Sistemas de SupervisinAutomatizacin Industrial

ndiceTEMA Sistemas de Supervisin 1. - Introduccin a la Supervisin 1.1 Concepto y Beneficios 1.2 Supervisin y Monitorizacin 1.3 Terminologa 2. - Monitorizacin 2.1 Adquisicin y Registro de Datos 2.2 Representacin del Proceso 3. - SCADAs comerciales 3.1 Estructura Interna de una Aplicacin SCADA Comercial 3.2 Tecnologa de Sistemas Abiertos 3.3 Arquitectura y Soluciones 3.4 Desarrollo de una Aplicacin SCADA 6. - Tendencias Actuales

Introduccin a la SupervisinConcepto de SupervisinConjunto de acciones desempeadas con el propsito de asegurar el correcto funcionamiento del proceso incluso en situaciones anmalas

Proceso

Proceso

Monitorizacin Objetivo Final

Supervisin

Facilitar la tarea del operario encargado de la vigilancia del proceso y su seguimiento

Supervisin y Monitorizacin Evolucin (I)InicialmenteMediante sinpticos del proceso realizados en marquetera: - La visualizacin: Lmparas, displays,(mucha imaginacin)- Accionamiento: Interruptores, pulsadores, conmutadores, etc.

Dcada de los 80Mediante tarjetas inteligentes ubicadas en el bus de los PLCs- Podan controlar de forma autnoma un monitor y un teclado - Intercambiaban datos con la CPU del PLC por el bus del PLC. - Ofrecan herramientas sencillas de configuracin y programacin. - Las prestaciones muy variadas (pantallas alfanumricas, grficas, etc.)

Supervisin y Monitorizacin Evolucin (II)

Actualmente Interfaces HMIA) Interfaces de Operador (OPs)- De fcil programacin. - Robustos - Funciones de comunicacin con el dispositivo de control

B) Mediante Ordenadores y SCADAS- PC industrial o de sobremesa. - SCADA: Aplicacin software diseada para funcionar en ordenadores de control de produccin, proporcionando comunicacin con los dispositivos de control supervisando el proceso desde la pantalla del ordenador - Ofrece herramientas sencillas de configuracin para la aplicacin - Las prestaciones muy variadas (nmero de variables, plataforma, S.O....) - Comunicacin a travs de una amplia gama de buses y redes

Sistema de Automatizacin IntegralSIMATIC HMI SIMATIC PG SIMATIC PCSIEMENS

S IM A T IC O P 1 7

PG 740

1 K

K2

K3

K4

K 5

K6

K7

K 8

H EL P S HI FT

K 9

K 10

K1

K12

K 13

K 4 1

K 1 5

K16

7 4 1D

8 5 2E

9 6 3F

ES C

0A C K

.S H IF T I NS D E L H EL P E N T ER

A

B

C

MPI - Network

SIMATIC NET

Industrial Ethernet PROFIBUS

Controladores SIMATIC

SIEMENS

SF RUN STOP

I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 I0.7

Q0.0 Q0.1 Q0.2 Q0.3 Q0.4 Q0.5

CPU 212

SIMATIC S7-200

PROFIBUS-DP SIMATIC DPSV

FM

ASI

Proceso, Automatizacin y SupervisinProcesoSecuencia, u orden definido, de actividades qumicas, fsicas o biolgicas que se llevan a cabo para la conversin, transporte o almacenamiento de material o energa.

Tipos de ProcesosProceso batch: procesos cuyo resultado es una cantidad finita de material Procesos continuos: procesos en los que se obtiene un flujo continuo de material

AutomatizacinForma de ordenacin a partir de la secuenciacin automtica de tareas y regulacin de variables para que sigan las consignas impuestas.

SupervisinEl objetivo de la supervisin es asegurar este orden an cuando haya desviaciones no previstas en la automatizacin. Se establece la supervisin en un nivel jerrquicamente superior a la automatizacin.

