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. 12

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Page 1: CAPITULO II. MARCO TEÓRICO . FUNDAMENTACIÓN TEORICA

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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39

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

Page 29: CAPITULO II. MARCO TEÓRICO . FUNDAMENTACIÓN TEORICA

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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41

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

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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

Page 32: CAPITULO II. MARCO TEÓRICO . FUNDAMENTACIÓN TEORICA

43

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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44

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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45

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

cualquier actividad industrial" (Internet, Srtelecom , pág. 2).

Un número bastante amplio de empresas en la actualidad utilizan un

sistema de estaciones que se encuentran dispersas geográficamente, por

lo cual se utilizan un sistema de control supervisorio que pueda controlar un

número variado de remotas de manera eficiente y en menor tiempo, de

forma que se eviten daños y a su vez se obtengan mayores beneficios

económicos.

Un SCADA lo constituyen las Unidades Terminales Remotas (RTU),

las estaciones maestras (MTU), pantallas de operarios, paneles de control y

los periféricos asociados.

Componentes del Sistema Scada.

El sistema SCADA presenta los siguientes componentes básicos:

Transductores.

Los parámetros de las variables que son controladas o monitoreadas

son medidos por un sensor o transductor. El transductor es el equipo

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51

encargado de transformar un fenómeno físico cambiante a una señal

eléctrica proporcional, el tipo utilizado dependerá el parámetro que se va a

medir, los hay de dos clases: Analógicos y Digitales.

Los analógicos son utilizados para controlar o medir parámetros

como presión, rata de flujo, temperatura, etc. Los digitales se usan en

condiciones que presentan dos posiciones como: encendido/apagado,

abierto/cerrado, alto/bajo, entre otros.

Para la selección del tipo de transductor que brinde una medida

específica deben tenerse en cuenta las siguientes características:

• Susceptibilidad al medio ambiente.

• Respuesta frecuencias.

• Precisión.

• Impedancia

• Rango.

Las señales captadas por los transductores son transmitidas a las

unidades remotas en la cual son convertidas en la señal que requiere el

computador maestro para procesarla.

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Unidad Maestra (MTU).

La Unidad Maestra está constituida por el computador central en

configuración dual, la cual aumenta la confiabilidad del equipo y donde

todos los periféricos funcionan como interfaz con el hombre.

La función de la MTU es la de mantener comunicación con las unidades

remotas que se encuentran en lugares distantes, procesa los, datos que

obtienen de éstas últimas, realiza reportes, balances, gráficos e interactúa

con el operador de la sala de controles.

Generalmente la estación maestra de un sistema SCADA está

configurada por dos computadores lo cual aumenta la contabilidad del

equipo.

Unidades Remotas (RTU/IRTU).

Estos dispositivos se utilizan para la adquisición y control directo de la

información, funcionan a manera de intérprete entre los sensores y el

computador de la unidad maestra; es decir, recolectan la data del campo y

convierten los parámetros analógicos en sus equivalentes señales digitales

para reportarlas a la maestra. En algunos casos las unidades remotas son

capaces de tomar decisiones a nivel local.

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La función del RTU es la de convertir las señales de datos en un

formato digital la cual se transmitirá a la estación maestra en un modo

inteligente.

Existen dos tipos de remotas en el sistema SCADA: Las RTU, que

son remotas dedicadas a la labor para la cual han sido programadas; y las

IRTU, que son remotas basadas en microcomputadores con capacidad de

procesamiento y de toma de decisiones. La diferencia entre ambas radica

en el método mediante el cual reportan la información de campo. La RTU

reporta todos los puntos monitoreados a raíz de cualquier cambio cada vez

que sea interrogada por el computador maestro, actualizando así la

información.

Adicionalmente a esto, la IRTU realiza reportes al computador tan sólo

de los datos que han sufrido cambios en el campo, esto se llama reporte

por excepción.

