Modulo ING231 Electronica Industrial Avanzada

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA FACULTAD DE CIENCIAS BASICAS E INGENIERA Programa de Ingeniera y Tecnologa en Electrnica. ELECTRONICA INDUSTRIAL AVANZADA

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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 ELECTRONICA BOGOTA

2008


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Autor Jeison Marn Alfonso Ingeniero Electrnico. Magister en Ingeniera. Programa de Ingeniera y Tecnologa en Electrnica. UNAD COMIT DIRECTIVO Jaime Alberto Leal Afanador Rector Roberto Salazar Ramos Vicerrector de Medios y Mediaciones Pedaggicas. Gloria Herrera Sanchez Vicerrectora Acadmica y de Investigaciones Claudia Patricia Toro Vicerrectora de Desarrollo Regional y Proyeccin comunitaria Maribel Crdoba Guerrero Secretaria General Edgar Guillermo Rodriguez Director de Planeacin Gustavo Velasquez Quintana Decano Escuela de Ciencias Bsicas, Tecnologa e Ingeniera. Pedro Torres Silva Coordinador Nacional de Formacin en Ingeniera Electrnica CURSO ELECTRONICA INDUSTRIAL AVANZADA GUA DIDACTICA Primera Edicin @CopyRigth Universidad Abierta y a Distancia ISBN 2008 Centro Nacional de Medios para el aprendizaje


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CONTENIDO

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

ADQUISICION DE DATOS SCADA. ................................................. 10 1. GENERALIDADES ..................................................................................... 10 1.1 ANTECEDENTES ................................................................................. 10 1.2 INTRODUCCION A LOS SISTEMAS SCADA. ..................................... 15 1.3 DESCRIPCION GENERAL DE UN SISTEMA SCADA ......................... 17 1.3.1 Objetivos de un sistema SCADA .................................................... 17 1.3.2 Ventajas de un Sistema SCADA..................................................... 18 1.3.3 Prestaciones de un Sistema SCADA .............................................. 20 1.3.4 Resumen de Caractersticas de un sistema SCADA ...................... 21

2. ARQUITECTURA SCADA .......................................................................... 23 2.1 DESCRIPCION GENERAL ................................................................... 23 2.2 HARDWARE DE UN SISTEMA SCADA ............................................... 25 2.2.1 Interfase Hombre Mquina (HMI, MMI) .......................................... 27 2.2.2 Unidad Central (MTU, Master Terminal Unit).................................. 27 2.2.3 Unidad Remota (RTU, Remote Terminal Unit) ............................... 28 2.2.4 Sistema de comunicaciones. .......................................................... 31

2.3 SOFTWARE DE UN SISTEMA SCADA ................................................ 36 2.3.1 Comunicacin entre aplicaciones ................................................... 38 2.3.2 Almacenamiento de Datos .............................................................. 40

3. MODULOS EN UN SISTEMA SCADA ........................................................ 43 3.1 Mdulo de Configuracin ...................................................................... 43 3.2 Mdulo de Interfase Grfica .................................................................. 44 3.3 Mdulo de Tendencias .......................................................................... 46 3.4 Mdulo de Alarmas y Eventos ............................................................... 48 3.5 Mdulo de Registro y Archivado ........................................................... 49 3.6 Mdulo de Generacin De Informes ...................................................... 50 3.7 Mdulo de Control De Procesos ........................................................... 51 3.8 Mdulo de Comunicaciones .................................................................. 53

4. EJEMPLO DE APLICACIN CON SCADA ................................................ 55 BILIOGRAFIA ................................................................................... 59

UNIDAD 2: ESTANDARES SCADA ................................................. 60 1. ESTANDARES DE INTERCONECTIVIDAD EN SOFTWARE Y HARDWARE ...................................................................................................... 60 1.1 Active X ................................................................................................. 61 1.1.1 Inicios: Estndar DDE. .................................................................... 61 1.1.2 Evolucin: Estndar OLE y OCX .................................................... 64 1.1.3 Active X .......................................................................................... 64


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1.2 Interfaz OPC server ............................................................................... 66 1.2.1 Estructuras Cliente-Servidor ........................................................... 67 1.2.2 Tecnologa y Especificaciones........................................................ 69

1.3 Visual Basic para Aplicaciones.............................................................. 72 1.4 Conectividad Remota WebServer. ........................................................ 72

2. ESTANDARES DE SEGURIDAD ............................................................... 74 2.1 Necesidades de seguridad en sistemas SCADA .................................. 74 2.1.1 Necesidades de Seguridad en Unidades Maestras (MTUs) .......... 76 2.1.2 Necesidades de seguridad en Estaciones Remotas (RTUs). ........ 78 2.1.3 Necesidades de seguridad en las comunicaciones. ....................... 79

2.2 Polticas de seguridad en sistemas SCADA. ......................................... 80 2.2.1 Proceso metodolgico. ................................................................... 82 2.2.2 Tcnicas de prevencin. ................................................................. 83 2.2.3 Estrategias de defensa. .................................................................. 86 2.2.4 Recomendaciones bsicas ............................................................. 89

3. ESTNDARES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES EN SISTEMAS SCADA ............................................................................................................... 92 3.1 Fundamentos de comunicaciones aplicados a sistemas SCADA. ........ 92 3.1.1 Generalidades en comunicaciones SCADA. .................................. 93 3.1.2 Transmisin de seales. ................................................................. 99 3.1.3 Fundamentos de redes. ................................................................ 114 3.1.4 Estndar ISA/SP50 y Protocolo CIP. ............................................ 122

3.2 Redes industriales de control. ............................................................. 127 3.2.1 Pirmide de la automatizacin. ..................................................... 127 3.2.2 Redes de Datos Vs Redes de Control. ......................................... 130 3.2.3 Redes MAP y TOP ....................................................................... 132

3.3 Buses de campo.................................................................................. 135 3.3.1 Bus de campo AS-i. ...................................................................... 138 3.3.2 Bus de campo CAN ...................................................................... 139 3.3.3 El bus Interbus. ............................................................................. 141 3.3.4 Profibus. ....................................................................................... 143 3.3.5 Otros buses de campo .................................................................. 148

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

UNIDAD 3: SISTEMAS DE CONTROL ESPECIFICOS. ................. 153 1. ESTANDARES EN SISTEMAS DE VISUALIZACIN .............................. 154 1.1 Riesgos y trastornos asociados al entorno de trabajo. ........................ 154 1.1.1 Factores de riesgo. ....................................................................... 156 1.1.2 Trastornos asociados al puesto .................................................... 159 1.1.3 Reglamentacin en Colombia. ...................................................... 163 1.1.4 Reglamentacin Internacional ...................................................... 170

