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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA

SEDE QUITO

CARRERA:

INGENIERÍA ELECTRÓNICA

Trabajo de titulación previo a la obtención del título de:

INGENIERO ELECTRÓNICO

TEMA:

SIMULACIÓN DE UN WCS (WIRELESS CONTROL SYSTEM) PARA SENSORES

Y ACTUADORES INTELIGENTES APLICADO A PROCESOS PRODUCTIVOS

AUTOR:

ALEX JAVIER BONILLA CUADRADO

TUTOR:

CARLOS GERMÁN PILLAJO ANGOS

Quito, marzo del 2017

Cesión de derechos de autor

Yo Alex Javier Bonilla Cuadrado, con documento de identificación N°

1718455825, manifiesto mi voluntad y cedo a la Universidad Politécnica Salesiana

la titularidad sobre los derechos patrimoniales en virtud de que soy autor del trabajo de

titulación intitulado: Simulación de un WCS (Wireless Control System) para sensores y

actuadores inteligentes aplicado a procesos productivos, mismo que ha sido

desarrollado para optar por el título de: Ingeniero Electrónico, en la Universidad

Politécnica Salesiana, quedando la Universidad facultada para ejercer plenamente

los derechos cedidos anteriormente.

En aplicación a lo determinado en la Ley de Propiedad Intelectual, en mi condición de

autor me reservo los derechos morales de la obra antes citada. En concordancia,

suscribo este documento en el momento que hago entrega del trabajo final en

formato impreso y digital a la Biblioteca de la Universidad Politécnica Salesiana.

Alex Javier Bonilla Cuadrado

C.I. 1718455825


Declaratoria de coautoría del docente tutor

Yo, declaro que bajo mi dirección y asesoría fue desarrollado el trabajo de titulación

Simulación de un WCS (Wireless Control System) para sensores y actuadores

inteligentes aplicado a procesos productivos realizado por Alex Javier Bonilla Cuadrado,

obteniendo un producto que cumple con todos los requisitos estipulados por la

Universidad Politécnica Salesiana para ser considerados como trabajo final de titulación.


DEDICATORIA

A mis hijos, mi esposa y mi madre quienes han sido mi motivación y el aliento que me

ha acompañado en los mejores momentos de mi vida.

Dios bendiga mi familia

Javier

AGRADECIMIENTO

A mi madre por hacer un gran esfuerzo y brindarme la oportunidad de estudiar esta

carrera, a la Universidad Politécnica Salesiana por formarme durante estos años y al Ing.

Carlos Pillajo por su guía y apoyo en el desarrollo del presente trabajo.

ÍNDICE DE CONTENIDO

CAPÍTULO 1 .................................................................................................................... 1

ANTECEDENTES ........................................................................................................... 1

1.1 Título del proyecto ................................................................................................. 1

1.2 Planteamiento del problema .................................................................................... 1

1.3. Objetivos ................................................................................................................ 2

1.3.1. Objetivo general ................................................................................................ 2

1.3.2. Objetivos específicos ........................................................................................ 2

1.4. Alcance .................................................................................................................. 3

1.5. Justificación ........................................................................................................... 3

CAPÍTULO 2 .................................................................................................................... 5

MARCO TEÓRICO ........................................................................................................ 5

2.1. Estudio y análisis de las redes convencionales de control ...................................... 5

2.2. Estudio y análisis de las redes control usando un medio compartido (TCP/IP) ..... 6

2.3. Situación actual de WCS y NCS ............................................................................. 8

2.3.1 Costo .................................................................................................................. 8

2.3.2 Aplicaicones....................................................................................................... 9

2.3.3 Problemas y soluciones ...................................................................................... 9

2.4. Ventajas y desventajas .......................................................................................... 10

CAPÍTULO 3 .................................................................................................................. 11

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN ............................................................................... 11

3.1 Funcionamiento de los elementos que conforman un proceso de control dentro de

una red industrial convencional. ................................................................................... 11

3.2 Esquema y modelos de redes para el estudio de los NCS/WCS. ........................... 13

3.2.1 Modelo1: Modelo básico de Red de Control. .................................................. 14

3.2.2 Modelo 2: Modelo de Red Multimedia en la que interactúa un segmento de

red dedicado a realizar acciones de control (NCS/WCS) con parámetros Ethernet. 21

3.2.3 Modelo 3: Modelos de Red Multimedia .......................................................... 32

3.3 Monitoreo de una red real con características de tráfico similares a las simuladas,

mediante el uso del Software PRTG ............................................................................ 42

CAPÍTULO 4 .................................................................................................................. 46

PRUEBAS Y RESULTADOS ....................................................................................... 46

4.1 Análisis del Modelo1: Modelo básico de Red de Control ...................................... 46

4.2 Análisis del Modelo 2: Modelo básico de Red de Control ..................................... 47

4.3 Análisis del Modelo 3 ............................................................................................. 48

4.4 Comparativa de la Simulación con los datos obtenidos en PRTG ......................... 55

CONCLUSIONES .......................................................................................................... 58

RECOMENDACIONES ................................................................................................ 60

REFERENCIAS ............................................................................................................. 61

ANEXOS ......................................................................................................................... 63

ANEXO 1. Software OPNET para la simulación de un entorno de red ......................... i

ANEXO 2. Configuraciones Iniciales del Software OPNET ........................................ ii

ANEXO 3. Software PRTG para el monitoreo de redes. ............................................... v

ANEXO 4. Modulo Arduino y Programación del mismo ............................................. vi

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1. Pirámide de automatización ............................................................................. 5

Figura 2.2. Redes industriales(Simatic) ............................................................................. 6

Figura 2.3. Sistemas de control con medio compartido ..................................................... 7

Figura 3.1. Protocolos de una red de Control Industrial .................................................. 11

Figura 3.2. Tipo de datos en función del servicio ............................................................ 12

Figura 3.3. Esquema redes ASI ........................................................................................ 12

Figura 3.4. Trama de datos ............................................................................................... 13

Figura 3.5. Figura 18: Red del Modelo 1 ......................................................................... 14

Figura 3.6. Paleta de opciones para el Modelo ................................................................ 14

Figura 3.7. Atributos de un nodo ..................................................................................... 15

Figura 3.8. Parámetros configurados en nodo Sensor, modelo 1 ..................................... 17

Figura 3.9. Parámetros configurados en nodos restantes, modelo 1 ................................ 18

Figura 3.10. Selección de Estadísticas en modo Global .................................................. 18

Figura 3.11. Selección de Estadísticas Individuales ........................................................ 19

Figura 3.12. Configuración de los parámetros de la simulación ...................................... 19

Figura 3.13. Ventana del navegador de Resultados ......................................................... 20

Figura 3.14. Ejemplo del tráfico generado en el modelo 1 .............................................. 20

Figura 3.15. Modelo de red multimedia ........................................................................... 21

Figura 3.16. Red del modelo 2 ......................................................................................... 23

Figura 3.17. Ventana de atributos en el bloque Aplication Configuration ..................... 23

Figura 3.18. Ventanas de configuración de aplicaciones. ................................................ 24

Figura 3.19. Ventana de atributos en el bloque Profile Configuration ............................ 25

Figura 3.20. Configuración de las aplicaciones dentro de los perfiles............................. 25

Figura 3.21. Configuración de los atributos del servidor ................................................. 26

Figura 3.22. Configuración de los atributos del servidor, supported services ................. 26

Figura 3.23. Configuración de los atributos del servidor, destination preferences .......... 27

Figura 3.24. Configuración de los atributos del servidor, actual name ........................... 27

Figura 3.25. Configuración de BSS Identifier ................................................................. 28

Figura 3.26. Configuración del router .............................................................................. 28

Figura 3.27. Datos estadístico en modo individual, (Http) .............................................. 29

Figura 3.28. Datos estadístico en modo individual (Datos) ............................................. 29

Figura 3.29. Datos estadístico en modo individual (Video) ............................................ 30

Figura 3.30. Datos estadístico en modo global ................................................................ 30

Figura 3.31. Configuración del tiempo de simulación ..................................................... 31

Figura 3.32. Gráficas del tráfico generado en el modelo 2 .............................................. 31

Figura 3.33. Gráficas de retardos en el modelo 2 ............................................................ 32

Figura 3.34. Ventana del entorno de simulación del modelo 3 ........................................ 33

Figura 3.35. Red del modelo 3a ....................................................................................... 33

Figura 3.36. Segmento de red de ensamblaje ................................................................... 34

Figura 3.37. Segmento de red de Pintura ......................................................................... 35

Figura 3.38. Segmento de red de Test .............................................................................. 35

Figura 3.39. Segmento de red Administrativo ................................................................. 35

Figura 3.40. Aplicaciones del modelo 3a ......................................................................... 36

Figura 3.41. Perfiles del modelo 3a ................................................................................. 36

Figura 3.42. Ejecución de la simulación .......................................................................... 37

Figura 3.43. Gráficas del tráfico generado en el modelo 3a ............................................ 37

Figura 3.44. Red del modelo 3b ....................................................................................... 38

Figura 3.45. Aplicaciones asignadas a los perfiles del modelo 3b................................... 40

Figura 3.46. Intervalos de tiempo en la aplicación de video ............................................ 41

Figura 3.47. Intervalos de tiempo en la aplicaciones ....................................................... 41

Figura 3.48. Gráficas del tráfico generado en el modelo 3b ............................................ 41

Figura 3.49. Gráficas unificadas del tráfico generado en el modelo 3b ........................... 42

Figura 3.50. Ventana de dispositivos en la red monitoreados por PRTG ........................ 43

Figura 3.51. Gráfica del tráfico de http monitoreados por PRTG .................................... 44

Figura 3.52. Gráfica del tráfico de la aplicación datos monitoreados por PRTG ............ 44

Figura 3.53. Gráfica del tráfico de video monitoreados por PRTG ................................. 45

Figura 4.1. Gráfica del trafico enviado y recibido del modelo 1 ..................................... 46

Figura 4.2. Gráfica de retardos en el modelo 2 ................................................................ 47

Figura 4.3. Gráfica de los retardos en cada aplicación del modelo 2............................... 48

Figura 4.4. Gráfica de tráfico generado en cada aplicación del modelo 2 ....................... 48

Figura 4.5. Gráfica de retardos en el modelo 3 ................................................................ 49

Figura 4.6. Gráfica de tráfico generado en cada aplicación del modelo 3 ....................... 49

Figura 4.7. Gráfica de tráfico generado en intervalos de tiempo ..................................... 50

Figura 4.8. Gráfica del throughput en el modelo 3 .......................................................... 50

Figura 4.9. Gráfica de variación de retardo en paquetes en el modelo 3 ......................... 52

Figura 4.10. Variación en la configuración de datos y http ............................................. 52

Figura 4.11. Variación en retardo con tráfico de video más pesado ................................ 53

Figura 4.12. Variación del tráfico de video...................................................................... 53

Figura 4.13. Variación del retardo de paquetes con un tráfico de video más pesado ...... 54

Figura 4.14. Variación del throughput ............................................................................. 54

Figura 4.15. Gráfica del tráfico enviado en las aplicaciones del modelo 3 ..................... 55

Figura 4.16. Comparación de gráficas de http en OPNET y PRTG ................................ 56

Figura 4.17. Comparación de gráficas de datos en OPNET y PRTG .............................. 56

Figura 4.18. Comparación de gráficas de video en OPNET y PRTG .............................. 57

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Ventajas y desventajas entre NCS-WCS y Redes Industriales Convencionales ......... 10

Tabla 3.1. Número de nodos de acuerdo a su aplicación ............................................................. 34

Tabla 3.2. Escala de conversión de horas a segundos .................................................................. 39

Tabla 3.3. Intervalos de trabajo en las aplicaciones ..................................................................... 39

Tabla 3.4. Asignación de tiempos en la simulación ..................................................................... 39

RESUMEN

En el presente proyecto se abordan los conceptos de Sistemas de control en red y

Sistemas de control inalámbrico (NCS y WCS, Networked Control System - Wireless

Control System) mediante los cuales se plantea la existencia de una red de control de

procesos productivos que interactúa en un entorno de red con características multimedia.

