CAPITULO II. MARCO TEÓRICO . FUNDAMENTACIÓN TEORICA. Para el desarrollo de esta investigación, se debe realizar un análisis detallado de las variables y los aspectos teóricos los cuales representan las bases para el estudio y comprensión de este proyecto. ASPECTOS CONCEPTUALES. SISTEMA DE COMUNICACIÓN. Un sistema de comunicación es el canal que permite transmitir información de un lugar a otro, a través de un medio especifico. Esta comunicación puede ser afectada por agentes internos y externos. El modelo conceptual de un sistema de comunicación consiste, básicamente en una fuente, un canal y un destino. Su propósito es reproducir en el destino un mensaje seleccionado en la fuente. Carlson (1988, p.2) define, un sistema de comunicación como la totalidad de mecanismos que proporcionan el enlace para información entre fuente y destino, como se muestra en la figura N° 1. 12
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CAPITULO II. MARCO TEÓRICO . FUNDAMENTACIÓN TEORICA.
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CAPITULO II.
MARCO TEÓRICO .
FUNDAMENTACIÓN TEORICA.
Para el desarrollo de esta investigación, se debe realizar un análisis
detallado de las variables y los aspectos teóricos los cuales representan las
bases para el estudio y comprensión de este proyecto.
ASPECTOS CONCEPTUALES.
SISTEMA DE COMUNICACIÓN.
Un sistema de comunicación es el canal que permite transmitir
información de un lugar a otro, a través de un medio especifico. Esta
comunicación puede ser afectada por agentes internos y externos. El
modelo conceptual de un sistema de comunicación consiste, básicamente
en una fuente, un canal y un destino. Su propósito es reproducir en el
destino un mensaje seleccionado en la fuente.
Carlson (1988, p.2) define, un sistema de comunicación como la
totalidad de mecanismos que proporcionan el enlace para información
entre fuente y destino, como se muestra en la figura N° 1.
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Como base para esta investigación un Sistema de Comunicación es el
de medio que se utiliza para la transmisión/recepción de los datos entre el
radio maestro y los radios remotos.
Elementos de un Sistema de Comunicación.
Transmisor.
El objetivo de transmisor es convertir el mensaje en una forma
adecuada para su transmisión en el canal. Para lograr una transmisión
eficiente y efectiva, se deben desarrollar varias operaciones para el
procesamiento de la señal. La más común e importante de estas
operaciones es la modulación, un proceso que se distingue por el
acoplamiento de la señal transmitida a las propiedades del canal, por
medio de una onda portadora.
Canal de Transmisión.
El canal de transmisión o medio es el enlace eléctrico entre el
transmisor y el receptor, siendo el puente de unión entre la fuente y el
destino. Puede ser un par de alambre, un cable coaxial, una onda de radio,
un rayo láser, entre otros medios de transmisión, pero sin importar el tipo,
todos se caracterizan por la atenuación, como la disminución progresiva de
la potencia de la señal, conforme aumenta la distancia. La magnitud de la
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atenuación puede ser pequeña o muy grande. Generalmente es grande y
por lo tanto es un factor que debe ser considerado.
Receptor.
La función del receptor es extraer del canal la señal deseada y
entregarla al transductor de salida. Como las señales son frecuentemente
muy débiles, como resultado de la atenuación, el receptor debe tener varias
etapas de amplificación. En todo caso, la operación clave que ejecuta el
receptor es la demodulación (detección), el caso inverso del proceso de
modulación del transmisor, con lo cual vuelve la señal a su forma original
(Carlson, Bruce. 1988. p.4).
Componentes del Sistema de Comunicación.
Para la transmisión sobre un canal de comunicación, la señal de
frecuencia, debe ser transcrita en una señal de dato digital (Muestreo,
Cuantificación y Codificación). Esta señal de dato digital es similar a la
señal de la voz humana.
En el terminal de recepción la información, previamente modulada, es
demodulada y regenerada en su formato original de bits binarios y
adecuada para que el computador de la estación maestra realice la
interpelación de la data.
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Figura N° 1
Modelo de un Sistema de Comunicación
Mensaje de Señal de Entrada Señal Transmitida Entrada Mensaje Fuente Transconductor Transmisor de entrada Señal Analógica Conversión A/D Pulsos Filtrado, Amplificación Canal Señal Digital Multicanalización de Cifrado, Codificación Transmisión
Modulación Mensaje Amplificación del Espectro Destino Transconductor Receptor de salida Señal Analógica Filtrado, Amplificación Pulsos Conversión D/A, Desmulticanalización Señal digital Descifrado, Decodificación Desamplificación del espectro
Mensaje de Señal de Señal Recibida Salida Salida
Fuente: Carlson, Bruce. (1988. p.7)
La información modulada es fácilmente transmitida sobre el canal de
comunicación, dado que estos canales han sido diseñados para la
transmisión de señales, de frecuencia, valores análogos tales como la
transmisión de señales de voz sobre una línea telefónica o sobre un radio.
