¿Qué es el control de supervisión y la adquisición de datos (SCADA)?

El control de supervisión y la adquisición de datos (SCADA) es una solución integral de hardware y software que controla y gestiona procesos industriales de alto nivel sin intervención humana. Funciona recopilando datos en tiempo real de forma remota para procesarlos y controlar las condiciones y el equipo. Las empresas también aprovechan SCADA para tomar decisiones basadas en datos con respecto a los procesos industriales.

La arquitectura SCADA comienza con unidades terminales remotas (RTU) o controladores lógicos programables (PLC). Las RTU y los PLC son microcomputadoras capaces de comunicarse con componentes industriales como máquinas de fábrica, interfaces hombre-máquina, dispositivos finales y sensores. Los datos de estos componentes luego se transmiten a las computadoras usando el software SCADA, que los procesa, distribuye y muestra a los equipos de operaciones.

Los jugadores modernos aprovechan SCADA para controlar de forma remota o local los procesos industriales y recopilar, monitorear y procesar datos en tiempo real. SCADA también permite a los operadores industriales controlar y administrar directamente dispositivos como válvulas, sensores, motores, bombas y otros componentes mediante el software de interfaz hombre-máquina (HMI). Además, SCADA es una solución útil para el mantenimiento de registros, ya que todos los datos se registran sistemáticamente.

Además de esto, las soluciones SCADA permiten a las organizaciones industriales utilizar datos para una toma de decisiones más inteligente, mejorando la eficiencia y comunicando los problemas del sistema a tiempo para minimizar el riesgo de tiempo de inactividad. Por ejemplo, SCADA notificará rápidamente a los equipos de operaciones relevantes si un lote de producto muestra una alta tasa de incidencia de errores.

Luego, el equipo de operaciones podría pausar la producción y examinar los datos del sistema recopilados por SCADA en la HMI. Esto ayudaría a los operadores a determinar y abordar la causa raíz de los errores y evitar que el lote defectuoso crezca en tamaño.

Hasta mediados del siglo XX, las organizaciones industriales dependían del personal de campo para controlar y monitorear manualmente el equipo. Sin embargo, a medida que aumentaba la escala a la que operaban estas instalaciones, se hizo necesario idear una solución para controlar los equipos de forma remota. Esta necesidad condujo a la introducción del control de supervisión a través de temporizadores y relés.

'SCADA' como término se concibió a principios de la década de 1970. Casi al mismo tiempo, los microprocesadores y los PLC estaban experimentando un aumento en las aplicaciones comerciales, y las empresas los usaban cada vez más para controlar y monitorear procesos automatizados.

La evolución de SCADA comenzó con las computadoras centrales. Posteriormente, se utilizaron sistemas distribuidos para impulsar SCADA. Sin embargo, mientras estaban interconectados, no podían comunicarse con sistemas de otros proveedores.

La siguiente iteración que se introdujo fue SCADA en red, que presentaba una arquitectura de sistema abierta, lo que permitía la comunicación entre sistemas de diferentes proveedores. Sin embargo, todavía se usaban tecnologías propietarias para el manejo de datos, lo que generaba una brecha entre los controles y TI.

Finalmente, los modernos sistemas SCADA basados ​​en la web permitieron a los usuarios acceder a datos de operaciones en tiempo real desde cualquier lugar del mundo. Estas soluciones abordaron las deficiencias de iteraciones anteriores y permitieron una toma de decisiones rápida y basada en datos. Mejoraron significativamente la eficiencia, productividad, confiabilidad y seguridad de los procesos industriales.

Los sistemas SCADA son populares en todos los tipos de empresas porque pueden ir desde instalaciones simples hasta configuraciones grandes y complejas. SCADA es fundamental en muchas industrias modernas, incluidas la energía y la energía, la fabricación, los alimentos y las bebidas, el petróleo y el gas, el agua y las aguas residuales, y el transporte.

Prácticamente todas las organizaciones industrializadas o de operaciones intensivas confían en alguna solución SCADA para que todo funcione sin problemas. Esta podría ser una solución que mantenga la refrigeración de una cadena de restaurantes, asegure una producción segura y sin problemas en una refinería de petróleo, o incluso realice un seguimiento del uso de energía de los propietarios.