La función principal de la IRTU es la de disminuir la cantidad de

procesamientos de la data que debe efectuar la MTU para manejar una

cantidad mayor de puntos, de esta manera el MTU puede comportarse de

forma similar a un computador convencional, disminuyendo a su vez la

cantidad de comunicaciones entre la RTU y la MTU. Esto sucede gracias

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54

a que la MTU accesa directamente a la data que requiere, evitando la

pérdida de tiempo en recibir información no necesaria ya que puede

obtener un reporte por excepción, mejorando la respuesta de la

información proveniente del campo.

Adicionalmente a las funciones descritas anteriormente, la IRTU

puede efectuar un control local, lo que hace que la MTU y la red de

comunicación no se recarguen con problemas de esta índole y pueda la

MTU realizar otras tareas de procesamiento de información; y, dado el

caso de que se llegue a perder la comunicación de la MTU por cualquier

causa, la función de control continúa operando. Las estaciones remotas se

encargan de la adquisición de datos y ejecución de control en el campo de

cualquier planta, central u otras que requieren de un sistema de

supervisión y control electrónico, con salidas y entradas analógicas o

discretas.

"La Principal función de una estación remota es reportar la condición

de sus entradas y colocar en sus salidas los comandos efectivos que da el

operador al proceso a través de la estación maestra. Adicionalmente a la

estación remota se le incorpora un cierto grado de inteligencia de tal

manera que pueda realizar operaciones de supervisión y control local y

realizar ciertos cómputos, liberando a la estación maestra de este

procedimiento (Uzcátegui, 1996. P. 1 8)

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55

Generalmente las estaciones remotas se encuentran distantes de la

estación maestra y por ello es indispensable erigir un medio de transmisión

apropiado para el flujo de los datos de telemetría que provienen de la

instrumentación de campo. Estos medios pueden ser:

• Transmisión sin cable (vía microondas, radio, etc.) y

• Transmisión por cable.

La selección de los medios de transmisión depende de factores como

la velocidad de transmisión, la distancia involucrada, la seguridad de los

datos, el costo, entre otros.

Controladores Lógicos Programables (PLC).

Son utilizados primordialmente como estaciones remotas para

sistemas de monitoreo y control a distancia SCADA. Sus principales

componentes son:

• Una fuente de poder.

• Memorias de estado sólido tipo CMOS o EEPROM con respaldo

de baterías de litio en memoria RAM.

• Microprocesador de 8 o 16 bits con tiempos de muestreo de 1 a

10 milisegundos.

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• Módulo de entrada y salida formados generalmente por

convertidores analógico/digital y puertos de entrada y salida con

capacidad de transmisión de datos de 115Kbps a 1Mbps.

• Comunicación serial con diferentes protocolos de transmisión de

datos.

Los Programas (Software).

Comprenden la secuencia completa de todas las instrucciones

utilizadas por el computador central para dar solución a los problemas,

suministrar información y procesar datos. Es considerado como el

componente de mayor complejidad del sistema desde el punto de vista de

elaboración, y con relación al mantenimiento y operación es el más sencillo.

Interfaz Hombre-Máquina.

Es el medio de comunicación mediante el cual el hombre puede

visualizar el estado de una estación y tomar decisiones que modifiquen esta

situación de ser necesario; debe estar diseñado de manera tal que le brinde

al operador la facilidad de realizar de manera cómoda y eficiente su labor, lo

cual redunda en un mejoramiento del trabajo, minimizando el número de

pasos que debe seguir y simplificando la operación del sistema al momento

de la toma de decisiones.

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La interfaz hombre-máquina está constituido por los periféricos en la

estación maestra cuyo fin es estructurar y cerrar el lazo de comunicaciones

del sistema. Entre estos equipos se encuentran teclados, impresoras,

pantallas de video, unidades de almacenamiento, etc.

Consola de Control Local.

Es también una interfaz hombre-máquina pero localizado en cada

estación de flujo, permitiendo la entrada de datos por parte del operador y a

su vez adquirir o visualizar información de las variables operacionales de la

estación.

Fundamentos de la Transmisión de Datos

La operacionabilidad y efectividad de los sistemas SCADA depende

de la transmisión de datos desde una MTU hasta una RTU y viceversa.

