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INGENIERIA INDUSTRIAL SISTEMAS INFORMATICOS INDUSTRIALES

SISTEMAS SCADA

Los Sistemas de Control Industriales (ICS-Industrial Controls Systems), es un término muy general que incluye los sistemas de Supervisión y Adquisición de Datos (SCADA), los Sistemas de Control Distribuido (DCS), y otros sistemas de control mas pequeños tales como los PLC (Programable Logic Controllers) frecuentemente encontrados en algunos sectores industriales con infraestructura critica. Los SCI ( o ICS según la nomenclatura anglosajona), son usados en industrias tales como la generación de energía eléctrica, distribución de agua, gas y petróleo; en controles de servicios de transporte de trenes, comunicaciones telefónicas y en investigaciones espaciales. Esos sistemas de control son esenciales para la operación de la infraestructura crítica de cualquier país, los cuales son sistemas altamente dependientes y mutuamente interconectados. Los organismos dependientes del estado nacional también operan muchos de los procesos mencionados anteriormente, como el seguimiento del servicio de correos o controles de tráfico aéreo.

Los sistemas SCADA son sistemas altamente distribuidos, usados para controlar áreas extendidas, frecuentemente con cobertura de miles de kilómetros cuadrados, donde la supervisión y el control centralizado de datos son críticos para la operación del sistema. Un Centro de Control SCADA lleva a cabo el monitoreo y control centralizados en lugares del campo, y sobre redes de comunicaciones a grandes distancias, incluyendo el monitoreo de alarmas y procesamiento de datos de estado (Se verá esto más adelante). Basado en la información recibida de las estaciones remotas, comandos automáticos o supervisados por un operador, pueden ser enviados para el control de un dispositivo en una estación a distancia, el cual es denominado comúnmente como dispositivo de campo. Este tipo de comandos pueden realizar cierre o aperturas de válvulas, interruptores, seccionadores, recepción de datos de sensores, y monitoreo del entorno local para condiciones de alarma. Nota: alarma en este caso no significa solamente la existencia de algún peligro o una situación de daño inminente. En los sistemas SCADA se emite una alarma cuando cualquier dispositivo de campo cambia su estado, una variable cambia su valor, un elemento controlado entra en servicio, etc. Y por supuesto también en los casos de peligro, pero no exclusivamente para estos.

Muchos de los sistemas SCADA, instalados hoy en día, se están convirtiendo en parte integral de la estructura de los Sistemas Gerenciales de información. Estos sistemas no están siendo vistos por los Gerentes como simples herramientas operacionales y de Ingeniería, sino como una fuente importante de información. En este rol, estos sistemas continúan sirviendo como el centro de responsabilidades operacionales, pero además, proveen data a sistemas y usuarios fuera del ambiente de control que dependen más de información inherente al tiempo importante para la toma de decisiones de negocio. La arquitectura de los sistemas SCADA actuales, a menudo integran diversos ambientes de control, como medidores de consumos de energía y presión en centros de control integrados.

El acrónimo SCADA deviene del termino Supervisory Control and Data Acquisition. Estos sistemas usados para monitorear y controlar plantas o equipamiento en industrias, como también pequeños procesos de investigación, fabricación, etc., tales como los mencionados en el parágrafo anterior, mejoran la transferencia de datos entre un Procesador Central SCADA y las Unidades Terminales Remotas (RTU). Un sistema de este tipo canaliza la información (por ejemplo la ubicación de perdidas en un oleoducto, cortes de energía eléctrica, etc.) transfiriendo esta información a una Central en la cual un operador tomara decisiones y acciones, para determinar si la pérdida es critica o no, y realizando el correspondiente análisis y corrección. Estos sistemas pueden ser simples, tal como el monitoreo de un edificio y su entorno, o muy complejo como es el control y supervisión de una planta de generación de energía nuclear. Los primeros sistemas SCADA fueron instalados usando la Red Publica Conmutada de Telefonía, con el propósito de monitoreo solamente. Actualmente, estos sistemas se han desarrollado de tal manera, que usan todos los medios disponibles para la transmisión de los datos recogidos del campo. Un Sistema SCADA consiste de:

- Uno o mas dispositivos de interface de datos de campo, normalmente llamados RTUs, los cuales realizan la interface con los interruptores y actuadores locales de válvulas, y otros elementos integrantes del proceso.

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- Un sistema de comunicaciones usado para transferir los datos entre los dispositivos de campo y unidades de control, y la computadora Central (o Host) ubicada generalmente en el Centro de Control.

- Los sistemas de transporte de comunicaciones pueden ser radio, teléfono, cables, enlaces satelitales o cualquier combinación de ellos.

- Una Computadora Central (Host) denominada computadora Central SCADA, estación maestra, o Unidad Terminal Maestra (MTU).

- Un conjunto de programas de software Standard y otro dedicado (llamado Interface Hombre-Maquina), usado para proveer la adecuada información al operador del sistema mediante un monitor, de manera que la lectura y la interpretación de la información del campo sea fácil y de rápida resolución.

Los dispositivos de recolección de datos del campo, son los encargados del envío de los valores de las variables que se quieren medir. Por ejemplo: medidores de nivel, de flujo, de posición de apertura de válvulas, de corriente, de tensión, de factor de potencia, actuadores de válvulas, llaves de arranque de motores, etc., son los que indican a los operadores del sistema como esta trabajando determinado equipo, o si debe aumentar la dosificación de determinado producto químico para la correcta densidad del producto.

