Diferencias entre SCADA y DCS
Por: Victor Yi
2018
vichuvideo@gmail.com
El objetivo de la automatización industrial es la realización de las tareas para la generación de materiales y productos con la mínima intervención continua de operador humano.
Hoy en día existen varios tipos de sistemas ampliamente usados para realizar la automatización industrial: PLC (Programmable Logic Controller), DCS (Distributed Control System) y SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition).
Con los avances de la electrónica y aumento de capacidad de procesamiento y funcionalidad de los microprocesadores, son muy comunes los dispositivos con múltiples funciones, siendo el ejemplo más común el teléfono celular.
Lo mismo está ocurriendo con algunos instrumentos y sistemas usados para la automatización de los procesos, tal es el caso de los PLC, DCS y SCADA. Pudiendo un sistema realizar funciones de los otros, sin embargo existen desventajas y limitaciones que se deben tomar en cuenta.
Ya en un artículo previo se explicaron las características operacionales, diferencias y áreas de aplicaciones entre PLC y DCS. En esta oportunidad se analiza y se hace la comparación entre SCADA y DCS.
Para entender los conceptos y diferenciar bien que es un Sistema SCADA y sus diferencias con un DCS, voy a explicar sobre las principales características y funciones de cada uno de estos Sistemas.
Tanto el DCS como el SCADA son programas de aplicaciones que se ejecutan en servidor o computadora e interactúan con equipos especializados y dispositivos de campos para realizar automáticamente ciertas tareas.
El
SCADA es un sistema para la recolección de información de valores y estado de
un proceso. El SCADA permite a un operador humano la gestión y control de
cualquier proceso local o remoto a través de su IHM, pudiendo también enviar al
proceso comando de acción iniciado manualmente por el operador.
Si
en un SCADA se desea realizar control automático, esta función se debe realizar
a través de un controlador, el cuál es “supervisado” por el SCADA.
El DCS es un sistema de control capaz de realizar automáticamente el control
regulatorio de múltiples lazos de control. El control regulatorio es un modo de
control en la que se trata de mantener la variable controlada de un proceso a
un valor determinado, mediante la adición o sustracción modulada (variación interrumpida y armoniosa) de cantidad de masa o
energía en el proceso.
Los controladores
del DCS no se encuentran centralizados en una locación específica, sino que se
encuentran distribuidos en diferentes sitios del proceso o planta, en donde
cada unidad o subsistema del proceso es controlada por uno o más controladores.
Componentes y funcionamiento del DCS
Se denominan Sistemas de Control Distribuidos,
debidos a que las tareas que se deben realizar son distribuidas entre
diferentes componentes del sistema, los cuales pueden estar o no físicamente
instalados en el mismo lugar del proceso o planta.
Los componentes de los DCS son de
tipo modular y escalable.
Los principales componentes de un
sistema de control distribuido son:
·
Instrumentos de campo
·
Controladores
·
Módulos entradas/salidas
·
Interfaz Humana – Máquina (IHM) de operación
·
Interfaz Humana – Máquina (IHM) de ingeniería y
mantenimiento
·
Red de control del DCS
·
Módulo o servidor especiales (opcional)
1. Instrumentos de campo
La instrumentación de campo es el conjunto de sensores y
elementos finales de control, que se encargan de recolectar los valores y
estados del proceso y realizar la regulación de cantidad de masa y/o energía en
el proceso.
Algunos fabricantes de DCS ofrecen su propia línea de
instrumentos de campo inteligente, permitiendo el acceso a funcionalidad
especiales tales como gerencia de activo, monitoreo y diagnóstico en línea de
los instrumentos, los cuales no estarían disponibles si se usan instrumentos de
otros fabricante.
2.
Controladores
En los controladores del DCS se ejecutan la lógica de
control y alarmas de desviaciones.
Cada controlador puede manejar, dependiendo del fabricante,
de 8 a 32 lazos de control.
Cada controlador posee su propio procesador, fuente de
alimentación y memoria.
Típicamente los controladores son redundantes.
Cada controlador del sistema y sus módulos de
entradas/salidas asociadas funcionan en forma dedicada e independiente,
permitiendo un ciclo de operación de cada lazo de control bastante corto, del
orden de los milisegundos, ya que el ciclo de procesamiento del algoritmo de
control en cada lazo es bastante rápido.
Para su operación se requiere configurar el algoritmo de
control a usar en cada lazo de control, modo de acción, así como los parámetros
de unidades y rango de la variable de proceso, dirección de la señal de
entrada/salida, ajustes de alarmas, configuración de prioridades de tareas,
etc.
