Lectura actividad 8 ESTANDARES DE INTERCONECTIVIDAD EN SOFTWARE Y HARDWARE
La primera versión de Active X fue llamada DDE (Dinamic Data Int erchangue) o tecnología de Intercambio Dinámico de Datos, y se desarrolló para que las aplicaciones bajo Windows intercambiaran entre si información. Los primeros sistemas SCADA bajo windows utilizaron esta tecnología como estándar de intercambio de datos. El Estándar DDE, es básicamente un programa que puede ser reutilizado por otros programas. Para ejecutarlo se coloca dentro de un contenedor, o bloque de función que usa interfaces COM. Mientras que el estándar original era limitado en cuando a capacidad de intercambio de información, posteriores versiones como, FastDDE y AdvanceDDE, incorporaron el intercambio de bloques de información posicionándolas por muchos años como las principales tecnologías en comunicación usadas en SCADA. Cuando un sistema SCADA usa la tecnología DDE, esta le provee a cada componente o grupo de componentes SCADA un acceso DDE, el cual le asigna un nombre de aplicación y unos tópicos a controlar (Topic name). Estos tópicos se colocan como enlaces dentro de la aplicación, en los cuales irían las funciones de configuración, dirección, velocidad, etc. de cada dispositivo. Posteriormente se creó una tecnología que no solo permitía compartir objetos e intercambio intercambio de datos, datos, sino que además además permitía permitía vincular vincular e insertar objetos objetos dentro de aplicaciones o documentos; esta tecnología se denomina OLE (Object Linking and Embedding, Vinculación e Inserción de Objetos). La diferencia entre insertar y vincular, es que un objeto insertado dentro de un documento, entra a hacer parte física de ese documento, mientras que un objeto vinculado sigue siendo un objeto independiente, el cual se puede modificar independientemente del documento donde esté vinculado. Una mejora de objetos OLE fue llamada OCX. Esta nueva clase de objetos tenían herramientas suficientes para notificar a los objetos sucesos o eventos, y actuar de acuerdo a ellos. Active X se puede decir que es una tercera versión de OLE, y aparece junto con el concepto de RED. Esta tecnología facilita la tarea de implementar servicios en redes de comunicación y controles en servidores Web como, por ejemplo, una animación o el no permitir la ejecución de dichos controles sin el beneplácito del usuario. Active X no se puede ejecutar como un archivo .exe; ya que no es una aplicación independiente, sino una aplicación dentro de otra aplicación. Incorporar un Control ActiveX en una pantalla supone añadir un objeto con código asociado que realiza una determinada función de forma totalmente integrada dentro de la aplicación que estamos tratando, basta con establecer los enlaces necesarios entre las variables de la aplicación y las del Control ActiveX. Cuando Usted compra un objeto ActiveX en realidad compra una licencia para usar este objeto en su aplicación. Los controles ActiveX consisten en programas que realizan tareas comunes en entornos Windows o Macintosh. Por ejemplo, un objeto ActiveX, puede ser el servidor o driver de un PLC como SIMATIC (Siemens). Este driver tiene propiedades para definir los
datos a ser leídos desde el PLC, métodos para iniciar la lectura de los valores y eventos para informar que los datos han sido recibidos desde el PLC. Debido a que los objetos ActiveX son basados en COM, ellos pueden ser usados en cualquier aplicación que soporta COM, tal como Visual Basic, Internet Explorer, Borland Delphi, Software SCADA Genesis32 de Iconics, etc. OPC (OLE for Process Control) es un estándar diseñado para comunicar sistemas, dispositivos y aplicaciones, como las comunicaciones entre un software SCADA y los buses de comunicación con los autómatas; o una aplicación SCADA y otras aplicaciones de gestión con acceso a los datos de planta, etc. Los productos OPC (Clientes y Servidores), pueden ser usados con Visual Basic y sus variantes. OPC es un estándar orientado al intercambio de datos, independientemente de la tecnología usada para hacerlo, usando ya no varios drivers para cada dispositivo, sino un driver OPC para todos, definiendo una interface común, y un programa servidor que sólo debe escribirse una vez y ser utilizado entonces por cualquier software. Esto también permite que los servidores OPC tengan una fácil integración en aplicaciones como Visual Basic, Excel, Access, etc. En OPC, El intercambio de datos está basado en la tecnología COM y DCOM, de Microsoft, que permite el intercambio de datos entre aplicaciones ubicadas en uno o varios ordenadores mediante estructuras Cliente-Servidor, es decir, arquitecturas de varios clientes y servidores, accediendo a los datos de forma local o remota y gestionando la información en tiempo real. La estructura básica de un sistema basado en OPC, se compone de Clientes OPC y servidores OPC, comunicados a través interfaces OPC clientes o servidor, bajo estándares como DCOM. Los OPC clientes se caracterizan por el manejo de datos que adquieren de los OPC servidores, los cuales a su vez están conectados a los elementos de campo. El servidor OPC guarda en una base de datos los correspondientes a cada elemento de campo y los clientes pueden acceder a estos datos cuando los requiera. El cliente remoto usa el estándar OLE / DCOM y el local OLE / COM. Visual Basic para Aplicaciones , es un lenguaje de programación (basado en scripts) incorporado en las aplicaciones de Microsoft Office. Está muy extendido y es aceptado por diversos fabricantes, por lo que se va convirtiendo en un estándar "de facto" que presenta una muy buena relación entre potencia y dificultad de aprendizaje y uso. El uso de un lenguaje común también facilita la integración de objetos suministrados por terceros, en la medida que aplican este mismo estándar. Además, permite interactuar directamente con las aplicaciones de Office (Access, Excell, Word, …), de BackOffice y de otros productos compatibles