2. REALIZACION DE PROYECTOS SCADA ............................................... 179 2.1 Criterios de Seleccin y Diseo .......................................................... 179


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2.1.1 Disponibilidad ............................................................................... 179 2.1.2 Robustez ...................................................................................... 181 2.1.3 Seguridad. .................................................................................... 181 2.1.4 Prestaciones. ................................................................................ 182 2.1.5 Mantenibilidad............................................................................... 183 2.1.6 Escalabilidad................................................................................. 183

2.2 Software Comercial Para Sistemas SCADA ....................................... 186 2.3 Fases en el Gerenciamiento de Proyectos SCADA. ........................... 190 2.3.1 Fase1: Identificacin de la Necesidad .......................................... 190 2.3.2 Fase 2: Lanzamiento .................................................................... 191 2.3.3 Fase 3: Definicin. ........................................................................ 192 2.3.4 Fase 4: Diseo. ............................................................................. 193 2.3.5 Fase 5: Adquisicin. ..................................................................... 193 2.3.6 Fase 6: Liquidacin del proyecto. ................................................. 194

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


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LISTA DE GRFICOS

Grfico No 1. Evolucin Tecnolgica que precede un sistema SCADA. ............... 11 Grfico No 2. Ejemplo de un sistema SCADA. ...................................................... 16 Grfico No 3. Ejemplo de control de nivel hecho con WinCC (siemens). .............. 16 Grfico No 4. Monitoreo de una linea de extrusionado. ......................................... 20 Grfico No 5. Resumen Caractersticas SCADA. .................................................. 22 Grfico No 6. Estructura bsica de un sistema de supervisin y mando. .............. 24 Grfico No 7. Idea bsica de un sistema SCADA. ................................................. 24 Grfico No 8 (1). Arquitectura bsica de hardware SCADA (1). ............................ 26 Grfico No 8 (2). Arquitectura bsica de hardware SCADA (2). ............................ 26 Grfico No 9. Arquitectura bsica de una RTU ...................................................... 30 Grfico No 10. Topologas bsicas ........................................................................ 32 Grfico No 11. Seguridad en redes SCADA .......................................................... 33 Grfico No 12. Situacin de cortafuegos en capas OSI......................................... 36 Grfico No 13. Concepto de driver. ....................................................................... 37 Grfico No 14. Ejemplo de configuracin de usuarios con WinCC (Siemens) ....... 44 Grfico No 15. Ejemplo de interfase grfica para el panel de un horno................. 45 Grfico No 16. Ejemplo de librera de la herramienta Reichard Software. ............. 45 Grfico No 17. Grfica de tendencia histrica. ...................................................... 46 Grfico No 18. Exportacin de datos de una grfica realizada con InTouch ......... 47 Grfico No 19. Ejemplo de pantalla de alarmas con la herramienta In Touch. ...... 48 Grfico No 20. Ejemplo de ventana de configuracin del archivo de alarmas del

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

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


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Grfico No 39. Ejemplo de VPN. ........................................................................... 87 Grfico No 40. Ejemplo de IDS. ............................................................................. 89 Grfico No 41. Control centralizado. ...................................................................... 93 Grfico No 42. Control Distribuido. ........................................................................ 94 Grfico No 43. Estructura general de un enlace de comunicaciones. ................... 96 Grfico No 44. Estructura general de un enlace de comunicaciones. ................... 98 Grfico No 45. Interconexin con RS232. ........................................................... 105 Grfico No 46. Representacin de caracteres en el protocolo RS232. ............... 106 Grfico No 47. Uso de la UART en conexin asncrona. ..................................... 107 Grfico No 48. Uso del conectro DB25 para protocolo RS232. ........................... 108 Grfico No 49. Seales balanceadas y no balanceadas. .................................... 110 Grfico No 50. Arquitectura de Conexin RS-485. .............................................. 111 Grfico No 51. Conversores entre distintas normas. ........................................... 112 Grfico No 52. Bucle de corriente de 4 a 20 mA. ................................................ 114 Grfico No 53. Transmisin de datos usando modelo de capas. ........................ 118 Grfico No 54. Niveles de Usuario y Supervisin en estandar ISA/SP50 ............ 123 Grfico No 55. Niveles de Usuario y Supervisin en estandar ISA/SP50 ............ 126 Grfico No 56. Piramide de la automatizacin. .................................................... 128 Grfico No 57. Flujo de datos y Velocidad de Reaccin en Piramide CIM. ......... 129 Grfico No 58. Comparacin entre redes de datos y redes de control. ............... 131 Grfico No 59. Niveles de red en protocolos MAP y TOP. .................................. 134 Grfico No 60. Tipos de bus de campo. .............................................................. 136 Grfico No 61. Bus CAN ...................................................................................... 140 Grfico No 62. Topologia Interbus ....................................................................... 142 Grfico No 63. Perfiels Profibus .......................................................................... 144 Grfico No 64. Modelo de capas, Profibus .......................................................... 145 Grfico No 65. Topologia Profibus ....................................................................... 146 Grfico No 66. Capa de enlace Profibus ............................................................. 146 Grfico No 67. Riesgos, normas y transtornos fsicos relacionados con

puestos de trabajo. ....................................................................... 155 Grfico No 68. Factores de riesgo en el entorno laboral. .................................... 155 Grfico No 69. Matriz de representacin de caracteres para buena legibilidad. .. 174 Grfico No 70. Posicin ideal frente al monitor. ................................................... 174 Grfico No 71. Ajustes de posicin ideales en las pantallas. ............................... 175 Grfico No 72. Equilibrio en la iluminacin. ......................................................... 176 Grfico No 73. Posicin recomendada de puesto de trabajo. .............................. 176 Grfico No 74. Niveles de iluminacin ideales. .................................................... 177 Grfico No 75. Ejemplo de Redundancia en sistemas SCADA ........................... 180 Grfico No 76. Proceso de escalamiento en sistemas SCADA ........................... 185 Grfico No 77. Entorno Software SCADA ............................................................ 186