Para que la estación maestra y la RTU envíen datos a otros sitios o

dispositivos, deben estar provistas de medios de comunicación inteligentes,

estos deben comunicarse con otros sobre cualquier forma de medio de

comunicación. Las comunicaciones desde una estación maestra, ubicada

en una locación central, hacia una unidad terminal "remota", es algunas

veces difícil de accesar desde líneas telefónicas no extendidas a todas las

locaciones.

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58

Similarmente, los requerimientos de los medios de comunicación

ubicados en los oleoductos con sistemas SCADA varían desde el Norte de

Alaska hasta innumerables sistemas de oleoductos en el Norte y Sur de

América, Europa, Rusia, Asia, Africa y Australia.

Para todos estos sistemas SCADA instalados en todos estos lugares

a nivel mundial debe existir una forma de comunicación y un protocolo de

transmisión de datos para enviar la información para y desde estas

locaciones remotas.

Un sistema de SCADA consiste en todo el Hardware de adquisición

de datos y de control y módem, pero no incluye el medio de comunicación.

Diferentes compañías suplidoras del Sistema SCADA emplean

variados protocolos de transmisión, existiendo muy poca estandarización en

la estructura del mensaje (DATOS, protocolo de datos). No obstante,

existen estándares americanos e internacionales que rigen las interfaces de

datos entre el Hardware del Sistema SCADA y los equipos de transmisión

de datos (Módem).

Las unidades módem convierten las señales digitales del Sistema

SCADA en señales analógicas, o señales equivalentes de voz, para la

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59

transmisión sobre el medio de comunicación suministrado. Al otro extremo,

otro módem, regenera la señal digital para la entrada al RTU.

El medio de comunicación es, por tanto, externo al sistema SCADA,

por esto se requiere como parte de un proyecto clave para el

establecimiento de dicho sistema.

Sin embargo, las compañías suministradoras del sistema SCADA

deben proveer la interfaz hardware y software necesarios para todos los

tipos de medios de comunicación, algunas de las cuales se citan a

continuación:

• Líneas telefónicas.

• Radios en VHF y UHF.}

• Radio Microondas.

• Radio satélites.

• Radio dispersión troposférica.

• Cableado directo.

• Cable coaxial.

• Fibra óptica.

• Cables submarinos.

Estos medios de comunicación proveen el enlace necesario cubriendo

largas distancias con microondas (con sitios repetidores), satélites, etc., y

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para áreas locales con una facilidad de procesamiento utilizan cableado

directo, cable coaxial, fibra óptica, etc.

Aplicaciones tecnológicas más recientes incluyen sistemas de

comunicación por fibra óptica instalados para comunicaciones en

terminales locales, en cables de alimentación submarinas en lugar de

cables de cobre, y en sistemas de comunicación submarinas con la fibra

óptica instalada como parte del sistema de control hidráulico/neumático

umbilical para las facilidades de producción en el fondo del mar.

Las Comunicaciones por transporte de potencia están provistas por

superimposición de señales de alta frecuencia las cuales han sido

moduladas con señales digitales de datos sobre las cabeceras de las

líneas de alto voltaje. Los sistemas de líneas portadoras de tensión son

generalmente para protección eléctrica transmitiendo intercambio de

información, pero en algunas instalaciones de proceso las señales de datos

son también transmitidas sobre los sistemas de transporte de comunicación

en las líneas de potencia.

La ingeniería de integración del sistema SCADA debe establecer el

medio de comunicación, niveles de recepción y transmisión, impedancia de

canales de interferencia, niveles de señal a ruido, atenuación, distorsión y

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61

algunos otros factores críticos que afectan la calidad de la transmisión del

medio de comunicación como parte de un proyecto clave para el SCADA.

Sin embargo, las compañías suministradoras del sistema SCADA

deben proveer la interfaz hardware y software necesarios para todos los

datos. El impacto del ruido generado interna o externamente debe ser

evaluado en la ingeniería de integración del Sistema SCADA, puesto que

ningún medio de comunicación suministra perfecta capacidad de

transmisión de datos.

