DAQSCADA

SCADA 1

Contenido 1. Conceptos básicos y definiciones 1.1. 1.2. 1.3.

2. 3. 4. 5.

Definición de SCADA Elementos de un sistema SCADA Breve historia de SCADA

Sistemas en tiempo real Arquitectura SCADA RTUs PLCs HMI

2

Contenido 1.

Conceptos básicos y definiciones

1.1. Definición de SCADA 1.2. 1.3.

2. 3. 4.

Elementos de un sistema SCADA Breve historia de SCADA

Sistemas en tiempo real Arquitectura SCADA RTUs PLCs

3

1.1 Definición de SCADA El acrónimo SCADA de la sigla: Supervisory Control and Data Acquisition Un sistema SCADA permite a un operador en un sitio central realizar cambios en los set points de los controladores, abrir o cerrar válvulas o interruptores, monitorear alarmas, obtener información de medidas realizadas en campo. Procesos distribuidos como: ● ● ●

Campos petroleros Sistemas de tuberías Sistemas de irrigación...

4

1.1 Definición de SCADA Procesos en los que aplica ●

Las tecnologías SCADA se aplican mejor en procesos que están dispersos en áreas grandes.

●

Son relativamente fáciles de controlar y monitorear.

●

Requieren de intervención regular o inmediata

5

1.1 Definición de SCADA Procesos en los que aplica A.

Grupos de pequeñas generadoras hidroeléctricas que son encendidos y apagados en respuesta a la demanda de los clientes, ubicados en sitios alejados.

http://www.simec.gov.co/Portals/0/serv_sic/Documents/UPME_EN_Capacidad%20Efectiva%20y% 20Generaci%C3%B3n%20EE_2013.pdf ● ● ●

Pueden ser controlados abriendo y cerrando válvulas de las turbinas, Deben ser monitoreadas continuamente. Necesitan un tiempo de respuesta relativamente rápido para atender las demandas de la red eléctrica.

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1.1 Definición de SCADA Procesos en los que aplica B.

Instalaciones de producción de crudo y de gas, incluyendo pozos, centro de acopio, equipos de medición de flujo, bombas, normalmente distribuidas en grandes áreas, por ejemplo: http://www.ecopetrol.com.co/especiales/mapa_infraestructura.htm ● ● ● ●

Controles simples como apagado y encendido de motores Encendido y apagado de bombas controladas por flujo o presión Obtener información de los instrumentos de medición Responder rápidamente a las condiciones del resto del campo de producción

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1.1 Definición de SCADA Procesos en los que aplica C.

Tuberías de gas, crudo, refinados, productos petroquímicos localizados a grandes distancias del centro de control. http://www.ecopetro de produl.com.co/especiales/mapa_infraestructura.htm ● ● ● ●

Controladas por apertura y cierres de válvulas Encendido y apagado de bombas controladas por flujo o presión Obtener información de los instrumentos de medición Responder rápidamente a las condiciones del mercado y a fugas de producto que pueden dañar el medio ambiente.

8

1.1 Definición de SCADA Procesos en los que aplica D.

Sistemas de transmisión eléctrica, pueden cubrir cientos de kilómetro cuadrados.

http://upmeonline.maps.arcgis.com/apps/OnePane/azuretime/index.html? appid=8299c8dee1b2403d9cd50abf815cbbc7 ● ●

Controlados por apertura y cierre de switches Debe responder casi inmediatamente a los cambios de carga en las líneas.

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1.1 Definición de SCADA Procesos en los que aplica E.

Sistemas de irrigación, normalmente con áreas de kilómetros cuadrados

● ●

Controlados por apertura y cierre de válvulas simples. Requieren de medición del agua suministrada a los consumidores.

10

1.1 Definición de SCADA Señales típicas obtenidas de las instalaciones remotas: ● ● ● ●

Alarmas Indicadores de estado Valores análogos Valores totalizados de medidas

11

Contenido 1.

Conceptos básicos y definiciones 1.1.

Definición de SCADA

1.3.

Breve historia de SCADA

1.2. Elementos de un sistema SCADA 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Sistemas en tiempo real Control a distancia Comunicaciones Unidades terminales remotas RTU Unidades terminales maestras (MTU) Interfases de operación Protocolos de comunicación (Modbus)

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1.2 Elementos de un sistema SCADA ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Operador Interface de operación (HMI), consola de operación Datos en tiempo real sobre el proceso Comandos del operador, teclado, mouse Mimicos para ilustrar la condición del proceso remoto Señales audibles para las alarmas MTU (Master Terminal Unit), controlador del sistema, servidor, traer datos de campo cada cierto tiempo RTU (Remote Terminal Unit) Medios de comunicación Redes de comunicación

Imagen tomada de S. A. Boyer, SCADA, 3rd Ed.

13

Contenido 1.

Conceptos básicos y definiciones 1.1. 1.2.

Definición de SCADA Elementos de un sistema SCADA

1.3. Breve historia de SCADA 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Sistemas en tiempo real Control a distancia Comunicaciones Unidades terminales remotas RTU Unidades terminales maestras (MTU) Interfases de operación Protocolos de comunicación

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1.3 Breve historia de SCADA Desarrollo de la telemetría Durante los 2 primeros tercios del siglo 20 se tuvo la necesidad de obtener grandes cantidades de datos en lugares donde era casi imposible tener personas observándolos: ● ●

Durante el desarrollo de la ingeniería espacial y de cohetes, Investigaciones sobre el clima y otros parámetors geofísicos

15

1.3 Breve historia del SCADA Desarrollo de la telemetría Se presenta como solución un método de comunicación que se estaba usando en la industria del transporte con trenes. En los sistemas de rieles se habían estado usando comunicaciones cableadas para monitorear la posición de los vagones y el estado de los switches que controlaban el camino.

