Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales TRABAJO DE DIPLOMA SCADA para variables que intervienen en el proceso productivo del CIGB de Camagüey Autor: Raúl Alejandro Díaz Pérez Tutores: M.Sc Fidel Hernández Lozano Ing. José Omar Padrón Ramos Santa Clara 2010 “Año 52 de La Revolución” Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas Facultad de Ingeniería Eléctrica Departamento de Automática y Sistemas Computacionales TRABAJO DE DIPLOMA SCADA para variables que intervienen en el proceso productivo del CIGB de Camagüey Autor: Raúl Alejandro Díaz Pérez E-Mail: rdperez@uclv.edu.cu Tutores: M.Sc Fidel Hernández Lozano E-Mail: lozano@cmw.ecasa.avianet.cu Ing. José Omar Padrón Ramos E-Mail: jpadron@uclv.edu.cu Consultantes: M.Sc Ramón Rosa Suárez E-Mail: ramon@ciac.cu Ing. José Luis Rodríguez Fernández E-Mail: jose.luis@cigb.edu.cu M.Sc Alberto Gómez Abreu E-Mail: agomez@bioplantas.cu Santa Clara 2010 “Año 52 de La Revolución” Hago constar que el presente trabajo de diploma fue realizado en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, como parte de la culminación de estudios de la especialidad de Ingeniería en Automática, autorizando a que el mismo sea utilizado por la Institución, para los fines que estime conveniente, tanto de forma parcial, como total y que, además, no podrá ser presentado en eventos, ni publicados sin autorización de la Universidad. Firma del Autor Los abajo firmantes certificamos que el presente trabajo ha sido realizado según acuerdo de la dirección de nuestro centro y el mismo cumple con los requisitos que debe tener un trabajo de esta envergadura referido a la temática señalada. Firma del Autor Firma del Jefe de Departamento donde se defiende el trabajo Firma del Responsable de Información Científico-Técnica i PENSAMIENTO “…hombre es algo más que ser torpemente vivo; es entender una misión, ennoblecerla y cumplirla.” José Martí. ii DEDICATORIA A mi maravillosa familia, principales forjadores de mi personalidad y mi esencia. A ellos, protagonistas imperecederos en mi formación. A ellos, por permitirme estar aquí, por ser mi mayor inspiración, por haberme convertido en el hombre que soy. Especialmente a mis abuelos Mabel López y José Pérez, por tanto esfuerzo, amor y cariño. A nuestro amigo Danilo. iii AGRADECIMIENTOS A mis fieles compañeros de estudio de la Universidad, por dejar una profunda huella en mí. A Glenn y Nápoles, por ser parte de esta empresa. A mis tutores y consultantes por su incondicionalidad, por responder sin vacilación a los llamados de ayuda. A mis tíos y primos de Cumanayagua, por su respaldo y tantas muestras de cariño. A la vida, por darme la oportunidad de estudiar en la Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, por darme las fuerzas para seguir luchando por mis sueños y crecer cada día, un tanto más, como ser humano. Nuevamente a mi familia de Camagüey, a los que le estaré eternamente agradecido. A mis tíos Lula y Fernando por su apoyo infinito, a mi primita Annia por su ternura, a mi hermano Leo por su lealtad en todo momento, a Ramón por su oportuna y definitoria ayuda en la culminación de este trabajo. A mi madre, por su ejemplo, por siempre estar ahí, a mi lado, firme e incansable. A mis dos amados abuelos, a los que va dedicado de manera especial este trabajo, resumen de estos años de estudio, que no por largos y llenos de sacrificios, dejan de ser hermosos. A todos los que de una forma u otra, aportaron a mi formación como persona e ingeniero. A todos, Gracias por existir y estar a mi lado. iv TAREA TÉCNICA Las labores a realizar por el diplomante son: • Familiarización con los equipos y áreas vinculadas al proceso productivo del “Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología” (CIGB) de Camagüey. • Diseñar sistema SCADA para variables que intervienen en el proceso productivo. • Crear una aplicación para la supervisión. • Probar el sistema de supervisión en una cámara fría de productos terminados. Firma del Autor Firma del Tutor v RESUMEN El Centro de Ingeniería Genética y Biotecnología (CIGB) de Camagüey, con más de 20 años de experiencia, es un polo científico destacado en el impulso y desarrollo de la ciencia cubana. Debido al ineficiente método de monitoreo de variables que intervienen en su proceso productivo, se corre el riesgo de violar regulaciones de Buenas Prácticas de Fabricación dispuestas para este tipo de productos, así como de desconocer la ocurrencia de fallas oportunamente en equipos, que componen el ciclo investigación-producción, por parte de directivos y personal de mantenimiento. Para dar solución a la problemática vigente, se diseñó un sistema SCADA (tendencia en la industria contemporánea), para supervisar el control de manera centralizada. El mismo es capaz de brindar las potencialidades necesarias y requeridas por los especialistas del Departamento de Ingeniería y Mantenimiento. Este sistema supervisor consta de una PC, donde corre la aplicación SCADA, creada en el sistema EROS, conectada a una red de PLC LG, serie Master-K120S, a los que interrogará periódicamente, para adquirir datos del campo, útiles para la toma de decisiones ante eventualidades. El producto obtenido por esta investigación (SCADA para variables que intervienen en el proceso productivo del CIGB de Camagüey), cumple con su misión fundamental: reducir vulnerabilidades y tiempo de interrupciones en la entidad objeto de estudio, constituyendo el único sistema de su tipo en estas instalaciones. vi TABLA DE CONTENIDOS PENSAMIENTO ..................................................................................................................... i  DEDICATORIA .................................................................................................................... ii  AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii  TAREA TÉCNICA ................................................................................................................ iv  RESUMEN ............................................................................................................................. v  INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1  CAPÍTULO 1.  SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA ............................ 5  1.1 Buenas Prácticas de Fabricación .............................................................................. 5  1.2  Características de un sistema SCADA ..................................................................... 6  1.3  Prestaciones .............................................................................................................. 8  1.4  Requisitos básicos .................................................................................................... 9  1.5  Ventajas y desventajas de los sistemas SCADA .................................................... 10  1.6  Necesidad de un sistema SCADA .......................................................................... 11  1.7  Componentes de hardware ..................................................................................... 11  1.8  Comunicación industrial ........................................................................................ 14  1.8.1  Redes de comunicación industrial ................................................................ 16  1.8.2  Topologías de las redes industriales ............................................................. 16  1.8.3  Manejo de fallas de comunicación ................................................................ 17  1.8.4  Buses de campo ............................................................................................ 18  vii 1.9  Software SCADA ................................................................................................... 19  1.9.1  Estructura y componentes de un software SCADA ...................................... 19  1.9.2  Características de los software SCADA y sus principales proveedores ....... 20  1.9.3  Sistema de Supervisión y Control de Procesos EROS versión 5.5 ............... 22  1.10  Sistemas SCADA en Cuba ................................................................................. 24  1.11  Ingeniería económica .......................................................................................... 25  1.12  Conclusiones parciales ....................................................................................... 25  CAPÍTULO 2.  DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR .............................................. 26  2.1  Descripción de áreas y equipos a supervisar .......................................................... 26  2.2  Caracterización de variables .................................................................................. 28  2.2.1  Cámaras Frías ............................................................................................... 29  2.2.2  Unidades Manejadoras de Aire (UMAs) ...................................................... 30  2.2.3  Hidroneumático, Fluido, PGD y Caldera ...................................................... 31  2.3  Instrumentos de campo .......................................................................................... 32  2.3.1  Identificación de sensores y transmisores ..................................................... 32  2.3.2  Unidad Terminal Remota (RTU) .................................................................. 36  2.4  Diagrama funcional del sistema supervisor ........................................................... 39  2.5  Configuración del Sistema de Supervisión y Control EROS ................................. 40  2.5.1  Configuración de los dispositivos ................................................................. 41  2.5.2  Configuración de variables ........................................................................... 42  2.5.3  Configuración de alarmas y recetas .............................................................. 44  2.5.4  Configuración de registros históricos ........................................................... 45  2.6  Comprobación del sistema ..................................................................................... 45  2.7  Evaluación económica ........................................................................................... 46  viii 2.8  Conclusiones parciales ........................................................................................... 48  CAPÍTULO 3.  ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS .................................. 49  3.1  Estructura de la red de PLC ................................................................................... 49  3.1.1  Conversor de medio RS-232/RS-485 ........................................................... 51  3.2  Interfaz Hombre-Máquina (HMI) .......................................................................... 52  3.3  Resultados de la comprobación al sistema ............................................................. 56  3.4  Factibilidad del proyecto ........................................................................................ 56  3.5  Conclusiones del capítulo ...................................................................................... 58  CONCLUSIONES ................................................................................................................ 59  RECOMENDACIONES ....................................................................................................... 60  REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................. 61  Anexo I Instalaciones en Cuba del sistema EROS. ................................................. 63  Anexo II Tabla de productos y precios en CUC. ......................................................... 65  Anexo III Cálculos del Valor Actual Neto (VAN). ..................................................... 