Aún cuando una estación maestra tiene éxito en la transmisión de

datos con todas las RTU's en el Sistema SCADA, esto puede requerir

comunicación con cualquiera o con todos de los siguientes sistemas

computadores digitales:

• Controlador Lógico Programable.

• Sistema Medidor de Nivel de Tanque.

• Sistema de Medición de Fluido.

• Cromatógrafo/Analizador.

• Otro Sistema de Adquisición de Datos/Sistema de Control.

• Procesamiento de Datos por Computador (local o Remoto).

• Sistema Automatizado de Cargado de camiones.

• Estación de Operaciones Remotas:

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62

- Oficina del Gerente.

- Oficina de Inventario de oleoductos.

- Centro de mantenimiento (local o remoto).

• Sistema computarizado de movimiento de petróleo y aceite.

• Red de área local (personal de computador).

El procesamiento integrado de información y sistema computarizado

de SCADA provee un Sistema de Administración de Información, para

actualizar los reportes de producción de petróleo y gas, inventario,

control/monitoreo y contabilidad.

El requerimiento fundamental de un sistema SCADA es transmitir

información digital, por ejemplo en un formato de palabra de 16 bits, desde

la estación maestra hasta la RTU y viceversa. La palabra de datos

transmitida debe ser recibida en la misma secuencia de "1" y "0" o la RTU

responderá con una palabra incorrecta. Por tanto, toda la información

transmitida debe ser protegida asegurando que no exista la pérdida de

cualquier bit o grupo de bits. Esto es logrado mediante la aplicación de

técnicas de detección de errores. Normalmente es suficiente detectar

errores y devolver el mensaje con una respuesta que solicite la

retransmisión del mensaje.

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Formas de Establecer la Comunicación con el Sistema

Scada.

Según Quero Herbie, (1998, p. 40) el sistema SCADA se puede

clasificar de acuerdo a la forma como se establece la comunicación en:

• Polling.

Es el sistema en el que la maestra interroga a cada remota para

constatar si se ha dado algún cambio desde la última vez que se interrogó,

si se detecta un cambio la maestra debe pedir data inmediatamente.

• Seanning.

En este sistema la maestra controla todo el intercambio de

información, su estado normal es una comunicación repetitiva con las

estaciones remotas.

• Update Continuo.

Es un sistema en el que la estación remota actualiza continuamente la

indicación de la estación maestra y está en espera de una acción tomada

por la maestra.

• Quiescent.

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Es un sistema que está alerta normalmente y transmite información

solamente cuando un comando de operación se inicia desde la maestra o

cuando ocurre un cambio en la señal recibida en la estación remota.

REVISIÓN DE LA LITERATURA

Como soporte para nuestra investigación y para establecer

comparaciones, utilizamos como guía algunos trabajos de cuales haremos

mención a continuación.

QUERO, Herbie (1998, IUPFAN) “DISEÑO DE UN MODELO PARA

LA INTEGRACIÓN DE LOS SISTEMAS DE COMUNICACIÓN QUE

ASISTEN LA AUTOMATIZACION DE LAS OPERACIONES DE

PRODUCCIÓN DE PDVSA E&P EN OCCIDENTE”, el cual se basa en la

unificación de los sistemas de comunicación de Maraven y Lagoven e

implementar un medio que permita el transporte de datos de telemetría en

forma eficiente (y aprovechando al máximo los recursos). Este diseño trae

como consecuencia una mejora sustancial de la capacidad de control de las

operaciones de producción, y de esta manera consolidar las operaciones

productivas de crudo de la región occidente del país.

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65

Olmedillo (1995, URBE) “DISEÑO DE UN SISTEMA DE

TELECOMUNICACIONES PARA LA SUPERVISIÓN DE POZOS DE

PRODUCCIÓN TIERRA“, se realizó un sistema de comunicación para

cubrir las necesidades de recolección de datos y supervisión en tierra. Este

sistema de comunicación propuesto se dividió en dos subsistemas. Uno

denominado Sistema Punto- Multipunto terrestre TDM-TDMA-DAMA. El

segundo se denomino Sistema de Transmisión de Datos Trocalizados.

