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Arquitecturas de sistema SCADA

SCADA básico FactoryTalk View

Arquitecturas de sistema SCADA Unidad 1

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Arquitecturas de sistema SCADA

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Arquitecturas de sistema SCADA

Arquitecturas de sistema SCADA Índice Listado de figuras ……….. ………………………………………………………………...4 Presentación ............................................................................................................ 5 Introducción ............................................................................................................. 6 Objetivos .......................................................................................................................7 Sistema SCADA ................................................................................................... 8 1.1. Sistema de información industrial ............................................................... 8 1.2. Pirámide de automatización ....................................................................... 8 1.3. Conceptos generales - SCADA .................................................................. 9 Arquitectura de sistema SCADA........................................................................ 11 Normas y estándares ........................................................................................ 18 Mapa conceptual……………………………………………………………………………..22 Bibliografía ..................................................................................................................23

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Listado de figuras —Figuras • Figura 1. Pirámide de la automatización • Figura 2. Arquitectura básica de hardware • Figura 3. Arquitectura stand alone • Figura 4. Arquitectura centralizada • Figura 5. Arquitectura distribuida • Figura 6. Arquitectura alta disponibilidad • Figura 7. Arquitectura - software SCADA • Figura 8. Salud aspectos básicos • Figura 9. Incidencia del trabajo sobre salud

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Presentación Tecsup Virtu@l, plataforma de Tecsup, inicia sus actividades a finales de los años 90 con el fin de aprovechar el uso extendido del internet para acortar distancias y prolongar la comunicación entre alumno-docente, en modo virtual. En la actualidad, esta plataforma se encuentra en su quinta versión y las herramientas que se han desarrollado a lo largo de su vida propiciaron que sea más amigable e intuitiva para el usuario. Es mediante esta plataforma que Tecsup diseña y elabora una serie de cursos virtuales, cuyo proceso de aprendizaje se caracteriza por implementar un novedoso modelo colaborativo, el cual fomenta la interacción entre docentes y participantes. La unidad 1: «Arquitecturas de sistema SCADA» del curso SCADA básico FactoryTalk View es el resultado de un trabajo conjunto cuyo fin es propiciar el desarrollo de las capacidades profesionales de cada uno de sus participantes. Desde ya felicitamos a cada uno de los participantes de este curso por el deseo de superación y la búsqueda del conocimiento. Nos sumamos a su esfuerzo, poniendo todo de nosotros en la elaboración de este curso virtual. Tecsup Virtu@l

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Introducción El sistema de información en la industria es denominada SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos). Este sistema es fundamental para la automatización integral de las empresas de cualquier rubro; por ejemplo, industriales, comerciales, logísticos, mineras, saneamiento, energía, plásticos, servicios, etc., es decir, se aplican en casi todas las líneas de producción para el manejo de la información desde el campo hacia un sistema más avanzado de gestión. Desde ese enfoque, ubicaremos el sistema SCADA en el triángulo de automatización para tener una mejor visión de sus funcionalidades y tareas en la empresa. Asimismo, tocaremos las partes fundamentales de estos sistemas que están conformados por el hardware y software, ambos con configuraciones diversas en su arquitectura. La arquitectura es diseñada y configurada de acuerdo con las necesidades del cliente y también para conocer las prestaciones básicas de este sistema. Finalmente, si pretendemos diseñar una aplicación SCADA, debemos tener en cuenta las normativas ergonómicas y los estándares de diseño orientados a facilitar el trabajo de los operadores para incrementar el rendimiento y la eficiencia de la planta, es decir, todo diseño debe estar pensado en el usuario final.

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Objetivos Objetivo ge ner a l Conocer arquitecturas SCADA.

Objetivos espe c íficos • Identificar arquitecturas SCADA estándares utilizados en la industria. • Desarrollar arquitecturas SCADA para la industria.