3.
Módulos de
entradas/salidas
A través de los módulos de
entradas/salidas se realiza la interfaz entre los controladores y la
instrumentación de campo.
Para cada tipo de señal con los
dispositivos de campo, existe una tarjeta E/S específica, incluyendo para la comunicación
mediante diferentes tipos de red de control de proceso.
El cableado de las señales (red o
punto a punto) en primera instancia se conecta a los terminales de una sección
acondicionadora de señales. Luego estas señales ya acondicionadas ingresan a
los procesadores de digitalización de señales.
4.
Interfaz
Humana – Máquina (IHM) de operación
La estación o Interfaz Humana –
Máquina de operación es usada por el operador del proceso para monitorear las
condiciones de proceso, manipular puntos de ajustes, recibir y enviar comandos,
y generalmente están localizados en una Sala de Control Principal. Desde la
interfaz de operación el operador visualiza la información que es enviada por
los transmisores desde las áreas de proceso, y puede cambiar las condiciones de
control.
Varios fabricantes de DCS usan
computadores personales (PC) fabricados por terceros como interfaz de
Operación. Una IHM típica está compuesta por un computador personal robusto o
de tipo industrial con su teclado, mouse y uno o más monitores.
Esto aprovecha las tecnologías
existentes en computadores y monitores comerciales sin sacrificar la
confiabilidad del control (ya que el hardware y software de control siguen
siendo de tipo industrial).
La aplicación de despliegue
gráfico y alarmas opera desde la computadora del IHM, pero los datos provienen
de los controladores.
Las consolas de operación pueden
incluir arreglos de monitores (2, 3 ó 4 monitores) a fin de facilitar la visualización
de todo el proceso.
5.
Interfaz
Humana – Máquina (IHM) de ingeniería/mantenimiento
Usa básicamente el mismo hardware de la IHM de operación,
pero con suficiente memoria, capacidad de disco duro y teclado especial para
proveer una eficiente plataforma para los requerimientos para operar como
estación de ingeniería/ mantenimiento para las labores de configuración,
programación y diagnóstico del sistema.
6.
Red de
control del DCS
La red de control del DCS es la que conectan los
controladores y las IHM del DCS. A través de ella se transporta los datos de la
gestión del DCS, las señales del proceso, base de datos de control, base de
datos históricos, sistemas de alarmas, generación de reportes, etc.
La red de control del DCS es una red de alta velocidad,
permitiendo una alta rapidez de actualización de los datos entre los
controladores y las IHM de operación.
En general las redes de control del DCS es una red
propietaria y redundante.
7.
Módulo o
servidor especial (opcional)
Son módulos para aplicaciones especializadas tal como
control avanzado, optimización, base de datos, etc.
Se conectan al DCS a través de la red de control del DCS.
Componentes y funcionamiento del SCADA
La aplicación SCADA es básicamente para realizar Control Supervisorio y Adquisición de Datos de un proceso.El término “Control Supervisorio y Adquisición de Datos” fue usado por primera vez en un trabajo de la Conferencia de Aplicaciones de Computadora en la Industria de Potencia del año 1973.
¿Qué es Control Supervisorio?
Control supervisorio es operar una planta completa o varios dispositivos de campo a través de un sistema o dispositivo central, también conocido como sistema o dispositivo maestro.Normalmente en una planta hay muchos tipos de equipos o unidades de proceso, cada una con uno o más controladores para controlar las diferentes variables y tareas. No tiene sentido ni es factible instalar un solo controlador para controlar todos los lazos de control de la planta completa. Pero si se puede conectar todo los controladores de la planta a un dispositivo maestro, de manera que el dispositivo maestro puede verificar las variables del proceso y ajustar los puntos de ajuste de cada controlador.
Un ejemplo de un control supervisorio, en este caso de un solo controlador se muestra a continuación. Es un sistema de control de temperatura de un horno de tratamiento térmico.
Una computadora maestra “supervisa” la temperatura del horno mediante la comunicación de los valores de puntos de ajuste al controlador de temperatura (TIC) a través de una red digital tal como Ethernet. Desde la perspectiva del controlador de temperatura, esto es una señal remota de punto de ajuste.