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LISTA DE CUADROS

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

Cuadro 2. Amenazas de seguridad en un sistema SCADA. .................................. 75 Cuadro 3. Comparacin entre sistemas centralizados y distribuidos. ................... 95 Cuadro 4. Medios de transmisin. ......................................................................... 99 Cuadro 5. Correspondencia de un DB-25 con un conector DB-9. ....................... 108 Cuadro 6. Comparacin entre estndares seriales. ............................................ 113 Cuadro 7. Resumen de topologias de red en sistemas SCADA. ......................... 115 Cuadro 8. Capas implementadas por el modelo de referencia OSI. .................... 119 Cuadro 9. Mtodos de acceso al medio en sistemas SCADA. ............................ 121 Cuadro 10. Funciones de las capas de modelo de referencia para bus de campo

en Estandar ISA / SP50. .................................................................... 124 Cuadro 11. Factores a tener en cuenta en el diseo de redes de control. .......... 131 Cuadro 12. Tipos de buses de campo segn su funcionalidad. .......................... 136 Cuadro 13. Buses de campo ms conocidos. .................................................... 149 Cuadro 14. Medidas preventivas para los operarios SCADA, de acuerdo al factor

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

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

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

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


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INTRODUCCION Hoy da, debido al auge en la automatizacin de procesos industriales, es indispensable 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 de potencia usados en la industria, y las bases sobre dispositivos programables como microcontroladores, PLC`s o DSP, etc. Sin embargo es la implementacin de estos dispositivos en la industria lo que los hace verdaderamente tiles. Esta implementacin anteriormente era un asunto particular de cada necesidad o empresa, pero debido a que se extendi el control automtico a ms del 80% del campo industrial en el mundo, dejo de ser una cuestin particular y se convirti en un campo de desarrollo, normalizado por estndares internacionales, y coordinado por 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 de supervisin y control industrial. Bsicamente se estandarizaron las comunicaciones industriales con los llamados buses de campo, y los entornos de control, la arquitectura de las redes industriales, el software y hardware involucrado, la seguridad de los sistemas, y hasta los mtodos, modelos y criterios de diseo e implementacin; bsicamente se agruparon bajo normas nacionales e internacionales. En este curso usted encontrar los fundamentos para el desarrollo de estos sistemas de control y supervisin industrial (sistemas SCADA), inicialmente conociendo su significado, estructura y arquitectura; para luego abordar temas sobre seguridad industrial, comunicaciones industriales aplicadas a SCADA, estndares de interconexin de software, y finalmente, algunas herramientas para emprender proyectos reales en sistemas SCADA.


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UNIDAD 1: SISTEMAS DE SUPERVISION, CONTROL Y ADQUISICION DE DATOS SCADA.

En esta unidad se dan a conocer los conceptos bsicos de los sistemas de Supervisin, Control y Adquisicin de Datos SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition); los cuales son usados en procesos de automatizacin industrial para gestionar y controlar sistemas de manera local o remota. Este control se hace normalmente por medio de una interfase grfica desde el lugar de operacin del usuario, en la cual se puede acceder y configurar los dispositivos de campo (Autmatas programables, controladores, etc..), los actuadores y los sistemas controlados; verificar su funcionamiento, activarlos o desactivarlos, monitorear su estado y supervisarlos, entre otras funciones; mediante la transmisin y adquisicin de los datos arrojados o recibidos por cada dispositivo, por medio de tcnicas y protocolos de comunicaciones industriales. OBJETVO GENERAL Fundamentar a los estudiantes del programa en describir y caracterizar los componentes de hardware y software de un sistema SCADA, y su importancia en la industria moderna, como sistemas capaces de integrar procesos industriales para optimizar el trabajo y generar resultados ms eficaces.

1. GENERALIDADES

1.1 ANTECEDENTES La historia de los sistemas SCADA est directamente relacionada con la historia de la informtica y la computacin, la electrnica y las comunicaciones. Podra decirse que un sistema SCADA surge de la aplicacin e integracin de la electrnica industrial con sistemas de control, comunicaciones industriales e informtica aplicada. El Grfico No. 1 y el Cuadro 1 muestran de manera general la evolucin tecnolgica que precede a un sistema SCADA. Todo parte de la necesidad de automatizar el clculo matemtico, lo que da origen a la informtica; cuyo desarrollo fue dependiendo de la evolucin de la electrnica, los procesadores y los ordenadores; los cuales finalmente se adaptan para realizar tareas de adquisicin de datos y control de procesos. Para esta adaptacin tambin fue necesario; por un lado el desarrollo de paquetes de software aplicado que permitieran la implementacin de un sistema SCADA, y de otro lado la evolucin de sistemas de visualizacin, sistemas de control a distancia y sistemas de transmisin de datos.


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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 las

computadoras).

Generacin 1 (1951 1958).

Ao Suceso 1904 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 pequea en 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.


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Generacin 2 (1959 1954).

Ao Suceso 1947 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 primer ratn, 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 Suceso 1958 Jack Kilby, de Texas Instruments, construy el primer circuito integrado, con nada menos

que seis transistores hechos sobre la misma placa. (Actualmente un procesador Pentium contiene ms de cinco millones de transistores).

1964 La compaa IBM, produce la serie 360, que sustitua los transistores de la serie 700 por circuitos 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 miras a la fabricacin de equipos ms pequeos, conocidos como minicomputadoras.

Generacin 4 (1971 )

Ao Suceso 1969 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 (Control Program 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 de los 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 Set Computer, 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 sistema industrial de control, donde se regularan todas las acciones de los diferentes bloques funcionales de manera centralizada. Para la aparicin de los sistemas


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

- Automatizacin Industrial: Paralelamente a la evolucin de la informtica, la aparicin de los circuitos integrados y el microprocesador permitieron el desarrollo de sistemas de control industrial ms robustos y con mejores prestaciones. En los aos 70 surgieron las primeras empresas dedicadas a la fabricacin de equipos elctricos con propsitos de automatizacin y control, como Siemens, Square-D, o Allen-Bradley. Aos ms tarde, la evolucin electrnica permiti que aparecieran los primeros autmatas programables, los micro PLC y los controles modulares. La programacin de estos sistemas se comenz a normalizar y aparecieron los sistemas de programacin genricos como Ladder, siendo este el inicio de lo que hoy es la automatizacin industrial.

