Para que podamos tener claro los conceptos y diferenciar bien que es un Sistema SCADA y sus diferencias con un DCS, vamos a hablar de las características esenciales de un Sistema SCADA y sus principales funciones.
Con un procesador único (generalmente) con tareas de administrar múltiples funciones de control, con comunicación digital entre unidades de procesamiento, son usados para la administración de "sistemas" que tienen amplia naturaleza de expansión sobre regiones geográficas. Estos sistemas son generalmente llamados como SCADA, del acrónimo Supervisory Control and Data Adquisition (Supervisión de Control y Adquisición de Datos).
Un sistema SCADA tipo consiste en múltiples dispositivos como Unidades Terminales Remotas (Remote Terminal Unit o simplemente RTU) enlazados con transmisores de proceso y elementos finales de control, implementando funciones de control básica como Start/Stop de motores y lazos de control PID. Estos dispositivos RTU se comunican digitalmente con una Unidad Terminal Maestra (Master Terminal Unit o MTU) en una ubicación central donde operadores pueden monitorear el procesos y enviar comandos.
En la siguiente fotografía se muestra un rack de un RTU que opera en una subestación eléctrica a kilómetros de la unidad centrar:
Los Controladores Lógicos Programables (PLCs) son candidatos ideales para ser usados como dispositivos RTU. Los PLCs modernos tienen todos los tipos de I/O, dispositivos de red, y algoritmos de control suficientes como para operar como unidades terminales remotas. Generalmente los software de Interface Hombre Maquina ó HMIs (Human-Machine Interfase) permiten a computadoras personales o Workstations recolectar los valores provenientes de las RTUs o PLCs convirtiendo cada computadora en una Unidad Terminal Maestra (MTU), donde los operadores pueden visualizar las variables de proceso, cambiar setpoints, y enviar cualquier otro comando para controlar el proceso.
A continuación se muestra una fotografía de un software HMI usado para monitorear un sistema SCADA para un proceso de compresores de gas natural:
Un concepto muy cercado a SCADA es TELEMETRIA, esta palabra literalmente significa "medición a distancia". El acrónimo SCADA, contiene la palabra "control", que implica "two-way" o dos maneras de comunicación (medición y control) entre la localización maestra y la localización remota. En aplicaciones donde el flujo de información es estrictamente de una vía "one-way" o simple desde la localización remota hacia la localización maestra, podemos que sería una aplicación o sistema de Telemetría.
Los sistemas de Telemetría tienen una amplia aplicación en investigaciones científicas y de medio ambiente. Por ejemplo Sismógrafos, medición de flujo de ríos y canales, estaciones meteorológicas, y otros tipos de instrumentos medición son conectados (usualmente por enlaces de radio) a algún centro de recolección de datos. Cualquier medición industrial realizada a largas distancias podrías ser clasificada como un sistema de telemetría, aunque podrías algunas veces encontrar el término "SCADA" aplicado incluso si la comunicación es simple o una sola vía.

 

Para que podamos tener claro los conceptos y diferenciar bien que es un Sistema SCADA y sus diferencias con un DCS, vamos a hablar de las características esenciales de un Sistema SCADA y sus principales funciones.

 

Con un procesador único (generalmente) con tareas de administrar múltiples funciones de control, con comunicación digital entre unidades de procesamiento, son usados para la administración de "sistemas" que tienen amplia naturaleza de expansión sobre regiones geográficas. Estos sistemas son generalmente llamados como SCADA, del acrónimo Supervisory Control and Data Adquisition (Supervisión de Control y Adquisición de Datos).

Un sistema SCADA tipo consiste en múltiples dispositivos como Unidades Terminales Remotas (Remote Terminal Unit o simplemente RTU) enlazados con transmisores de proceso y elementos finales de control, implementando funciones de control básica como Start/Stop de motores y lazos de control PID. Estos dispositivos RTU se comunican digitalmente con una Unidad Terminal Maestra (Master Terminal Unit o MTU) en una ubicación central donde operadores pueden monitorear el procesos y enviar comandos.

 

En la siguiente fotografía se muestra un rack de un RTU que opera en una subestación eléctrica a kilómetros de la unidad centrar:

 

Los Controladores Lógicos Programables (PLCs) son candidatos ideales para ser usados como dispositivos RTU. Los PLCs modernos tienen todos los tipos de I/O, dispositivos de red, y algoritmos de control suficientes como para operar como unidades terminales remotas. Generalmente los software de Interface Hombre Maquina ó HMIs (Human-Machine Interfase) permiten a computadoras personales o Workstations recolectar los valores provenientes de las RTUs o PLCs convirtiendo cada computadora en una Unidad Terminal Maestra (MTU), donde los operadores pueden visualizar las variables de proceso, cambiar setpoints, y enviar cualquier otro comando para controlar el proceso.