Además, las estructuras de los mensajes y la transmisión de datos y
protocolos de datos en los sistemas SCADA son únicos de cada sistema
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suministrado, estos formatos han sido establecidos en torno a un mensaje
formados por palabras digitales de 16, 24 ó 32 bits (Quero H., 1.998, p.42).
La RTU recolecta los datos de manera digital, la cual es transformada
por el MODEM en una señal analógica para ser transmitida hacia la
Estación Maestra donde la señal a través de un MODEM es regenerada
(analógico/digital) para que de esta forma sean procesados por el SCADA,
como lo indica la figura N°2.
Figura N° 2
Comunicación Estación Maestra/RTU
Digital Frecuencia Canal de Voz (0-4Khz) Frecuencia Digital
Interfaz EIA RS-232
Interfaz EIA Medio de Comunicación RS-232
Fuente: Quero, Herbie (1.998 p.48)
Elementos de un Sistema de Comunicación de Datos.
RTU MODEM SISTEMA DE COMUNICACIÓN
TX/RX
RTU MODEM
SISTEMA DE COMUNICACIÓN
TX/RX
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Adaptadores de Comunicaciones.
Según Nestor Hernández (1.996. p.36), el adaptador de
comunicaciones es un elemento que conceptualmente existe en cada
extremo de cada cable de comunicaciones.
Normalmente son piezas de hardware independientes (tarjetas de
circuitos impresos) aunque pueden venir integrados en el dispositivo. Su
modularidad es una condición deseable porque proporciona mayor
flexibilidad de configuración al equipo que los contiene.
Existen muchos adaptadores que son igual de útiles en caso de
transmisión sincrónica y asincrónica. Algunos soportan múltiples protocolos
y tiene la capacidad de poder emplear varias interfaces físicas diferentes,
controlando muchas líneas que usan protocolos diferentes,
simultáneamente. Los adaptadores residen en el sistema central, en los
procesadores de comunicaciones y en las estaciones te rminales.
Compresores de Datos (CODES)
Un CODES consiste en un dispositivo capaz de analizar una
secuencia de caracteres, estudiar su distribución, frecuencia e
interrelaciones y producir finalmente una secuencia de bits de menor
longitud, que transporte la información original, con total garantía de
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reversibilidad fidedigna del proceso (Compresión). También es capaz de
realizar el proceso inverso, obteniendo la secuencia de bits original, a partir
de los datos comprimidos (Descompresión). Los CODES trabajan en
pares, por cada línea de comunicación.
La compactación o compresión de los datos se lleva a cabo mediante
el uso de algoritmo (existen varios) que, operando sobre un bloque a enviar,
busca una representación de los mismos usando un número menor de bits.
Características de algunos CODES
• Compresión de datos 2:1 (o más)
• Independencia del protocolo utilizado. Admiten tanto modalidad
asincrónica como sincrónica; orientación al bit o al carácter.
• Fácil instalación.
• Transparente al usuario final.
• Completa detección errores
• Corrección de errores.
• Operación con módems o redes de servicios digitales.
• Implementación conjunta con multiplexores STDM.
Módem (Modulador/Demodulador).
La palabra módem deriva de la contracción de las palabras
MODULADOR/DEMODULADOR, y es una interfaz que conecta las
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unidades remotas con la maestra, convirtiendo la data en una forma
compatible para su transmisión/recepción, por medio del canal de
comunicación, su función es colocar la señal digital en la parte correcta de la
gama de frecuencias para la transmisión, modulando y demodulando la
serial portadora con señales de datos digitales (Quero,H p.38).
Tal como se muestra en la figura N°3, el modulador transforma la
información digital que proviene del sistema en una señal de tono requerida
por el medio de comunicación utilizado. Al otro extremo de la línea de
comunicación, la sección de demodulador convierte la señal de tono a una
salida digital. Por lo tanto se requiere en cada extremo de la línea de
comunicación, de un Módem para poder establecer una comunicación
eficaz. Se distinguen por sincrónicos y asincrónicos, dependiendo del tipo
de mensaje a transmitir. Pueden tener diagnósticos residentes y disponer
de mecanismos de detección y corrección de errores. La rapidez de
reacción de los circuitos del módem, es una variable que juega en los
tiempos de respuestas de las terminales remotas.
Un módem está constituido por tres partes: los Circuitos de
Transmisión encargados de proporcionar la señal analógica que se
entregará a la línea; los Circuitos de Recepción encargados de recuperar
de la señal analógica la señal digital original, y la unidad dc Control cuya
misión es operar las señales necesarias para el gobierno del proceso de
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modulación/demodulación, así como controlar la comunicación entre las
interfaces y el propio módem.
Figura N° 3
Esquema Básico de un MODEM
I MODULADOR
N T ENTRADA E RECEPTOR-TRASMISOR INTERFAZ LÍNEAS R ANALOGICA DE F COMUNICACIÓN A DEMODULADOR Z
Fuente: Castellanos, Dennys (1997 p.30)
Entre los tipos de modulación comúnmente empleados tenemos:
• Modulación por Desplazamiento de Frecuencia FSK
(Frecuency Shift Keying): Es una técnica de dos niveles que
representa los cambios en el patrón binario de bits por medio de
cambios en la frecuencia de un tono de audio. La línea permanece en
reposo cuando se envía un valor de 1, representado par un tono de
frecuencia específico. y cambia aun talio de otra frecuencia cuando
se envía un bit de dato 0 (figura N° 4A).
