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8/10/2019 SCADA texto2

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UNIDAD

II

Selección de la Red de Comunicaciones



Tecsup Virtu@l Indice

Índice

Unidad II: “Selección de la Red de Comunicaciones”

1. INTRODUCCIÓN........................................................................................................ 12. OBJETIVOS............................................................................................................... 23. LAS COMUNICACIONES HACEN POSIBLE UN SISTEMA SCADA..................................... 1

3.1 LARGAS DISTANCIAS - COMUNICACIÓN SERIAL ................................................ 53.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN............................................ 5

4. SELECCIÓN DE TOPOLOGÍAS Y MODOS DE TRASMISIÓN............................................ 74.1 PUNTO A PUNTO.............................................................................................. 74.2 PUNTO DE MULTIPUNTO (MULTIDROP) ............................................................ 84.3 MULTIPUNTO A MULTIPUNTO........................................................................... 8

4.4 SELECCIÓN DEL MODO DE TRANSMISIÓN......................................................... 94.5 SELECCIÓN DE UN MEDIO DE COMUNICACIÓN ................................................10

4.5.1 LÍNEA PÚBLICA TELEFÓNICA (PUBLIC SWITCHED TELEPHONENETWORK PSTN)..................................................................................10

4.5.2 LÍNEA PRIVADA DEDICADA (PRIVATE LEASED LINE PLL)........................115. MEDIOS ATMOSFÉRICOS..........................................................................................11

5.1 MICROONDAS (MICROWAVE RADIO) ...............................................................115.2 RADIO VHF/UHF..............................................................................................125.3 SATÉLITE EGOCÉNTRICO ................................................................................135.4 LÍNEA DE POTENCIA .......................................................................................13

6. PROTOCOLOS DE COMUNICACIÓN ...........................................................................14

6.1 MODULACIÓN DE LAS SEÑALES DIGITALES......................................................167. SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE COMUNICACIÓN ....................................................228. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN.....................................................................239. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN.......................................24



Tecsup Virtu@l Fundamentos de Implementación de Sistemas Scada

Pag. 1 Unidad II

UNIDAD II

“SELECCIÓN DE LA RED DE COMUNICACIONES”

1. INTRODUCCIÓN

Cuando hablamos de telecomunicaciones nos referimos básicamente a los equipos decomunicación necesarios para establecer la comunicación entre los diferentescomponentes del sistema Scada. En tal sentido en esta unidad se dará a conocer quéequipos de comunicación son requeridos y cuáles son sus criterios de selección.

2. OBJETIVOS

! Identificar los equipos requeridos para establecer la comunicación en un sistemaScada.

! Dar a conocer conceptos básicos para la selección de los equipos de comunicación.

Recuerde que una aplicación es más que una red de telemetría. En algunas aplicacionescríticas usted debe de diseñar un sistema de respaldo o procedimientos para recuperar lacomunicación en la red. En tal sentido analice sus requerimientos y elija la aplicación másadecuada.

3. LAS COMUNICACIONES HACEN POSIBLE UN SISTEMA SCADA

Considerando que un sistema Scada consiste de uno o más estaciones maestras enviandoinstrucciones a las estaciones remotas y recibiendo información de estas, es claro que lacomunicación juega un papel vital.

Fig. 1




Pag. 2 Unidad II

La justificación para instalar un sistema Scada está basada en la capacidad de comunicarestaciones que se encuentran a distancias considerables y el costo que implica teneracceso a la información de esta localización. La mayor justificación es el hecho de evitartener una persona en la estación remota ejecutando las operaciones que pueden serreemplazadas por un RTU.

Para llevar a cabo la implementación de un sistema Scada, es necesario realizar unaconversión de análogo a digital. Esto debido a que todo el flujo de información entre laestación 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 paraindicar el estado de una válvula de control. En un primer momento la válvula está abiertay se está enviando una señal de +5 V. En un segundo momento la válvula está cerrada yse 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 semuestra 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 deestado de 0 a 1 del reloj.




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Fig. 4

Como se puede comprobar la actualización estado a la salida del registro está en funciónde la actualización del reloj del sistema. Para nuestro caso, la actualización del estado dela válvula se produce en el cuarto pulso de subida del reloj. Esto hace que se pierda lainformación por casi un ciclo de duración del reloj. Es por ello que entre más rápido eltiempo de actualización del reloj, mejor rendimiento del sistema.