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1.3 Breve historia del SCADA Desarrollo de la telemetría Se presenta como solución un método de comunicación que se estaba usando en la industria del transporte con trenes. En los sistemas de rieles se habían estado usando comunicaciones cableadas para monitorear la posición de los vagones y el estado de los switches que controlaban el camino.

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1.3 Breve historia del SCADA Desarrollo de la telemetría Se presenta como solución un método de comunicación que se estaba usando en la industria del transporte con trenes. En los sistemas de rieles se habían estado usando comunicaciones cableadas para monitorear la posición de los vagones y el estado de los switches que controlaban el camino.

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1.3 Breve historia del SCADA Desarrollo de la telemetría ● ● ● ● ●

●

Para distancias muy largas se requieren repetidores Permitía al oficial en la central monitorear que sucedía remotamente Avisar a los controladores para operar de manera segura Las instrucciones para operar los switches se enviaban por telegrama Limitante: se requiere extender cable desde las instalaciones de los trenes hasta la oficina central Todavía se usan

Imagen tomada de S. A. Boyer, SCADA, 3rd Ed.

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1.3 Breve historia del SCADA Dependencia de las comunicaciones y los computadores La telemetría por medio de cables maduró simultáneamente ●

● ● ●

Se desarrolló el concepto de comunicación por dos vías, two way, permitiendo por ejemplo controlar los switches de las líneas de trenes y monitorear Las compañías transportadoras de líquidos y las generadoras de electricidad empezaron a invertir en este tipo de tecnologías Estas compañías investigaron formas de monitoreo y control remoto A finales de los años 60 se desarrolló la tecnología de monitoreo y control 20

1.3 Breve historia del SCADA Dependencia de las comunicaciones y los computadores Con el surgimiento de la comunicación por radio, se implementó la radio telemetría, con su evolución: ● ● ● ●

Mejoró la densidad de datos que podía ser transmitida Codigos de detección y corrección de errores Miniaturización d elos equipos Sistemas de una sola vía one-way, no se envíaban señaels desde el sitio central

21

1.3 Breve historia del SCADA Dependencia de las comunicaciones y los computadores ● ● ● ●

Con los avances de la radio tecnología, se implementó la telemetría con radios de dos vías. Los radios pueden ser ubicados en casi la mayoría de sitios en el planeta tierra Los costos de instalación disminuyeron a medida que se mejoró la radio tecnología En contraste con la instalación de cable enterrado en la tierra y los costos y riesgos que esto trae, los radios no tienen este problema

22

1.3 Breve historia del SCADA Dependencia de las comunicaciones y los computadores ● ● ● ●

●

Para finales de los años 70’s la mayoría de sistemas de telemetría instalados utilizaban radios de dos vías. Así mismo se estaban desarrollando los computadores digitales, estuvieron presentes desde los años 60 en los sistemas de telemetría En comparación con los sistemas controlados por relés, más flexibilidad En los inicios de los 70s se acuñó el término SCADA y la palabra Telemetría dejó de ser tan utilizada para describir los sistemas de control y monitoreo de dos vias. La mayoría de estos sistemas eran implementados con radio 23

1.3 Breve historia del SCADA Dependencia de las comunicaciones y los computadores ● ● ● ● ● ●

SCADA maduró lentamente a finales de los 70s Mejorar el software permitía mejorar la HMI, pero los sistemas eran muy grandes Con el surgimiento de los minicomputadores, se dió impulso al SCDA con instalaciones más pequeñas se podía considerar la operación remota. Los minicomputadores se volvieron tan económicos que ya no era necesario centralizar el sistema. Surgieron nuevos métodos de comunicación, como satelital, celular, etc entre los cuales era posible escoger. Internet de las cosas, big data. 24

Contenido 1.

Conceptos básicos y definiciones

2. Sistemas en tiempo real 2.1. ¿Qué es realmente tiempo real? 2.2. Accesos a comunicaciones y arreglos maestro esclavo 2.3. Determinación de los tiempos de muestreo 3. Arquitectura SCADA 4. RTUs PLCs

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2.1 ¿Qué es realmente tiempo real? El término control en tiempo real se define como “perteneciente la realización de un cálculo durante el tiempo actual en el que suceden los procesos” En el contexto de SCADA se refiere a la respuesta del sistema de control a cambios en el proceso. Rigurosamente: un sistema de control en tiempo real es el que no introduce tiempos de retardo o tiempos muertos en una señal de control.

26

2.1 ¿Qué es realmente tiempo real? Casi todo sistema de control introduce algunos tiempos de retardo. Aquellos que introducen retardos que no tienen efectos en el proceso se llaman sistemas en tiempo real. La mayoría de los sistemas de control de procesos continuos operan en tiempo real. Ver ejemplo PDF 27

2.2 Acceso a comunicaciones y arreglos maestro-esclavo Se pueden utilizar diferentes métodos de acceso entre máquinas, dependiendo de: ● ● ●

Propósito de una comunicación entre dispositivos electrónicos Los requerimientos de velocidad Las máquina

El método de comunicación más utilizado en los sistemas SCADA actuales es denominado “maestro-esclavo”.

28

2.2 Acceso a comunicaciones y arreglos maestro-esclavo En este caso solo una de las máquinas (MTU) es el que inicia la comunicación, da instrucciones, pregunta por actualización de datos y ordena a las RTUs responder. La MTU escucha las respuestas. La RTU luego de responder a la MTU, para la conversación y espera por la siguiente orden de la MTU. Scanning, poll time.

29

2.3 Determinando los tiempos de muestreo El control no debe verse comprometido por un tiempo excesivo de retardo. Debe existir una tasa a la cual será mejor hacer la transmisión entre la RTU y la MTU. Existen algunas restricciones reales en la comunicación entre la MTU y la RTU: 1. 2. 3. 4.

