.isa.org IEC, http://www.iec.ch/ ANSI, http://www.ansi.org/ ANSI/IEEE C37.1-1987: Definition, Specification, and Analysis of Systems used for Supervisory Control, Data Acquisition, and Automatic Control. Fundamentals of Supervisory Systems, IEEE Tutorial No. 91 EH-O3376 PWR Manuales de sistemas SCADA (varios proveedores)Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  11. 11. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: ¿Qué son? 9 Está relacionado al rendimiento de un cálculo Control en Tiempo Real durante el tiempo actual para que suceda el proceso físico relacionado Estímulo Proceso Respuesta Retrasos / Tiempos MuertosTiempo real no es sinónimo de rapidez; esto significa que no es la latencia de la respuestalo que nos enfoca en un sistema de tiempo real (esta latencia a veces está en el orden delos segundos), el enfoque en tiempo real de la latencia es el asegurarse de que la latenciadel sistema es la suficiente para resolver el problema que al cual el sistema está dedicadoFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  12. 12. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: ¿Qué son? 10 Controlador I/P LC 101 Variable manipulada Velocidad de flujo LY 101 Variable controlada Nivel del líquido LT 101 Control de Proceso Tiempo Real Continuos Control por Proceso Lotes (Batch) DiscontinuosFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  13. 13. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: ¿Qué son? 11 2 FT RTU #2 3 102 MTU Maestro-Esclavo 2 Scanning Maestro-Esclavo 1 FT Tubería / Oleoducto Maestro-Esclavo 1 103 FT 101 RTU #1 Maestro-Esclavo 3 RTU #3Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  14. 14. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: ¿Qué son? 12Si el tener una falla en el tiempo de latencia de unproceso del sistema lleva como consecuencia unerror en el sistema entonces esos procesos seconsideran de tiempo real duro.Si el tener una falla en un proceso del sistema noconlleva una falla en el sistema siempre y cuandoesta falla este dentro de ciertos límites establecidos(es posible fallar en la latencia una de cada 1000veces o una de cada 100, o fallar siempre y cuandoel error no exceda el 3% de la latencia) entoncesesos procesos se llaman procesos de tiempo realsuave.Si el funcionamiento incorrecto del sistema puedellevar a la perdida de vidas o catástrofes similaresentonces el sistema de tiempo real es nombradocomo sistema de tiempo real de misión crítica.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  15. 15. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: ¿Qué son? 13 Interruptor Eléctrico: En el orden de unos Tiempo de retardo pocos segundos. económicamente factible Bomba Eléctrica Sumergible: En el orden de los minutos. MTU FT 101 RTU Bomba de Viga: En el Maestro-Esclavo orden de horas. Quizás 24 horas. El tiempo de retardo del sistema debe ser el adecuado para no introducir problemas.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  16. 16. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: Parámetros Importantes 14 Velocidad (bps) Radio modem 1 … ¿Cuántas RTUs? Velocidad Eficiencia RTU RTU RTU 3 300 a 2400 bps 40% Eficiencia de la comunicación 4 Recibir información 3 de cada RTU Velocidad (bps) Dar instrucciones a cada RTU MTU Análogos 8 o 16 bits Tiempo de barrido (scan time) 2 ¿Cuántos datos? - ¿Qué tipo? 1) Número de RTUs … 2) Cantidad de datos (según la RTU más grande) Digitales 3) Velocidad de la transmisión de datos (bps) 1 o 2 bits 4) Eficiencia de la comunicación (Tefectivo / Ttotal)Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  17. 17. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: Parámetros Importantes 15 Ejemplo de cálculo para el tiempo de barrido1) Número de RTUs • Inicialmente se tienen 7 RTUs, pero se instalarán 20 RTUs en total2) Cantidad de datos (según la RTU más grande) • La RTU más grande tiene los siguientes parámetros  140 puntos de estado (abierto/cerrado, alto/bajo) 140  30 puntos digitales (alarmas) 030  10 medidores (16 bits c/u) 160  10 puntos análogos (16 bits c/u) 160 • La MTU envía los siguientes parámetros a la RTU  150 controles discretos (válvulas, motores) 150  6 posiciones para motores a pasos (16 bits c/u) 096  10 referencias (set points) para válvulas (16 bits c/u) 160 • Total de puntos (bits) 8963) Velocidad de la transmisión de datos (bps) • Se realiza la comunicación mediante una radio modem UHF a 1200bps4) Eficiencia de la comunicación (Tefectivo / Ttotal) • La eficiencia de la comunicación escogida es del 40% Por tanto, 20RTUs × 896bits = 17920bits ≈ 20000bits ÷ 1200bps = 17s ÷ 40% = 42.5sFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  18. 18. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: Parámetros Importantes 16 a b c Efecto estroboscópico Φ = 30in ≈ 0.76m Diámetro de la rueda L = πΦ = 94.25 ≈ 2.39m Longitud de la rueda T = 1/f = 1/60s × 6 = 0.1s Tiempo del destello de luz × número de radios V = L/T = 23.94m/s ≈ 86.18Kmh ≈ 53.55mph Velocidad de la rueda adelante f = 60Hz Frecuencia de “aliasing” atrás o solapamiento f = 60HzFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  19. 19. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: Parámetros Importantes 17Si se conocen los atributos físicos del proceso a ser controlado, incluyendo la frecuencianatural más alta, la frecuencia de solapamiento (aliasing) puede ser calculada. Muestreo de datos a Frecuencia de Muestreo de datos a frecuencias más altas aliasing del proceso frecuencias más bajas Llenado Caso1: 4min Caso2: 40s Cálculos pueden ser Cálculos deben ser hechos durante el barrido hechos antes del barrido Vaciado Caso1: 4min Caso2: 40s Cálculos pueden ser Cálculos deben ser hechos en la MTU Tiempo de barrido = 1min hechos en la RTU o e Frecuencia de barrido = 0.017Hz algún equipo localFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  20. 20. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: Independencia y Seguridad 18Ley de Murphy: “Si algo puede salir mal, saldrá mal!!!” “Si crees que las cosas están mal, no te preocupes, estarán peor!!!” Un sistema SCADA puede diseñarse y construirse para trabajar de forma impecable, pero en algún momento puede fallar. Entre más crítica sea una función del sistema, más rápida y más catastrófica será la falla. Dos sistemas no deberían depender del sistema SCADA: • Sistemas instrumentados de seguridad • Sistemas de medición del producto final (para facturar o pagar impuestos) Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  21. 21. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: Independencia y Seguridad 19 Sistemas normales de control MTU #2 Monitorean parámetros y realizan losRTU #2 ajustes necesarios para mantener el MTU #1 proceso dentro de límites normales. RTU #1 Sistemas instrumentados de seguridad Para reemplazar a los sistemas de control normales en caso de daños a las personas, al equipo o al entorno. 1) Deberían ser capaces de anular los sistemas normales de control 2) No deberían compartir componentes con los controladores normales 3) Deberían ser lo más simples posibles Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  22. 22. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: Independencia y Seguridad 20 Probabilidad de falla Muerte Perjuicio grave Perjuicio leve Sin Perjuicio A menudo Rara vez Decisión de la empresa Casi nunca Decisión de la empresa Nunca Consecuencia de la falla Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  23. 23. SISTEMAS DE TIEMPO REAL: Independencia y Seguridad 21 Lazo local de seguridad RTU S S R Simbología Instrumentación LSH 207 Entrada al Salida al limpiador compresor Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  24. 24. COMUNICACIONES: Importancia 22Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  25. 25. COMUNICACIONES: Importancia 23 +5V +5V Salida Salida 0V 0V Válvula cerrada Válvula abierta +5V Salida de Voltaje cerrada cerrada abierta abierta del Interruptor t 0VFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  26. 26. COMUNICACIONES: Importancia 24 +5V Estado de la Válvula t 0V Estado +5V Salida Registro Reloj de 1bit t Reloj +5V Salida del Registro t 0V 1 2 3Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  27. 27. COMUNICACIONES: Importancia 25 Posición de la válvula 3.0V +5V Abierta Señal Análoga Cerrada Conversor AD 0V VálvulaFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  28. 28. COMUNICACIONES: Importancia 26 Most Significant Bit+3.0V SI (+5V) M “1” 2.5V S 2.5V resto B 0.5V MSB: 1×2.500V = 2.5000V NO (0V) 1.25V “0” 0× 1.250V = 0.0000V resto 0×0.625V = 0.0000V 1.25V 0.5V LSB: 1×0.3125V = 0.3125V 2.8125V NO (0V) “0” 0.625V 0.625V resto 0.5V Precisión 1 en 16 SI (+5V) L 0.3125V “1” S 0.3125V Reloj B Least Significant Bit Conversor AD Registro de 4bit Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  29. 29. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 25 Red LAN Serial Un carácter después de otro Paralelo Todos los caracteres a la vez modem UPS Equipo para Comunicación de PLC DCE Datos MTU DTE DCE a / desde el modem UPS operador Equipo Terminal RTU de Datos DTE a / desde los Least Significant Bit dispositivos de campoFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  30. 30. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 26 Sistema abierto A Sistema abierto B Capa 7: Aplicaciones Modelo OSI Capa 7: Aplicaciones (Open System Capa 6: Presentación Interconection) Capa 6: Presentación Capa 5: Sesión Capa 5: Sesión Capa 4: Transporte ISO Capa 4: Transporte (International Capa 3: Red Organization for Capa 3: Red Standardization) Capa 2: Enlace Capa 2: Enlace Capa 1: Física Capa 1: Física Medio de ComunicaciónFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  31. 31. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 27 Muestra a todos los potenciales receptores que un mensaje está Sincronización (8bits) próximo y provee una referencia que puede ser utilizada por cada receptor para sincronizar su reloj con el reloj del transmisor. Dirección Remota (8bits) Define la estación a la cual el mensaje será enviado. Los 8bits (octeto/byte) permiten identificar a cualquiera de las 256 estaciones. Función (8bits) Define cual de los 256 tipos de mensajes será enviado. Dirección Interna (8bits) Describe a qué conjunto de registros, dentro de la estación receptora, está dirigido el mensaje. Modificador (8bits) Modifica la dirección interna y define cuántas palabras están incluidas en el mensaje. Órdenes Especiales (8bits) Contiene mensajes acerca de las condiciones de la MTU y la RTU. Es un campo de longitud variable de 0 a 192bits. Datos (0-192bits) Es un código de redundancia cíclica de 16bits basado en la fórmula CRC (16bits) de Bose Chaudhuri Hocquenguem (BCH) para detectar errores de transmisiónFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  32. 32. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 28 16 14 13 11 10 9 8 6 5CRC (255, 239) BCH x x x x x x x x x x 1 1111 1111 1111 1111 Registro de 16bits 0100 0000 Primeros 8bits del mensaje Generador Polinomial 1011 1111 1111 1111 XOR 1 0111 1111 1111 1110 Mover los bits hacia la izquierda (b = 1) 1 0110 1111 0110 0011 0110 1111 0110 0011 Añadir el generador polinomial 0110 1111 0110 0011 0001 0000 1001 1101 XORDato (8bits) 0100 0000 0 0010 0001 0011 1010 Mover los bits hacia la izquierda (b = 0) 0 0100 0010 0111 0100 Mover los bits hacia la izquierda (b = 0) 0 1000 0100 1110 1000 Mover los bits hacia la izquierda (b = 0)El proceso se realiza hasta completar 8movimientos de bits hacia la izquierda. 1 0000 1001 1101 0000 Mover los bits hacia la izquierda (b = 1) 0110 1111 0110 0011 Añadir el generador polinomialSi hubiesen bits adicionales en lapalabra, se haría el mismo 0110 0110 1011 0011 XORprocedimiento y así sucesivamente. 0 1100 1101 0110 0110 Mover los bits hacia la izquierda (b = 0)El CRC es el resultado obtenido luego 1 1001 1010 1100 1100 Mover los bits hacia la izquierda (b = 1)del octavo movimiento. El CRC será 0110 1111 0110 0011 Añadir el generador polinomialtransmitido después de la palabra-dato 1111 0101 1010 1111 XORde 8bits, es decir, dato + CRC. 1 1110 1011 0101 1110 Mover los bits hacia la izquierda (b = 1)Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  33. 33. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 29 f(t) Función original t f(t) Aproximación con un término t f(t) Aproximación con tres términos t f(t) Aproximación con diez términos tFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  34. 34. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 30 Onda La impedancia de los portadora cables causa que la señal se atenúe. Señal a modularse Señal moduladaFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  35. 35. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 31 Señal Amplitud modulada El ruido atmosférico está relacionado a la amplitud (AM) . Frecuencia moduladaFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  36. 36. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 32 Comunicación Sincrónica Comunicación AsincrónicaFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  37. 37. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 33 Simplex Half-Duplex Full-DuplexFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  38. 38. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 34INTERNET• Es una red de redes a escala mundial.• Interconecta millones de computadores.• A todo el conjunto de protocolos usados por Internet se les denomina la suite TCP/IP.• Esta suite implementa las capas sobre las cuales funciona Internet.• Utiliza el protocolo IP (Internet Protocol) en conjunto con muchos otros más (TCP, UDP, HTTP, POP3, etc.). • Estándar que define el modo en que los sistemas intercambian información en Internet. • Provee mecanismos para fragmentar y llevar la PROTOCOLO IP información desde un equipo a otro a través de la red. • Equivale a la capa 3 del modelo OSI/ISO. • Cada mensaje a enviar es dividido en “paquetes”, el cual contiene además la dirección de origen y destino (direcciones IP).Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  39. 39. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 35 Sitios de Internet por paísesFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  40. 40. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 36DIRECCIONES IP• Identifican a un computador en forma única dentro de una red (LAN, Internet, etc.)