CURSO BASICO DE SCADA
1. Que es SCADA? 2.
Componentes en un sistema SCADA
3. Qué es realmente un sistema SCADA en tiempo real? 4.
Determinando el Intervalo del Scan en sistemas SCADA
5. Selección de la Red de Comunicaciones en un sistema SCADA 6. Componentes de un Sistema de Comunicación Comunicación SCADA 7. Selección de Topologías y Modos de Transmisión en sistemas SCADA 8. Medios Atmosféricos y Protocolos de Comunicación en sistemas SCADA 9. Seleccionando la Estación Maestra en sistemas SCADA 10. Almacenamiento Almacenamiento de datos y Sistemas de Supervisión SCADA
1 Que es SCADA? SCADA son las siglas de Supervisión Control y Adquisición de Datos. También algunos autores lo definen como la tecnología que habilita la colección de datos de locaciones remotas, así como el envío de información a estas locaciones. Scada permite que se omita la necesidad de tener operadores en estas locaciones remotas, que a partir de ahora serán conocidas como estaciones remotas. Durante este capítulo se presentará algunos procesos que se ven beneficiados con la instalación de un sistema Scada y dar a conocer los elementos básicos del sistema. Un sistema Scada permite que un operador, ubicado en una estación central a grandes distancias de la ubicación de los procesos industriales, pueda hacer ajustes o cambios en los controladores locales de los procesos. Tal es el caso de abrir o cerrar válvulas a distancias, conocer el estado de los interruptores de seguridad de un sistema, monitorear el estado de las alarmas del proceso y obtener información de las variables del proceso involucradas. Cuando la distancia de los procesos llega a ser muy grande: cientos o miles de kilómetros desde un punto a otro, los beneficios en reducir costos de visitas de rutinas pueden ser apreciadas. El valor de estos beneficios se incrementa si la zona a visitar es poco accesible. Los programas necesarios y en su caso, el hardware adicional que se necesite, se denomina, en general, sistema SCADA. Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada: • Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. • Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión). • Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware y fáciles de utilizar, con interfaces amigables para el usuario.
1 Que es SCADA? SCADA son las siglas de Supervisión Control y Adquisición de Datos. También algunos autores lo definen como la tecnología que habilita la colección de datos de locaciones remotas, así como el envío de información a estas locaciones. Scada permite que se omita la necesidad de tener operadores en estas locaciones remotas, que a partir de ahora serán conocidas como estaciones remotas. Durante este capítulo se presentará algunos procesos que se ven beneficiados con la instalación de un sistema Scada y dar a conocer los elementos básicos del sistema. Un sistema Scada permite que un operador, ubicado en una estación central a grandes distancias de la ubicación de los procesos industriales, pueda hacer ajustes o cambios en los controladores locales de los procesos. Tal es el caso de abrir o cerrar válvulas a distancias, conocer el estado de los interruptores de seguridad de un sistema, monitorear el estado de las alarmas del proceso y obtener información de las variables del proceso involucradas. Cuando la distancia de los procesos llega a ser muy grande: cientos o miles de kilómetros desde un punto a otro, los beneficios en reducir costos de visitas de rutinas pueden ser apreciadas. El valor de estos beneficios se incrementa si la zona a visitar es poco accesible. Los programas necesarios y en su caso, el hardware adicional que se necesite, se denomina, en general, sistema SCADA. Un SCADA debe cumplir varios objetivos para que su instalación sea perfectamente aprovechada: • Deben ser sistemas de arquitectura abierta, capaces de crecer o adaptarse según las necesidades cambiantes de la empresa. • Deben comunicarse con total facilidad y de forma transparente al usuario con el equipo de planta y con el resto de la empresa (redes locales y de gestión). • Deben ser programas sencillos de instalar, sin excesivas exigencias de hardware y fáciles de utilizar, con interfaces amigables para el usuario.
Monitoreo y control de plataformas plataformas petroleras
En esta aplicación se tiene tres tanques colectores de 1 000 mts3 cada uno. Desde una estación de bombeo localizada a 20 millas se bombea el agua a un reservorio elevado que tiene una cota de 1000 ft. El suministro de agua llega a la planta de tratamiento por efecto de la gravedad. Como se puede ver, la estación de supervisión se encuentra localizada a más de 50 millas de los tanques colectores, pero la información de los niveles de estos tanques se visualiza “en tiempo real”, es decir, que las variables de nivel son actualizadas en tiempos muy pequeños, menores a 1 segundo. Desde la estación de supervisión se puede encender y apagar las bombas que alimentan de agua al reservorio en forma manual y automática. Cuando se trabaja en modo manual, el operador de la estación de control enciende las bombas dando la señal de encendido desde el panel. Cuando se opera en forma automática, el controlador local monitorea el nivel del reservorio y cuando detecta un nivel mínimo, manda a encender las bombas de alimentación hasta lograr el nivel deseado.
