Artículo técnico Los beneficios de las arquitecturas basadas en objetos para los sistemas de supervisión y SCADA Autor: Steven D. Garbrecht, Vicepresidente de comercialización de aplicaciones avanzadas y software, Invensys Operations Management Qué contiene: 1.Resumen 2.Introducción 3. Sistemas basados en objetos versus sistemas basados en Tags 4. Los objetos ayudan a impulsar la consistencia y a fortalecer las mejores prácticas 5. Desarrollar una vez, usar muchas veces 6. Gráficos HMI orientados a objetos 7. Ventajas de desarrollo de las arquitecturas basadas en objetos 8. Ahorros en el ciclo de vida 9. Desarrollo basado en objetos en el futuro 10.Resumen Los beneficios de las arquitecturas basadas en objetos para los sistemas de supervisión y SCADA 1. Resumen La mayoría de las instalaciones industriales de la actualidad utilizan SCADA y las aplicaciones HMI (interfaz hombre-máquina) de supervisión basadas en arquitecturas tradicionales basadas en etiquetas. Sin embargo, las arquitecturas basadas en objetos tecnológicamente maduras y fácilmente disponibles pueden ofrecer ahorros de costos de hasta un 80% por sobre los sistemas basados en Tags. Los cálculos de costos se explican y se demuestran. Otros beneficios de las arquitecturas de objetos incluyen un cumplimiento más fácil de mejores prácticas en emprendimiento industriales en múltiples lugares, información de rendimiento de la planta más consistente y una capacidad de mantenimiento y jerarquización del sistema ampliamente mejorado. 2. Introducción Las arquitecturas de software basadas en objetos han estado entre nosotros durante muchos años en el mundo informático comercial. Ahora estas arquitecturas están siendo aplicadas en controles de procesos y aplicaciones SCADA para ofrecer beneficios operacionales y económicos significativos. En este ensayo analizaremos a qué nos referimos con arquitecturas basadas en objetos, de qué manera mejoran el desarrollo de aplicaciones HMI y SCADA y de qué manera puede usted calcular ahorros potenciales por sobre los sistemas tradicionales basados en Tags. 3. Sistemas basados en objetos versus sistemas basados en Tags i. Sistemas basados en Tags Desde el inicio de los sistemas de supervisión y HMI basados en PC, el acceso a los datos de proceso, los sistemas de scripting, alarmas y análisis de datos han estado basados en el concepto de Tags. Estos sistemas usan una lista “plana” de tags con jerarquía incorporada, relaciones o interdependencias. Los cambios grandes y a nivel mundial a la base de datos del sistema de tags se realizan generalmente de manera externa a la aplicación, generalmente a través de un archivo de texto o a través de herramientas como Microsoft Excel®. Una vez que los cambios se han realizado se importan a una base de datos en la aplicación. El nuevo uso de ingeniería en un sistema basado en tags está comúnmente instituido a través de referencias servidor-cliente o dinámicas. El sistema crea gráficos comunes que contienen secuencias de comandos que cambian los tags en el tiempo de ejecución. Debido a que la estructura de la aplicación es plana, el usuario debe luego cambiar cada tag en el sistema y analizar cómo el cambio afecta el resto de la aplicación. El mantenimiento de aplicaciones basadas en tags generalmente implica un análisis de tag por tag y la actualización puede consumir un importante consumo de mano de obra. Debido a que los cambios del sistema consumen tiempo y generalmente implican el uso de mano de obra externa, las mejoras a los sistemas basados en tags son limitadas. ii. Sistemas basados en objetos El concepto de desarrollo orientado a objetos se originó en el mundo de la tecnología de la información (IT). El objetivo era brindar herramientas que liberaran al desarrollador de las tareas de programación repetitivas y mundanas, y que a la vez se maximizara el nuevo uso de códigos a través del desarrollo de objetos comunes de software. Como sería de esperar, estas herramientas no se ajustan exactamente al entorno industrial. Por una cosa, los integradores de sistemas y los ingenieros de producción no son generalmente programadores informáticos. Además, existen algunas diferencias claves arquitectónicas entre las aplicaciones