Sistema de control industrial

Un sistema de control industrial ( SCI ) es un sistema de control electrónico y su instrumentación asociada , utilizados para el control de procesos industriales . Los sistemas de control pueden variar en tamaño, desde unos pocos controladores modulares montados en panel hasta grandes sistemas de control distribuido (SCD) interconectados e interactivos con miles de conexiones de campo. Los sistemas de control reciben datos de sensores remotos que miden las variables de proceso (VP), comparan los datos recopilados con los puntos de ajuste deseados (PA) y derivan funciones de comando que se utilizan para controlar un proceso a través de los elementos de control final (ECF), como las válvulas de control .

Los sistemas de mayor tamaño suelen implementarse mediante sistemas de control y adquisición de datos (SCADA), o DCS, y controladores lógicos programables (PLC), aunque los sistemas SCADA y PLC pueden adaptarse a sistemas pequeños con pocos bucles de control. ^{[ 1 ]} Estos sistemas se utilizan ampliamente en industrias como el procesamiento químico, la fabricación de pulpa y papel, la generación de energía, el procesamiento de petróleo y gas, y las telecomunicaciones.

El control de procesos en grandes plantas industriales ha evolucionado a través de diversas etapas. Inicialmente, el control se realizaba desde paneles ubicados en la propia planta. Sin embargo, esto requería personal para atender estos paneles dispersos, y no se disponía de una visión global del proceso. El siguiente paso lógico fue la transmisión de todas las mediciones de la planta a una sala de control central con personal permanente. A menudo, los operadores se encontraban detrás de los paneles de la sala de control, y todas las señales de control, tanto automáticas como manuales, se transmitían individualmente a la planta mediante señales neumáticas o eléctricas. En la práctica, esto supuso la centralización de todos los paneles locales, con las ventajas de una menor necesidad de personal y una visión general consolidada del proceso.

Sin embargo, si bien este sistema proporcionaba un punto de control centralizado, resultaba inflexible, ya que cada bucle de control contaba con su propio hardware de controlador. Por ello, los cambios en el sistema requerían la reconfiguración de las señales mediante el recableado o la modificación de las tuberías. Además, exigía el desplazamiento constante de los operarios dentro de una amplia sala de control para supervisar 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 sustituir estos controladores discretos por algoritmos informáticos, alojados en una red de bastidores de entrada/salida con sus propios procesadores de control. Estos podían distribuirse por toda la planta y comunicarse con las pantallas gráficas de la sala de control. Así se materializó el concepto de control distribuido .

La introducción del control distribuido permitió la interconexión y reconfiguración flexible de los controles de planta, como bucles en cascada y enclavamientos, así como la interfaz con otros sistemas informáticos de producción. Facilitó la gestión sofisticada de alarmas, introdujo el registro automático de eventos, eliminó la necesidad de registros físicos como registradores gráficos, permitió la interconexión de los racks de control y su ubicación local en la planta para reducir el cableado, y proporcionó una visión general de alto nivel del estado de la planta y los niveles de producción. Para los grandes sistemas de control, se acuñó el nombre comercial general de sistema de control distribuido (DCS, por sus siglas en inglés) para referirse a los sistemas modulares propietarios de muchos fabricantes que integraban redes de alta velocidad y un conjunto completo de pantallas y racks de control.

Si bien el DCS se diseñó para satisfacer las necesidades de grandes procesos industriales continuos, en industrias donde la lógica combinacional y secuencial era el requisito principal, el PLC surgió de la necesidad de reemplazar los conjuntos de relés y temporizadores utilizados para el control basado en eventos. Los controles antiguos eran difíciles de reconfigurar y depurar, y el control PLC permitió la interconexión de señales a un área de control central con pantallas electrónicas. Los PLC se desarrollaron inicialmente para la industria automotriz en las líneas de producción de vehículos, donde la lógica secuencial se estaba volviendo muy compleja. ^{[ 2 ]} Pronto se adoptó en un gran número de otras aplicaciones basadas en eventos tan diversas como imprentas y plantas de tratamiento de agua.

La historia de SCADA se remonta a aplicaciones de distribución, como las de energía eléctrica, gas natural y agua potable, donde es necesario recopilar datos remotos a través de enlaces de bajo ancho de banda y alta latencia, potencialmente poco fiables o intermitentes. Los sistemas SCADA utilizan control de bucle abierto con sitios geográficamente muy distantes. 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 cierta capacidad para gestionar el control local cuando la estación maestra no está disponible. Sin embargo, con el paso de los años, los sistemas RTU han desarrollado una mayor capacidad para gestionar el control local.

Con el paso del tiempo, los límites entre los sistemas DCS y SCADA/PLC se difuminan. ^{[ 3 ]} Las limitaciones técnicas que condicionaron el diseño de estos sistemas ya no representan un problema tan importante. Muchas plataformas PLC ahora funcionan bastante bien como un pequeño DCS, utilizando E/S remotas, y son lo suficientemente fiables como para que algunos sistemas SCADA gestionen el control de bucle cerrado a largas distancias. Gracias a la creciente velocidad de los procesadores actuales, muchos productos DCS cuentan con una gama completa de subsistemas similares a los PLC que no se ofrecían cuando se desarrollaron inicialmente.

En 1993, con la publicación de la norma IEC-1131, que más tarde se convertiría en la 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 (POO) se hizo posible en 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 estandarizados de la IEC: lógica de escalera, texto estructurado, bloque de funciones, lista de instrucciones y diagrama de funciones secuenciales. 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 contar con potentes procesadores multinúcleo con costes de hardware mucho menores que los PLC tradicionales y se adaptan bien a múltiples formatos, como montaje en riel DIN, combinados con una pantalla táctil como PC de panel o como PC embebido. Las nuevas plataformas de hardware y la tecnología han contribuido significativamente a la evolución de los sistemas DCS y SCADA, difuminando aún más los límites y cambiando las definiciones.