Número de RTUs (etapa de diseño) La cantidad de datos que deben ser transmitidos en cada conversación, Tener en cuenta el tiempo que le toma a la MTU “hablar” con la RTU Tasa de transmisión de los datos, (bps) que pueden ser transmitidos sobre el medio de comunicación Eficiencia de la comunicación: Tmensaje/Tcomunicación 30

2.3 Determinando los tiempos de muestreo Ejemplo: calcular el tiempo de scan para un sistema SCADA 1. 2.

Número de RTUs: Se tiene un sistema con 20 RTUs Cantidad de datos: La RTU más grande del sistema maneja los siguientes datos: a. b. c.

14o estados 30 alarmas 20 mediciones de 16 bits

Total

140 bits 30 bits 320 bits

490 bits

31

2.3 Determinando los tiempos de muestreo Ejemplo: calcular el tiempo de scan para un sistema SCADA 2.

Cantidad de datos: La MTU enviará los siguientes datos a la RTU: a. b. c.

150 valvulas de control discretas 6 posiciones de motores de paso (16 bits) 10 válvulas de control con set point (16 bits)

Total

150 bits 96 bits 160 bits

896 bits 32

2.3 Determinando los tiempos de muestreo Ejemplo: calcular el tiempo de scan para un sistema SCADA 3. 4.

Tasa de los datos de un canal UHF a 1200 bps. La eficiencia del canal es del 40% Entonces: 20x896 = 20.000 bits 20.000 bits /1200bps = 17 segundos a 100% de eficiencia Con una eficiencia del 40%, el tiempo de scan es:

33

2.3 Determinando los tiempos de muestreo Ejemplo: calcular el tiempo de scan para un sistema SCADA Es necesario asegurar que las funciones de proceso no se vean afectadas por el tiempo de scan, por ejemplo con un tiempo de 1 minuto. Si existen funciones que se vean afectadas por ejemplo en una o dos RTUs, se puede sobrellevar el problema escaneandolas dos veces. Ejemplo: Si la tasa de scan es aceptable para un sistema de RTUs excepto en una, el programa de SCAN podrá ser: RTU 1, RTU 2, RTU 5,RTU 3,RTU 4, RTU 5, RTU 1...

34

2.3 Determinando los tiempos de muestreo La tasa de muestreo afecta la reconstrucción de la señal adquirida

35

Lecturas recomendadas V.K., Ingle, J.G., Proakis, Tratamiento digital de señales, Sección 3.4. Muestreo y reconstrucción de señales analógicas. A.

Rodríguez, Sistemas SCADA, Ed. Marcombo, Capítulo 1 Secciones 1 y 2.

36

Contenido 1. 2.

Conceptos básicos y definiciones Sistemas en tiempo real

3. Arquitectura de los sistemas SCADA 3.1. 3.2.

4.

Hardware Software

RTUs PLCs

37

3. Arquitectura de un sistema SCADA

38

3. Arquitectura de un sistema SCADA Monitoreo (1958): Monitoreo y almacenamiento de datos.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer. IIF: Input Interface, VDU: Visual Display Units

39

3. Arquitectura de un sistema SCADA Control supervisorio (1959): Monitoreo, almacenamiento de datos, programas de optimización para generar set points.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer. IIF: Input Interface, OIF: Output Interface.

40

3. Arquitectura de un sistema SCADA Control Digital Directov(1962): Monitoreo, almacenamiento de datos, lazos de control

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer. IF: Input Interface, OIF: Output Interface.

41

3. Arquitectura de un sistema SCADA Control Integral (1970): Basado en microprocesador, quedó en desuso en los 90s.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer. OCS: Operator Control Station, PCU: Process Control Unit, PIU: Plant Interface Unit

42

3. Arquitectura de un sistema SCADA Control Distribuido DCS (1975): Microprocesadores, estructura descentralizada

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer. OCS: Operator Control Station, PCU: Process Control Unit, PIU: Plant Interface Unit

43

3. Arquitectura de un sistema SCADA Programmable Logic Controllers (PLC): Emergieron junto a la tecnología de los microprocesadores como alternativa a los circuitos basados en relés.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer. OCS: Operator Control Station, PCU: Process Control Unit, PIU: Plant Interface Unit

44

3. Arquitectura de un sistema SCADA Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA): Monitoreo, almacenamiento de datos y ajuste de set points de controladores.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer. OCS: Operator Control Station, SLC: Single Loop Controllers, GS:Gateways.

45

3. Arquitectura de un sistema SCADA Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA): Monitoreo, almacenamiento de datos y ajuste de set points de controladores.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer. OCS: Operator Control Station, SLC: Single Loop Controllers, GS:Gateways.

46

3. Arquitectura de un sistema SCADA Ejemplos: http://www.geautomation.com/architectures/automation-technology http://new.abb.com/control-systems/system-800xa/800xadcs/system/architecture http://w3.siemens.com/mcms/human-machine-interface/en/visualizationsoftware/simatic-wincc-open-architecture/wincc-oa-basic-sw/Pages/default. aspx?tabcardname=functions#w2gImgRC-/mcms/human-machineinterface/en/visualization-software/simatic-wincc-open-architecture/winccoa-basic-sw/PublishingImages/wincc-oa-verteilte-architektur-de-800.jpg 47

3. Arquitectura SCADA típica ● ● ● ● ●

Dispositivos de campo y señales PLC/RTU Estación de trabajo Servidor Red de comunicación

48

3. 1 Hardware Al menos 5 niveles de jerarquía: ● ● ● ● ●

Instrumentación en campo y los dispositivos de control. RTUs, PLCs Sistemas de comunicación Estación maestra (MTU) Procesamiento de datos

49

3. 2 Software ● ● ● ● ● ●

Interfaces de usuario RTUs, PLCs Sistemas de comunicación Sistemas de comunicación Estación maestra (MTU) Procesamiento de datos

50

3. 2 Software Existen dos tipos de software: ● ●

Propietario: compañías desarrollan software para conectar su hardware. Abierto: interoperabilidad entre diferentes marcas, Ej. Wonderware, iFIX.