Necesidades de seguridad en sistemas SCADA Las principales amenazas de seguridad en sistemas SCADA son:
Espionaje: Recopilación legal o ilegal de información clasificada, que luego sea usada para provecho personal o para afectar a la competencia. Sabotaje: Destrucción de los medios del competidor, para beneficio propio, o sencillamente para perjudicar la competencia. Vandalismo: Sabotaje sin ningún tipo de provecho. Intrusión (Crackers): Intrusión a sistemas informáticos sin permiso, rebasando todas las barreras de seguridad. Robo electrónico: Robo de datos confidenciales, como cartera de clientes, contraseñas, datos de configuración; ya sea por intrusión o por soborno a los empleados. Troyanos: Programas de computador indeseables, que provocan fallos de funcionamiento o extracción de datos sin permiso. Bombas de tiempo: Programas que se activan luego de determinado tiempo. Estos programas pueden ser de operación o configuración de equipos; secuencias de operación, etc. Puertas traseras: Se refiere a las entradas no legales o no permitidas a información clasificada. DoS (Denial of Service o negación de servicio): Acción que satura los recursos de una red informática para que los usuarios no puedan usarla. Esto se hace normalmente mediante el envio masivo de solicitudes a un servidor determinado que termina por agotar los recursos de servicio. Una variante Distributed DoS trata del envío de estos programas de llamada desde varias estaciones, de tal manera que sea muy difícil identificar la fuente. Intrusión electrónica: Diferente al robo electrónico. Se refiere a la entrada en una subestación vía electrónica (teléfono, radio) para manipular o interferir el equipo electrónico (controladores, ordenadores, autómatas, etc.). Este equipo electrónico puede ser o un servidor, o un actuador eléctrico configurable. Debido a que muchas unidades RTU´s son controladas vía red, esto hace mas posible la intrusión electrónica a equipos terminales. Con respecto a las necesidades de seguridad en las MTUs el atractivo que tiene para los infractores en la seguridad de las unidades maestras es que ellas procesan toda la información proveniente de la red de automatización, tiene acceso ilimitado a todos los componentes del sistema, normalmente tiene todos los documentos de instalación, manejo, mantenimiento u operación de la tecnología usada por cada RTU y las comunicaciones del sistema, tienen registros de archivos detallados e históricos del sistema y Controlan las operaciones de la planta. La unidad maestra puede estar organizada como un sistema centralizado o distribuido. Si el sistema es centralizado, básicamente todas las operaciones del sistema están comandadas por una MTU central; mientras que si el sistema es distribuido, se reparten funciones especializadas
entre distintas MTU´s. La segunda opción es la mejor en materia de seguridad. Cuando varias unidades maestras, se distribuyen el manejo de información y se lo comparten entre si, de tal manera que hay copias de seguridad en varias estaciones, se dice que usan servidores redundantes. Las principales necesidades en cuanto a seguridad en MTU´s son: Seguridad en software y configuración de sistemas y seguridad en el manejo de información. Puesto que la MTU maneja la configuración de cada sistema controlado, los niveles permitidos de variables físicas, las alarmas, los tiempos de ejecución, etc. Cualquier variable de configuración necesita de un nivel de seguridad tal que solo le permita al personal autorizado cambiar la configuración de cualquier punto del sistema SCADA. Un aspecto crítico en sistemas SCADA es la parada del sistema. A veces no es tan sencilla la puesta en marcha del sistema central. Vacios en la seguridad pueden provocar indeseables paradas del sistema, y muchas veces, grandes repercusiones económicas. Otro aspecto a tener en cuenta con la seguridad de las MTU, es el manejo de información de software y configuración. Muchas veces se centraliza y es solo un empleado que conoce el sistema y sus variables asociadas. Esto es peligroso ya que si el empleado llega a ser despedido, o tiene el temor de ser despedido, puede sabotear el sistema, o llevarse información clasificada. Debe existir una copia de seguridad de toda la configuración. Los clientes MTU deben tener políticas de seguridad claras respecto al acceso a la información que se procesa en el sistema SCADA. Hay básicamente 2 tipos de información: datos y control. Ambos tipos deben de ser supervisados. Hay información clasificada, detalles técnicos, que la competencia, o algún operario quisiera saber sobre el sistema que debe asegurarse. El manejo de contraseñas en un sistema SCADA es delicado. Como se tratan de sistemas donde muchas veces la planta controlada se encuentra a kilómetros del sistema MTU, en ocasiones es necesario dar contraseñas vía telefónica, o vía red, los cuales son muy susceptibles a violaciones de seguridad. Esto sin contar con los