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Supervisión de procesos en la palma de tu mano Article
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Divulgación
Supervisión de procesos en la palma de tu mano José Alfredo Sánchez López y Alfredo Espinosa Reza
Resumen
U
na tendencia cada vez más común en el desarrollo de software es el uso de componentes orientados a servicios. Una forma de uso de componentes que ha existido siempre en la tecnología de Microsoft ha sido lo que se conoce como servicios Windows. Estos servicios tienen la característica de trabajar como proveedores de funcionalidad a múltiples aplicaciones, ejecutándose en el entorno de la plataforma de Microsoft. Así como los servicios de Windows proporcionan interoperabilidad entre aplicaciones, existen los conocidos Servicios Web que brindan interoperabilidad entre sistemas y plataformas heterogéneas distribuidas en una red. Una forma de aplicar esta tecnología es la integración de los sistemas de supervisión de procesos, desde los sistemas de monitoreo en planta hasta las aplicaciones móviles, empresariales y ejecutivas. En este contexto, la Gerencia de Supervisión de Procesos (GSP) del IIE ha desarrollado un prototipo de Servicio Web para publicación de datos OPC (OLE for Process Control) y explotación de la información adquirida en tiempo real, a través de aplicaciones en dispositivos móviles.
Introducción Actualmente, los estándares han establecido diversas arquitecturas abiertas e interfaces claras como bases para la interoperabilidad, incluso entre sistemas de diferentes fabricantes. Como consecuencia de las arquitecturas abiertas es posible la innovación continua, ya que las aplicaciones pueden operar en diversos ámbitos heterogéneos, es decir, al no haber mercados cerrados, los fabricantes de hardware y software deben estar ofreciendo mejores desarrollos continuamente. Otro de los beneficios en el empleo de estándares aceptados por la industria, es mayor confiabilidad y menor riesgo de obsolescencia de los productos.
La Gerencia de Supervisión de Procesos del IIE ha desarrollado un prototipo de Servicio Web para publicación de datos OPC (OLE for Process Control) y explotación de la información adquirida en tiempo real, a través de aplicaciones en dispositivos móviles.
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Divulgación En la integración de los sistemas de supervisión de procesos es muy común el uso de la interfaz de datos estándar conocida como OPC (OLE for Process Control) para los sistemas de adquisición de datos, mientras que para el manejo y transferencia de datos, entre los sistemas de supervisión de procesos y los sistemas empresariales, ha madurado el concepto de servicios Web con XML como lenguaje de especificación de datos. Adicionalmente, la tecnología de comunicación inalámbrica se está planteando como una nueva funcionalidad para ser integrada dentro de los procesos industriales (Luanco, 2009), (Vasseur, 2009), (Schmitt, 2009) y (Koizumi, 2009). En este sentido, debido a las características en el tiempo de respuesta y desempeño en el uso del protocolo IP, las aplicaciones industriales se han enfocado a la funcionalidad de mantenimiento industrial y monitoreo móvil de procesos, como el uso de dispositivos móviles y sensores inalámbricos para crear un cuarto de control virtual en la planta, ayuda a los operadores de campo, monitoreo de radiación en línea, entre otros (Pestonesi, 2009), (Morten, 2009) y (Dionis et al, 2009). En este artículo se presenta la estrategia para llevar los datos del proceso concentrados en servidores OPC a dispositivos móviles tipo Palm, SmartPhone, iPhone y BlackBerry, combinando tres tecnologías orientadas a la integración e interoperabilidad de sistemas y aplicaciones en dominios locales y de red: estándar OPC, servicios Windows y servicios Web.
Sistemas de control distribuido y sistemas de supervisión de procesos Un sistema de control distribuido (DCS) se refiere a un sistema de control cuyos elementos controladores no están centralizados, sino distribuidos en la planta, en donde cada subsistema del proceso es controlado por uno o más controles y/o actuadores de manera coordinada. El sistema completo está conectado por redes de comunicación y monitoreo. Normalmente, los buses de campo (red secundaria) conectan los controladores distribuidos con un controlador central (figura 1), éste utiliza sistemas de supervisión de procesos conocidos como SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) para colocar interfaces de usuario y consolas en los cuartos de control.
Figura 1. Arquitectura típica de un sistema de control industrial.