Se propone simular la integración de aplicaciones de red en un medio compartido, en la

cual un segmento de la red dedicado a procesos de control utiliza tecnología Wireless.

Los Sistemas de control en red y Sistemas de control inalámbrico (NCS y WCS) son una

tecnología en desarrollo, el estudio de su funcionamiento y sus posibles aplicaciones

contribuyen a determinar sus limitantes, por lo que para ser superadas dan paso a idear

nuevas formas de comunicación y nuevos dispositivos tecnológicos.

La red que se Simulará propone el análisis del comportamiento de una red propia de un

entorno industrial que convive con aplicaciones típicas de una red interactiva y

multimedia, determinando si una red de ese tipo es viable.

ABSTRACT

In this project the concepts of Networked Control Systems and Wireless Control

Systems (NCS and WCS) are discussed, through which the existence of a network of

productive process control interacts In a network environment with multimedia features.

It is proposed to simulate the integration of network applications into a shared medium,

in which a segment of the network dedicated to control processes uses Wireless

technology.

Networked control systems and wireless control systems (NCS and WCS) are a

technology in development, so the study of their operation and possible applications

contribute to determine their limitations, so that to be overcome give way to To devise

new forms of communication and new technological devices.

The Simulated Network proposes the analysis of the behavior of a network of an

industrial environment that coexists with typical applications of an interactive and

multimedia network, determining if such a network is viable.

INTRODUCCIÓN

Hoy en día los avances tecnológicos son constantes, prácticamente la tecnología está

inmersa en todas las cosas y actividades cotidianas en un mundo en el que cada vez se

acortan distancias y se cuenta con un mayor control de las cosas. Actualmente la idea de

controlar eventos y procesos de forma remota a distancias relativamente largas ya es

toda una realidad, sin embargo existen procesos que dado su aplicación dedicada

resultan más complejos de integrar a esta nueva tendencia de control.

En los sistemas de control propios de procesos productivos se manejan redes industriales

que si bien cumplen con el mismo propósito que tienen las redes de información que se

utilizan en los últimos niveles de la pirámide de automatización, el cual es comunicar un

dispositivo con otro, hay que destacar el volumen del tráfico que generan.

En las redes industriales el tráfico en la mayoría de las ocasiones está en el rango de los

bits y los tiempos de retardo pueden ser críticos, por lo contrario, en las redes de

información se maneja un gran volumen de datos y dado que sus aplicaciones para la

transmisión de datos no es algo delicado pueden ocasionarse retardos prolongados.

Con el estudio de los WCS/NCS y por medio de una simulación se pretende el análisis

del funcionamiento de una red de control industrial con las características de una red de

información, lo cual generaliza el tipo de comunicaciones que usa la pirámide de

automatización red, creando un solo camino que comunique a todos los elementos de

una red independientemente del tipo de aplicación que realice.

1

CAPÍTULO 1

ANTECEDENTES

1.1 Título del proyecto

Simulación de un WCS (Wireless Control System) para sensores y actuadores

inteligentes aplicado a procesos productivos.

1.2 Planteamiento del problema

Se necesita analizar el tráfico que se genera a través de una red multimedia, en la cual, se

cuente con un segmento de la red dedicado únicamente al control de procesos

productivos, en este segmento se cuenta con nodos que a su vez son sensores y

actuadores inteligentes con la capacidad de adaptarse a los protocolos de una red

multimedia.

Se debe tomar en cuenta que para hacer un análisis del tráfico dentro de una red con las

características antes mencionadas, se debe contar con distintas aplicaciones que generan

distintos tipos de tráfico, cada una permite diferenciar las características que este puede

tener, así se puede distinguir un tipo de tráfico de otro y por ende determinar cuál de

ellos se ve más, o menos afectado a la hora de variar parámetros dentro de las

aplicaciones.

Los Sistemas de Control Inalámbrico (WCS, Wireless Control Systems) pueden

presentar algunas ventajas como: El que no existen cables físicos, pueden ser más

baratos, permiten gran movilidad dentro del alcance de la red, pueden instalarse

fácilmente. Pero si bien la comunicación de estos equipos por un medio inalámbrico

facilita el control de procesos remotamente, y presenta múltiples ventajas en

comparación a una red cableada, también se debe tomar en cuenta los problemas a los

que se debe hacer frente como: El volumen de datos (mayor tamaño, con mayor

velocidad), lo que lleva a situaciones de congestión (llegan más datos de los que el

sistema puede procesar), lo que puede originar una importante pérdida de paquetes y

2

retraso en la entrega de información lo que finalmente deteriora la calidad de servicio

demandado por el usuario.

Por otro lado representa el problema de que se depende absolutamente de la capacidad

de la red y de las configuraciones necesarias de la misma para realizar un control

eficiente; en una red específicamente industrial, donde pueden haber procesos dedicados

que requieren una medición y una respuesta inmediata por lo que se debe garantizar la

eficiencia y operatividad de la red.

Cada avance en la tecnología ha provocado un cambio, en el control automático. Hoy

por hoy es la era de la sociedad en red, la gente experimenta un nuevo estilo de vida

conectado en un mundo donde se puede acceder a información desde cualquier lugar y

cualquier dispositivo con internet.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo general

Diseñar y plantear la simulación de un WCS (Wireless Control System) para sensores y

actuadores inteligentes aplicado a procesos productivos.

1.3.2. Objetivos específicos

Estudiar la situación actual de los Sistemas de control en red así como los WCS y NCS

para tratar sistemas de control de procesos.

Estudiar el tráfico de una red en un entorno industrial con procesos de control en

los que se pueda aplicar los conceptos de NCS y WCS, para la transmisión y

recepción de datos mediante el software OPNET.

Simular el funcionamiento de una red mediante el software OPNET, centrándose

en cómo se trata la implementación de una red aplicando WCS y NCS, aportando

a ideas que sirvan como base o referencia para su uso en aplicaciones académicas

o que puedan extender la investigación.

3

Evaluar pruebas de comunicación de los sistemas diseñados en simulación

virtual, mediante su ejecución en software y hardware realizado con OPNET y

PRTG respectivamente.

1.4. Alcance

En el presente proyecto se propone la simulación de una planta que maneja dos tipos de

tráfico específico, el tráfico de procesos de control y el tráfico de aplicaciones

multimedia.

Para la transmisión de esta información se plantea el concepto de un medio compartido,

en el que conviven los dispositivos propios de una red de control industrial y los

usuarios de una red de información, por lo que se analizara el tipo de tráfico que genera

cada aplicación y como interfiere en las aplicaciones de la red.

1.5. Justificación

Llegar a implementar en tecnología Wireless el comportamiento de las redes industriales

de hoy en día y controlarlas remotamente a través de la nube es el desafío a futuro. Por

lo que se hace necesario el estudio y la simulación del comportamiento de los WCS y los

NCS para analizar el tráfico generado en una red industrial y evaluar su funcionamiento

a nivel básico y nivel macro donde se tenga que plantear conceptos de administración de

redes, determinando los problemas que puede presentar la red y las limitantes que

existen hoy en día. (Zheng Lu and Hongji Yang, 2012)

Sin embargo ya que la aparición de nuevos servicios en red realiza un consumo de

recursos muy alto, se pretende realizar el presente trabajo para analizar el

funcionamiento de una red y determinar su eficiencia ya que como se mencionó

anteriormente el uso excesivo de servicios puede provocar funcionamientos defectuosos

debido a la baja capacidad de las redes y de los propios equipos. (Hespanha, 2007)

Ya que la implementación de una red física con estas características aún resulta

compleja por la escases y costos elevados de equipos de control industrial con estas

4

características, se propone la realización de una simulación mediante el Software

OPNET Modeler, que permita el análisis y comportamiento del tráfico de una red con

los componentes antes mencionados. La red simulada debe estar dentro de los

lineamientos y características propias de los equipos convencionales de una red de

Wireless – Ethernet.

La red debe contar con distintas aplicaciones que generen distinto tipos de tráfico como:

tráfico de Video, tráfico de Datos, y un tráfico con características de consumo muy

pequeño que para efectos de esta simulación se determina como tráfico Http.

La red debe contar con un número distinto de nodos o usuarios de las tres aplicaciones,

lo que permitirá diferenciar el consumo de datos que cada aplicación realiza. Esto

permitirá definir el ancho de banda adecuado para que una red de este tipo pueda

trabajar de forma óptima.

Se debe determinar la aplicación más sensible a la interferencia de las otras y analizar el

consumo de datos que produce, este consumo afecta a toda la red, por lo que si se varían

las características de las aplicaciones se puede determinar que tanto afecta a la red

estudiando la aplicación más sensible.

5

CAPÍTULO 2

MARCO TEÓRICO

2.1. Estudio y análisis de las redes convencionales de control

Dependiendo del volumen de información que maneja el sistema de control (bits, bytes,

paquetes, etc.), se establecen diferentes protocolos que se acoplan a la funcionalidad de

su respectivo nivel en la pirámide de automatización.