Cuando tal información es enviada, antes de hacerlo debe ser sometida a una transformación para que sea compatible con la forma en que el sistema SCADA puede procesarla. Es necesario entonces introducir en los elementos constitutivos del sistema, a las interfaces electrónicas de datos del campo que se encargaran de cambiar una señal eléctrica, óptica o de cualquier tipo en una señal que la unidad central o Host pueda manejar. Estos dispositivos son denominadas Unidades de Telemetria Remota o RTUs ( Remote Telemetry Unit). Algunos fabricantes las denominan como Unidades Terminales Remotas. Estas RTU son las encargadas de convertir las señales provenientes de los dispositivos del campo a un lenguaje adecuado para la recepción por parte del Host, el cual se denomina Protocolo de Comunicaciones que será enviado por un canal de comunicaciones adecuado para el procesamiento.

Las órdenes o comandos emitidos hacia ciertos dispositivos del campo en un sistema SCADA, son resueltos localmente, es decir, el automatismo no se hace a través del Host o unidad central. Esto se debe a que no se desea sobrecargar de información al canal de comunicaciones, dejando las mismas para la variables mas importantes que deba manejar el operador del sistema. Estos dispositivos que manejan ciertos automatismos locales son los llamados PLC, (Programmable Logic Controller). Un PLC es un equipo que maneja cierto automatismo ya sea en forma de trabajo aislado o en conjunción con el sistema SCADA. Se programan en forma similar a un sistema embebido y tienen un CPU propio que con un programa en una memoria local, controla una o más variables de un dispositivo de campo. Los PLC se usan también para trabajo en forma aislada (stand alone), por ejemplo, en un proceso de fabricación cualquiera donde un operario controlara periódicamente el comportamiento del dispositivo.

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Estos equipos nacieron como primera forma de automatismos de procesos en fábricas, trabajando en forma aislada. Los sistemas SCADA nacieron como sistemas de supervisión para conocer en forma remota, el comportamiento de las variables de algún proceso de producción de bienes o servicios. Posteriormente, se integraron para formar parte de los sistemas en forma integral. Cabe señalar que los primeros sistemas SCADA estaban diseñados con sistemas embebidos o microprocesadores, lo que hacia mas compleja la instalación e integración al sistema total.

Los PLC tuvieron su origen en la automatización de la industria y por lo tanto son usados en plantas de proceso de fabricación y servicios. En ese sentido, no fue muy necesaria la necesidad de conectar un PLC a un canal de comunicaciones, ya que solo se usaban como reemplazo de los controladores neumáticos y relés lógicos. Los sistemas SCADA, por su lado, tuvieron su origen en las primeras etapas de la telemetría, en la que solo era necesario conocer la información básica de un dispositivo remoto. La inclusión de las señales emitidas por un PLC y recibidas por un sistema de telemetría en un lugar remoto, dio origen a los sistemas SCADA, ya que se pudo implementar lo que se denomina control supervisorio.En este apunte, llamaremos RTU a los dispositivos de campo remotos, los cuales podrían incluir o no un PLC como sistema de automatización local en el sitio bajo control.

ESQUEMA BASICO DE UNA RTUSe muestra a continuación, un diagrama en bloques de una RTU básica, que como tal, puede ser configurada de distinta manera según los fabricantes y la finalidad para la cual se destine.

En la figura, se supone un sensor que recibe las variables que se están midiendo. Los más usados en la actualidad son los PLC. Estos sensores pueden ser de cualquier tipo, (presión, temperatura, voltímetros, amperímetros, caudalímetros, etc.), que envían una señal eléctrica a un equipo conversor para adecuación de esa señal a la que el Host puede procesar. Luego de esta etapa, se envía la señal ya convertida al equipo que transmitirá y que puede ser de diferentes tipos: emisor de radio, equipo transmisor telefónico, de fibra óptica, etc., según el medio que se use. Debe tenerse en cuenta también que el dispositivo también puede ser un actuador, con lo cual la señal será recibida en el equipo receptor, procesada por el conversor para determinar cual es la acción a llevar a cabo y convertirla a una señal (normalmente eléctrica) al elemento que deberá realizar la acción recibida.

En los sistemas actuales donde se reciben señales de puntos distantes, todas ellas deben llegar al Host y este debe identificar quien es el que envía la información. Estos sistemas más complejos, tienen procesadores en la recepción de cada RTU, identificándola a

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la misma. Se realiza mediante el denominado scan que va recogiendo una a una las mediciones de todas la RTUs, completando el ciclo y comenzando nuevamente.

REDES DE COMUNICACIONESLas redes de comunicaciones se implementan con el fin de proveer un medio por el cual los datos pueden ser transferidos entre las RTUs del sistema y la computadora Host del SCADA.

Los medios utilizados para esta transmisión pueden ser:

Radio – Se incluyen en este tipo los sistemas de microondas terrestres.

Telefonía – Se usan cables telefónicos de un ancho de banda grande para enviar los datos a mayor velocidad

Redes eléctricas – Se usan en sistemas SCADA que se implementan para el control de redes, enviándose y recibiéndose datos usando las mismas redes que se usan para la transmisión de energía.

Satélites – Se emplean en emplazamientos distantes del Centro de Control

Fibra Óptica – Se implementan cuando es conveniente económicamente.

Cables – Se configuran cuando la red es pequeña en su extensión física.

El uso de cables es económicamente conveniente en redes donde las distancias entre los lugares de medición y el Host son distancias cortas. Por ejemplo Fábricas, Laboratorios, etc. La inconveniencia nace del hecho de su costo tanto del medio físico como de la instalación de los mismos.