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I. Sistema SCADA 1.1. Sistema de información industrial En un mundo digitalizado, un sistema de información es indispensable para el manejo de los datos y la toma de decisiones. Este sistema debe procesar gran cantidad de datos por medio del software instalado en el hardware. Estos dos últimos, deben ser un complemento para el funcionamiento óptimo del sistema. Asimismo, en la industria se hace indispensable la adquisición de las variables del proceso para el control óptimo del sistema productivo. Esto constituye información confiable y oportuna para la toma de decisiones presentes y futuras. Por eso, esta información se puede convertir en una ventaja competitiva de la industria a través de todo el sistema de producción. El sistema de información utilizado en el proceso productivo en la industria es conocido como SCADA – Supervisory Control And Data Acquisition (Supervisión, Control y Adquisición de Datos). Este paquete de software es desarrollado para efectuar la comunicación con los sistemas de control existentes y que permitieron una flexibilidad de uso bastante sorprendente en sus inicios, y que se convirtió en una tendencia creciente. En la actualidad, existe una gran cantidad de productos con diversas herramientas y muchas empresas dedicadas al desarrollo de sistemas y aplicaciones SCADA.

1.2. Pirámide de automatización

5. Nivel de administración

Entonces nos preguntamos: ¿Qué función cumple un sistema SCADA? Para responder esta interrogante utilizaremos la pirámide de automatización.

4. Nivel de información y manufactura

3. Nivel de visualización

2. Nivel de control 1. Nivel de proceso

Figura 1. 1 Pirámide de la automatización Fuente: http://www.sistemasdecontrolindustrial.com/ Fuente

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Arquitecturas de sistema SCADA Explicamos el gráfico anterior según los niveles de la pirámide: 1. Nivel de proceso p roceso. roceso También es denominado nivel de sensor actuador. Contiene los equipos que tienen contacto directo con las variables del proceso (variables como temperatura, presión, distancia, flujo, etc.) y realiza el muestreo de las mismas. 2. Nivel de control control. ontrol También es denominado nivel de campo; por lo general, contiene equipos como los PLC y, en algunos casos, los controladores de procesos: gestionan y controlan los sistemas de los procesos; por ejemplo, sistemas eléctricos, sistemas de control de temperatura, sistemas de enfriamiento, sistemas de fuerza, sistemas de presión, sistemas de aire acondicionado, entre otros. 3. Nivel de visualización. isualización También es denominado nivel célula, aquí es donde se encuentra el sistema SCADA, SCADA, conformado por equipos de cómputo tanto hardware y software, también existen los paneles de control operador de campo con aplicaciones para procesos. Por eso, se debe realizar toda la ingeniería de diseño y de configuración para las pantallas de interface hombre máquina (HMI – interface hombre maquina). Además, este nivel es fundamental para el enlace del nivel de control (2) con la transmisión de datos al nivel de información (4). Es preciso mencionar que el curso virtual se centra en este nivel. 4. Nivel de información y manufactura. manufactura También es denominado nivel de proceso productivo, en este nivel se gestiona toda la información del sistema productivo de la empresa. Existen varios software denominados MRP, los cuales planifican los recursos y materiales para la correcta operación de los procesos de producción. 5. Nivel de administración administración. dministración En este nivel se gestiona los recursos de la empresa a nivel gerencial donde se maneja procesos productivos y, además, los procesos logísticos, procesos contables, procesos donde se involucran los recursos humanos, procesos de servicio externo, etc. El software que es utilizado en este nivel es denominado ERP (Entreprise Resource Planning). La pirámide nos muestra los sistemas y componentes que lo conforman desde un nivel base en campo hasta un nivel mayor gerencial. Enfoca de forma clara y precisa cómo el sistema SCADA es una pieza fundamental de un sistema de automatización en una empresa.

1.3. Conceptos generales-SCADA Aquilino Rodríguez lo define como: «Cualquier software que permite el acceso de datos remotos de un proceso y permita, utilizando las herramientas de comunicación necesarias en cada caso, el control del mismo». Entonces bajo esta definición determinamos que este sistema se trata de un software de supervisión que enlaza el flujo de información entre un nivel inferior denominado control y un nivel de gestión superior. Este software debe tener ciertas características para un buen funcionamiento, que ventajas competitivas para la empresa, para la cual se debe tener un grado alto de confiabilidad considerando ciertos criterios.