Figura 2.1. Pirámide de automatización

Elaborado por: (Sistemas_industriales, 2013, pág. 54)

Las redes industriales se caracterizan por ser deterministas a diferencian de las redes de

información que se usan en el último nivel de la pirámide de automatización. En el nivel

de gestión se usa el protocolo TCP/IP por elevado volumen de información que puede

transmitir. Para el resto de niveles de la pirámide, se usan diferentes protocolos:

Industrial Ethernet, Profibus, AS-Interface, cada protocolo posee su software y hardware

dedicado para atender las necesidades de su área de trabajo. (Cáceres, 2013)

Un parámetro de la eficiencia de una red de comunicación es la cantidad de información

con la que se trabaja, cuando los elementos que interactúan en el sistema generan

diferentes volúmenes información es necesario dimensionar el protocolo que presente el

mejor desempeño. En los sistemas de control los retardos son un factor crítico en el

equilibrio del sistema. Es lógico pensar que un protocolo que es capaz de comunicar una

gran cantidad de datos puede trabajar con pequeños volúmenes de información, sin

6

embargo en la trama total resultante se incrementa información innecesaria presentando

retardos en la red, entorpeciendo la acción de control. Por esta razón existen diferentes

protocolos para las redes industriales (Salt, Casanova, & Piza, 2008, pág. 2).

Figura 2.2. Redes industriales(Simatic)

Elaborado por: (Mitsubishi_electronics, 2016)

La configuración de red, cableado dedicado, protocolo, hardware especifico, etc,

convierten a las redes industriales en sistemas de elevada complejidad, costo y

mantenimiento.

2.2. Estudio y análisis de las redes control usando un medio compartido (TCP/IP)

Los sistemas de control en red rompen varios esquemas y conceptos tradicionales de

teoría de control. El uso de un único medio para comunicar varios elementos de un lazo

cerrado de control, presenta múltiples ventajas como: control centralizado, reducción de

costes de cableado y mantenimiento por trabajar con un protocolo general a nivel de

software y hardware. Sin embargo, en una red industrial existen varios bucles de control,

el elevado número de sensores y actuadores que generan información pueden reducir la

eficiencia de la red, presentando retardos en la comunicación (Casanova, Sistemas de

control basados en red. Modelado y Diseño de estructuras de control, 2011, pág. 14).

La información que circula entre los diferentes nodos de la red, no tienen un tiempo fijo

que garantice su actualización. Al trabajar con una red no determinística se integra el

concepto de control asíncrono.

7

Tanto los elementos de red administrativos e industriales se comunicarían con un solo

protocolo, es decir, toda la pirámide de automatización tendría un solo lenguaje

universal.

Figura 2.3. Sistemas de control con medio compartido

Elaborado por: (Casanova, Sistemas de control basados en red.

Modelado y Diseño de estructuras de control, 2011, pág. 14)

Sin embargo, los retardos son un factor crítico para el proceso de control y son

imposibles de eliminar por la naturaleza de la red. Se pueden presentar soluciones desde

el área de control y comunicaciones (Casanova, Sistemas de control basados en red.

Modelado y Diseño de estructuras de control, 2011, pág. 16).

En el área de control se pueden incorporar algoritmos que actúen en el sistema durante la

ausencia de información. Estos algoritmos pueden predecir el comportamiento del

sistema en base a las características físicas. Para poder optimizar el uso del ancho de

banda de la red, se puede programar a los elementos industriales que solo envíen la

información cuando sea necesario (Control por eventos), a diferencia de los sistemas de

control convencionales que están constantemente monitoreando el proceso.

En el área de comunicaciones se puede analizar los límites de funcionamiento de la red,

analizar el tráfico que existe con los múltiples nodos que envían información. Levantar

un estudio que muestra la eficiencia de la red en varios escenarios enfocándose en el

estudio probabilístico de retardos.

8

2.3. Situación actual de WCS y NCS

Un sistema de control en red (NCS, Networked Control System) es un sistema de control

en el que los bucles de control están cerrados a través de una red de comunicación. Su

característica principal es que las señales de control o de retroalimentación se

intercambian entre los componentes del sistema de control en forma de paquetes de

información a través de una red TCP/IP. (Ruiz & Jiménez, 2013)

En la actualidad el funcionamiento de un NCS se realiza mediante el uso de los

elementos básicos en un proceso de control industrial (Hristu-Varsakelis, 2005):

Sensores, para la toma de señales, datos o adquirir información.

Controladores, para determinar decisiones y órdenes.

Actuadores, para ejecutar acciones o comandos y

Red de comunicación, para permitir el intercambio de información.

De los cuatro componentes descritos anteriormente, el que se distingue en los NCS es la

red de comunicación ya que en este caso se maneja bajo el protocolo TCP/IP. La

característica más importante de un NCS es que conecta el ciberespacio con el espacio

físico, esto permite la ejecución de varias tareas desde larga distancia. (Monsalve &

Arias, 2013)

2.3.1 Costo

Actualmente la implementación de una Red para realizar el control de procesos

productivos puede resultar sumamente costosa, esto depende de la magnitud que tenga la

red, el lugar donde se va a implementar y de los equipos necesarios para la misma. Por

lo que la opción de implementar un NCS y un WCS resultan una buena alternativa que

por ejemplo eliminan el cableado innecesario reduciendo la complejidad y el coste total

en el diseño e implementación de los sistemas de control. También se pueden modificar

o actualizar fácilmente añadiendo sensores, actuadores y controladores a un costo

relativamente bajo y sin cambios importantes en su estructura. (Hespanha &

Naghshtabrizi, 2007)

9

2.3.2 Aplicaciones

Sus aplicaciones potenciales son numerosas y abarcan una amplia gama de industrias

tales como: exploración espacial y terrestre, acceso en entornos peligrosos,

automatización de fábricas, diagnóstico y solución de problemas remotos, instalaciones

experimentales, robots domésticos, aviones, automóviles, Tele operaciones. Por otro

lado, mientras que las aplicaciones potenciales de los NCS y WCS son numerosas, las

aplicaciones probadas son pocas, y para explotar la capacidad real de los NCS se deberá

desarrollar aplicaciones optimas que se apliquen de forma real a conceptos de control ya

definidos. Por esta razón, muchos de los proyectos con NCS y WCS para el control de

procesos productivos están en etapa de diseño e investigación. (Hristu-Varsakelis, 2005)

2.3.3 Problemas y soluciones

El desarrollo de Internet combinado con las ventajas proporcionadas por los NCS y

WCS atrae el interés de investigadores de todo el mundo, pero con las ventajas, varios

desafíos también surgen, dando lugar a muchos temas de investigación importantes

como: nuevas estrategias de control, fiabilidad y la seguridad de las comunicaciones, la

asignación de ancho de banda, el desarrollo de protocolos de comunicación de datos, las

correspondientes estrategias de control de fallas y de tolerancia a fallos. (Monsalve &

Arias, 2013)

La inserción de una la red de comunicación TCP/IP en un bucle de control con

realimentación hace que el análisis y diseño de un NCS sea complejo, ya que esto genera

retardos adicionales en los bucles de control o la posibilidad de pérdida de paquetes.

Dependiendo de la aplicación para la que desee utilizar un WCS, los retardos en el

tiempo pueden imponer severos problemas en el rendimiento de la red y por ende del

sistema de control. (Hespanha & Naghshtabrizi, 2007)

Esto genera que se investiguen y propongan soluciones utilizando conceptos de varias

áreas de control tales como control robusto, control estocástico óptimo, control

predictivo, lógica difusa, etc.

10

Además, una de las cuestiones más críticas e importantes que rodean el diseño de NCS

distribuidos con la complejidad cada vez mayor es satisfacer los requisitos de fiabilidad

de la red, garantizando un alto rendimiento del sistema en un amplio rango de

funcionamiento. Esto hace que las redes basadas en la detección de fallos y técnicas de

diagnóstico, reciban cada vez más y más atención. (Hespanha & Naghshtabrizi, 2007)

Con las nuevas velocidades de internet y mejoras en general de la red (Wi-fi ac, Li-fi,

etc.), el mundo del futuro será una red inmensa de información que integrara

dispositivos de varias áreas, desde equipos electrodomésticos hasta sistemas complejos

militares.

2.4. Ventajas y desventajas

En la siguiente tabla se muestran las ventajas y desventajas de los NCS-WCS y las redes

industriales convencionales.

Tabla 2.1. Ventajas y desventajas entre NCS-WCS y Redes Industriales Convencionales

NCS – WCS Redes Industriales

Ventajas Desventaja

Implementación de un Protocolo general para toda la pirámide

automatización

En la pirámide se utilizan diferentes protocolos dependiendo del nivel de

automatización

Instalación de un cableado general para los diferentes nodos de red

Necesitan de un cableado dedicado que requiere de dispositivos adicionales

exclusivos de la marca

Red escalable ya que, tanto dispositivos cableados o inalámbricos, ingresan a la red de forma ágil y dinámica sin mayor

dificultad en la configuración

Dependiendo de la red, se requiere de un elevado conocimiento del protocolo

para incorporar un nuevo elemento

Bajo costo de instalación y mantenimiento

Elevados costos de instalación y mantenimiento

Desventajas Ventajas Requiere de algoritmos de control y

compensación de elevada complejidad Se aplican algoritmos de control

tradicionales

Presenta retardos aleatorios Red determinística

Elaborado por: Alex Bonilla

11

CAPÍTULO 3

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN

3.1 Funcionamiento de los elementos que conforman un proceso de control dentro

de una red industrial convencional.

Dentro de un sistema de control existen varios elementos que interactúan y gestionan

información, básicamente en un lazo de control cerrado existe: sensor, actuador y

controlador. Pero en una empresa existen varios lazos de control, cada elemento o área

genera diferente cantidad de información.

Dependiendo del tamaño o dimensión de la información generada por cada elemento en

la red, existen diferentes plataformas que facilitan la transmisión de datos. Por el bus de

campo pueden circular desde un bit hasta paquetes.

Figura 3.1. Protocolos de una red de Control Industrial

Fuente:http://image.slidesharecdn.com/smartinstrumentsfieldbusethernetandwirelessrev33-

140704022855-phpapp02/95/smart-instruments-fieldbus-ethernet-and-wireless-10-

638.jpg?cb=1410828356

12

Un factor importante en procesos de control es la velocidad de transmisión o la garantía

de que se actualice la información en un intervalo de tiempo definido (redes

determinísticas). Pero la relación entre velocidad y cantidad de datos es inversamente

proporcional, por ello las redes de control fueron diseñadas teniendo como prioridad la

cantidad de información que genera cada elemento.

En el nivel más bajo de la pirámide de automatización sus elementos tienden a enviar

pequeñas cantidades de información, se analiza la red ASI y sus características.

Una red ASI se basa en la técnica de sondeo de un maestro a varios esclavos,

conociendo la información de todos los nodos en 5ms. Los elementos característicos de

la red son: Maestro, Esclavos, Fuente de alimentación, cable de conexión. (Universidad

de Valencia, redes de comunicación, pag 41)

Figura 3.2. Tipo de datos en función del servicio


Figura 3.3. Esquema redes ASI

Fig. a) Esquema de conexión de red ASI b) cable ASI y método de conexión

Fuente: Universidad de valencia, redes de comunicación, pag 42

13

Si se analiza la trama del maestro y esclavo de la red ASI, el maestro cuenta con 14 bits.