• Modulación de Amplitud ASK (Amplitud Sihit Keying): En este
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tipo de modulación la amplitud de la portadora varía entre dos niveles
predeterminados correspondiendo con la señal binaria de datos, es
muy susceptible a las interferencias de las líneas (figura N° 4B).
• Modulación por Desplazamiento de Fase PSK (Phase Shift
Keying): Se encarga de modificar la fase de una señal, en otras
palabras su sincronización respecto a una referencia fija, para
representar cambios en su patrón de bits. Por medio de un oscilador
de referencia se puede medir el desplazamiento de fase de la señal
recibida, determinando si es cero o es uno (figura N° 4C).
Módem UDS V. 3225/3225L.
El módem es una unidad horizontal. Las entradas a los operadores se
realiza mediante tres botones pulsables en el panel frontal (Yes, No y
Talk/Data), o por AT o conjunto de comandos V.25 (el modelo “L” solo tiene
el botón Talk/Data). Las opciones están almacenadas en memoria no
vólatil) El UDS V.3225 y el V. 3225L. son módems de alta velocidad
versátiles que pueden operar full duplex tanto en línea de discado como en
líneas de datos, tal como se muestra en el anexo N° 1 .
Figura 4
A. Modulación de Amplitud (ASK)
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B. Modulación de Frecuencia (FSK)
C. Modulación de Fase
Fuente: Nestor Gonzalez (1993, p.24)
En relación con la función, el V.3225/V.3225L procesa
19200,9600,4800,2400,1200 o 300 bps de transmisión serial asíncrona ó,
9600,4800,2400 ó 1200 bps de transmisión de datos síncrona sobre la
línea de discado telefónico de la red, y 2 ó 4 hilos dedicados a líneas de
datos.
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Las características de prueba integral permite al operador determinar
el rendimiento del sistema y aislar fallas en el enlace de comunicación.
Puentes.
Los puentes son dispositivos de hardware, que sacan copia de la
señal sólo en bajo orden. Existen puentes digitales y puentes analógicos,
según el tipo de señal que pueden manejar y eso por supuestos depende
del lugar donde estos vayan a ser ubicados por el enlace.
Multicanalizadores.
Este término se aplica a dispositivos más o menos inteligentes, que
básicamente consisten en un procesador con su memoria, un mecanismo
de barrido y un conjunto de adaptadores de comunicaciones. La función
principal es proveer un medio para compartir una línea de comunicaciones
(o un tronco) entre diversas estaciones de trabajo y/o unidades de
procesamiento.
Concentradores.
Es un dispositivo inteligente, de programación fija y capacidad de
almacenamiento limitado, basado en un microprocesador, cuyo cometido
principal es concentrar líneas de comunicación.
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Desde el punto de vista del procesador central, el uso de
concentradores reduce el trabajo de sondeo (polling) de éste, dado que, en
lugar de invitar a transmitir a n terminales, sólo tiene que invitar a un
concentrador. El concentrador realiza el sondeo (polling) de sus terminales
en forma totalmente independiente y asincrónica de las transmisiones del
procesador central.
Entre las funciones comúnmente realizadas por un concentrador, se
destacan:
• Sondeo (polling) de terminales.
• Conversión de protocolos
• Conversión de códigos
• Elaboración de formatos de mensajes
• Recolección local de datos como respaldo
• Conversión de velocidades
• Compactación de datos
• Control de errores
• Reingreso automático de los datos capturados
• Diagnósticos
Controladores.
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El controlador es un dispositivo aun más inteligente que el
concentrador, en el cual se puede utilizar los medios de almacenamiento
tanta como para capturar datos, como para hacer consultas,
actualizaciones, etc. Pueden realizar almacenamiento y envío (Store y
Forward) y conmutación de mensajes (message switching), también maneja
lo que se conoce como suavización de tráfico (trafic smoothing). Su función
principal es controlar un grupo de aplicación especifica, implementado
algunos conceptos del procesamiento distribuido de datos.
Procesadores de Comunicaciones (FEPS).
Se aplica a procesadores de comunicaciones súper especializados,
es decir, con una arquitectura y un sistema operativo diseñados para
manejar todas las funciones relativas a la administración de una red de
procesamiento de datos. Si el dispositivo se encuentra conectado a
sistema central por medio de un tronco o canal de alta velocidad, se llama
FEP. Si se encuentra remoto del sistema central y conectado a este por
líneas comunes de comunicaciones, es llamado procesador nodal remoto o
controlador. El beneficio directo de su utilización es un mejor
aprovechamiento de cerebro central; en general admiten varios
computadores residentes “Host” o sistemas centrales.
Líneas de Comunicación.