Este sistema Scada permite el control de las estaciones de bombeo, monitoreo de los niveles de los tanques de almacenamiento de la refinería y monitoreo y control de los tanques de la zona de despacho. Todas las operaciones son supervisadas desde dos estaciones locales que operan sobre plataforma Unix.
CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS SCADA Los sistemas SCADA se caracterizan por una gran diversidad, dependiendo del proceso que controlan, tecnología utilizada, localización geográfica, etc. A continuación agruparemos los sistemas Scada según su distribución geográfica, ya que estos sistemas comparten ciertas características en común desde este punto de vista. Las descripciones generales del hardware y el software básicos utilizados en cada sistema son en general válido encontrándose diferencias mayores en el software de aplicación, que se adapta a cada caso.
a) SISTEMAS LINEALES Sistemas con desarrollo lineal • Oleoductos. • Gasoductos. • Poliductos. • Acueductos. • Redes de ferrocarriles y subterráneo. • Redes de distribución de energía eléctrica.
b) SISTEMAS RAMIFICADOS En este caso el sistema abarca una superficie importante: • Yacimientos. • Redes de distribución de gas, agua o electricidad. • Los sistemas asociados a estos procesos que dependen en forma importante de sus características particulares.
2. Componentes en un sistema SCADA Recibe datos de las condiciones de los equipos en campo que es enviada por las estaciones remotas (RTU). Procesa la información y envía comandos a las estaciones remotas para mantener las variables de los procesos dentro de los parámetros establecidos. La estación maestra dependiendo del tipo de sistema a Scada a implementar puede ser una PC con un software de supervisión y control. En muchos casos se opta por trabajar con un PLC con capacidad de comunicación que realizaría la tarea de leer la información de las unidades remotas.
Fig. 3 - Estacion Maestra o Master B) LAS UNIDADES REMOTAS O RTU Controlan todas las señales de entrada y salida del campo como válvulas, equipos de medición, motores, etc. Monitorean las condiciones de los dispositivos de campo y almacenan los estados de las alarmas. Envían los estados y alarmas de los equipos en campo y reciben comandos de la estación maestra.
Fig. 4 La estación maestra interroga a las RTU por medio de un proceso de encuesta o Polling Algunos autores clasifican a las RTU es unidades tontas y unidades inteligentes. A los inicios de los sistemas Scada era común instalar unidades tontas que sólo se encargaban de enviar información a la estación maestra y esta estación tomaba la decisión y se la transmitía al RTU. En la actualidad las RTU tontas han sido reemplazados por los RTU inteligentes que básicamente son pequeños PLC's que tienen capacidad de comunicaciones y se encargan de hacer un control de procesos en forma local y posteriormente la estación maestra se informa de la acción tomada por la RTU a fin de actualizar su registro de los datos. Otros autores clasifican a las RTU dependiendo del número de señales de entrada salida que maneja cada equipo. Se considera a un RTU con menos de 100 señales de I/O como pequeñas, hasta 500 I/O como medianas y mayores a 500 I/O como grandes.
C) RED DE TELEMETRÍA Permite establecer el intercambio de información entre la estación maestra y las unidades remotas. Cuando hablamos de telemetría nos referimos básicamente a tres componentes: • La topología usada : Corresponde al arreglo geométrico de los nodos. Entre los principales se tiene el punto a punto, punto a multipunto, etc. • Modo de transmisión : Es la forma como viaja la información entre los distintos nodos de la red. Se puede tener dos modos principales: Full Duplex y Half Duplex. • El medio utilizado: Corresponde al tipo de medio utilizado para enviar y recibir la información. Puede ser una línea física dedicada, a través del medio atmosférico, a través de las líneas de alta tensión, etc.
Fig. 5 - Red de Telemetria
D) LA ESTACIÓN DE SUPERVISIÓN Permite la visualización gráfica del estado del proceso, es decir proporciona al operador las funciones de control y supervisión de la planta. El proceso se representa mediante sinópticos almacenados en el ordenador de proceso y generados desde el editor incorporado en el SCADA o importados desde otra aplicación durante la configuración del paquete.