66  INTRODUCCIÓN 1 INTRODUCCIÓN El desarrollo científico alcanzado en Cuba, sin lugar a dudas, está impulsado fundamentalmente por los estudios biotecnológicos, una de las principales ramas de la ciencia cubana, de la cual son protagonistas los diferentes Centros de Ingeniería Genética y Biotecnología (CIGB) creados en el país. El CIGB de Camagüey, desde su fundación hace ya 20 años, se ha dado a conocer y demostrado ser uno de los polos con resultados más relevantes, contribuyendo de forma sustancial al desarrollo biotecnológico en nuestra nación, ganando reconocimiento en el área y en otras latitudes del Planeta. Atendiendo a la importancia que tiene este renglón, el Estado lo ha ubicado entre sus prioridades fundamentales. Este Centro, en particular, ha llevado a cabo diversos proyectos de investigación y desarrollo, encaminados a lograr productos de vital importancia para la salud pública y el sector agropecuario. Cerrando el ciclo investigativo, en el Centro se encuentra una planta destinada a la producción de vacunas y demás productos biotecnológicos desarrollados en el mismo. Debido a la sensibilidad y elevados requerimientos de los mencionados compuestos, la estabilidad de los diferentes parámetros, que influyen en sus procesos de producción, es de gran importancia para alcanzar la calidad requerida por los mercados nacionales e internacionales. Dicha calidad está determinada, entre otras cosas, por un conjunto de requisitos y actividades relacionadas entre sí, que aseguran que los productos sean consistentemente producidos y controlados, según regulaciones de Buenas Prácticas de Fabricación, establecidas de acuerdo al uso que se le pretende dar a los mismos. INTRODUCCIÓN 2 Actualmente, el CIGB de Camagüey monitorea variables del proceso productivo a partir de una pizarra de indicadores, que señaliza lumínicamente solo las fallas de seis equipos de un total de 37. Por otra parte, esta práctica abarca una sola señal por equipo, no proporciona valores de variables y tratamiento de alarmas del resto de los equipos, además de no generar registros históricos de las señales, lo cual dificulta la coordinación con el área de mantenimiento, al no disponer de la información precisa en tiempo real para corregir anormalidades tecnológicas. Lo anteriormente expuesto, no sólo eleva los costos de producción, operación y mantenimiento, sino que dificulta la toma de decisiones operativas. Ante la situación descrita, surgen las siguientes interrogantes: ¿Qué estrategia de supervisión de variables debe implementarse en el CIGB de Camagüey, para elevar la eficacia de los procesos, reduciendo sus vulnerabilidades? ¿Qué sistema permitiría centralizar la información en tiempo real de un número mayor de variables, optimizando, a la vez, la fuerza de trabajo y brindando seguridad a las producciones? Según reporta la literatura especializada (Simón 2005; Castellanos 2008), a partir del desarrollo tecnológico alcanzado en los años 90, los ordenadores empezaron a aplicarse en el control industrial y la supervisión de procesos, pudiendo realizar tareas de recolección y almacenamiento de datos, generación de comandos de control, y una nueva función muy importante: la presentación de la información sobre una pantalla. De esta manera, quedarían desplazados los sistemas supervisores pioneros, que simplemente eran capaces de proporcionar reportes periódicos de las variables de campo, vigilando las señales que representaban medidas y/o condiciones del estado de la planta. En muchos casos, lo que se hacía era imprimir o registrar en papel la información de las variables de la planta. Estos sistemas ofrecían capacidades muy simples de monitoreo y control, sin proveer de funciones de aplicación alguna. La visión del operador del proceso estaba basada en instrumentos y señalizaciones lumínicas montadas en paneles llenos de indicadores. De ahí, que muchas empresas, viendo la necesidad y rápido avance del desarrollo de los ordenadores, comenzaran a realizar programas de aplicación específicas, para atender requisitos de algún proceso en particular. INTRODUCCIÓN 3 Hoy día, diversas empresas son las que se encargan de desarrollar software de aplicación, diseñados especialmente para ejecutarse sobre ordenadores, destinados al control de la producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores digitales autónomos, autómatas programables, instrumentación inteligente, etcétera) y, controlando el proceso de forma automática, desde la pantalla del ordenador. A este tipo de sistema de supervisión se le conoce como SCADA, lo cual corresponde a las siglas en inglés de "Supervisory Control And Data Acquisition". Un SCADA permite realizar a distancia operaciones de control, supervisión y registro de datos del proceso industrial. De esta manera, un sistema de este tipo provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto desde el propio nivel de campo, como de otros niveles supervisores superiores, que pueden llegar hasta nivel de empresa, abarcando aspectos tan importantes como el control de calidad, supervisión, mantenimiento, entre otros. Teniendo en cuenta los elementos analizados, el problema de investigación del presente estudio consiste en el diseño de un SCADA para variables que intervienen en el proceso productivo del CIGB de Camagüey. En base a esto, el objetivo general del trabajo es el siguiente: ¨ Diseñar un SCADA para variables que intervienen en el proceso productivo del CIGB de Camagüey.¨ En consecuencia, los objetivos específicos se definen a continuación: Objetivos Específicos: • Identificar los componentes asociados a la instrumentación de campo. • Diseñar la estructura de la red de adquisición de datos. • Crear una aplicación SCADA para las variables de interés. • Probar el sistema de supervisión en una cámara fría de productos terminados. • Analizar la propuesta desde el punto de vista de su factibilidad económica. Tareas de investigación: 1. Valoración del marco teórico acerca de sistemas SCADAs. INTRODUCCIÓN 4 2. Definición y levantamiento de los componentes asociados a la instrumentación de campo. 3. Clasificación de las señales según su naturaleza, selección de dispositivos de adquisición de datos y definición del modo de comunicación. 4. Selección y configuración de software SCADA. 5. Comprobación del sistema de supervisión diseñado, en una cámara fría de productos terminados. 6. Cálculo de la factibilidad económica de la propuesta. Organización del Informe: El trabajo consta de tres capítulos: Capítulo 1: SCADAs y la supervisión en la industria. Siendo el primer capítulo del trabajo, se encargará de la valoración del marco teórico de los sistemas SCADA y el desarrollo de estos en nuestro país, haciendo un aparte en la comunicación industrial, como uno de los elementos fundamentales para una eficaz supervisión. Se tocarán aspectos a tener en cuenta a la hora de evaluar económicamente la selección de alternativas de inversión. Capítulo 2: Diseño del Sistema Supervisor. Primeramente se hará una descripción de los equipos a supervisar, seguido de la caracterización de las variables de interés para el supervisor, así como de la naturaleza de las señales a tratar. Teniendo en cuenta el estudio anterior, se identificará la instrumentación de campo necesaria para la implementación del sistema. Luego, se presentará el diagrama funcional del sistema supervisor y se creará una aplicación SCADA en el sistema EROS. Se hará una descripción de la comprobación realizada al sistema en una cámara fría de productos terminados. Por último, se evalúa económicamente las alternativas, en busca de seleccionar la más factible. Capítulo 3: Análisis y discusión de resultados. En este último capítulo, se analizarán y discutirán los resultados obtenidos con la culminación del trabajo. Se presentará la estructura de la red de PLC, destinada a la adquisición de datos y el mando. Se mostrarán mímicos del HMI y las potencialidades de la aplicación. Además, se expondrán los resultados obtenidos de las pruebas realizadas al sistema. Por último, se analizará la factibilidad de la propuesta diseñada. CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 5 CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA Este primer capítulo permite la compresión de los conceptos y elementos básicos a tener en cuenta para la realización de un sistema SCADA. Aborda temas relacionados a la comunicación en entornos industriales, que evidencian su importancia para la eficaz aplicación de un sistema de supervisión. Finalmente, se trata la actualidad del tema en nuestro país y se hace una revisión bibliográfica de los aspectos económicos considerados en el análisis de factibilidad del proyecto. 1.1 Buenas Prácticas de Fabricación Las Buenas Prácticas de Fabricación de Productos Farmacéuticos, al igual que otros documentos complementarios (Buenas Prácticas para la fabricación de productos estériles, Buenas Prácticas de productos biológicos, etcétera), forman partes esenciales del Sistema de Gestión de la Calidad, que es necesario establecer para obtener productos con la adecuada calidad, seguridad y eficacia. Ellas garantizan que estos sean consistentemente producidos y controlados, de acuerdo con los estándares de calidad, adecuados al uso que se les pretende dar y conforme a las condiciones exigidas para su comercialización (CECMED 2006). Se define como Buenas Prácticas de Fabricación (BPF) lo siguiente: Conjunto de requisitos y actividades relacionadas entre sí, que aseguran que los productos sean consistentemente producidos y controlados, de acuerdo con los estándares de calidad adecuados al uso que se les pretende dar y conforme a las condiciones exigidas para su comercialización (CECMED 2006). CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 6 A partir de la definición anterior, queda evidenciada la necesidad de implementar un sistema capaz de garantizar la eficiencia de las propias BPF. Como se sabe, el sistema implementado actualmente no brinda la información precisa y suficiente para supervisar el ejercicio de las producciones. Siendo así, la violación o no de la Regulación No. 16-2006 del Ministerio de Salud Pública de la República de Cuba, depende en todo momento de la eficacia de los controladores de los equipos o del incompleto sistema de monitoreo vigente, el que no brinda toda la información requerida. 