El uso de líneas telefónicas se vuelve conveniente cuando la red esta medianamente distanciada geográficamente. Se usan cuando el sistema SCADA para su funcionamiento necesita una conexión en línea con las unidades remotas, debiéndose conectar una línea para cada una de ellas. El Host podrá recibir los datos de cada estación en intervalos regulares, como también emitir las ordenes o comandos cuando lo requiera.

Existen lugares donde se instalan redes, en los cuales no hay tendido de líneas telefónicas. En estos casos, una solución posible es la instalación de radio modems, equipos que reciben los datos de las RTU, y lo envían a otro (radio modem) que lo convierte a las señales adecuadas para el HOST y las envía por medio de un equipo de radio incorporado en él. También en estos casos se puede implementar una configuración en línea (como con líneas telefónicas). En el caso que no haya una comunicación directa como canal de comunicaciones, se puede implementar el vínculo de la señal mediante repetidoras. Estos son equipos que reciben una señal electromagnética de radiofrecuencia, la amplifican y la envían hacia otro lugar con otra frecuencia. Estas configuraciones son típicas en lugares montañosos, donde la topografía del terreno impide la llegada de la señal de radio en forma directa. En este caso, se ubica una repetidora en la cumbre de la montaña, la cual enviará la onda hacia el destino al otro lado de la misma. La necesidad que se cambie de frecuencia (una para recepción y otra para transmisión) es por cuestiones técnicas, evitando el llamado acoplamiento o realimentación positiva de la señal, que causaría problemas en el equipo.

Históricamente, las redes para los sistemas SCADA fueron implementados con líneas dedicadas de telefonía. Con la difusión de las redes LAN entre oficinas y entre diferentes computadoras, se comenzó a usar estos medios para la transmisión de los datos.

La mayor ventaja de este tipo de configuración es que no se necesita inversión en la implementación de la conexión física de la red. Ya existe un vínculo para la integración de los diferentes programas tales como hojas de datos, bases de datos, etc., el cual puede ser usado también para el envío de datos de las unidades remotas.

Se ha comenzado a usar redes satelitales para el envío de los datos de las RTUs. Esto es aconsejable cuando las unidades remotas se ubican en lugares casi inaccesibles y deben tener un mantenimiento poco frecuente. Por ejemplo en las mediciones meteorológicas en lugares distantes, se colocan los sensores y sus respectivos equipos (baterías solares, transmisores, etc) los cuales envían las señales a un satélite quien las repetirá al Host ubicado en cualquier lugar del planeta, lo cual constituye una ventaja ya que libera la ubicación del centro de control a cualquier lugar de cualquier ciudad, inclusive los lugares llamados comerciales de las mismas.

El uso de la fibra óptica esta restringido a lugares donde el costo justifique su implementación.4


COMPUTADORA CENTRAL o HOST

La Computadora Central o Estación Maestra es una computadora generalmente del tipo industrial, o una red de computadoras que llevan a cabo todo el proceso de supervisión y control con datos recibidos de las RTUs, y que presentan la información adecuada y necesaria al operador y controlador del sistema. La información recibida desde estas estaciones remotas, presentada al operador mediante una interfase hombre/maquina adecuado (Human Machina Interface o HMI), para que este pueda operar sobre el sistema y realizar el control necesario. Las interfaces son generalmente monitores de video o pantallas de computadoras las cuales mediante un software adecuado, permiten al operador interactuar con el sistema SCADA mediante entornos gráficos, que representan el proceso que se esta controlando. El vinculo entre la computadora central o HOST y las terminales, es normalmente una red LAN o WAN para sistemas pequeños, y redes especialmente implementadas para los grandes sistemas que requieren de una alta confiabilidad. En los primeros sistemas implementados, el software y aun en hardware usado era provisto por el fabricante del sistema, y era incompatible con otros sistemas SCADA producidos por otras compañías. Generalmente se empleaban sistemas operativos UNIX, el cual excluía la posibilidad de confección de planillas, informes, etc. en el software de oficina. Esto hacia que en cualquier ampliación del mismo, se debiera recurrir al fabricante original, sin tener otras opciones de precio y aun de prestaciones provistas por otras compañías. La difusión de las PC de escritorio, hizo que con las altas resoluciones conseguidas actualmente, se puedan representar cualquier grafico, con lo que se comenzó a usarlas como interfases hombre/maquina con los operadores del sistema. Asimismo, y al estar conectadas a un sistema en red, los datos provistos por el sistema SCADA pueden ser objeto de introducirse en planillas de calculo, bases de datos, etc., del software que habitualmente se usan en oficinas. Se debe realizar una aclaración: Existen sistemas que por su ubicación, necesitan que tanto el HOST como los monitores y el resto del equipamiento, deban ser del tipo industrial, es decir de características especiales en cuanto a robustez y confiabilidad. De este tipo de maquinas se explicara en párrafos posteriores.