Fig. 6 - Estacion de Supervision Algunos softwares de supervisión: • RSView32, de Rockwell Software. • InTouch, de Wonderware. • WinCC, de Siemens. • Coros LS-B/Win, de Siemens. • SYSMAC SCS, de Omron. • FIXDMACS, de Omron-Intellution. Un software de supervisión SCADA debe estar en disposición de ofrecer las siguientes prestaciones: • Posibilidad de crear paneles de alarma, que exigen la presencia del operador para reconocer una parada o situación de alarma, con registro de incidencias. • Generación de históricos de señal de planta, que pueden ser volcados para su proceso sobre una hoja de cálculo. • Ejecución de programas que modifican la ley de control o incluso, el programa total sobre el autómata, bajo ciertas condiciones. • Posibilidad de programación numérica, que permite realizar cálculos aritméticos de elevada resolución sobre la CPU del ordenador y no sobre la del autómata, menos especializado, etc.
3 Qué es realmente un sistema SCADA en tiempo real? El término “Control en tiempo real” es definido como “pertinente para realizar una operación de cálculo durante el tiempo que el proceso físico transpira”, en nuestro contexto se refiere a la respuesta del sistema de control a los cambios en el proceso. Rigurosamente, un sistema en tiempo real es el que no introduce retardos o tiempo muertos entre la recepción de la medición de las variables del proceso y la señal de control. En realidad, todos los sistemas de control introducen pequeños retardos al proceso. Esto hace que la introducción de pequeñas cantidades de retardos al proceso sin afectar la medición o rendimiento del proceso sea conocida como un sistema de control en tiempo real. Muchos sistemas de control de proceso son considerados en tiempo real. La figura 7 muestra un sistema de control en tiempo real, debido a que el único retardo considerado es el tiempo de procesamiento de la información en el controlador del proceso.
Fig.7 - Sistema de control en tiempo real La figura 8 muestra un simple Scada con la unidad maestra scaneando tres RTUs. La unidad maestra pregunta al RTU 1 por el flujo a través del FT101, luego este pregunta a los otros RTUs por el flujo en sus transmisores FT102 y FT103. El intervalo de scan es el tiempo entre una conversación con un RTU y la próxima conversación con el mismo RTU. Es obvio que este método usado por el sistema Scada es de la baja velocidad y va introducir un tiempo de retardo.
Fig. 8 - Simple Scada con la unidad maestra scaneando tres RTUs La figura 9 muestra el retardo. La decisión en cómo puede afectar el tiempo de scan en el proceso, sólo puede ser realizado por una persona que conozca del proceso. Durante el inicio del diseño del sistema Scada, el intervalo de Scan puede ser seleccionado para minimizar los efectos de retardos de tiempo.
Fig. 9 - Retardo en comunicación en RTU's
En particular, los sistemas para indicar estados o alarmas deben ser diseñados de tal manera que los retardos de tiempo entre la detección de la alarma y el reconocimiento por parte de operador deben ser mínimos. Muchos ejemplos pueden ayudar a entender de este tema. Por ejemplo, una falla en un equipo ha sido detectado. El sistema Scada avisa al operador de la condición de alarma existente. Una respuesta por parte del operador es hecha para retornar el proceso a sus condiciones nominales.
Ejemplo 1, de una condición fuera de límite: Una bomba de descarga, de aceite, se ha detenido en la localización 10-22. Como la bomba alimenta a un reservorio el flujo hacia este tanque se detiene. Una señal de alarma aparece “Bomba 10-22 detenida”. La respuesta esperada es que en la próxima visita a campo el operador pierda suficiente tiempo en el lugar en determinar la causa de la falla de la bomba. Puede escribir una descripción de la falla y puede llamar al personal de mantenimiento para reparar el problema. El tiempo económico factible está en el orden de las horas hasta días.
Ejemplo 2, de una condición fuera de límite: Una bomba sumergible localizada en la sección 6-33 se ha detenido. Señal de alarma es “Bomba 6-33 Detenida” Respuesta esperada.- Las bombas sumergibles son caras y normalmente bombean altos volúmenes de flujos. Por tanto las paradas de estas bomba producen grandes pérdidas económicas a la empresa. Por tanto el tiempo para reparación del equipo debe lo mínimo posible. El tiempo económico factible para esta respuesta está en el orden de los minutos y puede ser como máximo de una hora.