Ya que el tratamiento térmico del metal requiere rangos de temperaturas particulares y diferentes tasas de cambio en el tiempo, este control supervisorio releva al operador humano el tener que ajustar manualmente una y otra vez los valores de puntos de ajuste durante el ciclo de tratamiento térmico. En su lugar, la computadora maestra realiza los diferentes puntos de ajuste en las diferentes etapas, de acuerdo a una secuencia de tiempo predefinidos.
Hay muchos tipos de protocolos de comunicación usados en la industria, que pueden ser usadas para la comunicación entre la computadora y el controlador.
El sistema de control supervisorio puede incluir muchos controladores y puede ser conectada a una computadora maestra o computadora supervisoria.
Los controladores de proceso configurados para el control supervisorio de puntos de ajuste típicamente tienen tres modos de operación:
·
Modo manual: El controlador no
realiza acción automática. El valor de punto de ajuste es ajustada por un
operador humano.
·
Modo automático con SP (Set Point) local:
El controlador ajusta automáticamente su salida tratando de mantener PV = SP.
El valor de punto de ajuste es ajustada “localmente” por un operador humano.
·
Modo automático con SP remoto:
El controlador automáticamente ajusta su salida para tratar de mantener PV =
SP. El valor de punto de ajuste es ajustada “remotamente” por la computadora
supervisoria.
El SCADA no es una tecnología específica o protocolo, sino que es cualquier aplicación en la que se recolecta datos de un proceso con el fin de ser usado para controlar dicho proceso. En el caso del ejemplo del horno de tratamiento térmico, el SCADA se puede usar para enviar desde el proceso hacia la computadora maestra, el valor de la temperatura del horno y el estado de operación del horno, y para enviar los comandos de cambio de punto de ajuste de la temperatura desde la computadora maestra hacia el controlador de temperatura TIC.
Los sistemas SCADA recolectan los datos de una o más instalaciones remotas, así como también envía comandos básicos de operación a dichas instalaciones, haciendo innecesario que un operador humano tenga que estar permanentemente presente en dichas instalaciones remotas para su operación normal.
Cuando se habla de control en el SCADA, la parte de control está definida y supeditada por el hardware e instrumental de control local (Unidad de Estación Remota (RTU) inteligente, PLC o controladores lógicos) y los algoritmos lógicos de control aplicados sobre el proceso. El lazo de control se ejecuta en forma local e independientemente del SCADA.
En consecuencia en estos casos, el operador puede “supervisar” el control de la planta y no solo monitorea las variables que en un momento determinado están actuando sobre la planta. El operador puede enviar comando para ajustar el punto de ajuste del controlador local.
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 representa una tarea delicada y esencial desde el punto de vista normativo y operativo. De esta acción depende en gran medida el poder garantizar la calidad y eficiencia del proceso que se desarrolla. En el supervisor descansa la responsabilidad de orientar o corregir las acciones que se desarrollan. Por lo tanto, la toma de decisiones sobre las acciones de control está en manos del supervisor, que en el caso del SCADA es el operador.
En un SCADA normalmente el operador humano y no la computadora del SCADA (Unidad de Estación Maestra, MTU) toma la última decisión sobre las acciones de control. Se puede hacer control automático a través de la MTU, pero la baja confiabilidad de los enlaces de comunicación no lo hace deseable.
La función de monitoreo de estos sistemas se realiza a través de una Interfaz Humano-Máquina (IHM), ofreciendo al operador humano una visión de los parámetros del proceso.
A menudo, las palabras SCADA e IHM inducen a cierta confusión. Cierto es que todos los sistemas SCADA ofrecen una interfaz gráfica de operación tipo IHM, pero no todos los sistemas de automatización que tienen IHM son SCADA.
SCADA es la combinación de tecnología de telemetría y de adquisición de datos.
Adquisición de datos:
Adquisición de datos se refiere al método usado para la recolección o envío de datos/información desde/hacia un equipo que se está controlando y monitoreando. Los datos obtenidos son pasados a un sistema de telemetría para ser transferido a diferentes sitios.
Los datos pueden ser digitales o analógicos, de sensores, actuadores, relés, válvulas, motores, etc.
Telemetría:
Telemetría es simplemente un sistema de comunicación. Telemetría es la técnica usada para transmitir y recibir información o datos a través de un medio. La información puede ser cualquier valor de medición. La información puede ser transmitida a través de cable, teléfono o radio.
Los componentes básicos de un sistema SCADA son:
·
Instrumentación de campo
·
Unidad de Estación Remota (RTU)
·
Red de comunicación
·
Unidad de Estación Maestra (MTU)
·
Interfaz Humano-Máquina (IHM)
Instrumentación de campo:
La instrumentación de campo es el conjunto de sensores y
elementos finales de control, que se encargan de recolectar los valores y
estados del proceso y realizan la regulación de cantidad de masa y/o energía en
el proceso.