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Las líneas de comunicación tales como cables, líneas telefónicas y/o
canales de radio (UHF, VHF o microondas) permiten conectar la
computadora principal con sus remotas, teniendo en cuenta la distancia
existente entre éstas últimas al igual que las condiciones del proceso a
supervisar y las facilidades de comunicación que se presenten.
Modos de Transmisión de Datos.
Para realizar la trasmisión de datos existen diferentes maneras; la
transmisión solamente en una dirección, en ambas direcciones pero sólo
uno a la vez, o en ambas direcciones al mismo tiempo. Según Tomassi
Wayne (1.996, p.9) cuatro modos de transmisión son posibles.
• Simplex (SX): Permite que la transmisión se realice en una sola
dirección y ofrece limitadas capacidades de comunicación.
Algunas veces, los sistemas simplex son llamados sistemas de un
solo sentido, sólo para transmitir o sólo para recibir. Una ubicación
puede ser un transmisor o un receptor, pero no ambos.
• Half-Duplex (HDX): Permite la transmisión en ciertas direcciones
pero sólo en una dirección a la vez. Son llamados sistemas con
alternativa de dos sentidos, cualquier sentido, o cambio y fuera.
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Una ubicación puede ser un transmisor o un receptor, pero no
ambos al mismo tiempo.
• Full-Duplex; Permite la transmisión de datos en ambas
direcciones simultáneamente. Los sistemas full-duplex son líneas
simultaneas de doble sentido. Una ubicación puede recibir y
transmitir simultáneamente, sin embargo la estación que esta
transmitiendo también debe ser la estación de la cual que esta
recibiendo.
• Full/full-duplex: Permite la transmitir y recibir simultáneamente,
pero no necesariamente entre las mismas ubicaciones dos
ubicaciones (es decir; una estación puede transmitir a una
segunda, y al mismo tiempo recibir de una tercera estación). Las
transmisiones full/full-duplex se utilizan casi exclusivamente con
circuitos de comunicación de datos.
El sistema SCADA, por la naturaleza de las direcciones/respuestas, la
secuencia de intercambio de mensajes entre la estación maestra y las RTU,
se realizan por sistemas Half duplex, y los pares de líneas telefónicas
podrían ser adecuados para esos sistemas.
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Las comunicaciones por radio utilizan el modo Full Duplex,
separando los canales de transmisión y recepción, además las secuencias
e intercambio de mensajes del sistema SCADA es solamente Half Duplex.
Protocolos de Comunicación de Datos.
Un protocolo de comunicaciones es el lenguaje utilizado por los
equipos de tal manera que puedan intercambiar datos efectivamente.
Protocolo de comunicaciones para Quero Herbie (1.998, p. 49); es la
denominación que reciben los procedimientos y las reglas de software y
hardware para que pueda realizarse la transferencia de datos entre el
emisor y el receptor de forma tal que el flujo de información sea controlado.
Protocolo de Comunicación Síncrono.
La alta velocidad de transmisión de información codificada en binario
entre los sistemas de computadores puede ser ideal para la transmisión de
bloques de caracteres al mismo tiempo, los terminales de computadores
están equipados con capacidades de almacenamiento en buffers que
pueden procesar estos bloques de datos rápidamente, los modernos Data
Módems son equipados con osciladores altamente estables para mantener
los módem en sincronismo. En grupos de transmisión de datos binarios
síncronos, grupos de 1000 caracteres de largo, pueden ser transmitidos con
caracteres de sincronización que son provistos insectos en los bloques de
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datos. La transmisión de datos en sincronismo binario (bi-sync) es
empleada para la transmisión de datos entre dos computadores, como en el
caso del computador de la estación maestra de SCADA que está
comunicado con el del sistema de procesamiento de datos ubicado en la
sede de control de la empresa.
Existen tres tipos básicos de caracteres de datos transmitidos en bi-
sync con la data, estos son:
• Caracteres de Control de Sincronización,
• Caracteres de Mensajes de Tramas, y
• Caracteres de Intercambio de Mensajes.
La transmisión de caracteres de control de 8 bits de sincronización
garantizan que el equipo computador en ambos terminales procesen e
identifiquen la información en un formato predefinido. Los caracteres en la
trama del mensaje son transmitidos con la dirección del dato como parte del
protocolo de comunicación requeridos para enmarcar el mensaje en
bloques de datos.
Los caracteres de intercambio de mensajes son utilizados
principalmente al comienzo y al final de un mensaje o bloque de mensajes, y
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son los principales caracteres que identifican el bloque mensaje para
chequeo de errores por redundancia cíclica (CRC).
Protocolo de Comunicación Asíncrono.