Ejemplo 3, de una condición fuera de límite: La conexión entre el generador G150 y la línea de transmisión eléctrica se ha abierto. Señal de alarma “Conexión abierta Generador G150” Respuesta esperada- El generador es imprescindible para la operación de la planta. Por tanto su reconexión debe ser lo antes posible. El tiempo económico factible está en el orden de los segundos. Como máximo 5 segundos.De estos ejemplos queda claro que el diseño del sistema Scada depende de las condiciones a controlar en el proceso y se debe ajustar a tener un menor tiempo de respuesta que el proceso para que el sistema Scada sea reconocido como un sistema en “Tiempo Real”.
4 Determinando el Intervalo del Scan en sistemas SCADA Uno de los factores que determina el intervalo del Scan es el número RTUs a ser escaneados. Un estimado puede ser fácilmente hecho durante la etapa de diseño del sistema Scada. Un segundo factor a considerar es la cantidad de información que va ser enviada en cada conversación. Dependiendo de los controles a tener en cada RTU se puede determinar el número de bits a enviar en la información.
Para señales del tipo ON/OFF usado en válvulas solenoides, motores, pulsadores, lámparas, etc., se requerirá un bit por cada uno de los equipos. Para el caso de indicadores de presión, medidores de flujo, porcentaje de apertura de las válvulas moduladoras, etc., se requerirá una palabra de 16 bits. En algunos casos se requerirá de dos palabras de 16 bits cuando la resolución de los equipos en campo así lo demande.
Para simplificar y obtener un factor seguro, se puede seleccionar el RTU con mayor número de puntos de control y multiplicar por el número de RTUs a instalar en el sistema.
Recordar que una conversación es usualmente una transferencia de datos en dos direcciones. Es importante incluir el tiempo tomado por la estación maestra para conversar con cada RTU. Esto puede incluir ambos, el tiempo requerido para que la estación maestra le pregunte por los datos al RTU y el tiempo para que le asigne nuevos comandos al RTU. En este punto también es recomendable analizar el RTU con mayor número de transacciones de conversación y multiplicar por el total de RTU para tener un valor seguro del número de transacciones. El tercer factor es la velocidad de comunicación. Es el número de bits por segundo que pueden ser transmitidos por un medio de comunicación. Dependiendo del protocolo de comunicación y el medio físico puede variar la velocidad de comunicación del sistema. Si utilizamos una línea telefónica, podemos trabajar en el rango de 300 a 2 400 bps. Si trabajamos con un protocolo industrial, podríamos estar llegando a 19 200 bps. Sin embargo, si consideramos usar un protocolo como TCP/IP se pueden lograr velocidades de hasta 10 Mbps. Este último nos puede ser útil para sistemas en que el tiempo económico factible esté en el orden de los segundos. Un cuarto criterio es la eficiencia de la comunicación que debe ser tomada como la razón del tiempo perdido moviendo la data de interés entre el total del tiempo perdido en comunicarnos. Por ejemplo, parte del mensaje incluye la dirección del RTU que no es un dato de interés, así también tenemos los errores de chequeo y los algoritmos usados para la
corrección. Hay veces que los datos que no interesan toman más tiempo que los datos de interés. Algunos datos han sido calculados para determinados medios de comunicación, por ejemplo, la eficiencia para la línea telefónica dedicada es del 70%, para un radio módem del 40%, para una línea telefónica del tipo dial up menos del 1%.
Ejemplo: Calcular el intervalo del scan para el siguiente sistema Scada: • Inicialmente son 7 RTU, pero puede incrementar eventualmente a 20. Por tanto el número de RTU a considerar será 20. • EL RTU con mayor número de puntos de control es de:
PUNTOS 140 Puntos de estado. 30 Puntos de alarma. 10 Indicadores (1 palabra de 16 bits). 10 Puntos análogos (1 palabra de 16 bits).
TOTAL 140 30 160 160
La estación maestra puede enviar información al RTU de:
PUNTOS 150 Controles discretos (Válvulas y motores). 6 Motores de posición (1 palabra de 16 bits). 10 Válvulas moduladoras (1 palabra de 16 bits).