de automatización de producción y la tecnología de la información. Por ejemplo, las aplicaciones de IT generalmente implican el acceso a bases de datos desde interfaces basadas en formas y no deterministas que logran cosas como acceso bancario en línea, creación de informes comerciales, gestión de RR. HH., contabilidad financiera o búsquedas estáticas de información. A la inversa, el control de supervisión, los sistemas de ejecución de manufactura (MES) y las aplicaciones de inteligencia de planta implican la adquisición de datos de proceso en tiempo real; el desarrollo de cálculos sofisticados para determinar valores de producción y flujos; la muestra de datos en tiempo real en las pantallas del operador o proceso de creación de informes o herramientas de análisis; y el almacenamiento de estos datos para procesar bases de datos relacionadas con la producción o historiadores. Página 1 Los beneficios de las arquitecturas basadas en objetos para los sistemas de supervisión y SCADA Los dos entornos son lo suficientemente diferentes como para establecer que las herramientas basadas en objetos sean deliberadamente construidas para el entorno industrial. La ArchestrA® System Platform usa una arquitectura basada en objetos llamada ArchestrA. Está específicamente diseñada para clientes industriales que desarrollan, gestionan y mantienen sistemas de supervisión. iii. Comparación de los dos sistemas La tabla siguiente compara las arquitecturas basadas en objetos y basadas en tags Arquitectura basada en objetos Desarrollo Estructura de la aplicación Jerárquica - Objetos creados usando una metodología de flujo de trabajo orientado hacia los objetos Tiempo de ejecución Arquitectura basada en tags Desarrollo Tiempo de ejecución Jerárquica - Los componentes representan dispositivos físicos y pueden coordinarse con componentes en diferentes computadoras Jerárquica Contenido gráfico creado en ocasiones usando orientación hacia objetos Plana– Ejemplos monolíticos de software ejecutado en una/múltiples máquina/s como “aplicaciones” separadas Desarrollo de Realizado último gráficos N/A Realizado primero N/A Scripting Desarrollado en plantillas de objetos luego se despliega en una aplicación de tiempo de ejecución específico N/A Desarrollado de manera separada, vinculado a una interfaz gráfica N/A Estándares Estrictamente cumplidos N/A No son estrictamente cumplidos N/A Cambios de aplicación Propagados desde plantillas de objetos Los objetos pueden distribuirse, intercambiarse o mejorarse Basados en gráficos o cambiados usando herramientas como Excel Exige la recopilación de la aplicación Cómo se procesan los datos Los constructos lógicos tales como los dispositivos físicos (por ej. válvulas o bombas) o dispositivos lógicos (por ej. cálculos o lazos PID) se representan como objetos N/A Los dispositivos gráficos se representan como objetos o tags N/A Página 2 Los beneficios de las arquitecturas basadas en objetos para los sistemas de supervisión y SCADA 4. Los objetos ayudan a impulsar la consistencia y a fortalecer las mejores prácticas En las aplicaciones SCADA basadas en objetos, los objetos de las aplicaciones contienen aspectos o parámetros asociados con el bien que representan. Por ejemplo, un objeto de una válvula puede contener todos los eventos, alarmas, seguridad, cálculos, recolección de datos, integraciones, comunicaciones y scripting asociados con el activo. Los objetos no solo representan el equipo de la planta. Pueden incluir cálculos, métodos de acceso a base de datos, indicadores claves de rendimiento (KPI), eventos de control de condición, operaciones de transferencia de datos ERP, procedimientos de operador móvil, actividades de flujo de trabajo y tareas MES. Todos estos objetos pueden ser estandarizados y usados en todas las aplicaciones de supervisión para impulsar consistencia en la operación y diseño del sistema. Por ejemplo, un objeto de solicitud de trabajo estandarizado puede ser creado luego se agrega a un activo de una planta, tal como una bomba dentro de una aplicación de supervisión garantizando un enfoque consistente y estandarizado para la iniciación de las solicitudes de trabajo. Entradas/salidas Objetos de la válvula Alarmas/Eventos Seguridad