Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos (SCADA) y Comunicaciones Industriales

OPC: Base Tecnológica para la Integración en Automatización Industrial

OPC (OLE for Process Control) es una base tecnológica para el enlace de los componentes de automatización con los dispositivos de campo y el hardware de control.

Características de OPC

1. Posibilita la interoperabilidad entre aplicaciones de automatización/control, dispositivos/sistemas de campo y aplicaciones de gestión/oficina.
2. Sistema de comunicaciones: reducción de costes, sistema abierto, flexible, elimina problemas de incompatibilidad, reduce gastos de mantenimiento, eficiente. Basado en técnicas OLE, COM y DCOM.

Datos que Ofrece OPC

• Datos de sensores en tiempo real (temperatura, presión, caudal).
• Parámetros de control (abrir, cerrar).
• Información de estado del hardware y del software local y subsistema.
• Puede exponer cualquier otro dato disponible.

Servidores OPC

Un servidor OPC es el programa que se encarga de proveer interfaces OPC. Proporciona los datos al cliente que los solicita. Se puede decir que se encuentra donde está situada la fuente de datos.

Tipos de Servidores OPC

• Acceso de datos en línea: lectura/escritura (R/W) entre aplicaciones y dispositivos de control.
• Alarmas y eventos.
• Datos históricos.

Composición del OPC

Se compone de varios objetos:

• Servidor: Sobre el servidor se encuentran los grupos.
• Grupo: En el mismo lugar donde se encuentran los ítems. El grupo puede ser público o local.
• Ítem: Representan conexiones a fuentes de datos.

Situación del OPC

• Nivel alto: Desde un SCADA o SCD a una aplicación o entre subsistemas y consolas de gestión.
• Nivel bajo: Suministra datos en bruto desde dispositivos físicos a SCADA o SCD. Sensores de bajo nivel que usan hardware y protocolos dedicados, entre aplicaciones de monitorización y drivers.

Motivación para el Desarrollo de OPC

La existencia de problemas debido a la no existencia de comunicación entre aplicaciones de software y los dispositivos a nivel de campo. Alto coste a la hora de incorporarlos a los sistemas, proliferación de drivers y conflictos de acceso, aplicaciones que no pueden acceder al mismo tiempo. Por eso se crea el estándar para la comunicación compacta, abierta y extensible.

SCADA: Sistemas de Supervisión, Control y Adquisición de Datos

SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) es un sistema de supervisión (conjunto de acciones para asegurar el correcto funcionamiento, incluso en sistemas anómalos), software de monitorización y control.

Sistema de Supervisión

Está por encima del sistema de control y se encarga de:

• Registrar la evolución del proceso y detectar desviaciones en las variables.
• Emitir diagnóstico.
• Resolver anomalías en la línea y tomar medidas para que no vuelva a ocurrir.

Recorre 3 etapas:

1. Detección de fallos.
2. Diagnóstico de fallos.
3. Reconfiguración del sistema con las especificaciones fijadas.

Sistema de Monitorización

Es la automatización del proceso de vigilancia (adquisición de datos del proceso e interoperabilidad entre el operario y el proceso). La adquisición de datos se efectúa mediante tarjetas TAD, buses de instrumentación y comunicaciones serie a través de interfaces RS-232/485.

Alarmas (Monitorización)

Cuando tenemos situaciones anómalas, desviaciones en la magnitud de una variable o excedencia en el tiempo, ponen en aviso al operario. Una vez generada, se fecha, se visualiza y se registra. Pueden ser:

• Discretas: Ante un cambio binario en una variable.
• Continuas: En las que designamos umbrales numéricos.

Los umbrales de alarma pueden ser:

• Absolutos: Se activan al sobrepasar un cierto valor numérico (existe una banda muerta).
• Relativos: Tenemos unos límites en % respecto de un valor “target”.
• ROC: Respecto a la velocidad de cambio.

Gestión y Registro de Alarmas

1. Filtrado de alarmas: Solo se activan las de una cierta prioridad.
2. Seguimiento y registro temporal: Los instantes de registro y aparición se denominan eventos: instante de activación, instante de fin de alarma, reconocimiento por parte del operario de la alarma, forzado de variables.

Funcionalidades de un Sistema SCADA

• Adquisición y almacenamiento de datos.
• Representación gráfica de las variables de proceso.
• Monitorización de las mismas por medio de alarmas.
• Control sobre reguladores autónomos o directamente sobre E/S remotas.
• Arquitectura abierta y flexible.

Estructura Interna o Capas del SCADA

• Dispositivos de campo (proporcionan los datos del proceso).
• Drivers de comunicaciones.
• Servidor de datos (almacenan datos, detectan y gestionan las alarmas).
• Servidores web: Gestionan la disponibilidad y acceso de datos mediante Internet.
• Aplicaciones que lo acompañan: HMI (visualización del proceso), OLE/ODBC (comunicación entre bases de datos), BATCH, SPC, SQC, OPC, Active X.

Características del SCADA

• Tecnología de sistemas abiertos.
• Integración con otras aplicaciones (sistemas MES).
• Conectividad remota a través de Internet.
• Capaces de solucionar las necesidades de los distintos sistemas de control.

Desarrollo en una Aplicación SCADA

1. Desarrollo

Tiene en cuenta el número de usuarios, las señales de E/S y sus requerimientos de adquisición y registro, variables de control y resultados a visualizar, alarmas y avisos. Utilidades: lenguajes de programación, utilidades de simulación, capacidad de configuración en línea.

2. Ejecución

Aplicaciones que ejecutamos en la planta: licencia de runtime.