1.2 Características de un sistema SCADA Los sistemas de Control Supervisorio y Adquisición de Datos son conocidos por el término SCADA, que proviene de las siglas en inglés "Supervisory Control And Data Acquisition". Un SCADA consiste en un software de aplicación, diseñado especialmente para ejecutarse sobre ordenadores destinados al control de la producción, proporcionando comunicación con los dispositivos de campo (controladores digitales autónomos, autómatas programables, instrumentación inteligente, etcétera) y controlando el proceso de forma automática desde la pantalla del ordenador (Castellanos 2008). El mismo, permite realizar a distancia operaciones de control, supervisión y registro de datos del proceso industrial. De esta manera, un sistema de este tipo, provee de toda la información que se genera en el proceso productivo a diversos usuarios, tanto desde el propio nivel de campo, como de otros niveles supervisores superiores, que pueden llegar hasta nivel de empresa, abarcando aspectos tan importantes como el control de calidad, supervisión, mantenimiento, entre otros. Todos los programas necesarios y, en su caso, el hardware adicional, que evidentemente siempre se necesita, se denomina, en general, sistema SCADA. Estos sistemas mejoran la eficacia del proceso de monitoreo y control, proporcionando la información oportuna para poder tomar decisiones operacionales apropiadas. De igual forma, ya que cuenta con información del proceso de primera mano (alarmas, históricos, paradas, entre otras), permite la integración con otras herramientas, como lo son las bases de datos, estadísticas del proceso, uso de intranets, etcétera. De forma general, los SCADA permiten al cliente conocer en todo momento el estado de una instalación, centralizando toda la información de los emplazamientos remotos en uno o CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 7 varios Puestos de Control. Los equipos de control situados en las estaciones analizan los parámetros más importantes, recogiendo los valores aportados por los diferentes sensores. Cuando se identifica una situación especial o de alerta, estos equipos realizan la actuación adecuada y advienen del mismo al Puesto de Control, desde donde se procesa la información y se genera de forma automática la señal de mando apropiada. De igual forma, desde el Puesto de Control se puede obtener, en tiempo real, cualquier información relativa a las estaciones remotas. Además de gestionar alarmas y de capturar datos, los sistemas SCADA permiten generar planes de mantenimiento y eficaces procedimientos de actuación para los operadores. Estos facilitan el trabajo del personal de mantenimiento, permitiendo automatizar procesos hasta niveles insospechados por el propio cliente (Castellanos 2008). Para comunicar las estaciones remotas con los puestos de control se utilizan las redes de comunicación. Estas redes pueden ser privadas (PMR, Trunking, Tetra, Wireless Lan, Wireless Wan, etcétera), o redes de operadores públicos (Red telefónica, GSM, GPRS). Los sistemas pueden basar sus comunicaciones en una única red, o permitir una comunicación redundante, que garantice la comunicación en caso de problemas en alguna de las redes. Los sistemas SCADA, en su función de sistemas de control, dan una nueva característica de automatización, que realmente pocos sistemas ofrecen: la de supervisión. Sistemas de control hay muchos y muy variados y todos, bien aplicados, ofrecen soluciones óptimas en entornos industriales. Lo que hace de los sistemas SCADA una herramienta diferenciativa es la característica de control supervisado. De hecho, la parte de control viene definida y supeditada, por el proceso a controlar y, en última instancia, por el hardware e instrumental de control (PLCs, controladores lógicos, armarios de control, etcétera), o los algoritmos lógicos de control aplicados sobre la planta, los cuales pueden existir previamente a la implantación del sistema SCADA, el cual se instalará sobre y en función de estos sistemas de control. Otros sistemas SCADA pueden requerir o aprovechar el hecho de que implantamos un nuevo sistema de automatización en la planta, para cambiar u optimizar los sistemas de control previos (Jaume Romagosa Cabús 2004). Se puede definir la palabra supervisar, como ejercer la inspección superior en determinados casos, ver con atención o cuidado y someter una cosa a un nuevo examen para corregirla o repararla, permitiendo una acción sobre la cosa supervisada. La labor del supervisor CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 8 representa una tarea delicada y esencial desde el punto de vista normativo y operativo; de esta acción depende, en gran medida, garantizar la calidad y eficiencia del proceso que se desarrolla. Por lo tanto, tenemos una toma de decisiones sobre las acciones últimas de control por parte del supervisor, que en el caso de los sistemas SCADA, recaen sobre el operario. Ver figura 1.1. Figura 1.1 Estructura básica de un sistema de supervisión y mando. Un sistema SCADA tiene como característica fundamental el empleo de varios protocolos y vías para establecer la comunicación. El mismo es capaz de comunicarse sobre diversos medios físicos, ya sea líneas telefónicas, sistemas de microondas, transmisión por radio UHF/VHF, cables, fibra óptica y, en los casos más complejos, por sistemas de satélites. 1.3 Prestaciones Las prestaciones que puede ofrecernos un sistema SCADA eran impensables hace una década y son las siguientes: (Jaume Romagosa Cabús 2004) • Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia de un ordenador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. • Generación de datos históricos (en lo adelante, históricos) de señales de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. • Creación de informes, avisos y documentación en general. • Ejecución de programas, que modifican la ley de control, o incluso el programa total sobre el autómata ( bajo unas ciertas condiciones). CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 9 • Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador y no sobre la del autómata, menos especializado. A partir de las prestaciones expuestas, se pueden desarrollar aplicaciones para ordenadores (tipo PC, por ejemplo), con captura de datos, análisis de señales, presentaciones en pantalla, envío de resultados a disco e impresora, entre otras. Además, todas estas acciones se llevan a cabo mediante un paquete de funciones, que incluye zonas de programación en un lenguaje de uso general (como C, Pascal, o Basic), lo cual confiere una potencia muy elevada y una gran versatilidad. Algunos SCADA ofrecen librerías de funciones para lenguajes de uso general, que permiten personalizar de manera muy amplia la aplicación, que desee realizarse con dicho SCADA (Simón 2005). Como se aprecia, y según corrobora (Castellanos 2008), los sistemas SCADA mejoran la eficacia del proceso de monitoreo y control, proporcionando la información oportuna para poder tomar decisiones operacionales apropiadas. De igual forma, ya que cuenta con información del proceso de primera mano (alarmas, históricos, paradas, entre otras), permite la integración con otras herramientas, como lo son las bases de datos, estadísticas del proceso, uso de intranets, etcétera. 1.4 Requisitos básicos Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada: (Castellanos 2008) Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse, según las necesidades cambiantes de la empresa. Deben comunicar, con total facilidad y de forma transparente, al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión). Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware, y fáciles de utilizar, con interfaces amigables con el usuario. Los ordenadores convencionales se utilizan normalmente como soporte hardware de los programas SCADA, desde miniordenadores PC, hasta estaciones de trabajo, e incluso CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 10 ordenadores personales de sobremesa, con alguna protección adicional para operar en ambientes industriales. Aunque pueden emplearse arquitecturas basadas en ordenadores con sistema operativo DOS Windows y paquetes de software, que incluyen funcionalidades para mejorar sus prestaciones, la disponibilidad de máquinas con sistemas operativos más completos (VAX/VMS, Unix, Windows NT, entre otros) y arquitecturas cliente-servidor, que comparten recursos informáticos, permiten ofertar programas que atienden varios servicios a la vez. En muy grandes aplicaciones, se utilizan estas arquitecturas cliente-servidor para distribuir los datos procesados entre diferentes ordenadores y así, reducir la carga de cada uno de ellos (Castellanos 2008). 1.5 Ventajas y desventajas de los sistemas SCADA Cuando hablamos de un sistema SCADA, no hay que olvidar que hay algo más que las pantallas que nos informan de cómo van las cosas en la instalación. Tras estas, se encuentran multitud de elementos de regulación y control, sistemas de comunicaciones y múltiples utilidades de software, que pretenden que el sistema funcione de forma eficiente y segura. Las ventajas y desventajas más evidentes de los sistemas de control automatizado y supervisado (SCADA) son mencionadas a continuación: (Castellanos 2008) Ventajas: 1. Reducción de los costos de producción, operación y mantenimiento. 2. Aumento de producción 3. Diversificación de la producción. 4. Mejoramiento de la coordinación con el área de mantenimiento. 5. Se dispone de información precisa para efectos de estudio, análisis y estadística. 6. No se requiere de personal para realizar labores de lectura de las variables, ya que estos son leídos y enviados a centros de cómputos a través de la red. 7. Sistema de medición más rápido y confiable. CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 11 Desventajas: 1. Se requiere de una red industrial fiable, pues resultaría crítico no contar con la misma. 2. Alto costo inicial, por concepto de adquisición de los equipos e implantación del sistema acorde a las necesidades y requisitos exigidos. 3. Se requiere además realizar gastos en conexión a la red de datos. 1.6 Necesidad de un sistema SCADA Para evaluar si un sistema SCADA es necesario para manejar una instalación dada, el proceso a controlar debe cumplir las siguientes características: (Castellanos 2008) a) El número de variables del proceso que se necesita monitorear es muy alto. b) El proceso está geográficamente disperso. Esta condición no es limitativa, ya que puede instalarse un SCADA para la supervisión y control de un proceso local. c) La información del proceso se necesita en el momento en que los cambios se producen en el mismo, o en otras palabras, la información se requiere en tiempo real. d) La necesidad de optimizar y facilitar las operaciones de la planta, así como la toma de decisiones, tanto gerenciales como operativas. e) Los beneficios obtenidos en el proceso, justifican la inversión en un sistema SCADA. Estos beneficios pueden reflejarse como aumento de la efectividad de la producción, de los niveles de seguridad, etcétera. f) La complejidad y velocidad del proceso permiten que la mayoría de las acciones de control sean iniciadas por un operador. 1.7 Componentes de hardware Un sistema SCADA, como aplicación de software industrial específica, necesita ciertos componentes inherentes de hardware en su sistema, para poder tratar y gestionar la información captada (Jaume Romagosa Cabús 2004). Ver figura 1.2, donde se muestra la estructura básica de un sistema SCADA, a nivel de hardware. CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 12 Figura 1.2 Estructura básica de un sistema SCADA a nivel de hardware. A continuación se detallan los componentes fundamentales de hardware, que refiere la literatura consultada: Ordenador Central o MTU (Master Terminal Unit): Se trata del ordenador principal del sistema, el cual supervisa y recoge la información del resto de las subestaciones, bien sean otros ordenadores conectados (en sistemas complejos) a los instrumentos de campo, o directamente sobre dichos instrumentos. Este ordenador suele ser un PC, el cual soporta el HMI. De esto se deriva que el sistema SCADA más sencillo es el compuesto por un único ordenador, el cual es la MTU que supervisa toda la estación. Las funciones principales de la MTU son las siguientes: Interroga en forma periódica a las RTU’s1, y les transmite consignas; siguiendo usualmente un esquema maestro-esclavo. Actúa como interfaz al operador, incluyendo la presentación de información de variables en tiempo real, la administración de alarmas, y la recolección y presentación de información historiada. Puede ejecutar programas especializados, que cumplen funciones específicas asociadas al proceso supervisado por el SCADA. 