Los sistemas de control más sencillos se basan en pequeños controladores discretos con un único bucle de control cada uno. Suelen montarse en un panel, lo que permite visualizar directamente el panel frontal y facilita la intervención manual del operador, ya sea para controlar el proceso o para modificar los puntos de ajuste. Originalmente, se trataba de controladores neumáticos, algunos de los cuales todavía se utilizan, pero actualmente casi todos son electrónicos.

Se pueden crear sistemas bastante complejos con redes de estos controladores que se comunican mediante protocolos estándar de la industria. La interconexión en red permite el uso de interfaces de operador SCADA locales o remotas y posibilita la conexión en cascada y el enclavamiento de los controladores. Sin embargo, a medida que aumenta el número de bucles de control en el diseño de un sistema, llega un punto en el que el uso de un controlador lógico programable (PLC) o un sistema de control distribuido (DCS) resulta más manejable o rentable.

Un sistema de control distribuido (DCS) es un sistema de control de procesos digitales (PCS) para un proceso o planta, donde las funciones del controlador y los módulos de conexión de campo se distribuyen por todo el sistema. A medida que aumenta el número de bucles de control, el DCS resulta 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 mediante redes de comunicación , lo que permite salas de control centralizadas y monitorización y control local en la planta. ^{[ 4 ]}

Un DCS permite una fácil configuración de los controles de la planta, como bucles en cascada e interbloqueos, y una fácil interfaz con otros sistemas informáticos, como el control de producción . ^{[ 5 ]} También permite un manejo de alarmas más sofisticado, introduce el registro automático de eventos, elimina la necesidad de registros físicos como registradores gráficos y permite que el equipo de control se conecte en red y, por lo tanto, se ubique localmente al equipo que se controla para reducir el cableado.

Un sistema de control distribuido (DCS) suele utilizar procesadores diseñados a medida como controladores y emplea interconexiones propietarias o protocolos estándar para la comunicación. Los módulos de entrada y salida constituyen los componentes periféricos del sistema.

Los procesadores reciben información de los módulos de entrada, la procesan 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 señales analógicas que cambian continuamente , por ejemplo, un bucle de corriente , o señales de dos estados que se activan o desactivan , como los contactos de un 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 errores y señales de estado.

El control de supervisión y 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 la monitorización y la emisión de comandos de proceso, como cambios en los puntos de ajuste del controlador, se gestionan a través del sistema informático 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 del proceso. ^{[ 6 ]}

El concepto SCADA se desarrolló como un medio universal de acceso remoto a diversos módulos de control locales, que podían ser de diferentes fabricantes, permitiendo el acceso mediante protocolos de automatización estándar . En la práctica, los grandes sistemas SCADA han evolucionado hasta asemejarse mucho a los sistemas de control distribuido en su funcionamiento, pero utilizando múltiples medios de interfaz con la planta. Pueden controlar procesos a gran escala que pueden incluir múltiples ubicaciones y operar a grandes distancias. ^{[ 7 ]} Esta es una arquitectura comúnmente utilizada en sistemas de control industrial; sin embargo, existen preocupaciones sobre la vulnerabilidad de los sistemas SCADA a ataques de ciberguerra o ciberterrorismo . ^{[ 8 ]}

El software SCADA opera a nivel de supervisión, ya que las RTU o los PLC realizan automáticamente las acciones de control . Las funciones de control SCADA suelen limitarse a la anulación básica o a la intervención a nivel de supervisión. Un bucle de control de retroalimentación es controlado directamente por la RTU o el PLC, pero el software SCADA supervisa el rendimiento general del bucle. Por ejemplo, un PLC puede controlar el flujo de agua de refrigeración a través de una parte de un proceso industrial hasta un nivel de consigna, pero el software del sistema SCADA permitirá a los operadores modificar los puntos de consigna del flujo. El SCADA también permite visualizar y registrar condiciones de alarma, como la pérdida de flujo o la alta temperatura.

Los PLC pueden variar desde pequeños dispositivos modulares con decenas de entradas y salidas (E/S) en una carcasa integrada con el procesador, hasta grandes dispositivos modulares montados en rack con miles de E/S, que a menudo se conectan en red con otros sistemas PLC y SCADA. Se pueden diseñar 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 suelen almacenarse en memoria no volátil o con respaldo de batería . ^{[ 9 ]}

Los sistemas SCADA y PLC son vulnerables a los ciberataques. La Demostración Conjunta de Tecnología de Capacidades (JCTD) del Gobierno de EE. UU. , conocida como MOSAICS (Mayor Conciencia Situacional para Sistemas de Control Industrial), es la demostración inicial de la capacidad defensiva de ciberseguridad para sistemas de control de infraestructura crítica. ^{[ 10 ]} MOSAICS aborda la necesidad operativa del Departamento de Defensa (DOD) de capacidades de ciberdefensa para proteger los sistemas de control de infraestructura crítica de los ciberataques, como los controles de energía, agua y aguas residuales, y seguridad, que afectan al entorno físico. ^{[ 11 ]} El prototipo MOSAICS JCTD se compartirá con la industria comercial a través de Jornadas de la Industria para su posterior investigación y desarrollo, un enfoque destinado a generar capacidades innovadoras y revolucionarias para la ciberseguridad de los sistemas de control de infraestructura crítica. ^{[ 12 ]}

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• Guía de seguridad para 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, Informática y Tecnología: The Open University . Archivado (PDF) del original el 20 de junio de 2018. Consultado el 20 de junio de 2018 .

• "Nueva era de controladores industriales" . Archivado del 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.