• Se compone de 4 bloques que van entre 0 y 255 separados por puntos. Ejemplo: 74.125.45.100• Para recordarlas se usan los llamados “dominios”. Ejemplo: www.google.com• A través de DNS (Domain Name System) los dominios se transforman en direcciones IP: www.google.com  74.125.45.100• Hay rangos que no pueden usarse en Internet (son para uso privado): 10.0.0.0  10.255.255.255 172.16.0.0  172.31.0.0 192.168.0.0  192.168.255.0• Otros rangos están reservados (son experimentales): 224.0.0.0  254.0.0.0Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  41. 41. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 37CLASES DE REDES• IANA (Internet Assigned Number Authority): empresa que reparte las direcciones IP.• Existen 3 clases de direcciones IP que se pueden otorgar: • Clase A: • desde 1.0.0.0  127.0.0.0 • 1 sola red, 1.6 millones hosts • Se les otorga sólo a los gobiernos de todo el mundo. • Clase B: • desde 128.0.0.0  191.255.0.0 • 16.320 redes, 65.024 hosts • Se les otorga a las medianas empresas. • Clase C: • 192.0.0.0  223.255.255.0 • 2 millones de redes, 254 host • Para el resto de los solicitantes. • Clase D, E y F: • 224.0.0.0  254.0.0.0 • Sólo para uso experimental.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  42. 42. COMUNICACIONES: Protocolos y Tipos de Comunicación 38CLASES DE REDES• Dado el gran crecimiento de Internet, se están acabando las direcciones IP (IPv4).• En la mayoría de las redes, exceptuando las más pequeñas, resulta conveniente dividir la red en subredes. Dentro de cada subred, la primera y la última dirección no son utilizables; de todos modos no siempre se utilizan todas las direcciones restantes.• IPv4 usa direcciones de 32 bits, limitándola a 232 = 4.294.967.296 direcciones únicas.• Por esto se creó una segunda versión de IP, llamada IPv6: • Las direcciones se escriben como 6 bloques de 4 dígitos hexadecimales que van desde 0000 hasta FFFF. Ejemplos: 2001:0123:0004:00AB:0CDE:3403  2001:123:4:AB:CDE:3403• En teoría permite conectar a 3.403 x 1038 computadores al mismo tiempo.• Si la Tierra estuviera hecha sólo de granos de arena, IPv6 permitiría darle a cada grano, en 300 millones de planetas del tamaño de la Tierra, una dirección única.• IPv6 no ha logrado reemplazar a IPv4 porque: • Requiere modificar las aplicaciones. • Proxy y NAT (Network Address Translation) permiten compartir una dirección IP entre varios equiposFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  43. 43. COMUNICACIONES: Dispositivos de Red y Radio 39PROTOCOLO TCP• Transmission Control Protocol.• Es uno de los protocolos principales de la suite TCP/IP (es el más utilizado de Internet).• Implementa la capa 4 del modelo OSI/ISO.• Usando TCP los programas pueden establecer conexiones entre distintos computadores y enviar datos a través de esta conexión.• TCP garantiza que los datos enviados serán recibidos en el mismo orden por el receptor.• Para enviar la información TCP crea paquetes: • Sobre TCP se utilizan otros protocolos de transmisión, entre los cuales destacan: • HTTP: Transmisión de páginas web. • FTP: Transmisión de archivos. • SMTP: Envío de correo electrónico. • SSH: Para conectarse remotamente a un servidor UNIX/LINUX. • MSN: Para enviar mensajes. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  44. 44. COMUNICACIONES: Dispositivos de Red y Radio 40PROTOCOLO UDP• User Datagram Protocol• Junto con TCP, son los principales protocolos de la suite TCP/IP• A través del Protocolo UDP los programas pueden enviarse mensajes cortos, que se les denomina “datagramas”.• UDP no garantiza el orden ni la consistencia de los datos (como lo hace TCP).• Por esto último es mucho más rápido y eficiente, pero poco confiable.• Los datagramas son de la siguiente forma: • Algunos protocolos y aplicaciones que utilizan UDP son: • DNS: Resuelve los dominios a direcciones IP • VoIP: Voice Over IP • Streaming Media: cualquier aplicación que transmita video/audio por la red. • Juegos Online: Quake2, Lineage, Unreal Tournament, etc.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  45. 45. COMUNICACIONES: Dispositivos de Red y Radio 41MODEM• Computadores procesan señales digitales mientras que las líneas telefónicas son análogas.• Un modulador emite señal analógica constante (portadora).• Para transmitir datos digitales se modifica alguna característica de la señal portadora.• Así se indica si se está transmitiendo 0/1.• El demodulador interpreta los cambios en la portadora para reconstruir el flujo de datos digitales. • V.32. Transmisión a 9.6 Kbps. • V.32bis. Transmisión a 14.4 Kbps. • V.90. Transmisión a 56.6 Kbps. • V.92. Mejora sobre V.90 con compresión de datos y llamada en espera.• Módems DSL • Utilizan un espectro situado encima de la banda vocal (300 - 3400 Hz) del cable telefónico. • Permiten alcanzar velocidades mucho mayores que un módem telefónico. • Posibilidad de establecer comunicación telefónica por voz simultáneamente. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  46. 46. COMUNICACIONES: Dispositivos de Red y Radio 42TARJETA DE RED SWITCH• Permite la comunicación y el intercambio de • Un switch interconecta dos o más información entre computadoras en Red. segmentos de red.• Velocidad transmisión 10/100/1000 Mbps • Opera en la capa 2 OSI.• Posee número de identificación único de 48 bits, • Disminuye colisiones. en hexadecimal llamado MAC (Media Access • Retransmite solo al punto de destino. Control address). ROUTER HUB • Dispositivo de interconexión de redes o • Dispositivo que permite centralizar el computadores. cableado de una red. • Opera en la capa 3 OSI. • Opera en la capa 1 OSI. • Toma decisiones lógicas con respecto a la • Repite cada paquete de datos en cada uno mejor ruta para el envío de datos en base a: de los puertos. • dirección IP • Ancho de banda compartido. • tráfico de red en sus interfaces • Base de redes tipo estrella. • velocidad Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  47. 47. COMUNICACIONES: Dispositivos de Red y Radio 43Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  48. 48. COMUNICACIONES: Dispositivos de Red y Radio 44 GATEWAY • Permite a máquinas de una red local (LAN) acceso a una red exterior • Generalmente realiza operaciones de traducción de direcciones IP (NAT: Network Address Translation). • Ejemplo de puerta de enlace: 192.168.100.1 PROXY • Programa o dispositivo que realiza una acción en representación de otro. • Cuando un equipo de la red desea acceder a una información o recurso, es el proxy quien realiza la comunicación y a continuación traslada el resultado al equipo inicial. • Porque no es posible la comunicación directa o porque añade funcionalidad adicional (ej. cache).Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  49. 49. COMUNICACIONES: Dispositivos de Red y Radio 45FIREWALL• Elemento de hardware o software.• Protege de intrusiones.• Protección de información privada.• Protección contra virus• DeMilitarized Zone: permite que servidores interiores provean servicios al exterior, mientras protege la red interior. ACCESS POINT • Dispositivo transmisor/receptor en una WLAN (Wireless Local Area Network). • Se conecta a la red alambrada desde un punto fijo utilizando un cable Ethernet. • Hasta 30 usuarios simultáneos. • Rango de 30 a 100 metros. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  50. 