CANALES O MEDIOS DE COMUNICACIÓN

La efectividad y confiabilidad operacional de un sistema SCADA depende en gran medida de la transmisión de datos entre la estación maestra y las unidades terminales remotas, por lo tanto, debe ser provisto de un medio a través del cual se establezca el intercambio de datos entre éstas unidades de una forma coordinada, confiable y segura.

 

Para establecer intercambio de datos entre los dispositivos de campo y la estación maestra sólo se requiere un medio de comunicación, como por ejemplo una línea telefónica, un radio enlace, un enlace de microondas o satelital, cable coaxial o fibra óptica y un protocolo de transmisión de datos. Los fabricantes de equipos para sistemas SCADA emplean diferentes protocolos de comunicación y no existe un estándar para la estructura de los mensajes, sin embargo existen estándares internacionales que regulan el diseño de las interfaces de comunicación  entre los equipos del sistema SCADA y equipos de transmisión de datos.

 

De acuerdo a lo expresado anteriormente, el sistema de comunicación que forma parte de un sistema SCADA es el conjunto de elementos, dispositivos y equipos de transmisión de datos a través de los cuales se realiza el intercambio efectivo de mensajes entre las RTUs y la MTU.

 

Entre los componentes del sistema de comunicación de un SCADA típico, se encuentran las interfaces de comunicación digital, módems, medios de transmisión de datos, el computador frontal de comunicaciones. (CFE, Communication Front End) y el protocolo de comunicación.

 

 

Interfaces de Comunicación Digital

Las interfaces de comunicación digital son circuitos que permiten interconectar un equipo terminal de datos y un equipo terminal del circuito de datos para la transferencia de datos, señales de control y temporización entre ellos. Por lo tanto, es un vínculo que permite que señales digitales pasen de un equipo emisor a otro receptor con las características deseadas.

 

Existe un gran número de interfaces estandarizadas, y un ejemplo de ello es la popular RS-232C. Una interfaz de comunicación digital se caracteriza por un tipo de conector específico (nivel mecánico), tensión y corrientes de operación (nivel eléctrico) y una señalización (nivel lógico).

 

Módem

Un “módem” es aquel dispositivo que convierte las señales digitales provenientes de un equipo terminal de datos, en señales aptas para ser transmitidas eficazmente para canales de comunicación analógicos. Por otro lado, convierte en el extremo terminal de un circuito teleinformático, las señales analógicas que entrega la red, en señales digitales aptas para ser procesadas por el equipo terminal de datos, ubicado en el extremo receptor. 

 

Estos dispositivos son precisamente utilizados para interconectar equipos terminales de datos digitales, como lo son las RTUs y la estación maestra, utilizando para ello bien sea un canal de radio o un canal telefónico.

 

Las funciones básicas de un módem son la decodificación y la modulación, y consecuentemente las funciones inversas, decodificación y demodulación.

Cuadro de texto: Interfaz Digital
Cuadro de texto: Interfaz Analógica

 


Esquema Básico de un Módem

 

Entre las características más importantes de un módem está el tipo de modulación que emplea, el tipo de transmisión, el control de flujo de datos y la velocidad de transmisión.

 

Medios de Transmisión de Datos

Uno de los elementos principales para llevar a cabo el diálogo entre equipos terminales de datos es el medio físico por el cual se propaga la información.

 

En los sistemas SCADA se utilizan distintos medios de transmisión de información a lo largo de todo el proceso que involucra tomar una medición de un fenómeno físico hasta mostrarla mediante un computador. Algunos de estos medios son:

 

·        Cable de Par Trenzado

·        Sistemas de Enlaces de Radio (VHF, UHF y Microondas)

·        Sistemas basados en Redes Celulares

·        Sistemas basados en Redes Satelitales

 

 

Procesador Frontal de Comunicaciones

En los sistemas distribuidos donde un computador central puede tener conectados un gran número de equipos terminales, éste debe encargarse simultáneamente de las siguientes tareas:

·        Procesamiento de datos propios de la aplicación que ejecuta dicho procesador.

·        Manejo de las comunicaciones de datos entre el prosador y los equipos terminales conectados al mismo.

 

Algunos computadores, denominados de “configuración aislada”, están especialmente diseñados para manejar de forma simultánea ambos procesos.

 

Otros sistemas de computación, denominados de “configuración delantera”, tienen las funciones de procesamiento de datos y de comunicaciones separadas. Precisamente el nombre está dado porque poseen un equipamiento auxiliar denominado ¨ procesador frontal de comunicaciones.