Estos sistemas fueron seleccionados de acuerdo a las características de

funcionamiento particulares determinados por una serie de razones de

orden tecnológico, económico y de aprovechamiento de infraestructuras.

Padrón y Matteo (1998, URBE) “DESARROLLO DE UNA

ARQUITECTURA ABIERTA DE COMUNICACIÓN REMOTA

MAESTRO_ESCLAVO EN EL SISTEMA MONITOR DE POZOS WHM

(WELL HEAD MONITOR).CASO: DIVISIÓN PRODUCCIÓN DE

OCCIDENTE DE PDVSA“. En esta investigación se analizó el

comportamiento de la arquitectura que se encontraban en ese momento,

también evaluaron las características y limitaciones que presentaban al

establecer la comunicación, e identificaron los elementos y componentes

necesarios para satisfacer el diseño. Como resultado se propuso migrar

hacia un nuevo protocolo estandarizado y flexible, manteniendo la

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66

funcionalidad del sistema WHM y a su vez integrándolo a un único canal de

comunicación.

DEFINICIÓN DE TÉRMINOS BÁSICOS

• Ancho de Banda: El ancho de banda de un Sistema de Comunicación

es la banda de paso mínimo (rango de Frecuencia) requerida para

propagar la información de la fuente a través del Sistema. El ancho de

banda de un Sistema de Comunicación debe ser lo suficientemente

grande (ancho) para pasar todas las Frecuencias significativas de la

información.

• Atenuación: Es la disminución de la señal a medida que se propaga a

lo largo del medio. Referido a la perdida de potencia.

• Bit: Es un pulso sencillo en un grupo de pulsos, capacidad de

almacenamiento de información que posee dispositivos, o también, es la

mínima unidad de información que está reconocida por un computador .

• Bit / Seg. (bps): Bit por segundos. Unidad básica de medida para la

capacidad de Transmisión de datos en forma serial. Kbit / Seg. Usado

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67

para miles de bit por segundo. Mbit / Seg. Empleado para millones de

bit por segundo. Gbit / Seg. Utilizado para millones de bit por segundo.

Telecom PDVSA.

• Buffer: Es el circuito en el que la variación de impedancia de salida en

relación con la entrada es mínima, con el fin de satisfacer los

requerimientos de aislamiento.

• Byte: Es un conjunto de 8 bits, que representa alguna palabra.

• Bus de datos: Son conexiones eléctricas que unen a los componentes

de la computadora. Un bus consta de un grupo de conectores de

circuitos de computadoras susceptibles de recoger o transmitir

información. Todos los circuitos conectados al bus están en principio

inhibidos, es decir, ignoran totalmente los datos transmitidos por el bus.

• Canal: En Comunicaciones es una vía lógica o física que permite la

transmisión de información. Esta vía conecta una fuente de datos con un

receptor.

• Cable coaxial: se basa en un conducto que viaja dentro de otro

conducto cilíndricos y separados por un dieléctricos que los mantiene

separados la misma distancia, por su construcción es “menor

susceptible al ruido”.

• Codificación: Acción de escribir órdenes que formarán los programas,

utilizando para ello las normas de un lenguaje de programación

determinado.

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68

• Conmutación: Establecimiento, interrupción o cambio de conexiones

en el circuito eléctrico. Proceso que establece la conexión entre dos

dispositivos, a través de un circuito de datos, bajo petición de uno de

ellos.

• DCE:. Equipo de Comunicación de data. En un enlace de

Comunicaciones, es el equipo que forma parte de la Red, nodo o un

equipo en el cual un Circuito de la Red termina. En el caso de una

conexión RS-232-C, el módem es usualmente llamado DCE, mientras el

dispositivo usuario es un DTE (equipo Terminal de data). En una

conexión X-25, el acceso de la Red y el nodo conmutador de paquete es

visto como un DCE.

• Demodulación: es el proceso de convertir los cambios en la portadora

analógica en la información original de la fuente. La demodulación se

realiza en el receptor, en un circuito llamado demodulador.