Existen dos tipos de diseño típicos de un sistema SCADA: ● ●

Centralizado: un solo computador monitorea y almacena la información de toda la planta. Distribuido: el software SCADA se comparte en una red de computadores.

51

4.1 Instrumentación Digital: ● ● ● ● ● ● ● ● ●

Nivel de líquido Indicadores de posición de válvulas Detector de paso de reapador Intrusión Concertina Apertura/Cierre de puertas Encendido/Apagado de bombas, motores Pluviómetros Estado de filtros 52

4.1 Instrumentación Analógica: ● ● ● ● ●

Nivel de líquido Medición de flujo Presión Temperatura Humedad

53

4.1 Instrumentación Rangos de operación típicos ● ●

Instrumentación digitales: 0-10VDC, 0-24VDC, 0-110VDC, 0-230VDC Instrumentación analógica: 0-5VAC, 4- 20mA

4-20mA: 4mA

representa el 0% de la señal medida

20mA representa el 100% de la señal medida 0mA el lazo está abierto 54

4.1 Instrumentación Diagramas de instrumentación P&ID Standard ANSI/ISA S5.1 e ISO 14617-6 Piping Instrumentation Diagrams: ● ●

●

Importantes en los procesos de automatización Esquemas de medida y de control desde el punto de vista del proceso en relación a los componentes de la planta y su interconexión por medio de tuberías. Se representan por medio de símbolos y TAGs. 55

4.1 Instrumentación Diagramas de instrumentación P&ID ● ● ● ●

Símbolos: representan sensores, válvulas, lazos de control. TAGs: Letras y números con códigos de referencia. Códigos en letras representan la función del elemento y son genéricos. Códigos en números se usan con propósitos de identificación.

F

Flujo

T

Temperatura

L

Nivel

V

Vibración

P

Presión

Z

Posición 56

4.1 Instrumentación Diagramas de instrumentación P&ID Puede encontrar más significados de las letras en: https://en.wikipedia.org/wiki/Piping_and_instrumentation_diagram La representación de los tipos de señal se realiza por medio de diferentes tipos de líneas, existen símbolos adicionales para identificar funciones como promedio, división, etc., así como símbolos para identificar sistemas basados en computador, PLC.

57

4.1 Instrumentación Diagramas de instrumentación P&ID

J. Love, Process Automation Handbook, Springer. 58

4.1 Instrumentación Diagramas de instrumentación P&ID

A.

Smith, B. Corripio, Principles & practice of automatic process control, Wiley.

59

4.2 Válvulas En muchos casos en automatización de procesos la variable manipulada en el flujo. Al menos el 90% de todas las salidas analógicas terminan en una válvula de control. Cerca del 50 % de las salidas digitales terminan en una válvula automática aislada.

A.

Smith, B. Corripio, Principles & practice of automatic process control, Wiley.

60

4.2 Válvulas Existe una gran variedad de diseños de válvulas, los tipos de válvulas más utilizados son: ● ● ● ●

Esfera Mariposa Diafragma Globo

Función Accionamiento

Control

Aislamiento

Lineal

Globo

Diafragma

Giratorio

Mariposa

Esfera

Globo y esfera pueden usarse para control así como para aislamiento. Válvulas de diafragma y esféricas pueden usarse para control, con no tan buena precisión. A. Smith, B. Corripio, Principles & practice of automatic process control, Wiley.

61

4.2 Válvulas Existe una gran variedad de diseños de válvulas, los tipos de válvulas más utilizados son: ● ● ● ●

Esfera Mariposa Diafragma Globo

https://www.youtube.com/watch?v=y9G9cmMxZ_w https://www.youtube.com/watch?v=YEt8_ADICvg https://www.youtube.com/watch?v=exr8695KFQc https://www.youtube.com/watch?v=bOGY8hDJfKA

62

4.1 RTUs y PLCs ¿Qué hace una RTU? ● ● ● ● ●

Adquiere información de campo sobre valores analógicos, digitales, alarmas. Mantiene la información disponible en memoria para la MTU. Codifica la información para la MTU. Controla actuadores (abrir/cerrar válvulas, switches, etc). Interfaces seriales RS-232, RS-485, Ethernet.

63

4.1 RTUs y PLCs Configuración típica de una RTU

G. Clarke, D. Reynders,Practical Modern SCADA Protocols, Elsevier.

64

4. RTUs y PLCs Unidad de control de proceso (CPU) ● ● ● ● ●

Basadas en microprocesador Puertos de comunicación LEDs de diagnóstico Reloj en tiempo real RTC Watchdog

G. Clarke, D. Reynders,Practical Modern SCADA Protocols, Elsevier.

65

4. RTUs y PLCs Módulos de entrada/salida ● ● ● ● ●

Entradas analógicas Salidas analógicas Entradas digitales Salidas digitales Interfaces de comunicación

Fuente de alimentación

G. Clarke, D. Reynders,Practical Modern SCADA Protocols, Elsevier.

66

4. RTUs y PLCs Memoria Existen diferentes elementos de memoria presentes en una RTU/PLC ● ● ●

Memoria ROM: almacenar sistema operativo y datos usados por la CPU. Memoria RAM: programa de usuario, manejo de datos. EPROM: memoria programable y borrable de solo lectura usada para almacenar programas permanentemente.