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A. Características Las características técnicas básicas para un funcionamiento normal del sistema SCADA son las siguientes: •

Alta funcionalidad para el manejo y la visualización en el sistema operativo (Windows, Linux, etc.), en cualquier PC estándar.

•

Arquitectura abierta que permita aplicaciones estándar y de usuario.

•

Tener prestaciones como OPC para comunicaciones con terceros, OLE-DB para comunicación con base de datos.

•

Instalación sencilla y liviana, sin muchas exigencias de hardware.

•

Herramientas flexibles e interfaces amigables.

•

Permitir integración con Office y software de producción - MRP.

•

Comunicaciones flexibles y transparentes para la comunicación a todo nivel.

•

Fácil de configurar y escalar según las necesidades de la empresa.

B. Ventajas competitivas La implementación de un sistema SCADA en una planta, trae consigo ciertas ventajas competitivas para la empresa. Las siguientes ventajas son las más resaltantes: •

Velocidad. Velocidad La supervisión de los procesos productivos se hacen casi en tiempo real desde cualquier punto de planta u oficina.

•

Gestión de activos. activos Se pueden realizar historiales de funcionamiento, fallas, revisiones e inclusive pérdidas de eficiencia en los equipos.

•

Accesibilidad. Accesibilidad Puedes ver el funcionamiento de las máquinas de planta desde un dispositivo móvil, de cualquier lugar con acceso a Internet.

•

Ergonomía. Ergonomía Facilita el trabajo de los operadores y reduce significativamente cualquier tipo de supervisión forzada o rutinaria.

•

Flexibilidad. Se refiere al cambio de algún detalle en la interface ante cualquier cambio de máquina o proceso. No significa un gasto enorme.

•

Toma de decisiones. decisiones Permite gestionar mejor los procesos productivos y tomar mejores decisiones basadas en las herramientas gráficas y estadísticas.

C. Criterios de selección de un sistema SCADA Para tener un sistema confiable existen ciertos criterios para análisis al momento de diseñar y seleccionar un sistema SCADA. Estos criterios son mínimos para asegurar el correcto funcionamiento de los sistemas A continuación se detallan lo siguiente: disponibilidad, robustez, seguridad, prestaciones, mantenibilidad, estabilidad.

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II. Arquitecturas SCADA

de

sistema

Se define como un sistema SCADA a una aplicación de software diseñada para trabajar sobre computadoras en el control de un procesos específico que proporcione información mediante la comunicación entre dispositivos de campo denominados RTU (Remote Terminal Units), donde se encuentran dispositivos como PLC y controladores para los proceso de manera automática y manual desde la pantalla de uno o varias computadoras. El sistema SCADA tiene como elementos principales el hardware y el software. Para ambos elementos tenemos el diseño de la arquitectura. A continuación detallaremos el hardware y software orientados al diseño de la arquitectura.

2.1. Hardware SCADA En el caso del hardware, este está conformado por los servidores (los cuales son los que recopilan y procesan la información) y por los clientes que son los que utilizan la información y realizan la operación del sistema. A continuación se muestra una arquitectura básica de hardware.

Figura 2. 2 . Arquitectura básica de hardware Fuente: Fuente Sistemas SCADA, Aquilino Rodríguez Penin, 2012, Barcelona, España

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Arquitecturas de sistema SCADA En la figura 2, se muestra una arquitectura básica de un sistema SCADA. Se observan los equipos de campo como controladores, conectados y comunicados con los servidores a través de un bus de campo (red industrial). Asimismo, los servidores conectados entre sí y con las estaciones de clientes a través de una red corporativa (LAN – Ethernet).