Características

Cuando hablamos de Host, en este tipo de sistemas (SCADA) estamos refiriéndonos a una computadora que recibe datos y que envía comandos, de acuerdo a las acciones decididas por el operador o controlador del sistema. Existen sistemas SCADA los cuales controlan procesos de control que deben tener una altísima confiabilidad. Por ejemplo:

● Controladores de tráfico aéreo● Controladores de gasoductos● Controladores de redes de transporte de energía eléctrica.● Controladores de tráfico de trenes

Todos estos sistemas, requieren confiabilidades del 99 % o más, ya que en ningún momento el sistema de supervisión y control debe interrumpirse. Por lo tanto, y dependiendo de cuan critico sea el sistema a controlar, se deben tomar las precauciones necesarias para evitar cualquier corte o interrupción en el funcionamiento integral del sistema SCADA. Por ello, y en los casos que es necesario, se instalan dos y tres Computadoras o Hosts, en la cuales una es la que esta en permanente control del sistema, mientras que el las otras sirven de respaldo. El mismo tratamiento recibe el sistema de comunicaciones o red, en las cuales se duplica o triplican las vías por las cuales los datos están llegando al Host. Por ejemplo se puede implementar

● Sistemas de radiofrecuencia (Radios)● Sistemas de radiofrecuencia tipo UHF (Ultra High Frequency) mediante enlaces de microondas● Sistemas telefónicos● Sistemas de fibra óptica

Debe tenerse en cuenta que en muchos sistemas en los que se implementa en control supervisorio, los puntos de medición que reciben las RTUs dispersas en áreas de miles de kilómetros cuadrados, no tienen personal que pueda realizar operaciones sobre ellas, por lo que la confiabilidad de las mismas tiene que ser muy alta.

También los Host deben tener sistemas de alimentación de respaldo o backup. Para ello se instalan sistemas redundantes de alimentación.

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Se denominan a los sistemas que alimentan a los Host y que responden a la nomenclatura de Uninterrupible Power Supply. Un diagrama en bloques de estos dispositivos es el siguiente (no es el único diseño para una UPS):

En condiciones normales, la alimentación normal (proveniente del servicio público de distribución de energía) es convertida a tensiones continuas mediante circuitos adecuados. Esta tensión por su parte carga el banco de baterías que se mantiene a “flote”, ya que lo único gasto de corriente que realiza es el de las perdidas (muy pequeñas) que las baterías puedan tener. A continuación, la tensión continua es convertida en alterna, para alimentar directamente al Host. Ante cualquier falla en la alimentación normal, el banco de baterías comienza a suministrar tensión a un conversor de continua a alterna. En estas condiciones, el Host no se interrumpe ni tampoco se produce ruido eléctrico (alteración en los datos que recibe o envía), ya que no existen conmutaciones de llaves, interruptores, etc. El Host continua funcionando sin “enterarse” que la tensión normal se interrumpió. El tiempo que pueda funcionar con el sistema de baterías, dependerá de la autonomía de las mismas, es decir de la cantidad y capacidad de ellas. En los sistemas de alta confiabilidad, esta duración puede llegar a media hora o 45 minutos. Si por cualquier motivo la falla subsiste, se conecta a la entrada de la UPS (por donde llega la alimentación normal), un generador de tensión alternativo, el cual puede, de esta manera, funcionar un tiempo ilimitado ya que necesita solo combustible (fuel oil).

Este esquema es bastante básico. Existen configuraciones más complejas para asegurar la alimentación normal del Host.En muchos casos, la UPS y los generadores de tensión alternativos para fallas, también están duplicados o triplicados, para aumentar la confiabilidad del sistema.

Es necesario destacar que en las configuraciones con dos o más Host, el software que se instala en cada uno es el mismo, pero solo uno de ellos es el que recibe la información en su base de datos. Los otros están funcionando y con su software ejecutándose, pero solo se actualiza su base de datos para entrar a supervisar y controlar en el momento que falle la computadora que hasta ese momento llevaba el control del sistema.

COMPONENTES DEL SOFTWARE Y OPERADORES DE LA ESTACION

Las computadoras de los operadores del sistema son las que están mas relacionadas con los Host de los SCADA. El Host actúa como un servidor para los programas de aplicación del SCADA, y las terminales de los operadores son “clientes” que requieren y envían información al la computadora central (Host) basadas sobre las acciones requeridas por los operadores. Un aspecto importante de cada sistema, es el software usado en el sistema. El mas evidente y el mas visible es el llamado “Interface Hombre-Maquina”, o (MMI/HMI), que presenta al operador, todos los detalles de lo que sucede en el sistema. Dependiendo del tamaño y naturaleza del programa de aplicación SCADA que se trate, su costo puede ser muy importante y

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significativo cuando se lo desarrolla, mantiene o se lo expande. No olvidemos que algunos de estos sistemas son hechos “a medida”, es decir para un sistema a controlar determinado. Muchos sistemas SCADA emplean software comercial ya desarrollado, sobre el que se diseñan los nuevos programas para la disminución de costos. Algunos programas SCADA se desarrollan con la modalidad COTS, que reutilizan software ya implementado para aplicaciones generales y los adecuan a las necesidades de los productos SCADA. Para entender un poco mas sobre este tipo de software, es como si utilizáramos una planilla de calculo para una parte del desarrollo del sistema integral. La ventaja del software COTS, es que es más flexible, y puede ejecutarse y se lo puede vincular con diferentes tipos de hardware y software.

Nota: COTS proviene de las palabras “comercial off-the-shelf”, que podría traducirse como software “empaquetado” que se vende o comercializa tal como lo provee el fabricante. Es decir, software que tiene alguna divulgación pero que no esta destinado a una aplicación especifica alguna, sino puede usarse para diferentes objetivos.

El software usado normalmente en un Host, puede ser el siguiente, sin ser excluyente de otros que puedan tener otros programas adicionales:

Sistema Operativo de la Computadora Central o Host. Se trata del Sistema Operativo que se ejecuta en la computadora central, y que controla todos los recursos de la misma. Es el que maneja todo el sistema SCADA. Un sistema ampliamente usado, es el sistema operativo UNIX, sin descuidar otros que son desarrollados específicamente para control supervisorio y adquisición de datos como MAX IV.