TOTAL 150 96 160
Total de puntos: 896 • El equipo de comunicaciones es un radio UHF que alcanza una velocidad de comunicación de 1 200 bps. • La eficiencia de comunicación basada en una radio UHF es 40%. Ahora, 20 x 896 = 17 920 bits movidos a una razón de 1 200 bps puede tomar: (17 920 / 1 200) = 14,93 segundo a un 100% de eficiencia. A 40% de eficiencia, el intervalo del scan es 14,93/0,4 = 37,33 segundos. El sistema estaría diseñado para operar en el rango de 40 a 60 segundos de actualización de cada RTU. Con este valor es necesario analizar si estamos en capacidad de otorgar un minuto de retardo en el tiempo de respuesta de nuestros sistema Scada respecto de nuestro proceso. Es decir si se presenta un problema en nuestro proceso estamos en capacidad de esperar un minuto para tomar una acción correctiva. Para nuestro caso sería recomendable duplicar la velocidad de comunicación de nuestro sistema, es decir incrementar para trabajar a 2 400
bps. Esto no nos garantiza que disminuyamos a la mitad el scan de nuestro Scada. Esto debido que la eficiencia no es una función lineal.
CRITERIOS PARA LA SELECCIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA Para seleccionar los componentes del sistema de SCADA se debe seguir el siguiente procedimiento:
Escoger una red de telemetría. Escoger los equipos de comunicación de datos (DCE). Escoger una estación master. Escoger una estación remota para el lugar de control local.
Cuando hablamos de telecomunicaciones nos referimos básicamente a los equipos de comunicación necesarios para establecer la comunicación entre los diferentes componentes del sistema Scada. En tal sentido en esta unidad se dará a conocer qué equipos de comunicación son requeridos y cuáles son sus criterios de selección.
LAS COMUNICACIONES HACEN POSIBLE UN SISTEMA SCADA Considerando que un sistema Scada consiste de uno o más estaciones maestras enviando instrucciones a las estaciones remotas y recibiendo información de estas, es claro que la comunicación juega un papel vital.
Fig. 1
La justificación para instalar un sistema Scada está basada en la capacidad de comunicar estaciones que se encuentran a distancias considerables y el costo que implica tener acceso
a la información de esta localización. La mayor justificación es el hecho de evitar tener una persona en la estación remota ejecutando las operaciones que pueden ser reemplazadas por un RTU. Para llevar a cabo la implementación de un sistema Scada, es necesario realizar una conversión de análogo a digital. Esto debido a que todo el flujo de información entre la estación maestra y la estación remota son datos binarios. La figura 2 muestra la forma de onda de la salida de un limit switch que es usado para indicar el estado de una válvula de control. En un primer momento la válvula está abierta y se está enviando una señal de +5 V. En un segundo momento la válvula está cerrada y se está enviando una señal de 0 V.
Fig. 2
Fig. 3 El estado de la válvula es llevado a un registro de un bit o a un flip flop tal como se muestra en la figura 3. El estado de la válvula es llevado a la señal de habilitación (Enable) del registro. Este registro tiene un canal adicional para el reloj del sistema (Clock). La actualización de la salida del registro es actualizada con cada cambio de estado de 0 a 1 del reloj.
Fig. 4 Como se puede comprobar la actualización estado a la salida del registro está en función de la actualización del reloj del sistema. Para nuestro caso, la actualización del estado de la válvula se produce en el cuarto pulso de subida del reloj. Esto hace que se pierda la información por casi un ciclo de duración del reloj. Es por ello que entre más rápido el tiempo de actualización del reloj, mejor rendimiento del sistema. La figura 5 muestra cómo una señal análoga es desarrollada para representar la posición de la válvula.
Fig. 5 Cuando la válvula está totalmente abierta, el indicador de posición enviará una señal de 5 volts. Cuando la válvula está totalmente cerrada el indicador de posición enviará una señal de 0 volt. En la figura se muestra una posición de la válvula equivalente a una señal de 3 volts que equivale a un 60% de la apertura de la válvula.
Fig. 6 El convertidor análogo – digital procesa la información y establece el número de bit equivalentes a esta información. Para el ejemplo se está trabajando con un convertidor de cuatro bits. Por tanto la resolución de la conversión es de 5 / 24 = 0,3125 volts. Es por ello que cada resta es respecto a este valor. En la tabla se muestra el cálculo en voltios que se obtiene de la conversión análogo-digital. Se pude notar que existe un error de 0,1825 volts.
Fig. 7 LARGAS DISTANCIAS - COMUNICACIÓN SERIAL
Cuando las comunicaciones son a grandes distancias es necesario trabajar con una comunicación serial. Esto significa que en una cadena de caracteres, los bits son enviados uno a uno desde el origen hasta el destino. La comunicación paralela es muy conocida para el uso de impresoras conectadas a las PC's. Sin embargo, la gran limitante es la distancia máxima que se puede obtener. Cuando se necesita enviar datos en forma serial, es necesario trabajar con un equipo adicional que permita enviar los bits uno a uno de los conversores análogo -digital. La técnica más usada es empezar por el bit más significativo y culminar con el bit menos significativo. A esta convención se le conocerá como protocolo y que será explicado posteriormente. La figura 8 muestra un simple sistema Scada que consiste de una unidad maestra MTU y una unidad remota RTU. El MTU y el RTU deben ser equipados con equipos de comunicación para establecer la comunicación uno con otro.