posibles sobornos que puedan recibir los operarios por las claves de acceso. Con respecto a las necesidades de seguridad en las RTUs La mayoría de los equipos de campo en la actualidad tienen varias capacidades de manejo de datos y comunicación integradas o integrables; inclusive algunos manejan tarjetas de red con protocolos de comunicaciones estandarizados, o tarjetas de buses de campo. Estas nuevas tecnologías les dan a estos dispositivos capacidad funcional superior, donde aun ya no dependen del sistema maestro para tomar ciertas decisiones. Muchas veces lo que hace la estación maestra es enviar un programa que el mismo dispositivo RTU ejecuta. Muchos equipos tienen implementados bloques programables que los convierten en auténticos centros de control, lo que los hace más deseables como blanco de ataques. Pueden existir dos tipos de ataques: Modificación directa de sus funciones. Esta modificación se puede hacer por selectores o consola, y modificación remota de sus funciones. Se accede a la configuración de los equipos a través de enlaces de comunicación mal protegidos. Un concepto interesante en los efectos de seguridad en RTU´s, es el efecto dominó. Este se refiere a la incidencia del fallo en un equipo RTU, en el fallo de equipos adyacentes. Esto
es común en estaciones de control de infraestructuras. Si un enemigo del sistema no puede sabotearlo desde la MTU, lo intentará desde los dispositivos RTU. Finalmente con respecto a las necesidades de seguridad en las comunicaciones, si un intruso no puede acceder a los servidores de las MTU o a las memorias de las RTU para sacar información, entonces tratará de hacerlo mediante la intervención del medio de comunicación. Las redes de comunicaciones también tienen elementos como switches, modems, hubs o routers que posibilitan, direccionan o distribuyen la información. Estos elementos deben también tener estándares de seguridad de tal manera que al accederlos no se robe información. Los enlaces de radio también están sujetos a conexiones piratas. Algunos problemas de seguridad en las comunicaciones pueden originarse debido a: La posibilidad de mantenimiento remoto de routers o switches, que los hace vulnerables, pudiéndose cambiar su configuración, tablas de enrutamiento o de encaminamiento, El poco cambio de contraseñas de equipos de comunicaciones, o la no deshabilitación de contraseñas antiguas, la poca seguridad que ofrecen algunas redes inalámbricas, el control vía internet es muy vulnerable, y se puede acceder a el por medio de la encriptación de datos, No utilizar redes virtuales (VPN), no restringir el acceso a redes corporativas, acceso indiscriminado de personal a algunos equipos de comunicaciones y cortafuegos, routers y equipos similares sin vigilancia.
Políticas de seguridad en sistemas SCADA Se propone un plan de seguridad que lo deberían seguir las empresas que implementen sistemas SCADA. Este esquema muestra 4 estrategias en políticas de seguridad: Un proceso metodológico definido, implementación de técnicas de prevención, desarrollo de estrategias de defensa, y seguimiento de recomendaciones básicas. El proceso metodológico debe ser constante y permanente. Se compone de cuatro partes: Análisis de riesgos, diseño de estrategias, implementación de estrategias y retroalimentación. Cada parte del proceso preside y depende del anterior. Para diseñar las estrategias de seguridad es necesario conocer los riesgos particulares de la empresa. Para implementar las estrategias hay que diseñarlas. Para retroalimentar el proceso es necesario ver los resultados obtenidos al implementar las estrategias. Un nuevo análisis de riesgos es el resultado de procesos de revisión y retroalimentación. La seguridad en sistemas SCADA se resume en dos palabras: prevenir y defender. Debe haber estrategias asociadas a cada una. El objetivo de prevenir violaciones a la seguridad de los sistemas SCADA es evitar las consecuencias físicas, económicas y sociales que pueden presentar los errores en este aspecto. Con respecto a las técnicas de prevención las estrategias más comunes en empresas con sistemas SCADA son las relacionadas con los
accesos a sistemas o a información, y las relacionadas con los canales de comunicación. Las técnicas de prevención asociadas con el acceso al sistema o a la información se enfocan en el control de acceso a la información, registro, auditorias periódicas, y una buena administración y organización de la información. Las técnicas asociadas con los canales de comunicación, tienen que ver con estrategias para que los equipos de computo solo se reconozcan entre si, prevención contra intercepciones en equipos de radio, técnicas de encriptación de paquetes de datos, Uso de tecnologías para mantener confidencialidad, procedimientos de chequeo de tráfico en la red, entre otras. No solo es necesaria la prevención, sino también la defensa. Las estrategias de defensa se relacionan con la arquitectura de la red de comunicaciones que use el sistema SCADA y con la implementación de equipo de protección, seguridad y aislamiento. La mejor defensa en materia de redes de información es su segmentación. Las tareas de control y supervisión deben de estar agrupadas en una red de proceso aislada de las otras redes de la empresa. Esto se logra mediante una correcta administración de los puntos de acceso de cada equipo. Los firewalls, los servidores DMZ, las redes VPN, y los sistemas IDS son ejemplos de defensa. Los Firewalls