Sistema operativo de las terminales de operador: Generalmente es el mismo que el usado en el Host, ya que se implementan redes entre estas terminales y el Host.

Programas de aplicación en el Host: Es el software que maneja la transmisión y recepción de datos desde y hacia las RTUs y la computadora central. Este software también provee las interfaces graficas de usuario las cuales ofrecen pantallas con tableros mímicos, páginas de alarmas, funciones de control, etc. Los tableros mímicos son gráficos que representan el sistema que se esta controlando. Se lo presenta con el detalle y resolución que el usuario o propietario del sistema decida y que resulte cómodo para ser usado por los operadores del mismo.

Programas de aplicación en Terminales de Operador: Programas que permiten a los usuarios acceder a la información del Host . Generalmente es un conjunto de programas incluidos en el sistema operativo del Host.

Programas de Protocolos de Comunicaciones: Este software esta normalmente instalado en la computadora central y en las RTUs, es requerido para el control de la conversión e interpretación de los datos entre los extremos de un sistema de comunicaciones y los enlaces del mismo. Estos programas preparan los datos para usarlos ya sea en los dispositivos de campo o en el Host, para interacción de los mismos.

Software de manejo de la red de comunicaciones: Estos son programas que controlan la red de comunicaciones y permiten a la misma ser monitoreada para observar su performance y posibles fallas en la misma.

Software de automatización de las RTUs: Este permite a los encargados del sistema y especialistas en el proceso que se controla, configurar y mantener los programas de aplicación que se ejecutan en la RTU misma. Generalmente son programas de aplicación para control de automatismos locales que se desarrollan en la RTU y no llegan al Host, salvo en casos de falla o cuando se lo requiera.

ARQUITECTURA DE LOS SITEMAS SCADA

Los sistemas SCADA han evolucionado con el crecimiento y desarrollo de los diferentes sistemas computacionales. Se puede clasificar a los sistemas de supervisión y control, en tres generaciones, que se detallan a continuación:

• Primera Generación – Monolíticos

• Segunda Generación – Distribuidos

• Tercera Generación – En Red.

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Sistemas Monolíticos

Cuando los primeros SCADA fueron desarrollados, la computación en general estaba centrada en la configuración jerárquica compuesta por una procesador central o mainframe y terminales conectadas a el que dependían de la principal para poder realizar cualquier tarea.

Las redes WAN (Wide Área Network) que fueron implementadas a continuación, solo estaban destinadas a la comunicación entre el Host y las RTUs, exclusivamente. Los protocolos WAN conocidos aun hoy, no eran implementados en ese tiempo para enlace Host-RTU.La redundancia en esta primera generación de equipos, estaba implementada con la instalación de dos o mas mainframes, de configuración idéntica, y conectadas a nivel de bus. El sistema de respaldo o “back up” monitoreaba a la primaria o principal. Ante cualquier falla, aquella tomaba el control del sistema y continuaba con la recepción y envío de datos. (Ver Computadora Central o Host – Características) en parágrafos anteriores.

Arquitectura de la primera generación de SCADA (Estructura Monolítica)

Sistemas Distribuidos

La siguiente generación de SCADAs aprovechó la ventaja del desarrollo y mejoramiento en los sistemas de miniaturización y las tecnologías LAN para distribuir el proceso a través de múltiples sistemas. Múltiples estaciones, cada una con una función especifica, fueron conectadas a redes LAN y compartían la información una con otra en tiempo real. Esas estaciones fueron típicamente implementadas con minicomputadoras, mucho mas pequeñas y baratas que los procesadores de la primera generación.Algunos de esas estaciones distribuidas servían como procesadores de comunicaciones, vinculando principalmente las RTU. Algunas servían como interfaces de operador, proveyendo las interfaces hombre-maquina para el operador del sistema. Otras estaban destinadas a cálculos del proceso o servidores para el manejo de las bases de datos del sistema. La distribución de sistemas individuales SCADA, funciona a través de múltiples sistemas que, en su conjunto, dan mas velocidad y eficiencia en el procesamiento que una maquina simple o mainframe trabajando sola (stand alone). Las redes que conectan los sistemas individuales, estaban basadas generalmente sobre protocolos LAN y no estaban diseñadas para vincularse más allá del entorno del sistema integral en si.

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Algunos de los protocolos LAN utilizados en esas configuraciones, fueron diseñadas por los fabricantes del sistema SCADA, en los cuales cada uno implementaba su versión propia en lugar de utilizar algún protocolo normalizado. Esto permitía al fabricante optimizar su red LAN, para el tráfico de datos en tiempo real, pero limitaba o eliminaba la posible conexión de la red con otras redes de otros fabricantes. La distribución de las funciones del sistema a través de sistemas conectados en red, servia no solo para mejorar la eficiencia del procesamiento de datos, sin también mejoraba la redundancia y confiabilidad del sistema en su totalidad. Por ejemplo, en lugar de una falla simple de la estación primaria (Host) de la primera generación, la arquitectura distribuida mantenía a todas las estaciones dentro de la red como estaciones en línea, todo el tiempo. Si una estación de interfase hombre-maquina fallaba, otra estación con las mismas características podía ser usada para operar el sistema, sin esperar el cambio de estación primaria a la de respaldo como en los sistemas monolíticos.Las redes WAN usadas para comunicar los dispositivos de campo, eran no intercambiables. Las comunicaciones de red externas al sistema, estaban limitadas a los protocolos de las RTU, y donde no se disponía de otro tipo de tráfico de red.Como en el caso de la primera generación de SCADAs (monolíticos) la segunda generación también tenia limitaciones de hardware, software y de dispositivos periféricos, que eran provistos por el fabricante del sistema, sin tener la posibilidad de cambiar de proveedor.