Historia Figure 1: una plantilla de un objeto contiene información valiosa sobre Alarmas/Eventos, Seguridad, Historia, SCADA, Scripting y Salidas/Entradas. Las instalaciones industriales controladas por un sistema de supervisión moderno comparten un conjunto de características comunes: • Equipo y dispositivos de la planta • Procedimientos de operación • Medidas de procesos • Cálculos • Pantallas gráficas del operador Las arquitecturas basadas en objetos facilitan un enfoque tipo clónico para el diseño del sistema de supervisión, en el que la funcionalidad del sistema tal como las características mencionadas antes pueden ser encapsuladas en plantillas de objetos, duplicadas y unidas para formar un sistema de supervisión completo. Página 3 Los beneficios de las arquitecturas basadas en objetos para los sistemas de supervisión y SCADA Una ventaja clave del enfoque basado en objetos es este concepto de plantillas de objetos. A continuación se incluye una representación gráficas de cómo las plantillas de objetos permiten un diseño de sistema rápido y la propagación de cambios. Plantilla de objeto (desarrollo) Componentes (tiempo de ejecución) Replicación Propagación de cambios Válvula de diafragma Válvula de diafragma Válvula de diafragma Válvula de diafragma Válvula energizada Válvula energizada Válvula energizada Válvula energizada Figure 2: réplica de objetos y propagación de cambios La primea fila de la Figura 2 muestra la réplica de una plantilla de objeto que representa una válvula de diafragma y todas sus características inherentes. La replicación es el proceso donde los componentes e instancias se crean a partir de plantillas de objetos. La próxima fila ilustra cómo un cambio a una característica de la válvula (activación manual para una activación energizada) se propaga a todas las instancias del objeto de la válvula. Esta relación padre-hijo es un beneficio clave del enfoque basado en el objeto. Los cambios se propagan automáticamente a todas las instancias de la plantilla del objeto incluyendo un número de aplicaciones de supervisión que se ejecutan en diferentes ubicaciones físicas. Nadie debe visitar cada ubicación para realizar los cambios necesarios que pueden ejecutarse en cientos o hasta miles de instancias en activos comunes como una válvula. • La creación de la aplicación es optimizada mediante el uso de plantillas de objetos para generar automáticamente componentes • Los cambios en el proyecto se acomodan fácilmente realizando cambios en la plantilla del objeto y haciendo que los componentes hereden los cambios a través de la propagación de los cambios • Los cambios y las expansiones continuas del sistema son más fáciles y más económicos debido a la réplica automática y a la propagación de los cambios 5. Desarrollar una vez, usar muchas veces El enfoque basado en objeto de ArchestrA System Platform simplifica ampliamente el mantenimiento y el desarrollo de aplicaciones de supervisión. El entorno integrado de desarrollo del software (IDE) posibilita el uso mediante técnicas simples de arrastrar y soltar, hacer clic para seleccionar o la casilla de completar con el texto de Windows para crear y manipular objetos. En la mayoría de los casos, este enfoque es mucho más fácil que modificar los comandos línea por línea. Además, el número de errores de sintaxis y de tiempo de ejecución se reduce ya que IDE hace cumplir las reglas específicas del sistema. Además, los usuarios pueden desarrollar plantillas de objetos una vez y luego las pueden volver a usar muchas veces en diferentes aplicaciones maximizando los beneficios en la ingeniería. Página 4 Los beneficios de las arquitecturas basadas en objetos para los sistemas de supervisión y SCADA 6. Gráficos HMI orientados a objetos El término “gráficos orientados a objetos” se ha usado en el entorno de SCADA/HMI desde comienzos de la década de 1990. Los gráficos orientados a los objetos posibilitan a los usuarios construir un símbolo y replicarlo en toda la aplicación HMI. Luego pueden editar el símbolo y distribuir fácilmente los cambios a todos los símbolos similares al mismo tiempo. Esta es una funcionalidad útil, pero las aplicaciones SCADA/HMI necesitan más que gráficos. Mucho del trabajo de desarrollo que implica el diseño de aplicaciones de supervisión se invierte en la creación de funcionalidades tales como: • Monitoreo de alarmas • Scripts de animación • Scripts de seguridad • Scripts de supervisión • Almacenamiento de datos históricos • Integraciones con otras bases de datos o aplicaciones • Detección de eventos • Flujo y movimiento de cálculos • Integración de dispositivos • Flujo de trabajo Para aprovechar totalmente los beneficios de una arquitectura basada en objetos, un sistema SCADA/HMI necesita incluir todas estas funciones o capacidades en las plantillas de objetos incluyendo los gráficos. 