Unidad de Estación Remota (RTU):
Las RTU de un SCADA se ubican en diferentes locaciones de la planta o proceso.
Los instrumentos de campos se conectan a las RTU. Las RTU recolectan los datos sobre los parámetros del proceso y estados de alarmas de los instrumentos de campo. Las RTU guardan en su memoria dicha información hasta que la MTU la solicita. La MTU también puede a través de comandos de control solicitar a las RTU cambiar puntos de ajuste y cambiar variables de proceso, cerrar o abrir válvulas, encender o apagar equipo, etc.
Las RTU envían comando de control (control analógico de 4-20 mA, cierre de contacto, mensaje serial) a los dispositivos de campo. Las RTU envían las alarmas, estados de los equipos, señal analógica de campo, mensaje de los equipos, etc a la MTU.
Las RTU reciben las señales analógicas, señales de estados de los equipos, señales de pulsos de mediciones de los dispositivos de campo. Y reciben órdenes de control discreta, instrucciones analógicas de ajustes, órdenes de respuestas del MTU.
Las RTU son equipos fabricados para ese propósito, pero también pueden ser PLC o DCS. Tanto los DCS como los PLC tienen todos los tipos de I/O, dispositivos de red, y algoritmos de control suficientes como para operar como unidades terminales remotas, pero por razones de costo y comercialización del DCS, típicamente se usan los PLC.
Unidad de Estación Maestra (MTU):
La MTU funge como la unidad de procesamiento de datos y administración de las tareas que debe realizar el SCADA. La MTU coordina las comunicaciones con las RTU para la transmisión de los datos de campo recopilados. Así mismo es responsable de mantener actualizadas su base de datos de los parámetros operacionales y alarmas del proceso, procesar y almacenar los datos recopilados, enviar a la IHM las alarmas para su notificación y visualización y entregar los datos requeridos por la IHM.
La MTU lee y escribe datos desde/hacia las RTU, maneja errores de comunicación, realiza barrido programado de las RTU. La MTU lee y recolecta la información de las interfases de comunicaciones y revisa la desviación de los puntos de ajuste de las variables del proceso y genera acción de control y estados de alarmas.
En sistemas de SCADA grandes pueden existir múltiples servidores y diferentes tipos de bases de datos.
La MTU ejecuta una acción de acuerdo a un tiempo especificado, evento o condición, por ejemplo impresión de un reporte al final de cada turno, mostrar los valores en una hoja de cálculo a una hora especificada.
La MTU conecta el proceso con la estación IHM, Las acciones e información del MTU incluyen, puntos de ajuste, variable de proceso, reconocimiento de alarma, etc, Los datos obtenidos son procesados para alimentar tablas y hojas de cálculos. Se pueden conectar impresoras y otros periféricos al IHM.
Interfaz Humano-Máquina (IHM):
La IHM de un SCADA es la ventana usada por el operador humano para monitorear los datos y alarmas recolectadas por el sistema. La IHM puede tener teclados y paneles que permite al operador introducir comandos para solicitar los datos deseados o para enviar comando de acción hacia los dispositivos de campo.
Al igual que en los DCS, en la IHM de un SCADA normalmente se usan computadoras y monitores comerciales.
Red de comunicación:
Las RTU en el campo se pueden conectar a través de una red de control. Cada RTU tiene una dirección única y la red es conectada a un modem.
Normalmente existe una gran distancia entre la MTU y las RTU, por lo que se requiere de algún tipo de red de comunicación entre ellos.
La transmisión de los datos desde las RTU a la MTU puede ser a través de cable o de forma inalámbrica.
Tendencia del SCADA
El uso de PLC como RTU incrementa la funcionalidad del SCADA permitiendo la realización de tareas de control, pudiendo alcanzar funcionalidades similar al de un DCS.El SCADA continuará siendo la principal herramienta para la recolección y visualización de información en muchas aplicaciones de procesos, pero la fuerte influencia de almacenamiento en la nube, servicios virtualizados de computación y el Internet Industrial de las Cosas (IIoT) están forzando al SCADA a realizar tareas no familiares más allá de su jurisdicción.
Las nuevas tendencias tecnológicas no solamente multiplican las conexiones de los sistemas SCADA con otros sistemas, sino también incrementan las cantidades de funciones que pueden realizar.