o cortafuegos, son como barreras entre redes. Restringen el acceso desde otra red externa. Su función es detener intento de conexión entrante o filtrar el tráfico de acceso a internet. Su modo de funcionar es indicado por la recomendación RFC 2979, que define las características de comportamiento y requerimientos de interoperabilidad. La ubicación habitual de un cortafuegos es el punto de conexión de la red interna de la organización con la red exterior (que normalmente es Internet). Existen cortafuegos de capa de red, y de capa de aplicación (del modelo de capas TCP/IP). El de capa de red, también se le llama cortafuego filtrador, y según su clase, puede filtrar información de dirección IP, puerto origen/destino o direcciones MAC (campos de diferentes capas del modelo OSI). El de capa de aplicación se denomina servidor Proxy, y se especializan en filtrados propios de aplicaciones de capa 7 o capa de aplicación del modelo OSI. Estos últimos impiden las conexiones directas entre redes y realizan análisis de las mismas para determinar su viabilidad. Los servidores proxy controlan el tráfico de los navegadores, interpretan los protocolos y peticiones de las aplicaciones, verificando políticas de seguridad antes de permitir que se transmitan datos. En seguridad informática, una zona desmilitarizada (DMZ) o red perimetral es una red local (una subred) que se ubica entre la red interna de una organización y una red externa, generalmente Internet. El objetivo de una DMZ es que las conexiones desde la red interna y la externa a la DMZ estén permitidas, mientras que las conexiones desde la DMZ sólo se permitan a la red externa; los equipos en la DMZ no pueden conectar con la red interna. Esto permite que los equipos (hosts) de la DMZ puedan dar servicios a la red externa a la vez que protegen la red interna en el caso de que intrusos comprometan la seguridad de los equipos (host) situados en la zona desmilitarizada. Para cualquiera de la red externa que quiera conectarse
ilegalmente a la red interna, la zona desmilitarizada se convierte en un callejón sin salida. Una VPN es una red privada que utiliza una red pública (normalmente Internet) para conectar sitios distantes y usuarios alejados entre si. En lugar de utilizar una conexión dedicada contratada a una compañía, una red privada VPN usa conexiones virtuales, enrutadas por Internet desde la red de la compañía, hasta el lugar remoto. Estas conexiones virtuales permiten que los datos viajen como por un túnel dedicado, con prestaciones de ancho de banda y velocidad garantizado. Las siglas IDS, Intrusión Detection System, hacen referencia a los sistemas de detección de intrusos. Es un programa usado para detectar accesos desautorizados a un computador o a una red, y permiten determinar si se realizan intentos de entrada desde el exterior de la red, accesos inusuales o comportamientos extraños en la red, como conexiones sin permiso, acceso de forma irregular a bases de datos, densidad de tráfico irregular o conexiones poco habituales. Algunas organizaciones internacionales, especialmente en Estados Unidos, recomiendan en cuanto a seguridad: Sobre los accesos de red se debe asegurar que cada acceso de red esté identificado y vigilado, debe existir pleno conocimiento de la arquitectura, número de puntos de acceso y función de cada uno, garantizar aislamiento de cada punto de red, debido a la lejanía de algunos puntos RTU, estos deben ser accesibles solo mediante el sistema de control central. En lo posible se debe evitar acceso desde planta, el control de acceso a puntos de red debe contener niveles de seguridad según su importancia. Si el acceso es de alta seguridad, debe tener varias barreras, de tal manera que si se sobrepasa una, se encuentre con otra. Los accesos a los sistemas deben ser requeridos desde dentro, para minimizar riesgos. Segmente redes, mediante estrategias de defensa, y utilice todos los medios posibles para dar seguridad a las conexiones, ante accesos internos o externos. Sobre el sistema informático, no es recomendable fiarse de los protocolos SCADA propietarios. Pareciera que por no ser estandarizados, se incrementara la seguridad, pero al se protocolos oscuros se puede ejercer menor dominio sobre él y personas que conozcan el sistema pueden acceder mas fácilmente a la información, el uso de protocolos estandarizados, permite que se mantenga al día el software, se desarrollen estrategias de seguridad constantemente, se descubran puertas traseras, y se cuenten con mas herramientas de seguridad estandarizadas o desarrolladas por las casas matriz. Asegúrese que los sistemas no sean susceptibles a ser dañados desde un solo punto o por un solo individuo. Establezca procedimientos como: análisis de vulnerabilidades, análisis de riesgos y pruebas de intrusión. Pruebe bajo condiciones reales y en un entorno controlado las tecnologías de seguridad implementadas. Proteja los equipos y las aplicaciones. Las llaves físicas no deben ser del dominio de todo el mundo. Use contraseñas para la mayoría de accesos. Cree una estructura de autorizaciones, donde se deje claro quien tiene permiso de acceder a que. Se recomienda que los operarios que tienen acceso a procesos de planta, no
tengan acceso a la configuración de los mismos. Implemente estrategias de protección de software diferentes a la que viene por defecto en la configuración estándar. Use herramientas de registro o auditorias para todas las redes y equipos.