Los protocolos Asíncronos están orientados a caracteres. Es decir, los
caracteres de control de enlaces de datos únicos tal como el fin de
transmisión (EOT) y comienzo de texto (STX), no importa en donde
aparezcan en una transmisión, garantizan la misma acción o realizan la
misma función. Consecuentemente, debe tenerse cuidado al asegurar que
las secuencias de bits para los caracteres de control de enlace de datos no
ocurran dentro de un mensaje, al menos que sean intencionadas para que
realicen sus funciones de enlace de datos designadas. La verificación de
redundancia vertical (paridad) es el único tipo de detección de error
utilizado con los protocolos asíncronos, y la sustitución de símbolos y ARQ
(retransmisión) se usan para la corrección de errores. Con los protocolos
asíncronos, cada estación secundaria generalmente se limita a un solo par
de termina/impresora.
Además de la línea de en el modo de monitoreo, una estación remota
puede estar en cualquiera de los tres modos de operación: transmitir, recibir
y local. Una estación secundaria está en el modo de transmisión siempre
que se designa como maestro. En el modo de transmisión, la secundaria
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puede enviar mensajes formateados o reconocimientos. Una secundaria
está en el modo de recepción siempre que haya sido seleccionada por la
primaria. La secuencia de consulta, “poleo”, para la mayor parte de los
protocolos asíncronos es sencilla, y abarca el envío de uno o dos caracteres
de control de enlace de datos, después una dirección de consultas de
estación.
Evolución de los Protocolos del SCADA
La primera generación de protocolos SCADA presenta las siguientes
características.
• Primeros sistemas de control remoto: Sistemas Hardware
• Codificación y decodificación con ayuda de circuitos lógicos y registros.
• Funcionalidad limitada por el número de código de operación.
• Cualquier adición requiere modificación de hardware.
• Protocolos de “Trama Fija”, cada campo contiene un predeterminado
número de bits.
SOFT: Principio de Trama Address: Dirección Remoto OPCODE: Código de Operación Information: Datos Check: Comprobación de validez de información EOF: Fin de Trama
SOF Address OPCODE Information Check EOF
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En la segunda generación de protocolos SCADA encontramos:
• Con la aparición de los microcontroladores, se definen protocolos con
orientación al byte.
• El uso de “Campos Fijos” tal como dirección, Código
Operativo....persiste.
• Se utilizan mensajes de longitud variable.
• Funcionalidad limitada por el número de Códigos Operativos
predefinidos en el sistema.
La nueva generación de protocolos SCADA son los de niveles, los
cuales no toman en cuenta el tipo de aplicación que están transmitiendo a
través del protocolo. Se basa en el principio de separar el proceso en siete
tareas definidas (modelo OSI), donde el nivel de aplicación es sólo uno y los
otros niveles operan independientemente de la aplicación. En el mundo de
sistemas SCADA, el protocolo de comunicaciones debe ser como el
sistema operativo del mundo de las computadoras. No debe ser nunca
parte de la aplicación, el protocolo no debe estar limitado a una lista de
funciones y aplicaciones especificas.
SOF Address OPCODE Information Check EOF
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Entre los protocolos de SCADA que se encuentran en el mercado
destacan los siguientes:
• Microbuffer (RTU)
• Conitel (RTU)
• Varec, MCG, Data highway (ASCII)
• Modbus (ASCII/RTU)
• MDLC (Motorola Data Link Communication)
• Harris 500/5500/6000
• DNP 3.0
MDLC (Motorola Data Link Control)
El protocolo de datos MDLC, cuyas características se muestran en el
anexo N° 2 , es utilizado por el sistema de SCADA de Motorola (MOSCAD)
referido en el anexo N° 3, donde la estación Maestra se comunica con las
estaciones Remotas, y este sistema está basado en las siete capas
recomendadas por la ISO (International Standards Organization). Estas
capas definen respectivamente la aplicación, presentación, sesión,
transporte, red, enlace y elemento físico del requerimiento total del
protocolo (figura N° 5).
Las principales características de este protocolo son:
• Modo de orientación de sesión o de mensajes
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• Modo de orientación de mensaje (Minisesión) se usa cuando la
confirmación de recepción de extremo a extremo no es necesario
(transmisiones breves).
• Mínimo exceso en capas 3 a 6.
• Exceso variable de acuerdo a la configuración de la red de
comunicaciones.
El protocolo de 7 capas se utiliza en los siguientes casos:
• Cargar y descargar parámetros y configuración de remota.
• Sondeo de remota desde la central
• Búsqueda de errores en una remota.
• Diagnóstico y calibración de remota.
La minisesión se utiliza en los siguientes casos:
• Reporte de evento y ‘burst’ de remota central.
• Comunicaciones de remota a remota (proceso distribuido).
Otros Protocolos Industriales.
Según José Briceño (1998, p.207); existe una gran variedad de
protocolos industriales, los cuales deben poseer algunas características
muy importantes para sus utilización en los sistemas SCADA; entre los
cuales destacan:
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• ASCII: Los protocolos ASCII son muy populares debido a su
simplicidad, lo cual los hace apropiados para la instalaciones
sencillas, generalmente una Maestra y una Remota. Su principal
desventaja es su lentitud y su incapacidad para manejar sistemas
mas complicados, por ejemplo, sistemas multipunto.
• Mobdus: Es un protocolo de transmisión para sistemas de control y
supervisión de procesos (SCADA) con control centralizado.