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SISTEMAS SCADAs EN RED

La actual generación de arquitecturas de las estaciones maestras SCADA son bastante similares a las de la segunda generación, con la gran diferencia que se diseña un sistema abierto en lugar de un sistema dependiente del fabricante. Existen aun múltiples sistemas de red, compartiendo las funciones de la estación maestra, como también hay RTUs que utilizan el protocolo que provee el fabricante del sistema. La principal mejora en la tercera generación de sistemas SCADA, es que la arquitectura de un sistema abierto permite el uso de diferentes protocolos standards, haciendo posible la distribución de funciones a través de redes WAN y no solamente redes LAN.Los sistemas abiertos o standares abiertos eliminan un número de las limitaciones de las generaciones previas de SCADAs. La utilización de los sistemas “off-the-shelf” (COTS) permiten y facilitan al usuario la conexión con dispositivos fabricados por terceras partes (otros fabricantes), tales como monitores, discos rígidos, cintas, etc.Como los sistemas han mutado a los sistemas abiertos o los “off the shelf”, los fabricantes SCADA han dejado el negocio de desarrollo de sistemas de hardware. Ellos están ahora negociando con los fabricantes tradicionales como Compaq, Hewlett Packard, IBM, etc., expertos en desarrollar las plataformas básicas de computadoras y software de los Sistemas Operativos. Esto permite a los fabricantes SCADA concentrar sus desarrollos en las áreas donde ellos pueden sumar valor agregado a sus sistemas, tales como el software de las estaciones maestras.

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La más importante mejora en la tercera generación de sistemas SCADA viene del uso de los protocolos WAN tales como el Protocolo de Internet (IP), entre la estación maestra (Host) y los equipos de comunicaciones. Los fabricantes están ahora produciendo RTUs que pueden comunicarse con la estación maestra usando una conexión Ethernet.

Otra ventaja que sobrevino con la aparición de la tercera generación de sistemas SCADA, es la recuperación ante perdidas totales del sistema o caídas del sistema. La Distribución de funciones a través de una red LAN de segunda generación, mejoraba notablemente la confiabilidad del sistema. Pero en la ocurrencia de la perdida total de la estación maestra (y en consecuencia de los programas ejecutados en ella), la totalidad del sistema podía ser también perdido o caído. Cuando se distribuyen los programas utilitarios en sistemas distribuidos físicamente en ubicaciones separadas, es posible implementar un diseño SCADA que pueda quedar con el control del sistema, ante la perdida de cualquier RTU en una ubicación cualquiera. Para algunos sistemas en los cuales la supervisión y control son taras criticas, esta es una ventaja muy importante.

PROTOCOLOS SCADA

En un sistema SCADA, una RTU acepta comandos para operar un punto de control cualquiera, configurar niveles de salida y responder a requerimientos. Ellas proveen estados, valores analógicos y datos acumulados a la estación maestra. Los datos enviados son identificados mediante una única dirección. Esta dirección es correlativa y relacionada con la que posee la estación maestra en su base de datos. La RTU no tiene conocimiento de cuales parámetros ella esta monitoreando del entorno real en la que esta instalada. Ella monitorea ciertos puntos y los almacena en una base de datos local con direccionamiento propio. La estación maestra deberá conocer que el primer punto de estado de la RTU numero 30, corresponde a un interruptor de una determinada subestación, por ejemplo. Este tipo de manejo de la información, son los protocolos que se usan en los sistemas SCADA en la actualidad.

Cada protocolo consiste en dos conjuntos de mensajes. Un conjunto es el protocolo de la estación maestra que consiste en sentencias validas en las cuales esta estación puede iniciar o responder a un requerimiento cualquiera. El otro conjunto es el protocolo de la RTU, que consisten en las sentencias validas para la RTU, en la que esta puede iniciar o responder a la master.

Las comunicaciones entre la estación maestra y las RTUs, conforman un modelo adecuado para las comunicaciones tipo RTU-a-DISPOSITIVOS ELECTRONICOS INELIGENTES. (IED- Intelligent Electronic Devices) Actualmente hay en uso varios protocolos de este tipo, siendo el mas difundido el International Electrotechnical Commision (IEC) Serie 60870-5, comúnmente denominado IEC 60870-5-101 . También esta siendo usado con gran difusión, el Protocolo de Redes Distribuidas versión 3 (DNP3)

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CONFIGURACION DE SISTEMAS SCADA

Procesadores Host y Software de aplicación

Hay diferentes maneras de implementar un sistema SCADA. Previo a todo, necesitamos determinar que funciones lleva a cabo el sistema. Si se trata de una empresa productora de bienes o un proveedor de enlaces de comunicaciones, hay un numero grande de opciones para dicha implementación. Incluso pueden existir métodos que sean complementarios unos con otros.

Es esencial determinar el grado de confiabilidad que el sistema debe proveer. Esto determina una elección correcta, sin deterioro en el sistema y sin grandes gastos inútiles de dinero.

