Sistema de control industrial ( ICS ) es un término general que abarca varios tipos de sistemas de control e instrumentación asociada que se utiliza para el control de procesos industriales .
Dichos sistemas pueden variar en tamaño desde unos pocos controladores modulares montados en panel hasta grandes sistemas de control distribuidos interactivos e interconectados con muchos miles de conexiones de campo. Los sistemas reciben datos de sensores remotos que miden las variables de proceso (PV), comparan los datos recopilados con los puntos de ajuste deseados (SP) y derivan funciones de comando que se utilizan para controlar un proceso a través de los elementos de control finales (FCE), como las válvulas de control .
Los sistemas más grandes generalmente se implementan mediante sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA), o sistemas de control distribuido (DCS) y controladores lógicos programables (PLC), aunque los sistemas SCADA y PLC son escalables a sistemas pequeños con pocos lazos de control. [1] Estos sistemas se utilizan ampliamente en industrias tales como procesamiento químico, fabricación de pulpa y papel, generación de energía, procesamiento de petróleo y gas y telecomunicaciones.
Controladores discretos
Los sistemas de control más simples se basan en pequeños controladores discretos con un solo lazo de control cada uno. Por lo general, se montan en panel, lo que permite la visualización directa del panel frontal y proporciona medios de intervención manual por parte del operador, ya sea para controlar manualmente el proceso o para cambiar los puntos de ajuste de control. Originalmente, estos serían controladores neumáticos, algunos de los cuales todavía están en uso, pero ahora casi todos son electrónicos.
Se pueden crear sistemas bastante complejos con redes de estos controladores que se comunican utilizando protocolos estándar de la industria. La conexión en red permite el uso de interfaces de operador SCADA locales o remotas y permite la conexión en cascada y el enclavamiento de los controladores. Sin embargo, a medida que aumenta el número de lazos de control para el diseño de un sistema, hay un punto en el que el uso de un controlador lógico programable (PLC) o un sistema de control distribuido (DCS) es más manejable o rentable.
Sistemas de control distribuidos
Un sistema de control distribuido (DCS) es un sistema de control de proceso digital para un proceso o planta, en el que las funciones del controlador y los módulos de conexión de campo se distribuyen por todo el sistema. A medida que aumenta el número de lazos de control, DCS se vuelve más rentable que los controladores discretos. Además, un DCS proporciona supervisión y gestión de grandes procesos industriales. En un DCS, una jerarquía de controladores está conectada por redes de comunicación , lo que permite salas de control centralizadas y monitoreo y control local en la planta.
Un DCS permite una fácil configuración de los controles de la planta, como lazos en cascada y enclavamientos, [ se necesita una explicación más detallada ] y una fácil interfaz con otros sistemas informáticos, como el control de producción . También permite un manejo de alarmas más sofisticado, introduce el registro automático de eventos, elimina la necesidad de registros físicos como registradores de gráficos y permite que el equipo de control se conecte en red y, por lo tanto, se ubique localmente en el equipo que se controla para reducir el cableado.
Un DCS normalmente utiliza procesadores de diseño personalizado como controladores y utiliza interconexiones patentadas o protocolos estándar para la comunicación. Los módulos de entrada y salida forman los componentes periféricos del sistema.
Los procesadores reciben información de los módulos de entrada, procesan la información y deciden las acciones de control que deben realizar los módulos de salida. Los módulos de entrada reciben información de los instrumentos de detección en el proceso (o campo) y los módulos de salida transmiten instrucciones a los elementos de control finales, como las válvulas de control .
Las entradas y salidas de campo pueden ser o bien cambiando continuamente señales analógicas por ejemplo bucle de corriente o 2 señales de estado que cambian, ya sea en o fuera , como contactos de relé o un interruptor semiconductor.
Los sistemas de control distribuido normalmente también pueden admitir Foundation Fieldbus , PROFIBUS , HART , Modbus y otros buses de comunicación digital que transportan no solo señales de entrada y salida, sino también mensajes avanzados como diagnósticos de error y señales de estado.
Sistemas SCADA
El control de supervisión y la adquisición de datos (SCADA) es una arquitectura de sistema de control que utiliza computadoras, comunicaciones de datos en red e interfaces gráficas de usuario para la gestión de supervisión de procesos de alto nivel. Las interfaces de operador que permiten el monitoreo y la emisión de comandos de proceso, tales como cambios de punto de ajuste del controlador, se manejan a través del sistema de computadora de supervisión SCADA. Sin embargo, la lógica de control en tiempo real o los cálculos del controlador se realizan mediante módulos en red que se conectan a otros dispositivos periféricos, como controladores lógicos programables y controladores PID discretos que interactúan con la planta o maquinaria de proceso.