Capacidades de la SupervisinRegistrar la evolucin del proceso y detectar desviaciones indeseadas en las variables. Analizar estas desviaciones y deducir el motivo. Elaborar un diagnstico de la situacin. Resolver situaciones conflictivas en lnea, en caso de ser posible. Tomar las medidas adecuadas para que no vuelva a suceder.

Modelo y ConocimientoModelo del ProcesoDescripcin del proceso que aporte un conocimiento a priori sobre sus funcionalidades y caractersticas. El concepto de modelo equivale al de conocimiento terico del proceso . El modelo se presenta como una forma de validar el comportamiento del proceso .

Entradas desconocidas (perturbaciones) Fallos

Entradas conocidas (control)

ProcesoSalidas reales

ModeloComparacinResiduosSalidas estimadas

Beneficios de la SupervisinBeneficiosAseguran la calidad y homogeneidad del producto Dan al operador el mximo soporte liberndolo de la tensin que supone una vigilancia constante Correcto aprovechamiento del conocimiento e informacin disponible sobre el proceso Reducen el coste de aprendizaje del personal de planta Permiten una rpida acomodacin del personal

Etapas de la SupervisinEtapas de la SupervisinDeteccin de fallos: obtener indicios de situaciones anmalas que puedan llevar al proceso a una situacin de fallo yclasificarlas como tales.

Diagnstico de fallos: averiguar las causas primeras de esta situacin anmala Reconfiguracin del sistema: acciones a realizar para mantener el proceso operativo .

Deteccin de Fallos Diagnosis(deduccin del origen o causa)

Reconfiguracin(propuesta de acciones)

Control

Proceso

Monitorizacin y Supervisin ExpertaMonitorizacinSistema de vigilancia y asistencia al operario en el que se cumplen solo algunas de las etapas de supervisin.

rea 1Supervisin Experta

rea 2

rea 3

Entornos que incorporan facilidades de decisin y diagnstico adems de la monitorizacin.

La Supervisin en la Industria Actual SCADAs ISCADA (Supervisory Control and Data Acquisition)Aplicacin o conjunto de aplicaciones software con acceso a planta, mediante comunicacin digital con los instrumentos y actuadores, e interface grfica de alto nivel con el usuario.

Funcionalidades Bsicas de un Sistema SCADAAdquisicin y almacenado de datos Representacin grfica y animada de variables de proceso y monitorizacin de stas por medio de alarmas Control, actuando sobre autmatas y reguladores autnomos Arquitectura abierta y flexible con capacidad de ampliacin y adaptacin Conectividad con otras aplicaciones y bases de datos, locales o distribuidas en redes de comunicacin

La Supervisin en la Industria Actual SCADAs II

GrficosMotor ein Ventil geschlossen Klappe zubegin if wert > 0 begom zae = zae + 1 end end

API/OPC

Sistema de Alarmas

ArchivosProtokolle

Interfaces Standard Generacin de informes

Comunicacin PLC

Terminologa IRelativo al Estado del ProcesoFalta (*Fault): Desviacin, no permitida de una variable o caracterstica del sistema. Malfuncionamiento (*Malfunction): Irregularidad intermitente en el comportamiento normal de un sistema. Fallo (*Failure): Interrupcin permanente, total o parcial, en el comportamiento normal del sistema. Estado o rgimen transitorio (Transient State): Situacin provocada por un cambio en las constantes del proceso (cambios de consignas o parmetros o aparicin de perturbaciones) que resulta en una variacin de una o varias de sus variables respecto del que adopta en estado permanente. Estado o rgimen permanente (Steady State): Situacin caracterizada por un valor constante o repetitivo (peridico) en el valor de todas las variables del proceso. Sigue a un rgimen transitorio en los sistemas estables.

Relativo a las SealesAlarma (Alarm): Alerta de falta provocada por la superacin de un umbral asociado a una variable. Evento (Event): Sucesos caractersticos que identifican un cambio significativo en una caracterstica asociada a una variable. Error (*Error): Desviacin entre una medida o clculo de una variable y su valor verdadero. Residuo (*Residual): Diferencia entre la salida de un sistema predicha por un modelo y la medida. Sntoma (Symptom): Desviacin de una magnitud observable respecto a su comportamiento normal en ausencia de modelo.