Fig. 8
En términos de comunicaciones los equipos necesarios para establecer la comunicación entre el MTU y el RTU son conocidos como DCE (Data Communication Equipment). Estos equipos tienen la capacidad de formular las señales necesarias para establecer la comunicación, esto es, codificar y decodificar las señales según los requerimientos.
Un ejemplo de estos equipos de comunicación son los módems. En la figura 9 se tiene el diagrama de los equipos utilizados.
Fig. 9
La información viaja sobre un medio desde una DTE a otro DTE. Los módems utilizan un medio físico como puede ser una línea telefónica o una línea dedicada.
La organización de estándares internacionales ISO ha desarrollado un modelo de sistema de interconexión abierto OSI. Este consiste de siete capas (Layers). La función de cada capa es definida y se usa un número apropiado de capas según los requerimientos. Las capas más bajas son suficientes para la mayoría de los sistemas Scada. Note que no necesariamente existe una correspondencia directa entre una capa OSI el cual define una función, y una pieza física de hardware.
Fig. 10 Los siete niveles del modelo ISO-OSI El lazo de comunicación es sólo entre dos estaciones. Cualquiera de las dos estaciones puede iniciar la comunicación o se puede configurar para que sea una de ellas quien controle a la otra. La topología es el arreglo geométrico de nodos y lazos que forman una red. Las siguientes topologías son las más usadas por un sistema Scada:
A) PUNTO A PUNTO
El lazo de comunicación es sólo entre dos estaciones. Cualquiera de las dos estaciones puede iniciar la comunicación o se puede configurar para que sea una de ellas quien controle a la otra.
Las estaciones pueden ser conectadas usando cables permanentes o una pública dedicada. La línea dedicada puede ser análoga o digital. También se puede usar conexiones temporales como dial-up lines, microonda, radio o transmisiones satelitales.
Selecciones esta topología si usted necesita una conexión directa con la estación remota. Para estos casos los sistemas de redundancia deberán ser contemplados como parte del diseño del sistema.
Two-Wire significa que el medio de transmisión usa dos cables para la transmisión y recepción de la señal. Por ejemplo, la línea telefónica pública utiliza dos cables para establecer la conexión entre dos usuarios.
B) PUNTO A MULTIPUNTO (MULTIDROP)
El lazo de comunicación es con tres o más estaciones y quien inicia la comunicación es la estación maestra que controla la comunicación con las estaciones remotas.
La comunicación puede ser establecida usando una línea pública análoga o digital. También puede ser usado el medio atmosférico como las microondas, radio o satélite.
Esta topología es la más usada por Scada. Cuatro líneas significa que el medio de transmisión usa dos líneas para la transmisión y dos líneas para la recepción de la señal. Los proveedores del servicio público normalmente habilitan el uso de las cuatro líneas de comunicación.
C) MULTIPUNTO A MULTIPUNTO
El lazo de comunicación es entre tres o más estaciones donde la estación maestra no necesariamente inicia la comunicación con las otras estaciones.
Esta es una especial topología de algunos proveedores de radio-módems. Este facilita una comunicación punto a punto entre las estaciones.
SELECCIÓN DEL MODO DE TRANSMISIÓN
EL modo de transmisión es la forma cómo la información es enviada y recibida entre los dispositivos de la red. Para sistemas Scada la topología de la red generalmente determina el modo de transmisión de la data.
Cuando se tiene una topología punto a multipunto, el modo de transmisión es half-dúplex. Esto significa:
Cuando se tiene una topología punto a punto, el modo de transmisión es full-dúplex. Esto significa:
Cuando se tiene una topología multipunto a multipunto, el modo de transmisión es fulldúplex entre estación y módem y half dúplex entre módems. Esto significa:
SELECCIÓN DE UN MEDIO DE COMUNICACIÓN
Selecciones un medio de comunicación tomando en consideración lo siguiente:
• Necesidades de transmisión de la aplicación. • Localizaciones del centro de control y sitios remotos. • Distancias entre los sitios. • Servicios disponibles. • Presupuesto asignado al proyecto.