Las diferencias entre los sistemas DCS y SCADA están resaltadas principalmente en términos de confiabilidad, latencia y velocidad de comunicación en la tecnología de comunicaciones. Mientras los sistemas DCS son sistemas dedicados, utilizados para el control de procesos que están en ejecución continua, por lo que requieren alta disponibilidad y robustez en la operación de la red industrial o red de campo. Por otra parte, los sistemas SCADA han buscado la combinación de protocolos basados en bus de campo (normalmente propietarios) con extensiones para operar sobre el estándar de red abierto TCP/IP. La facilidad de operar en dos ambientes de red ha permitido incorporar los SCADA en redes corporativas, con la finalidad de compartir la información de procesos con aplicaciones empresariales. Recientemente OPC se ha convertido en una solución aceptada para intercomunicar diferentes plataformas de hardware y software, permitiendo la comunicación entre dispositivos que no están orientados a formar parte de la red industrial.
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Divulgación Tecnología OPC OLE for Process Control (OPC) es una interfaz de datos estándar de comunicación en el campo de control y supervisión de procesos (www.opcfoundation.org). El principal objetivo de la tecnología OPC es eliminar la necesidad de que todos los programas cuenten con drivers para dialogar con múltiples fuentes de datos, manejando la comunicación con un solo driver OPC. En la supervisión de procesos las aplicaciones necesitan una manera común de acceder a los datos de cualquier fuente, ya sea mediante un dispositivo electrónico que se comunica directamente a los instrumentos de campo o a través de equipos de cómputo que contienen bases de datos del proceso. Independientemente del dispositivo o equipo, los fabricantes de hardware sólo tienen que hacer un solo conjunto de componentes de programa para que los usuarios los utilicen en sus aplicaciones. De igual manera, los fabricantes de software no tienen que adaptar los drivers ante cambios de hardware. La figura 2 muestra la estructura básica de conexión de múltiples aplicaciones utilizando un mismo tipo de interfaz OPC accediendo a los distintos tipos de servidores con un solo estándar de comunicación.
Figura 2. Arquitectura de conexión de sistemas mediante interfaz OPC.
Figura 3. Arquitectura de conexión con interfaces especializadas punto a punto.
La figura 3 muestra un problema común en el desarrollo de aplicaciones que requieren de múltiples fuentes de información, ya que antes era necesario el desarrollo de interfaces exclusivas o especializadas de comunicación a dispositivos y equipos diversos. La figura 4 esquematiza la ventaja que representa el uso de la tecnología OPC en la reducción del desarrollo/mantenimiento/actualización de interfaces de datos para conexión a dispositivos y equipos diversos (inclusive de marcas diferentes).
Figura 4. Arquitectura de conexión con interfaces estándar OPC.
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El continuo esfuerzo de mejorar las especificaciones OPC está motivado, principalmente, en la integración de sistemas en un entorno heterogéneo de plataformas de hardware y software, con acceso a dispositivos de campo de múltiples fabricantes, como se representa en la figura 5.
Figura 5. Arquitectura de conexión con interfaces estándar OPC.
Servicios Windows Actualmente la palabra “servicios” se está convirtiendo en un concepto muy común para referirse a la interoperabilidad entre aplicaciones y sistemas. Generalmente, la simple palabra es referida a sistemas distribuidos ejecutándose en diferentes plataformas de hardware y software. Sin embargo, los servicios han sido utilizados por largo tiempo en ambientes locales del sistema operativo Windows para proporcionar funcionalidad a las diferentes aplicaciones ejecutadas en el mismo ambiente. Un servicio Windows es un programa que se ejecuta de forma continua, proporciona funciones específicas y sin interacción con el usuario (MSDN Library). El servicio es ejecutado de forma oculta en un ambiente multitarea. Los servicios de Windows pueden configurarse para iniciar automáticamente a la par del sistema operativo y permanecer en ejecución mientras el sistema lo esté. Además, los servicios son utilizados para muchos procesos de “segundo plano” (background), debido a su capacidad de restablecerse sin la interacción del usuario. Por ello, un servicio Windows es viable para el desarrollo de soluciones de funcionalidad continua y robusta, así como de alta capacidad de procesamiento y/o desempeño. Para el propósito de este artículo se ha implementado la interfaz OPC dentro de un servicio Windows, que opere de forma independiente y continua, exponiendo interfaces para las diversas aplicaciones que requieran datos de los servidores OPC, como se muestra en la figura 6. Debido a que un servicio Web puede operar en el mismo contexto de ejecución que un servicio Windows, esto resulta en una estrategia combinada para proveer la robustez de los servicios Windows y la interoperabilidad de los servicios Web en un sistema heterogéneo distribuido en plataformas de software y hardware (http://msdn.microsoft.com/en-us/magazine/cc163821.aspx) y (http://www. developer.com/services/article.php/3616711).