7. Ventajas de desarrollo de las arquitecturas basadas en objetos i. Arquitecturas basadas en tags Desde el inicio del software HMI y SCADA basado en PC, los usuarios han construido gráficos para el operador y los han vinculado a tags que representaban direcciones en un PLC o en un sistema de control. Los pasos que se muestran a continuación representan el proceso de desarrollo típico para una aplicación SCADA tradicional basada en tags. 1. Se usa una computadora única de desarrollo. 2. Las pantallas y gráficos para el operador se crean para la aplicación. 3. Las definiciones de tags se importan desde el PLC o se configuran manualmente. 4. La alarma y los comandos de detección de eventos se definen para cada tag. 5. Los tags y las entradas/salidas asociadas se vinculan a los elementos de los gráficos. 6. Se crean los scripts de animación gráfica o vínculos. 7. Los cambios en el sistema exigen que se cierre la aplicación, que se realicen los cambios a los varios scripts y a las referencias de la base de datos para posibilitar la nueva funcionalidad. Luego la aplicación se vuelve a instalar en cada estación de trabajo de los operadores. i. Arquitecturas basadas en objetos Las arquitecturas basadas en objetos asociadas con aplicaciones de supervisión y SCADA/HMI han sido utilizadas primero por Wonderware®. La ArchestrA System Platform y su herramienta central de desarrollo, el entorno integrado de desarrollo (IDE), ha cambiado fundamentalmente el modo en que las aplicaciones de supervisión y SCADA/HMI se desarrollan. Al usar el entorno integrado de desarrollo, el desarrollador de la aplicación crea un modelo de planta único usando plantillas de objetos que pueden volver a usarse. El desarrollador no tiene que preocuparse por las complejidades del entorno informático y se concentra en modelar la planta de producción. El desarrollador puede centrarse en diferentes bienes y procesos de producción que forman parte del control de supervisión de toda la planta. Página 5 Los beneficios de las arquitecturas basadas en objetos para los sistemas de supervisión y SCADA Luego de que se captura el modelo de la planta, es fácil implementar funciones de control de supervisión. Una pequeña inversión en la creación de plantillas de objetos produce grandes resultados en productividad de ingeniería. Las creación de aplicaciones de supervisión usando la ArchestrA System Platform implica: 1. Una encuesta en la planta para comprender el formato de la operación de producción o proceso 2. La creación de una lista de activos/equipos similares. También se identifican diferentes áreas de operación. 3. Las plantillas de objetos se configuran para cada activo común en la instalación incluyendo los gráficos HMI. Este paso clave posibilita mejores prácticas y estándares a ser usados en todos los proyectos futuros de aplicación. 4. Las plantillas de objetos de dispositivos o componentes pueden estar contenidas dentro de cada uno para crear piezas complicadas de equipos. 5. Las plantillas de objetos de dispositivos tienen atributos que representan I/O reales disponibles en el sistema de control o PLC. Estos atributos se vinculan luego con los I/O a través de los objetos de integración del dispositivo (objetos DI). 6. La aplicación puede ser luego montada en el IDE mediante el uso de operaciones simples de arrastrar y soltar. 7. Los objetos de aplicación son luego asignados a grupos de seguridad. 8. El modelo de planta creado en el IDE puede ahora ser implementado en las computadoras que procesarán la aplicación. 