Un sistema de control industrial ( ICS ) es un sistema de control electrónico y la instrumentación asociada que se utiliza para el control de procesos industriales . Los sistemas de control pueden variar en tamaño desde unos pocos controladores modulares montados en paneles hasta grandes sistemas de control distribuido (DCS) interconectados e interactivos con miles de conexiones de campo. Los sistemas de control reciben datos de sensores remotos que miden 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 DCS, y controladores lógicos programables (PLC), aunque los sistemas SCADA y PLC son escalables hasta sistemas pequeños con pocos bucles de control. [1] Estos sistemas se utilizan ampliamente en industrias como la de procesamiento químico, la fabricación de pulpa y papel, la generación de energía, el procesamiento de petróleo y gas y las telecomunicaciones.
Los sistemas de control más simples se basan en pequeños controladores discretos con un único bucle de control cada uno. Suelen estar montados en un 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 serían controladores neumáticos, algunos de los cuales todavía se utilizan, pero ahora 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 conexión en red permite el uso de interfaces de operador SCADA locales o remotas y permite la conexión en cascada y el enclavamiento de controladores. Sin embargo, a medida que aumenta el número de bucles de control para 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) es más manejable o rentable.
Un sistema de control distribuido (DCS) es un sistema de control de procesos digital (PCS) para un proceso o planta, en el que las funciones del controlador y los módulos de conexión de campo están distribuidos por todo el sistema. A medida que crece el número de bucles de control, el DCS se vuelve más rentable que los controladores discretos. Además, un DCS proporciona visualización y gestión de supervisión 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 monitoreo y control local en planta.
Un DCS permite una fácil configuración de los controles de la planta, como bucles en cascada y enclavamientos, y una fácil interfaz con otros sistemas informáticos, como el control de producción . [2] 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 con respecto al equipo que se controla para reducir el cableado.
Un DCS normalmente utiliza procesadores diseñados a medida 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 sensores 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, bucle de corriente o señales de 2 estados que se encienden o apagan , 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 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 del operador que permiten el monitoreo y la emisión de comandos de proceso, como cambios de puntos de ajuste del controlador, se manejan 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 de proceso. [3]
El concepto SCADA fue desarrollado 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 cuanto a su funcionamiento, pero utilizan múltiples medios de interfaz con la planta. Pueden controlar procesos a gran escala que pueden incluir múltiples sitios y trabajar a grandes distancias. [4] Esta es una arquitectura de sistemas de control industrial de uso común; sin embargo, existen preocupaciones acerca de que los sistemas SCADA sean vulnerables a ataques de ciberguerra o ciberterrorismo . [5]
El software SCADA opera a nivel de supervisión ya que las acciones de control las realizan automáticamente las RTU o los PLC. Las funciones de control SCADA generalmente están restringidas a intervención básica a nivel de anulación o supervisión. Un bucle de control de retroalimentación está controlado directamente por la RTU o el PLC, pero el software SCADA monitorea el rendimiento 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 establecido, pero el software del sistema SCADA permitirá a los operadores cambiar los puntos establecidos para el flujo. El SCADA también permite mostrar y registrar condiciones de alarma, como pérdida de flujo o temperatura alta.
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 miles de E/S y que a menudo están conectados en red a otros. Sistemas PLC y SCADA. Pueden diseñarse para múltiples disposiciones 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 normalmente se almacenan en una memoria no volátil o con respaldo de batería .
El control de procesos de las grandes plantas industriales ha evolucionado a través de muchas etapas. Inicialmente el control se realizaba desde paneles locales hasta la planta de proceso. Sin embargo, esto requirió personal para atender a estos paneles dispersos y no había 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 automáticas y manuales 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, si bien proporcionaba un enfoque de control central, esta disposición era inflexible ya que cada bucle de control tenía su propio hardware de controlador, por lo que los cambios en el sistema requerían la reconfiguración de las señales mediante la reconexión de las tuberías o el cableado. También requirió un 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 distribuirse por la planta y comunicarse con los displays gráficos de la sala de control. Se hizo realidad el concepto de control distribuido .
La introducción del control distribuido permitió una interconexión y reconfiguración flexible de los controles de la planta, como bucles en cascada y enclavamientos, y la interconexión 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 bastidores 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 sistemas de control grandes, el nombre comercial general sistema de control distribuido (DCS) se acuñó para referirse a 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 grandes procesos industriales continuos, en industrias donde la lógica combinatoria y secuencial era el requisito principal, el PLC evolucionó a partir de la necesidad de reemplazar los bastidores de relés y temporizadores utilizados para el control impulsado por eventos. Los controles antiguos eran difíciles de reconfigurar y depurar, y el control PLC permitía conectar señales en red 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. [6] Pronto se adoptó en una gran cantidad de otras aplicaciones impulsadas por eventos tan variadas como imprentas y plantas de tratamiento de agua.
La historia de SCADA tiene sus raíces en aplicaciones de distribución, como tuberías de energía, gas natural y agua, donde existe la necesidad de recopilar datos remotos a través de enlaces de alta latencia y bajo ancho de banda potencialmente poco confiables o intermitentes. Los sistemas SCADA utilizan control de bucle abierto con sitios que están ampliamente 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 tuvieron cierta 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 están difuminando a medida que pasa el tiempo. [7] Los límites técnicos que impulsaron los diseños de estos diversos sistemas ya no son un gran problema. Muchas plataformas 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 un 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 luego se convertiría en IEC-61131-3 , la industria avanzó hacia una mayor estandarización de códigos con software de control reutilizable e independiente del hardware. Por primera vez, la programación orientada a objetos (OOP) fue posible dentro de los sistemas de control industrial. Esto llevó al desarrollo tanto de controladores de automatización programables (PAC) como de PC industriales (IPC). Se trata de plataformas programadas en los cinco lenguajes estandarizados 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 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, combinados con una pantalla táctil como una PC de panel o como una PC integrada. Las nuevas plataformas y tecnologías de hardware han contribuido significativamente a la evolución de los sistemas DCS y SCADA, desdibujando aún más los límites y cambiando las definiciones.
SCADA y PLC son vulnerables a los ciberataques. La Demostración de tecnología de capacidad conjunta (JCTD) del gobierno de EE. UU. conocida como MOSAICS (Más conciencia situacional para sistemas de control industrial) es la demostración inicial de la capacidad defensiva de ciberseguridad para sistemas de control de infraestructura crítica. [8] MOSAICS aborda la necesidad operativa del Departamento de Defensa (DOD) de capacidades de defensa cibernética para defender los sistemas de control de infraestructura crítica de ataques cibernéticos, como la energía, el agua y las aguas residuales, y los controles de seguridad que afectan el entorno físico. [9] El prototipo MOSAICS JCTD se compartirá con la industria comercial a través de Industry Days para una mayor investigación y desarrollo, un enfoque destinado a conducir a capacidades innovadoras y revolucionarias para la ciberseguridad de los sistemas de control de infraestructura crítica. [10]
Este artículo incorpora material de dominio público del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología.