Dispositivas de Confiabilidad en Sistemas SCADA.

Presentación del Proyecto FinalCon�abilidad en Sistemas SCADA

Jaime F. Ricardo B.

30 de Noviembre de 2011

Jaime F. Ricardo B. () Presentación del Proyecto Final Con�abilidad en Sistemas SCADA30 de Noviembre de 2011 1 / 24

Introducción (I/IV).

En los sistemas SCADA se integran soportes tanto de sistemas electrónicoscomo mecánicos, y por lo tanto se deben realizar diseños en donde lacon�abiliad y la disponibilidad alcancen la meta de 0.999999 deprobabilidad.


Introducción (II/IV).

La Con�abilidad es la probabilidad de que un sistema ejerza o sea capaz deejercer su función en un período de tiempo estipulado, por ejemplo, unsistema que tiene una con�abilidad de 0.999999 para una misión especí�ca,tiene una oportunidad del 99.9999% de que funcione sin falla en ese mismoperíodo.


Introducción (III/IV).

La disponibilidad se de�ne como la fracción de tiempo a largo plazo en elcual un sistema funciona o pueda funcionar apropiadamente; por ejemplo,un sistema con una disponibilidad de 0.999999 tendrá un promedio tiempofuera de servico de 31 segundos en un año, esto no signi�ca que laduración promedio de la falla vaya a a ser 31 segundos, signi�ca que entodo el año los tiempos de las fallas sumarán máximo 31 segundos.


Introducción (IV/IV).

En la teoría de con�abilidad, para los componentes mecánicos se asumenque tienen una distribuación de Poisson, mientras que para loscomponentes electrónicos se asumen una distribución de Exponencial.Durante el desarrollo de este documento, las tasas de fallas se han asumidocon valores constantes. Cuando algún dato necesario no está disponible,entonces se toma una estimación de este.


Conceptos Básicos.

En un sistema con n componentes en donde λi , i = 1, ..., n son las tasas defallas de sus componentes, la tasa de fallas de dicho sistema es

λSistema =∑

n

i=1λi

Asumiendo constante la tasa de fallas del sistema (λSistema), lacon�abilidad de un sistema es:

R(t) = e−λSistemat


SCADA (I/V).

Un Sistema SCADA (Supervisory Control And Data Acquistion) estáconformado por un conjunto de elementos y dispositivos que poseenhardware y software, los cuales pueden clasi�carse en cuatro niveles:

1 Instrumentación.2 Unidades Terminales Remotas (RTUs).3 Comunicaciones.4 Centro de Control.


SCADA (II/V).

A continuación se muestra una grá�ca que representa los componentes deun sistema SCADA.


SCADA (III/V).

A continuación se muestra una grá�ca que representa los componentes deun sistema SCADA.


SCADA (IV/V).

A continuación se muestra una imagen de una RTU.


SCADA (V/V).

A continuación se muestra una imagen de la aplicación para SCADA.


Fallas en Sistemas SCADA.

Las fallas en sistemas SCADA tanto a nivel de Software como de Hardwarepueden ser causadas por varios factores tales como: Relámpagos, agua,fallas de componentes, entre otras. Todo o parte del sistema SCADApodría quedar inoperante por fallas, dependiendo de la naturaleza de ellas,provocando pérdida parcial o total del control y de la obtención de datos.Las fallas generamente están dentro de las siguientes tres categorías:

1 CPU.2 Suministro de Energía.3 Comunicaciones.


Sistema de Controlador Redundante Doble.

Un sistema de estos está comprendido típicamente de dos móduloscontroladores independientes y en paralelo, interconectados a la vez concon los módulos de entradas y salidas de los dispositivos de campo.


Puerta de Enlace de Entrada y Salida.

Para interconectar las entradas y salidas de campo con los controladoresPrimario y Secundario, un tercer controlador se con�gura y utiliza comoPuerta de Enlace de Entrada y Salida.


Árbol de fallas (I/II).

El modelo de árbol de fallas sirve para varios propósitos importantes.

