Curso sobre Controladores LógicosProgramables (PLC).

Por Ing. Norberto Molinari.

Entrega Nº 30.

Capitulo 6.

Sistemas SCADAsEl nombre SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition, Control Supervisor yAdquisición de Datos) se aplica a sistemas de control en los que el proceso está dispersoen una amplia superficie geográfica: cubriendo desde algunas decenas de kilómetroshasta sub-continentes enteros, cruzando varios países.

Los sistemas SCADA se utilizan en el control de oleoductos, sistemas de transmisión deenergía eléctrica, yacimientos de gas y petróleo, redes de distribución de gas natural,subterráneos, etc..

Un sistema SCADA consta de 3 partes fundamentales (Fig. 6.1):

• Las unidades remotas, o Remote Terminal Unit (RTU): reciben las señales de los sensores de campo, y comandan los elementos finales de control. Un sistema SCADA puede tener decenas de RTUS, distribuidas en una amplia superficie geográfica. En forma periódica son interrogadas por la Estación Maestra. Pueden tener capacidad de control, o no.

• La Estación Maestra o Master Terminal Unit (MTU): se trata de un conjunto deequipos que cumple las siguientes funciones:

1 Interroga en forma periódica a las RTUS, y les transmite consignas; siguiendo usualmente un esquema maestro-esclavo.

2 Actúa como interfase al operador, incluyendo la presentación deinformación de variables en tiempo real, la administración de alarmas, y larecolección y presentación de información historizada.

3 Puede ejecutar software especializado, que cumple funciones específicas asociadas al proceso supervisado por el SCADA. Por ejemplo, software para detección de pérdidas en un poliducto.

En sistemas relativamente sencillos, estas funciones pueden estar concentradas en unúnico equipo, como una PC. En sistemas de mayor complejidad, se puede utilizar unaminicomputadora para resolver las comunicaciones con las RTUS, y ejecutar elsoftware de aplicación. En este caso se pueden utilizar terminales o PCs como interfaseal operador.

• El Sistema de Comunicaciones: enlaza la Estación Maestra con las RTU. La comunicación se puede establecer por distintos medios físicos (radio, par telefónico, etc.).

Una característica de los Sistemas SCADA es que sus componentes son diseñados pordistintos proveedores, sin coordinación entre sí. Así, se tienen diferentes proveedorespara las RTUs (incluso es posible que un sistema utilice RTUs de más de un proveedor),modems, radios, minicomputadoras, software de supervisión e interfase con el operador,software de detección de pérdidas, etc.

Puesto que el diseño de estos componentes no es coordinado por un único proveedor, sudistinta velocidad de evolución tecnológica puede generar incompatibilidades. Por lotanto es importante que los distintos proveedores adhieran a normas de facto o de jure.

6.1 Remote Terminal Units, RTU

Las funciones básicas de la RTU son la recolección de la información suministrada porlos sensores conectados al proceso, el comando de elementos finales de control queactúan sobre el mismo (tales como válvulas y motores), y la comunicación con laEstación Maestra.

En los primeros sistemas SCADA (alrededor de los años '70) las RTUs sólo aceptabanun reducido número de funciones prefijadas La introducción de los microprocesadoresen su diseño significó una nueva generación de RTUS, con mayor inteligencia local,capacidad, y funcionalidad.

En resumen, una RTU debe cumplir con las siguientes funciones:

• Actualizar el valor de las entradas/saldas a intervalos prefijados. El proceso deactualización se realiza en un cielo de barrido o sean, similar al descripto en lasección 4.4.1. Consiste en leer la información de las señales de entrada, digitalizarla,procesar- la (por ejemplo, linealizarla), y volcarla a la memoria de la RTU.Inversamente, la información de la memoria será volcada a las salidas de la RTU.

Fig. 6.1 Partes de un sistema SCADA

Responder a los requerimientos de la Estación Maestra. Por ejemplo, la EstaciónMaestra puede enviar un mensaje solicitando se le informe el estado de las entradas, a loque la RTU responde con un mensaje que contiene esta información.

Detectar estados dé alarma de procesos, y acumularlos en la memoria para reportarlos ala Estación Maestra cuando le sean solicitados.

Algunas funciones adicionales que pueden estar disponibles son:

• Capacidad de control regulatorio, secuencial, y lógico.

• Capacidad de cálculo local, por ejemplo, compensación de caudal de gas por presióny temperatura según la norma AGA3. En este caso, la RTU podría reportar el caudalde gas compensado por presión y temperatura, en lugar de reportar la presióndiferencial, la presión manométrica y la temperatura. Se disminuye así la carga de laEstación Maestra, y el tráfico en el sistema de comunicaciones.

• Posibilidad de tomar acciones definidas en caso de falla de las comunicaciones.

Las RTUs se pueden clasificar según distintos criterios.

6.1.1. Clasificación de RTUs por su capacidad

En alguna medida, las funciones arriba detalladas permiten agruparlas en RTUs "tontas"e "inteligentes":

• RTUs "tontas": no poseen capacidad alguna, más allá de la capacidad deactualización de las variables de proceso, la comunicación con la Estación Maestra,y la modificación de salidas en función de comandos de la Estación Maestra.

• RTUs "inteligentes": Poseen capacidad de control y/o cálculo, almacenamiento devariables de proceso, etc.

Esta clasificación refleja el estado de la técnica a comienzos de los '80, cuandoaparecieron las primeras RTUs inteligentes. Actualmente, la gran mayoría delas RTUs tienen algún grado de inteligencia, difiriendo principalmente en sucapacidad de procesamiento y su capacidad de almacenamiento de datoshistóricos.

6.1.2. Clasificación de RTUs por la cantidad de E/S

Como todas las clasificaciones basadas en la cantidad de E/S, son frecuentes lasexcepciones. Aún así, se pueden establecer tres grupos, con características distintivas:

• RTUs pequeñas: Tienen hasta 100 entradas/salidas. Las borneras de conexión,CPU, memoria, modem, radio, etc., están integrados en una única plaqueta, en unaarquitectura rígida no modular (Fig. 6.2.). Como consecuencia, tienen una estructurafija de entradas / salidas. Puede incluir en forma opcional la capacidad de controlregulatorio, secuencial, algoritmos AGA de compensación de mediciones de caudal,etc.

• RTUs medianas: Con una cantidad de hasta 500 E/S, estas RTUs cuentan con unaarquitectura modular que permite ajustar la cantidad y tipo de E/S a las necesidadesdel proyecto. Generalmente tienen capacidad de control PID y lógico.

• RTUs grandes: Con más de 500 E/S, estas RTUs generalmente tienen mayorcapacidad de cálculo, y redundancias a distintos niveles (Fig. 6.3.).

Fig. 6.2 RTU monoplaca.

6.1.3 Otras características de las RTUs

Normalmente las RTUs se instalan en lugares apartados, debiendo soportar lasinclemencias del tiempo. Por tal motivo, hay aspectos que deben ser tenidos en cuenta:

• Los gabinetes deben ser aptos para intemperie (por ejemplo, según normas NEMA 4o IEC IP55). En general, es preferible montarlos en áreas calificadas desde el puntode vista eléctrico como de "de propósito general". Si esto no es posible, deberánutilizarse gabinetes adecuados para la clasificación de seguridad eléctrica del área,pudiendo requerirse que sean a prueba de explosión.

• El sistema de alimentación deberá ser confiable. En algunos lugares se dispone deuna alimentación eléctrica que no es confiable. En este caso, se utiliza una bateríapara permitir la operación de la RTU en caso de falla de la alimentación. También esposible que no exista electricidad en la localización de la RTU. Se utilizan entoncespaneles solares como fuente de alimentación. En este caso se requiere que elonsumo de la RTU sea bajo, de otra manera, serían necesarios paneles solares

grandes y costosos. Para una RTU pequeña, el consumo puede ser inferior a 2 W.

• La electrónica deberá soportar temperaturas extremas. En lugares fríos en los que sedispone de energía eléctrica, pueden utilizarse calefactores eléctricos. De locontrario, la electrónica deberá soportar bajas temperaturas. En lugares cálidos, laelectrónica debe soportar altas temperaturas. Algunas RTUs soportanespecificaciones de temperaturas ambiente tan extremas como -20 a + 80º C.

• Los indicadores locales permiten identificar el estado de la RTU. Estos pueden sersimples leds, o indicadores numéricos de 7 segmentos.