Utilizando este protocolo, una Estación Maestra puede comunicarse
con una o con varias Estaciones Remotas con la finalidad de obtener
datos de campo para la supervisión y control de un proceso.
• BSAP (Bristol Synchronous/Asynchronous Protocol): Es un
protocolo industrializado para el control y supervisión de sistemas
SCADA. Es un protocolo muy completo, que consta de control por
caracteres, transmisión Asincrona/Sincronía, Interfaces de Capa
Física: RS-232, RS-422A, RS-423A y RS-485, Velocidades de
Transmisión: 150 a 9600 bps, Medios de Transmisión: par trenzado,
cable coaxial, radio.
• DNP 3.0 (Distributed Network Protocol): el desarrollo de este
protocolo es para aplicaciones en telecontrol, SCADAS y sistemas
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de Automatización distribuidos. El DNP 3.0 es un protocolo
asíncrono, abierto, robusto y eficiente, con el cual se puede: solicitar
y responder múltiples tipos de datos en mensajes sencillos,
segmentar mensajes en múltiples tramas para asegurar una mejor
detección de errores, permitir respuestas no solicitadas, y otros
aspectos.
Cálculos de Enlace para el Sistema de Comunicación.
Un cálculo de enlace identifica los parámetros de un sistema y se usa
para determinar o supervisar las alturas de las antenas, la difracción,
reflexión y módulos multitrayectos, para establecer un esquema de
modulación especifica.
El cálculo de perfiles de enlace se realizó utilizando el Pathloss
versión 3.0, el cual es un programa de diseño de sistemas de
telecomunicaciones de los espectros de microondas y UHF, basado en el
cálculo de los parámetros asociados a dicho sistema, cuya descripción se
muestra en el anexo N° 4.
ESTACIONES DE FLUJO
Se entiende por estación de flujo a la infraestructura donde se
recolecta la producción de petróleo y gas que proviene de los pozos activos
o múltiples de producción asociados o conectados a ésta.
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Una estación de flujo se caracteriza por cumplir las siguientes
funciones: recepción de crudo, agua y gas, separación de gas líquido,
prueba de pozos, dosificación de químicos, almacenamiento transitorio y
movilización a los patios de tanques. Los equipos con los cuales cuenta la
estación de flujo son los siguientes: Separadores de Producción y de
Prueba Tanques de Almacenamiento de Crudo, Múltiples de Recolección,
Depuradores de Gas de Instrumentos, Calentadores, Bombas de
Transferencia de Crudo, Tableros de Control y Equipos Auxiliares.
Los pozos asociados a la estación envían el crudo y el gas, los cuales
son recolectados por los múltiples de producción; por lo general, los pozos
fluyen a los separadores de producción, con excepción de los pozos que
van a medir o a probar, los cuales fluyen a los separadores de prueba. En
estos separadores de producción se efectúa la separación del gas y el
crudo, este último es enviado a los tanques de almacenamiento y luego se
transfiere al oleoducto por medio de las bombas de transferencia. Por otra
parte el gas es transferido al sistema de recolección de gas (figura N°6).
MANEJO DEL CRUDO.
Este proceso incluye todas aquellas operaciones involucradas en el
tratamiento y movimiento del crudo desde el momento en que entra a un
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Patio hasta que sale de él; estas son recepción, aforación, inyección de
química, calentamiento, deshidratación, drenaje, movimientos internos y
despacho.
LA AUTOMATIZACIÓN.
La automatización de un sistema consiste en la ejecución o control de
los equipos en forma autónoma, sin la intervención manual. La aplicación
de mayor amplitud y eficiencia se logra en instalaciones nuevas, cuyos
diseños originales son relativamente libres de restricciones. Se puede decir
que automatizar significa mecanizar la interfaz de control y medición de los
parámetros asociados con todos aquellos procesos de las operaciones de
control y sus facilidades por medio de la puesta en marcha de sistemas de
supervisión y control.
Figura N° 5
Protocolo MDLC
Aplicación de Aplicación de Orientación de Orientación de Mensajes Sesión
Físico
Enlace
Red
I/F Transporte
Transporte
Minisesión
Sesión
Presentación
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Fuente: Manual Protocolos SCADA (p.21)
Figura N° 6
Flujograma del Proceso de una Estación de Flujo
POZOS
MULTIPLES DE RECOLECCIÓN
SEPARADORES DEPURADORES TANQUES SISTEMA DE
40
RECOLECCIÓN DE BOMBAS GAS
SISTEMA DE RECOLECCION DE CRUDO
Fuente: Quero, Herbie (1998, p.27)
Por otra parte, según Quero Herbie (1.998, p.28) la automatización
presenta la posibilidad del manejo de relaciones complejas, la integración
de procesos asociados y la optimización en forma dinámica y global, todas
estas inherentes al equipamiento involucrado. La puesta en marcha de la
automatización a través de sistemas de supervisión y control comprende la
implantación de funciones particulares para cada una de las instalaciones o
procesos involucrados, las cuales sustituyen actividades manuales
corrientes de operación tales como: detección de condiciones anormales,
captura de datos, ejecución de secuencias de operaciones, monitoreo
continuo de los equipos y toma de decisiones correctivas. Estas funciones
ofrecen, además del ahorro de personal y transporte involucrado, un trabajo
más eficiente en relación a oportunidad de acción con menos demoras
relacionadas con ciclos de visitas o tiempo de reacción de operadores;
eliminación de errores de operación o transcripción de información, lo que
aumenta la contabilidad de acción y disminución de los movimientos de
operadores, incrementando la seguridad del personal y de los equipos ya
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que se controla en forma rigurosa las secuencias y condiciones de
operación de equipos.