ESTANDARES DE COMUNICACIONES INDUSTRIALES Fundamentos de comunicaciones aplicados a sistemas SCADA. Control centralizado y distribuido: El control centralizado normalmente está constituido por un computador, una interfaz de proceso y una estación de operador. Su arquitectura facilita el flujo de información y se hace posible que los objetivos de optimización global de un proceso puedan ser alcanzados, pero tiene la desventaja que depende de la fiabilidad del computador central. El control distribuido permite una comunicación entre todos los nodos (comunicación horizontal). En este control se permite que ante la existencia de varias unidades de control que llevan a cabo diversas tareas, en caso de avería o sobrecarga de trabajo, será posible transferir todo o parte de las tareas a otras unidades. Esta idea de poder hacer bypass a las unidades con problemas permite evitar los bloqueos en el sistema, por otra parte exige que los diferentes controladores tengan una asignación dinámica de tareas y por lo tanto se les va a exigir gran capacidad de acceso a la comunicación y tratamiento de la información. Modos de transmisión de datos: Transmisión en paralelo, que permite el envío a gran velocidad, pero presenta el inconveniente de la cantidad de líneas de información; y transmisión en serie, donde el sistema emisor usa códigos de línea (cambios de niveles de tensión) para transmitir bits, y el sistema receptor detecta los cambios de estado; así se pueden transmitir varios bits por un mismo canal. Puede ser síncrono y asíncrono. Para transmisión en serie se usan los llamados códigos de línea, los cuales son frecuentemente usados para el transporte digital de datos. Estos códigos consisten en representar la señal digital transportada respecto a su amplitud respecto al tiempo. La representación del la onda se suele realizar mediante un número determinados impulsos. Estos impulsos representan los 1s y los 0s digitales. Los protocolos de comunicación son aquellos que engloban todas las reglas y convenciones que deben seguir dos equipos cualesquiera para poder intercambiar información. Los enlaces de comunicaciones están estructurados básicamente de equipos terminales de datos (DTE, Data Terminal Equipment) que son los que se comunican entre si, de equipos intermedios a través de los cuales fluyen los datos y se direccionan, llamados DCE (Data Communication Equipment), y del canal de comunicación. El objetivo de los protocolos es conectar y mantener el diálogo entre dos equipos terminales de datos (DTE). Algunos protocolos de comunicación se han convertido en tecnologías o soluciones en comunicación de datos. Soluciones como: HART, PROFIBUS, AS-i, CAN; manejan sus propios protocolos y son diseñadas específicamente para comunicaciones industriales.
La comunicación Cíclica y Acíclica tiene que ver con la frecuencia en que se intercambian los datos. Las comunicaciones cíclicas, son comunicaciones periódicas. Cada cierto tiempo se transmite información. Los procesos que involucren comunicaciones cíclicas deben tener cuidado de que el tiempo asignado para la comunicación sea suficiente, o si no se perderán datos. Este tipo de comunicación se usa para eventos periódicos, actualización de lecturas, y en general, procesos que manejen pocos datos. La ventaja de este tipo de comunicación es que es automática, y no requiere de ejecución de instrucciones específicas de comunicación. Cuando se transmiten grandes cantidades de datos se opta por comunicaciones acílcicas, donde se envía o recibe información en momentos determinados, y se da el tiempo de espera necesario para que todos los datos sean transportados. Otro tipo de comunicación es la punto a punto donde el emisor envía en un momento determinado información al receptor, y durante ese momento, nadie mas está involucrado en la comunicación. Si hay mas de un destinatario de la información, esta se debe enviar tantas veces como destinatarios haya. Protocolos que usan comunicación punto a punto: Ethernet, Profibus, Modbus, Interbus. La otra opción es la comunicación de acceso simultaneo, caso en el que se coloca la información en un bus de datos, al cual están conectados (física o virtualmente) todos los receptores. La información colocada en el bus tiene una etiqueta que dice a quien va dirigida. Todos los receptores leen la etiqueta y si es para ellos la información, la reciben, si no, la desprecian. Cuando la información va para todos los posibles receptores (los que hacen parte de esta sub red) se dice que es un broadcast, cuando va para algunos, multicast, y cuando va para un solo receptor, unicast. Los protocolos usados en SCADA que manejan este tipo de comunicación son: ControlNEt, Foundation Fieldbus y DeviceNet. Con respecto a la organización de nodos en una red industrial, se pueden distinguir 3 organizaciones. La organización maestro-esclavo, donde el maestro es un equipo autómata que puede leer o escribir sobre los esclavos de la red. El esclavo recibe los mensajes enviados por el maestro y emite hacia este cuando le llega la orden de hacerlo. Existen esclavos activos, que reciben ordenes para ejecutar programas propios (un PLC) y esclavos pasivos, los cuales no ejecutan