1 Unidad terminal remota o Remote Terminal Unit. Ver más adelante. CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 13 Ordenadores Remotos o RTUs (Remote Terminal Unit): Estos ordenadores están situados en los nodos estratégicos del sistema, gestionando y controlando las subestaciones del mismo; reciben las señales de los sensores de campo, y comandan los elementos finales de control, ejecutando el software de la aplicación SCADA. Se encuentran en el nivel intermedio o de automatización. A un nivel superior está la MTU y a un nivel inferior, los distintos instrumentos de campo, que son los que ejercen la automatización física del sistema, control y adquisición de datos. Una tendencia actual es la de dotar a los PLCs (en función de las entradas y salidas (E/S) a gestionar) con la capacidad de funcionar como RTUs, gracias a un nivel de integración mayor y CPUs con mayor potencia de cálculo. Esta solución minimiza costes en sistemas, donde las subestaciones no sean muy complejas, sustituyendo el ordenador industrial mucho más costoso. Ver figura 1.3. Figura 1.3 Funciones básica de una RTU en sistemas SCADA (Relación E/S). Red de Comunicación: Este es el nivel que gestiona la información que los instrumentos de campo envían a la red de ordenadores desde el sistema. El tipo de bus utilizado en las comunicaciones puede ser muy variado según las necesidades del sistema y del software escogido para implementar el sistema SCADA, ya que no todos los software (así como los instrumentos de campo como PLCs) pueden trabajar con todos los tipos de bus. Hoy en día, gracias a la estandarización de las comunicaciones con los dispositivos de campo, podemos implementar un sistema SCADA sobre prácticamente cualquier tipo de bus. Podemos encontrar SCADAs sobre formatos estándares como los RS-232, RS-422 y RS-485 a partir de los cuales, y mediante un protocolo TCP/IP, podemos conectar el CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 14 sistema sobre un bus en configuración DMS ya existente; pasando por todo tipo de buses de campo industriales, hasta formas más modernas de comunicación como Bluetooth (bus de radio), micro-ondas, satélite, cable, etcétera. A parte del tipo de bus, existen interfaces de comunicación especiales para la comunicación en un sistema SCADA, como pueden ser módems para estos sistemas que soportan los protocolos de comunicación SCADA y facilitan la implementación de la aplicación. Otra característica de las comunicaciones de un sistema SCADA es que la mayoría se implementan sobre sistemas WAN de comunicaciones, es decir, los distintos terminales RTU pueden estar deslocalizados geográficamente. Instrumentos de campo: Referido a los instrumentos que permiten, tanto realizar la automatización o control del sistema (PLCs, controladores de procesos industriales, y actuadores en general), como los que se encargan de la captación de información del sistema (sensores y alarmas). Una característica de los sistemas SCADA es que sus componentes son diseñados por distintos proveedores, sin coordinación entre sí. Así, se tienen diferentes proveedores para las RTUs (incluso es posible que un sistema utilice RTUs de más de un proveedor), módems, radios, minicomputadores, software de supervisión e interfaz con el operador, software de detección de pérdidas, entre otros (Jaume Romagosa Cabús 2004). 1.8 Comunicación industrial Desde inicio de los años 60, las redes industriales de comunicación implementadas en sistemas de control han ocupado grandemente el interés de los ingenieros en control, especialistas en computación y por supuesto de los especialistas en comunicación. La transmisión de información desde el más bajo nivel en la pirámide de control, hasta el nivel de empresa, ha sido objeto de constante preocupación e innovación a lo largo de todos estos años y continúa en desarrollo a ritmos acelerados. Las comunicaciones en el entorno industrial constituyen unos de los puntos de mayor importancia a tener en cuenta en un sistema moderno de producción. Las exigencias actuales imponen que sea necesario garantizar niveles adecuados de comunicación desde el CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 15 más elemental sensor, hasta el más sofisticado nivel informativo, permitiendo la automatización global de la fábrica o empresa. En una instalación fabril existen una gran variedad de equipos y dispositivos dedicados al control; el desarrollo de las redes industriales ha establecido la forma adecuada de unir todos estos elementos, aumentando el rendimiento y proporcionando nuevas posibilidades en la comunicación (Castellanos 2008). Las ventajas que trae consigo el empleo de las redes industriales se pueden resumir en las siguientes: Intercambio fiable de información entre el proceso e instancias superiores de control y gestión. Adquisición de datos de la planta de forma rápida y segura. Visualización y supervisión de todo el proceso productivo, pudiéndose detectar fallas y problemas de procesos remotos desde una estación central de control. Mejora en el rendimiento, explotación y funcionamiento global del sistema. Posibilita la programación remota y el control a distancia. Mayor fiabilidad, productividad y disminución de los costos. Permiten el trabajo coordinado de varios dispositivos a la vez de forma paralela, reduciendo el tiempo de operación. Procesamiento de gran cantidad de información, acceso a datos a altas velocidades. Integración rápida y simple de los diversos subsistemas en una planta. Facilidad en la expansión del sistema, pudiéndose aumentar nuevos terminales y nuevos procesos. La red o sistema de comunicación se realiza por diferentes medios: línea dedicada, línea telefónica, cable coaxial, fibra óptica, telefonía celular, radio VHF/UHF, microondas, satélites, entre otros. De esta manera los datos son trasferidos hacia una estación central mediante el medio físico más apropiado. La forma en que se envía o se reciben los datos en un proceso, está incorporada como parte esencial dentro de un sistema SCADA. El soporte de la comunicación a tener en cuenta depende del tamaño del sistema SCADA, la distancia de las RTU, la cantidad de datos que se van a transmitir, velocidad y disponibilidad del servicio público de comunicación, características del proceso y tipo de aplicación, entre otras. CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 16 1.8.1 Redes de comunicación industrial En la estructura más generalizada para la red industrial, se pueden distinguir claramente tres niveles, ellos son: (Castellanos 2008) Nivel bus de campo. Nivel LAN. Nivel LAN/WAN. Nivel de bus de campo: Nivel de red más próximo al proceso y se encarga de la integración de pequeños automatismos (autómatas compactos, multiplexores de E/S, controladores PID, equipos de medida, etcétera.). Suelen formar células de fabricación. Nivel de LAN: Nivel superior al anterior que enlaza las células de fabricación. Está formado por autómatas de gama alta y ordenadores para control de calidad. Nivel de LAN/WAN: Nivel más próximo al área de gestión, que integra los niveles anteriores en una estructura de fábrica o múltiples factorías. Está formado por ordenadores y redes de ordenadores (Carlos de Castro Lozano). Ver figura 1.4. Figura 1.4 Estructura básica de las redes industriales. 1.8.2 Topologías de las redes industriales La comunicación industrial se puede clasificar en dependencia de diversos parámetros; según su topología, tipo de red, su jerarquía, medio físico, sus especificaciones y niveles. La figura 1.5, muestra diferentes tipos de topologías de redes. CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 17 Figura 1.5 Diferentes tipos de topologías de redes. Generalmente cualquier aplicación de cierta envergadura utiliza varios de estos métodos de forma simultánea, tanto en medios de transmisión como en topologías. Esto permite su implantación de forma más eficiente, adaptando los recursos técnicos al terreno y optimizando los costes. 1.8.3 Manejo de fallas de comunicación Los SCADA deben ser confiables, por lo que los sistemas de comunicación para estos se han desarrollado para manejar comunicaciones de una manera predecible. Esto es importante cuando está implicado el control, ya que sería desastroso si las fallas de comunicación causaran que el sistema hiciera funcionar inadvertidamente el sector incorrecto de la planta. La operación normal para un sistema SCADA es esperar siempre que la transmisión sea reconocida. El sistema de interrogación que emplea tiene seguridad incorporada, en la que cada estación externa está controlada y debe responder periódicamente. Si no lo hace, entonces se hará un número predeterminado de recomprobaciones. Las fallas repetidas harán que la RTU en cuestión sea marcada como “fuera de servicio” (en un sistema de interrogación, una falla de comunicación bloquea la red por un período de tiempo relativamente largo, y una vez que se haya detectado una falla, no hay motivo para volver a revisar). Por la importancia de la exactitud de la transmisión de un SCADA, la aplicación toma directamente la responsabilidad sobre ella. Esto se produce en contraste con protocolos de comunicación más generales, donde la posibilidad de transmitir datos confiablemente se deja a los mismos protocolos. A medida que se utilicen protocolos de comunicación más sofisticados, y los proveedores de SCADA comiencen a tomar CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 18 confianza en ellos, entonces la responsabilidad de manejar errores será transferida al protocolo (Dagoberto Montero 2004). 1.8.4 Buses de campo El bus de campo, constituye el nivel más simple y próximo al proceso dentro de la estructura de comunicaciones industriales. Los buses de campo más recientes permiten la comunicación con buses jerárquicamente superiores y más potentes (Carlos de Castro Lozano). Las características generales más comunes de los buses de campo son: (Castellanos 2008) Sus estándares de comunicación cubren sólo una parte del modelo OSI, concretamente los niveles físico (1), enlace (2) y aplicación (7). El resto de niveles no son imprescindibles para una red de tipo muy local, donde los medios de conexión son de uso exclusivo y la estructura lógica es única. Sólo algunas funciones que se podrían considerar propias de los niveles de red y sesión, se añaden a los niveles 2 y 7 para enlazarlos entre sí. En general, las especificaciones de un determinado bus admiten más de un tipo de conexión física entre las que están normalizadas. Sin embargo, la más común es un bus semiduplex, comunicación en banda base, tipo RS-485. Se encuentran también opciones que trabajan con RS-422 y conexiones en bucle de corriente. Lo que realmente define el tipo de bus y le da el nombre es el protocolo de acceso al medio (MAC: Medium Access Control) y de enlace (LLC: Logical Link Control). Dicho protocolo suele incluir también un soporte rudimentario para la capa de aplicación, que consiste en la definición de una serie de funciones y servicios de la red, mediante códigos de operación estándar. El nivel de aplicación, dirigido al usuario, suele ser propio de cada fabricante, apoyándose en las funciones estándar antes mencionadas para crear programas de gestión y presentación casi siempre dedicados a una gama específica de productos. A lo sumo, el software de aplicación es abierto y, permite la programación en un lenguaje estándar para que cada usuario pueda configurar el nivel de presentación a su conveniencia, apoyándose en librerías estándar. CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 19 Salvo el caso de BITBUS, todos los buses de campo suelen utilizar comunicación serie asíncrona, con velocidades relativamente lentas. En la mayor parte de los buses de campo, el protocolo está previsto para gestionar una red con estructura lógica de tipo maestro - esclavo, donde el control de red lo tiene siempre el maestro. Existen, sin embargo, algunos buses de creación más reciente que presentan estructura con posibilidad de maestro flotante. Hay diversos buses según fabricantes y agrupaciones de fabricantes, siendo los más extendidos los siguientes: (Carlos de Castro Lozano) Modbus Modicon: Marca registrada de GOULD INC. Define un protocolo de comunicación de topología maestro-esclavo. Su principal inconveniente es que no está reconocido por ninguna norma internacional. BITBUS: Marca registrada por Intel. De bajo coste y altas prestaciones. Intel cedió a dominio público el estándar, por lo que se considera un estándar abierto. Está reconocido por la normativa IEE 1118. Se trata de un bus síncrono, cuyo protocolo se gestiona completamente mediante el microcontrolador 8044. Profibus: Impulsado por los principales fabricantes alemanes. El protocolo es un subjuego de MINIMAP. Está impulsado por ser un estándar abierto y bajo norma DIN 19.245. 