Según (Chacón, D. p. 114. 1992) otras funciones que comprende la
automatización son las capacidades de:
• "Monitoreo continuo de equipos con análisis de tendencia,
prevención de fallas e implementación de mantenimiento
productivo.
• Optimización y control de procesos, tanto dinámicos como de
dispersión geográfica.
• Operación centralizada de facilidades, con consolidación de
centros de información y toma de decisiones redundando en
flexibilidad y coherencia de operaciones.
• Integración de procesos asociados, con coordinación de
operaciones y automatización global.
PLATAFORMA PUNTO MULTIPUNTO
Un sistema punto multipunto o de Múltiples Direcciones PTMP (Point
to Multipoint or Multiple Address), consiste en una estación Maestra que se
comunica con una serie de estaciones remotas sobre un canal simple de
comunicaciones. Además, los sitios remotos se comunican solamente con
el sitio maestro y no entre ellos, tal como se muestra en la figura N° 7. En
42
un sistema multipunto se tiene en forma implícita el concepto de
direccionabilidad (el protocolo empleado debe especificar cual de todas las
estaciones remotas se espera que responda el mensaje) y la no
exclusividad (el protocolo de datos y el equipo debe tolerar mensajes en el
canal de comunicación direccionado a otro). Es una comunicación
unidireccional con varios puntos finales o destinos.
Según Quero Herbie (1.998, p.88 ), los Sistemas Darcom punto-
multipunto requieren que los terminales de radios remotos compartan el
canal simple de comunicación. Debido a que ellos comparten el canal, no
se encuentran en constante comunicación con el sitio maestro y típicamente
no pueden iniciar la actividad del mensaje de datos. Los sistemas punto-
multipunto comúnmente operan en un modo de búsqueda (polling)
controlado por un servidor.
ANTENAS, CABLES Y CONECTORES.
Antenas
Según Tomasi Wayne (1.996, p.377), una antena es un sistema
conductor metálico capaz de radiar y recibir ondas electromagnéticas, la
cual se utiliza como interface entre un transmisor y el espacio libre o el
espacio libre y el receptor.
Figura N° 7
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Diagrama de un Sistema Punto-Multipunto
Fuente: www.microwavedata.com
Las antenas son dispositivos recíprocos; por tanto, una antena tiene la
misma ganancia de potencia y directividad, cuando se utiliza para recibir
ondas electromagnéticas como lo tiene para transmitir ondas
electromagnéticas. En consecuencia, la potencia recibida o capturada por
una antena es el producto de la densidad de la potencia en el espacio que
rodea inmediatamente la antena y la ganancia directiva de ésta.
La ganancia es la propiedad de la antena que le permite transmitir o
recibir de una antena de referencia que opera en condiciones idénticas.
Es importante saber que el rendimiento de las antenas (excepto la
potencia máxima disponible) es la misma para transmisión y recepción.
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La polarización de la antena es determinada generalmente por su
posición física y método de alimentación. En cualquier sistema de
comunicación dado, todas las antenas deben tener la misma polarización.
La atenuación adicional entre dos antenas con diferente polarización está
entre 10 db y 20 db. La impedancia generalmente aceptada para la
alimentación es de 50 Ohms, para de esta manera obtener la máxima
transferencia de potencia del transmisor a la antena, y por tanto de la antena
al receptor. Cuando la impedancia de la antena a la frecuencia de
operación es igual a la impedancia del transistor la potencia es reflejada.
Existen perdidas por el espacio libre (atenuación) sufridas por las
ondas de radio en la frecuencia de operación cuando viajan desde el
transmisor hacia el receptor en un mismo sistema. Esta atenuación varía en
el tiempo como consecuencia de diferentes agentes como el clima,
reflexiones o absorción adicional causada por objetos cercanos y otros.
Para obtener un alto rendimiento en la comunicación, es necesario lograr
que el nivel de señales alcanzadas en la antena receptora sea siempre más
alta que el nivel de sensibilidad del receptor.
Así mismo, para que la comunicación sea confiable en la banda de
900Mhz se requiere de una línea de vista despejada ante las antenas TX y
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RX. La propagación en esta banda, es afectada mayormente por la
condiciones atmosféricas y otros que pueden conducir a profundos
desvanecimientos. Otro efecto de importancia es la propagación de
señales desde antenas ubicadas en sitios elevados.