• DTE: Equipo Terminal de datos. Generalmente es el dispositivo final en

una conexión, tales como Terminales y computadores conectados a un

DCE. El cual genera o recibe la portadora de datos de la Red.

• Enlace: Define este termino como el medio sobre el cual se transportan

las señales; pueden ser un par físico o dos pares en el caso de cuatro

hilos, una portadora de radio, un cable coaxial en cada dirección o un

cable de fibra óptica.

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• Estación: Conjunto de unidades funcionales, ligadas entre sí, con

operatividad propia y que suelen estar conectadas a un ordenador

principal.

• IRTU: Unidad Terminal Remota Inteligente.

• Módem: Es un dispositivo electrónico que toma la salida de una fuente y

la convierte en una señal capaz de ser transmitida por el medio a través

de la modulación (modulador) y que convierte una señal modulada

recibida en una señal capaz de ser entendida por el destino

(demodulador).

• Modulación: es el proceso por el cual el tren de pulsos entrantes

genera una señal analógica compatible con la línea de transmisión.

• Multiplexor: Es un conmutador digital, que encausa datos de una de n

fuentes a sus salidas.

• MTU: (Master Terminal Unit): Es la unidad procesadora central de

información procedentes de cada una de las estaciones de flujo.

• Protocolo: Conjunto de reglas y convenios que posibilitan la Transmisión de

información a través de una Red de Telecomunicaciones.

• Puerto: Mecanismo limítrofe de entrada/salida que controla y

sincroniza la información que entra y sale de una unidad a otra.

• RS-232: Norma recomendada por la EIA en la transmisión serial y

asíncrona de datos, para interconectar módem, ratones, dispositivos de

comunicación, entre otros.

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• RTU: Unidad Terminal Remota. Es la encarga de recoger los datos

(presión, flujo, temperatura, condiciones generales del estado de la

estación, equipos como cargadores y baterías, entras de intrusos, etc.),

desde el lugar de instalación donde será procesada, tiene la capacidad

de procesamiento y toma de decisiones para luego transmitirlas a la

sala de control.

• SCADA: Es un sistema en computadores, el cual monitorea o supervisa

plantas y equipos, localizados en sitios remotos proveyendo datos

relevantes para la supervisión y toma de decisiones por un operador en

una ubicación central.

• Telemetría: Sistema de comunicación en el cual cierto número de

magnitudes tiene que ser transmitido entre dos puntos.

• UHF (Ultra High Frecuency): Frecuencia Ultra Alta. Trabaja en una

banda de frecuencia de 300 a 3000Mhz. Con esta frecuencia trabajan

los celulares.

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SISTEMA DE VARIABLES

DEFINICIÓN CONCEPTUAL Y OPERACIONAL:

SISTEMA DE TELECOMUNICACIONES:

Conceptualmente, es un sistema de comunicación en el cual cierto

número de magnitudes tiene que ser transmitidos entre dos puntos.

Operacionalmente es el medio que se utilizará para la transmisión de la

información proveniente de las estaciones de flujo hacia la sala de control.

PLATAFORMA PUNTO-MULTIPUNTO:

Conceptualmente, un sistema Punto-Multipunto es una comunicación

unidireccional con varios puntos finales o destinos. Y operacionalmente

consiste en una estación maestra que se comunica con una serie de

estaciones remotas sobre un canal simple de comunicación.

ESTACIÓN DE FLUJO:

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La Estación de Flujo es una infraestructura de mediana complejidad,

donde se recolecta la producción de petróleo y gas proveniente de los

pozos asociados a ellas. Operacionalmente las estaciones de flujo son las

que reciben crudo, gas y agua de los pozos donde unos equipos se

encargarán de enviar los datos relacionados con la producción.

SISTEMA SCADA:

Son los sistemas que presentan la tecnología capaz de capturar y

controlar las variables en diferentes puntos de medición en lugares remotos

e inaccesibles. Operacionalmente el Sistema SCADA, se aplica

principalmente para realizar las operaciones de largo enlace para así

controlar y supervisar plantas y equipos remotos.