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Antes de aprender más sobre los tipos de sistemas SCADA, familiaricémonos con la arquitectura del sistema SCADA.

Generalmente, las soluciones SCADA se implementan en una arquitectura centralizada para permitir el monitoreo y control de un área amplia. El 'SCADA central' es un paquete de software ubicado sobre el hardware y sirve como un sistema de supervisión.

Las unidades terminales remotas se utilizan para recopilar datos y transmitirlos a un sistema maestro, así como para controlar maquinaria de acuerdo con las instrucciones recibidas del sistema maestro. Además, los PLC se pueden personalizar para cumplir requisitos operativos específicos.

Por ejemplo, SCADA puede ayudar a regular el flujo de agua en una instalación industrial. Los operadores podrían cambiar el punto de flujo establecido y establecer las condiciones para que se active una alarma en caso de temperatura alta o pérdida de flujo. En caso de que se acumule demasiada presión en la tubería, SCADA podría incluso comenzar a abrir automáticamente una válvula de escape. Finalmente, la condición de las operaciones se mostraría y registraría continuamente. SCADA ofrece monitoreo de rendimiento de extremo a extremo para cualquier ciclo de proceso.

Un sistema de hardware SCADA normalmente se puede clasificar en dos capas: la capa del cliente y la capa del servidor de datos. El primero permite las interacciones hombre-máquina, mientras que el segundo impulsa los procesos de datos.

Las RTU o los PLC permiten la comunicación entre los dispositivos y los servidores de datos en una configuración SCADA. Los PLC pueden conectarse directamente al servidor de datos o vincularse mediante redes y buses. La estación maestra y los diversos dispositivos se comunican mediante LAN o WAN.

Finalmente, los sensores se basan en RTU o PLC para convertir señales en datos digitales. Luego, la unidad maestra recibe estos datos y transmite la retroalimentación adecuada a las RTU, que aplican señales eléctricas a los dispositivos en consecuencia.

Los procesos SCADA, como la multitarea y la gestión de bases de datos en tiempo real, se gestionan a nivel de servidor. Además, los sistemas SCADA suelen constar de software para la visualización gráfica de datos de proceso (tendencias); información de diagnóstico; y gestión de datos, como mantenimiento programado, logística, esquemas detallados para dispositivos específicos y solución de problemas.

Estas capacidades permiten al personal ver una representación esquemática en tiempo real de las operaciones. Los ejemplos de procesos de software SCADA incluyen controles de alarma, registro, archivo y cálculos.

Ahora que estamos familiarizados con la descripción general de la arquitectura de SCADA, comprendamos los diversos tipos de sistemas SCADA.

Los primeros sistemas SCADA dependían de grandes minicomputadoras para el procesamiento. Los servicios de red estándar no existían entonces, lo que significaba que las soluciones SCADA eran generalmente sistemas independientes sin interconectividad de red.

Los protocolos de comunicación eran estrictamente propietarios. Un sistema mainframe de respaldo conectado a todos los sitios RTU fue la configuración preferida para la redundancia del sistema. Esta configuración se activaría en caso de que fallara el sistema mainframe principal.

En este tipo de SCADA, el procesamiento de información y comandos está descentralizado. La distribución se produce entre estaciones conectadas mediante LAN y el intercambio de datos se produce casi en tiempo real.

Se asigna una estación especializada para cada tarea, lo que ayuda a reducir costos en comparación con un SCADA monolítico. Los protocolos de red siguen siendo propietarios, por lo que determinar la seguridad de las instalaciones SCADA no es fácil. Sin embargo, la seguridad del sistema generalmente se pasó por alto cuando este tipo de SCADA era popular.

SCADA en red fue un paso por delante de la arquitectura distribuida, con sistemas SCADA complejos reducidos a sus componentes más básicos y vinculados mediante protocolos de comunicación abiertos.

En un diseño en red, los sistemas SCADA se pueden distribuir en varias redes de área local. Esto se conoce como red de control de procesos (PCN) y generalmente se extiende por una amplia área geográfica. Un SCADA en red podría ser simplemente una configuración con varios SCADA distribuidos que funcionan en paralelo, con un historiador y un supervisor. Tal configuración es rentable, especialmente para sistemas a gran escala.

