trabajo - Ente Provincial de Energía del Neuquén

TRABAJO
Título
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TELEPROCESOS MEDIANTE REDES CELULARES 2.5G/3G
Nº de Registro (Resumen)
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Empresa o Entidad
ENTE PROVINCIAL DE ENERGÍA DEL NEUQUÉN (EPEN)
Nombre
Rubén Edgardo Gómez
Autores del Trabajo
País
Argentina
e-mail
rgomez@epen.gov.ar
Octavio Javier Martinez
Argentina
omartinez@epen.gov.ar
Palabras Clave
Celular - Teleprocesos – Telecomunicaciones – SCADA - GPRS
Resumen
El presente trabajo describe lineamientos generales para
aprovechar de la mejor manera posible en una empresa
de distribución de energía eléctrica, las prestaciones de
las recientes tecnologías celulares de segunda ½ y
tercera generación (2.5G y 3G). Se toman en cuenta los
avances recientes, las disponibilidades de mercado y los
aspectos de seguridad y confiabilidad.
Las redes de telecomunicaciones celulares 2.5G/3G con
sus capacidades para transmisión de datos vienen
permitiendo satisfacer diferentes requerimientos de
telecomunicaciones que pudieran escapar al alcance de
la infraestructura de red propia de las empresas
distribuidoras.
La capacidad inherente de estas redes para gestionar
telecomunicaciones en movimiento también brinda
oportunidad para nuevas prestaciones posibles, como
por ejemplo satisfacer comunicaciones de datos móviles
o eventuales, como el intercambio entre las cuadrillas
en campo con oficinas técnicas o comerciales en sede
central.
Como un complemento de los sistemas actuales de
telecomunicaciones para teleproceso utilizados por el
E.P.E.N. se estudió la utilización de la tecnología
celular para transmitir datos, en especial las
denominadas “GPRS” y “EDGE”, con mucha mayor
cobertura geográfica que la aun incipiente “banda ancha
móvil” (3G).
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Una disponibilidad no mayor a un 98%; el acceso
público a la red celular y el tránsito de las señales por
la Internet introducen riesgo de vulneración de la
privacidad de los datos que debe ser tenida en cuenta y
minimizada o mitigada según el caso. Esto
compromete la seguridad del telecomando de
elementos críticos a través de este medio.
Introducción
La progresiva implantación de las tecnologías de
conmutación de paquetes sobre redes celulares de
tecnología GPRS/EDGE/UMTS/etc. viene trayendo
consigo una alternativa de complementación -aunque
no de suplantación- de los medios usuales de
telecomunicaciones para las empresas de distribución
de energía eléctrica.
Dichas empresas pueden servirse de estas tecnologías
no sólo para las comunicaciones telefónicas móviles,
sino además para la telemetría (medición remota de
magnitudes eléctricas y/o físicas), telecomando
(accionamiento a distancia) y telesupervisión
(monitoreo remoto de alarmas, eventos, etc.) y otras
aplicaciones. Por ejemplo:
- Realizar teleprocesamiento con equipos dispersos
en la red eléctrica, como recolectores de datos y/o
medidores.
- Realizar teleprocesamiento sobre equipos en una
geografía dispersa, como medidores de potencial
eólico; hidráulico; climático; etc.
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-
-
Acceder a distancia a medidores eléctricos de
ubicación remota, ya sea para recuperar la
información registrada o cambiar su configuración.
Telelectura de medidores de energía domiciliaria,
posibilitando hacerlo en diferentes períodos diarios
que permitan nuevas clases de tarifación y
orientación de la demanda.
Implementar teleavisos de ocurrencia esporádica
de eventos en condiciones de observación.
Monitoreo remoto de Videocámaras fijas o
móviles.
Disponer vínculos de respaldo (backup) de
comunicaciones principales con equipos.