En general, en un sistema de comunicación, es muy importante haber
seleccionado e instalado adecuadamente la antena apropiada para
obtener el rendimiento deseado.
Las antenas utilizadas en la banda de 900Mhz tienen un tamaño
relativamente pequeño, y pueden proveer una considerable ganancia que
compensa las perdidas en trayectorias y la alta atenuación de los
alimentadores.
Las antenas para la banda de 900Mhz tiene un ancho de banda de 30
a 200 Mhz. Las características de las antenas determinan su rendimiento.
Los fabricantes de antenas proporcionan las características en las
especificaciones técnicas de ésta.
Tipos de Antenas.
Podemos clasificarlas como:
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Antenas Omnidireccionales.
Las antenas omnidireccionales son usadas frecuentemente en
instalaciones maestras, debido a que proveen alta ganancia en la banda de
900Mhz, con cobertura omnidireccional.
El ancho de banda de la antena es de 35 o 60 Mhz. La impedancia es
de 50 Ohms y el máximo rango de potencia continua es 500 W. Las
antenas tienen conectores tipo N. En Dc, las antenas forman un corto
circuito a tierra para prevenir el daño.
Antenas Direccionales.
Las antenas direccionales son usadas generalmente es estaciones
remotas para comunicación con las estaciones maestras. Las antenas
direccionales permiten máxima recepción y atenúan las señales
interferentes que provienen de otras direcciones.
Cuando se selecciona una antena, se debe tener cuidado de
seleccionar una con la ganancia adecuada para cubrir ambas bandas de
frecuencias tanto de transmisión como de recepción.
Antena de UHF y Microondas.
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Según Tomasi Wayne (1.996, p. 402), las antenas utilizadas para
UHF (0.3 a 3 GHz) y microondas (1 a 100 GHz) tiene que ser altamente
directivas. Toda la energía electromagnética emitida por una antena
microondas no se difunde en la dirección del lóbulo principal (haz); parte se
concentra en los lóbulos menores llamados lóbulos laterales, que pueden
ser fuentes de interferencia en o desde otras trayectorias de señales de
microondas.
Las antenas altamente direccionales (alta ganancia) se utilizan en
sistema de microondas de punto a punto. Al concentrar la energía de radio
en un haz angosto que se puede dirigir hacia la antena receptora, la antena
transmisora puede incrementar la potencia radiada efectiva por varias
órdenes de magnitud sobre la de una antena no direccional. El tipo más
común de la antena utilizada para la transmisión y recepción de microondas
es el reflector parabólico.
Cables.
Los cables de los alimentadores de las antenas son requeridos
cuando la antena no esté incluida en el equipo de comunicación. Los cables
usados corrientemente en frecuencias superiores a 1Ghz son cables
coaxiales.
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Los cables coaxiales usados en instalaciones al aire libre son
afectados por factores climáticos y su rendimiento disminuye gradualmente.
El cable coaxial esta construido con una guía de ondas circular y un
conductor central aislado. Es una guía de onda ya que direcciona el campo
magnético desde su interior. Los cables coaxiales atenúan la señal, y esta
depende de la longitud del cable y la frecuencia de señal.
Las pérdidas de los cables incluyen pérdidas debidas a la resistencia
óhmica de los conductores, agravadas por el efecto piel, y las pérdidas
dieléctricas en el aislante del cable. Generalmente, bajo condiciones
idénticas, las pérdidas disminuyen cuando los diámetros de los cables
incrementan.
Conectores RF.
Los conectores RF proveen una serie de conexiones de cables
coaxiales entre varias unidades equipadas, antenas y equipos de
comunicación.
Existen diversos tipos de conectores que se encuentran disponibles
para cada tipo de diferentes niveles de potencia y diferentes frecuencia.
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La selección de un conector es afectada por los conectores usados en
los quipos a los cuales deben unirse, el medio ambiente (factores
climáticos), el método de instalación, entre otros.
Existen diversos tipos de conectores como por ejemplo conectores
tipo N (es el tipo de conector recomendado para la banda de 9000 Mhz ,
siendo el que tiene las más bajas pérdidas; menor que 0.1dB cuando esta
bien instalado, y es el adecuado para el uso al aire libre), conectores BNC y
TNC y conectores UHF.
SISTEMA SCADA
Existen muchas definiciones en lo que se refiere a un Sistema
SCADA, cuyas siglas en inglés para Supervisory Control and Data
Adquisition (Control Supervisorio y Adquisición de Datos), que como lo dice
su nombre, es un sistema de control para la adquisición y supervisión de
datos y de esta manera monitorear las condiciones en las que se
encuentran las variables de interés de un proceso o grupo de instalaciones
que, usualmente, se encuentran en áreas distantes, presentando la
información de manera conveniente; lo cual facilita la toma de decisiones
por parte de los operadores quienes realizan las operaciones de
modificación del estado de los procesos o instalaciones.
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Otra definición de SCADA es la de "un acrónimo corrientemente
utilizado para designar el control y la adquisición de datos en la industria. El
sistema SCADA es fundamental para observar y controlar a distancia