- Telemetra: Los sistemas SCADA no solo necesitan controlar sistemas,

sino que debe ser en la mayora de casos, a distancia, de manera cableada o inalmbrica. Se hace necesario entonces intercambiar seales entre el sistema que se controla y el sistema que controla; la telemetra es precisamente la transmisin a distancia de informacin. La palabra telemetra procede de las palabras griegas tele ("lejos") y metron ("medida"), y su objetivo es la medicin de magnitudes fsicas y su posterior envo de manera remota hacia el operador del sistema. Este envo se realiza tpicamente mediante comunicacin inalmbrica, aunque tambin se puede realizar por otros medios (telfono, redes de ordenadores, enlace de fibra 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 mediante mtodos de transmisin. Estos sistemas pueden ser cableados, como por ejemplo la transmisin de seales usando la red telefnica cableada en banda base; o sistemas dedicados ethernet. Tambin pueden usarse mtodos 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 tiene como objetivo la calibracin, control y mantenimiento de todos los equipos de medicin empleados en produccin, inspeccin y pruebas; con la finalidad de que pueda garantizarse que los productos estn de conformidad con las normas. El equipo se controla con frecuencias establecidas 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.


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

- Sistemas de Visualizacin. Parte fundamental de un sistema SCADA es la

visualizacin y control de las plantas o sistemas en el mdulo central. La aparicin de los CRT (Tubos de rayos catdicos) dio inicio a la tecnologa enfocada a la visualizacin de informacin. Posteriormente aparecieron los primeros 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 y 80, nacieron empresas fabricantes de sistemas de interfase grfica, como Cimplicity e Intellution. Posteriormente la compaa Wonderware cre un paquete de visualizacin llamado InTouch, el cual corra bajo el sistema operativo windows, y ha tenido una gran acogida desde que sali su primera versin en 1989. De aqu en adelante, con el gran auge de Windows, se fueron creando aplicaciones como Visual Basic, LabView, y otros paquetes, que permiten crear controles grficos e interfases de usuario, y as adaptarlas a sistemas o funciones especficas.

- Software para aplicaciones de control y visualizacin. Junto con el

desarrollo de sistemas de visualizacin, varios fabricantes desarrollaron paquetes de software capaces de comunicarse con sistemas de control, y de agrupar toda la informacin recibida en sistemas de visualizacin industrial. Estos paquetes son hoy la base de sistemas SCADA. Algunos de los 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


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En los sistemas SCADA modernos, se busca adems la intercomunicacin entre diferentes sistemas; con la irrupcin de Internet en el mundo de las comunicaciones industriales ahora es posible conectarse con un sistema de control 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 y adquisicin de datos) se puede definir como una aplicacin o un software especialmente diseado para funcionar sobre ordenadores, con el fin de tener el acceso a datos remotos de procesos industriales, mediante protocolos y medios de comunicacin definidos de acuerdo a cada aplicacin; para su monitoreo y control. Un sistema SCADA, permite comunicarse con diversos dispositivos de campo (controladores autnomos, autmatas programables, etc.) y controlar el proceso en forma automtica desde la pantalla de un ordenador, la cual puede ser configurada y modificada con facilidad por el operador del sistema central. Adems, monitorea toda la informacin que se genera en cada proceso y la muestra de una manera clara por medio de sistemas de visualizacin especializados. No hay que confundir a SCADA con un sistema de control. SCADA es la interfase entre los sistemas de control y los rganos de gestin de dicho control. Estos se utilizan, por ejemplo, en el control de oleoductos, sistemas de transmisin de energa elctrica, yacimientos de gas y petrleo, redes de distribucin de gas natural, generacin energtica (convencional y nuclear) y en general, en cualquier proceso industrial susceptible a monitorear y/o controlar. Debido al gran auge de sistemas SCADA, se han venido desarrollando numerosos productos, en hardware y software, diseados y adaptados para este tipo de sistemas; inclusive en las comunicaciones industriales han surgido buses de comunicacin adaptados a sistemas SCADA. Lo que diferencia a un sistema SCADA de los sistemas convencionales de control o monitoreo, es precisamente que SCADA combina todas estas acciones en un mismo sistema: Monitoreo, adquisicin y transporte de datos, control y supervisin. El usuario no solamente tiene acceso a la informacin de la planta controlada, sino adems puede accionar actuadores y corregir o cambiar parmetros; todo desde el mdulo central. Esta variacin de variables controladas en tiempo real es la que hace de SCADA un sistema tan flexible y eficiente.


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Un ejemplo de un sistema SCADA es el control de un depsito de agua desde una mina, como se observa en el Grfico No 2. Unos sensores se ocupan de vigilar el nivel de agua del depsito y el de la mina, informando a la bomba de cundo debe ponerse en marcha para bombear agua al depsito, de acuerdo a si hay nivel insuficiente en ste o cuando debe detenerse, o si el depsito est lleno o el nivel de la mina no es suficiente. Desde el centro de control, por medio de un software SCADA, se puede ver la evolucin del nivel de la estacin y decidir las acciones pertinentes en caso de problemas (detener el bombeo manualmente, ver si hay elementos 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 Grfico No 3.

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

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


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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 del estado de los elementos monitoreados, sino su control y manipulacin.

- Hardware accequible. Hardware fcil de instalar y usar; fcilmente configurable, cuyo montaje y mantenimiento pueda ser realizado de manera sencilla.

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

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

- Arquitectura escalable. Si los niveles de produccin crecen y a su vez los sistemas monitoreados se hacen ms grandes o robustos, lo ideal es que no sea necesario desmontar el sistema SCADA presente, sino que este sea escalable y pueda crecer y adaptarse a las nuevas necesidades.

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

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

- Ofrecer accesibilidad por parte de los operadores a los sistemas de manera directa, en tiempo real, rpida y fcil. Un sistema SCADA permite que los sistemas supervisados sean ms accequibles. La telemetra usada en algunos sistemas SCADA permite que aun, sistemas que estn geogrficamente alejados del modulo central, sean monitoreados sin tener que ir fsicamente hasta sus instalaciones.


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

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

- Mejorar el mantenimiento de los equipos. Los sistemas SCADA permiten prevenir posibles fallas, al tener informada a la administracin tcnica, en todo tiempo, el estado de los equipos. Algunos sistemas SCADA tienen recursos de gestin de mantenimiento, donde se pueden programar fechas de revisin de mquinas, historial de fallos y arreglos, permitiendo as optimizar y organizar las acciones orientadas a mantener y reparar los equipos o sistemas.

- Optimizar el manejo de recursos, tanto humanos como financieros. Los sistemas SCADA evitan presencia innecesaria de operadores, viajes de supervisin, recoleccin de datos, y diversas tareas que demandaban tiempo y por lo tanto dinero.