1.9 Software SCADA El corazón de un sistema SCADA está en el "Software SCADA", que es el encargado de supervisar y controlar el proceso a través del hardware de control. Generalmente, el software SCADA trabaja conjuntamente con un PLC o una red de PLC. Este software permite supervisar el proceso desde un microcomputador, así como realizar las acciones de control a través del PLC, controlador o sistema de control. 1.9.1 Estructura y componentes de un software SCADA Los módulos o bloques software que permiten las actividades de adquisición, supervisión y control son los siguientes: (Castellanos 2008) CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 20 Configuración: Permite al usuario definir el entorno de trabajo de su SCADA, adaptándolo a la aplicación particular que se desea desarrollar y los niveles de acceso para los distintos usuarios. Interfaz gráfico del operador: Proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos gráficos, almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete. Módulo de proceso: Ejecuta las acciones de mando preprogramadas a partir de los valores actuales de variables leídas. La programación se realiza por medio de bloques de programa en lenguaje de alto nivel (como C++, Basic, etcétera.) Gestión y archivo de datos: Se encarga del almacenamiento y procesado ordenado de los datos, de forma que otra aplicación o dispositivo pueda tener acceso a ellos. Comunicaciones: Se encarga de la transferencia de información entre la planta y la arquitectura hardware que soporta el SCADA, y entre esta y el resto de elementos informáticos de gestión. 1.9.2 Características de los software SCADA y sus principales proveedores Para obtener las características y prestaciones propias de un sistema SCADA, su software debe presentar las siguientes funciones: • Manejo del soporte o canal de comunicación. • Manejo de uno o varios protocolos de comunicación (Drive). • Manejo y actualización de una Base de Datos. • Administración de alarmas (Eventos). • Generación de archivos históricos. • Interfaz con el operador (HMI - Human Machine Inteface). • Capacidad de programación (Visual Basic, C, entre otros). • Transferencia dinámica de datos (DDE). • Conexión a redes. CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 21 • Debe tener capacidad para comunicarse con múltiples redes de instrumentos, aún siendo de distinta procedencia y fabricantes (Standard IEC 1131.3) (Jaume Romagosa Cabús 2004). Ver en la figura 1.6, el entorno que presenta un software SCADA. Figura 1.6 Entorno de un software SCADA. A continuación se expondrán los principales software SCADA que se encuentran en el mercado, sus fabricantes y distribuidores (Tabla 1.1). Algunos no tan solo proporcionan una solución puramente SCADA, sino que incluyen el registro y gestión de datos software MES (Manufacturing Execution System), para explotación de datos de fabricación. Este tipo de integración de software MES en un sistema SCADA, es una solución cada vez más demandada por los usuarios. Tabla 1.1 Fabricantes y distribuidores de software SCADA. Producto Distribuidor y Fabricante Aimax CUBE NI Lookout 5.1 LabVIEW DSC Monitor Pro Cx-SuperVisor SYSMAC SCS WinCC Design Instruments S. A. Orsi España S. A National Instruments National Instruments Schneider Electric Omron Omron Siemens CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 22 Coros LS-B/Win CIRNET RS-VIEW32 GENESIS32 Siemens CIRCUTOR S.A Rockwell Iconics Con el objetivo de abaratar los costos por adquisición de software, incrementar la eficiencia y la competitividad de la industria cubana, y entrar al mercado con un producto puramente cubano; en particular, el grupo EROS (grupo de desarrollo de SerCoNi / ISMM) ha venido desarrollando un Sistema de Supervisión y Control de Procesos, que en estos momentos cuenta con la experiencia acumulada de más de 10 años de trabajo y, más de 100 copias instaladas en todo el país, sustituyendo sistemas análogos cuyo costo por copia es mucho mayor (Dr. Rafael Trujillo Codorniú 2006). Un listado de empresas donde ha sido instalado el sistema EROS se presenta en el anexo I. 1.9.3 Sistema de Supervisión y Control de Procesos EROS versión 5.5 EROS es un Sistema de Supervisión y Control de Procesos Industriales. Facilita a los operadores, ingenieros, supervisores, directivos, operar y dirigir cualquier proceso con más eficiencia y productividad. Puede trabajar acoplado con diversos sistemas de colección de datos, como elemento único o formando parte de una red industrial (EROS 2007). EROS tiene en cuenta todas las características de las variables medidas, realiza un potente tratamiento estadístico y determinístico de las mismas con solo configurarlo. Su ambiente de trabajo es amistoso y la presentación agradable. Está soportado en ambiente Windows95/98/NT/2000, lo cual permite utilizar todas las posibilidades de esta plataforma. Facilita el mando a distancia y el control desde la aplicación, que son herramientas que potencian el automatismo del proceso tecnológico. Cumple con la plataforma multiusuario. El EROS es un sistema distribuido, en el cual sus diferentes componentes se interconectan a través de la intranet empresarial. Los componentes que cooperan entre sí son: estaciones de medición, estaciones de visualización, servidores de reportes y servidores de tiempo. Estos componentes pueden estar en ordenadores separados vinculados a través de una Red Ethernet, o en un mismo CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 23 ordenador. Puede trabajar minimizado, lo que permite sostener el sistema aún cuando temporalmente se necesite hacer uso de otros programas, como Word, Excel, etcétera. A su vez, este software permite configurar de manera sencilla un número prácticamente ilimitado de variables. De tal forma, el EROS compite ventajosamente con otros sistemas similares en cuanto a la facilidad con que se configura. Esto disminuye los costos de puesta en marcha y de operación. En él, los mímicos son configurables por el usuario y usan la herramienta OLE (Acrónimo de Object Linking and Embeding), es decir, vinculación e incrustación de objetos. OLE es una tecnología de integración que puede utilizarse para compartir información gráfica. Su fichero histórico de variables contiene la información de un día completo, lo que facilita el análisis de la operación de manera integral. Además, permite navegar de un día hacia otro con facilidad, pues tanto el registro actual, como el histórico, se encuentran en la misma opción. Cuenta con la opción “Recetas”, que consiste en las recomendaciones que determinados especialistas pueden hacer partiendo de las situaciones que se presenten en el proceso. De igual forma, este software posee otras prestaciones, tales como: 1. Correo interno del sistema para enviar mensajes y/o documentos informativos a los usuarios de la RED que estén trabajando dentro del EROS. 2. Posibilidad de comunicarse con cualquier dispositivo de medición mediante manejadores (drivers) de comunicación u OPC cliente (EROS 2007). 3. Gran ventaja para el análisis, ya que permite el almacenamiento de la historia del proceso, sólo limitada por la capacidad del disco duro de la computadora utilizada. 4. Nuevo Sistema de Reportes, que capta los datos de las estaciones de medición y controla la emisión de reportes periódicos o progresivos. Este sistema permite configurar y emitir reportes periódicos de las variables del EROS. Utiliza toda la potencia de edición de tablas y gráficos que posee el Microsoft Excel y lo combina con la posibilidad de insertar en celdas seleccionadas, los valores que se necesiten de las variables del EROS. En los reportes pueden aparecer tanto, valores puntuales como cálculos estadísticos en un determinado período, tales como valores medios CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 24 en el intervalo de una hora, turno o día, desviación típica, valores máximos, etcétera. Este sistema no se encuentra incluido dentro del EROS, sino que posee una licencia propia. EROS es totalmente compatible con el WEB y con el Microsoft Office. La capa de Red, permite integrar a los sistemas que están operando en diferentes máquinas, haciendo visibles para cualquier sistema las variables situadas en ordenadores remotos. El sistema usa un protocolo de red múltiple, que incluye TCP/IP, canalizaciones con nombre y otros, lo que facilita la conectividad en diferentes redes y entornos (EROS 2007). El Sistema de Supervisión y Control de Procesos EROS en esta su versión 5.5, reúne disímiles características que lo ubican en una posición a la altura de programas para tales aplicaciones, desarrollados por compañías extranjeras que gozan de elevado prestigio. Su alto grado de flexibilidad, elevadas prestaciones, fácil programación, asequible adquisición de licencia de instalación, son algunos de los motivos que determinan la elección del EROS como soporte de la aplicación para la supervisión en el presente trabajo. 1.10 Sistemas SCADA en Cuba La necesidad de incrementar la eficiencia y la competitividad de la industria cubana, ha motivado, entre otros factores, el creciente interés hacia sistemas SCADA en nuestro país. Empresas, tales como CEDAI y COPEXTEL, son las encargadas del diseño e implementación en Cuba de este tipo de sistemas y de prestar servicios integrales de automatización. Sus experiencias abarcan diversos sectores de la producción y los servicios. Este tipo de sistemas se ha implementado en fábricas de cemento, termoeléctricas, grupos electrógenos integrados a la red nacional de distribución eléctrica, plantas potabilizadores de agua, hoteles, fábricas licoreras y cerveceras, en la industria del petróleo, refinerías; donde juegan un papel protagónico para garantizar la seguridad. La rama biotecnológica, específicamente el CIGB de Camagüey, está exenta de sus bondades. En estos momentos, existen software encaminados al monitoreo de procesos de fermentación dentro de la planta de producción, tales como el FerMAC y, en desarrollo para sustituir este primero, el FasCON, con potencialidades superiores. Estos sistemas no CAPÍTULO 1. SCADAs Y LA SUPERVISIÓN EN LA INDUSTRIA 25 son considerados SCADA, debido a que sus facultades de control y adquisición de datos, se enmarcan en una planta, específicamente en el proceso de fermentación. 1.11 Ingeniería económica La ingeniería económica hace referencia a la determinación de los factores y criterios económicos utilizados cuando se considera una selección entre una o más alternativas. Otra definición de la ingeniería económica plantea, que es una colección de técnicas matemáticas que simplifican las comparaciones económicas. Con estas técnicas, es posible desarrollar un enfoque racional y significativo para evaluar los aspectos económicos de los diferentes métodos (alternativas) empleados en el logro de un objetivo determinado. Las técnicas funcionan igualmente bien para un individuo o para una corporación que se enfrenta con una decisión de tipo económico (Tarquin 1999). Puesto que las decisiones afectan lo que se realizará, el marco de tiempo de la ingeniería económica es generalmente el futuro. Por consiguiente, los números utilizados en un análisis de ingeniería económica son las mejores estimaciones de lo que se espera que ocurra. Autores cubanos (Pascual 2009), han realizado estudios de factibilidad para la implementación de un sistema SCADA a partir de los cálculos del VAN y la TIR, demostrando la rentabilidad de las alternativas propuestas y que la inversión es recuperable en poco más de un año. Además, de evidenciar las ventajas que trae para la empresa la implementación del sistema de supervisión. 