 

A continuación se muestra una fotografía de un software HMI usado para monitorear un sistema SCADA para un proceso de compresores de gas natural:

 

Un concepto muy cercado a SCADA es TELEMETRIA, esta palabra literalmente significa "medición a distancia". El acrónimo SCADA, contiene la palabra "control", que implica "two-way" o dos maneras de comunicación (medición y control) entre la localización maestra y la localización remota. En aplicaciones donde el flujo de información es estrictamente de una vía "one-way" o simple desde la localización remota hacia la localización maestra, podemos que sería una aplicación o sistema de Telemetría.

 

Los sistemas de Telemetría tienen una amplia aplicación en investigaciones científicas y de medio ambiente. Por ejemplo Sismógrafos, medición de flujo de ríos y canales, estaciones meteorológicas, y otros tipos de instrumentos medición son conectados (usualmente por enlaces de radio) a algún centro de recolección de datos. Cualquier medición industrial realizada a largas distancias podrías ser clasificada como un sistema de telemetría, aunque podrías algunas veces encontrar el término "SCADA" aplicado incluso si la comunicación es simple o una sola vía.

 

 

 

ALMACENAMIENTO DE DATOS

 

La estación maestra (MTU) es uno de los componentes más importantes en un sistema de control Scada, en tal sentido se debe tener claro las funciones que cumple este equipo dentro del sistema y cuáles son los criterios de selección del mismo.

 

La unidad maestra MTU envía información a cada RTU utilizando un medio común de comunicación y un protocolo común. Ambos, la estación maestra y el RTU, básicamente tienen los mismos equipos de comunicación. La diferencia radica en que la estación maestra MTU es la única que puede iniciar la conversación. Esta comunicación es iniciada por un programa dentro del MTU que puede ser disparado por una instrucción manual dada por el operador o por el mismo programa del MTU. El 99% de los mensajes son iniciados automáticamente por el MTU como parte de sus rutinas de control.

 

Muchos MTU usan protocolos propietarios dependiendo del proveedor del equipo. Este protocolo deberá ser compatible con todas las estaciones a conectar en la red. A este tipo de tecnología se le conoce como una arquitectura cerrada, la cual se caracteriza por tener que utilizar sólo los equipos de un proveedor.

 


Fig. 1

 

Ejemplo de un módulo de comunicación para una estación maestra:

 

Cuando se trabaja con equipos de tecnología abierta, se considera que puede trabajar con distintos proveedores al momento del diseño del sistema. Esto básicamente porque se comparte un estándar entre los proveedores.

 

 

CONFIGURANDO UNA PANTALLA DE UN PROCESO

 

Para visualizar una información adecuada del estado de las estaciones remotas, es necesario que todos los elementos de campo necesarios se encuentren conectados a las RTU. De esa manera el MTU podrá obtener este tipo de información.

 


Fig. 2

 

 

A continuación se muestra un ejemplo que consiste de un proceso simple para el control de una línea de alimentación de combustibles.

 


Fig. 3

 

El RTU 1 monitorea el estado de la bomba, el cual puede estar prendido o apagado. También se puede controlar el encendido y apagado de la bomba. Del mismo modo se puede abrir y cerrar la válvula e identificar el estado de la válvula. Adicionalmente se tiene el dato de la totalización del flujo a través de la tubería y de la alarma por presión bajo en la línea.

 

En el RTU 2 se tiene sólo un bloque de control de la válvula. Se controla la apertura y cierre de la válvula y se monitorea el estado de la misma. Al igual que el caso del RTU1 se monitorea el estado de la presión mínima en la línea del proceso.

 

El RTU3 tiene la misma función que el RTU1 sólo que no se tiene una bomba a controlar.

 

Se tiene un sistema simple para el monitoreo del sistema Scada. Se busca evitar las fugas en la línea de alimentación del proceso. La detección puede ser realizada por la diferencia entre el totalizador a la entrada y el totalizador a la salida. Además se tiene un monitoreo continuo de la pérdida de presión en la línea en caso de una fuga de combustible. Cuando alguna de estas condiciones se presenta, en la tabla de datos de la estación maestra se activaría una señal de alarma que tome acción directa sobre el proceso. En esta caso se enviaría una señal para cerrar las válvulas del proceso en forma secuencial. Si es que no se recibe una confirmación que las válvulas se han cerrado, el MTU vuelve a enviar la señal de cierre. Si el problema persiste, se dará una señal de alarma al operador para que tome acción directa sobre el proceso.