Terminologa IIRelativo a las Tareas de SupervisinDeteccin de fallos (*Fatalt Detection): Determinacin de la presencia de fallos. Diagnstico de fallos (*Fault Diagnosis): Determinacin del origen de los fallos. Monitorizacin (*Monitoring): Determinacin y representacin grfica de las condiciones de funcionamiento de un sistema real en tiempo real. Supervisin (*Supervision): Monitorizacin de un sistema, para detectar los posibles fallos y actuar en consecuencia. Supervisin experta (Expert Supervision): Supervisin que utiliza para sus propsitos mecanismos de abstraccin de informacin y procesado automtico de conocimiento y/o experiencia.

MonitorizacinSistemas de MonitorizacinSistemas para la automatizacin del proceso de vigilancia dotando al operario de los mecanismos necesarios para su alerta, as como la interaccin amigable con el proceso y el registro de su evolucin (histricos).

Funcionalidades Bsicas de un Sistema de MonitorizacinAdquisicin y Registro de datos Representacin del ProcesoCreacin de Sinpticos Representacin de Alarmas Grficas y Tendencias Histricos y Bases de Datos

Dispositivos de Adquisicin de DatosTarjetas de adquisicin de datos (TAD) y Tarjetas de instrumentacin Buses de instrumentacin: GPIB (HP-IB), bus paralelo basado en el estndar IEEE-488.2 y el VXI Instrumentos de panel: reguladores autnomos, visualizadores, etc. Autmata programable: PLC (Programable Logic Controler) Ordenadores industriales: IPC (Industrial Personal Computer) Placas de expansin de bus Buses de campo Sistemas de control distribuido: DCS (Distributed Control Systems) Redes de comunicacin: interconectividad entre redes

Registro de Datos Digitalizacin de la SealDigitalizacin de la SealSeales analgicas: Muestreo, cuantificacin, codificacin Seales Discretas: Dos estados (1/0)

Seal continua

A Dt Instante actual

Seal muestreada

Ts

t

Registro de Datos TagsEntorno de MonitorizacinTags:Las variables de proceso se representan por etiquetas o tags que permiten la definicin de cada variable en cuanto a su naturaleza continua (analgica) o discreta (binaria), la asociacin de un nombre, el rango de valores a tomar, unidades de ingeniera y otras propiedades de utilidad para la monitorizacin como son el dispositivo de adquisicin, alarmas, su registro, etc. La organizacin de todas las variables (adquiridas e internas) se hace en los entornos de monitorizacin en bases de datos.

AdquisicinVariables del proceso

Sistema de Monitorizacin Base de Datos (tagnames)Variables auxiliares

Tagname:- Definicin - Log on/off - Condiciones de alarma

Type (int, real,, bool), read/write, source, units conversion, ... Historical register and trends Threshold overshot Event generation

Registro de Datos Tipos de Tags

TAGS INTERNOSSon asignaciones de memoria dentro de programa de monitorizacin que cumplen la misma funcionalidad que un dispositivo real (PLC) Se crean y se reasignan a un dispositivo real

TAGS DE PROCESOSon asignaciones de memoria dentro del dispositivo real conectado a nuestro proceso Monitorizan los datos de un proceso de automatizacin

Representacin del Proceso Creacin de Sinpticos IConsideracionesLas pantallas, o ventanas, tendrn una apariencia consistente Organizacin de acuerdo con la distribucin fsica de las clulas de produccin Informacin numrica presentada se har sobre los elementos grficos Utilizacin de colores significativos Presencia de intermitencias en elementos grficos no en textos

ROJO Peligro, Gas o lquido Inflamable. Positivo en fuentes de alimentacin. Carreteras, Lneas telegrficas. Sealizacin de aro.

AMARILLO Circuitos de calefaccin. Agentes oxidantes y elementos radioactivos. Precaucin, aviso de peligro. Canalizacin de gas.