En primer lugar, para sistemas controlados que puedan quedarse sin supervisión durante algunas horas (laboratorios de ensayos, procesos de fabricación simples, etc), se puede implementar un sistema SCADA con una PC con memoria y velocidad adecuadas, y un Sistema Operativo de amplia difusión (Windows). Si las distancias no son grandes (del orden de las decenas de metros), se puede instalar cables UTP (Unshielded twisted pair) cuyo costo no es alto. Una red LAN con un protocolo adecuado ( o el envío de las señales sin modulación), también son opciones a tener en cuenta para este tipo de instalaciones.

Cuando los sistemas controlados son críticos por la naturaleza del proceso mismo, (control de trenes, gasoductos, etc.), el criterio de implementación cambia y la elección de las partes constitutivas del SCADA también. Las computadoras host o mainframes que controlaran el sistema, deberán ser las específicamente construidas para tal fin. En ese sentido existen fabricas (Modcomp, Unisys, etc.) que diseñan y comercializan procesadores para sistemas de Tiempo Real. El diseño del CPU es particular, teniendo en cuenta que se necesita velocidad en la respuesta a cualquier requerimiento. Por ejemplo, es típico encontrar en ellos (CPU) implementación con 32 o mas registros internos, lo que aumenta la velocidad de respuesta, teniendo en cuenta que el procesador ejecuta varias tareas o programas en forma concurrente. En estos casos, los registros de CPU guardan las variables de los diferentes programas o las mas usadas de ellos, seleccionadas mediante algoritmos estadísticos, de forma que cuando una tarea va a ser cargada en memoria sus atributos ya están instalados en el CPU, y su ejecución es mucho mas rápida que en los sistemas provistos con un menos registros y se debe cargar desde memoria, los atributos mencionados.

Algunos diseñadores implementan estos mainframes en forma modular: la placa de CPU, los coprocesadores o Unidades de punto flotante, la memoria RAM, los controladores de algunos dispositivos específicos, etc. La modularidad tiene el objetivo de facilitar el diagnostico y mantenimiento correctivo, para no desinstalar todo el sistema y trasladarlo a los lugares de reparación.

Respecto al Sistema Operativo utilizado, también existen en el mercado versiones especificas para estos casos: uno de ellos es el MAX IV de la ex fabrica Ferranti. La programación puede realizarse en lenguaje ensamblador o bien en algún lenguaje de alto nivel como el C o Pascal. Esto es importante ya que se debe procurar que la memoria del Host, se destine especialmente a los programas específicos, como la adquisición de datos y los utilitarios de uso en ese sistema.

Se debe señalar que otros fabricantes están implementando CPU con computadoras de uso industrial, que son análogas a las PC comunes con un diseño orientado a trabajos en ambientes mas duros que las de oficinas, con procesamientos durante mas tiempo, sobre todo teniendo en cuenta que las mismas deben estar en funcionamiento las 24 horas del día todo el año.

En los casos que el sistema sea critico en su funcionamiento, y la confiabilidad que se desea sea muy alta, se instalan dos o mas procesadores vinculados entre si. Solo uno de ellos es el que lleva el control del sistema, y ante una falla de software o hardware del mismo, los procesadores secundarios o de backup toman el proceso. Ellos están vinculados por líneas de comunicación para verificar el correcto funcionamiento del resto mediante una línea denominada CCL (Computer-computer link). Todos los procesadores tienen sus bases de datos actualizadas simultáneamente, de manera que si tienen que entrar en funcionamiento ante fallos, solo necesitan cargar algunos programas y registros que puede hacerse en segundos.Existen algunos programas utilitarios que son de mucha utilidad para este tipo de sistemas.

Estimador de Estado: Se trata de un programa que determina el estado de una estación remota, cuando no se reciben datos de ella por cualquier falla o pérdida de enlace. Este programa aproxima los valores a los que puede estar dicha estación, haciendo del control del sistema algo muy confiable.

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Operación Económica: Se ejecuta esta utilidad periódicamente, para determinar si la configuración actual del proceso de fabricación o servicios, es optimo y la configuración constituye la mas económica desde el punto de vista del costo. Este programa es de muchísima utilidad, ya que permite al operador del sistema cambiar su configuración en tiempo real, haciéndolo a la implementación mas adecuada del punto de vista del costo y calidad. Existen otros programas adecuados a cada necesidad, pero constituyen herramientas muy costosas ya que al ser aplicadas a unos pocos sistemas, deben amortizarse entre muy pocos usuarios. Su costo puede ascender a 200.000 a 400.000 US$.

Centros de Prueba y Entrenamiento: Cuando los sistemas son algo complejos, se instala en el mismo lugar físico del centro de control, un sistema para Pruebas y Entrenamiento. Este sistema simula la operación del sistema para entrenamiento de los operadores, para prueba de programas y para pruebas de elementos de hardware que hayan sido reconfigurados o reparados.

Sala de Control: Constituye uno de los lugares físicos mas importantes del sistema SCADA. En ella los operadores del sistema podrán visualizar en diferentes dispositivos el estado del mismo y proceder a la emisión de comandos. Estas salas deben estar implementadas con lugares confortables para el operador, lugares de visualización cómoda y rápida, alarmas sonoras, y otros elementos que pasaremos a detallar.

Tablero mímico: Se trata de un panel de dimensiones importantes en las cuales esta desplegado el sistema controlado, con indicaciones luminosas de algunos elementos importantes. Por ej, para un control de trenes, la visualización de cada unidad que se desplaza es indicada con luces de un color, mientras que las detenidas de otro. El retraso o delante de una unidad a una estación cualquiera es también indicada, adjudicándose un color para indicación de si es en exceso o defecto.