Tipos de medios disponibles:
a) LÍNEA PÚBLICA TELEFÓNICA (PUBLIC SWITCHED TELEPHONE NETWORK PSTN)
La red de dial-up es suministrada por una compañía telefónica. La línea telefónica la usamos todos los días y permite la transmisión de voz y datos.
En el Perú el proveedor es Telefónica del Perú, pero en la actualidad tenemos a otros proveedores como BellSouth, TIM, etc.
Ventajas y capacidades:
• Es útil si se requiere poca recolección de datos. • Se tiene acceso al uso de una línea pública. • La compañía telefónica carga mensualmente por el servicio. El costo está en función del número de conexiones y el tiempo de la conexión. • La red de comunicaciones logra una velocidad de hasta 56 000 bps. • La red es un cable de dos hilos que soporta una conexión half-dúplex y full dúplex si la conexión es punto a punto.
Desventajas:
• La transmisión es costosa si se requiere mayores volúmenes de información de los sitios remotos. • La conexión con módem puede causar errores es la transmisión de 1 error por cada 1 000 000 bits. • El medio no puede ser usado en localidades donde no se tenga este servicio. • Se requiere tiempo para la conexión (marcado) y el establecimiento de la conexión. • Una lógica adicional es necesaria para una conexión automática.
Usa estándar Bell o Comité Consultivo para Internacional Teléfonos y módems (CCITT).
b) LÍNEA PRIVADA DEDICADA (PRIVATE LEASED LINE PLL)
Es una línea telefónica dedicada que está en permanente conexión entre dos o más localizaciones que usan una transmisión análoga. La línea esta disponible las 24 horas del día y normalmente es para el envío de voz y datos.
c) SERVICIO DIGITAL DE DATOS (DIGITAL DATA SERVICES DDS)
Es una línea privada con un ancho de banda especial que usa tecnología digital para transferir datos a altas velocidades y con bajos niveles de error usando una línea privada dedicada. La línea está disponible las 24 horas del día.
A) MICROONDAS (MICROWAVE RADIO)
Es una transmisión de alta frecuencia (GHz) que es limitada por la curvatura de la tierra. Utiliza platos parabólicos que son conocidos como antenas parabólicas para la transmisión de datos.
Las antenas parabólicas son montadas en lo alto de los edificios debido a que debe existir una línea de vista entre las antenas.
B) RADIO VHF/UHF
Es una onda de transmisión electromagnética de alta frecuencia. El radio transmisor genera la señal y la antena recibe esta información.
C) SATÉLITE EGOCÉNTRICO
Los satélites geocéntricos usan una transmisión de radio de alta frecuencia del orden de los Ghz entre dos localizaciones. La órbita de los satélites es síncrona con la órbita de la tierra. Es decir, los satélites giran alrededor de la tierra utilizando una órbita geocéntrica. Sin embargo los satélites mantienen su posición relativa respecto a un punto en la tierra. Los satélites reciben y transmiten la información usando antenas parabólicas.
D) LÍNEA DE POTENCIA
Con equipos especiales es posible enviar y recibir datos sobre una línea de potencia desde los 120 VAC hasta los 460 VAC.
PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN
El protocolo es una serie de reglas que definen el significado de una palabra de bits. Se ha establecido que un mensaje será enviado desde una MTU hacia un RTU a través de una serie de bits digitales. Pero, que puede representar el primer, segundo, tercer bit, y qué puede significar el bit veinticuatro. El protocolo se encarga de decirnos que significa cada bit.
Por tanto un código se encargará de decirnos cuál es el significado de cada bit en una comunicación serial. Este código se codifica al inicio de la transmisión y se decodifica al final de la transmisión.
Demás es decir que existen muchos protocolos en el mercado y cada proveedor de tecnología propone utilizar su protocolo como una estándar.
La figura 11 muestra un diagrama de un mensaje enviado que se basa en un protocolo de la IEEE C37.1. Cada bit es definido como un propósito. El total de la longitud de la transmisión del documento es incluido como la cima de todos los bits fijos más el
número que es llevado como modificador. La cadena de la dirección remota, define la estación a la cual es mensaje es enviado. Ocho bits permiten identificar hasta 256 estaciones.
Fig. 11
La función del frame es definir hasta 256 tipos de mensajes. La dirección interna define el registro con el cual la estación de recepción direcciona el mensaje. El modificador modifica la dirección interna y define cómo cuántas palabras son incluidas en el mensaje. El dato es un campo de longitud variable que va desde 0 hasta 192 bits.