Otra ventaja que el almacenamiento en la nube y la computación virtualizada añade a los sistemas SCADA es que de una manera rápida reduce los costos de operación después de una inversión inicial relativamente pequeña.
También existe una tendencia en la reducción de uso de paneles de control y de IHM locales debido al uso de PC tipo tableta, terminales handheld y teléfonos celulares inteligentes.
Ya existen empresas que ofrecen servicios de migración del hardware e IHM tradicional del SCADA a infraestructuras virtualizadas.
Una de las grandes preocupaciones en relación al uso de sistema SCADA es la vulnerabilidad a ataques cibernéticos, ya que muchos SCADA se usan para aplicaciones de naturaleza crítica, tales como supervisión de redes eléctricas, sistemas de distribución de agua potable, sistemas de manejo de aguas servidas, oleoductos, gasoductos, entre otros, por lo que un ataque, pudiera en el caso del peor escenario, causar pérdidas financiera masiva, daños ambientales e incluso riesgo de salud o vida, ya sea de manera directa o indirecta.
La necesidad de migración de sistemas SCADA hacia otros sistemas de arquitecturas y configuraciones más seguras es aún incierta, debido a que, por los momentos, los beneficios y bajo costos de los sistemas SCADA superan los costos de los potenciales riesgos.
Diferencias entre SCADA y DCS
Debido a su propósito, forma de
operación y arquitectura existen notables diferencias entre el SCADA y el DCS.
Las principales son:
- Arquitectura de un SCADA es más abierta que la de un DCS
- Los SCADA requieren múltiples bases de datos que residen en cada uno de los dispositivos controladores o RTU, en los servidores de la MTU e IHM.
- La Capa de aplicación embebida del DCS permite facil modificación y configuración de estrategias de control, en los SCADA no existen acceso directo entre el Sistema Operativo de los controladores y el Sistema Operativo del SCADA, por lo que se requieren mayores esfuerzos para realizar modificaciones y configuraciones de estrategias de control. En un SCADA se debe realizar en forma manual e independiente, el “mapeo” de las etiquetas (tag) y direcciones de las diferentes bases de datos del sistema. En un DCS normalmente existe una aplicación propietaria de configuración que realiza el mapeo e integración de todas las bases de datos del sistema de manera automática. Cuando una lógica de control es desarrollada en el DCS, se realiza automáticamente la configuración del “faceplate” del controlador a ser visualizado en el IHM, las alarmas de las variables asociadas y las conexiones o comunicaciones con otros controladores en los casos que apliquen, y automáticamente se sincronizan las unidades y rango de operación.
- El SCADA recoge los instrumentos de campo a lo largo del proceso y los envía a una computadora central para su procesamiento. En un DCS los elementos del controlador no están centralizados, sino que están distribuidos a lo largo del proceso y cada una de ellas realiza el procesamiento de los datos sin la intervención de una computadora central.
- Un SCADA es menos costoso que un DCS, especialmente en los casos en los cuales no se requiere la incorporación y uso de elementos controladores en el sistema.
- El SCADA está orientado fundamentalmente hacia la
recolección de valores y eventos para ser mostrado al operador. Se basa mucho
en los cambios inmediatos de las variables y muestra un gran despliegue en la
recolección y control de alarmas.
El sistema de DCS en cambio está orientado hacia el control mismo del proceso y no tanto hacia la recolección de datos del proceso. - El DCS realiza el control automático del proceso mediante sus controladores, sin intervención del operador humano. En un SCADA el operador es el iniciador de una acción de control, el cuál es transmitido a través de la RTU hacia el elemento a ser controlado.
- El DCS está diseñado con la capacidad para realizar control regulatorio avanzado. La incorporación de control en un SCADA normalmente se limita a comando discreto o ajuste sencillo de valor analógico. En un SCADA la realización de control automático más avanzado se debe realizar a nivel local a través de un PLC o DCS, el cuál es “supervisado” por el SCADA.
- El DCS realiza sus tareas de una manera secuencial, y los eventos no se registran hasta que se realiza el barrido de lectura. En contraste, el SCADA es controlado por los eventos, ya que no realiza el barrido en una forma regular, sino que es iniciado por un evento o cambio en el valor de una variable del proceso.
- En relación al tipo de aplicación, el DCS es comúnmente usado para controlar proceso confinado dentro de una planta, mientras que el SCADA es usado para monitorear proceso que abarca una gran área geográfica.