Finalmente, los sistemas SCADA basados ​​en la web permiten a los usuarios ver e intercambiar datos y procesos de control sin importar la ubicación mediante una conexión SOCKET web. Un sistema SCADA web normalmente utiliza un navegador de Internet como su interfaz gráfica de usuario (GUI). Este tipo de SCADA es conocido por su implementación simplificada del lado del cliente. Los usuarios pueden acceder al sistema desde la mayoría de las plataformas, incluidos servidores, computadoras personales y teléfonos inteligentes.

Ahora que tenemos claro los tipos de sistemas SCADA, comprendamos los componentes incluidos en estos tipos.

Componentes de SCADA

El controlador de supervisión, también llamado unidad terminal maestra (MTU), desempeña el papel de un servidor de comunicaciones central. Está ubicado en el centro de control y gestiona el intercambio de información entre la interfaz hombre-máquina y las RTU, sensores, PLC y otros dispositivos.

Una sola computadora personal podría servir satisfactoriamente como controlador de supervisión en una configuración SCADA más pequeña. Sin embargo, la unidad terminal maestra para implementaciones SCADA más grandes generalmente incluye numerosos servidores, aplicaciones de software distribuidas y medidas para la recuperación ante desastres. Dicho sistema puede utilizar medidas de espera en caliente para garantizar que los procesos industriales críticos no se vean afectados en caso de falla del sistema.

Una unidad terminal remota (RTU), o una unidad de telemetría remota, es un dispositivo electrónico utilizado para la telemetría remota y el control de procesos. Estos dispositivos basados ​​en microprocesadores están conectados con transmisores, sensores, monitores y otros dispositivos en el sitio remoto.

Las RTU recopilan y transmiten datos al centro de control, donde se monitorean y procesan. La transmisión de datos entre las RTU y la estación central generalmente ocurre cuando se usan puertos seriales como RS232.

Un controlador lógico programable (PLC) es un dispositivo electrónico de estado sólido que puede controlar equipos y procesos del sistema al reemplazar la RTU. Está vinculado a los sensores y convierte su salida en una señal digital.

Un PLC presenta un diseño más simple y un proceso de instalación más sencillo que una RTU. Los PLC también son más fiables y económicos. Además, son más compactos y ocupan menos espacio que los RTU. Finalmente, la solución de problemas es fácil y rápida en caso de errores.

Una interfaz hombre-máquina (HMI) muestra información generalmente como una representación gráfica del sistema SCADA para el monitoreo y control por parte de operadores humanos. Los empleados usan HMI para acceder a unidades de control como PLC y RTU.

Los HMI están diseñados idealmente para ser simples e intuitivos. Por ejemplo, una representación gráfica de una bomba conectada a un tanque de agua sería visible en la HMI, y el usuario humano podría ver el flujo de agua en tiempo real y su presión.

El sistema de alarma es fundamental para un sistema HMI y puede activarse en función de valores predefinidos. En el ejemplo del tanque de agua, un operador humano podría establecer la alarma de nivel de agua en 80 % y 90 %. La alarma daría una advertencia estándar una vez que el nivel del agua cruce el 80%. Se activaría una alarma crítica si el nivel del agua supera el 90 % y se abriría automáticamente una válvula de escape.

Los dispositivos electrónicos inteligentes incluyen controladores, reguladores y relés basados ​​en microprocesadores. Estos dispositivos son capaces de comunicarse en serie con los otros dispositivos dentro del sistema SCADA.

Los dispositivos electrónicos inteligentes pueden transmitir y recibir datos de dispositivos externos y controlar o ser controlados por ellos. Los dispositivos externos incluyen transductores, relés, unidades de control y dispositivos similares.

Un servidor de gestión de red (NMS) supervisa el hardware y el software de la red para el sistema SCADA. El administrador de la red y el NMS son responsables de administrar los componentes individuales de la red.

NMS registra datos de componentes remotos, que luego se informan al administrador del sistema. Las funciones realizadas por NMS incluyen monitoreo de dispositivos, análisis de rendimiento, detección y administración de dispositivos y análisis de alertas y notificaciones.

Los sistemas SCADA aprovechan una combinación de conexiones de radio, cable directo e Internet para la transferencia de datos. En el caso de implementaciones a gran escala, como en centrales eléctricas y ferrocarriles, también se pueden utilizar ONET o SDH.