La transferencia de datos bajo estas tecnologías se
abona por volumen de información transmitida (en kilo
o mega bytes), en contraste con la comunicación a
través de conmutación de circuitos tradicionales la cual
se factura por minuto de tiempo de conexión. Dan
mejor rendimiento a la conmutación de paquetes de
servicios en contraposición a la conmutación de
circuitos, aunque con menos garantía de calidad de
servicio (QoS) que ésta última.
La disponibilidad real del servicio según información
de los prestadores del servicio 2G/3G es del 90% del
tiempo y resulta inferior a la obtenible por la
infraestructura tradicional (redes no celulares).
Asimismo el servicio está limitado a la zona
geográfica con cobertura de red celular con tecnología
2G/3G, de cualquier prestador del mercado.
Por todo ello no habría limitaciones ni inconvenientes
para realizar en línea teleadquisición de infomación o
telesupervisión de procesos que cuenten con
almacenamiento local (memoria buffer). La
teleadquisición o telesupervisión en tiempo real y más
aun el telecomando a través de estos medios, sólo se
recomienda a falta de otras alternativas más confiables
y siempre que se puedan tolerar lapsos de
indisponibilidad.
Sobre las tecnologías más aplicables y disponibles
El tipo de soluciones buscadas se puede satisfacer según la implementación del operador de la red
celular- con una variedad de tecnologías evolutivas
conocidas como General Packet Radio Service
(GPRS), Enhanced Data rates for GSM of Evolution
(EDGE), Universal Mobile Telecommunications
System (UMTS) y otras aun superiores, para las
cuales existen modems celulares correspondientes.
Estos sistemas, además de brindar conexión
telefónica, poseen conexión con la Internet. Es posible
entonces utilizar los terminales móviles como medio
de acceso a la “red de redes” y transitar sobre ésta para
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alcanzar otros extremos corresponsales accesibles
desde la misma. Por lo tanto se dispone de acceso y
cobertura global.
Breve descripción de GPRS y EDGE
La tecnología GPRS brinda servicios tales como de
mensajes cortos (SMS), servicio de mensajería
multimedia (MMS), y acceso a la Internet para los
servicios de comunicación, como el correo electrónico
y la World Wide Web (www). Se considera de
“segunda generación y media” (2.5G) por resultar un
intermedio hacia las tecnologías“3G”, como la UMTS.
GPRS brinda cobertura mucho más extendida que las
últimas, con una capacidad de transmisión de datos
del orden de 56 hasta 144 kbit/s, siendo esperables
tasas del orden de 40 kbps de recepción y 9,6 kbps de
transmisión, desde y hacia la red respectivamente.
Pueden parecer modestas pero son suficientes para
muchas de las aplicaciones necesarias en la industria
eléctrica.
GPRS se fundamenta en una red de conmutación de
paquetes superpuesta a la actual red GSM, que permite
las siguientes mejoras:
• Conexión y transporte de mediana velocidad
• Conexión permanente (“Always on”)
• Facturación basada en cantidad de tráfico
transmitido, calidades de servicio, etc.
Para los operadores, se consigue un mejor
aprovechamiento del espectro radioeléctrico, pues el
enlace radio, solo se utiliza cuando se están recibiendo
o transmitiendo datos. Esto implica que varios usuarios
pueden compartir el mismo radiocanal, con el
consiguiente aumento de eficiencia, y con un bajo coste
en implantación en Red a nivel Radio.
Con el Sistema GPRS, el usuario puede acceder a redes
públicas y privadas de datos, utilizando protocolos
estándar (IP, X25), pudiendo navegar por Internet,
descargar su correo, visitar su intranet, hacer ftp, etc,
con las ventajas de la movilidad que le proporciona su
teléfono movil.
GPRS se transmite de la siguiente manera:
• En GPRS, se utilizan los mismos recursos de la
interfaz radio que para la transmisión en modo
circuito de GSM, siendo posible la misma mezcla
de canales GPRS con canales GSM en una misma
célula e incluso en una misma portadora.