Alarmas: Son emitidas ante el cambio de estado de cualquiera de las variables de control. Por ejemplo, la llegada de una unidad a una estación, puede ser indicada mediante un sonido, como también indicada en impresoras rápidas llamadas protocolizadotes de eventos. Debe remarcarse que una alarma no es una indicación de una anomalía solamente: es la indicación del cambio de una variable en el sistema.

Monitores: Son de tamaño mayor, y constituyen una de las partes importantes de la interfase hombre-maquina. (HMI – Human Machine Interface). En ellas el operador visualiza todo o partes del sistema controlado y, mediante un cursor en la pantalla, emite los comandos necesarios para operar el sistema. Por ejemplo en los sistemas de control de Sistemas Eléctricos, la apertura o cierre de interruptores o seccionadores, los puede realizar el operador con solo seleccionar el dispositivo y emitir el comando respectivo.

Tableros Funcionales: Son tableros diseñados de una manera especifica, los cuales poseen todo y parte del sistema controlado. El ellos el operador puede seleccionar una parte del mismo con un grado alto de detalle, con indicaciones de los valores de las variables el colores para indicar si están dentro de sus valores normales o no.

Sistemas de Comunicaciones:

Constituyen también una parte indispensable en los sistemas SCADA. La confiabilidad del sistema determinara la redundancia en estos sistemas de vínculos, mediante los cuales se vinculan las estaciones remotas con el Host. En los sistemas de alta confiabilidad, se implementan:

Vínculos mediante líneas telefónicas: Se usan líneas telefónicas dedicadas, las por las cuales los datos de los centros remotos controlados son enviados al Host. En la mayoría de los casos, estas líneas son las mismas que se usan para comunicaciones de voz entre los mismos extremos y son mayormente líneas telefónicas pertenecientes a las empresas propietarias del sistema y no al Servicio Publico Conmutado (PSTN - Public Switched Telephone Network).

Vínculo mediante líneas telefónicas arrendadas: Se usan para vincular estaciones mediante la red publica conmutada de telefonía. Los circuitos para líneas arrendadas se utilizan en líneas dedicadas para telemetría y transmisiones SCADA. Se usan también, cuando se alquila un ancho de banda importante, para transmitir voz, fax, etc. Una ventaja grande es que son de bajo costo comparados con los otros enlaces para estos sistemas.

Vínculos mediante radio de ondas portadoras: En sistemas de transporte de energía eléctrica (líneas de alta tensión, por ej. En 132 KV o 500 KV) estas mismas líneas son usadas para el transporte de datos ya que su confiabilidad es muy alta . Se instalan en los extremos de la transmisión, dispositivos para desacoplar la alta tensión de las tensiones de radiofrecuencia, obteniendo un excelente medio de envío de datos.No todos los sistemas pueden hacer uso de este medio, ya que el control de gasoductos u otros servicios, no tienen instalaciones adecuadas a tal fin.

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Los enlaces mediante ondas portadoras (Power Line Carrier o PLC) fue uno de los medios de comunicaciones mas confiables que no estaban sujetos a la poca confiabilidad de las líneas telefónicas de la red publica conmutada. Las ondas portadoras usan frecuencias de 30 KHz a 500 KHz. Estas líneas no solo envían datos, sino también voz, telemetría, fax, etc.

Vinculo mediante redes de microondas: Son enlaces instalados específicamente para el transporte de las señales de las estaciones remotas y el Host. Se usan como backup de los enlaces principales de envío de datos.

Vinculo mediante pares metálicos (cables): Se usan cables telefónicos o de mayor ancho de banda para vincular las estaciones remotas con el Host. Normalmente, son aplicables a enlaces entre las estaciones y algún punto que concentre llamadas (centra de microondas, centrales telefónicas, etc.) y de allí son enviadas por tales medios al centro de control.

Vinculo mediante fibra óptica: Este medio esta siendo usado con mayor frecuencia en los últimos tiempos. El problema importante que presenta es su costo y su poca facilidad de configurar empalmes con otros sistemas.

Vínculos mediante enlaces satelitales: Se usan los satélites en orbitas geo-estacionarios que giran en orbitas sobre el ecuador. Están provistos de estaciones de radio que reciben y retransmiten comunicaciones a las estaciones en tierra dentro de su radio de cobertura. Las estaciones de tierra se componen de una antena que apunta al satélite; un transceptor (transmisor-receptor) de amplificación de bajo ruido y un equipo de codificación para los mensajes.

Estaciones Terminales Remotas (RTUs)

En párrafos anteriores se explico el diagrama básico de una RTU. Son los dispositivos terminales desde los cuales se envía la información hacia el Host o Centro de Control. La información es recogida de los diferentes sensores o transductores en forma digital o analógica, procesándose en los codificadores de la RTU y enviándose posteriormente. Los protocolos usados son diferentes para cada fabricante, adoptándose normalmente los protocolos BOP y algunos otros nuevos que han aparecido en el mercado en los últimos tiempos. Las RTU se alimentan de las líneas de distribución eléctrica, implementándose sistemas de backup con baterías o paneles solares dependiendo de la región geográfica donde estén instaladas.Las señales que procesan las RTU son: de señalización: se trata de las señales comunes analógicas que son convertidas a digitales para ser enviadas. De estado: son señales para indicar estados on-off de algún dispositivo. Estas requieren menos cantidad de información en el momento del envió. Para asegurar la apertura o cierre del dispositivo, se señalizan muchas veces con cuatro bits en vez de dos (recordar que para la indicación de abierto-cerrado solo se necesitaría indicación de 1-0 solamente). Esto es para aumentar la confiabilidad del sistema.

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