HMI y MTU usan programación para generar mapas y diagramas para proporcionar información crítica sobre operaciones regulares y fallas de eventos. Los sistemas SCADA comerciales generalmente usan programación C o un lenguaje de programación derivado.

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Los sistemas SCADA son una parte indispensable de la mayoría de las configuraciones industriales modernas. Sin embargo, no son impecables. Como tal, es crucial comprender más sobre los pros y los contras de SCADA.

Pros y contras de SCADA

Comencemos analizando las ventajas de las soluciones SCADA.

Los sistemas SCADA mantienen las operaciones industriales seguras y optimizadas al proporcionar información en tiempo real sobre el estado de todos los dispositivos y procesos críticos. Gracias a SCADA, los operadores pueden identificar y abordar rápidamente problemas potenciales, asegurando así una sólida continuidad del negocio.

SCADA proporciona una interfaz centralizada para que el personal de operaciones controle y monitoree todos los dispositivos y procesos críticos desde una ubicación. Los equipos de operaciones pueden ajustar rápida y eficientemente cualquier parte del sistema unificado.

Los sistemas SCADA son, por diseño, altamente confiables y eficientes. SCADA impulsa la operación continua de los procesos críticos, lo cual es vital para garantizar la confiabilidad de las operaciones industriales. Los sistemas SCADA pueden seguir funcionando incluso durante la falla de un componente u otros errores del sistema.

Además, SCADA automatiza varias tareas cruciales que forman parte del monitoreo y control de operaciones a gran escala. Al eliminar la dependencia de la intervención humana y, por lo tanto, la posibilidad de error humano, SCADA aumenta la eficiencia y mejora la velocidad y precisión del proceso.

Finalmente, los sistemas SCADA vienen con soporte para funcionalidades de acceso remoto. El personal de operaciones puede usar SCADA para controlar y monitorear procesos industriales desde cualquier dispositivo seguro con una conexión a Internet confiable. Esto es especialmente útil para administrar y monitorear equipos de difícil acceso o de alto riesgo.

Los sistemas SCADA tienen muchas ventajas esenciales. Sin embargo, también tienen algunas desventajas notables.

La consideración inmediata que enfrentan las empresas que adoptan una solución SCADA es su alto costo. Las implementaciones de SCADA pueden ser costosas porque generalmente necesitan varias unidades de hardware especializado, software personalizado y la capacitación de operadores humanos para el uso diario y el mantenimiento regular.

Además de esto, los sistemas SCADA suelen ser críticos para las operaciones industriales. Por lo tanto, cualquier forma de tiempo de inactividad o falla en estos sistemas puede resultar costosa. Esto se debe a que las reparaciones serían costosas, al igual que el costo del tiempo de inactividad de apagar los procesos afectados.

Sin la capacitación adecuada, los sistemas SCADA pueden ser bastante complicados y complejos de usar. Una implementación de SCADA requiere conocimientos especializados para que los operadores lo utilicen de manera efectiva. Incluso los operadores bien capacitados deben realizar operaciones de mantenimiento complejas de manera rápida y eficiente para mantener el sistema en funcionamiento. Responder a los problemas puede ser complicado, ya que las configuraciones de SCADA (hardware y software) suelen tener un diseño complejo.

Aparte de esto, una configuración SCADA generalmente se personaliza de acuerdo con el entorno industrial exacto que controla y administra. Esto hace que estas soluciones sean difíciles de actualizar o modificar una vez implementadas. Hacerlo generalmente requiere experiencia especializada, e incluso entonces, los usuarios deben estar preparados para posibles interrupciones en sus operaciones.

Los sistemas SCADA no son inmunes a los ciberataques. El riesgo de ciberseguridad en estas soluciones surge porque SCADA está conectado a redes como LAN, WAN o Internet. Si no se siguen las prácticas correctas de seguridad de la red, las implementaciones de SCADA pueden ser vulnerables al acceso no autorizado. Esto podría conducir a un control o manipulación no deseados de los procesos industriales, lo que puede poner en riesgo la vida y la propiedad.

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SCADA se ha vuelto indispensable para administrar y controlar procesos industriales y garantizar una productividad segura y sin problemas. Con numerosas opciones en el mercado actual, veamos algunas de las mejores soluciones de software SCADA.