Fig. 6.3 RTU del tipo Modular

La comunicación de variables de proceso entre las RTUs y la Estación Maestra es unobjetivo básico de los sistemas SCA.DA.

Para ello es necesario implementar un protocolo de comunicaciones, que sigueusualmente el esquema maestro-esclavo. Un protocolo que se utiliza con bastantefrecuencia en los sistemas SCADA es el Modbus, de Modicon. Este protocolo presentala ventaja de ser un standard de facto, al cual adhieren numerosos proveedores. Comocontrapartida, no tiene algunas características que son deseables en muchos sistemas, yque se describirán a continuación.

Estas características son ofrecidas por diversos proveedores, como parte de susprotocolos propietarios.

Reporte por excepción: Esta característica hace al buen aprovechamiento del canal decomunicaciones. Una RTU sin esta característica recibe (y responde)mensajes del tipo "transmitir el estado de todas las variables". De este modo,variables cuyo estado no se alteró desde la última consulta son transmitidas ala Estación Maestra. En un reporte por excepción, la consulta toma la forma"transmitir el estado de las variables cuyo estado cambió desde la últimaconsulta".

Así se disminuye el tráfico de la red en forma significativa. En el caso de variablesdiscretas, la RTU transmite el valor de aquellas variables que pasaron de 0 a 1, 0viceversa. En el caso de variables analógicas, se define una banda tal que, superada lamisma, se considera que la variable cambió.

Recepción y reenvío de mensajes: Esta característica es particularmente útil ensistemas de gran longitud, como los oleoductos. En este caso, las RTUs siguen la trazade la cañería, y son alimentadas por paneles solares. Debido a las grandes distanciascubiertas, y a los obstáculos geográficos generalmente presentes, los mensajes deben serretransmitidos de RTU en RTU.

En un protocolo maestro-esclavo normal, los mensajes son escuchados por todas lasRTUs, aunque sólo responda aquella RTU a la cual estaba dirigido.Esto significa que las radios del sistema de comunicaciones repiten el mensaje en todaslas estaciones; por lo tanto es necesario dimensionar el panel solar de manera tal quesoporte el consumo de la radio, mientras repite mensajes que no son necesarios (Fig.6.4), lo cual resulta en paneles solares más grandes y más costosos. Esto puede evitarsesi la RTU tiene capacidad de reenviar los mensajes en forma selectiva, es decir,reenviando sólo aquellos mensajes que no alcanzaron su destino. Se disminuye así eltiempo que están encendidas las radios de las RTUs (y su consumo promedio).

En algunos casos se utilizan como RTUs equipos que no han sido específicamentediseñados para ese fin, como son los PLCs. Esto es generalmente aceptable, aunquedebe prestarse atención a las eventuales limitaciones que surjan de un protocolo decomunicaciones poco apropiado y/o un elevado consumo.

Por otra parte, también existen algunas RTUs diseñadas para una función específica. Tales el caso de algunos computadores de caudal de gas, diseñados específicamente paracalcular en forma instantánea el caudal de gas, compensado por la norma AGA3. Elconsumo de gas es almacenado en tiempos prefijados (como por ejemplo, cada 5minutos). Finalmente, se transmite esta información a la Estación Maestra una vez pordía.

6.2. Estación MaestraLa Estación Maestra tiene como funciones:

• Obtener la información requerida de las RTU por medio de un proceso de encuesta opolling".

• Procesar esta información, actualizando la base de datos de control, y generando lasalarmas que correspondan.

• Historizar las variables de la base de datos de control.• Presentar esta información al operador, bajo la forma de pantallas generales

(overview), mímicos, resúmenes de alarmas, gráficos de tendencia, y reportes.

• En algunos casos, correr programas de aplicación especiales.

Fig. 6.4 Recepción y reenvió de mensajes.

Típicamente, la Estación Maestra es una computadora de propósito general con unsistema operativo multitarea, sobre el que se ejecutan programas de diverso tipo.

El software básico debe comprender las siguientes funciones:

• Subsistema de comunicaciones, responsable de comunicarse con las RTUS. Incluyeestadísticas implementadas por medio de contadores que indican la cantidad defallas de distintos tipos ocurridas (mensajes de los que no se recibió respuesta,mensajes que fueron mal recibidos, etc.).