1.12 Conclusiones parciales El análisis de la situación existente en el CIGB de Camagüey, evidencia la necesidad de monitorear un alto número de variables, en equipos que se encuentran geográficamente dispersos. Si a esto se añade la oportunidad de disponer de la información de las variables en el momento en que los cambios se produzcan, así como de optimizar y facilitar las operaciones, en aras de agilizar la toma de decisiones ante cualquier eventualidad; queda evidenciada la necesaria realización de un sistema SCADA en esta entidad. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 26 CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR Conocida ya la estructura y características fundamentales de los sistemas SCADA, tanto a nivel de hardware como de software y los elementos que lo componen, este capítulo se enfoca en el diseño del sistema supervisor. Atendiendo a la propuesta diseñada, se realiza una evaluación económica para establecer un criterio de selección entre la situación sin proyecto y con proyecto. 2.1 Descripción de áreas y equipos a supervisar Antes de dar los primeros pasos en el diseño del sistema supervisor, se dará una descripción de los diferentes equipos que lo integrarán. Vale puntualizar, que estos no son la totalidad de los equipos que intervienen en el proceso productivo, pero atendiendo al corto tiempo destinado a este trabajo, la ausencia de gran parte de los medios para ejecutarlo y las prioridades de los especialistas del departamento de ingeniería y mantenimiento del CIGB de Camagüey, es que se decide incluir en este estudio sólo los que se muestran a continuación en la tabla 2.1: Tabla 2.1 Áreas y equipos a supervisar. Área Tecnológica Nº de Elementos Cámaras Frías Unidades Manejadoras de Aire (UMAs) Hidroneumático Fluido PGD Calderas 9 17 4 4 1 2 CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 27 Cada una de estas áreas juega un papel importante en la cadena investigación-producción. A continuación, se describirán a grandes rasgos sus funciones en el proceso y algunas de las partes que las conforman. Cámaras Frías: Son las encargadas de la conservación y almacenamiento de productos que son utilizados en la producción como materia prima, así como productos terminados listos para su comercialización. El CIGB cuenta con nueve cámaras, de las que tres son de sistema simple y las seis restantes, doble sistema. Que sea de sistema simple implica que cuenta con un solo sensor, compresor, evaporador y condensador; a diferencia de las doble sistema, que cuentan con dos de cada uno de los elementos antes mencionados. Estas cámaras son altamente eficaces, pues dependiendo de la carga a que son sometidas, echan a andar su segundo sistema independientemente del primero; contribuyendo al enfriamiento total de la cámara, lo que le da más durabilidad al equipo y proporciona mayor confianza y seguridad en la conservación de los productos ahí almacenados. De ocurrir algún tipo de falla en el sistema primario, entra a suplir el segundo de forma automática. Unidades Manejadoras de Aire (UMAs): De ellas depende la generación de aire frío a humedad y temperatura controlada, para mantener un estado de confort deseado en las diferentes áreas donde están instaladas. El sistema de clima del CIGB es centralizado. A partir del enfriamiento de agua con sistemas enfriadores YORK, firma de alto prestigio internacional, se hace circular el agua fría a través de las UMAs, de la manera que a continuación se explica: Las UMAs están formadas por varios elementos internos que participan en su funcionamiento. Estos elementos son, en una primera etapa, un filtro de media eficiencia encargado del filtraje del aire limpio (llámese aire limpio al que proviene del ambiente exterior). En un primer compartimento se une al aire de retorno, o proveniente del interior de los locales climatizados. En una segunda etapa se encuentra el banco de resistencias, formado por cuatro resistencias en paralelo empleadas en el control de humedad. Luego, está el serpentín de agua fría, que a partir de la regulación de una válvula de tres vías se controla la temperatura de los locales. Como parte de la cuarta etapa del proceso se encuentra un ventilador, que impulsa el aire frío hacia los conductos que se dirigen a los CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 28 locales a climatizar, y un extractor en el de retorno. El aire frío es enviado a los locales, no sin antes pasar el flujo de aire por un filtro absoluto al 99.99 %, de alta eficiencia, el cual permite pasar partículas no mayores de 0.01 micras. Este filtro es de vital importancia, particularmente en las cuatro UMAs de producción, debido que son locales con requisitos estrictos de limpieza y esterilidad. Hidroneumático: Esta área está formada por dos bombas de agua cruda y dos de agua suave. Dígase agua cruda la que es bombeada desde las potabilizadoras municipales que brindan servicio a la población, centros de trabajo, etcétera; y agua suave a la que, luego de un proceso más riguroso de sedimentación y tratamiento químico, es bombeada y utilizada en determinadas plantas y laboratorios del Centro. Fluido: En esta sección es donde se comprime y distribuye el aire que se requiere en las diferentes etapas de la investigación y producción. Se encuentran en ella dos bombas de vacío y dos compresores. PGD: Aquí es donde está el metrocontador central del CIGB. Calderas: Donde se genera el vapor de agua, que es empleado en los distintos niveles de la producción. El Centro cuenta con dos calderas. 2.2 Caracterización de variables Los equipos que estarán bajo supervisión, cuentan con determinadas y muy específicas particularidades tecnológicas. Existen variables que determinan el buen funcionamiento de estos equipos, las cuales serán caracterizadas a continuación. Luego de identificar en una primera etapa del trabajo, cuáles serían las variables a supervisar, se elaboró un listado por área tecnológica. En la tabla 2.2 se clasifican de acuerdo a su tipo. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 29 Tabla 2.2 Análisis de variables a supervisar. Área Tecnológica Nº de Variables Variables Analógicas Variables Digitales Cámaras Frías UMAs Producción UMAs Hidroneumático Fluido PGD Caldera 18 20 52 8 8 1 2 9 8 26 0 0 0 0 9 12 26 8 8 1 2 TOTAL 109 43 66 Por la importancia que tiene, a continuación se le dedicará un espacio a cada una de las áreas, señalando elementos a tener en cuenta para el tratamiento de las señales que en cada equipo se manejan y las características de operación de las variables. 2.2.1 Cámaras Frías En cada una de las nueve cámaras frías se supervisará la temperatura en su interior y la señal de resumen de fallas, generada por el cierre de relés presentes en los distintos elementos de la cámara fría, tales como el compresor, evaporador y condensador. En la tabla 2.3 se muestran las características de fabricación fundamentales de las cámaras. Tabla 2.3 Características técnicas. Equipo Especificación Sistema Sensor Cámara Fría 1 Cámara Fría 2 Cámara Fría 3 Cámara Fría 4 Cámara Fría 5 Cámara Fría 6 -20 ºC 4 ºC 4 ºC -20 ºC 4 ºC -20 ºC Simple Simple Doble Doble Doble Doble PT-100 PT-100 PT-100 PT-100 PT-100 PT-100 CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 30 Cámara Fría 7 Cámara Fría 8 Cámara Fría 9 4 ºC 4 ºC 4 ºC Doble Simple Doble PT-100 PT-100 Termopar Atendiendo a que hay dos tipos de cámaras, en la tabla 2.4 se muestran las características de las variables, tipos de señales que se transmiten, rangos operativos bajo los cuales deben mantenerse las variables de las cámaras de -20 ºC y categoría de la señal E/S y en la tabla 2.5 las relativas a las cámaras de 4 ºC. Tabla 2.4 Características de las variables. Variable Tipo Señal Rango E/S Temperatura Res. de Fallas Analógica Digital 4-20 mA 24 V -20±3 ºC Activo/Desactivo Entrada Entrada Tabla 2.5 Características de las variables. Variable Tipo Señal Rango E/S Temperatura Res. de Fallas Analógica Digital 4-20 mA 24 V 4±3 ºC Activo/Desactivo Entrada Entrada Se considera necesario destacar, que la señal que se indica en las tablas es la que entregan los instrumentos y el rango, el de operación en que se deben mover las variables, sean de entrada o de salida. Esta aclaración es válida también para el resto de las tablas. 2.2.2 Unidades Manejadoras de Aire (UMAs) Cuatro de las 17 que conforman el sistema de clima del Centro, se destinan a los locales de producción. Los mismos requieren una mayor calidad del aire que circula en su interior, por lo que no solo se necesita un control más preciso de los dos parámetros que influyen en el confort de sus habitaciones, humedad y temperatura, sino que se requiere del cambio oportuno de los filtros de aire ubicados dentro de las UMAs, para evitar su rotura y CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 31 garantizar que no se contaminen las áreas productivas por el aire climatizado ingresado a los locales. Además, la aplicación brindará la posibilidad de encender desde ella las UMAs, es por ello que se considera la señal digital de salida para el pulsador de encendido. En la tabla 2.6 se muestran las características de las diferentes variables. Tabla 2.6 Características de las variables UMAs producción. Variable Tipo Señal Rango E/S Temperatura Humedad Interruptor P.D Res. de Fallas Pulsador Encend. Analógica Analógica Digital Digital Digital 0-10 V 0-10 V 24 V 24 V 24 V 22±2 ºC 60±10 % Activo/Desactivo Activo/Desactivo Encend./Apagad. Entrada Entrada Entrada Entrada Salida La señal de fallas es generada por el disparo de los térmicos de los motores de las UMAs y los extractores instalados en los conductos de retorno del aire. En el resto de las UMAs, los rangos operativos de temperatura y humedad siguen siendo los mismos. La única diferencia es que no está instalado el interruptor de presión diferencial, debido a que el reemplazo del filtro no es de vital importancia, ya que las características de los locales a los que se destina el flujo de aire, no requieren estrictas condiciones de limpieza. Las anteriores especificaciones son algunas de las dictadas por el Departamento de Aseguramiento de la Calidad del CIGB de Camagüey y registradas dentro de las concebidas para áreas limpias, sección Planta de Producción, clasificada según normas internacionales tales como las pertenecientes a la serie ISO 9000. 2.2.3 Hidroneumático, Fluido, PGD y Caldera De los equipos que conforman estas áreas, se supervisará la señal de resumen de fallas y se realizará a través de un pulsador, el encendido de las bombas y compresores desde el supervisor. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 32 Las señales de resumen de fallas son provocadas por relés y magnéticos, a partir del disparo por corriente de los térmicos de las bombas, en el caso del área de Hidroneumático y, en el área de Fluido, a partir de un disparo por corriente de los compresores y bombas de vacío. Ver tabla 2.7. Tabla 2.7 Características de la variable. Variable Tipo Señal Rango E/S Res. de Fallas Puls. Encend. Digital Digital 24 V 24 V Activo/Desactivo Encend./Apagad. Entrada Salida En las calderas la señal de falla viene dada por irregularidades en el nivel de agua dentro del domo y por problemas en el quemador. En PGD, la única falla posible es la de no entrada de energía eléctrica al Centro. 2.3 Instrumentos de campo Para llevar a cabo la supervisión de los diferentes equipos, es imprescindible contar con lo que constituyen los ojos y oídos de los sistemas SCADA y por consiguiente, del operador: los sensores y transmisores. Así como de las RTU, en este caso PLC, encargados de recibir las señales de los sensores y acondicionarlas para el uso posterior de la MTU, ordenador que soporta el HMI. Como parte de la recopilación de información hecha en la primera etapa de la ejecución del trabajo, se hizo un levantamiento de la instrumentación con que contaban las instalaciones, útil para los efectos del mismo. A partir de lo que se tenía, se pudo seleccionar y proponer los elementos con lo que aún no se contaba. 