En los bits del maestro de A4 a A0 se posiciona la dirección del esclavo al que se le

solicita información, el esclavo responde con una trama de 7 bits en donde los bits de

datos son desde I3 a I0, es decir, que solo puede enviar 4 bits de información (Fig.

siguiente).

Un esclavo ASI solo puede enviar un nibble de información, 4 entradas o salidas

digitales (on/off) o en su defecto una variable análoga con solo 4 bits de resolución.

Cuando dispongo de elementos que generan una mayor cantidad de información esta red

quedaría obsoleta, basta con que algún elemento de la red envié un entero (16bits) para

buscar una red que este en el próximo nivel de la pirámide de

automatización. (Cáceres, 2013)

3.2 Esquema y modelos de redes para el estudio de los NCS/WCS.

Para el análisis del proyecto se proponen tres escenarios de trabajo para lo cual se

procede a diseñar los distintos modelos que se detallan a continuación:

Figura 3.4. Trama de datos

Fuente: Universidad de valencia, redes de comunicación, pag 57

14

3.2.1 Modelo1: Modelo básico de Red de Control.

En este escenario se plantea un modelo de control simple, en el cual constan un sensor,

un controlador y un actuador; de tal forma que se pueda evaluar los datos que

intercambian entre sí. Una vez que se ha revisado la configuración básica del software

OPNET Modeler, se procede a partir de la creación del escenario para la simulación, en

este escenario se procede con lo siguiente:

Para el primer ejemplo se analiza el tráfico entre 3 terminales antes descritas como

sensor, actuador y controlador.

En la ventana de “Objet palett tree” se despliegan las opciones de dispositivos que se

pueden utilizar, para este ejemplo se seleccionó previamente “Wireless_station_adv” en

modo de “fixed_node” o “nodo fijo.

Figura 3.5. Figura 18: Red del Modelo 1


Figura 3.6. Paleta de opciones para el Modelo


15

Se da clic derecho sobre el mismo y se selecciona “Edit Atributes, tras lo cual se

desplegará la siguiente ventana

En esta ventana es donde se pueden configurar las características con las cuales va a

trabajar el equipo. Para este ejemplo en particular la configuración de los tres terminales

(Sensor, controlador y actuador) es la misma, únicamente cambian el destinatario por lo

cual se puede configurar un terminal y luego copiarlo.

Aquí se determinaran los parámetros del tráfico a generar, para lo cual se configura lo

siguiente:

Start time: Es el instante en el que la aplicación empieza a generar tráfico, por

defecto está configurado en never, lo cual se modifica al valor “uniform (0.1,

1.0)”, esto significa que se establece un rango entre 0.1 y 1.0 segundos donde

comienza la simulación, este valor variará cada vez que se realice un nuevo

“run” de la simulación.

ON state time: El tráfico se genera cuando la aplicación está en ON y deja de

hacerlo cuando la aplicación está en OFF, por lo cual se modifica para que

siempre este en ON hasta que se termine el tiempo de la simulación. Esto se

obtiene seteando un valor superior al tiempo de simulación, por ejemplo se

configura en un valor “constant (10000)” segundos.

Figura 3.7. Atributos de un nodo


16

OFF state Time: Es el parámetro que permite determinar en qué momento se deja

de generar tráfico, como se explicó anteriormente para este ejemplo no se desea

que deje de generar tráfico hasta que termine el tiempo de la simulación, para los

cual se setea un valor “constant (0)”.

Packet Generation Arguments: En esta opción se configuran los parámetros que

va a tener el tráfico a generarse.

- Interarrival time: Es el tiempo entre cada paquete, es decir se envía un

paquete, la aplicación espera un tiempo de llegada y envía un nuevo

paquete, así sucesivamente. Se le asigna un valor exponencial (1) de tal

forma que el tiempo que se espera varíe siempre entre paquete y paquete.

- Packet size: Es el tamaño que va a tener cada paquete. Para la realización

de este proyecto, se ha determinado un tamaño constante de 64 Bytes que

es el valor mínimo que se puede enviar en el protocolo TCP/IP. Este

valor se determina ya que en las redes de control industrial el tamaño de

los datos transmitidos es mínimo (en el rango de los bits).

- Segmentation size: Este parámetro ayuda a hacer una segmentación de

paquetes siempre y cuando el paquete sea demasiado extenso, para este

caso, dado que el tamaño de los paquetes es el menor posible y ya que

este valor va a ser constante, no es necesarios utilizarlo, por lo que se fija

en un valor de “No Segmentation”

Stop time: Finalmente se determina el instante en el que se desea que termine la

aplicación, como no se desea que termine hasta que finalice el tiempo de

simulación se setea el valor “never”.

El siguiente parámetro a configurar es la “Wireless LAN MAC Address”, este parámetro

permite diferenciar a cada nodo para definir los enlaces que se van a crear, es decir

permite direccionar el tráfico. Es importante recalcar que el simulador no necesita que se

determine un protocolo como el TCP/IP, para direccionar los dispositivos, el simulador

evita este proceso de asignar una dirección IP a cada elemento de la red ya que no se

centra en esa configuración, sino que, más importante es el analizar el tráfico que se

genera en la misma. Esto no quiere decir que no se pueda crear una tabla de

17

direccionamiento o que no se pueda configurar direcciones IP en los nodos, todo lo

contrario, el simulador es muy potente y puede configurar parámetros como Dirección

IP, mascara de red, Gw, etc., de forma automática, y para revisarlos basta con

seleccionar la opción de IP en los parámetros a simular como se verá más adelante.

El siguiente parámetro que se debe configurar es la “Destination Address”. Este

parámetro permite especificar hacia que nodo se desea emitir el tráfico, es decir, el nodo

que tiene la “Wireless LAN MAC Address 1” enviará tráfico hacia el nodo que posee la

“Wireless LAN MAC Address 2”

Una vez configurados los parámetros antes descritos la tabla queda de la siguiente

manera:

De la misma forma se configuran los 2 nodos restantes en donde es necesario variar la

“Wireless LAN MAC Address” y la “Destination Address” de acuerdo a lo deseado por

lo que los nodos restantes quedan configurados de la siguiente manera.

Figura 3.8. Parámetros configurados en nodo Sensor, modelo 1


18

A continuación se selecciona las estadísticas a evaluar en la simulación, estas se

seleccionan de modo global y de modo individual.

Para las estadísticas de modo Global se debe hacer clic derecho en cualquier parte del

escenario y seleccionar la opción “Choose individual DES Statistics” luego de lo cual se

despliega la siguiente ventana de donde se debe seleccionar los siguientes items:

Figura 3.9. Parámetros configurados en nodos restantes, modelo 1

(a) (b)

Fig. (a) Parámetros configurados en nodo Controlador

Fig. (b) Parámetros configurados en nodo Actuador


Figura 3.10. Selección de Estadísticas en modo Global


19

Para seleccionar las estadísticas de modo individual se debe dar clic derecho sobre el

nodo a configurar y seleccionar nuevamente la opción “Choose individual DES

Statistics” luego de lo que aparece una ventana en donde se debe seleccionar los

siguientes parámetros.

Lo mismo se aplica para los nodos restantes.

Una vez que se han configurado estos parámetros se configurar el número de eventos y

tiempo de simulación, esto se hace en “DES, Configure/Run Discrete event simulation”

en donde se despliega la siguiente ventana. Para este caso se configura un tiempo de 30

minutos y valores por estadística de 100.

Finalmente una vez que se han configurado todos estos parámetros se procede a iniciar

la simulación mediante el botón de “Run”.

Figura 3.11. Selección de Estadísticas Individuales


Figura 3.12. Configuración de los parámetros de la simulación


20

Para revisar las estadísticas generadas se selecciona “Results Browser”

En la ventana de “Results Browser” se puede ir seleccionando uno a uno los parámetros

que se desea revisar, como por ejemplo los retardos, o el tráfico que se envía y recibe, lo

cual es muy práctico a la hora de evaluar la eficiencia de la red o comparar los nodos

entre sí, estos datos se van graficando al lado derecho de la pantalla de acuerdo al orden

en el que han sido seleccionados.

En la primera gráfica se visualiza el retardo “Delay” generado en la Red de modo

Global. En la segunda gráfica del nodo CLIENTE_1_SENSOR se ve el tráfico enviado

en bits/seg, en la gráfica 3 y 4 del nodo CLIENTE_2_CONTROLADOR se ve el tráfico

Figura 3.13. Ventana del navegador de Resultados


Figura 3.14. Ejemplo del tráfico generado en el modelo 1


21

recibido y enviado en bits/seg respectivamente y en la gráfica 5 se ve el tráfico recibido

por el CLIENTE_3_ACTUADOR en bits/seg.

3.2.2 Modelo 2: Modelo de Red Multimedia en la que interactúa un segmento de

red dedicado a realizar acciones de control (NCS/WCS) con parámetros Ethernet.

Para continuar con el estudio de los WCS se desarrolló el Modelo 2, que se ve en la

figura X. Para entender mejor lo que se desea simular se debe recalcar que el simulador

riverbed OPNET es netamente un simulador de redes de computadoras y que lo que se

ha hecho en el presente proyecto es asimilar el comportamiento de estos equipos como si

fueran los propios de una red de control industrial, esto dado que el principio de los

WCS es que todos los dispositivos que interactúan en la red de control puedan ser

controlados e identificados por medio de tecnología inalámbrica que al momento se

comunica utilizando tecnología Wi-Fi (802.11 a/b/g/n) que utiliza el protocolo de

comunicación TCP/IP.

El protocolo TCP/IP posee características bajo las cuales se rige este proyecto, una de

ellas por ejemplo es que el tamaño mínimo de los paquetes que se transmiten es de 64

Bytes.

Figura 3.15. Modelo de red multimedia


22

La opción que se propone para el estudio de un sistema de control es la arquitectura de

red “Cliente – Servidor” que permite el envío y recepción de datos por medio de un

“request”, esto puede ser programado en el receptor de manera que filtre y separe los

datos que necesita para ejercer el control sobre un dispositivo específico. Esto depende

del proceso que se va a controlar ya que el tiempo de respuesta en los actuadores puede

ser delicado, por lo que si son procesos de control de lenta reacción este método resulta

muy eficiente, pero si ya se habla de procesos de rápida respuesta este método no es lo

suficientemente adecuado por lo que se hace necesario plantear opciones adicionales que

complementen este procedimiento. Una vez definido el uso del protocolo HTTP se

procede con la simulación.