programas propios sino dependen de las órdenes del maestro para cualquier acción. Los protocolos Profibus- DP o AS-i, usan este tipo de organización maestro-esclavo. La organización cliente – servidor, donde el cliente solicita servicio a una estación llamada servidor. Un nodo puede ser por una parte cliente, y por otra parte servidor. Protocolos como Profibus-FDL o MPI usan esta organización. Finalmente la organización productor – consumidor, donde se usan la comunicación de acceso simultaneo. Todos los nodos tienen acceso a cierta información al mismo tiempo. Esto aumenta la eficiencia del sistema al requerir una sola producción de datos sin importar el número de solicitantes. El concepto tiempo real es muy usado en sistemas SCADA. Es una medida relativa, y depende del tiempo de respuesta que un dispositivo RTU considere como tiempo real. El tiempo de respuesta es el tiempo que transcurre entre el envío de la información por parte de la MTU y la ejecución de dicha información
por parte de la RTU. Mientras equipos que controlan movimientos requieren tiempos de respuesta alrededor de los 50 microsegundos, el ciclo de trabajo de un PLC es de aproximadamente 10 milisegundos. Se dice que un sistema opera en tiempo real, cuando el tiempo de respuesta es menor que el tiempo en el que una variable o condición determinada tardan en provocar un cambio en el sistema. Si el tiempo de respuesta del elemento RTU es menor que el tiempo que requiere el proceso controlado, entonces ya no se está operando en tiempo real. En comunicaciones SCADA también son muy usados los llamando estándares de interfaces serie. El estándar RS232 Define el método más popular para interconectar DTEs y DCEs (por ejemplo, conexión entre un PC y un MODEM de datos). La UART es el microchip que controla la interface entre un PC y los dispositivos seriales. Específicamente permite al PC utilizar la interface RS232C pudiendo hablar con MODEMS y otros dispositivos seriales. La transmisión puede ser sincrónica o asincrónica. En la transmisión sincrónica se requieren señales que permitan poner de acuerdo a los dos modems en relación con el tiempo, esta se economiza los bits de inicio, paridad y parada, contrario a la asincrónica. En el estándar RS-422, La transmisión / recepción de datos utiliza líneas bipolares, diferenciales o balanceadas (sin punto de referencia o masa). Requiere, por tanto, cuatro conductores para formar un par de transmisión y otro de recepción que utilizarán sus propios retornos. Este estándar es también punto a punto, según se desprende del concepto de línea de transmisión y recepción dedicada. Por tanto, existe un emisor único, aunque resuelve mejor el acceso de varios receptores permitiendo la presencia de hasta 10 de ellos, que pueden recibir simultáneamente los datos. Su limitación será la de los mecanismos de arbitraje para acceder a la emisión, ya que cuando un nodo emite las posibilidades de los otros quedan totalmente anuladas y no se les reconoce ningún derecho ni actual ni futuro. El estándar RS-485 añade en su código funciones de direccionamiento que permitan un nuevo concepto de cableado y de optimización de los recursos físicos permitiendo conexionados más flexibles y versátiles. Este estándar tiene enlace multipunto con hasta 32 nodos emisores/receptores.
Fundamentos de comunicaciones aplicados a sistemas SCADA El estudio de redes de comunicaciones es extenso. En este apartado sencillamente se mencionarán los fundamentos aplicados a sistemas SCADA. Las topologías de red que conocemos, se aplican a sistemas SCADA, teniendo en cuenta que los elementos o nodos de red son los MTU y RTU. En la topología anillo los nodos forman un anillo, que se conectan punto a punto de una estación con la siguiente. Tiene mínimo requerimientos de cable, se usa modo de transmisión token passing, que consiste en organización por turnos, los datos que salen del emisor vuelven a el, lo que permite el reconocimiento de mensajes, un solo sentido de transmisión, la señal se regenera en cada nodo, no es posible la ampliación en funcionamiento, pues se interrumpe
físicamente la red, actualmente se usan implementaciones anillo para redes redundantes, con fibra óptica. Una desventaja es que la caída de un equipo interrumpe el tráfico de información. La topología estrella tiene equipos conectados a un nodo central, que controla toda la red, y de quien depende la velocidad de la red. Tiene transferencia de información punto a punto, con un cable por estación. Es de fácil mantenimiento, y diagnóstico ante fallo de elementos. La caída de un equipo no afecta el resto, pero la caída del nodo central la red queda inutilizada. Es de máximo requerimiento de cable y la ampliación de la red depende de la capacidad del nodo central. En la topología de bus, todos los equipos se conectan al mismo segmento de cable. Esta tiene modo de transmisión aleatorio, donde cada equipo transmite cuando lo requiere ocupando el bus de comunicaciones. Para evitar colisiones se han implementado algoritmos especiales. No requiere tanto cable como la topología estrella, y tiene un número reducido de conexiones. La caída de un equipo no afecta al resto de la red, sobretodo si estos