50. COMUNICACIONES: Dispositivos de Red y Radio 46RADIO• La radio es una tecnología que posibilita la transmisión de señales mediante la modulación de ondas electromagnéticas. Estas ondas no requieren un medio físico de transporte, por lo que pueden propagarse tanto a través del aire como del espacio vacío.• Una onda de radio se origina cuando una partícula cargada (por ejemplo, un electrón) se excita a una frecuencia situada en la zona de radiofrecuencia (RF) del espectro electromagnético. Otros tipos de emisiones que caen fuera de la gama de RF son los rayos gamma, los rayos X, los rayos cósmicos, los rayos infrarrojos, los rayos ultravioleta y la luz.• Cuando la onda de radio actúa sobre un conductor eléctrico (la antena), induce en él un movimiento de la carga eléctrica (corriente eléctrica) que puede ser transformado en señales de audio u otro tipo de señales portadoras de información.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  51. 51. INTERFACES DE OPERADOR: IHM 50Un sistema SCADA recolecta datos y los presenta a un usuario, de forma que éste puede tomardecisiones sobre el sistema. La interfaz del operador es la “intersección” a partir de la cual lainformación viaja desde el sistema SCADA hacia el operador y desde el operador hacia el sistemaSCADA. MODEMS OPERADOR I/O MODEMS RADIOS INTERNET PLC Red MODEMS LAN MTU o HOST PC RTU PLC RTU HMI SOFTWARE IEDs, SENSORES, PLCaFacultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  52. 52. INTERFACES DE OPERADOR: IHM 51 Los cuartos de control convencionales tienen políticas internas para asegurar que solo las personas que están autorizadas puedan efectuar cambios. Hasta en el nivel más básico hay seguridad para el acceso. Los servicios del sistema frecuentemente son aislados para mantener al público y los visitantes distantes de los procesos importantes del sistema. Los accesos al sistema de control son muy estrictos mediante claves de acceso, contraseñas y mecanismos de seguridad.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  53. 53. INTERFACES DE OPERADOR: IHM 52Dentro del cuarto de control y a través de todo el proceso, existen políticas que permiten solo aciertos grupos de empleados ajustar algunos parámetros de control mientras que otros grupostienen acceso a diferentes partes del sistema. La mayor parte de este procedimiento se lleva acabo dentro del mismo sistema SCADA.El concepto de aislamiento físico es el primer nivel de seguridad. Los cuartos de operaciónusualmente están ubicados en oficinas o centros de control resguardados y/o monitoreados. Solociertos grupos de empleados pueden acceder a éstos.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  54. 54. INTERFACES DE OPERADOR: IHM 53Normalmente el acceso a los datos no está restringido. Se asume que cualquier persona queaccede al cuarto de control está autorizada a ver los datos que el sistema está recolectando . Elsistema de monitoreo no diferencia entre los usuarios autorizados o no autorizados que lo estánobservando.En los últimos tiempos se ha invertido mucho esfuerzo para conseguir que las interfaces deoperador sean sencillas de utilizar y que las personas requieran muy poco o ningún tipo deentrenamiento para manejar el sistema.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  55. 55. INTERFACES DE OPERADOR: IHM 54En el pasado se utilizaban cerraduras físicas para restringir la operación en el teclado o en otrosmedios del operador, pero esto era muy incómodo, así como una pérdida de tiempo y limitado.Los actuales procedimientos de seguridad utilizan restricciones de software o contraseñas parapermitir diferentes clases de operaciones de control. Usualmente es suficiente contar con tresniveles de operación, pero algunos sistemas proveen cinco o más.La tecnología de las contraseñas a progresado al punto de que ahora es muy práctico, mantenerseinformado acerca de los cambios que se han hecho y quienes los han hecho. Esta tecnología es aveces usada y a veces no, dependiendo de los potenciales peligros en cuestión y de la filosofía dela compañía dueña del sistema.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  56. 56. INTERFACES DE OPERADOR: IHM 55Un operador que controla el proceso podría serasignado con el nivel uno. Este nivel le permitiría Nivel de Empleados Funciónajustar los set-points así como los puntos de alarma, Seguridad Asignados Disponibleademás podría prender o apagar algunos equipos. Ver todas las A Todos pantallasLos técnicos de instrumentación podrían sercolocados en un segundo nivel, mediante el cual Funciones de A y Operadorespodrían encargarse de problemas en el sistema de B control de set nuevvoscomunicaciones, detalles de los accesos acerca de points y alarmasla frecuencia de varios tipos de alarmas y ajustes en Funciones de B y Operadoreslos sensores y alarmas. C cambiar los calificados puntos de alarmaLos ingenieros en sistemas pudiesen ser asignados Funciones de C y Técnicosa otro nivel que les permitiría acceder y modificar D instrument. ajustar controleslos algoritmos de programación y cambiar factores y panelesde cálculos en las mediciones. Configuraciones complejas, Ingenieros delEl administrador del sistema podría ser asignado a E asignación de Sistemaun nivel que le permita asignar o cambiar códigos decontraseñas y realizar otras funciones seguridadespecializadas del sistema. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  57. 57. INTERFACES DE OPERADOR: CONTROL Y ALARMAS 56Dos de las justificaciones económicas para instalar un sistema SCADA son:1) Mantener al sistema corriendo2) Regresar al sistema a operación normal cuando este ha sufrido algún problemaCuando los sistemas de protección operan y dan de baja al proceso, el operador debe ser avisadoinmediatamente de manera que la condición de alarma sea rectificada y la para del sistema seaminimizada. Para esto, la MTU trata a las alarmas de una manera especial. En el campo y en laRTU las alarmas son tratadas de la misma manera como cualquier otro punto de estado delsistema. Alarma!!! MTU RTUEsta alarmas existen como niveles de voltaje a la salida de un interruptor físico o electrónico yademás influyen la programación de las posiciones de los registros. Sin embargo, una vez que lasalarmas llegan a la MTU, éstas son tratadas de forma distinta. La condición de cada punto que hasido identificado como una alarma se compara con su condición en el barrido anterior.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  58. 58. INTERFACES DE OPERADOR: CONTROL Y ALARMAS 57Un sistema SCADA puede monitorear más de 3000 puntos de alarmas. Si cien de estos puntosestuviesen en estado de alarma (es decir, en una situación no usual) y el operador fueseinformado de cada uno de los barridos, la sobrecarga de información podría llevar al sistema a sucolapso. Para evitar esto existen los denominados “reportes por excepción”, los cuales avisan aloperador acerca de las alarmas solo cuando su estado ha cambiado.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  59. 