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

1.3.2 Ventajas de un Sistema SCADA

En un sistema SCADA, adems de la supervisin de procesos se realizan mltiples tareas de adquisicin de datos, control, registro de datos; todo bajo una plataforma de buses de comunicacin y un software que permite al sistema funcionar eficientemente. Todo esto trae innumerables ventajas a los sistemas industriales que deciden implementarlo en sus procesos. Algunas de esas ventajas son:

- Ms facilidad en el manejo y control de procesos industriales. Los entornos SCADA desarrollados permiten que su manejo sea ms sencillo y accequible a ms personas; ya no se necesita ser un experto en control y automatizacin industrial para poder administrar procesos industriales.

- Ms robustez y fiabilidad. Los sistemas SCADA son diseados con elevados estndares de seguridad y normalmente controlan y supervisan equipos robustos. Un ejemplo es el uso comn de autmatas programables en sistemas SCADA, los cuales le dan robustez y flexibilidad al diseo.

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


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

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

- Telemantenimiento. Desde el centro de control se puede realizar mantenimiento remoto a equipos. Este mantenimiento remoto incluye acciones de diagnstico y aun reparacin. Los sistemas de diagnstico implementados en los elementos de control informan continuamente de cualquier incidencia en los equipos, y a distancia, pueden tomarse acciones correctivas a tiempo.

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

- Un sistema SCADA tambin puede implementar comunicacin remota entre el mdulo de control y el operador, de esta manera, los sistemas de control pueden mantener informados sobre cualquier incidencia a los operadores responsables. Los sistemas SCADA pueden usar tecnologas de comunicacin celular, o por internet, para este propsito.

- El desarrollo y proliferacin de sistemas SCADA ha permitido estandarizar los sistemas y bloques, tanto el software como el hardware. Esto permite una mayor integracin entre sistemas.

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

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

- Reduccin de costos de mantenimiento y operacin. Si antes se necesitaba un 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 de automatizacin, donde las variables de control estn distribuidas sobre los controladores electrnicos de la planta, a diferencia de SCADA, donde estn centralizadas; esto dificulta variaciones en los parmetros a controlar en tiempo real y peridicamente.


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1.3.3 Prestaciones de un Sistema SCADA Otra manera de describir un sistema SCADA en desde el punto de vista de sus prestaciones. Se puede decir que su funcin principal es establecer una interfase entre el hombre y la mquina, con una serie de servicios, funciones y utilidades encaminadas a la supervisin, control y manejo de datos. Para esto se han desarrollado paquetes de software que permiten que un sistema SCADA tenga prestaciones como:

- La Adquisicin de Datos y monitoreo: Los datos y seales (temperatura, presin, tiempos de operacin, estado, etc...) se leen en tiempo real por parte de los operadores de planta. Se leen los datos de los autmatas (temperaturas, velocidades, detectores). Una mquina o instalacin pueden ser vigilados desde muchos kilmetros de distancia. El grfico No 4 muestra como desde una pantalla se puede conocer el estado de una lnea de extrusionado. La adquisicin de datos remota que ofrece un sistema SCADA lo hace un sistema muy atrayente y con innumerables aplicaciones; mientras los datos se puedan convertir en seales elctricas o electromagnticas que se transporten por medios guiados o no guiados, no hay 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.


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- La supervisin: Cuando el monitoreo incluye la planeacin y registro de tareas, con el fin de gobernar las decisiones que se toman sobre la planta; se habla de supervisin. Se puede definir la palabra supervisar como ejercer la inspeccin superior en determinados casos, ver con atencin o cuidado y someter una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararla permitiendo una accin sobre la cosa supervisada. Los sistemas SCADA permiten configurar la realizacin de tareas de forma peridica o programada, automticamente. Tambin se pueden configurar acciones de respuesta ante ciertos problemas. Un sistema SCADA puede ayudar considerablemente 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 los sistemas, plantas o mquinas monitoreadas. Cuando estas lecturas obligan a tomar acciones ya sea de manera manual o automtica - para ajustar el funcionamiento de los sistemas para que su comportamiento se ajuste a un ideal, se comienza a hablar de control. A los sistemas SCADA, por estar montados en plataformas gobernadas por sistemas informticos, se les pueden implementar programas orientados al control de procesos de forma automtica. El control manual genera lo que se conoce como sistemas de mando, 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 paquetes matemticos que implementan algoritmos de control especializados.

- El registro: Toda la informacin de un sistema SCADA es susceptible a ser

guardada en memoria para luego ser usada para mantenimiento, informes, seguimiento, etc., por ejemplo, la generacin de histricos de seal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de clculo; creacin de informes, avisos y documentacin en general.

- La seguridad: Solo el personal autorizado puede acceder a los sistemas

controlados. 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 que en 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 tipos de sistemas de automatizacin industrial.


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Grfico No 5. Resumen Caractersticas SCADA. Fuente: Autor. 2008


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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 el control 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 al sistema de Control de Proceso, que es generalmente un ordenador donde reside la aplicacin de control y supervisin (se trata de un sistema servidor). La comunicacin entre estos dos sistemas se suele realizar a travs de redes de comunicaciones corporativas (Ethernet). El Sistema de Proceso capta el estado del Sistema a travs de los elementos sensores e informa al usuario a travs de las herramientas HMI. Basndose en los comandos ejecutados por el usuario, el sistema de proceso inicia las acciones pertinentes para mantener el control del Sistema a travs de los elementos actuadores. La transmisin de los datos entre el Sistema de Proceso y los elementos de campo (sensores y actuadores) se lleva a cabo mediante los denominados buses de campo. La tendencia actual es englobar los sistemas de comunicacin en una base comn, como Ethernet Industrial. Toda la informacin generada durante la ejecucin de las tareas de supervisin y control se almacena para disponer de los datos a posteriori. Mediante el software de adquisicin de datos y control, el mundo de las mquinas se integra directamente en la red empresarial, pasando a formar parte de los elementos que permitirn crear estrategias de empresa globales. Aparece el


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concepto de Fabricacin Integral Informatizada (Computer Integrated Manufacturing). Un sistema Scada es una aplicacin de software especialmente diseada para funcionar sobre ordenadores en el control de produccin que proporciona comunicacin entre los dispositivos de campo, llamados tambin RTU (Remote Terminal Units o Unidades Remotas), donde se pueden encontrar elementos tales como controladores autnomos o autmatas programables, y un centro de control o Unidad Central (MTU, Master Terminal Unit), donde se controla el proceso de forma 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. Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007. Sistemas SCADA, 1 ed. pg 45


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La estructura funcional de un sistema de visualizacin y adquisicin de datos obedece generalmente a la estructura Maestro-Esclavo. La estacin central (el maestro 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 del sistema (por ejemplo, autmatas, reguladores, registradores) y los procesan para su utilizacin. Son los servidores del sistema.