La figura 5 muestra cómo una señal análoga es desarrollada para representar la posiciónde la válvula.




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Fig. 5

Cuando la válvula está totalmente abierta, el indicador de posición enviará una señal de 5volts. 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 3volts que equivale a un 60% de la apertura de la válvula.

Para establecer la comunicación, esta información será convertida a una señal digital através de un ADC (Analog to Digital Converter). La figura 6 muestra que el cambio a unaserie de bits digitales y almacenado estos bits en un registro.

Fig. 6




Pag. 5 Unidad II

El convertidor análogo – digital procesa la información y establece el número de bitequivalentes a esta información. Para el ejemplo se está trabajando con un convertidor decuatro bits. Por tanto la resolución de la conversión es de 5 / 24 = 0,3125 volts. Es por elloque 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

3.1 LARGAS DISTANCIAS – COMUNICACIÓN SERIAL

Cuando las comunicaciones son a grandes distancias es necesario trabajar con unacomunicación serial. Esto significa que en una cadena de caracteres, los bits sonenviados uno a uno desde el origen hasta el destino.

La comunicación paralela es muy conocida para el uso de impresoras conectadas alas 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 unequipo 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 conel bit menos significativo. A esta convención se le conocerá como protocolo y queserá explicado posteriormente.

3.2 COMPONENTES DEL SISTEMA DE COMUNICACIÓN

La figura 8 muestra un simple sistema Scada que consiste de una unidad maestraMTU y una unidad remota RTU. El MTU y el RTU deben ser equipados con equiposde comunicación para establecer la comunicación uno con otro.




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Fig. 10 Los siete niveles del modelo ISO-OSI

4.

SELECCIÓN DE TOPOLOGÍAS Y MODOS DE TRANSMISIÓNLa topología es el arreglo geométrico de nodos y lazos que forman una red. Las siguientestopologías son las más usadas por un sistema Scada:

4.1 PUNTO A PUNTO

El lazo de comunicación es sólo entre dos estaciones. Cualquiera de las dosestaciones puede iniciar la comunicación o se puede configurar para que sea una deellas quien controle a la otra.

Las estaciones pueden ser conectadas usando cables permanentes o una públicadedicada. La línea dedicada puede ser análoga o digital. También se puede usarconexiones temporales como dial-up lines, microonda, radio o transmisionessatelitales.Selecciones esta topología si usted necesita una conexión directa con la estaciónremota. Para estos casos los sistemas de redundancia deberán ser contempladoscomo parte del diseño del sistema.




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Two-Wire significa que el medio de transmisión usa dos cables para la transmisión yrecepción de la señal. Por ejemplo, la línea telefónica pública utiliza dos cables paraestablecer la conexión entre dos usuarios.

4.2 PUNTO A MULTIPUNTO (MULTIDROP)

El lazo de comunicación es con tres o más estaciones y quien inicia la comunicaciónes 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 osatélite.Esta topología es la más usada por Scada. Cuatro líneas significa que el medio detransmisión usa dos líneas para la transmisión y dos líneas para la recepción de laseñal. Los proveedores del servicio público normalmente habilitan el uso de lascuatro líneas de comunicación.

4.3 MULTIPUNTO A MULTIPUNTO

El lazo de comunicación es entre tres o más estacionesdonde la estación maestra no necesariamente inicia la comunicación con las otrasestaciones.

Esta es una especial topología de algunos proveedores de radio-módems. Estefacilita una comunicación punto a punto entre las estaciones.




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4.4 SELECCIÓN DEL MODO DE TRANSMISIÓN

EL modo de transmisión es la forma cómo la información es enviada y recibida entrelos dispositivos de la red. Para sistemas Scada la topología de la red generalmentedetermina 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 esfull-dúplex entre estación y módem y half dúplex entre módems. Esto significa:




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4.5 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:

4.5.1 LÍNEA PÚBLICA TELEFÓNICA (PUBLIC SWITCHED TELEPHONENETWORK PSTN)

La red de dial-up es suministrada por una compañía telefónica. La líneatelefónica 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 actualidadtenemos 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 deinformación de los sitios remotos.

! La conexión con módem puede causar errores es la transmisión de 1error por cada 1 000 000 bits.

! El medio no puede ser usado en localidades donde no se tenga esteservicio.

! Se requiere tiempo para la conexión (marcado) y el establecimiento dela conexión.

! Una lógica adicional es necesaria para una conexión automática.