Representación del Proceso

Representación visual de la información y su interactividad (interfaz hombre-máquina). Creación de sinópticos (uso de colores, zonas diferenciadas con respecto a la distribución física, etc.).

Bloques Funcionales de un Sistema de Adquisición de Datos

1. Análisis en línea mediante software.
2. Almacenamiento según el tipo de sistema. Podemos almacenar los datos en formato ASCII, binario y bases de datos.
3. Análisis fuera de línea: Obtención de información adicional.
4. Monitorización: Muestras en tiempo real, históricos, etc.

Comunicaciones en Entornos Industriales

Los sistemas de comunicaciones industriales son mecanismos de intercambio de datos en una organización industrial. Normalmente requieren:

1. Intercambio de datos online.
2. Intercambio de datos online, eficientes y bajo coste temporal.

Por sistema industrial entendemos el conjunto de procesos enlazados por medio de flujo de materiales, energías e información.

Ventajas de un Sistema Automatizado

• Aumento de productividad y calidad.
• Reducción de tiempos y costes.
• Utilización eficiente de los equipos.

Factores a Tener en Cuenta en el Diseño de Comunicaciones

• Conectividad.
• Flexibilidad.
• Rendimiento.

Diseño de una Planta

Puede ser:

1. Centralizado: Envía toda la información a un centro de procesado y optimiza el control para que cada acción individual contribuya al funcionamiento de la fábrica.
2. Jerarquizado y distribuido: Descompone el sistema en partes coherentes y asigna a cada una, una competencia determinada.

Características del Sistema de Control Distribuido (SCD)

• Modularidad.
• Extensibilidad.
• Compatibilidad.
• Fiabilidad.
• Mantenibilidad.
• Reconfigurabilidad.

Componentes del Sistema de Control Distribuido (SCD)

• Controladores.
• Interfaces hombre-máquina.
• Comunicaciones.
• Módulo.
• Pantalla gráfica.
• Algoritmo.

Tareas del Sistema de Control Distribuido (SCD)

• Supervisión y gestión de alarmas.
• Históricos.
• Garantizan la operación normal de la planta.
• Control estadístico.

Redes de Planta

Gestión y planificación.

Requisitos

• Manejan mensajes de cualquier tamaño.
• Gestión de errores.
• Gestionan mensajes de diferentes niveles de prioridad.
• Permiten conectar varios segmentos de red.
• Amplio ancho de banda.

Solución: Ethernet.

Redes de Célula

Coordinación de máquinas y operaciones. Todos los equipos que forman las redes de célula (autómatas, robots, etc.) deben comunicarse entre sí.

Requisitos

• Gestión de mensajes cortos.
• Manejar tráfico de eventos discretos.
• Corrección de errores.
• Transmisión de mensajes prioritarios.
• Alta fiabilidad.
• Bajo coste.
• Recuperación rápida ante anomalías.

Características del Tráfico

1. Comunicación de estado: Transmisión cíclica generada por los controladores.
2. Comunicación de eventos: Transmisión no cíclica, generada por las alarmas.
3. Comunicación de bloques: Transmisión no cíclica, generada por envío de ficheros.

Tipos de Tráfico

1. Síncrono: Mensajes cortos en tiempo real.
2. Asíncrono: Mensajes grandes que no requieren tiempo real.
3. Asíncrono corto: Solución: Ethernet.

Redes de Campo

Nivel más bajo. Sensores y actuadores.

Requisitos

• Gestión de mensajes muy cortos.
• Soporte de tráfico periódico y aperiódico.
• Tiempos de respuesta acotados.
• Redundancia.
• Gestión de errores adecuada.

Solución: Buses de campo.

Topologías de las Redes de Comunicación

Distribución física de los elementos que integran la red. Tipos: nodo, anillo, bus, árbol, estrella.

Modelo OSI (Open Systems Interconnection)

ISO (International Organization for Standardization) es una norma que permite la comunicación entre aplicaciones de diferentes equipos.

OSI es un modelo de referencia de interconexión de sistemas abiertos. Tenemos 7 niveles o capas del OSI. Cada nivel une los servicios del nivel inmediatamente inferior y provee servicios al superior.

Funcionamiento

Dispone de un mecanismo de comunicación que puede ser:

1. Petición de servicio a capa inferior.
2. Notificación a la capa superior.

Y de mensajes intercambiados: UDP (unidad de datos de protocolo).

1. Capa Física

Establece la conexión física entre el ordenador y el equipo terminador de red. Coordina las propiedades físicas y mecánicas de la conexión. No garantiza fiabilidad. Los medios de transmisión son: par trenzado, cable coaxial y fibra óptica.

2. Capa de Enlace

Garantiza la fiabilidad de la transmisión entre los dispositivos unidos físicamente, detección y control de errores, regulación de flujo.

3. Capa de Red

Encaminamiento de los datos, no garantiza fiabilidad.

4. Capa de Transporte

Comunicación fiable independiente de la red. Garantiza que la información llega a su destino a base de un protocolo. Existe una confirmación por parte del receptor. Rutas alternativas y reconstrucción de mensajes.

5. Capa de Sesión

Conversiones entre aplicaciones de diferentes sistemas: cómo inician conversación, cómo transcurre y cómo finaliza. Se pueden establecer varias sesiones sobre una misma capa de transporte. Interpretación de quién es el emisor y el receptor.

6. Capa de Presentación

Transformación de los datos, posibilita la comunicación entre máquinas muy diferentes.

7. Capa de Aplicación

• MAP (Manufacturing Automation Protocol): Destinada a comunicar dispositivos de fabricación (robots, PLCs, etc.).
• MMS (Manufacturing Message Specification): Para los dispositivos de fabricación, su monitorización y control.