VERDE Rejas y jaulas de prot. elct Nitrgeno. Gas compr. Sealizacin de marcha y limpieza. Canalizacin de aceite. Permiso.

AZUL Colector de transistores. Precaucin reparacin. Material de proteccin en tuberas. Agua, mar.

PRPURA Negativo en fuentes de alimentacin. Radiaciones. Materiales valiosos.

BLANCO Regulacin de trfico.

GRIS Lneas de alimentacin alterna. Canalizacin de vapor.

NEGRO Masas y referencias en sistemas elctricos. Materiales corrosivos. Contornos geogrficos.

Representacin del Proceso Creacin de Sinpticos IIRepresentacin de Procesos segn ISA1a letra Variable medida A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y ZAnalizador genrico Llama Conductividad Densidad peso esp. Tensin (f.e.m.) Caudal Calibre Manual Comente Potencia Tiempo Nivel Humedad Libre 2) Libre (2 Presin o vaco Cantidad Radiactividad Velocidad/frecuenc. Temperatura Multvariable Viscosidad Peso o fuerza Sin clasificar No asignada Posicin Vaina Sin clasificar Sin Clasificar Rel u otros clculos Elem. final control Sin clasificar Multifuncin Seguridad Integracin Registr Interruptor Trarisrnisor Multfuncin Vlvula Multfuncin Libre (2) Orificio Punto de prueba Libre (2) Luz piloto Intermedio Libre (2) Exploracin Indicador Estacin de control Relacin Vidrio Alto Diferencial Elemento primario

Letras siguientes Modificador (1) Fn. de lectura pasiva Funcin de salidaAlarma Libre (2) Libre (2) Control

Modificador (1)Libre (2)

(1) Los modificadores cambian el significado de la letra a la que siguen. (2) Las letras libres son ara cubrir designaciones no normalizadas.

Extracto de siglas segn ISA

Representacin del Proceso Creacin de Sinpticos IIIRepresentacin de un Proceso para paquetes ScadaObjetos WindowSCADA windows, Ventanas de aplicacin P.Ej. Cabecera, Ventana de alarmas, Ventana de curvas

SCADA

Librera de Objetos Objetos Grficos Standard Lneas, circulos, ... Valores digitales, barras, ...1234.67

P.Ej. Motor, Valvula, Conmutador...

Motor ein Ventil geschlossen Klappe zu

Aplicaciones OLE y Custom Controls ActiveXP.Ej. Datos de Excel, Word, Sliders, Reloj, WebBrowser, Indicadores

Rutinas C del usuario Acciones Controles Standard de WindowsBotones, Scrollbars, Radio Box... P.Ej. Ejecutar funciones del sistema de grficos

AlarmasDefinicinAlarmas:Desviaciones en la magnitud de una variable superiores a unos lmites especificados.

Proceso

14:00 14:02 14:09 14:14 14:15

14:10 14:08 14:11 14:22 14:21

Leitung 34003Druck zu hoch Motor 21001 Stromabschaltung Ventil 11003 auf Motor 21004 eingeschaltet Ventil 11001 zu

Unterbrechung Strung Betriebsmeldung Betriebsmeldung Betriebsmeldung

Archivo de avisos

Pantalla14:00 14:02 14:09 14:14 14:15 14:10 14:08 14:11 14:22 14:21 Leitung 34003 Motor 21001 Ventil 11003 Motor 21004 Ventil 11001

Impresora14:00 14:02 14:09 14:14 14:15 Druck zu hoch Stromabschaltung auf eingeschaltet zu

Tipos de Alarmas ITipos de AlarmasAlarmas Discretas (variables discretas): son indicadores de un cambio binario en el estado de la variable querepresentan .

Alarmas sobre Variables Continuas o de umbral: se utilizan umbrales numricos para designar los lmites deoperacin normal de dicha variable.

Umbrales de alarma absolutos: Vienen dados por un valor numrico cuyo sobrepasamento activa laalarma.

Umbrales de alarma relativos: Definir alarmas de acuerdo con lmites establecidos alrededor de unaconsigna o valor objetivo.