 

El MTU en caso de falla y pierda comunicación con los RTU´s deberá recuperar la comunicación en forma automática. Si la comunicación no se llega a establecer se puede activar una rutina que mande detener el proceso. Esto es que los RTU?s manden cerrar sus válvulas y cortar el flujo.

 

La visualización del estado del proceso se hace desde una estación de supervisión que consiste de una PC con un software de supervisión que permita ver el estado de los equipos en forma gráfica.

 


Fig. 4

 

A continuación se muestra los códigos que son enviados al RTU1 para el control del proceso.

 

 

 

Medios Atmosféricos

 

A)   MICROONDAS (MICROWAVE RADIO)

 

Es una transmisión de alta frecuencia (GHz) que es limitada por la curvatura de la tierra. Utiliza platos parabólicos que son conocidos como antenas parabólicas para la transmisión de datos.

 

 

 

Las antenas parabólicas son montadas en lo alto de los edificios debido a que debe existir una línea de vista entre las antenas.

 

 

B)  RADIO VHF/UHF

 

Es una onda de transmisión electromagnética de alta frecuencia. El radio transmisor genera la señal y la antena recibe esta información.

 

 

C)   SATÉLITE EGOCÉNTRICO

 

Los satélites geocéntricos usan una transmisión de radio de alta frecuencia del orden de los Ghz entre dos localizaciones. La órbita de los satélites es síncrona con la órbita de la tierra. Es decir, los satélites giran alrededor de la tierra utilizando una órbita geocéntrica. Sin embargo los satélites mantienen su posición relativa respecto a un punto en la tierra. Los satélites reciben y transmiten la información usando antenas parabólicas.

 

 

 

D)    LÍNEA DE POTENCIA

 

Con equipos especiales es posible enviar y recibir datos sobre una línea de potencia desde los 120 VAC hasta los 460 VAC.

 

 

 

PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN

 

El protocolo es una serie de reglas que definen el significado de una palabra de bits. Se ha establecido que un mensaje será enviado desde una MTU hacia un RTU a través de una serie de bits digitales. Pero, que puede representar el primer, segundo, tercer bit, y qué puede significar el bit veinticuatro. El protocolo se encarga de decirnos que significa cada bit.

 

Por tanto un código se encargará de decirnos cuál es el significado de cada bit en una comunicación serial. Este código se codifica al inicio de la transmisión y se decodifica al final de la transmisión.

 

Demás es decir que existen muchos protocolos en el mercado y cada proveedor de tecnología propone utilizar su protocolo como una estándar.

 

La figura 11 muestra un diagrama de un mensaje enviado que se basa en un protocolo de la IEEE C37.1. Cada bit es definido como un propósito. El total de la longitud de la transmisión del documento es incluido como la cima de todos los bits fijos más el número que es llevado como modificador. La cadena de la dirección remota, define la estación a la cual es mensaje es enviado. Ocho bits permiten identificar hasta 256 estaciones.

 

Fig. 11

Fig. 11

 

La función del frame es definir hasta 256 tipos de mensajes. La dirección interna define el registro con el cual la estación de recepción direcciona el mensaje. El modificador modifica la dirección interna y define cómo cuántas palabras son incluidas en el mensaje. El dato es un campo de longitud variable que va desde 0 hasta 192 bits.

 

El CRC es un código de 16 bits de ciclo redundante basado en una fórmula de BoseChaudhuri – Ocquenghem para la detección de los errores de transmisión.

 

A continuación se muestra un ejemplo para el cálculo del CRC. El cálculo del CRC es un modelo matemático que es implementado por circuitos digitales o por rutinas desarrolladas en micro procesadores.

 


Fig. 12

 

A)   MODULACIÓN DE LAS SEÑALES DIGITALES

 

La modulación de las señales digitales es llevada a cabo por equipos conocidos como módems que es la contracción de Modulate and Demodulate. Pero, ¿cuál es el significado de modulación? Generalmente esto significa variar o cambiar la forma de onda de acuerdo a una onda portadora.

 

Cuando se envían señales discretas a través de una línea, estas señales se ven atenuadas por el efecto de la resistencia del medio físico.

 

La figura 13 muestra que una forma de onda puede ser separada en una serie matemática de serie de ondas senoidales. Un francés matemática llamado Fourier describió el método para analizar estas formas de ondas. Demostró que una forma de onda rectangular es la suma de sus componentes senoidales.