Usa estándar Bell o Comité Consultivo para Internacional Teléfonos ymódems (CCITT).




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5.2 RADIO VHF/UHF

Es una onda de transmisión electromagnética de alta frecuencia. El radio transmisorgenera la señal y la antena recibe esta información.




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Fig. 11La función del frame es definir hasta 256 tipos de mensajes. La dirección interna define elregistro con el cual la estación de recepción direcciona el mensaje. El modificador modificala dirección interna y define cómo cuántas palabras son incluidas en el mensaje. El datoes 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 deBoseChaudhuri – 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 unmodelo matemático que es implementado por circuitos digitales o por rutinasdesarrolladas en micro procesadores.

Fig. 12




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6.1 MODULACIÓN DE LAS SEÑALES DIGITALES

La modulación de las señales digitales es llevada a cabo por equipos conocidoscomo módems que es la contracción de Modulate and Demodulate. Pero, ¿cuál es el

significado de modulación? Generalmente esto significa variar o cambiar la forma deonda de acuerdo a una onda portadora.

Cuando se envían señales discretas a través de una línea, estas señales se venatenuadas por el efecto de la resistencia del medio físico.

La figura 13 muestra que una forma de onda puede ser separada en una seriematemática de serie de ondas senoidales. Un francés matemática llamado Fourierdescribió el método para analizar estas formas de ondas. Demostró que una formade onda rectangular es la suma de sus componentes senoidales.

Fig.13

Los componentes de la onda original se ven afectados por la inductancia ycapacitancia del medio físico utilizando. El efecto principal es la distorsión del ángulode fase de la señal. Sin embargo se pudo demostrar que una frecuencia base no se veafectado por la distorsión del medio físico. En tal sentido la idea es utilizar unafrecuencia 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.




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La amplitud modulada AM varía la amplitud de la alta frecuencia de la ondaportadora multiplicado por la amplitud de los datos. El resultado es una serie deondas sinusolidales que varían de amplitud a la velocidad de los datos.

Fig. 14




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La modulación por frecuencia FM varía la frecuencia de la onda portadora deacuerdo 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 deamplitud de los datos. Este tipo de modulación permite mayores velocidades decomunicación respeto a la modulación AM.




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Un protocolo gobierna el formato de transmisión entre dos o más estaciones,incluyendo en handshaking, el error de detección y error de recuperación. Cuandose 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 aseleccionar será full dúplex.Dependiendo del proveedor elegido para la estación maestra y esclavo, el protocoloserá 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 dúplexporque este tiene como beneficios:

! Monitoreo remoto de la tabla de datos de la estación remota, así como acceso alprograma 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 otroprotocolo si:

! Está usando lazos de comunicación con satélites, radio módems y software quenecesiten trabajar con handshaking.

! Expandir un sistema existente que no trabaje con protocolo DF1 de AB.

Sin embargo, muchos proveedores de tecnología proveen soluciones conocidascomo Gateway, que son equipos o software que se encarga de convertir unprotocolo determinado en otro protocolo.

A continuación se le muestra una tabla de distintos protocolos disponibles paraestaciones maestras:




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Protocolos para RTU´s




7. SELECCIÓN DE LOS EQUIPOS DE COMUNICACIÓN

Un método para calcular el scan del intervalo está basado en varias consideraciones yamencionadas en la unidad 1. Cuando se tiene aplicaciones críticas, es necesario manejarmayores 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 comola fibra óptica, ondas de radio, etc. Implementar una línea dedicada es mucho mássofisticado, pero es necesario tener una compañía de teléfono quién pueda brindar esteservicio.

A continuación se presenta los criterios necesarios para la selección de los equipos decomunicación de un proveedor norteamericano. ( Ver el anexo A)

8. PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN

1. Nombre tres métodos de modulación de la forma de onda.a. Amplitud, fase y por ancho de banda.b. Frecuencia, PWM y AM.c. Carrier power, FM ya AM.d. Amplitud, frecuencia y fase.e. Ninguna de las anteriores.

2. ¿Es posible transmitir más de 1 200 bps en un módem de 1 200 bps?a. Sí.b. No.

c. Si la técnica de modulación lo permite.d. Sólo a y c son válidas.e. Ninguna de las anteriores.

9. RESPUESTAS A LAS PREGUNTAS DE AUTOCOMPROBACIÓN

1) d2) c

FIN DE LA UNIDAD

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