Umbrales de alarma ROC (Ratio of Change o Velocidad de cambio): Por observacin de la variacin dela variable.

Ventana de alarmasMotor Conectado Vlvula Avera Clapeta Abierta

Aplicacin

Diagnosis

Tipos de Alarmas IIUmbral de Alarma AbsolutoHiHi Banda muerta Target

Umbral de Alarma Relativo

Lmite desv. superior

Tiempo de alarma

Tiempo de alarma

Lmite desv. inferior

Umbral de Alarma ROC

%

hh/mm/ss Adquisiciones consecutivas Tiempo de alarma

Gestin y Registro de AlarmasFiltrado de AlarmasAnte la tendencia en los procesos que crecen en complejidad el filtrado de alarmas consiste bsicamente en asociar prioridades a las alarmas en el momento de su definicin.

EventosSucesos significativos asociados a las alarmas. Activacin de alarma Fin de alarma Reconocimiento de la alarma Forzado de variables

Grficas y TendenciasInterpretacin Visual de la InformacinAn existiendo el concepto de alarma asociado a las variables, la visualizacin grfica de su historia permite al operario anticipar algunas situaciones.

Barra de Iconos Configurable

Dialogo Runtime

Configuracion Online, dependiendo de la autorizacion del operador

Histricos y Bases de DatosHistricosRegistro continuado de datos que permite la posterior recuperacin de stos y por tanto tambin su graficacin, comparacin, creacin de estadsticas, anlisis, etc .

Portada

Archivos de Valores de medida

Administrador Administrador Comunicacin Comunicacin Grficos GrficosBASE DE DATOS

Cabecera

Sistema GraficoPie de Pa.

Sistema de AlarmasContraportada

Archivos Archivos

Informes Informes Avisos Avisos

Estructura Interna de un SCADA ComercialElementos Bsicos de un Software ScadaHMI o Interface Hombre Mquina (Human Machine Interface) Servidor de Datos del Proceso: gestin de datos, alarmas y eventos Drivers de Comunicacin: comunicacin con servidores de datos y dispositivos de campo Servidor de Acceso a Redes de Datos: gestiona la disponibilidad y el acceso a datos mediante redes Servidor de Comunicaciones entre Aplicaciones: tanto locales como remotas

Elementos OpcionalesBatch: Aplicacin para la gestin de recetas y procesos por lotes. SPC/SQC (Statistical Process Control/Statistical Quality Control). Seguimiento de Produccin: Aplicaciones muy adaptadas a cada proceso y a cada empresa.

ERP, RDBMSServidor de SPC Seguimiento Otras Comunicaciones HMI Batch SQC de Produccin Aplicac. entre COM/DCOM, OLE2, OPC, DDE, ActiveX Aplicaciones Servidor de Datos de Proceso Gestin y registro de datos Generacin y gestin de alarmas y eventos Servidor de Acceso a Redes de Comunicacin

Drivers de comunicaciones, OPCPLC, DCS, buses de campo

Tecnologa de Sistemas AbiertosIntegracinMetodologa que permite la utilizacin de diferentes herramientas para el control y gestin de la produccin, dentro de un mismo entorno.

MES (Manufacturing Execution System)Sistema de integracin de equipos, aplicaciones y bases de datos. Integracin de los sistemas de produccin con software de gestin de produccin, control de calidad y gestin empresarial en el sentido ms amplio.

ERP (EnterpriseResouce Planning)Sistema de informacin con un amplio conjunto de mdulos funcionales prefabricados de alto grado de integracin.

Gestin de AprovisionamientoMESIntegracin de los datos de produccin con los Sistemas de Gestin de Operaciones, mano de obra y procedimientos operativos

ERP

Gestin de VentasIngeniera de Producto y Proceso

ControlesAutmatas Controladores Actuadores Motores ... Adquisicin de Datos Control Manual del Proceso DCS OCS

Equipos, Instrumentos, y Mquinas Automticas

Modelo de Informacin en Planta segn MESA

Tecnologas de Integracin MicrosoftCOM/DCOM (Component Object Model/ Distributed COM)COM permite que una aplicacin utilice funcionalidades de otra aplicacin residente en la misma computadora, ello se hace incorporando a la aplicacin principal objetos software propios de la otra aplicacin. DCOM (Distributed COM) supone extender el estndar COM a sistemas formados por redes.