2.3.1 Identificación de sensores y transmisores SENSOR COMBINADO HUMEDAD RELATIVA-TEMPERATURA Estos sensores son empleados en la medición de la humedad y la temperatura en los locales que están climatizados. La mayoría de ellos en estos momentos solo miden temperatura, CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 33 por deterioro en el ducto para humedad. Son instalados en el conducto de retorno de aire de cada una de las 17 UMAs con que cuenta el centro (ver figura 2.1). Descripción Este es un producto fabricado y comercializado por la firma SIEMENS. Q-Series posee un ducto para sensar independientemente Humedad Relativa o, de manera combinada, Humedad Relativa & Temperatura, con transmisión de una señal proporcional a la medición de 0-10 V o 4-20 mA (dependiendo de la versión o modelo), a los controladores, reguladores, PLCs, etcétera. Estas unidades son especialmente diseñadas para aplicaciones, donde es preciso la estabilidad de la humedad. El elemento sensor de temperatura puede ser níquel 1kΩ o platino 1 kΩ RTD, con señal de salida también de 0-10 V o 4-20 mA, según el modelo (Siemens Febraury 5, 2009). Figura 2.1 Sensor Combinado Humedad Relativa & Temperatura. El modelo propuesto para reemplazar los actuales es el QFM3160, versión combinada para humedad y temperatura, con salida de 0-10 VDC, con categoría de alta calidad (Tabla 2.7). Tabla 2.7 Especificación General. Condiciones de operación Humedad Relativa: Rango de temperatura: 0 a 100% -40 ºC a 70 ºC (-40 ºF a 158 ºF) Instalación 18 AWG longitud de cable compartida 229m (máx.) Dimensiones Sonda: 6" OD × 7.2" L (15 mm × 183 mm) Local: 3.1" L × 2.3" W × 1.5" D (80 mm × 60 mm × 40 mm) Fuente de alimentación 24 VCA CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 34 SENSOR-TRANSMISOR DE TEMPERATURA En la medición de la temperatura dentro de las cámaras frías se utiliza, en ocho de ellas, termorresistencias PT-100, con cabezal Tipo B (DIN43729), y en la novena, termopares Tipo T Cu-CuNi, según DIN IEC 584. La transmisión se hace a 4-20 mA, por medio de transmisores SITRANS TH300, de la firma SIEMENS (ver figura 2.2). Gama de aplicación El transmisor SITRANS TH300 puede utilizarse en todos los sectores industriales. Su tamaño compacto permite instalarlo en un cabezal tipo B (DIN 43729) o mayor. Su etapa de entrada universal permite conectar los siguientes tipos de sensores y fuentes de señales: Termorresistencias (conexión a 2, 3 ó 4 hilos). Termopares. Emisores de resistencia y fuentes de tensión continua. Funciones El SITRANS TH300 se configura por HART. Esto es posible con un Handheld Communicator o, mucho más confortable, con un módem HART y el software de parametrización SIMATIC PDM. Durante este proceso se guardan los datos de configuración de forma permanente en la memoria no volátil (EEPROM). Los conectores de prueba permiten conectar en cualquier momento un amperímetro para controlar y verificar la plausibilidad del sistema. Ahora se puede leer la corriente de salida, sin tener que interrumpir, ni abrir el bucle de corriente (Siemens 2007). Beneficios Tamaño compacto. Aislamiento galvánico. LED de diagnóstico (verde/rojo). Vigilancia de sensores Rotura de hilos y cortocircuito. Autovigilancia. Funciones ampliadas de diagnóstico como puntero de arrastre, contador de horas de funcionamiento, entre otras. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 35 Figura 2.2 Transmisor Universal SITRANS TH300 con HART. Tabla 2.8 Error de medida digital. Sonda Entrada Rango de medida Alcance de medida mínimo Precisión digital ºC / (ºF) ºC / (ºF) ºC / (ºF) Termorresistencia PT 100 -200 a +850 (-328 a +1562) 10 (18) 0.1 (0.18) Termopar Tipo T -200 a +400 (-328 a +752) 40 (72) 1 (1.8) INTERRUPTOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL El "Manostar Switch" posee alta reputación por su fiabilidad y es ampliamente usado en la industria. Una de sus aplicaciones es en el control de cuartos limpios. Por ello, se utiliza en las UMAs de producción, para determinar el reemplazo de los filtros absolutos (ver figura 2.3). Interruptor Manostar Modelo MS65 estandarizado Rango de presión abundante (total de revestimiento: 9 rangos de 10~60 Pa para 5~30 kPa). Dos tipos son provistos: uno para poner el despertador para límite superior de presión y el otro, para el límite inferior de presión. La resistencia de presión del calibrador es 200 kPa. (Works 2007). CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 36 Figura 2.3 Interruptor de Presión Diferencial Manostar. 2.3.2 Unidad Terminal Remota (RTU) Aprovechando las potencialidades que brindan los PLC Master-K120S para la automatización y en el control supervisado como acondicionador de señal eficaz; se incorpora a este trabajo como RTU. A continuación la estructura interna o bloques funcionales de la serie K120S (Figura 2.4). Figura 2.4 Bloque funcional de la serie K120S. Características fundamentales del PLC Master-K120S Los Master-K120S son una serie extremadamente compacta, con un alto nivel de funcionalidad y aplicabilidad. A continuación se enumeran algunas de sus condiciones técnicas (Systems): CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 37 1. Alta velocidad de procesamiento: 0.1-0.9 µs/paso. 2. La unidad principal no trata señales analógicas, usa módulos especiales de expansión para manejar señales de esa naturaleza. 3. Incorporan comunicación por puerto RS-232C y RS-485, pudiéndose conectar con dispositivos externos, tales como PC, dispositivos de monitoreo, etcétera. Establece otros tipos de comunicación, pero requiere módulos especiales para ello. 4. Tienen incorporado funciones de control PID. 5. Los programas son guardados permanentemente en una memoria EEPROM. 6. Admite hasta tres módulos de expansión. 7. Tensión por sus entradas y salidas de 24 VDC. 8. Alimentación autorregulable de 85-264 VAC. Estas características son las mismas para todos los modelos estándar de la serie K120S. Se utilizarán dos tipos de dispositivos según su unidad central, los K7M-DR20U y los K7M-DR30U, con 20 y 30 puntos de entradas/salidas respectivamente. En el caso del K7M-DR20U, con 12 entradas digitales y 8 salidas digitales (figura 2.5). Figura 2.5 Unidad principal modelo K7M-DR20U. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 38 El K7M-DR30U cuenta con 18 entradas digitales y 12 salidas digitales (Figura 2.6). Figura 2.6 Unidad principal modelo K7M-DR30U. Para la adquisición de las señales analógicas, se dispondrá de módulos especiales A/D del tipo G7F-AD2A e híbridos A/D-D/A del tipo G7F-ADHA (Especificaciones, tabla 2.9). Tabla 2.9 Especificaciones de los módulos analógicos. Dispositivo Módulo híbrido A/D-D/A Módulo A/D G7F-ADHA G7F-AD2A Rango de entrada Voltaje DC 0-10V (Resistencia de entrada más de 1MΩ) Corriente DC 0-20mA (Resistencia de entrada 250Ω ) DC 4-20mA (Resistencia de entrada 250Ω) Entrada/Salida digital 12 bits (0-4000) Número de canales 2Ch: entradas / 1Ch: salida 4Ch: entradas Máx. entrada absoluta Voltaje DC +12V DC ±15V Corriente DC +24mA DC +25mA Máx. salida absoluta Voltaje DC +12V Corriente DC +24mA Rango de salida Voltaje DC 0-10V (Resistencia externa de carga 2KΩ-1MΩ) Corriente DC 0-20mA (Resistencia externa de carga 510Ω ) DC 4-20mA (Resistencia externa de carga 510Ω) Precisión ±0.5% (Escala completa) CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 39 De acuerdo con la revisión bibliográfica hecha como parte del primer capítulo, y según (Jaume Romagosa Cabús 2004), con el hardware identificado, se tiene la instrumentación de campo necesaria, incluidas las RTU como parte de ella. Ahora se está en condiciones de presentar el diagrama funcional del sistema supervisor. 2.4 Diagrama funcional del sistema supervisor Una tendencia en la industria moderna que cada vez va más en aumento, es la de desarrollar sistemas de control supervisado y adquisición de datos (SCADA). Paquetes de software capaces de comunicarse con los sistemas de control existentes y, permitir así, una flexibilidad de uso inimaginable. En la figura 2.7 se muestra el diagrama funcional del sistema supervisor diseñado. Figura 2.7 Diagrama funcional del sistema supervisor. Se trata de una computadora que porta el HMI, interfaz creada en el Sistema de Supervisión y Control de Procesos EROS versión 5.5, que se encargará de presentar el estado de las variables identificadas, brindando tratamiento de alarmas por salida de parámetros u CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 40 ocurrencia de fallas en los equipos, creación de históricos de los datos recopilados del campo, entre otras. La computadora o MTU, se encuentra conectada a una red de PLC, diseñada sobre el bus de campo RS-485, de acuerdo con las posibilidades de comunicación que ofrece la serie de PLC Master-K120S. Se escoge esta variante por ser la más económica y a la vez eficaz. Esta red, brinda la información recopilada, auxiliándose de los demás instrumentos de campo (sensores, interruptores de presión diferencial, entre otros.), instalados en los equipos. La MTU, interroga periódicamente a las RTU, en este caso PLC, y les transmite consignas para el encendido de ciertos equipos; siguiendo un esquema maestro-esclavo. 2.5 Configuración del Sistema de Supervisión y Control EROS Antes de configurar el software, es necesario contar con una PC o MTU, con los requerimientos técnicos mínimos de hardware, propuestos en la ficha del sistema EROS, para portar una aplicación totalmente operativa y con un buen desempeño. Tabla 2.10 Requerimientos de hardware. Hardware Mínimo Recomendado Microprocesador Pentium III Superior Memoria RAM 64 MB 128 MB o mayor Adaptador de video SVGA SVGA Disco Duro 1 GB Mayor Mouse Si Si Torre de CD Si Si Tarjeta de Red Si Si La tarjeta de Red se recomienda si se va a trabajar en una red de EROS. Sistema Operativo: Windows 95/98/NT/2000/XP (NT/2000 recomendado). Procesamiento: Ambiente monousuario y multiusuario. Protocolo de Red: TCP/IP si va a trabajar multiusuario. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 41 Luego de tener una computadora con las condiciones descritas anteriormente, lo primero para configurar una aplicación en el sistema EROS, es poseer derechos de administración. Siendo así, se configura la Estación Local de Operación (ELO), donde se definen los datos generales del sistema y los niveles de usuarios para su seguridad. El nombre de la ELO, del área o planta donde se va a instalar la aplicación, período de muestreo o tiempo entre dos solicitudes sucesivas a los dispositivos, tiempo en días a almacenar en disco duro, tanto de ficheros históricos, como de estadísticas; alarma sonora activa para las prohibitivas, entre otras, se configuran en la pestaña general. En la ficha de seguridad, es donde se adicionan los usuarios de la aplicación y se les otorga la jerarquía que determina los derechos que posee cada cual en el sistema. La jerarquía se asigna de acuerdo a una escala de 0 a 255, donde 0 define ningún derecho y 255 todos los derechos, es por ello que el administrador tiene por omisión 255. 