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Figura 6. Arquitectura de interfaz OPC dentro de un servicio Windows.
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Divulgación Servicios Web
El grupo de trabajo W3C define los servicios Web como un sistema de software diseñado para soportar la interacción de máquina a máquina interoperable en una red. Un servicio Web provee una descripción de interface de servicio abstracta, con la finalidad de permitir a los usuarios del servicio ubicar e invocar el servicio, utilizando mensajes basados en XML. Por lo tanto, la interacción entre los sistemas es independiente de la plataforma (neutralidad tecnológica). El modelado del servicio y los mecanismos de intercambio de datos son las bases para entender el desarrollo de las arquitecturas de servicios Web (Pahl, 2007), (Alonso et al, 2004), (Bass et al, 2003) y (Newcomer y Lomov, 2005). Algunas de las ventajas de los servicios Web incluyen: • • • • •
Interoperabilidad entre aplicaciones de software. Basado en texto y en consecuencia de fácil acceso a su contenido (incluso contenido legible por humanos). Utilizan la seguridad de un firewall sin requerir cambiar las reglas de filtrado. Tienden a proveer servicios integrados y software distribuido geográficamente. Interoperabilidad de plataformas por medio de protocolos estándares y abiertos.
Por otro lado, los servicios Web tienen algunos inconvenientes como son: • •
•
Para realizar transacciones no pueden compararse en su grado de desarrollo con los estándares abiertos de computación distribuida como CORBA (Common Object Request Broker Architecture). El rendimiento es bajo si se compara con otros modelos de computación distribuida, tales como RMI (Remote Method Invocation), CORBA o DCOM (Distributed Component Object Model). Es uno de los inconvenientes derivados de adoptar un formato basado en texto. Se basan en HTTP, por lo que pueden esquivar medidas de seguridad basadas en firewall, cuyas reglas tratan de bloquear o auditar la comunicación entre programas en ambos lados de la barrera.
En general, se pueden listar las siguientes razones para utilizar los servicios Web: • • • •
Se basan en HTTP sobre TCP en el puerto 80 (puerto que utilizan los navegadores y por lo tanto no está bloqueado). Sus interfaces son fáciles de acceder. Independencia entre la aplicación que usa el servicio Web y el propio servicio. Escalabilidad al construir grandes aplicaciones a partir de componentes distribuidos.
Para propósitos del presente artículo, el servicio Web se ha utilizado para ser el medio de acceso estándar multiplataforma para los datos obtenidos del servidor OPC. En la figura 7 se muestra esquemáticamente la interfaz OPC encapsulada en un servicio Windows para brindar un medio de acceso común a todas las aplicaciones que operen en el ambiente local. La funcionalidad del servicio de Windows es utilizada por el servidor Web para exponer el acceso al servidor OPC, a través de interfaces estándares a diversos ambientes heterogéneos en la red, ya que se tiene un acceso estándar a los datos del servidor OPC en el servidor Web; los dispositivos móviles tipo Palm, SmartPhone, iPhone y BlackBerry pueden hacer uso de las interfaces expuestas en el servidor Web. Una de las razones para establecer como medio de acceso un servicio Web en los dispositivos móviles, es la facilidad de distribuir las aplicaciones con respecto a la instalación y configuración de una interfaz OPC completa en el dispositivo. Además, la mayoría de los dispositivos móviles trabajan con sistemas operativos no compatibles con OPC.
Figura 7. Arquitectura de interfaz OPC para dispositivos móviles.