9. Una vez que la aplicación se desarrolla, el mantenimiento del sistema es fácil. Los cambios realizados a las plantillas de objetos pueden ser propagados a los componentes hijos que se encuentran en las aplicaciones implementadas. 8. Ahorros en el ciclo de vida Las arquitecturas basadas en objetos pueden brindar un ahorro importante durante el ciclo de vida completo. Estos ahorros pueden ser luego categorizados en cuatro áreas básicas, tal como se ilustra en la siguiente tabla. Áreas de ahorro Explicación Ahorros de desarrollo inicial relacionados con la generación de la aplicación Ahorros de desarrollo inicial relacionados con los cambios en la aplicación Esto representa el ahorro de tiempo que resulta cuando los usuarios desarrollan aplicaciones mediante la definición de plantillas de objetos una vez y luego usan esas plantillas muchas veces. Ahorros de desarrollo inicial relacionados con los cambios en la aplicación Esto representa el ahorro de desarrollo que se obtiene a través de la capacidad de propagar los cambios desde las plantillas de objetos a todas las instancias derivadas de esas plantillas. Cuando se solicitan múltiples cambios en la aplicación durante el desarrollo, los ahorros pueden ser realmente un beneficio. Ahorros de mantenimiento durante todo el ciclo de vida del sistema El uso de un sistema distribuido reduce significativamente los costos de mantenimiento a través de la capacidad de controlar, cambiar e implementar software de manera remota en todas las computadoras HMI de la red. Esto es especialmente importante para redes distribuidas geográficamente porque los usuarios pueden ahorrar tiempo y dinero mediante la eliminación de la necesidad de viajar a cada sitio para realizar tareas de mantenimiento o actualizaciones. Ahorros en todos los sitios Estos ahorros resultan del nuevo uso de las plantillas y aplicaciones creadas para este proyecto en otros proyectos. Las compañías usan esto para impulsar estándares en sus proyectos. Esto es especialmente beneficioso para los integradores de sistemas, revendedores de valor agregado (VAR), fabricantes de equipo original (OEM), constructores de maquinarias y operaciones de instalaciones. Página 6 Los beneficios de las arquitecturas basadas en objetos para los sistemas de supervisión y SCADA A continuación se incluye un ejemplo simple para ilustrar cómo el desarrollo basado en objetos puede reducir los costos. Supongamos que estamos desarrollando una aplicación de supervisión de planta que tiene, entre otras cosas, 27 válvulas de doble asiento, cada una con seis parámetros de proceso (I/O) que serán controlados. Estos son puntos I/O en el PLC que miden el rendimiento de esta válvula. En un sistema tradicional basado en tags, se crearían 162 etiquetas (27 válvulas * 6 valores de parámetros (I/O) por válvula). En un sistema SCADA basado en objetos, se crea un template para la válvula común y los objetos que representan cada válvula individual se inician o se replican desde esetemplate. Ahora supongamos que lleva 0.4 horas por tag para desarrollar la aplicación usando un sistema tradicional SCADA basado en tags. Esto no incluye los gráficos de procesos o el desarrollo de control lógico del PLC. Supongamos que lleva dos horas desarrollar un template para la válvula y un 20% adicional más (o 0.4 horas) por instancia de objeto para personalizar cada válvula individual en la aplicación. Ejemplo de dispositivo: Tipo de dispositivo Número de instancias I/O por instancia Válvula de doble asiento 27 6 Tipo de dispositivo Número de instancias I/O por instancia Válvula de doble asiento 27 6 Cálculos individuales: Recuerde que un template encapsula scripting, seguridad, alarmas, eventos, historial de configuración y comunicaciones de dispositivos. En un sistema basado en tags, todo esto necesita ser programado usando tags de memoria adicional. Ahora comparemos el tiempo total para desarrollar la aplicación usando cada tipo de enfoque de desarrollo. Esfuerzos de desarrollo individual: HMI tradicional basado en tags 162 tags * 0.4 horas por tag = 64.8 horas Componente SCADA basado en objetos Ahorros (2 horas * 1 template) + (27 instancias de válvulas * 0.4 horas por instancia) = 12.8 horas 52 horas u 80% Este es un ahorro impresionante, aún si usted calcula la