 

En los sistemas organizados de esta manera existe una clara diferencia entre el procesamiento de datos por un lado y el manejo de las comunicaciones por el otro.

 

A estos equipos se les conoce como controladores frontales de comunicación, pues su misión es controlar la transmisión de datos entre el computador central y los equipos terminales remotos. Están capacitados para realizar el máximo posible de funciones relacionadas con las comunicaciones, a efectos de que la unidad central de procesamiento del equipo principal, tenga una menor carga de trabajo.

 

Protocolo de Comunicación

La información transmitida entre la unidad remota y la unidad maestra va “empaquetada” en un lenguaje y un formato conocido tanto por el emisor como por el receptor.  Es la única forma de que un extremo pueda interpretar correctamente el (los) mensaje (s) por el otro extremo.

Para que pueda tener éxito la comunicación debe haber compatibilidad en dos niveles básicos: el que se refiere a las señales eléctricas presente en el medio de comunicación y el que se refiere a la interpretación de tales señales como información.

En sistemas prácticos, se utilizan más de dos niveles para incluir mayor información (por ejemplo direccionalidad en ambiente de redes).

Con base en lo explicado anteriormente, la interfaz entre los diferentes equipos se definen dividiendo el manejo de información en niveles o capas, cada una usando los servicios suministrados por las capas debajo de ellas y agregando información o capacidad adicional.

En el modelo de capas, el nivel 1 define las características eléctricas, mecánicas y funcionales de la interfaz, lo cual permite intercambiar unos (1) y ceros (0) lógicos; se definen voltajes, cables y conexiones y se establecen secuencias de control.  Este nivel también es conocido como capa física.

El nivel 2 se refiere al formateo de mensajes, detección de errores y exactitud de la transmisión.

El nivel 3 se refiere al enrutamiento de mensajes, dependiendo del tipo de red utilizada

El intercambio de información en un sistema de transmisión de datos exige una serie de pasos bien definidos o diálogo entre las estaciones transmisoras y receptoras.

 

Estos pasos son:

 

Un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas y procedimientos que permite a las unidades remotas y maestra el intercambio de información.

Los protocolos empleados dependen si el control se efectúa mediante caracteres especiales o por conteo de bytes o bit por bit. Típicamente, en los sistemas SCADA los protocolos utilizados son orientados a bit debido a la naturaleza de la secuencia de intercambio de mensajes entre la estación  maestra y las RTUs, son del tipo direccionamiento y envío.

 

Para la utilización de este tipo de protocolo se ha creado una estructura de bloques o entramado general para el intercambio de información, comandos y reconocimientos que se muestra a continuación:

 

 

 ß Sentido del Flujo de Datos

Bandera

8 bits

Campo de Dirección

8 bits

Campo de Control

8 bits

Campo de Información

n bits

Chequeo de Errores

CRC-16

Bandera

8 bits

 

 

El campo bandera permite la sincronización del sistema, el campo de dirección identifica las dos estaciones entre las cuales se establece la transacción de datos y el campo de control contiene 8 bits para la identificación de comandos o respuestas en forma codificada.

En el campo de información se localiza la data a transmitir entre los equipos terminales de datos fuente y destino.

Y a través del último campo se puede realizar la verificación de errores (Chequeo de Errores), garantizando la integridad de la información.

En el mercado existe una diversidad considerable de protocolos, muchos de los cuales han sido desarrollados en forma individual por cada fabricante (denominados protocolos propietarios), y otros han sido producto del consenso de varias empresas en búsqueda de una estandarización (denominados protocolos abiertos) obteniendo la posibilidad de integración de dispositivos de diversas marcas comerciales. A continuación se presentan las características básicas de algunos protocolos utilizados por Unidades Remotas de los Sistemas SCADA:

 

·        MODBUS: Trabaja bajo la filosofía Maestro – Esclavo, donde el maestro controla toda la actividad de transmisión de datos, interrogando en un instante de tiempo distinto a cada unidad esclava (proceso conocido como polling). Es muy utilizado en los Controladores Lógicos Programables (PLC), y debido a su naturaleza, puede facilitar el uso de PLC como Unidad Remota de un Sistema SCADA. Puede direccionar hasta 254 esclavos. Opera sobre una interfaz de conexión basada en el estándar IEEE RS-485, que define el número y disposición física de los conductores, así como los valores de tensión correspondientes a cada nivel lógico.

 

La capa de enlace utiliza una selección de formatos para proporcionar la integridad / eficiencia y conveniencia de transmisión requerida.

La capa de aplicación contiene un número de “Funciones de Aplicación” que envuelven la transmisión de “ASDUs” entre la fuente y el destino.

 

 

 

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