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Supervisión de procesos en dispositivos móviles La supervisión de procesos en dispositivos móviles ofrece apoyo para las tareas de campo de los operadores. Algunas de las aplicaciones comunes incluyen: • • • • • • •
Monitoreo de condiciones de proceso y detección de discrepancias en línea por el operador de campo. Acceso a procedimientos de forma remota con lectura de datos en línea. Apoyo en la ejecución y supervisión de tareas de campo. Recopilación de resultados y condiciones finales del proceso. Ayuda en línea con despliegue de maniobras que incluyen condiciones del proceso, objetivo de la maniobra y resultados de las acciones del operador de campo. Supervisión de condiciones operativas en campo. Supervisión remota (por Internet) de las condiciones operativas del proceso en tiempo real, incluyendo alarmas, estados y variables de control.
Con el apoyo de los dispositivos móviles y la supervisión del proceso en línea por el operador de campo, se consideran beneficios como la reducción en los tiempos de mantenimiento y en la atención de fallas, apoyo en la ejecución de procedimientos y maniobras, colaboración remota entre equipos de trabajo, análisis del estado del proceso directamente en campo, entre otras.
Figura 8. Arquitectura del SAO con apoyo de dispositivos móviles.
La figura 8 muestra la implementación simplificada de la funcionalidad del monitoreo móvil de las maniobras de operación que el Sistema de Ayuda a la Operación (SAO) proveerá a un operador de campo en la ejecución de un procedimiento operativo.
Actualidad en el mercado y ventaja estratégica de desarrollo en la GSP En la actualidad existen aplicaciones disponibles en el mercado para proveer las funcionalidades especificadas en el estándar OPC con conexión a dispositivos e instrumentos del proceso de diversos fabricantes, tales como Software toolbox (www.softwaretoolbox.com), Resolvica (www.resolvica.com), Advosol (www.advosol.com), National Instruments (www. ni.com), entre otros. Sin embargo, en la Gerencia de Supervisión de Procesos (GSP) del Instituto de Investigaciones Eléctricas se ha determinado como estrategia contar con una plataforma de desarrollo propia, para ofrecer los servicios de innovación en el área de sistemas de supervisión de procesos. La GSP cuenta con especialidades técnicas que incluyen adquisición de datos, software en tiempo real, interfaces hombre-máquina e integración de sistemas, con el objetivo de ofrecer sistemas de información en tiempo real, requeridos para la supervisión de procesos, diagnóstico y predicción de eventos, así como para el apoyo en la toma de acciones oportunas que permitan mejorar los índices de desempeño de centrales, subestaciones, centros de distribución de energía eléctrica y otras industrias con necesidades afines (www.iie.org.mx/automatiza). Para la GSP es importante contar con independencia tecnológica para ser competitiva en el desarrollo de sus productos, además de asegurar sistemas integrales rentables, eficaces, innovadores y que cumplan con la flexibilidad requerida por sus clientes.
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En el área de adquisición de datos basado en el estándar OPC, la GSP considera las siguientes razones en el desarrollo de su propia plataforma: • • • • • •
El IIE es propietario de la plataforma de desarrollo. No se está sujeto a programas de licenciamiento. Existe un control total del código fuente. Es posible la personalización en función de las necesidades de desarrollo. No es ofrecido como producto aislado, sino como parte de sistemas integrales de supervisión. Es posible incorporar las funcionalidades específicas de cada proyecto.
La GSP ha madurado su plataforma de desarrollo en el área OPC, a través de proyectos que han servido de referencia para respaldar las características listadas como justificación estratégica para el desarrollo de su plataforma OPC: • • • •
Proyecto Sistema de Ayuda a la Operación (SAO): – Personalización del servidor OPC para reproducir la operación histórica (play back), con fines de análisis y prueba de módulos en desarrollo. – Base de datos común de operación del SAO y de configuración del cliente OPC. – Macros de conexión a servidores OPC en Excel. Proyecto de conexión del servidor OPC a dispositivos con protocolo DNP3: – Concentrador de datos de múltiples dispositivos basados en DNP3. – Detección automática de variables del módulo DNP3. – Manejo de alarmas y propiedades personalizadas del área de Distribución. – Configuración basada en XML común para los módulos DNP3 y el servidor OPC. Proyecto viscosímetro virtual: – Servicio Windows de conexión a un servidor OPC. Proyecto del sistema de diagnóstico termo-económico: – Detección automática de condiciones de bajo desempeño térmico en el proceso. – Estimación de índices de comportamiento energético.