A. Arquitectura-hardware SCADA Las arquitecturas de los servidores SCADA dependen mucho de la envergadura del proceso productivo o la máquina de producción. Se deben tomar en cuenta la cantidad de información, la complejidad y criticidad de los procesos, el tiempo de repuesta y el nivel de automatización que se requiera para el manejo de la planta. Las siguientes arquitecturas son la más conocidas y utilizadas en la industria:

Arquit ectura stand-al one Esta arquitectura se caracteriza por tener solo un computador para el manejo del sistema SCADA. Esta computadora o servidor no tiene comunicación con otro computador, ni está conectada a una red, es exclusiva para el manejo de algún proceso o máquina industrial.

Figura 3. 3 Arquitectura stand alone Fuente: Fuente http://www.dave-cushman.net/computing/gif/system.gif

Ventajas • Es el más simple y sencillo de configurar • Bajo costo de implementación y mantenimiento • Bajo uso de recursos (procesador y dispositivos) Desventajas •

No tiene acceso remoto a sus servicios, datos, herramientas, etc.

•

Uso restringido a un solo ordenador. Solo usuario a la vez.

• Baja confiabilidad para aplicaciones complejas y críticas.

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Arquit ecturas central izad as Consiste en un computador o el servidor central el cual maneja varios equipos denominados clientes. El servidor central controla todos los equipos conectados a la red.

Figura 4. Arquitectura centralizada Fuente: Fuente http://1.bp.blogspot.com/-QG9_3H_USIU/TrBeaJD2twI/AAAAAAAAAHw/uP70h9zqaw/s1600/sistemas+centralizados.jpg

Ventajas • • • •

Mayor control del manejo de información Protección de la información en un solo punto Soporte a varios clientes desde un solo punto Acceso remoto de los servicio desde cualquier punto o nodo cliente

Desventajas • Alto riesgo de pérdida de información al fallar el servidor central • Necesidad de respaldo del sistema central • Velocidad de respuesta lenta, depende de la conexión de red hacia la central

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Arquit ectur as di stribui das En este tipo de arquitectura, las tareas y el manejo de información se distribuyen a varios computadores y servidores mediante redes.

Figura 5. 5 Arquitectura distribuida Fuente: Fuente http://literature.rockwellautomation.com/idc/groups/literature/documents/pp/ftalk-pp013_-es-p.pdf

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Arquitecturas de sistema SCADA Ventajas •

Capacidad de redundancia de tareas y manejo de información

•

Velocidad de respuesta rápida porque la distribución de tareas entre servidores para brindar respuestas rápidas a los clientes

•

Acceso remoto de los servicio desde cualquier punto o nodo cliente

•

Alta disponibilidad y confiablidad para el manejo de información

Desventajas •

Alto costo de implementación y mantenimiento

•

Alto riesgo de seguridad informática porque existen varios servidores

—Arquitecturas de alta disponibilidad Constituido de dos o más servidores: uno de estos funciona como servidor central y el otro como servidor Back-up en tiempo real (en caso de fallo). Ambos cumplen con las mismas tareas y el manejo de información.

Figura 6. Arquitectura alta disponibilidad Fuente: Fuente https://mall.industry.siemens.com/collaterals/files/21/JPG/G_ST80_EN_00482j.JPG

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Arquitecturas de sistema SCADA Ventajas • Muy alta disponibilidad y confiabilidad para tareas y manejo de información • Alta escalabilidad • Administración sencilla versus una distribuida • Sistema de seguridad alta por ende bajo riesgo contra intrusiones Desventajas • Muy alto costo de implementación y mantenimiento

2.1. Software SCADA El software SCADA es un programa que se instala y se ejecuta en una computadora y servidor. Este debe tener las herramientas y drivers necesarios para la comunicación entre los equipos de campo (nivel dos) y los equipos de gestión (nivel cuatro y cinco). Por lo general, en su forma básica existen dos paquetes: un programa de desarrollo y otro programa para la ejecución. Un software SCADA debe tener las siguientes prestaciones: •

Debe ser abierto

•

Debe tener lenguajes de programación estándar (C, C++, .NET, etc.)