3.2.2.1 Modelo 2: Desarrollo

Para el análisis de la carga de tráfico que contiene un WCS se plantea el uso de distintas

aplicaciones que en este caso son HTTP, DATOS (FTP) y VIDEO, de modo que se

estudie una red Multimedia dentro de la cual la aplicación HTTP simule la carga de

trafico de un procesos de control (WCS). Para la realización de este Modelo se procede

de forma similar al Modelo anterior, pero en la ventana de “Select Tecnologies” se

seleccionan las opciones “Wireless_lan_advance” y “Ethernet” ya que hay

componentes de estos dos tipos de tecnología en la red.

En el caso de los servidores, estos son equipos para los que no es necesaria la utilización

de tecnología inalámbrica, por su función y seguridades estos equipos no suelen poseer

esta característica.

Continuando con la simulación se necesitan los siguientes equipos:

Wlan_ethernet_router_adv

Wlan_wkstn_adv

Ethernet_16_switch_int

Ethernet_server_int

Bloque de Aplication_Configuration

Bloque de Profile_Configuration

23

Para los equipos que no son inalámbricos se utiliza un enlace cableado en estándar “100

Base T”, este se selecciona en la paleta de herramientas dentro de la librería de equipos

Ethernet, y con él se crean los enlaces router - switch y switch - servidor.

Lo más importante en este modelo es configurar las aplicaciones que van a generar

tráfico, esto se hace en el “Bloque de Application Configuration”, que permite

configurar una aplicación en común para un grupo de nodos o estaciones.

Dando clic derecho sobre el bloque mencionado se selecciona Edit Atributes y se

modifica el número de filas a 3 definiendo las aplicaciones VIDEO, DATOS y HTTP.

Figura 3.16. Red del modelo 2


Figura 3.17. Ventana de atributos en el bloque Aplication Configuration


24

Luego de estos se configuran las aplicaciones. Esto se puede realizar rápidamente

seleccionando alguna de las opciones que se presentan por default que usualmente tiene

características para generar una baja, media o alta carga de tráfico en la red, sin

embargo, existe la opción de configurar manualmente los parámetros de la aplicación;

así se fijan los siguientes parámetros:

Una vez creadas las aplicaciones se procede a crear los perfiles que contendrán esas

aplicaciones en el “Bloque de Profile_Configuration”.

Dando clic derecho sobre el bloque mencionado y seleccionando Editar atributos se

despliega la ventana donde se modifica la pestaña “Profile Configuration” donde se

cambia el número de filas a 3 y se le asigna a cada perfil un nombre fácil de identificar,

generalmente relacionado con la aplicación. En este caso se utilizó VID, DAT y HT.

Figura 3.18. Ventanas de configuración de aplicaciones.

Figura (a): Configuración, aplicación de video

Figura (b): Configuración, aplicación de datos

Figura (c): Configuración, aplicación de http


25

Para cada perfil en la pestaña de Application se asigna la aplicación correspondiente

previamente creada, y adicional se configura el tiempo en el que se desea que empiece a

trabajar para lo que se setea en “Start time” un valor constante (0) en los 3 perfiles, esto

quiere decir que las aplicaciones iniciaran desde el instante en que arranque la

simulación.

Luego se configura el Servidor, para lo cual se da clic derecho sobre el mismo y se

selecciona Edit Attributes, donde los parámetros principales a configurar son la “Server

Address” a la que se le puede asignar un nombre que posteriormente será usado para que

los terminales sepan hacia donde destinar su tráfico, en este caso se le asignó el nombre

Figura 3.19. Ventana de atributos en el bloque Profile Configuration


Figura 3.20. Configuración de las aplicaciones dentro de los perfiles


26

SRVR_GEN. El otro parámetro a configurar está en la pestaña “Applications”, dentro de

ésta se configura la opción “Application: Supported Services”.

En la opción “Application: Supported Services” se debe cambiar el número de filas a

tres y asignar las aplicaciones creadas anteriormente.

Ahora se procede con la configuración de los terminales. Para esto, se debe tomar en

cuenta que aplicación es la que va a utilizar cada uno de ellos, por lo que se procede de

la misma forma dando clic derecho sobre el terminal y seleccionando Edit Attributes.

En la pestaña “Applications” se modifica la opción “Application: Destination

Preferences”, se selecciona la aplicación correspondiente ya sea VIDEO, DATOS o

Figura 3.21. Configuración de los atributos del servidor


Figura 3.22. Configuración de los atributos del servidor, supported services


27

HTTP y en la opción “Actual Name” se fija el punto de acceso, en este caso el Servidor

hacia donde se desea que se transmita la información.

Una vez fijados estos valores, se establece que el tráfico generado por el terminal de

VIDEO se destinara hacia el servidor y viceversa. Esto debe realizarse en cada uno de

los terminales de la red, tomando en cuenta que lo que cambia es la aplicación con la

que va a trabajar.

Dado que en la simulación, los terminales y el router son equipos con tecnología

Wireless, hay que configurarlos dentro del mismo segmento de red para que estos

puedan interactuar entre sí. Esto se logra mediante la configuración del BSS Identifier.

Figura 3.23. Configuración de los atributos del servidor, destination preferences


Figura 3.24. Configuración de los atributos del servidor, actual name


28

El BSSI (Basic Service Set Identifier), de una red de área local inalámbrica (WLAN), es

un nombre de identificación único de todos los paquetes de una red inalámbrica para

identificarlos como parte de esa red

Este valor se configura de acuerdo al segmento de red en donde se encuentran los

equipos, si hay más de un segmento, tanto router como equipos deben asumir valores

correspondientes a ese segmento.

Lo mismo se debe configurar en los terminales con la aplicación de DATOS y HTTP,

así como también el router que es inalámbrico.

Una vez configurados todos los parámetros para la simulación se procede a establecer

los datos estadísticos a obtener. Para esto se deben seleccionar los eventos deseados

Figura 3.25. Configuración de BSS Identifier


Figura 3.26. Configuración del router


https://es.wikipedia.org/wiki/Red_de_%C3%A1rea_local_inal%C3%A1mbrica

https://es.wikipedia.org/wiki/Wireless_Local_Area_Network

https://es.wikipedia.org/wiki/Paquete_de_red

https://es.wikipedia.org/wiki/Red_inal%C3%A1mbrica

29

dando clic derecho en cada uno de los nodos y seleccionar la opción “Choose individual

DES Statistics”

Dentro de cada nodo se debe seleccionar los eventos de acuerdo a la aplicación que

maneja. Para el caso del nodo con la aplicación HTTP se debe seleccionar las opciones

“Client Http” y “Wireless Lan”, adicionalmente se puede seleccionar otras opciones

como IP, UDP, etc.

Se procede de forma similar con los otros nodos

Figura 3.27. Datos estadístico en modo individual, (Http)


Figura 3.28. Datos estadístico en modo individual (Datos)


30

Así mismo se deben seleccionar los eventos a simular de forma Global, dando clic

derecho en el escenario de simulación y seleccionando la opción “Choose individual

DES Statistics” donde se deben seleccionar las siguiente opciones:

Figura 3.29. Datos estadístico en modo individual (Video)


Figura 3.30. Datos estadístico en modo global


31

Una vez configurados los eventos a simular se procede a hacer “run” en la simulación,

en la ventana previa se configura el tiempo y número de eventos a simular. Para este

caso se selecciona 10 minutos.

Finalmente se puede revisar la simulación, en donde uno de los aspectos más

importantes es el retardo que se genera en los nodos de acuerdo a la aplicación que

utilizan.

Figura 3.31. Configuración del tiempo de simulación


Figura 3.32. Gráficas del tráfico generado en el modelo 2


32

En la gráfica se ven los retardos generados por cada aplicación en el segmento de

Wireless Lan, en la cual claramente la aplicación que genera más retardos por el

volumen de datos que transmite es la aplicación de Video.

Si se analiza el tráfico que generan esta aplicaciones se puede ver que el trafico más

elevado es el que corresponde a la aplicación de Video, sin embargo se mantiene

cercano a los parámetros normales de trabajo para una transmisión de datos de Video de

baja resolución que es cercano a los 1000 Kbps.

Esto permite evaluar que tan eficiente es una red multimedia en donde existen

aplicaciones de Control (Http), Video y Datos, así como definir los parámetros idóneos

para que una red de este tipo pueda ser implementada.

3.2.3 Modelo 3: Modelos de Red Multimedia

3.2.3.1 Modelo 3 A: Modelo de Red Multimedia en un entorno de Planta Industrial

Para este modelo de Red se plantea los posibles nodos existentes en el entorno de una

planta industrial. La planta se divide en dos zonas completamente distintas que son la

zona de oficinas y la zona de producción, en las que el número de nodos varía de

acuerdo a las necesidades.

Pare este Modelo la Planta se ubica en la ciudad de Quito – Ecuador

Figura 3.33. Gráficas de retardos en el modelo 2


33

En la planta la parte de Producción abarca toda el área donde se realizan procesos de

control, y la parte de Oficinas es donde se realizan acciones administrativas.

En el Modelo 3 se plantea la idea de simular una Planta de fabricación de Autos, por lo

que se determinan tres procesos principales: Ensamblaje, Pintura y Test. Adicional en

Oficinas se crea el segmento de red Administrativo.

Para determinar cuántos nodos con sus respectivas aplicaciones se deben utilizar en cada

uno de estos segmentos de la red se crea la Tabla 2.

Figura 3.34. Ventana del entorno de simulación del modelo 3


Figura 3.35. Red del modelo 3a


34

Tabla 3.1. Número de nodos de acuerdo a su aplicación

MODELO3 VIDEO DATOS HTTP # TOTAL EN LINEA

ENSAMBLAJE 2 3 18 23

PINTURA 4 3 15 22

TEST 1 4 12 17

ADMIN 3 6 0 9

# TOTAL EN APP 10 16 45 71


Con los datos de la tabla se arma la red con los elementos que anteriormente se

utilizaron en el Modelo 2:

Wlan_ethernet_router_adv

Wlan_wkstn_adv

Ethernet_16_switch_int

Ethernet_server_int

Bloque de Aplication_Configuration

Bloque de Profile_Configuration

Cada segmento de red queda definido como se ve a continuación:

Ensamblaje

Figura 3.36. Segmento de red de ensamblaje


35

Pintura

Test

Administrativo

Figura 3.37. Segmento de red de Pintura


Figura 3.38. Segmento de red de Test


Figura 3.39. Segmento de red Administrativo


36

Como se puede observar en cada proceso se cuenta con un número determinado de

nodos y su respectivo router, posteriormente este router se conecta un switch que los

concentra y los enlaza con un Servidor general, que transmite información a toda la red

y que por ende maneja las Aplicaciones de Http, Video y Datos.