G. Clarke, D. Reynders,Practical Modern SCADA Protocols, Elsevier.

67

4.RTUs y PLCs Ejemplos RTUs http://www.motorolasolutions. com/content/dam/msi/docs/business/products/scada_products/ace3600/_docu ments/static_files/ace3600_specifications_sheet.pdf http://www.documentation.emersonprocess. com/groups/public/documents/product_fliers/d351469x012.pdf http://www.geautomation.com/download/pac8000-rtu/11714

68

4.RTUs y PLCs Ejemplos PLCs http://literature.rockwellautomation. com/idc/groups/literature/documents/sg/1756-sg001_-en-p.pdf http://www.automation.siemens.com/salesmaterialas/brochure/es/brochure_simatic-controller_overview_es.pdf https://library.e.abb. com/public/bdd646d8a8b5b058c1257da2003bbc50/3ADR025011B0201_2014-11-21. pdf 69

4.RTUs y PLCs Programación: el estándar IEC 61131 Conformado por 9 partes: 1. 2.

IEC 61131-1: Información general IEC 61131-2: Requerimientos de los equipos y pruebas

3. IEC 61131-3: Lenguajes de programación 4. 5. 6. 7.

IEC 61131-4: Guías para el usuario IEC 61131-5: Comunicaciones IEC 61131-6: Funciones de seguridad IEC 61131-7: Programación de lógica difusa 70

4.RTUs y PLCs Programación: el estándar IEC 61131 Conformado por 9 partes: 8. 9.

IEC 61131-8: Guías para la aplicación e implementación de los lenguajes de programación. IEC 61131-9: Interfaces de comunicación para pequeños sensores y actuadores

71

4.RTUs y PLCs Programación: el estándar IEC 61131 Define cuatro lenguajes: ● ● ● ●

Diagrama de bloques Ladder Texto estructurado SFC (Sequential Function Chart)

72

4.RTUs y PLCs Programación: el estándar IEC 61131: Diagrama de Bloques

73

4.RTUs y PLCs Programación: el estándar IEC 61131: Ladder

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/8/83/Ladder_diagram.png

74

4.RTUs y PLCs Programación: el estándar IEC 61131: Texto estructurado

http://datateca.unad.edu.co/contenidos/2150512/ContenidoLinea/leccin_1633__texto_estructurado_structured_text__st.html 75

4.RTUs y PLCs Programación: el estándar IEC 61131: SFC

https://www.google.com.co/search?q=diagrama+de+bloques+61131&espv=2&biw=1366&bih=657&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0CAYQ_AUoAWoVChMI7L63ZuJyAIVhageCh2j1QfU#tbm=isch&q=sfc+language+allen+bradley&imgrc=MQwk8n8XhYHuaM%3A

76

3. Arquitectura de un sistema SCADA

77

5. Master Terminal Unit (MTU) La MTU se encarga de: ● ● ● ●

Recibir la información adquirida en campo. Almacena esta información. Enviar comandos a campo. Presentar los datos a los operadores.

78

5. Master Terminal Unit (MTU) Ejemplo:

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA.

79

5. Master Terminal Unit (MTU) Ejemplo:

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA.

80

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Mímicos: Es necesario contar con un sistema para nombrar las señales tanto de la base de datos como de la planta. Tiene sentido utilizar los de los diagramas P&ID.

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA.

81

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Pantallas: la pantalla se divide en áreas reservadas

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA.

82

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Mímicos: Son versiones en pantalla de los diagramas P&ID. No existen estándares para su diseño, pero existen practicas recomendadas como: API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays.

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA.

83

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays ● ● ●

Toma en consideración factores humanos para el diseño de las pantallas. Las pantallas deben ser diseñadas para entregar la mayor cantidad de información de manera óptima. La presentación de la información debe ser organizada.

84

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays El diseño de las pantallas debe guiarse por las teorías de percepción visual: ● ● ●

Proximidad: el sistema de percepción humana trata de organizar los objetos en grupos si estos están espacialmente cerca. Similitud: los objetos se perciben como un grupo si visualmente comparten propiedades comunes (color, tamaño, orientación, brillo). Finalización: el sistema de percepción humana trata de completar las figuras y establecer totalidades. Los objetos incolmpletos pueden percibirse como completos. 85

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays El diseño de las pantallas debe guiarse por las teorías de percepción visual: ●

Balance: los humanos preferimos estabilidad en el ambiente visual que percibimos.

86

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays ●

Memoria de corto plazo

Estudios han demostrado que la memoria de corto plazo puede procesar 7±2 bloques de información. Permitir al operador tratar numerosos puntos en un solo bloque. Grandes grupos de información divididos en subgrupos. Enumerar la información en orden numérico, alfabético, cronológico ayuda a organizar mentalmente la información en grupos.

87

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays ●

Relación señal a ruido

Entre más elementos se agregan a una pantalla se vuelve más difícil localizarla. Todo lo que no sea una señal en una pantalla es ruido. Las pantallas no deben tener elementos sin propósito.

88

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays ●

Como recorre la pantalla inicialmente el ojo humano

89

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays ●

Consistencia

La presentación del texto debe variar tan poco como sea posible. El lenguaje en la pantalla debe ser muy claro. La localización, forma color, de los objetos dinámicos y estáticos debe mantenerse en todas las pantallas,

90

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays Características de los objetos: ●

Color ○ ○

Número de colores: utilizar el menor número de colores posible, no exceder de 11. Selección de colores: seleccionar colores que se diferencien, el contraste óptimo y la diferenciación corre al usar los tres colores primarios aditivos (rojo, verde, azul), los tres colores aditivos secundarios (amarillo, cyan, magenta) y el blanco.

http://4.bp.blogspot.com/-MzZkIyRB_R8/UlPbav77p8I/AAAAAAAACBQ/-BKk8AxbNcU/s1600/colores-primarios.gif

91

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays Características de los objetos: ●

Color ○ ○

● ● ●

Significado de los colores Redundancia: representación a través de colores, símbolos, texto.