•

Soportar plataformas de sistemas operativos como Windows, Linux, Solaris

•

Orientado a objetos

•

Escalable, flexible, seguro, confiable y robusto

•

Funcionalidades gráficas potentes

•

Herramientas de ingeniería

•

Deberá gestionar base de datos, históricos, alarmas, tendencias, recetas y reportes

—Arquitecturas - software SCADA A continuación se muestra un gráfico con la arquitectura general de un software SCADA:

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Archivo de recetas

Figura 7. Arquitectura - software SCADA Fuente: Fuente Sistemas SCADA, Aquilino Rodríguez Penin, 2012, Barcelona,España

En el gráfico se muestra la interacción entre las diversas herramientas, driver y aplicaciones entre el servidor SCADA, cliente SCADA, equipos de campo y sistemas de información de mayor nivel. Donde también, identificamos procesos bien definidos como: •

planta

•

bus de campo

•

gestión

•

servidor SCADA

•

bus de gestión

•

cliente SCADA

Cada uno de ellos maneja cierta cantidad de datos e información

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III. Normas y estándares Para cualquier diseño de un proyecto, máquina, equipo, herramienta y producto se debe tomar en cuenta las condiciones de ergonómicas. De igual forma, para todo puesto de trabajo se debe considerar las condiciones para que sean óptimas. Un buen diseño, enfocado desde la ergonomía, implica buenas condiciones de trabajo y que mejora la eficiencia en todo sentido a nivel empresarial. De acuerdo con la norma R.M. Nº 375-2008-TR; Norma básica de ergonomía y de procedimiento de evaluación de riesgo disergonómicos, define la ergonomía de la siguiente manera: «Denominada también ingeniería humana, es la ciencia que busca optimizar la interacción entre trabajador, máquina y ambiente de trabajo con el fin de adecuar los puestos, ambientes y la organización del trabajo a las capacidades y limitaciones de los trabajadores, con el fin de minimizar el estrés y la fatiga, y con ello incrementar el rendimiento y la seguridad del trabajador». Esto es importante, dado que implica también la salud ocupacional en el trabajo (normado y reglamentado en el Perú) cuyos objetivos principales son los siguientes: • Prevenir todo daño a la salud, medio ambiente, propiedad, calidad y productividad derivados de las condiciones de trabajo. • Proteger al empleado dentro de sus funciones contra los factores de riesgos que puedan causar daños a la salud. • Mantener al trabajador en un empleo que convenga a sus aptitudes psicológicas y fisiológicas.

Figura 8 . Salud aspectos básicos Fuente: Fuente http://ticsprevencionderiesgos.blogspot.pe/2014/09/salud-ocupacional.html

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Arquitecturas de sistema SCADA De esto, la R.M. 375, concluye lo siguiente: «Adaptar el trabajo hacia el hombre, considerando las limitaciones físicas y mentales». El diseño de los sistemas SCADA implica diversas funciones y actividades para un puesto de trabajo, por eso vamos a tocar diversas normas y estándares que deben ser consideradas como ayuda en la implementación de los sistemas orientadas al puesto de trabajo. Recuerden que todo debe estar direccionado al empleado para mejorar su eficiencia y cuidar su salud.

Figura 9. Incidencia del trabajo sobre salud Fuente: Fuente http://www.construmatica.com/construpedia/images/b/be/EnObCaMaFig1.png

De la figura anterior, deducimos que siempre existe daño en la salud cuando desempañamos una tarea, actividad o trabajo repetitivo, por tanto, debemos buscar minimizar en la medida que sea posible este daño.