El concepto SCADA se desarrolló como un medio universal de acceso remoto a una variedad de módulos de control local, que podrían ser de diferentes fabricantes, permitiendo el acceso a través de protocolos de automatización estándar . En la práctica, los grandes sistemas SCADA han crecido hasta volverse muy similares a los sistemas de control distribuido en función, pero utilizando múltiples medios de interfaz con la planta. Pueden controlar procesos a gran escala que pueden incluir varios sitios y trabajar a grandes distancias. [2] Esta es una arquitectura de sistemas de control industrial de uso común, sin embargo, existe la preocupación de que los sistemas SCADA sean vulnerables a la guerra cibernética o los ataques de ciberterrorismo . [3]
El software SCADA funciona a nivel de supervisión, ya que las RTU o los PLC realizan automáticamente las acciones de control . Las funciones de control de SCADA generalmente están restringidas a la intervención básica a nivel de supervisión o anulación. Un bucle de control de retroalimentación es controlado directamente por la RTU o el PLC, pero el software SCADA monitorea el desempeño general del bucle. Por ejemplo, un PLC puede controlar el flujo de agua de refrigeración a través de parte de un proceso industrial hasta un nivel de punto de ajuste, pero el software del sistema SCADA permitirá a los operadores cambiar los puntos de ajuste del flujo. El SCADA también permite que se muestren y registren condiciones de alarma, como pérdida de flujo o alta temperatura.
Controladores lógicos programables
Los PLC pueden variar desde pequeños dispositivos modulares con decenas de entradas y salidas (E / S) en una carcasa integral con el procesador, hasta grandes dispositivos modulares montados en bastidor con un recuento de miles de E / S, y que a menudo están conectados en red a otros Sistemas PLC y SCADA. Pueden diseñarse para múltiples configuraciones de entradas y salidas digitales y analógicas, rangos de temperatura extendidos, inmunidad al ruido eléctrico y resistencia a vibraciones e impactos. Los programas para controlar el funcionamiento de la máquina generalmente se almacenan en una memoria no volátil o con respaldo de batería .
Historia
El control de procesos de las grandes plantas industriales ha evolucionado a través de muchas etapas. Inicialmente, el control fue desde los paneles locales hasta la planta de proceso. Sin embargo, esto requirió personal para atender estos paneles dispersos, y no hubo una visión general del proceso. El siguiente desarrollo lógico fue la transmisión de todas las mediciones de la planta a una sala de control central con personal permanente. A menudo, los controladores estaban detrás de los paneles de la sala de control, y todas las salidas de control automático y manual se transmitían individualmente a la planta en forma de señales neumáticas o eléctricas. Efectivamente, se trataba de la centralización de todos los paneles localizados, con las ventajas de una reducción de los requisitos de mano de obra y una visión general consolidada del proceso.
Sin embargo, aunque proporcionaba un enfoque de control central, esta disposición era inflexible, ya que cada lazo de control tenía su propio hardware de controlador, por lo que los cambios del sistema requerían la reconfiguración de las señales mediante la reconexión o el cableado. También requería el movimiento continuo del operador dentro de una gran sala de control para monitorear todo el proceso. Con la llegada de los procesadores electrónicos, las redes de señalización electrónica de alta velocidad y las pantallas gráficas electrónicas, fue posible reemplazar estos controladores discretos con algoritmos basados en computadora, alojados en una red de racks de entrada / salida con sus propios procesadores de control. Estos podrían estar distribuidos por la planta y se comunicarían con las pantallas gráficas en la sala de control. Se realizó el concepto de control distribuido .
La introducción del control distribuido permitió la interconexión flexible y la reconfiguración de los controles de la planta, como enclavamientos y bucles en cascada, y la interfaz con otros sistemas informáticos de producción. Permitió un manejo sofisticado de alarmas, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como registradores de gráficos, permitió que los racks de control se conectaran en red y, por lo tanto, se ubicaran localmente en la planta para reducir los recorridos de cableado, y proporcionó descripciones generales de alto nivel del estado de la planta y niveles de producción. Para los grandes sistemas de control, el nombre comercial general de sistema de control distribuido (DCS) se acuñó para referirse a los sistemas modulares patentados de muchos fabricantes que integraban redes de alta velocidad y un conjunto completo de pantallas y bastidores de control.
Si bien el DCS se diseñó para satisfacer las necesidades de los grandes procesos industriales continuos, en las industrias donde la lógica combinatoria y secuencial era el requisito principal, el PLC evolucionó a partir de la necesidad de reemplazar los racks de relés y temporizadores utilizados para el control impulsado por eventos. Los controles antiguos eran difíciles de reconfigurar y depurar, y el control de PLC permitía conectar en red las señales a un área de control central con pantallas electrónicas. Los PLC se desarrollaron por primera vez para la industria automotriz en líneas de producción de vehículos, donde la lógica secuencial se estaba volviendo muy compleja. [4] Pronto se adoptó en una gran cantidad de otras aplicaciones impulsadas por eventos tan variadas como prensas de impresión y plantas de tratamiento de agua.