Símbolos: representación de equipos, componentes, etc. Animación: simple, que no distraiga al operador. Texto: tamaño depende de la distancia a la que se ubica el operador, la resolución de la pantalla. Fuentes simples de la familia Sans Serif (Arial, Helvetica, Verdana) 92

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays

93

5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays

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5. 1 Human Interface Machine (HMI) API 1165 Recommended Practice for Pipeline SCADA Displays

95

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Alarmas ANSI/ISA-18.2 Gerenciamiento de sistemas de alarmas para procesos industriales Las alarmas en el HMI deben contribuir con el trabajo de monitoreo y control del operador. Un exceso de alarmas o una inadecuada presentación de las mismas hacen que el HMI deje de ser una herramienta útil al operador o a que este tienda a ignorar las alarmas. 96

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Alarmas: ANSI/ISA-18.2 ●

Requerimientos de información ○ ○ ○ ○

●

TAGs en las alarmas Estados de las alarmas Prioridades de las alarmas Tipos de alarmas

Requerimientos funcionales ○ ○ ○

Silenciar alarmas audibles Reconocimiento de alarmas Modificar atributos de las alarmas

97

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Alarmas: ANSI/ISA-18.2 ●

Requerimientos de las pantallas ○ ○ ○ ○

●

Al menos una pantalla de resumen de las alarmas Indicación de alarmas en las pantallas de proceso Indicación de alarmas en los TAGs d elas pantallas Tipos de alarmas

Estados de las alarmas ○ ○ ○ ○ ○

Normal Alarma no reconocida Alarma reconocidaassignment

98

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Alarmas: ANSI/ISA-18.2 ●

Estados de las alarmas

99

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Alarmas: ANSI/ISA-18.2 ● ● ● ●

Indicadores audibles Prioridad de las alarmas (colores) Mensajes de las alarmas Pantalla de alarmas

100

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Acceso: Se establecen diferentes niveles de acceso por seguridad: 1. 2. 3. 4.

Sin acceso. Rol de operador. Rol de supervisor. Rol de ingeniería

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA.

101

5. 1 Human Interface Machine (HMI) TAGs: Es necesario contar con un sistema para nombrar las señales tanto de la base de datos como de la planta. Tiene sentido utilizar los de los diagramas P&ID.

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA.

102

5. 1 Human Interface Machine (HMI) Acceso: Se establecen diferentes niveles de acceso por seguridad: 1. 2. 3. 4.

Sin acceso. Rol de operador. Rol de supervisor. Rol de ingeniería

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA.

103

5.2 Redes de comunicación Los equipos se conectan típicamente por medio de redes LAN, usando res topologías: ● ● ●

Topología de bus Topología de estrella Topología Token Ring

104

5.2 Redes de comunicación Topología de bus

S. McCrady, Designing SCADA Application Software, Elsevier Insights.

105

5.2 Redes de comunicación Topología de estrella

S. McCrady, Designing SCADA Application Software, Elsevier Insights.

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5.2 Redes de comunicación Topología Token Ring

S. McCrady, Designing SCADA Application Software, Elsevier Insights.

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3. Arquitectura de un sistema SCADA

108

Ejercicio: Construir los siguientes subVIs en LabView: 1.

Sensor genérico: consiste de una caja de texto para desplegar el valor actual del sensor y el TAG asignado. El color de la caja debe ser negro, el texto de la caja (no el TAG) debe cambiar de color de acuerdo con el estado del sensor, normal (blanco), HH y LL (rojo) y H y L (amarillo).

LIT-100 100.5

109

Ejercicio: Construir los siguientes subVIs en LabView: 1.

Sensor genérico: al dar click sobre la caja de texto o el TAG debe desplegarse una ventana con la siguiente configuración: Ver http://www.proview.se/doc/en_us/orm_f.htm Class BaseSensor Desde la ventana se habilitan y deshabilitan las alarmas así como se modifican sus configuraciones. La lógica que debe cumplir este subVi se describe en: http://www.proview. se/doc/en_us/orm/basecomponent_basesensorfo.pdf En caso de utilizar al simulador de sensor (siguiente subVI) debe tener un botón que permita abrir otra ventana con el panel frontal del simulador. 110

Ejercicio: Construir los siguientes subVIs en LabView: 2.

Simulador de sensor: permitirá simular la señal de un sensor. Ver ClassBaseSensorSim en http: //www.proview.se/doc/en_us/orm_f.html La lógica que debe cumplir este subVi se describe en: http://www.proview. se/doc/en_us/orm/basecomponent_basesensorsim.pdf

111

Ejercicio: Construir los siguientes subVIs en LabView: 3.

Realizar el mismo ejercicio para una válvula solenoide: se requieren dos subVIs uno de la válvula y otro para la simulación de la válvula. MOV-100 LIT-100

Utilice la clase ClassValveMValve para la válvula y para la lógica la Class BaseMValveFo, http://www.proview. se/doc/en_us/orm/basecomponent_basemv alvefo.pdf Los colores de animación de la válvula se deben configurar de acuerdo a las recomendaciones del API 1165. 112

Ejercicio: Construir los siguientes subVIs en LabView: 4.

Para la simulación de la válvula utilice Class BaseMValvSim

Para la lógica http://www.proview. se/doc/en_us/orm/basecomponent_basemv alvesim.pdf

113

6. Comunicación Arquitecturas de comunicación: ●

Arquitectura punto a punto

Una estación puede configurarse como maestra y otra como esclava. Es posible que se comuniquen en modo full-fuplex.

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA. 114

6. Comunicación Arquitecturas de comunicación: ●

Arquitectura punto - multipunto

Una estación maestra y múltiples esclavas.