—Normas SCADA Para el diseño de cualquier tipo de sistema SCADA se debe tener en cuenta las condiciones ergonómicas y ambientales. Operar y supervisar una planta durante largos periodos de tiempo bajo condiciones no apropiadas puede fomentar la aparición de trastornos de salud. Por eso, analizaremos los factores de riesgo existentes para los operadores de aplicaciones SCADA, los cuales detallaremos a continuación: Cargas físicas y mentales: mentales: • Alto atención requerida, de acuerdo con el nivel de criticidad de la planta y el proceso. • Vigilancia constante a la pantalla del monitor, alto tiempo de visualización. • Cambios bruscos de pantallas que dificulta la atención, que puede incrementar la fatiga mental. • Dimensiones no adecuadas que obliga a sobre esfuerzos visuales. • Colores no adecuados que dificulta la percepción y atención de los usuarios.

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Arquitecturas de sistema SCADA • Condiciones ambientales de trabajo, baja iluminación, alta temperatura, malas posturas, etc. • Equipos informáticos de mala calidad que dificulta el trabajo. • Condiciones físicas del operador, sobre todo a la capacidad visual. Uso de lentes de medida. • Sensibilidad, que es producido por factores internos y externos. Ante todo esto, se debe evaluar el puesto de trabajo para determinar sus riesgos, considerando los siguientes factores: • Estudio ergonómico del puesto de trabajo. Desde el diseño hasta la puesta en servicio. • Valoración de cargas de trabajo físico y mental. • Detección y prevención de situaciones de riesgo mediante En resumen, La postura, la iluminación, el mobiliario, el ruido y muchos otros factores que envuelven la zona de trabajo afectan de forma clara al rendimiento de la persona. Si conseguimos adaptar, en la medida de lo posibles, todos estos factores a nosotros, se podrán reducir los riesgos de fatiga y molestias que pueden desembocar en algún tipo de lesión.

—Estándares- scada Asimismo, los estándares nos orientan al momento de diseñar sistemas, procesos y equipos. Por ende, existen normativas que nos dan los requisitos mínimos para la implantación y el desarrollo del sistema SCADA, algunas de las más importantes se mencionan a continuación: •

ISO 9241 y EN 29241, son normas técnicas sobre pantallas de visualización donde figuran los requisitos ergonómicos para este tipo de trabajos como oficina, operadores SCADA, etc.

•

ISA – SP101, esta norma define los requisitos para la evaluación, diseño, desarrollo, implantación y mantenimiento, seguridad y el uso amigable de un HMI.

•

IEEE Std C37.1-2007, es un estándar que define el proceso de implementación e integración de sistema SCADA y sistemas de automatización para subestaciones.

•

NTP- Norma Técnica de Prevención: • NTP 226, norma técnica para el diseño de mandos: ergonomía de diseño y accesibilidad • NTP 241, norma técnica para el diseño de mandos y señales ergonomía • NTP 511, norma técnica para el diseño de señales visuales de seguridad • NTP 566, norma técnica para el diseño de señalización de recipientes y tuberías • Aplicaciones prácticas

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Arquitecturas de sistema SCADA Estos estándares nos pueden ayudar a disminuir el porcentaje de errores en las operaciones, reducir el tiempo de adaptación y el aprendizaje, reducir los costos de rediseño o reprocesos de configuraciones. El éxito de una aplicación SCADA y de su efectividad en el rendimiento, radica en la aceptación de esta por parte del usuario final. Esto significa que la aplicación diseñada debe parecerse a lo que el usuario está acostumbrado a manejar, que piense que está hecho para él; y que el manejo de todas las pantallas y herramientas sean similares, amigables e intuitivas.

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Arquitecturas de sistema SCADA

Mapa conceptual Arquitecturas de sistema SCADA requiere

Sistema SACADA presenta

Pirámide de automatización

Arquitecturas de sistema SCADA se basa en

Hardware SCADA

Conceptos generales-SCADA

Fuente. Fuente Elaboración propia

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Normas y estándares

Arquitecturas de sistema SCADA

Bibliografía — Libros de con sulta • Rodríguez Penin, Aquilino. (2012). Sistemas SCADA. 3.a edición. Barcelona, España.

— Document os webs • [s.f.]. Recuperado el 21 de abril del 2015, de :