- Utilizadores de datos: Los que utilizan la informacin recogida por los

anteriores, como pueden ser las herramientas de anlisis de datos o los operadores del sistema. Son los clientes.

Mediante los Clientes los datos residentes en los servidores pueden evaluarse, permitiendo realizar las acciones oportunas para mantener las condiciones nominales del sistema. Mediante los denominados buses de campo, los controladores de proceso (generalmente autmatas programables o sistemas de regulacin) envan la informacin a los servidores de datos (Data Servers), los cuales, a su vez, intercambian la informacin con niveles superiores del sistema automatizado a travs de redes de comunicaciones de rea local. Existen mltiples posibilidades de implementacin de sistemas SCADA. Desde una mquina aislada provista de un sistema de captacin y presentacin de datos, hasta un gran conjunto de sistemas interconectados que se ocupan de la distribucin elctrica en todo un pas. Estos sistemas estn formados por los siguientes elementos bsicos:

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


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Grfico No 8 (1). Arquitectura bsica de hardware SCADA (1). Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007. Sistemas SCADA, 1 ed. pg 46

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

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


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2.2.1 Interfase Hombre Mquina (HMI, MMI) Comprende los sinpticos de control y los sistemas de presentacin grfica. La funcin de un Panel Sinptico es la de representar, de forma simplificada, el sistema bajo control (un sistema de aprovisionamiento de agua, una red de distribucin elctrica, una factora). En un principio los paneles sinpticos eran de tipo esttico, colocados en grandes paneles plagados de indicadores y luces. Con el tiempo han ido evolucionando, junto al software, en forma de representaciones grficas en pantallas de visualizacin (PVD, Pantallas de Visualizacin de Datos). En los sistemas complejos suelen aparecer los terminales mltiples, que permiten la visualizacin, de forma simultnea, de varios sectores del sistema. De todas formas, en ciertos casos, interesa mantener la forma antigua del Panel Sinptico, pues la representacin del sistema completo es ms clara para el usuario al tenerla presente y no le afectan los eventuales fallos de alimentacin de componentes 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 bajo precio para cualquier parte interesada. De esta manera es posible intercambiar informacin en tiempo real entre centros de control y subestaciones situadas en cualquier lugar. En el Centro de Control se realiza, principalmente, la tarea de recopilacin y archivado de datos. Toda esta informacin que se genera en el proceso productivo se pone a disposicin de los diversos usuarios que puedan requerirla. Se encarga de:

- 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.


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

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

- Almacenar archivos (File Server): Almacena los resultados de los anlisis

de los datos recogidos, guarda los datos concernientes a los eventos del sistema, 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 tareas de backup, etc.

- Comunicaciones: permite el intercambio de datos en tiempo real con

estaciones remotas. ste es un punto de entrada y salida de datos, por tanto, debe prestarse especial atencin a la seguridad y protegerlo de accesos no autorizados.

2.2.3 Unidad Remota (RTU, Remote Terminal Unit) Por Unidad o Estacin Remota, se puede entender como aquel conjunto de elementos dedicados a labores de control y/o supervisin de un sistema, alejados del centro de control y comunicados con ste mediante algn canal de comunicacin. Dentro de esta clasificacin se pueden encontrar tres elementos, los RTU, los PLC y 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 de los elementos de campo (autmatas reguladores) y transmitirlos hacia la unidad central, a la vez que enviar los comandos de control a stos. Seran los denominados procesadores de comunicaciones.

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


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

Las Unidades Remotas suelen estar basadas en ordenadores especiales que controlan directamente el proceso mediante tarjetas convertidoras adecuadas o que se comunican con los elementos de control (PLC, Reguladores) mediante los protocolos de comunicacin adecuados. Su construccin es ms robusta, son operativos dentro de un rango de temperaturas mayor que los ordenadores normales, y su robustez elctrica tambin 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 de la estacin Maestra (Master Terminal Unit). PLC Los controladores lgicos programables o PLC (Programmable Logic Controller), empezaron como sistemas de dedicacin exclusiva al control de instalaciones, mquinas o procesos. Con el tiempo han ido evolucionando, incorporando cada vez ms prestaciones en forma de mdulos de ampliacin, entre ellos los Procesadores de Comunicaciones, que han hecho desvanecerse la lnea divisoria entre RTU y PLC, quedando incluidas todas las prestaciones en el PLC. A su vez, los PLC pueden tener elementos distribuidos con los cuales se comunican 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 se ocupan de tareas de control, regulacin y comunicacin. Dentro de esta clasificacin 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 utilizan protocolos propietarios y dan origen a las denominadas islas de automatizacin.


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Sistemas remotos Hoy da una estacin remota no es necesariamente un autmata con capacidades de comunicacin controlando una compuerta de un embalse. Puede tratarse de un gran sistema complejo que forme parte, a su vez, de un sistema de control mucho ms extenso, como el control de distribucin elctrica de un pas, donde las estaciones remotas pueden tener a su cargo una ciudad entera 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 Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007. Sistemas SCADA, 1 ed. pg 50


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2.2.4 Sistema de comunicaciones. El intercambio de informacin entre servidores y clientes se basa en la relacin de productor-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 de comunicarse con cualquier punto, local o remoto, de la planta en tiempo real. Gracias a los controladores suministrados por los diferentes fabricantes y a su compatibilidad con la mayora de estndares de comunicacin existentes (lase buses de campo), es posible establecer cualquier tipo de comunicacin entre un servidor 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 las Unidades Remotas (RTU) mediante un protocolo de comunicaciones determinado y un sistema de transporte de la informacin para mantener el enlace entre los diferentes 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 unas topologas determinadas:

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

- Multipunto dedicado: una variante del modelo anterior. Un solo sistema de

control conectado a varias estaciones remotas mediante enlaces directos permanentes (Dibujo 2). Esta configuracin es delicada, pues todo el trfico de la red se centra en un solo punto, la Unidad Central, que debe poder gestionar todo el trfico generado por el resto de elementos.


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- Multipunto compartido estrella: tipo Maestro-Esclavo. Esta configuracin

en estrella utiliza un solo puerto de comunicaciones, realizndose el intercambio de datos por turnos. Esto es posible debido a que las estaciones remotas tienen identificadores nicos (Dibujo 3).