Primero, el árbol de fallas provee un marco lógico para el análisis de fallas yde manera precisa documenta cuales escenarios de fallas han sidoconsiderados y cuales no.

Segundo, el árbol de fallas está basado en un algebra de Bool bien de�niday en la teoría de probabilidad, muestra cómo los eventos al combinarsecausan un evento de más alta jerarquía o evento �nal, y al mismo tiempode�ne cómo calcular la probabilidad del evento �nal en función de lasprobabilidades de los eventos base o de baja jerarquía.


Árbol de fallas (II/II).

El árbol de de fallas puede ser cambiado fácilmente para acomodar sistemascompuestos de diferentes fabricantes (Ejemplo, diferentes Hardware ySoftware). Este árbol también sirve para mostrar los puntos débiles de unsistema y así permitir realizar evaluaciones y generaciones de sugerencias.


Con�abilidad en Serie.

Ejemplo. Hallar el valor de la con�abilidad del sistema en serie a las 10horas.λA = 0,0010, t = 10 horas

λB = 0,0015, t = 10 horas

RA(10) = e−λt = e−0,0010∗10 = 0,99004RB(10) = e−λt = e−0,0015∗10 = 0,98511RSistema(10) = RA(10) ∗ RB(10) = 0,99004 ∗ 0,98511 = 0,975298


Con�abilidad en Paralelo (I/II).

Ejemplo. Hallar el valor de la con�abilidad del sistema en paralelo a las 10horas.λA1 = λA2 = 0,0010, t = 10 horas

λB1 = λB2 = 0,0015, t = 10 horas


Con�abilidad en Paralelo (II/II).

1 Con�abilidad del Sistema = 1− No Con�abilidad del Sistema

2 No Con�abilidad del Sistema =No Con�abilidad del lazo Superior ∗ No Con�abilidad del lazo Inferior

3 No Con�abilidad del lazo Superior =1− Con�abilidad del lazo Superior = 1− (e−λA1∗t ∗ e−λB1∗t)No Con�abilidad del lazo Superior = 1− (e−0,0010∗10e−0,0015∗10) =0,024702

4 No Con�abilidad del lazo Inferior =1− Con�abilidad del lazo Inferior = 1− (e−λA2∗t ∗ e−λB2∗t)No Con�abilidad del lazo Inferior = 1− (e−0,0010∗10e−0,0015∗10) =0,024702

5 Con�abilidad del Sistema = 1− (0,024702 ∗ 0,024702) = 0,999389


Con�abilidad en un Sistema SCADA (I/II).

En el primer ejemplo se puede apreciar que hay redundancia en dos RTUs yen un Multiplexor de datos (DM).


Con�abilidad en un Sistema SCADA (II/II).

En el segundo ejemplo se puede apreciar que hay redundancia en dosRTUs, en un Multiplexor de datos (DM) y una en un nivel decomunicaciones más cerca del Centro Principal, empleando un Enrutador.


Conclusión.

La con�abilidad en los sistemas SCADA se puede aumentar mediantela utilización de redundancias para los elementos en su estructura decomponentes principales; es decir, ubicar los elementos de redundanciaen forma paralela.

Los árboles de fallas permiten generar de una forma muy sencilla lasrutas de las posibles fallas, y a su vez facilidad para saber ubicar loselementos redundantes en paralelo con el �n de aumentar lacon�abilidad.


Bibliografía (I/II).

Bentley Systems, Incorporated. The Fundamentals of SCADA . 2004 .

CHARTRAND, Martin 2. Dual Redundant Controller Systems. ControlMicrosystems White Paper. Octubre de 2004 .

EDSTRÖM, F; SÖDER, L. A Circuit Breaker Reliability Model forRestoration Planning Considering Risk of Communication Outage.Royal Institute of Technology, Stockholm, Sweden 2005.

ABRAMS, Marshall; WEISS, Joe. Control System Cyber Security CaseStudy1. Applied Control Solutions. 2003.

KEMAL, Egemen. Reliability analysis of SCADA systems used in theo�shore oil and gas industry. Thesis, University of Missouri-Rolla.2001.


Bibliografía (II/II).

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www.wendangdoc.com


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