59. INTERFACES DE OPERADOR: CONTROL Y ALARMAS 58 En grandes sistemas, aún cuando la cantidad de información puede ser demasiado extensa, por lo que pueden ocurrir las denominadas “tormentas de alarmas”, las cuales inundan al operador con grandes cantidades de indicadores de alarma que agobian a la persona y ocasionan que no sepa como responder. Si consideramos el régimen de alarma de una plataforma de producción petrolera sin operarios se pueden listar cuatro posibles condiciones de alarma: 1. El generador eléctrico falla 2. La bomba de transferencia se para 3. Fuego en el módulo del generador 4. Bajo nivel de combustible en el generador Si el generador ha fallado, la bomba eléctrica no operará, por lo que no será necesario reportar al operador acerca de cada uno de estos eventos. La MTU puede ser programada para inhibir la señal de que la bomba eléctrica se ha parado si la alarma indicadora de que el generador ha fallado está encendida. Este evento se denomina modo de anulación. Esto puede reducir la carga durante el trastorno del proceso cuando el operador está muy ocupado. Las otras dos alarmas podrían ser no anuladas si pueden ser respaldadas por baterías (procedimiento normal para muchos subsistemas).Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  60. 60. INTERFACES DE OPERADOR: CONTROL Y ALARMAS 59 Algunas condiciones de alarmas son más importantes que otras. Algunas no causan reacción, sino más que algún comentario en el próximo reporte de mantenimiento de rutina. Sin embargo, en la mayoría de los sistemas SCADA todos los cambios en los estados de alarma son apuntados y temporizados o estampados en el tiempo. La estampa de tiempo es generada por la MTU cuando ésta recibe el dato a ser registrado. Para sistemas con largos barridos, este tiempo puede ser tanto como media hora después de que el evento ha ocurrido. Si una alarma no está siendo ocultada, esta será chequeada como una prioridad. Cuando se configura al sistema, cada alarma es asignada con una prioridad. Pueden haber entre uno y cinco niveles de prioridad.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  61. 61. INTERFACES DE OPERADOR: CONTROL Y ALARMAS 60Por ejemplo, un primer nivel de alarma, el más bajo, puede ser registrado en una pantalla especialde registro de alarmas visuales. El segundo nivel de alarma, podría provocar el mismo resultadoanterior, pero adicionalmente causaría que un sector de la pantalla centellee, de forma de alertar aloperador sobre la información adicional. El más alto nivel de prioridad podría además de serimpreso en la pantalla y resaltado mediante una luz resplandeciente, tener algún tipo de alarmaaudible para que el operador se cerciore lo más pronto posible de la posible falla en el sistema. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  62. 62. INTERFACES DE OPERADOR: CONTROL Y ALARMAS 61Generalmente, a pesar de que el sistema vuelva a su estado normal, estas alarmas no se restablecenmientras el operador no tome conocimiento de las mismas.Debido a que las funciones de control disponibles están limitadas y a menudo son de caráctersupervisorio, las pantallas de interface de operador que permiten estos cambios no deben sercomplejas.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  63. 63. INTERFACES DE OPERADOR: CONTROL Y ALARMAS 62 Todo lo que sea necesario para guiar al operador durante el desarrollo de sus tareas debe ser colocado en las pantallas de interfaz. Colocando de forma ordenada todos los elementos del sistema con sus debidas señalizaciones y advertencias. Algunas pantallas de control presentan una columna adicional, en donde se indica la nomenclatura utilizada y el estado de las funciones de control. También se suelen mostrar advertencias de que alguna orden ha sido dada pidiendo la confirmación respectiva al operador de turno. Una determina acción puede requerir una secuencia definida de operaciones con sus respectivas confirmaciones para que todas las posibles condiciones sean validadas. A parte de conocer el estado de los cambios asociados a los comandos de control en curso, el operador debe estar informado del estado de muchas otras partes y piezas del equipo que está bajo su control y de muchos otros que no lo están. Una pantalla de estado del sistema bien diseñada permite que el operador haga un buen recorrido. El operador puede moverse dentro de todo el proceso a través de cada una de las áreas que lo componen. Con un poco de experiencia los operadores pueden llegar a estar muy bien informados de mucha información del sistema contenida en un pequeño número de puntos.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  64. 64. INTERFACES DE OPERADOR: REPORTES 63En muchos de los primeros sistemas SCADA, la interface de operación consistía en cajas deluces y bancos de botones e interruptores montados en largos paneles. Los sistemas más actualescon mucho más visuales y amigables, describiendo de mejor manera a todo el proceso. El nivelmás bajo de complejidad significa que la pantalla de un computador monocromático que soportacaracteres alfanuméricos es suficiente para mover la información en ambos sentidos paraoperadores de experiencia. Los interfaces gráficos a color más avanzados permiten que losoperadores de menos experiencia entiendan y actúen de forma más rápida y con menos esfuerzoante las diversas situaciones que se pueden presentar en el sistema.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  65. 65. INTERFACES DE OPERADOR: REPORTES 64Además, muchas otras características han sido adicionadas a los interfaces del operación comoson distintos tipos de menús y gráficas en tiempo real de los procesos. La mayoría de losdiseñadores de software incorporan estas características en sus programas de interfaz.Muchos de los reportes para los sistemas SCADA son impresos o archivados automáticamente aun determinado tiempo. Otro grupo espera a que una orden sea impartida. Los estados de lasalarmas son los tipos más comunes de reportes que se imprimen automáticamente.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  66. 66. APLICACIONES 66Las aplicaciones de los sistemas SCADA están especialmente diseñadas para funcionar sobrecomputadores en el control de producción, proporcionando comunicación con los dispositivos decampo (por ejemplo, controladores autónomos) y controlando el proceso de forma automática desde lapantalla del centro de control. Además, proveen toda la información que se genera en el procesoproductivo a diversos usuarios, tanto del mismo nivel como de otros niveles supervisores dentro de laempresa (supervisión, control calidad, control de producción, almacenamiento de datos, etc.).Comprenden todas aquellas soluciones de aplicación para referirse a la captura de información de unproceso o planta, no necesariamente industrial, para que, con esta información, sea posible realizar unaserie de análisis o estudios con los que se pueden obtener valiosos indicadores que permitan unaretroalimentación sobre un operador o sobre el propio proceso, tales como:• Indicadores sin retroalimentación inherente (no afectan al proceso, sólo al operador): • Estado actual del proceso. Valores instantáneos; • Desviación o deriva del proceso. Evolución histórica y acumulada;• Indicadores con retroalimentación inherente (afectan al proceso, después al operador): • Generación de alarmas; • HMI - Human Machine Interface (Interfaces hombre-máquina); • Toma de decisiones (mediante operación humana o la utilización de sistemas basados en el conocimiento o sistemas expertos). Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  67. 