tienen conexiones de alta impedancia. Elevada velocidad de transmisión. Permite la comunicación multipunto, es decir, los equipos pueden comunicarse entre si cuando lo requieran. Es la opción mas usada por buses de campo. Tiene problemas de seguridad, ya que cualquier nodo puede ver la información del bus. No permite reconocimiento de mensajes, ya que la información no vuelve al emisor. La topología de árbol Es una mezcla de las topologías anteriores, por lo que tiene características de todas ellas en ciertos tramos de red. En la topología de red Todos los nodos se interconectan entre si. Esta conexión tiene una gran tolerancia a fallos, ya que la caída de una conexión se solventará redirigiendo el tráfico por otro camino. La desventaja es que tiene un alto coste de implementación. No se usa en buses de campo. A escala industrial, las topologías mas extendidas son las de bus y anillo. Otro aspecto muy importante en sistemas SCADA es el acceso a red. La razón, es porque un sistema SCADA puede llegar a tener cientos de nodos que supervisa y controla, los cuales van a buscar acceso a la red, y en tiempo real. Para organizar las acciones de red, se crearon los conocidos protocolos de comunicación por capas. Uno de los mas conocidos, el modelo OSI. Un sistema SCADA utiliza esta filosofía pero dándole mayor importancia a las capas de aplicación y de acceso al medio. El modelo OSI, se basa en la intercomunicación directa entre capas. Cada capa está en un nivel diferente en el proceso de la comunicación. Las capas del mismo nivel se comunican entre si con protocolos de comunicación en común. Los datos pasan por todos los niveles desde que salen del emisor hasta que llegan al receptor. Cada nivel hace su aporte al proceso global. Además cada nivel usa los servicios del nivel anterior y aporta al siguiente. Los niveles OSI, de abajo a arriba, son: Físico, enlace de datos, red, transporte, sesión, presentación, y aplicación. En los sistemas SCADA, donde la comunicación se basa en los buses de campo, son fundamentales las funciones de la capa 2 y 3, ya que estas soportan el acceso a buses y el direccionamiento a través de los sistemas. Las capas 4 y 5 normalmente no se implementan como capas individuales, sino que sus funciones ya las soportan las capas 1 2 y 3.
Los métodos de acceso al medio usados por sistemas SCADA son; Polling, donde Una estación hace de moderadora (maestro) y decide el turno de cada nodo, Usado por red Profibus DP, y AS-i, TDMA, multiplexación por división en el tiempo, donde se transmiten varios canales de información en intervalos de tiempo asignados a cada uno con ayuda de una marca de sincronismo, Usado por Interbus. Método productor-consumidor, donde la estación productora manda el mensaje a todos los demás nodos (consumidores). Solo las estaciones interesadas en el dato lo usan, las demás lo descartan, Usado por WordFIP. Token determinístico (Previsible), donde La estación que tenga el testigo (token), tiene derecho a acceder a la red. Las demás deben esperar a que el testigo les llegue con pasos de testigo (Token passing). Cuando la red tiene una topología física de línea, pero una topología lógica de anillo, se llama token.bus. Si la topología física y lógica es de anillo se llama token ring. CSMA, o Token Estocástico (Aleatorio), donde cualquiera puede transmitir mientras el bus no este ocupado. CSMA/CD+AMP, Controla las colisiones, asignando prioridad a los nodos, por medio de identificadores de 11 bits que las estaciones mandan antes de transmitir datos. Usado por bus CAN. CSMA/CD (Colission Detection), técnica que no evita las colisiones. En caso de colisión las tramas se pierden. Luego de colisión cada estación espera un tiempo aleatorio para volver a intentar transmitir. Unas aproximaciones al modelo de capas, pero aplicado a comunicaciones industriales son el estándar ISA/SP50 y Protocolo CIP. El estándar ISA/SP50, ss una propuesta de la Sociedad para Instrumentación, Sistemas y Automatización, ISA, este define una interface común entre componentes de medida electrónicos y/o sistemas de control y además proponen dos capas mas. La capa de usuario, la cual realiza labores de control global distribuido de las aplicaciones, y gestión de bases de datos distribuidas; y la capa de supervisión la cual gestiona todos los sistemas y redes involucrados en todos los niveles. Es como una capa que cubre lateralmente todos los niveles. El protocolo CIP, permite integrar la gestión de entradas y salidas y la configuración y lectura de datos de diferentes dispositivos conectados a diferentes sub redes dentro del sistema SCADA, esto nace debido a los numerosos productos, con diferentes configuraciones y prestaciones que puede haber en un sistema SCADA. CIP es una aproximación basada en objetos, orientada a permitir el diseño de dispositivos de control que combina el método de direccionamiento de red y las reglas de intercambio de mensajes. El manejo de dispositivos se hace estableciendo un perfil de cada uno, donde se definen en cada uno los objetos que se deben aplicar y los atributos y servicios que debe incluir. Se incluye una capa encargada de establecer el perfil de cada dispositivo a controlar.