Las configuraciones de red del Modelo 3 son idénticas a las configuraciones del Modelo

2, sin embargo el cambio notable es el número de nodos que interactúan en la red, lo que

origina considerables diferencias en el tráfico que se va a generar para cada aplicación.

Figura 3.40. Aplicaciones del modelo 3a


Figura 3.41. Perfiles del modelo 3a


37

Una vez realizadas las configuraciones pertinentes de Aplicaciones, Perfiles, Enlaces y

Eventos estadísticos, se puede ejecutar la simulación.

Para el Modelo 3a se configura un tiempo de simulación de 3 minutos, ya que el alto

número de nodos hace que se genere un alto número de eventos, por lo que hacer una

simulación más larga resulta imposible, esto sucede ya que tratándose de la versión

académica del Software OPNET el número de eventos estadísticos se limita a 50

millones.

Una vez configurado esto se da “run” y se espera a que termine la simulación.

Una vez que se obtienen los datos se puede comparar el tráfico en cada una de las

aplicaciones a manera global.

Figura 3.42. Ejecución de la simulación


Figura 3.43. Gráficas del tráfico generado en el modelo 3a


38

El análisis de estas graficas permitirá definir la eficiencia de la red y el comportamiento

del tráfico de control de los WCS en una red multimedia.

3.2.3.2 Modelo 3 B: Simulación de un modelo de Red Multimedia en un entorno de

Planta Industrial con variaciones en tráfico de acuerdo a horas laborales.

Dentro de una red se debe tomar en cuenta eventos o situaciones que pueden generar una

mayor carga de tráfico, en un inicio se propone el funcionamiento de la planta durante

las 24 horas del día, sin embargo no todas las áreas de la Planta trabajan continua e

ininterrumpidamente, por ende el consumo de recursos de la red debe variar de acuerdo

a un horario.

Dado que no se puede generar una simulación en un lapso mayor a 3 minutos, (como se

explicó anteriormente en el Modelo 3 a) se plantea realizar una simulación de 2 minutos,

en la cual se asignan 5 segundos para representar cada hora del día, es decir:

5 𝑠𝑒𝑔 = 1 ℎ𝑜𝑟𝑎

24 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 = 120 𝑠𝑒𝑔 = 2 𝑚𝑖𝑛

Para el análisis de este ejemplo se proponen los datos fijados en la Tabla 3, que indica

los intervalos a configurar en las diferentes aplicaciones.

Figura 3.44. Red del modelo 3b


39

Tabla 3.2. Escala de conversión de horas a segundos

ESCALA DE CONVERSION DE HORAS A SEGUNDOS DENTRO DE LA SIMULACIÓN

MADRUGADA MAÑANA TARDE NOCHE

INTERVALO 00:00 - 07:00 07:00 - 12:00 12:00 - 18:00 18:00 24:00

# DE HORAS 7 5 6 6

JORNADA (seg) 0 – 35 35 - 60 60 - 90 90 - 120


En la Tabla 3, se analiza los intervalos de trabajo en la Planta, y se convierte el número

de horas a segundo, es decir los 120 segundos de la simulación equivalen a las 24 horas.

Una vez definidos los espacios de tiempo se procede a analizar en cuál de estos espacios

trabajaran las diferentes aplicaciones, para lo cual se realiza la Tabla 4.

Tabla 3.3. Intervalos de trabajo en las aplicaciones

INTERVALOS DE TRABAJO PARA LAS APLICACIONES

MADRUGADA MAÑANA TARDE NOCHE

INTERVALOS (seg) 0 - 35 35 - 60 60 - 90 90 - 120

# DE HORAS 7 5 6 6

HTTP SI SI SI SI

VIDEO NO SI SI NO

DATOS NO SI NO NO


En la Tabla 4, de acuerdo a lo analizado se puede diferenciar que aplicaciones trabajaran

durante todo el día o solo en determinadas horas, esto se logra estableciendo el uso de

aplicaciones de acuerdo a necesidades de una planta. Así se obtiene los valores de la

Tabla 5:

Tabla 3.4. Asignación de tiempos en la simulación

ASIGNACION DE TIEMPOS DE SIMULACIÓN

# HORAS INTERVALO (seg) DURACIÓN (seg)

HTTP 24 0 -120 120

VIDEO 11 35 - 90 55

DATOS 5 35 - 60 25 Elaborado por: Alex Bonilla

40

En la Tabla 5 se puede reconocer los intervalos de tiempo a configurar en la simulación

con los cuales trabajarán las respectivas aplicaciones.

Una vez definidos los intervalos de tiempo para las aplicaciones se procede a

configurarlos en la simulación. Esto se lo hace en el “Bloque de Profile_Configuration”

en la pestaña de “Profile Configuration” se cuenta con los perfiles creados para las

aplicaciones de Video, Datos y Http respectivamente.

Desplegando las pestañas para cada aplicación hay que configurar las siguientes

opciones:

- Start time Offset (seconds): Esta opción permite configurar cuando comienza a

generarse tráfico en la aplicación, así que se selecciona un valor “constant (n)”

donde n es el instante (en segundos) en que arranca el flujo de tráfico de acuerdo

a la tabla anterior.

- Duration (seconds): En esta opción se determina cuanto tiempo va a durar ese

flujo de tráfico y también se configura con la opción “constant (t)” donde t es el

tiempo de duración del flujo de tráfico definido en la tabla anterior.

Hay que tomar en cuenta que estos parámetros se pueden configurar tanto en la

aplicación como en el perfil.

Una vez configuradas las aplicaciones, los valores quedan de la siguiente forma:

Figura 3.45. Aplicaciones asignadas a los perfiles del modelo 3b


41

El resto de parámetros a configurar quedan iguales al Modelo 3 a.

Previo a ejecutar la simulación, se debe verificar que el tiempo de simulación

corresponda a 2 minutos. Una vez terminada la simulación se puede confirmar el flujo

de tráfico de acuerdo a los intervalos configurados anteriormente, como se ve en la

Figura 3.48.

Figura 3.46. Intervalos de tiempo en la aplicación de video


Figura 3.47. Intervalos de tiempo en la aplicaciones

Figura (a): Intervalos de tiempo en la aplicación de datos

Figura (b): Intervalos de tiempo en la aplicación de http


Figura 3.48. Gráficas del tráfico generado en el modelo 3b


42

De la misma forma si se toman las señales anteriores y se las mide en un solo gráfico se

puede ver como el tráfico se genera en los intervalos de tiempo definidos. Figura 3.49.

3.3 Monitoreo de una red real con características de tráfico similares a las

simuladas, mediante el uso del Software PRTG

El Software PRTG permite el monitoreo de una red para evaluar su rendimiento. Es así

que permite revisar el tráfico que genera un nodo, y las características del mismo.

Para realizar la comparativa con el presente proyecto se configuro tres nodos en una red

doméstica que simularan el tráfico de las aplicaciones desarrolladas en el proyecto

mediante OPNET.

Para simular estos nodos se utilizó:

- Tráfico de Video: Un Pc que está descargando videos.

- Tráfico de Datos: Un Pc que navega en internet

- Tráfico de (Control) Http: Un Arduino UNO con módulo Ethernet configurado

para desplegar una página web con un tamaño fijo de 29 Bytes.

PRTG se encarga de monitorear la red mediante el uso de sensores, el utilizado en este

análisis ya que se basa en navegación de internet es el sensor Http avanzado.

Figura 3.49. Gráficas unificadas del tráfico generado en el modelo 3b


43

“El sensor HTTP avanzado supervisa el código fuente de una página web mediante el

protocolo de transferencia de hipertexto (HTTP).

- El sensor puede mostrar lo siguiente:

- Tiempo de carga

- Bytes recibidos

- Descargar ancho de banda (velocidad)

- Tiempo hasta el primer byte”

(https://prtg.paessler.com/help/http_advanced_sensor.htm)

Así se crean los nodos Arduino HTTP, Video – PC y Datos - PC con sus respectivos

sensores en la plantilla de Dispositivos del Software PRTG.

Una vez configurados y añadidos los sensores respectivos se puede revisar los eventos

monitoreados en los datos históricos de forma gráfica y numérica.

Figura 3.50. Ventana de dispositivos en la red monitoreados por PRTG


44

Monitoreo del tráfico de Http en el módulo Arduino

Como se puede ver en la gráfica de la Figura 65, el Ancho de Banda de descarga oscila

entre los 15 y los 232 Kbps como se ve en las unidades del lado derecho, esta oscilación

se da ya que están interactuando otros nodos que también consumen ancho de banda,

mientras que en la tabla de datos se puede ver que los bytes recibidos mantienen un

valor constante de 29 Bytes que se configuraron en Arduino para simular el tráfico del

segmento de la red de control.

Monitoreo del tráfico de Datos

Figura 3.51. Gráfica del tráfico de http monitoreados por PRTG


Figura 3.52. Gráfica del tráfico de la aplicación datos monitoreados por PRTG


45

Como se puede ver en la gráfica de la aplicación Datos, el Ancho de Banda de descarga

oscila entre los 10 y los 22 Kbps y los Bytes recibidos mantiene un valor constante de

1606 Bytes.

Tráfico de Video

Como se puede ver en la gráfica el Ancho de Banda de descarga para Video oscila entre

los 373 y los 729 Kbps, y en los Bytes recibidos se mantiene un valor de 44.450 Bytes

que varía levemente en cada muestra, debido a que al tratarse de una aplicación de video

el tiempo de carga y descarga varía, dependiendo del tráfico generado por otras

aplicaciones que exista en la red que también consuman recursos de la misma.

Estos datos permiten analizar el tráfico que se genera en cada nodo, adicional se pude

ver el consumo del ancho de banda de cada uno de uno de ellos que en las gráficas es la

línea en color azul.

Figura 3.53. Gráfica del tráfico de video monitoreados por PRTG


46

CAPÍTULO 4

PRUEBAS Y RESULTADOS

4.1 Análisis del Modelo1: Modelo básico de Red de Control

En este ejemplo se determina el flujo del tráfico que se origina desde un Sensor a un

controlador y que luego se transmite a un Actuador.

En la gráfica se observa el tráfico que envía el Sensor y que a su vez recibe el

Controlador, como es lógico las gráficas son similares, ya que lo que envía el Nodo 1 es

lo que recibe el Nodo 2, así también se puede revisar el siguiente salto en donde el

controlador envía trafico al actuador y la gráfica debe tener las mismas características.

Esto se debe a que al configurar el tipo de tráfico que se desea generar se determinó un

valor específico para todos los elementos de la red, por lo tanto, los datos varían de

forma imperceptible puesto que puede haber pérdidas o retardos que el simulador genera

aleatoriamente. Sin embargo tratándose de un volumen de datos sumamente reducido

estos eventos no se originan con facilidad, por lo que las gráficas del tráfico

prácticamente no cambian para ninguno de los Nodos.