La historia de SCADA tiene sus raíces en las aplicaciones de distribución, como las tuberías de energía, gas natural y agua, donde existe la necesidad de recopilar datos remotos a través de enlaces de baja latencia y ancho de banda potencialmente no confiables o intermitentes. Los sistemas SCADA utilizan el control de bucle abierto con sitios que están muy separados geográficamente. Un sistema SCADA utiliza unidades terminales remotas (RTU) para enviar datos de supervisión a un centro de control. La mayoría de los sistemas RTU siempre han tenido alguna capacidad para manejar el control local mientras la estación maestra no está disponible. Sin embargo, a lo largo de los años, los sistemas RTU se han vuelto cada vez más capaces de manejar el control local.
Los límites entre los sistemas DCS y SCADA / PLC se difuminan a medida que pasa el tiempo. [5] Los límites técnicos que impulsaron los diseños de estos diversos sistemas ya no son un gran problema. Muchas plataformas de PLC ahora pueden funcionar bastante bien como un DCS pequeño, utilizando E / S remotas y son lo suficientemente confiables como para que algunos sistemas SCADA realmente administren el control de bucle cerrado a largas distancias. Con la velocidad cada vez mayor de los procesadores actuales, muchos productos DCS tienen una línea completa de subsistemas similares a PLC que no se ofrecían cuando se desarrollaron inicialmente.
En 1993, con el lanzamiento de IEC-1131, que más tarde se convertiría en IEC-61131-3 , la industria avanzó hacia una mayor estandarización del código con software de control reutilizable e independiente del hardware. Por primera vez, la programación orientada a objetos (OOP) se hizo posible dentro de los sistemas de control industrial. Esto condujo al desarrollo de controladores de automatización programables (PAC) y PC industriales (IPC). Estas son plataformas programadas en los cinco lenguajes IEC estandarizados: lógica de escalera, texto estructurado, bloque de función, lista de instrucciones y diagrama de función secuencial. También se pueden programar en lenguajes modernos de alto nivel como C o C ++. Además, aceptan modelos desarrollados en herramientas analíticas como MATLAB y Simulink . A diferencia de los PLC tradicionales, que utilizan sistemas operativos propietarios, los IPC utilizan Windows IoT . Los IPC tienen la ventaja de poderosos procesadores de múltiples núcleos con costos de hardware mucho más bajos que los PLC tradicionales y se adaptan bien a múltiples factores de forma, como el montaje en riel DIN, combinado con una pantalla táctil como una PC de panel o como una PC integrada. Las nuevas plataformas de hardware y tecnología han contribuido significativamente a la evolución de los sistemas DCS y SCADA, difuminando aún más los límites y cambiando las definiciones.
Ver también
- Automatización
- Sistemas de seguridad industrial
- MTConnect
- Fundación OPC
- Sistema instrumentado de seguridad (SIS)
- Seguridad del sistema de control
- Tecnología operativa
Referencias
- ^ NIST SP 800-82
- ^ Boys, Walt (18 de agosto de 2009). "Volver a lo básico: SCADA" . Automation TV: Control Global - Control Design.
- ^ "Ciberamenazas, vulnerabilidades y ataques a redes SCADA" (PDF) . Rosa Tang, berkeley.edu . Archivado desde el original (PDF) el 13 de agosto de 2012 . Consultado el 1 de agosto de 2012 .
- ^ MA Laughton, DJ Warne (ed), Libro de referencia del ingeniero eléctrico, 16a edición , Newnes, 2003 Capítulo 16 Controlador programable
- ^ Galloway, Brendan; Hancke, Gerhard P. (2012). "Introducción a las redes de control industrial". Encuestas y tutoriales de comunicaciones de IEEE . 15 (2): 860–880. CiteSeerX 10.1.1.303.2514 . doi : 10.1109 / SURV.2012.071812.00124 .
Este artículo incorpora material de dominio público del sitio web del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología https://www.nist.gov .
Otras lecturas
- Guía de seguridad de los sistemas de control industrial (ICS) , SP800-82 Rev2, Instituto Nacional de Estándares y Tecnología , mayo de 2015.
- Walker, Mark John (8 de septiembre de 2012). El controlador lógico programable: su prehistoria, surgimiento y aplicación (PDF) (tesis doctoral). Departamento de Comunicación y Sistemas Facultad de Matemáticas, Computación y Tecnología: La Universidad Abierta . Archivado (PDF) desde el original el 20 de junio de 2018 . Consultado el 20 de junio de 2018 .
enlaces externos
- "Nueva era de controladores industriales" . Archivado desde el original el 3 de marzo de 2016.
- Proview , un sistema de control de procesos de código abierto
- "10 razones para elegir el control basado en PC" . Automatización de la fabricación . Febrero de 2015.