Redes industriales de control Pirámide de la automatización: Como se había mencionado, las redes industriales utilizan una arquitectura distribuida, privilegiándola sobre la centralizada. En los sistemas distribuidos usan sistemas de cableado donde con un sólo cable de comunicación serie el equipo de control se conecta a
captadores y accionadores, incluyendo los captadores/accionadores clásicos (“todo o nada” o analógicos), los dispositivos inteligentes (variadores de velocidad, robots, reguladores digitales, terminales de visualización,…), y otros equipos de control. Con el desarrollo en microprocesadores, aparecen sensores y actuadores inteligentes, que permiten configuración y programación remota, surgiendo nuevas necesidades en la comunicación entre estos dispositivos y los elementos de control de mayor nivel. Para resumir la estructura de los sistemas de comunicación en un entorno industrial productivo, se toma como referencia la pirámide CIM (Computer Integrated Manufacturing), la cual se divide en niveles, de acuerdo con el tráfico y tipo de información que se intercambia. En esta pirámide, Los 3 primeros niveles, el nivel de gestión de empresa, el nivel de oficina técnica y planificación y el de coordinación de planta, tienen funciones de gestión de información. La parte correspondiente a la automatización industrial estaría en los 3 niveles inferiores, que corresponden al nivel de supervisión y control de célula, nivel de control local directo y nivel de sensores y actuadores. Entre mas alto sea el nivel, se necesita mayor flujo de datos pero menor velocidad de reacción. En la gestión de la empresa se procesan grandes cantidades de información, y se debe tener acceso a todos los puntos de la red, por lo que normalmente está compuesta por bastantes puestos de trabajo. Las fabricas que controlan alguna planta o un grupo de procesos específico, conformarían el segundo nivel. Si las fábricas controlan varios procesos a gran escala pero independientes unos de otros, estos se dividen en áreas de trabajo dentro de la misma fabrica, lo que conformaría el nivel 3, nivel de Área. En el nivel de supervisión y control de célula, se procesan las tareas de automatización, se implementan los sistemas de visualización y control de autómatas. En este nivel se maneja directamente la información de los dispositivos. El nivel de control local directo aborda la interconexión entre los equipos de control de maquinaria y los equipos de nivel de célula. El trabajo es en tiempo real, mediante técnicas de transmisión eficientes a los módulos E/S, medidores, controladores de velocidad, válvulas o pantallas de operador. El nivel mas bajo ya se encarga directamente de los procesos y maquinas de campo. Las conexiones en este nivel son sencillas, las velocidades que se manejan son bajas, y normalmente no se usan sistemas de buses existentes por su complejidad electrónica y en comunicaciones. Es conveniente diferenciar entre las prestaciones de una red de conexión de equipos de instrumentación, con una red de bus de campo (que se usa en el nivel intermedio de la pirámide). Las redes de bus de campo, incorporan la capa de aplicación, que permite implementar rutinas de control en el elemento situado en planta o en el controlador. Además proporcionan seguridad para los elementos ubicados en zonas peligrosas. En cambio, las redes de nivel mas bajo, transmiten menos información a más velocidad y controlan de manera directa las maquinas. También es conveniente en sistemas SCADA diferenciar entre red de datos y red de control. Como ya se ha mencionado, estos son los dos tipos de información que se transmite. Las redes de datos se caracterizan por manejar un mayor flujo de información, por lo que el tamaño de los paquetes es mayor. Estos datos pueden ir a varias oficinas de nivel superior, e inclusive, viajar a
través de la red WAN; manejan por lo tanto áreas más extensas. Sin embargo normalmente la información no se está pasando constantemente de un lado a otro. Las redes de control, en cambio, manejan flujos de información pequeños (paquetes pequeños) pero mayores velocidades y requieren procesos en tiempo real. Los factores a tener en cuenta en el diseño de redes de control son: Protocolos, interoperabilidad, topologías, control de acceso al medio MAC, medio físico, control en tiempo real, y seguridad. Las redes MAP y TOP no tienen mucha implantación hoy en día, sin embargo realizan aportes importantes al mundo de las redes de comunicaciones en general y de las redes industriales en particular. La historia de estas redes se remonta cuando General Motors y otras compañías trabajan en unos protocolos específicos para cada una de las capas OSI para automatización de fábricas. De este trabajo surge MAP (protocolo de fabricación automatizada), sobre paso de testigo en bus (Token Bus). Paralelamente Boeing establece normas para la automatización de sus oficinas, optando por Ethernet ya que no necesitaba tiempo real (los aviones no se fabrican en líneas de montaje), de donde surge TOP (protocolo técnico y de oficina). Con el objetivo de mantener la compatibilidad en las capas superiores, ambos grupos trabajan juntos. Con ayuda de estos trabajos, mas las recomendaciones de otras empresas como IBM, el cual desarrollo Token Ring (paso de testigo en anillo), IEEE aprueba las tres normas para Capa Física + MAC.