El CRC es un código de 16 bits de ciclo redundante basado en una fórmula de BoseChaudhuri – Ocquenghem para la detección de los errores de transmisión.
A continuación se muestra un ejemplo para el cálculo del CRC. El cálculo del CRC es un modelo matemático que es implementado por circuitos digitales o por rutinas desarrolladas en micro procesadores.
Fig. 12
A) MODULACIÓN DE LAS SEÑALES DIGITALES
La modulación de las señales digitales es llevada a cabo por equipos conocidos como módems que es la contracción de Modulate and Demodulate. Pero, ¿cuál es el significado de modulación? Generalmente esto significa variar o cambiar la forma de onda de acuerdo a una onda portadora.
Cuando se envían señales discretas a través de una línea, estas señales se ven atenuadas por el efecto de la resistencia del medio físico.
La figura 13 muestra que una forma de onda puede ser separada en una serie matemática de serie de ondas senoidales. Un francés matemática llamado Fourier describió el método para analizar estas formas de ondas. Demostró que una forma de onda rectangular es la suma de sus componentes senoidales.
Fig.13
Los componentes de la onda original se ven afectados por la inductancia y capacitancia del medio físico utilizando. El efecto principal es la distorsión del ángulo de fase de la señal. Sin embargo se pudo demostrar que una frecuencia base no se ve afectado por la distorsión del medio físico. En tal sentido la idea es utilizar una frecuencia portadora para la modulación de la información.
Los distintos métodos de modulación son: 1. Amplitud modulada AM. 2. Frecuencia modulada FM.
3. Modulación de fase PM.
La amplitud modulada AM varía la amplitud de la alta frecuencia de la onda portadora multiplicado por la amplitud de los datos. El resultado es una serie de ondas sinusolidales que varían de amplitud a la velocidad de los datos.
Fig. 14
La modulación por frecuencia FM varía la frecuencia de la onda portadora de acuerdo a la amplitud de los datos. La amplitud de la onda de salida es constante. En estos casos el ruido atmosférico no afecta a la onda portadora.
Fig. 15
La modulación por ángulo de fase, cambia la fase en respuesta al cambio de amplitud de los datos. Este tipo de modulación permite mayores velocidades de comunicación respeto a la modulación AM.
Un protocolo gobierna el formato de transmisión entre dos o más estaciones, incluyendo en handshaking, el error de detección y error de recuperación. Cuando se selecciona un protocolo el que se ajuste más a su aplicación. Los criterios a tener en cuenta al seleccionar un protocolo son:
• Topología de la conexión. • Modo de transmisión. • Otros requerimientos de la aplicación, como conexiones y equipos ya existentes.
Si su modo de transmisión es en una dirección el protocolo a seleccionar será half dúplex. Si el modo de transmisión es bidireccional en forma simultánea el protocolo a seleccionar será full dúplex.
Dependiendo del proveedor elegido para la estación maestra y esclavo, el protocolo será el sugerido por el fabricante de estos equipos. Por ejemplo, si se trabaja con equipos de la marca Allen Bradley, el proveedor sugerirá el protocolo DF1 half dúplex porque este tiene como beneficios:
• Monitoreo remoto de la tabla de datos de la estación remota, así como acceso al programa escalera de esta estación. • Mensajes entre estaciones. • Menor costo porque el protocolo viene incluido con los equipos.
EL protocolo DF1 es un protocolo asíncrono. Usted necesitará trabajar con otro protocolo si:
• Está usando lazos de comunicación con satélites, radio módems y software que necesiten trabajar con handshaking. • Expandir un sistema existente que no trabaje con protocolo DF1 de AB.
Sin embargo, muchos proveedores de tecnología proveen soluciones conocidas como Gateway, que son equipos o software que se encarga de convertir un protocolo determinado en otro protocolo.
A continuación se le muestra una tabla de distintos protocolos disponibles para estaciones maestras:
Protocoloas para SCADA
Protocolos RTU
SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE COMUNICACIÓN
Un método para calcular el scan del intervalo está basado en varias consideraciones ya mencionadas en la unidad 1. Cuando se tiene aplicaciones críticas, es necesario manejar mayores anchos de banda con mayores velocidades de comunicación. En estos casos los medios de comunicación a utilizar considerará el uso de por ejemplo un medio físico como la fibra óptica, ondas de radio, etc. Implementar una línea dedicada es mucho más sofisticado, pero es necesario tener una compañía de teléfono quién pueda brindar este servicio.