mitad de este número, usted ahorra 40% en costos de desarrollo. Ahora, ¿qué ocurre si se necesita un cambio que afecta el 10% de la aplicación? Mediante el uso de un desarrollo basado en tags, es razonable calcular que será necesario un 10% de esfuerzo invertido en el desarrollo original para realizar los cambios. Sin embargo, si usa un desarrollo basado en objetos tal como le ArchestrA System Platform de Wonderware, solo debe aplicar un 10% de esfuerzo para el cambio en el template, todo esto debido a la relación padre-hijo entre el objeto y los componentes. En esta situación, los costos adicionales pueden calcularse así: Esfuerzo de cambio en la aplicación: HMI tradicional basado en tags Componente SCADA basado en objetos Ahorros 64.8 horas * 10% de cambio = 6.48 horas 2 horas template * 10% de cambio = 0.2 horas 6.28 horas o 96% Página 7 Los beneficios de las arquitecturas basadas en objetos para los sistemas de supervisión y SCADA 9.El desarrollo basado en objetos es el futuro Las arquitecturas basadas en objetos ofrecen ventajas convincentes en el desarrollo y mantenimiento de los sistemas de supervisión y SCADA. Cuando se evalúan las arquitecturas es importante que los siguientes aspectos técnicos se tengan en cuenta, incluyendo: • ¿La herramienta de desarrollo ofrece un modelo realista de equipo de planta y áreas de fabricación, líneas de producción y procesos? • ¿Se puede integrar fácilmente la seguridad de la red a la aplicación incluyendo la configuración centralizada de seguridad? • ¿Ofrece herramientas económicas y conectividad flexible del dispositivo para funcionar con todos los dispositivos de campo en la planta? • ¿Ofrece ganancias de diagnóstico centralizadas? • ¿Puede el entorno de desarrollo permitir la jerarquización de la aplicación a partir de un único nodo hacia varios nodos sin realizar una nueva creación de la aplicación completa? • ¿Pueden las aplicaciones HMI implementarse remotamente a las computadoras en toda la red? • ¿La herramienta de desarrollo ofrece un espacio de nombres que facilita la navegación de etiquetas en toda la red de PLC, no solo en el desarrollo fuera de línea sino también en el tiempo de ejecución? • ¿Pueden las cargas de una computadora ser distribuidas en múltiples computadoras? • ¿El sistema ofrece redundancia económica usando tecnología de virtualización comercial disponible? • ¿Está distribuido el subsistema de alarma? • ¿Se define el archivado de históricos durante el desarrollo del HMI o es una herramienta separada? Un sistema SCADA moderno debería poder ofrecer todo lo antes mencionado. 10. Resumen Las condiciones económicas que enfrentan las instalaciones industriales indican que la productividad de ingeniería debe maximizarse junto a la agilidad de la producción. Las arquitecturas actuales basadas en objetos para el desarrollo de aplicaciones SCADA y de supervisión ofrecen hasta un 80% de ahorro en costos de ingeniería por sobre las arquitecturas basadas en tags. Poder construir una vez y usar muchas veces es crítico para los costos de proyectos de administración y los desarrollos basados en objetos permiten que las mejores prácticas se encapsulen en aplicaciones y se estandaricen en toda el emprendimiento. Los sistemas basados en objetos pueden ser mejorados rápidamente para responder a una condición del mercado, mejorando la agilidad. Además, los gráficos de proceso basados en objetos no solo permiten volver a usar la ingeniería sino que ofrecen una apariencia uniforme que reduce los requisitos de capacitación del operador y permiten una aceptación más fácil de los cambios del sistema por parte del operador. Un único “espacio de nombres” permite que los sistemas actuales de control se mantengan y se mejoren a través de una “capa” de supervisión basada en objetos. No es necesario “grabar y reemplazar” los sistemas actuales a la vez que se pueden agregar nuevas capacidades al sistema por una fracción del costo de un nuevo sistema de supervisión completo. Por ello, las arquitecturas basadas en objetos son una alternativa eficiente frente a los sistemas basados en etiquetas y permiten un ahorro convincente de costos y flexibilidad operacional. 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