67. APLICACIONES 67Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  68. 68. APLICACIONES 68Entre las aplicaciones de los sistemas SCADA podemos mencionar:• Monitorear procesos químicos, físicos o de transporte en sistemas de suministro de agua, para controlar la generación y distribución de energía eléctrica, de gas o en oleoductos y otros procesos de distribución.• Gestión de la producción (facilita la programación de la fabricación).• Mantenimiento (proporciona magnitudes de interés tales para evaluar y determinar modos de fallo, MTBF, índices de fiabilidad, entre otros).• Control de Calidad (proporciona de manera automatizada los datos necesarios para calcular índices de estabilidad de la producción CP y CPk, tolerancias, índice de piezas NOK/OK, etc.• Administración (actualmente pueden enlazarse estos datos del SCADA con un servidor ERP (Enterprise Resource Planning o sistema de planificación de recursos empresariales), e integrarse como un módulo más).• Tratamiento histórico de información (mediante su incorporación en bases de datos). Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  69. 69. APLICACIONES 69Una interfaz Hombre - Máquina o HMI ("Human Machine Interface") es el aparato que presenta losdatos a un operador (humano) y a través del cual éste controla el proceso. Los sistemas HMI podemospensarlos como una "ventana del proceso". Esta ventana puede estar en dispositivos especiales comopaneles de operador o en un ordenador. Las señales del proceso son conducidas al HMI por medio dedispositivos como tarjetas de entrada/salida en el ordenador, PLCs (Controladores lógicosprogramables), PACs (Controlador de automatización programable ), RTU (Unidades remotas de I/O)o DRIVERs (Variadores de velocidad de motores). Todos estos dispositivos deben tener unacomunicación que entienda el HMI.La industria de HMI nació esencialmente de la necesidad de estandarizar la manera de monitorear y decontrolar múltiples sistemas remotos, PLCs y otros mecanismos de control. Aunque un PLC realizaautomáticamente un control pre-programado sobre un proceso, normalmente se distribuyen a lo largode toda la planta, haciendo difícil recoger los datos de manera manual, los sistemas SCADA lo hacende manera automática. Históricamente los PLC no tienen una manera estándar de presentar lainformación al operador. La obtención de los datos por el sistema SCADA parte desde el PLC o desdeotros controladores y se realiza por medio de algún tipo de red, posteriormente esta información escombinada y formateada. Un HMI puede tener también vínculos con una base de datos paraproporcionar las tendencias, los datos de diagnóstico y manejo de la información así como uncronograma de procedimientos de mantenimiento, información logística, esquemas detallados para unsensor o máquina en particular, incluso sistemas expertos con guía de resolución de problemas. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  70. 70. APLICACIONES 70Desde cerca de 1998, virtualmente todos los productores principales de PLC ofrecen integración consistemas HMI/SCADA, muchos de ellos usan protocolos de comunicaciones abiertos y nopropietarios. Numerosos paquetes de HMI/SCADA de terceros ofrecen compatibilidad incorporadacon la mayoría de PLCs, incluyendo la entrada al mercado de ingenieros mecánicos, eléctricos ytécnicos para configurar estas interfaces por sí mismos, sin la necesidad de un programa hecho amedida escrito por un desarrollador de software. SCADA es popular debido a esta compatibilidad yseguridad. Ésta se usa desde aplicaciones pequeñas, como controladores de temperatura en unespacio, hasta aplicaciones muy grandes como el control de plantas nucleares.La solución de SCADA a menudo tiene componentes de sistemas de control distribuido, DCS(Distribuited Control System). El uso de RTUs o PLCs o últimamente PACs sin involucrarcomputadoras maestras está aumentando, los cuales son autónomos ejecutando procesos de lógicasimple. Frecuentemente se usa un lenguaje de programación funcional para crear programas quecorran en estos RTUs y PLCs, siempre siguiendo los estándares de la norma IEC 61131-3. Lacomplejidad y la naturaleza de este tipo de programación hace que los programadores necesiten ciertaespecialización y conocimiento sobre los actuadores que van a programar. Aunque la programación deestos elementos es ligeramente distinta a la programación tradicional, también se usan lenguajes queestablecen procedimientos, como pueden ser FORTRAN, C o Ada95. Esto les permite a los ingenierosde sistemas SCADA implementar programas para ser ejecutados en RTUs o un PLCs. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  71. 71. APLICACIONES 71Los sistemas SCADA han evolucionado en 3 generaciones de la siguiente manera:Primera Generación: "Monolíticos“En la primera generación los cálculos eran hechos por un computador central. Las redes no existían.Por lo que los sistemas SCADA eran sistemas independientes sin conectividad hacia otros sistemas.Más tarde, se diseñaron redes para áreas más amplias, para la comunicación de las RTU hacia elexterior y entre las mismas. Los protocolos de comunicación utilizados fueron a menudo patentados almismo tiempo que se creaban. La primera generación de sistemas SCADA fue redundante desde elmismo sistema central de cómputo pues éste era conectado en un nivel del bus de datos y era utilizadoen el caso de falla del computador principal. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  72. 72. APLICACIONES 72Segunda Generación: "Distribuidos“El procesamiento fue distribuido a lo largo de múltiples estaciones las cuales fueron conectadas através de redes LAN y compartían información en tiempo real. Cada estación era responsable de unatarea en particular lo cual hacía que el tamaño y el costo de cada estación sea menor que el de unautilizada en la primera generación. Los protocolos de red utilizados eran aún en su gran mayoríapatentados, lo cual muchas veces significaba problemas de seguridad en cualquier sistema SCADAque era atacado por algún “hacker”. A partir de que los protocolos fueron patentados, muy pocaspersonas a parte de los desarrolladores y hackers sabían lo suficiente como para determinar como fueinstalado el sistema SCADA. Desde que ambas partes han cedido intereses para poder mantener losaspectos de seguridad tranquilos, la seguridad de instalación de un sistema SCADA a menudo se hasobreestimado, en especial si el sistema es considerado como un todo. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  73. 73. APLICACIONES 73Tercera Generación: “Conectados“La actual generación de los sistemas SCADA utiliza sistemas de arquitectura abierta en lugar deentornos controlados (patentados) por un vendedor. El sistema SCADA utiliza estándares y protocolosabiertos que se distribuyen de forma funcional a lo largo de una red WAN en lugar de una red LAN.Es fácil conectar dispositivos periféricos de terceros tales como impresoras, discos externos,memorias, pues éstos también usan arquitecturas abiertas. Los protocolos WAN tales como el InternetProtocol (IP) son usados para la comunicación entre la estación maestra y los equipos decomunicaciones. Debido al uso de protocolos estándar y al hecho de que muchos sistemas SCADAson accesibles a través del internet, éstos sistemas son potencialmente más vulnerables para ataquesremotos. Por toro lado, el uso de protocolos estándar y técnicas de seguridad significa que todas estasmejoras son aplicables a los sistemas SCADA, asumiendo que éstos reciben actualizaciones ymantenimientos periódicos. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  74. 74. APLICACIONES 74Un retraso en el tiempo asociado con latransferencia de información desde unsensor de campo hacia la RTU (o desdela RTU hacia un actuador montado encampo) debe ser esencialmente de cero.Las velocidades de escaneo (barrido) delas RTU son rápidas. Por otra parte,algunos retrasos significativos de tiemposon causados por las bajas velocidadesen las comunicaciones de datos yprotocolos, lo cual estimula que la MTUrealice interrogatorios regularesprogramados en cada punto del sistema.Muchas veces, el tiempo de retardorequerido para corregir problemas deeste tipo puede ser mayor a dos periodosde barrido (scan time). Este inherentetiempo de retardo no es crítico paramuchas aplicaciones, pero para otraspuede ser un factor determinante. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  75. 75. APLICACIONES 75Por ejemplo, un sistema SCADA puedemonitorear la operación de un banco decompresores y la distribución de unatubería para “aprender” si loscompresores están funcionando y ademásmantener un seguimiento de la presiónde gas en la línea. El gas es inyectado enpuntos específicos dentro de los pozos deaceite y la reducción resultante en ladensidad promedio del fluido afectadoprovoca más aceite por hora ha serobtenido en la superficie.Cada pozo tiene una productividaddiferente de aceite producido por unidadde gas inyectado. Si algunos de loscompresores fallan y la presión delsistema de distribución empieza a caer,algunos pozos pararán de producir. Estossistemas de disipación de gas pueden sermuy grandes. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  76. 76. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 77 Alcanzar decisiones económicas puede parecer un proceso simple. Añadir todos los beneficios, substraer todos los costos, y si el resultado es positivo, hacerlo! En el mundo real, sin embargo, la vida rara vez es tan simple. El diseño de un sistema SCADA es un proceso iterativo. Cada incremento que aumenta los beneficios (capacidad) del sistema crea un correspondiente incremento (no lineal) en su costo. Si la corporación que adquirirá el sistema no tiene una infraestructura SCADA en la cual construir, el costo que obtendrá será demasiado alto. Uno de los costos más altos del sistema lo constituye la MTU. Si estos costos no pueden ser prorrateados, los enlaces de comunicación también serán altos. Los compromisos y costos para una compañía que desee adquirir experiencia en sitio sobre el desarrollo e implementación de sistemas SCADA puede llegar a ser alto. Los potenciales altos costos de una o dos malas decisiones hechas durante las etapas iniciales del desarrollo del sistema pueden agravar su costo. Expertos en la tecnología SCADA pueden actuar como consultores, pero esto no asegurará un 100% de éxito en el proyecto, pues hay muchos aspectos que son únicos para cada caso.Facultad de Ingeniería Eléctrica y ElectrónicaEscuela Politécnica Nacional del Ecuador
  77. 77. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 78Si el valor temporal del dinero no es tomado en cuenta puede traer decisiones erróneas. Dice lahistoria que la isla de Manhattan fue comprada a los indios de Manhattan para el comercio de bienespor $24. La mayoría de las personas que escuchan esta historia sienten que los compradoresobtuvieron lo mejor del trato, sin embargo resulta interesante hacer un pequeño análisis de valortemporal. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  78. 78. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 79Asumamos que la compra de la isla de Manhattan tuvo lugar en 1926, que los $24 fueron invertidosal 7.2% compuesto y que los inversores no pagaron impuestos sobre el interés. Existe una regla quedice que una cantidad de dinero se duplicará cuando el producto de la tasa interés por el periodo deinversión es igual a 72. Esto lógicamente se denomina “La regla del 72”. Al 7.2% , la inversión seduplicaría cada 10 años (7.2 x 10 = 72): En 1626 la inversión tenía un valor de $24. En 1636 lainversión tenía un valor de $48. En 1646 la inversión tenía un valor de $96. En 1656 la inversióntenía un valor de $192.A partir de esto, puede desarrollarse una fórmula para cualquier año: Valor presente (VP) = $24 x 2[(año actual - 1626)]/10En 1726 la inversión tenía un VP de $24 576. En 1826 la inversión tenía un VP de $25 165 824. En1926 la inversión tenía un VP de $25 769 803 000.El cálculo muestra que en el 2009, el VP será de alrededor de $8.1 billones ($8.1 millones demillones) (http://eliax.com/index.php?/archives/2994-1-Billion-en-ingles-es-diferente-a-1-Billon-en-espanol.html). Lo que acá se ha calculado es el valor presente de la inversión al 7.2% de interés, elcual a menudo se escribe como VP7.2. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  79. 79. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 80Cuando se hacen cálculoseconómicos, se deberían usar lastasas de interés disponibles almomento de hacer la inversión. Sedebería seleccionar estos valorespara revisar si una decisión deinversión es sensible a varias tasasde interés. Si una compañía puedeobtener un 10% de interés en unainversión se debería calcular elVP10, pero además se deberíacalcular el VP13 y el VP7 paraobservar cuán sensitiva es lainversión con un 3% de cambio en latasa de inversión.De la misma forma que se puedecalcular el valor presente de unainversión hecha en el pasado, sepuede determinar el valor presentede un costo que deberá ser pagadoen el futuro. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  80. 80. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 81Como parte de un sistema SCADA propuesto, se sabe que se debe pagar $200 000 para colocar cablede fibra óptica a lo largo de tres sitios donde existen tres RTUs. Este pago debe ser realizado durantedos años a partir de ahora. Se puede obtener un 10% de interés por el dinero (sin tomar en cuenta losimpuestos). ¿Cuál es el valor presente del cable de fibra óptica? Tomar en cuenta que el valorpresente de un costo futuro puede ser interpretado como la cantidad de dinero que debe ser invertidaahora para producir en el futuro.Para este cálculo se utilizará la fórmula de interés común A = P x (1 + i)t, donde A es la cantidadacumulada, P es el capital principal, i es la tasa de interés por unidad de tiempo, y t es el tiempo ennúmero de unidades.Se conoce que la cantidad acumulada es $200 000, la tasa de interés es de 10% por año, y el tiempoes de dos años. Por tanto, el capital principal será: P = A / (1 + i)t = $200 000 / (1 + 0.1)2 = $165 289Esta es la cantidad de dinero que se tendrá que colocar ahora en el presupuesto al 10% de interés paratener $200 000 en el tiempo que el cable de fibra óptica necesita ser colocado.El valor presente de un beneficio que se ganará al tener un sistema SCADA puede calcularse de unamanera similar. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  81. 81. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 82El ingeniero de operaciones de una compañía eléctrica estima que la mejora en el uso de lasfacilidades que un sistema SCADA puede hacer posible, hará innecesaria la compra de $300 000 deenergía eléctrica cada año al país vecino. El aplazamiento de esta compra de energía será posible porocho años a partir de ahora. La tasa de interés es del 12% (sin tomar en cuenta los impuestos). LAconstrucción del sistema SCADA tardará dos años. ¿Cuál es el VP12 de este beneficio?Durante el año 1, el sistema SCADA no está construido, por tanto no hay beneficios.Durante el año 2, el sistema SCADA no está construido, por tanto no hay beneficios.Durante el año 3, $300 000 de beneficios, promediados a mitad del año: VP = A / (1 + i)t = $300 000 / (1.12)2.5 = $225 983Durante el año 4, VP = $201 771; durante el año 5, VP = $180 152; durante el año 6, VP = $160 850;durante el año 7, VP = $143 616; durante el año 8, VP = $128 229. El VP12 total es la suma de todasestas cantidades: VP12 = $1 040 601.De la misma forma que el valor de los beneficios recibidos en el futuro debe ser descontado por unnúmero relacionado al interés, el valor futuro de alguno de estos detalles debe ser incrementado porun número relacionado a la inflación. Las tasas de trabajo, por ejemplo, pueden ser proyectadas sobreel tiempo de una manera más o menos predecible. El costo de una comodidad puede ser proyectadopara incrementarse o decrementarse en respuesta a la demanda demográfica, fuente natural y muchosotros factores. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  82. 82. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 83Los costos de capital son los primeros costos Ubicación Detalles de capitalconsiderados cuando la palabra “costos” es Ingeniería de diseño y construcción.mencionada. En efecto, estos costos son Unidad Terminal Maestra (MTU).usualmente significantes y fáciles de Cuarto de control (totalmente equipado).cuantificar. Normalmente estos costos Central Seguridad. UPS. Equipamiento deincluyen las labores de ingeniería e comunicaciones (radios, modems, antenasinstalación, los servicios técnicos de y torres etc.). Muebles.especialistas, almacenamiento, y transporte,además de los costos por los dispositivos de Ingeniería de diseño y construcción.hardware que convencionalmente son Unidades Terminales Remotas (RTUs). Paneles terminales. UPS. Equipamiento deconsiderados cuando el término “costos” es Remoto comunicaciones (radios, modems, antenasusado. y torres etc.). Sensores y actuadores. Interconexiones.Algunos detalles están muy relacionados a Luces, ventilación, etc.los indicados en la tabla. Entre las cosas que Puede incluir contribución de capital parapueden calificar están: la mudanza de equipo lineas de comunicación compartidas.antiguo, ciertas renovaciones en el edificio o Entre Puede incluir estaciones repetidoras delos equipos y el diseño de software central y radio.computacional. Dependiendo de la remoto Puede incluir compradores y costos dejurisdicción de la compañía se pueden incluir instalación (si se posee cable de cobre ootros varios tipos de gastos. fibra óptica). Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  83. 83. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 84Por alguna razón, los costos de entrenamiento y mantenimiento frecuentemente son descuidadosdurante el ciclo económico. Es verdad que los costos de entrenamiento no son muy altos, peroexisten. La falla de no incluir el entrenamiento en la etapa de planificación probablemente conduciráa fallas de cronograma de los operadores y los técnicos. Para tener un grupo de operadores queprovean la mano de obra para configurar el sistema se debe direccionar el aspecto del entrenamientode éstos y cualquier ajuste relacionado a sus cronogramas lo más temprano posible durante elproyecto. Los costos para el instructor y para los entrenamientos debería ser negociado antes de queel sistema sea seleccionado. Los costos del tiempo perdido, mientras los operadores aprenden sobre elsistema son reales y debería ser incluidos en el análisis del costo-beneficio. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  84. 84. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 85Los técnicos de mantenimiento tendrán que ser entrenados en el equipamiento del cual ellos seránresponsables caso contrario el equipo no será familiar para ellos. Sus obligaciones de mantenimientoempezarán más tarde que las obligaciones de configuración de los operadores. Por esta razón, elentrenamiento de ellos debe ser diferido. Por otro lado, si los técnicos de mantenimiento estaránactivamente involucrados en la instalación, su entrenamiento debe ser programado muy temprano.Este será más efectivo si se efectúa justo antes de ser aplicado.La mejor ubicación para los cursos de entrenamiento dependerá del número de personas a serentrenadas y de los costos de los viajes. Regularmente se programan cursos en la misma compañíaque son adecuados si la personas involucradas son pocas. Si el instructor debe viajar al sitio, serámucho más efectivo respecto a los costos a que los trabajadores de trasladen a otro sitio. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador
  85. 85. COSTOS Y BENEFICIOS: Costos 86Los costos de mantenimiento son lo suficientemente altos como para ser tomados en cuenta en laevaluación económica. No son la MTU ni las RTUs las responsables de la mayor parte de estoscostos, a pesar de que éstas y el equipo de comunicación proveerán una buena parte al comienzo.Sobre la vida de los sistemas SCADA, la mayor parte de los costos de mantenimiento serán para lacalibración, el mantenimiento y el reemplazo de cosas corrientes tales como equipo de medición deflujo, analizadores, interruptores de límite, y actuadores. Los cables que unen todos estoscomponentes en un solo sistema son también una gran fuente para los costos de mantenimiento. Cadauno de los parámetros del proceso, que en un servicio operado manualmente, podría ser monitoreadopor la vista o por un simple sensor, tendría que ser monitoreado por un sensor más complejo. Cadaválvula operada remotamente requiere un actuador. Todos estos dispositivos que tienen partesmóviles se desgastarán o romperán. El punto es que, debido a que hay demasiadas partes de este tipo,el mantenimiento será muy significante. Las actualizaciones de software también incidirán en loscostos de mantenimiento.El equipamiento electrónico diseñado y fabricado de manera adecuada que no tiene partes móvilespuede esperar el sufrir una alta “mortalidad infantil”, esto es, que fallará cerca del comienzo de suvida y entonces y entonces de asentará para ser un asunto de bajo mantenimiento. Esta es la razón porla que la mayoría del equipo electrónico industrial es entregado solo después de un periodo extendidode “uso”. Las primeras fallas son fácilmente aceptadas si éstas suceden en fábrica. Con la debidaatención a los transitorios de voltaje y a las protecciones de temperatura, el equipamiento de lasRTUs puede durar más de 20 años. Sin embargo, las mejoras en las tecnologías pueden hacer que losequipos sean reemplazados antes de que paren de trabajar lo cual es muy ventajoso. Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Escuela Politécnica Nacional del Ecuador

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