ActiveXIncorporar un control ActiveX en una ventana de una aplicacin SCADA, estableciendo los enlaces necesarios entre las variables de la aplicacin y las del control ActiveX, supone aadir un objeto, con cdigo asociado, que realiza una determinada funcin y que aparece totalmente integrado dentro de la aplicacin.

OPC (Object Linking and Embedding for Process Control)El OLE for Process Control, OPC, corresponde a un conjunto de especificaciones basadas en los estndares de Microsoft (COM, DCOM, OLE Automation, y ActiveX) que cubren los requerimientos de comunicacin industrial entre aplicaciones y dispositivos, especialmente en lo que se refiere a la atencin al tiempo real. Aplicacin 1 OPC Client Interface Aplicacin 2 OPC Client Interface

OPC Server Interface Aplicacin 11

OPC Server Interface Aplicacin 12

Conectividad Remota

Conexin a travs de Internet

Configuracin Cliente/Servidor para Conexin RemotaFirewallServidor Web

Cliente Web

Servidor Web PC-ClienteHttp Request

RDBMSHttp Result

Scada

Explorador

Arquitectura y SolucionesRespuesta ante NecesidadesArquitectura Multipuesto Sistemas Backup Estaciones servidoras de datos Arquitectura cliente/servidor distribuida

Arquitectura MultipuestoClientes bajo WindowsCliente 1WinCC

Servidor bajo Windows ServidorSIMATIC 505 SIMATIC S7WinCC

Cliente 16WinCC

SIMATIC S5

TCP/IPPuertoProgramacion Profibus MPI Industrial Ethernet

PC-Network

Desarrollo de una Aplicacin SCADADoble Perfil de UsuarioLas ingenieras y departamentos de desarrollo: encargados del diseo y generacin de aplicaciones SCADA a medida de cada proceso por lo que se requiere una licencia de desarrollo. Los operarios y encargados del proceso: sern los usuarios de las aplicaciones creadas por los primeros y para ellonecesitaran de licencias de run-time.

Inicio de DesarrolloGrupos de usuarios. Seales de entrada y salida y sus requerimientos de adquisicin, visualizacin (y/o animacin) y registro. Variables de control. Avisos y alarmas.

EstructuraDiferentes estaciones de trabajo que deben constituir el sistema. Operativa a realizar en cada una de ellas. Distribucin de los datos en el conjunto de la red.

Tendencias Actuales ITendencias en la OfertaSistema Operativo: Windows, Windows solucin embedded, Linux. Lenguaje de Programacin: VBA (Visual Basc for Applications), VB, C++, IEC 1131-3 Tecnologa OPC: MES, ERP, comunicaciones con buses de PLCs. Otras: Servidor web: para acceso utilizando Internet, DNA de Microsoft (Distributed interNet Application) Funcionamiento en red: LAN e Intranet. Soporte de controles ActiveX Utilizacin de Toolkits: especficas desarrolladas por terceros. Compatibilidad Microsoft Anlisis en Tiempo real Arquitectura drag and drop Utilizacin de PC de bolsillo (pocket PC)

Tendencias Actuales IITendencias en la DemandaIntegracin de control y gestin. Sistemas MES, ERP. Informacin en Tiempo Real. Anlisis informtico de los datos. Fiabilidad y seguridad Entorno Windows Transmisin de informacin: intercambio de informacin entre todos los niveles de la pirmide CIM

Equipos-S.O. PC Windows-XP PLC

Pirmide CIM

Comunicaciones Ethernet TCP/IP

ERP Sistemas de Control Dispositivos de Campo

Bus de Campo Bus de Dispositivo

Dispositivos de Campo