- Multipunto compartido en bus: similar al anterior, pero con estructura

Maestro-Esclavo, multimaestro o Cliente-Servidor. Una o varias unidades centrales estn conectadas a una o varias estaciones remotas mediante un medio comn (bus). El acceso es tambin por orden y est gestionado por el 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 de fallo de un nodo el trfico no se interrumpe.

Generalmente cualquier aplicacin de cierta envergadura utiliza varios de estos mtodos de forma simultnea, tanto en medios de transmisin como en topologas. Esto permite su implantacin de forma ms eficiente, adaptando los recursos 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 el cable.

Grfico No 10. Topologas bsicas Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007. Sistemas SCADA, 1 ed. pg 52


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La aplicacin de estndares a las comunicaciones permite una mayor integracin y flexibilidad en las configuraciones. No hay que olvidar que el uso de estndares acarrea un problema, las carencias que estos estndares tienen. Por ejemplo, la implantacin del sistema operativo Windows como un estndar de facto en los sistemas de visualizacin, o la adopcin de las tecnologas Web, traen consigo problemas relacionados con la seguridad en los accesos (Hacking), los virus informticos, la integridad de los datos o los problemas de comunicaciones. Por ejemplo, en esta estructura se puede observar una red con dos servidores SCADA 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 firewall que protegen el sistema de accesos externos no deseados, desde Internet o desde una intranet.

Grfico No 11. Seguridad en redes SCADA Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007. Sistemas SCADA, 1 ed. pg 52

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


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El nombre tiene su origen en la construccin civil. Se trata de las paredes divisorias, sin ventanas, que separan dos estancias, y cuya funcin es impedir que el fuego se propague de una estancia a otra en caso de incendio. Informticamente hablando se trata de barreras lgicas entre redes diferentes, una local (LAN) y otra pblica (Internet) o de jerarqua diferente (Intranet). Estas barreras permiten proteger la red local de accesos no deseados desde el exterior. Los primeros cortafuegos aparecen en la dcada de los ochenta. Se parecan a los routers en su forma de trabajar: separaban una red en redes menores e independientes a nivel de trfico de informacin. De esta manera, si una de las redes 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 la primera 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 la saturan (el seor Morris dijo que todo fue un accidente, por supuesto, pero no le creyeron). A partir de hechos como ste, Internet deja de ser un prado con ovejitas y aparecen los primeros lobos. En los aos noventa aparecen los cortafuegos con funciones exclusivas de seguridad. Los primeros trabajaban como filtros de paquetes 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 los paquetes que llegan.

- El programa tiene una serie de reglas que determinarn el destino de cada

paquete (bsicamente lo que puede pasar y lo que no puede pasar a la red).

Estos principios son aplicables tanto a los cortafuegos de uso general, de software, como a los de hardware (stos tienen un sistema operativo propio con determinadas reglas de filtrado). La siguiente generacin de cortafuegos aument su sofisticacin y convirti a los cortafuegos en nodos de red que permiten el flujo en los dos sentidos. En 1991 la DEC (Digital Equipment Corporation) presenta el que fue el primer cortafuegos comercial de este tipo, llamado SEAL (Secure External Access Link).


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

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

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

Deben ser configurados por el usuario y permiten establecer una medida preventiva ante software malicioso (malware). Por ejemplo, al abrir un correo electrnico portador de un troyano (programa que transfiere informacin de nuestro ordenador sin nuestro consentimiento), el firewall personal impedir que la informacin 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. La poltica de seguridad (Security Policy) determinada por el administrador permitir bloquear 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 el trfico de los navegadores, interpretan los protocolos e interceptan todas las peticiones de las aplicaciones, verificando el cumplimiento de las normas de seguridad antes de permitir que se transmitan. Gateways de circuito: Operan a nivel de la Capa de Transporte, estableciendo circuitos entre clientes y servidores. No interpretan los protocolos.


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Grfico No 12. Situacin de cortafuegos en capas OSI.

Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007. Sistemas SCADA, 1 ed. pg 55

2.3 SOFTWARE DE UN SISTEMA SCADA3 Un programa del tipo HMI se ejecuta en un ordenador o Terminal grfico y unos programas especficos le permiten comunicarse con los dispositivos de control de planta (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 de comunicacin entre nuestra aplicacin y el exterior, ocupndose de gestionar los enlaces de comunicacin, tratamiento de la informacin a transferir y protocolos de comunicacin (Profibus, AS-i, Can, Ethernet...). 3Adaptado de RODRIGUEZ, Aquilino, 2007. Sistemas SCADA. En la unidad 2 de este mdulo se profundizar mas sobre los estndares de interconectividad entre ordenadores, y en la Unidad 3 se har un resumen de los paquetes software ms usados en sistemas SCADA.


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

Grfico No 13. Concepto de driver. Fuente: RODRIGUEZ, Aquilino, 2007. Sistemas SCADA, 1 ed. pg 56

El driver realiza la funcin de traduccin entre el lenguaje del programa SCADA y el del Autmata (hacia abajo, por ejemplo, Profibus), o entre el SCADA y la red de gestin de la empresa (hacia arriba, con Ethernet, por ejemplo). Generalmente la configuracin del controlador de comunicaciones se realiza durante la instalacin del software principal o como programa de acceso externo al ejecutar la aplicacin principal. Segn la importancia del sistema, es posible especializar componentes, realizando tareas 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 otras aplicaciones de software, tales como hojas de clculo o bases de datos. Esto es lo que podramos denominar gestin de datos, que nos permite analizar eventos, alarmas, emergencias, etc., ocurridos durante la produccin.


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

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

- El programa Run-time permite ejecutar la aplicacin creada con el

programa de desarrollo (en Industria se entrega, como producto acabado, el Run-time y la aplicacin).

2.3.1 Comunicacin entre aplicaciones Los mtodos de intercambio de informacin entre aplicaciones informticas ms conocidos son:

OPC: El estndar de intercambio de datos por excelencia se denomina OPC (OLE for Process Control). Es un estndar abierto que permite un mtodo fiable para acceder a los datos desde aparatos de campo. El mtodo de acceso siempre es el mismo, sin depender del tipo y origen de los datos. Se basa en la tecnologa COM (Component Object Model), de Microsoft, que permite definir cualquier elemento de campo mediante sus propiedades, convirtindolo en una interfase. De esta manera es posible conectar fcilmente cualquier 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, tal como hace un paquete SCADA. Cualquier cliente OPC se puede comunicar con cualquier servidor OPC sin importar el tipo de elemento que recoge esos datos (el aspecto que veremos, desde el punto de vista de los datos, ser siempre similar, sin importar el fabricante del equipo). Servidor OPC (OPC server): Es una aplicacin que realiza la recopilacin de datos de los diversos elementos de campo de un sistema automatizado y permite el acceso libre a estos elementos desde otras aplicaciones que los soliciten (clientes OPC).