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA. 115

6. Comunicación Arquitecturas de comunicación: ●

Arquitectura estación repetidora

Tiene dos posibilidades: ● ●

Store and forward Talk-thorugh repeaters

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA. 116

6. Comunicación Arquitecturas de comunicación: ●

Arquitectura estación repetidora

Tiene dos posibilidades: ● ●

Store and forward Talk-thorugh repeaters

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA. 117

6. Comunicación Filosofías de comunicación: ●

Punto a punto (contención)

○

RTU-a RTU

○

Reporte por excepción

S.A. Boyer, SCADA Supervisory Control and Data Acquisition, 3ra Edición, ISA. 118

6.Comunicación Mensaje: término utilizado para describir los datos transmitidos sobre una red de datos. ● ●

Pueden ser transmitidos entre dos dispositivos, llamados nodos, conectados a la red. Dependiendo de la naturaleza de la red, un mensaje tiene una estructura conocida como frame la cual contiene los datos que se desean transmitir.

119

6.Comunicación Mensaje: ejemplo Una trama del estándar IEEE 802 tiene un encabezado que consiste de: ● Un preámbulo que anuncia el estado de la transmisión. ● Un delimitador de inicio para que se pueda detectar la trama. ● La dirección del nodo al cual se conecta el mensaje que se desea transmitir (destino). ● La dirección del nodo que está generando el ensaje (fuente). ● El tipo de trama y/o longitud de la trama que le permite al destinatario darle tratamiento al mensaje. ● Estado de la información, como banderas. J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

120

6.Comunicación Mensaje: ejemplo Una trama del estándar IEEE 802 tiene una cola que consiste de: ● Una trama de verificación, que permite conocer si se recibió la trama con o sin errores. ● Un delimitador de fin que permite detectar si la trama finalizó.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

121

6. Comunicación Protocolos Las tramas transmitidas en una red deben tener algún tipo de protocolo de comunicación. ● ●

Los protocolos más simples definen un formato para los datos y algunas señales para controlar que se transmitan los datos correctamente. Los protocolos más complejos contienen múltiples capas, que controlan la transmisión de los datos y la presentación de los datos desde y hacia las aplicaciones.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

122

6. Comunicación Protocolos: protocolo OSI Conocido como el modelo OSI, publicado en 1995 bajo el estándar ISO 7498-1, consiste de siete capas con las siguientes funcionalidades:

Capa

Descripción

7

Aplicación

Interacción del usuario

6

Presentación

Traduce los datos

5

Sesión

Control de diálogos

4

Transporte

Transparencia

3

Red

Rutas de transmisión

2

Enlace de datos

Detecta errores

1

Física

Conexión de dispositivos

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

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6. Comunicación Protocolos: protocolo OSI

● ● ●

El modelo OSI describe el funcionamiento de u protocolo “ideal”. Depende del medio físico y el tipo de conexión. No es necesario que todas las capas existan en un protocolo específico.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

124

6. Comunicación Protocolos: protocolo OSI Capa física: Transmite y recibe patrones de bits sobre la red, se encarga de la parte electrónica de la transferencia de los datos tales como: ● ● ●

Niveles de voltaje que representan el “1” y el “0”. Señales de control utilizadas para la sincronización. Aspectos mecánicos: conectores, asignación de pines.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

125

6. Comunicación Protocolos: protocolo OSI Capa de enlace: Hace que la comunicación de la capa física aparezca en las capas superiores si errores. ● ●

Abarca la verificación de errores. Organiza la retransmisión de los datos corruptos.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

126

6. Comunicación Protocolos: protocolo OSI Capa de red: Se encarga de enrutar los mensajes a través de la red. Toma un mensaje de la red, lo divide en paquetes, identifica el destino de los paquetes y los organiza para su transmisión,

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

127

6. Comunicación Protocolos: protocolo OSI Capa de transporte: Establece y mantiene el camino de comunicación entre dos usuarios de la red durante el periodo de tiempo que estos están conectados lógicamente.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

128

6. Comunicación Protocolos: protocolo OSI Capa de presentación: Se encarga de dar formato a los datos y gestionar su cifrado y descifrado. Por ejemplo un texto que debe tener formato en código ASCII o traducido de código ASCII.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

129

6. Comunicación Protocolos: protocolo OSI Capa de aplicación: Es el nivel más alto del modelo, corresponde al medioambiente donde operan los programas de usuario.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

130

6. Comunicación Acceso a la red: El acceso a la red consiste tomar control de la red para la transmisión de los mensajes. El modelo de acceso del estándar IEEE 802 consiste de tres capas. El manejo de nodo tiene la función de fragmentar o reconstruir mensajes en o de tramas de datos que tienen la longitud correcta para la transmisión. LLC: pone en la trama las direcciones de origen y de destino, los datos que se van a transmitir y la check sum en la trama.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

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6. Comunicación Acceso a la red: El acceso a la red consiste tomar control de la red para la transmisión de los mensajes. El modelo de acceso del estándar IEEE 802 consiste de tres capas. MAC: gestiona las colisiones e impone tiempos de espera aleatorios en las redes Ethernet. PHY: se encarga de la codificación y decodificación de los datos, si es necesario de la transmisión y/o recepción de mensajes entre nodos.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

132

6. Comunicación Transmisión:: Las redes LAN están disponibles en sistemas de banda ancha o en banda base: Banda ancha: ● ● ● ● ●

Sistemas de banda ancha: usan tecnología analógica. Un modem para introducir una frecuencia portadora en el medio de transmisión. La señal portadora es modulada por los datos que entrega el nodo. Frecuencias entre 10-400MHZ. El medio puede ser cable coaxial, fibra óptica, par trenzado, wireless.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

133

6. Comunicación Transmisión: Las redes LAN están disponibles en sistemas de banda ancha o en banda base: Banda base: ● ● ●

Utilizan tecnología digital. Un controlador de línea introduce cambios de voltaje en el medio de transmisión. El cambio de voltaje representa directamente el dato digital.