SIMATIC es una solución SCADA que se especializa en la transparencia de la planta y la maximización de la productividad. Sus características más destacadas incluyen apertura, innovación, escalabilidad y visualización de procesos.

Este software comprende varios atributos de alto rendimiento que permiten el monitoreo continuo de procesos automatizados. Es útil para sistemas multiusuario distribuidos y monousuario que incluyen servidores redundantes.

El sistema abierto Siemens SIMATIC tiene todas las funciones típicamente requeridas para aplicaciones industriales. Puede visualizar tareas y aplicaciones SCADA de alta complejidad. Además, viene con una solución SCADA móvil para teléfonos inteligentes y tabletas. Los usuarios también pueden ampliar la funcionalidad del sistema mediante complementos.

GENESIS64 es una suite HMI avanzada para Microsoft Windows y puede ofrecer un alto rendimiento sobre conectividad estándar como OPC, Modbus y BACnet. Utilizando la tecnología OPC UA, se enfoca en brindar conectividad ininterrumpida desde las instalaciones del edificio y los pisos de la planta hasta los sistemas corporativos.

ICONICS GENESIS64 permite monitorear datos en tiempo real de los frentes de fabricación, energía y negocios en un panel de visualización centralizado. Otras características incluyen un sistema de alarma distribuido en toda la empresa, gráficos 2D y 3D, la capacidad de exportar configuraciones actualizadas y tendencias y registros históricos.

CIMPLICITY de General Electric se especializa en HMI de alto rendimiento optimizado para la eficiencia del operador. Aparte de sus capacidades de visualización avanzadas, esta solución también es preferida por su capacidad para ayudar en la reducción de riesgos para los procedimientos de gestión de la planta. Sus características clave incluyen la recopilación segura de datos, la adaptabilidad a diferentes fuentes de datos y sólidas capacidades de control y monitoreo. Además de esto, la HMI y los paneles admiten visualización nativa y basada en HTML5.

GE CIMPLICITY también cuenta con un sistema de alarma en profundidad para la detección de anomalías. Aparte de esto, la funcionalidad de esta solución se puede ampliar utilizando API y secuencias de comandos para configuraciones personalizadas y adquisición de datos. También es conocido por su alta disponibilidad, tiempo de actividad las 24 horas y redundancia.

CIMPLICITY ofrece a los usuarios un panel de operaciones con todos los KPI y datos de cumplimiento para la generación de informes. También presenta un proceso de configuración fácil, ya que admite entornos híbridos y de nube.

Adroit Ignite presenta una HMI sofisticada y alta flexibilidad, escalabilidad, velocidad y facilidad de uso. Está diseñado para Microsoft Windows y tiene una funcionalidad avanzada para usuarios experimentados. Este software es apto para empresas de automóviles, alimentos y bebidas, servicios públicos, ciencias de la vida, telecomunicaciones, IoT, fabricación y gestión de edificios.

Una característica clave de esta solución es su barra de herramientas de cinta intuitiva que ayuda a mejorar la productividad del usuario. Sus aplicaciones Operador y Diseñador son compatibles en línea, lo que lo hace útil tanto para aplicaciones locales como en la nube.

Ignition es una herramienta SCADA potente y flexible para la automatización y el control industrial. Los aspectos más destacados incluyen herramientas de secuencias de comandos, un diseñador de arrastrar y soltar y soporte integrado para numerosos protocolos industriales.

Las interfaces Java, SQL y basadas en la web impulsan el encendido mediante la automatización inductiva. Se integra fácilmente con otros sistemas y es compatible con la visualización y el análisis de datos en tiempo real. La seguridad sólida y la escalabilidad hacen que esta solución sea adecuada para proyectos de toda escala.

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SCADA es un componente crucial de la fabricación moderna. Agiliza la producción, mejora la eficiencia y reduce los costos. SCADA también mejora el control de desastres, el mantenimiento de la maquinaria y la precisión del proceso.

Existen varias soluciones de software SCADA en el mercado, y elegir la correcta depende de las necesidades comerciales específicas de una empresa. La herramienta SCADA debe garantizar un control óptimo sobre los pisos de producción, los suministros de servicios públicos y otras instalaciones, al mismo tiempo que asegura equipos y resultados costosos.

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Fuente de la imagen: Shutterstock

Escritor técnico