2.5.1 Configuración de los dispositivos Es ahora, después de configurada la ELO, que se configuran los dispositivos de medición que se conectarán a la misma. Aquí es donde se definen los manejadores o drivers internos que ya posee el sistema por omisión, que son los de las variables Internas, Remotas, de Teclado y Scripts; además de los encargados del manejo de los dispositivos externos de medición que se van a conectar. En el caso que nos ocupa, se comunicará con el sistema EROS, una red de 7 PLC conectados sobre el bus de campo RS-485, y un octavo conectado punto a punto con la MTU; utilizando en ambos casos el driver externo Modbus. Cuando se configuran los parámetros de comunicación del driver, es muy importante hacer coincidir la velocidad de comunicación del supervisor a la de los PLC, de lo contrario no se logran comunicar. La red se crea adicionando uno a uno los dispositivos que la conforman, especificando en cada uno de ellos, número de la estación en la red industrial, período de muestreo, canales analógicos y digitales de entrada/salida. Al poner los canales que se van a medir en cada dispositivo por tipo de variable y hacer esta acción efectiva, el sistema reservará espacios con cada número de canal, donde posteriormente se adicionarán las variables para configurar sus parámetros. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 42 En la figura 2.8, se muestra la configuración de la comunicación de la red de PLC, con la aplicación, mediante el protocolo de comunicación Modbus. Figura 2.8 Configuración de la comunicación utilizando protocolo Modbus. 2.5.2 Configuración de variables Ya configurados los dispositivos, se procede a la configuración de las variables. Estas son separadas en: Variables externas: Sus valores se obtienen a partir de mediciones de la red industrial. Variables internas: Son las variables cuyo valor es el resultado de un cálculo a partir de fórmulas configuradas por el usuario. Las primeras, se configuran en los espacios reservados por el sistema al definir la cantidad de canales que se van a medir en cada uno de los PLC. De interés para esta aplicación, son las mediciones de temperatura en las cámaras frías y UMAs, además de la humedad en esta última. Debido que son señales que se miden en los dispositivos y su magnitud puede variar de forma continua en el tiempo, es que se definen como variables de entrada analógica. Las señales de resumen de fallas y, del interruptor de presión diferencial, son tratadas como variables de entrada discreta por ser medidas en los PLC y su magnitud solo tener 1 de 2 estados posibles. Desde el HMI se enviarán señales CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 43 digitales para el encendido de determinados equipos, por lo que son definidas también, variables de salida discretas. Cada una de ellas, entran en la categoría de variables externas. Se definirán además, variables internas para contar las horas de trabajo de ciertos equipos, información que permite programar el mantenimiento de estos, y extender su vida útil. Cuando se crea una variable analógica de entrada, se presenta una pantalla con cinco páginas o pestañas. En la primera pestaña es donde se configuran los parámetros generales de la variable, como son, etiqueta, período de muestreo, descripción, si va a ser salvada la información que genera en disco, unidad de medida, rango con el cual se visualizará en el registrador (independientemente del rango del instrumento). En la figura 2.9 se muestra la configuración de los parámetros generales de la primera variable del mapa, medida por el PLC 1. Figura 2.9 Configuración de variables. Las alarmas son el segundo parámetro a configurar (la configuración de este parámetro será tratado en el posterior sub-epígrafe). Teniendo en cuenta que el cálculo estadístico consume recursos del sistema y, que no se desea realizar a ninguna variable, no se configura esta pestaña. En la próxima pestaña es donde se definen los parámetros para la linealización de los valores de las variables. Por último, se definen las características de las variables en los PLC, incluyendo su dirección, para lograr el enlace. Para las variables discretas de entrada, el procedimiento es el mismo, solo que no hay que linealizar, por lo que no aparece la pestaña correspondiente. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 44 En el caso de las variables discretas de salida, es preciso configurar solamente dos pestañas. La primera, general, con las mismas características que las de entrada; y la de enlace, donde se especifica la dirección del canal del PLC, que envía la señal de arranque a los diferentes equipos. Por último, se configuraron las variables internas. En esta aplicación, son las encargadas del conteo de las horas de trabajo de ciertos equipos. La configuración se hace de manera parecida a las de las variables medidas, excepto que la página de linealización se cambia por la de fórmula y no tienen enlace, pues estas se generan internamente en el sistema. 2.5.3 Configuración de alarmas y recetas Para esta aplicación se estableció chequear las alarmas en el caso de las variables analógicas de entrada, por razón de cambio, por valor prohibitivo y de operación. En cada caso, se definen los límites inferiores y superiores que las variables de temperatura en las cámaras frías, y de humedad y temperatura en las UMAs, que no deben tomar. Los valores límites de la alarma prohibitiva detallan los rangos fuera de los cuales la variable puede provocar el deterioro de los productos que en las cámaras frías se conservan. En los locales climatizados por las UMAs, se corre el peligro sobre todo en el área de producción, de violar los requisitos de confort recogido en la regulación de Buenas Prácticas de Fabricación para estos locales, poniendo en riesgo las producciones y su continuidad. Los límites de las alarmas operativas, detallan los rangos fuera de los cuales las variables anteriormente citadas, se están desviando de los parámetros normales de operación. Las alarmas por razón de cambio, establecen el cambio que no debe sufrir el valor de la variable (por encima o por debajo), de una medición a otra; o sea, una variación brusca de tendencia. Este tipo de alarma es muy importante, porque algunos de los peligrosos motivos, por los cuales puede haber un cambio brusco de temperatura en estos locales, se relacionan con incendios, roturas de tuberías de vapor, fuentes de excesivo calor en lugares indebidos y cortos circuitos. Existen dos opciones para las alarmas de variables discretas de entrada: por chequeo de alarma en OFF y por chequeo en ON. En esta aplicación se definió que la alarma se indicará cuando la señal está en ON y aparecerá en la zona de alarmas prohibitivas, por cuanto emitirá también el sonido correspondiente. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 45 Las recetas son posibles soluciones, órdenes o sugerencias, que brinda el sistema ante determinadas situaciones que se presentan en la operación y que fueron previamente configuradas. El supervisor tiene recetas para los resúmenes de fallas de las calderas, bombas de Hidroneumático, compresores del área de Fluido y PGD. Además, para las violaciones de los rangos operativos de las variables temperatura en cámaras frías, y humedad y temperatura en las UMAs. 2.5.4 Configuración de registros históricos El sistema EROS brinda la posibilidad de visualizar mediante un registrador, el comportamiento y tendencia en tiempo real de un máximo de ocho variables (un grupo), así como la historia de las mismas. Se puede registrar cualquier tipo de variable y configurar la cantidad de grupos que se desee. Los grupos de variables se configuraron de la siguiente forma: • UMAs Producción: Se crearon cuatro grupos, uno por cada UMA, en los cuales se incluyó el valor real de la humedad, temperatura, el estado en el tiempo de la señal de resumen de fallas y del interruptor de presión diferencial. • UMAs: Fueron creados cuatro grupos más, donde se asocian los valores de humedad y temperatura de cada pantalla de las UMAs. Por ejemplo, en el primer grupo están las UMAs 1, 2, 3 y 4; en el último, solo la del bioterio. • Cámaras Frías: Para ellas se configuraron dos grupos, en los que se registran los valores de temperatura. En el primer grupo, se incluyeron las cinco primeras cámaras y en el segundo, las cuatro restantes. • Por último, se crearon dos grupos en los que se presentan la activación de las señales digitales de resumen de fallas de las bombas de Hidroneumático, y en el segundo las de Calderas, Fluido y PGD. 2.6 Comprobación del sistema El sistema se sometió, para comprobar su eficacia, a dos pruebas. Una de manera experimental o de laboratorio y la segunda, implementando el sistema en una de las cámaras frías de productos terminados. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 46 En la prueba realizada a nivel de laboratorio, se instaló una maqueta a pequeña escala de lo que sería su posterior implementación en la cámara fría. Se configuró y conectó un PLC Master-K120S con unidad principal K7M-DR30U acoplado a un módulo especial G7F- AD2A, a la computadora portadora de la aplicación SCADA. La comunicación, como se ha dicho anteriormente, se estableció por el protocolo Modbus, concebido tanto por los fabricantes de esta serie de PLC, como por la aplicación programada en el sistema EROS. Previamente, se había instalado al módulo de entradas analógicas del PLC, una PT-100 con transmisor de temperatura SITRANS TH300. Luego de establecer comunicación, se aplicaron cambios de forma manual en la temperatura de entrada hasta valores extremos, para corregir posibles errores o deficiencias en la programación de la aplicación y, comprobar que realmente el sistema se comportaba como estaba previsto. En la segunda etapa, se cableo desde la cámara fría hasta el local de guardia técnica, donde radica la MTU. Luego, se indujeron cambios en el comportamiento de la cámara para comprobar comunicación, lectura por la aplicación de los datos adquiridos por el PLC, sensibilidad y capacidad de reacción del sistema en la distancia real. 2.7 Evaluación económica Tomando en cuenta lo planteado en (Tarquin 1999) para la selección de alternativas, la toma de decisiones se realiza a partir de una combinación de criterios económicos, utilizando la medida de valor y los factores no económicos e intangibles. Si se define solamente una alternativa, siempre existe una segunda variante presente en la forma de su negación, llamada también la alternativa como está o el statu que. Esta opción significa que se mantiene el enfoque actual (opción sin proyecto). El análisis de factibilidad del estudio, realizado en el presente trabajo (opción con proyecto), se contrastará con la situación esperada para la entidad, fruto del enfoque actual en materia de supervisión, a partir de los resultados esperados de su línea de tendencia. A continuación se relacionan los elementos contables tenidos en cuenta para las alternativas evaluadas: • Periodo de evaluación: 5 años, a partir de la implementación de la alternativa. CAPÍTULO 2. DISEÑO DEL SISTEMA SUPERVISOR 47 • Para el año cero se considera un ingreso esperado de 10 millones de CUC, producto de la comercialización de la capacidad máxima de producción del Centro.2 • La perspectiva para el crecimiento de los niveles productivos, bajo el enfoque actual de supervisión se estima en un 10% de incremento escalonado, para el periodo de evaluación seleccionado. • Según la literatura consultada (Pascual 2009), la aplicación del sistema SCADA a la industria posibilita incrementos productivos en un orden del 30%, para periodos cortos de evaluación (menores de 10 años). • Se asumieron costos de mantenimiento de 1 y 3%, respectivamente, para las alternativas contrastadas, de acuerdo a los requerimientos técnicos de los componentes utilizados. • Se calcularon inversiones iniciales por alternativas ascendentes a 9 720 y 14 000 CUC, respectivamente. (Ver anexo II, alternativa con proyecto). • La tasa de interés utilizada fue del 5 %. El análisis se llevó a cabo a partir de los cálculos del Valor Actual Neto (VAN) por alternativa, realizados con ayuda de un software en Excel, diseñado al efecto por el autor del presente estudio. Como elementos para la evaluación de la mejor alternativa se tomaron los ratios correspondientes a ambos VAN, así como las diferencias incrementales de efectivos entre