Ej. el estándar RS-232 especifica voltajes entre +3 y +12 para representar el “0” y entre -3 y -12 para representar el “1”. J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

134

6. Comunicación Comunicación serial: La interfaz RS-232 es un estándar de la EIA para el intercambio de datos binarios entre dos dispositivos, u sistema típico consta de dos dispositivos: ● ●

Terminal de datos (DTE: Data Terminal Equipment) Comunicador de datos (DCE: Data Communications Equipment)

135

6. Comunicación Comunicación serial:

136

6. Comunicación Comunicación serial: TxD: transporta los datos del DCE al DTE. RxD: transporta los datos del DTE al DCE. Señales DTR: indica que el DTE está listo para la comunicación. DSR: DCE listo para la comunicación. DCD: Portadora detectada para la comunicación RTS: Solicitud de envío CTS: Listo para enviar

137

6. Comunicación Comunicación serial: Las limitaciones de la comunicación RS-232: ● Necesita una tierra común entre DTE y DCE. ● A mayor velocidad del puerto y mayor longitud del cable se introduce ruido debido al aumento de la capacitancia entre los cables. ● Longitudes de cable entre 30-60m. ● Soporta un solo transmisor y un solo receptor

138

6. Comunicación Comunicación serial: La interfaz RS-485 permite comunicación multipunto sobre dos cables: ● ● ● ● ● ●

Distancias hasta de 1200m Tasas de transmisión hasta de 10 Mbps. Permite hasta 32 maestros sobre la misma línea y hasta 32 esclavos sobre la misma línea. “1” lógico representado por voltajes entre -1.5V y -6V, “0” lógico entre +1.5V a +6V. Para comunicación full-duplex se requieren 5 cables. Para comunicación half-duplex se requieres 3 cables. 139

6. Comunicación Protocolos: Existen muchos tipos tipos de protocolos algunos propietarios y otros definidos por organizaciones internacionales como la ISO. Se categorizan como: ● ●

Maestro/esclavo (ModBus). Comunicación punto a punto (e.j. TCP/IP)

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

140

6. Comunicación Protocolos: Existen más de 200 protocolos para SCADA que implementan la capa de usuario del modelo OSI. Incluyen protocolos propietarios y no propietarios: ● ● ● ● ● ●

Allen Bradley DF1, DH y DH+ GE Fanuc Siemens Sinaut Mitsubishi Modbus RTU/ASCII Omrom

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

Toshiba Westinghouse DNP MDLC Modbus TCP HART 141

6. Comunicación Protocolos: Existen más de 200 protocolos para SCADA que implementan la capa de usuario del modelo OSI. Incluyen protocolos propietarios y no propietarios: ● ● ● ●

DeviceNet Profibus Foundation Fieldbus Industrial Ethernet

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

142

6. Comunicación Protocolos: ModBus Actualmente el protocolo Modbus es utilizado para comunicar millones de dispositivos de automatizaci ́n en el mundo, Desarrollado en 1979 por Modicon (Schneidder). En el 2004 Modicon transfirió ́ sus derechos sobre el protocolo a la Organización Modbus, haciendo de este un protocolo abierto.

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

143

6. Comunicación Protocolos: ModBus ModBUs está definido de acuerdo con el Modelo OSI, posicionado en la capa 7 de aplicación del mismo. Provee comunicación cliente-servidor entre los dispositivos conectados. Soporta otros protocolos como la transmisión asíncrona maestro-esclavo, ModBUs Plus y Ethernet. Permite comunicar hasta 247 dispositivos conectados. J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

144

6. Comunicación Protocolos: ModBus

J. Love, Process Control Automation Handbook, Springer.

145

6. Comunicación Protocolos: ModBus Tarea: 1. Para el protocolo ModBus sobre línea serial consulte: a. b. c. d. e.

2.

¿Cuántas capas del modelo OSI implementa? ¿Cómo se define la PDU de ModBus? ¿Cómo es una trama general ModBus? ¿Cómo es una trama Modbus ASCII? ¿Cómo es una trama Modbus RTU?

Para el protocolo ModBus TCP/IP sobre Ethernet a. b. c.

¿Cómo es una trama general de Modbus? ¿Cómo es una trama Modbus sobre TCP/IP. ¿Cúantas capas del modelo OSI implementa?

146

6. Comunicación Protocolos: ModBus Tarea: 3. Describa los códigos de funciones de Modbus: 1, 2, 3 ,4, 5, 6, 7, 15, 16, 22, 23 4. En la página http://www.modbustools.com/download.html encontrará simuladores ModBus como versiones de prueba, descargue e instale: a. b. c.

Modbus master simulator Modbus slave simulator

MBAXP

147

Ejercicio clase 29 de Septiembre Ejercicio de clase: implementar al igual que en el ejercicio anterior los elementos Unidad de bombeo y válvula de control. http://www.proview.se/doc/en_us/orm_f.html 1.

Unidad de bombeo

Class BaseMotorAggr Class BaseMotorAggrFo http://www.proview.se/doc/en_us/orm/basecomponent_basemotoraggrfo.pdf Class BaseMotorAggrSim http://www.proview.se/doc/en_us/orm/basecomponent_basemotoraggrsim.pdf 2.

Válvula de control

BaseCValve BaseCValveFo http://www.proview.se/doc/en_us/orm/basecomponent_basecvalvefo.pdf http://www.proview.se/doc/en_us/orm/basecomponent_baseactuatorafo.pdf Class BaseCValveSim http://www.proview.se/doc/en_us/orm/basecomponent_basecvalvesim.pdf 148

6. Links útilies ¿Cómo abrir un subVI dentro de un VI principal? http://forums.ni.com/t5/LabVIEW/Ventanas-emergentes-en-Labview/m-p/1634922 http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/D587067E18E0E70186256D44007B91FE http://digital.ni.com/public.nsf/allkb/569990697D996C6986256F20005216F6

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