• Subsistema de administración de la base de datos, que ejecuta aquellas estrategias decontrol residentes en la Estación Maestra.

• Subsistema de administración de alarmas.• Subsistema de interfase al operador.

Fig. 6.5 Estación maestra basada en una PC.

Por otra parte, algunos sistemas requieren funciones adicionales:

• Historización de variables. - Validación de datos.• Detección de pérdidas (por ejemplo, en un oleoducto o gasoducto).

En función de estos requerimientos, se desprenden las características del software autilizar, y el hardware sobre el que este debe correr.

En términos generales, las características del software son similares a las descriptasanteriormente, basándose en sistemas operativos tales como UNIX, QNX, VMS, etc.

Desde el punto de vista del hardware la Estación Maestra puede estar conformada poruno o varios equipos:

Computadora Personal PC: Se utiliza en sistemas de pequeña magnitud, debido a sulimitada capacidad de procesamiento. En este caso, el software arriba listado corre enesta única PC, que actúa también como interfase al operador (Fig. 6.5).

Fig. 6.6 Estación Maestra basada en una red de PC´s.

Red de Computadoras Personales PC: En este caso, se distribuyen las funciones deinterfase al operador, historización y ejecución de software de aplicación en varias PCs,que están conectadas en una red LAN (Fig. 6.6).También puede distribuirse la función de comunicación con las RTUs. En este caso,cada PC interroga un grupo de RTUs.

Workstations: Se trata de una configuración similar a la de una PC o una red de PCs,sólo que una o varias PCs son reemplazadas por workstations.

La workstation es una computadora de propósito general, usualmente dedicada a unúnico usuario, de capacidad mayor a la de una IBM PC compatible, pero inferior a la deuna minicomputadora. Incluyen monitores de alta resolución, memorias RAM de almenos 16 Mb y discos rígidos de al menos 400 Mb. Son utilizadas en aplicaciones querequieren capacidad de cálculo intenso y presentación gráfica de alta resolución, comoel Diseño Asistido por Computadora (Computer Assisted Design, CAD), desarrollo desoftware, etc.Con frecuencia, las workstations están basadas en procesadores RISC, utilizando unsistema operativo UNIX. SUN Microsystems, DEC y Hewlett- Packard son líderes en lafabricación de workstations.

Este tipo de computadoras es requerido en sistemas donde se corra software deaplicación de cálculo intensivo, como la detección de pérdidas.

Minicomputadoras: Son computadoras de alta capacidad, que soportanmúltiples usuarios a través de terminales conectadas en red. Unaminicomputadora puede soportar desde 10 hasta 200 usuarios. Laminicomputadora más popular es la VAX de DEC (Digital EquipmentCorporation), con sistema operativo VMS. Son utilizadas en algunas aplicaciones endonde se requiere una extremadamente alta capacidad decálculo, y administración de información (Fig. 6.7).

Combinación de estas configuraciones con PLCs: En algunos sistemas seasigna la responsabilidad de concentrar la información de las RTUs a un PLC ouna RTU maestra. A su vez, este equipo es interrogado por una o variascomputadoras, que cumplen las restantes funciones. Este esquema tiene laventaja de utilizar un equipo industrial que dispone de opciones tales como laredundancia de procesadores, a costos relativamente bajos (Fig. 6.8).

Fig. 6.7 Estación Maestra basada en una minicomputadora

Tradicionalmente, los sistemas SCADA se limitaron a ser una herramienta para elsoporte de decisiones relacionas a la operación del proceso, por ejemplo, el control deun gasoducto. Actualmente, pueden integrar funciones administrativas, como porejemplo:

• Programación de los envíos de distintos clientes de la compañía de transporte porcañería.

• Facturación del servicio de transporte del fluido. Dentro de este caso podemosmencionar la facturación de transporte de energía eléctrica, en los sistemas dedespacho de carga.

En estos casos, las funciones administrativas pueden influir en forma importante en ladefinición de la arquitectura de la Estación Maestra.

Fig. 6.8 Estación maestra basada en una combinación de PLC´s con una CPU redundante y una red de PC.

Continuará.....

Nota de Redacción: El lector puede descargar el curso capítulo a capítulo desde lasección “Artículos Técnicos” dentro del sitio de EduDevices(www.edudevices.com.ar )