Cabe recalcar que si hay variación en la medición de los bits transmitidos, se debe a que

al configurar el tipo de tráfico se determinó que se genere tráfico de tamaño aleatorio.

Figura 4.1. Gráfica del trafico enviado y recibido del modelo 1


47

4.2 Análisis del Modelo 2: Modelo básico de Red de Control

En el modelo 2 se configuró un modelo de red sencillo en el que interactúan 3

aplicaciones, video, datos y http que es la aplicación en la red donde se realiza Control

de procesos. La red se compone de elementos Wireless, en este caso los terminales que

manejan las aplicaciones y elementos cableados, estos últimos son precisamente el

servidor, que en la realidad por conceptos de seguridades no puede ser un elemento

Wireless y el switch que usualmente es un dispositivo cableado.

Dados estos parámetros, se tiene un segmento de Wireless Lan y otro Ethernet, por lo

que en ellos se pueden evaluar los retardos (delay).

Como se puede ver en las gráficas y como es lógico suponer, el retardo en el tramo de

Wireless Lan es muy superior al tramo de Ethernet, aun así hay que tomar en cuenta que

el retardo máximo en la red es de 5 ms. Sin embargo el retardo es un factor importante

ya que para las aplicaciones de Datos y Http que son las que tienen un volumen de datos

pequeño y que no manejan procesos de rápida respuesta este tiempo de retardo es

aceptable. Por otra parte la aplicación de Video es más sensible y tiene un parámetro que

es el retardo máximo permitido de 150 ms, por lo que siempre que no se supere este

parámetro la red será eficiente.

Figura 4.2. Gráfica de retardos en el modelo 2


48

Estos datos corresponden claramente al tráfico generado por las aplicaciones como se ve

a continuación en la Figura 4.4.

4.3 Análisis del Modelo 3

El modelo 3 se planteó de forma que permita describir gradualmente la configuración

que se estableció para el modelo de NCS/WCS en el entorno de una planta industrial.

En la planta se maneja una red multimedia con un número determinado de usuarios para

cada ampliación, definidas anteriormente como Video, Datos y Http. Estas aplicaciones

trabajan en determinados intervalos de tiempo que se definieron con una aproximación a

Figura 4.3. Gráfica de los retardos en cada aplicación del modelo 2


Figura 4.4. Gráfica de tráfico generado en cada aplicación del modelo 2


49

las horas laborales que aplican en la realidad con la relación de que 5 segundos

equivalen a 1 hora.

De forma similar al modelo 2 se pueden evaluar los retardos en la red de forma general

en el tramo Wireless Lan y el tramo Ethernet.

Nuevamente es lógico que en Wireless Lan el retardo sea mayor que en Ethernet, sin

embargo hay que destacar que para este modelo el tiempo máximo del retardo es de 13

ms, lo que quiere decir que con los valores configurados se tiene una red de

comportamiento eficiente para las aplicaciones configuradas ya que no sobrepasa el

retardo máximo permitido en video de 150 ms.

Ahora se analiza el tráfico generado en la red.

Figura 4.5. Gráfica de retardos en el modelo 3


Figura 4.6. Gráfica de tráfico generado en cada aplicación del modelo 3


50

Lo primero que se puede destacar es que el tráfico enviado que se genera de acuerdo a

los intervalos de tiempo que se configuraron. Si se comparan las gráficas de las tres

aplicaciones resalta el elevado tráfico que genera la aplicación de Video versus el tráfico

de FTP y Http que prácticamente es imperceptible. Por ende se puede decir que el mayor

consumo y retardos se darán en el intervalo de tiempo en el que trabaja la aplicación de

Video.

Estas aplicaciones se configuraron con parámetros de tráfico bajos.

Se puede analizar el Throughput para determinar cuánto ancho de banda consumen estas

aplicaciones.

En la figura se ve que el Throughput varía dependiendo de los intervalos de tiempo en

los cuales trabajan las aplicaciones. Para una medición estimada del ancho de banda que

Figura 4.7. Gráfica de tráfico generado en intervalos de tiempo


Figura 4.8. Gráfica del throughput en el modelo 3


51

se consume se utiliza la gráfica del Throughput en valor promedio. El ancho de Banda se

puede calcular utilizando la siguiente formula:

𝐵𝑊 = 𝐺 ∗ 𝐶 (4.1)

Donde:

- BW: Es el ancho de banda teórico del “enlace más lento”

- G: Es el consumo del ancho de banda garantizado por usuario, medido en Kbps

- C: Concurrencia del usuario (el 30% del total aproximadamente) (Acosta, 2016)

Se toman los valores obtenidos de la Figura 73, donde se ve el consumo de las

aplicaciones solo en los datos enviados. Se toma en cuenta que el Throughput recoge los

valores de los datos enviado, recibido, perdidos, etc. Y que se manejan tres aplicaciones

por lo que el consumo del BW garantizado por usuario será diferente dependiendo de la

aplicación.

- Video: 3000 Kbps

- Datos: 300 Kbps

- Http: 40 Kbps

Con los datos de la Tabla 2 se puede determinar el dato de la concurrencia de usuarios,

que como se explico es el 30% del total de usuarios en este caso por aplicación.

- Video: 4 usuarios

- Datos: 6 usuarios

- Http: 15 usuarios

Aplicando la formula antes mencionada se obtienen los siguientes valores

- BW Video: 12000 Kbps

- BW Datos: 1800 Kbps

- BW Http: 600 Kbps

52

Estos datos originan un consumo de ancho de banda total de 14400 Kbps

aproximadamente.

14400 𝐾𝑏𝑝𝑠 = 14.5 𝑀𝑏𝑝𝑠

Y de acuerdo con la gráfica del Throughput se requieren 14 Mbps, por lo que los datos

son aproximados

Otra forma de verificar si la red funciona adecuadamente es utilizando los datos de

“Paquet Delay Variation” que mide la variación del retardo en paquetes consecutivos, es

decir el tiempo que se demora en llegar un paquete tras de otro. Si este valor es

constante a pesar del tráfico generado por otras aplicaciones, la red se mantiene de forma

efectiva proporcionando los servicios para los que fue diseñada sin problemas.

Para comparar como afecta el tráfico generado por las aplicaciones en la red se

configuran ahora las aplicaciones de Ftp y Http con parámetros bajos, esto dado que la

aplicación con el tráfico más sensible a variaciones es la aplicación de Video.

Figura 4.9. Gráfica de variación de retardo en paquetes en el modelo 3


Figura 4.10. Variación en la configuración de datos y http


53

Como se puede ver, al cambiar el parámetro de calidad de Video por una de tipo HD, el

retardo que genera este tráfico aumento considerablemente, sin embargo aún se

mantiene bajo los 13 ms.

De la misma forma el tráfico enviado en Video se disparó a los 6.3 MB/seg en

comparación al caso anterior de 2 MB/seg.

Ahora, analizando la gráfica de “Paquet Delay Variation” se puede ver que aunque hay

flujo de tráfico aparentemente normal, la entrega de los paquetes de video sufre retardos

considerables sobre todo en el momento que también hay tráfico de la aplicación de

Datos en la red.

Figura 4.11. Variación en retardo con tráfico de video más pesado


Figura 4.12. Variación del tráfico de video


54

Así mismo se revisa el Throughput se nota claramente que el tráfico generado se ha

duplicado en comparación al caso anterior.

De la misma forma al caso anterior para determinar el BW usado se utiliza nuevamente

la gráfica del Throughput en valores promedio. Bastaría con analizar la gráfica y

determinar parámetros sobredimensionando la red, es decir, con sus parámetros más

altos de consumo. Por otro lado se puede calcular un estimado utilizando la tasa de

transferencia.

Así, se toman los valores obtenidos de la figura del Throughput y se obtiene la ecuación:

𝐵𝑊 = 𝐺 ∗ 𝐶 (4.2)

Figura 4.13. Variación del retardo de paquetes con un tráfico de video más pesado


Figura 4.14. Variación del throughput


55

El BW que se consume por las aplicaciones configurando de tal manera que los

parámetros de las aplicaciones de Datos y Http generan un tráfico bajo, mientras que la

aplicación de Video está configurada para generar un tráfico pesado de Video en Alta

definición es de 30 Mbps.

4.4 Comparativa de la Simulación con los datos obtenidos en PRTG

Básicamente la simulación en OPNET puede asimilarse a los datos obtenidos en PRTG

de modo que se puedan comparar los datos que transmiten las diferentes aplicaciones en

la simulación de modo virtual y los datos obtenidos del monitoreo en modo real.

Para realizar la comparativa se tomó como referencia la gráfica del tráfico enviado del

Modelo 2 que tiene configurado un solo nodo (usuario) por aplicación ya que en la

implementación que se realizó para monitorear una red de características similares con

PRTG se configuraron el mismo número de nodos.

Obteniendo los siguientes datos:

Figura 4.15. Gráfica del tráfico enviado en las aplicaciones del modelo 3


56

Comparación de las gráficas del tráfico de la aplicación Http.

Comparando las gráficas de la simulación y de la implementación para la aplicación de

Http, se puede ver como el tráfico que fluye a través de la red es bajo, por el orden de los

5 a 10 Kbps en la simulación, y por los 50 a 230 Kbps en la implementación con

Arduino.

Comparación de las gráficas del tráfico de la aplicación Datos

Figura 4.16. Comparación de gráficas de http en OPNET y PRTG


Figura 4.17. Comparación de gráficas de datos en OPNET y PRTG


57


Datos, se puede ver como el tráfico que fluye a través de la red es bajo, por el orden de

los 15 Kbps en la simulación, y por los 8 a 20 Kbps en la implementación con un

computador

Comparación de las gráficas del tráfico de la aplicación de video


Video, se puede ver como el tráfico que fluye a través de la red es el más alto y por ende

el que más consume, está en el orden de los 170 Kbps en la simulación ya que se

configuro como un terminal con una calidad de video baja; y por los 420 a 700 Kbps en

la implementación con un computador dado que navega en internet usando la plataforma

YouTube, en donde los videos se configuran a un tipo de descarga de video con calidad

estándar.

Figura 4.18. Comparación de gráficas de video en OPNET y PRTG


58

CONCLUSIONES

En la actualidad los NCS y los WCS se encuentran parcialmente desarrollados, ya que

los estudios teóricos de tráfico demuestran que las redes de este tipo son viables

dependiendo del proceso para el cual sean aplicadas, esto sucede ya que aún no se

cuenta con dispositivos tecnológicos lo suficientemente eficientes en relación a retardos

y conectividad, de tal manera que dificultan los procesos de control de rápida respuesta.