Actualmente, la GSP ha incorporado la publicación Web para monitoreo móvil en la plataforma de desarrollo OPC. Inicialmente, esta funcionalidad estará incorporada en el Sistema de Ayuda a la Operación (SAO) para el monitoreo móvil de recomendaciones de operación, monitoreo de parámetros operativos, monitoreo de variables en línea y gráficas de tendencia. Debido a la experiencia que la GSP tiene en el análisis e implementación de protocolos, se están llevando a cabo negociaciones para la utilización de la plataforma OPC para el desarrollo de concentradores de datos de sistemas legados y su correspondiente conversión a OPC, para su explotación de manera estándar.
Reconocimiento Este trabajo es resultado de la iniciativa del Dr. Salvador González Castro, Director de la División de Sistemas de Control, y del Dr. Rolando Nieva Gómez, Director de la División de Sistemas Eléctricos, quienes apoyaron para que un investigador de la Gerencia de Supervisión de Procesos asistiera al evento organizado por International Electric Research Exchange (IERE) y EDF “2009 IT Integration France Workshop” en mayo de 2009. (Luanco, 2009), (Vasseur, 2009), (Schmitt, 2009) y (Koizumi, 2009).
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Referencias E. Luanco, “Ventyx roadmap for nuclear generation”, Presentación en “2009 IT Integration France Workshop”, IERE-EDF (www.iere.jp); Chatou, Francia, 27-28 Mayo 2009. JP. Vasseur, “The Internet of Things / Sensor Networks”, Presentación en “2009 IT Integration France Workshop”, IERE-EDF (www.iere.jp); Chatou, Francia, 27-28 Mayo 2009. L. Schmitt, “Future Automation & IT Architectures for future Positive Grid Operation”, Presentación en “2009 IT Integration France Workshop”, IERE-EDF (www.iere.jp); Chatou, Francia, 27-28 Mayo M. Koizumi, “The application of RFID technology to enhance IT support sytems used in the inspection of industrial systems”, Presentación en “2009 IT Integration France Workshop”, IEREEDF (www.iere.jp); Chatou, Francia, 27-28 Mayo 2009. D. Pestonesi, “Advanced ICT applications for power plant O&M”, Presentación en “2009 IT Integration France Workshop”, IEREEDF (www.iere.jp); Chatou, Francia, 27-28 Mayo 2009. G. Morten, “Outage, maintenance and decommisssioning – Virtual reality”, Presentación en “2009 IT Integration France Workshop”, IERE-EDF ; Chatou, Francia, 27-28 Mayo 2009. F, Dionis, R. Aubin, R. Catteau, “Tell-Me project: Handheld devices for more effective on-field operation”, Presentación en “2009 IT Integration France Workshop”, IERE-EDF (www.iere.jp); Chatou, Francia, 27-28 Mayo 2009. OPC foundation. Disponible: www.opcfoundation.org. MSDN Library – Librería “Microsoft Developer Network”.
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JOSÉ ALFREDO SÁNCHEZ LÓPEZ [
[email protected]] Ingeniero en Electrónica egresado del Instituto Tecnológico de Orizaba en 1993. Maestro en Ciencias por The University of Edinburgh en 1999. Ingresó a la Gerencia de Supervisión de Procesos del IIE en 1994, ha participado en proyectos de desarrollo de algoritmos de control avanzado y sistemas de monitoreo de procesos en tiempo real. Actualmente participa en proyectos de desarrollo de sistemas de supervisión y diagnóstico en línea, aplicando tecnologías basadas en componentes y lenguajes de programación orientados a objetos. Obtuvo la certificación como desarrollador de LabVIEW. Su área de interés es la integración de sistemas de control y monitoreo de procesos con sistemas de gestión y análisis en línea. ALFREDO ESPINOSA REZA [
[email protected]] Ingeniero Mecánico Electricista, en el área de Electricidad y Electrónica, egresado de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) en 1994. Ingresó al IIE en 1995 en donde desarrolla e integra sistemas de información en tiempo real para centrales generadoras de energía eléctrica, subestaciones y redes de distribución. Sus áreas de investigación incluyen la arquitectura e infraestructura de interoperabilidad semántica para los Sistemas de Gestión de la Distribución (DMS) soportada por el Modelo de Información Común (CIM). Recientemente coordinó el desarrolló del Simulador del Sistema Eléctrico de Distribución para los centros de control de distribución de la CFE.
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De izquierda a derecha: Alfredo Espinosa Reza y José Alfredo Sánchez López.