 


Fig.13

 

Los componentes de la onda original se ven afectados por la inductancia y capacitancia del medio físico utilizando. El efecto principal es la distorsión del ángulo de fase de la señal. Sin embargo se pudo demostrar que una frecuencia base no se ve afectado por la distorsión del medio físico. En tal sentido la idea es utilizar una frecuencia portadora para la modulación de la información.

 

Los distintos métodos de modulación son:

1. Amplitud modulada AM.

2. Frecuencia modulada FM.

3. Modulación de fase PM.

 

 

La amplitud modulada AM varía la amplitud de la alta frecuencia de la onda portadora multiplicado por la amplitud de los datos. El resultado es una serie de ondas sinusolidales que varían de amplitud a la velocidad de los datos.

 


Fig. 14

 

 

La modulación por frecuencia FM varía la frecuencia de la onda portadora de acuerdo a la amplitud de los datos. La amplitud de la onda de salida es constante. En estos casos el ruido atmosférico no afecta a la onda portadora.

 


Fig. 15

 

La modulación por ángulo de fase, cambia la fase en respuesta al cambio de amplitud de los datos. Este tipo de modulación permite mayores velocidades de comunicación respeto a la modulación AM.

 

Un protocolo gobierna el formato de transmisión entre dos o más estaciones, incluyendo en handshaking, el error de detección y error de recuperación. Cuando se selecciona un protocolo el que se ajuste más a su aplicación. Los criterios a tener en cuenta al seleccionar un protocolo son:

 

• Topología de la conexión.

• Modo de transmisión.

• Otros requerimientos de la aplicación, como conexiones y equipos ya existentes.

 

Si su modo de transmisión es en una dirección el protocolo a seleccionar será half dúplex. Si el modo de transmisión es bidireccional en forma simultánea el protocolo a seleccionar será full dúplex.

 

Dependiendo del proveedor elegido para la estación maestra y esclavo, el protocolo será el sugerido por el fabricante de estos equipos. Por ejemplo, si se trabaja con equipos de la marca Allen Bradley, el proveedor sugerirá el protocolo DF1 half dúplex porque este tiene como beneficios:

 

• Monitoreo remoto de la tabla de datos de la estación remota, así como acceso al programa escalera de esta estación.

• Mensajes entre estaciones.

• Menor costo porque el protocolo viene incluido con los equipos.

 

EL protocolo DF1 es un protocolo asíncrono. Usted necesitará trabajar con otro protocolo si:

 

• Está usando lazos de comunicación con satélites, radio módems y software que necesiten trabajar con handshaking.

• Expandir un sistema existente que no trabaje con protocolo DF1 de AB.

 

Sin embargo, muchos proveedores de tecnología proveen soluciones conocidas como Gateway, que son equipos o software que se encarga de convertir un protocolo determinado en otro protocolo.

 

A continuación se le muestra una tabla de distintos protocolos disponibles para estaciones maestras:

 

Protocoloas para SCADA

 

Protocolos RTU

 

 

SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE COMUNICACIÓN

 

Un método para calcular el scan del intervalo está basado en varias consideraciones ya mencionadas en la unidad 1. Cuando se tiene aplicaciones críticas, es necesario manejar mayores anchos de banda con mayores velocidades de comunicación. En estos casos los medios de comunicación a utilizar considerará el uso de por ejemplo un medio físico como la fibra óptica, ondas de radio, etc. Implementar una línea dedicada es mucho más sofisticado, pero es necesario tener una compañía de teléfono quién pueda brindar este servicio.

 

 

PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN

 

1. Nombre tres métodos de modulación de la forma de onda.

a.Amplitud, fase y por ancho de banda.

b.Frecuencia, PWM y AM.

c.Carrier power, FM ya AM.

d.Amplitud, frecuencia y fase.

e.Ninguna de las anteriores.

2.¿Es posible transmitir más de 1 200 bps en un módem de 1 200 bps?

a.Sí.

b.No.

c.Si la técnica de modulación lo permite.

d.Sólo a y c son válidas.

e.Ninguna de las anteriores.

 

 

RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN


1) d

2) c

 

Cuando hablamos de telecomunicaciones nos referimos básicamente a los equipos de comunicación necesarios para establecer la comunicación entre los diferentes componentes del sistema Scada.

 

El término “Control en tiempo real” es definido como “pertinente para realizar una operación de cálculo durante el tiempo que el proceso físico transpira”, en nuestro contexto se refiere a la respuesta del sistema de control a los cambios en el proceso.

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