El tráfico que se genera en una red de Control Industrial difiere mucho del tráfico de una

red de información habitual, de ahí que existen varios protocolos tanto para las redes de

control como para las convencionales, sin embargo la tendencia y el desarrollo del

internet y de nuevas tecnologías apunta a una conexión global en donde todos los

dispositivos que usan redes se puedan conectar entre sí, la idea es crear un camino

común para todos los dispositivos electrónicos y permitir que estos interactúen entre sí

de tal manera que para el usuario sea sencillo acceder a cualquier tipo de información y

desde cualquier lugar.

Mediante el uso del simulador de redes OPNET se simulo el comportamiento de una red

que contiene un segmento dedicado al control de procesos productivos (red industrial)

bajo los parámetros que rigen a las redes típicas de información (protocolos TCP/IP),

analizando el tráfico que fluye a través de la red con un consumo de ancho de banda

equivalente a 14 Mbps que encaja dentro de los parámetros de mercado aunque con

costos elevados, se concluye que es factible implementar la red contando con los

dispositivos de control adecuados, actualmente esta es una limitante ya que la tecnología

para trabajar en este tipo de aplicaciones se encuentran en desarrollo y son pocos

equipos los que se comercializan, por ese motivo los WCS y NCS se usan para

aplicaciones de lenta respuesta como monitoreos en donde las variables cambian en

tiempos prolongados.

Una forma de comparar los datos obtenidos en la simulación con OPNET, es mediante el

uso del Software PRTG que permite monitorear el tráfico de redes. Para esto, se

implementó una red configurada con parámetros similares a los de la simulación y

59

aunque los datos obtenidos de ambos programas no son idénticos, si son muy similares.

Por medio de la comparativa se puede determinar valores referentes de BW y por medio

de aproximaciones definir la capacidad que debe tener la red. Cabe mencionar que una

simulación nunca va a ser exacta a la realidad, pero sí muy semejantes.

60

RECOMENDACIONES

En la actualidad la implementación de los WCS y NCS tienen que realizarse

conjuntamente con métodos de control que ayuden a evitar complicaciones en la

transición de información. Métodos como lógica difusa, algoritmos predictivos,

estrategias de control de fallas y de tolerancia a fallos ya que el control de procesos

productivo necesita que se garantice la fiabilidad de la red, sobre todo si los procesos de

que se desean controlar son de rápida respuesta.

En el simulador Riverbed OPNET resultar imposible configurar todos los parámetros

propios de los dispositivos de una red de control industrial como PLC’s, sensores y

actuadores, ya que son equipos muy distintos a los de las redes de información y emiten

información de tamaños muy bajos, por lo que se debe buscar la forma de emular el

comportamiento del tráfico que pueden generar estos equipos.

61

REFERENCIAS

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estructuras de control. Valencia: Universidad Politécnica de Valencia.

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Videos/EDW-Pigments

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Madrid: Departamento de electrónica UNEXPO.

Dormido, S., Sánchez, J., & Kofman, E. (2008). Muestreo, control y comunicación

basada en eventos. España: Comite Español de Automática(C.E.A.).

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NCS. The University of Arizona, Tucson, AZ, USA

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Salt, J., Casanova, A., & Piza, R. (2008). Sistema de control basados en Red Modelado

y Diseño de Estructuras de Control. España: Revista Iberoamericana de

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62

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http://es.slideshare.net/marceloolycaceres/aplicaciones-neumaticas-para-la-

automatizacion-de-la-industria-1

Th. Arampatzis T.A., J. Lygeros, J.L. (2005). A Survey of Applications of Wireless

Sensors and Wireless Sensor Networks. Mediterranean Conference on Control

and Automation Limassol, Cyprus, June 27-29, 2005

Universidad Pública de Navarra (s.f.) Arquitectura de Redes, Sistemas y Servicios.

Recuperado el 20 Agosto de 2015 en http://www.tlm.unavarra.es

Walter Romero Kanashiro. W.R. (2013). Redes inalámbricas y simulación de WLAN

mediante OPNET. Recuperado el 25 de Septiembre del 2015 en

http://openaccess.uoc.edu/webapps/o2/bitstream/10609/18261/8/wromeroPFC01

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W. P. M. H. Heemels W.H. & J. H. Sandee J.S. & P. P. J. Van Den Bosch P.V. (2008).

Analysis of event-driven controllers for linear systems. Dept. of Mechanical

Engineering, Technische Universiteit Eindhoven, Control System Technology

Group, P.O. Box 513, 5600 MB Eindhoven, The Netherlands

Zheng, L., & Yang., H. (2012). Unlocking the Power of OPNET Modeler. Cambridge:

Cambridge University Press.

63

ANEXOS

i

Figura A1. Pantalla de inicio de OPNET Modeler


ANEXO 1. Software OPNET para la simulación de un entorno de red

El software OPNET Modeler “Academic Edition” de la empresa Riverbed es un

simulador híbrido, que se basa en la simulación de eventos discretos combinados con un

modelos analíticos (modelos matemáticos). Posee gran cantidad de librerías que le

permiten modelar protocolos, componentes (equipos – marcas) y comportamiento de

redes.

La versión de Software que se utilizó para la realización del presente proyecto es la

versión académica, que se puede obtener de forma gratuita en la página oficial de

Riverbed. Como característica adicional en la versión completa que se utiliza a nivel

empresarial o profesional, se permite el acceso al código fuente de las librerías y

modelos, lo que permite desarrollar nuevos protocolos o aplicaciones.

Sin embargo al tratarse de la simulación de una red multimedia en la que interactúa un

segmento de control industrial no se abordan temas tan profundos en la configuración de

la red y más bien se resaltan aspectos básicos pero esenciales.

ii

ANEXO 2. Configuraciones Iniciales del Software OPNET

Una vez instalado el Software se procede a explorar su ambiente de trabajo. Ya en la

ventana principal como se ve en la Fig. A1 se procede a seleccionar File/New/Project,

luego de lo cual se desplegará la siguiente ventana:

Donde se configura el nombre del proyecto y el nombre del escenario sobre el que se va

a trabajar.

Se continua con la ayuda del asistente de creación de proyectos para más facilidad y se

selecciona la opción “Create empty scenario”, se selecciona next y se pasa a la ventana

de “Choose Network Scale” donde se determina el tamaño o espacio físico que va a

tener la red. Ya que el simulador permite diseñar redes a gran escala así como ejemplos

de redes básicas, para este trabajo de simulación se utiliza la opción “Office”, que es

para un entorno de oficina.

Figura A2. Pantalla de Nuevo proyecto


Figura A3. Pantalla de Choose Network Scale


iii

Se da clic en siguiente y se despliega la ventana de “Specify Size”, donde se determina

que tamaño va a tener el espacio del entorno de simulación, esto es importante ya que de

ello depende la cuadricula o grilla que se genera en la ventana de la simulación.

Para este caso se deja los valores por default de 100x100 m.

En la siguiente ventana de “Select Tecnologies” se procede a seleccionar el tipo de

tecnología con la que se va a trabajar en la simulación, como se puede revisar la gama de

equipos que se pueden utilizar es amplia y están clasificados de acuerdo a la aplicación

que se desee realizar. Siendo el caso de la simulación de una red Wireless se selecciona

la opción “Wireless_lan_advance” que es la que contiene gran cantidad de dispositivos

Wi-Fi como se verá más adelante.

Figura A4. Ventana de Specify Size


Figura A5. Ventana de Select Tecnologies


iv

La siguiente ventana que se despliega es la ventana de “Review” donde se despliegan

los datos de todas las opciones seleccionadas para la simulación, si estos son correctos se

puede finalizar el asistente y se genera el entorno del proyecto.

Al cabo de unos minutos se despliega la venta con el “escenario” del proyecto y

adicional la paleta con los elementos propios del grupo de “Wireless_lan_adv” que se

utilizaran para el diseño de la red.

Figura A6. Ventana de Review


Figura A7. Select Tecnologies


v

ANEXO 3. Software PRTG para el monitoreo de redes.

PRTG Network Monitor es un Software desarrollado por la empresa PAESSLER que

permite el monitoreo de redes con una gran cantidad de herramientas que detectan

problemas y ayudan a mejoras la calidad de servicio. Permite monitorear el consumo de

ancho de banda, lo que ayuda a determinar nodos específicos que pueden generar

problemas a toda la red.

En el presente proyecto se pretende utilizar el Software PRTG de Monitoreo de Red para

analizar el consumo de los recursos de una red en la transmisión de información con

diferentes características, como video, datos o http.

El software de fácil instalación en cualquier PC, permite añadir los dispositivos que

estén conectados a la misma red y monitorearlos por medio de sensores como por

ejemplo un “ping” o “http”, lo que permite determinar las características de la

Figura A8. PRTG


Figura A9. Pantalla inicial de PRTG


vi

aplicación que está ejecutando ese nodo en ese momento. Así también cuenta con un

historial ubicado al lado derecho de la pantalla en donde se determina el tráfico que está

generando ese dispositivo desde que se comenzó a sensar.

ANEXO 4. Modulo Arduino y Programación del mismo

“Arduino es una plataforma electrónica de código abierto basada en hardware y

software fáciles de usar. Está pensado para cualquier persona que haga proyectos

interactivos.” (Arduino, 2011).

Programación:

#include <SPI.h>

#include <Ethernet.h>

// Enter a MAC address and IP address for your controller below.

// The IP address will be dependent on your local network:

byte mac[] = {

0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED

};

IPAddress ip(192, 168, 0, 180);

// Initialize the Ethernet server library

// with the IP address and port you want to use

// (port 80 is default for HTTP):

EthernetServer server(80);

void setup() {

// Open serial communications and wait for port to open:

Serial.begin(9600);

// start the Ethernet connection and the server:

Ethernet.begin(mac, ip);

server.begin();

}

void loop() {

// listen for incoming clients

EthernetClient client = server.available();

if (client) {

// an http request ends with a blank line

boolean currentLineIsBlank = true;

while (client.connected()) {

if (client.available()) {

char c = client.read();

// if you've gotten to the end of the line (received a newline

// character) and the line is blank, the http request has ended,

// so you can send a reply

vii

if (c == '\n' && currentLineIsBlank) {

// send a standard http response header

client.println("HTTP/1.1 200 OK");

client.println("Content-Type: text/html");

client.println("Connection: close"); // the connection will be closed after completion of the response

//client.println("Refresh: 5"); // refresh the page automatically every 5 sec

client.println();

client.println("<html>");

// output the value of each analog input pin

client.println("hola mundo");

client.println("</html>");

break;

}

if (c == '\n') {

// you're starting a new line

currentLineIsBlank = true;

}

else if (c != '\r') {

// you've gotten a character on the current line

currentLineIsBlank = false;

} } }

// give the web browser time to receive the data

delay(1);

// close the connection:

client.stop();

} }

universidad politÉcnica salesiana sede …dspace.ups.edu.ec/bitstream/123456789/14036/1/ups -...

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