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ODBC: Mediante ODBC (Open Data Base Connectivity), tambin de Microsoft Windows, tenemos un estndar que permite a las aplicaciones el acceso a datos en Sistemas de Gestin de Bases de Datos (Data Base Management Systems) utilizando SQL como mtodo estndar de acceso. ODBC permite que una aplicacin pueda acceder a varias bases de datos mediante la inclusin del controlador correspondiente en la aplicacin que debe 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 en Windows se llama Librera de Enlace Dinmico (DLL, Dynamic Link Library) y en UNIX recibe el nombre de Objeto (OBJ). ODBC permite definir un estndar que permita el intercambio entre bases de datos y aplicaciones.

SQL: La aparicin del estndar por excelencia para la comunicacin con bases de datos, SQL (Structured Query Language), permite una interfase comn para el acceso a los datos por parte de cualquier programa que se cia al estndar SQL. El primer SQL aparece en 1986 bajo el nombre: ANSI X3.135-1986. Las posibilidades de esta tecnologa incluyen:

Procedimientos: Son bibliotecas de comandos almacenados en la base de datos. Permiten reducir el trfico de red y simplificar los procedimientos de acceso a los usuarios de las bases de datos. Eventos: Son comandos que se activan de forma automtica bajo unas ciertas condiciones, facilitando el mantenimiento de la integridad de los datos. Replicacin: Permite la duplicacin y sincronizacin de bases de datos. Por ejemplo, para actualizar los datos de la base de datos central con los almacenados en una unidad remota (RTU), ms actuales, o para actualizar un servidor de datos que ha quedado temporalmente fuera de servicio y se vuelve a poner en funcionamiento.


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Accesibilidad: Permite el intercambio o envo de informacin basndose en eventos. Por ejemplo, el envo automtico de mensajes cuando se cumplen ciertas condiciones dentro de un sistema.

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

API: Las herramientas API (Application Programming Interfaces) permiten que el usuario pueda adaptar el sistema a sus necesidades mediante rutinas de programa propias escritas en lenguajes estandarizados, tales como Visual Basic, C++, o Java, lo cual les confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad. 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 de almacenamiento de variables, tanto en cantidad como en tiempo. Ya en los albores de la automatizacin se vio la utilidad de poder disponer de datos almacenados 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 de almacenamiento de informacin:

Ficheros: La primera poca de almacenamiento, anterior a las bases de datos, se basaba en el almacenamiento de informacin en ficheros, accesibles por los programadores de las aplicaciones. Estos ficheros eran complicados de tratar debido a que tenan que estar perfectamente identificados y localizados 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 puede entonces estar ordenado por un criterio determinado, por ejemplo, la fecha o el nombre de variable. De esta manera es fcil acceder a unos datos si el nombre de la variable es conocido. La limitacin de este mtodo radica en que la base de datos tiene un solo punto de acceso.


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Bases de datos: La aparicin de las bases de datos jerrquicas permite ordenar los elementos por jerarquas, en las cuales un tipo de datos consiste en un subconjunto de otro tipo de datos ms genrico. Por ejemplo, en una lnea de produccin hay un conjunto general de variables compuesto por los conjuntos de variables particulares de cada mquina. Este modelo est limitado en prestaciones si queremos acceder, por ejemplo, a variables pertenecientes a distintos grupos de datos situados en diferentes niveles del esquema de variables. Surgen entonces las bases de datos de red, capaces de interpretar las relaciones ms complejas entre los diversos tipos de variables que aparecen. Los programas, de todas formas, siguen necesitando conocer las formas de acceder a los datos dentro de estas estructuras.

Bases de datos relacionales: El paso definitivo, que separa los programas de las estructuras de datos, se da con la aparicin de las bases de datos relacionales (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 la estructura de stos. Una base de datos relacional no es ms que un conjunto de tablas de datos que contienen campos que sirven de nexo de unin (relacin) y que permiten establecer mltiples combinaciones mediante la utilizacin de estos nexos. Las combinaciones posibles son prcticamente ilimitadas, slo hay que configurar el mtodo de bsqueda (el query) o el tipo de datos que se quiere consultar y aplicarlo a los datos. Este tipo de organizacin permite la aparicin de las arquitecturas del tipo Cliente-Servidor, simplificando la administracin de 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 datos redundantes (inconsistencias debidas, por ejemplo, a repeticiones de registros). Los Usuarios deben poder acceder a los datos de forma rpida y sencilla, pudiendo realizar sus propias estructuras de interrogacin (queries) y obtener los datos adecuados a sus necesidades para su posterior tratamiento (hojas de clculo, documentacin, etc.).


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Bases de datos industriales: Las bases de datos relacionales normales no son adecuadas para los sistemas actuales de produccin. Una instalacin con 5.000 variables, si se requiere almacenarlas cada segundo, arroja la cantidad de 12.960.000.000 registros al cabo de un mes de trabajo. Las limitaciones principales son:

La cantidad de datos a almacenar en un periodo dado de tiempo. El

ejemplo anterior arroja 5.000 inserciones por segundo en la base de datos, cadencia muy elevada para una base de datos relacional.

El espacio necesario es considerable debido a la cantidad de

informacin a almacenar.

SQL no est optimizado para trabajar con datos con indexacin temporal, lo cual hace difcil la tarea de especificar resoluciones temporales.

Desarrollos como Industrial SQL, de Wonderware, solucionan el problema de la actualizacin de datos aumentando la capacidad de grabacin de datos y disminuyendo el espacio necesario en disco. Por ejemplo, un servidor dedicado con SQL Server 2000 es capaz de procesar ms de 10.000 medidas por segundo. Las nuevas tcnicas desarrolladas permiten aumentar el rendimiento de las bases de datos y, por tanto, el acceso a la informacin:

Las arquitecturas Cliente-Servidor permiten a los desarrolladores de

producto transferir las aplicaciones desde los Clientes y el Servidor hacia una Capa de Aplicacin intermedia.

Los objetos distribuidos basados en tecnologas tales como DNA, de

Microsoft Windows, y que emplean modelos como DCOM y CORBA, se utilizan para implementar la Capa de Aplicacin, donde se usarn las herramientas de anlisis, seguimiento y gestin.

CORBA (Common Object Request Broker Architecture) es un estndar

para computacin con obj

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