• Los
canales
GPRS
pueden
asignarse
dinámicamente en los intervalos libres de los
canales en modo circuito, con lo que se consigue
un uso eficiente del espectro.
• El GPRS utiliza los mismos canales físicos que el
GSM pero de una forma más eficiente, ya que un
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•
•
mismo canal GPRS puede compartirse por varios
usuarios.
Un canal GPRS sólo se asigna cuando se
transmiten o reciben paquetes.
En GSM: los canales se asignan de forma
permanente al usuario durante toda la llamada
“EDGE” también conocida como EGPRS (Enhanced
GPRS) es una tecnología de la telefonía móvil celular,
que actúa como puente entre las redes 2.5G y 3G. Esta
tecnología también funciona con redes GSM donde el
operador de la red haya implementado las
actualizaciones necesarias y los terminales móviles
(teléfonos, modems) tengan compatibilidad. EDGE
puede alcanzar una velocidad de recepción en el
terminal de hasta 384 Kbps.
Los beneficios de EDGE sobre GPRS se pueden ver en
las aplicaciones que requieren una velocidad de
transferencia de datos, o ancho de banda alta, como
video y otros servicios multimediales. Además tiene un
modo de modulación, autoadaptación de tasa y
redundancia que lo hace más robusto, con menos
errores de decodificación en el receptor.
Como se dijo, si bien GPRS no es de banda ancha,
alcanza para las demandas de datos usuales de los
teleprocesos, y cuenta en la actualidad con mucha
mayor cobertura geográfica que EDGE y la más
reciente “banda ancha móvil” (3G) y superiores,
orientadas éstas a soluciones multimediales de alta
capacidad.
Estudio de aplicación: Interrogación de una
Unidad Terminal Remota (UTR) desde un SCADA
Se implementó una conexión RS232↔RS232 extremo
a extremo, que se materializó sobre la Internet y la red
celular para vincular la estación maestra de un
SCADA sito en la ciudad de Neuquén con una UTR
sita en la ciudad de Andacollo, ubicada ésta en la
Cordillera de los Andes, a 1400 msnm y a 450 km de
la primera. (Ver Fig.1 en APÉNDICE). Para
posibilitar la conectividad en cada extremo se
debieron adaptar y convertir los diferentes medios y
protocolos de comunicaciones, RS232↔TCP/IP en el
lado servidor y RS232↔GPRS en el remoto. Los
protocolos utilizados entre SCADA y UTR fueron
VanComm y DNP3.
Se estudiaron los equipos y sistemas disponibles en el
mercado argentino y se trabajó con unidades de
fabricación nacional, en particular con una Terminal
Remota (TR) que es un dispositivo remoto de
comunicación que contiene un modem GPRS y oficia
a la vez de necesario convertidor (gateway). De éste
existen diferentes versiones y algunas de ellas pueden
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oficiar de unidad remota elemental con unas pocas
entradas y salidas además de ser dispositivos de
comunicación serial.
La TR utilizada es un equipo orientado al ámbito
industrial, al que se le debe incorporar una tarjeta SIM
(chip de los teléfonos celulares) de cualquier empresa
de servicio celular que disponga de la tecnología
GPRS en los sitios de interés. Este equipo se lo debe
conectar al puerto serial del dispositivo –UTR en este
caso- que se requiera teleprocesar.
El TR quedará identificado unívocamente por su
dirección de protocolo Internet (IP) y su número de
puerto del protocolo complementario TCP. Pero dado
que la red le asignará una dirección IP dinámica (no
constante) le corresponde iniciar y mantener activa la
conexión contra un corresponsal servidor, cuya
dirección IP accesible desde la Internet (fija y pública)
tiene grabada en su configuración.
En el corresponsal servidor se debe disponer dicha
conexión con la red Internet. Usualmente se interpone
algún dispositivo de frontera (enrutador, servidor
proxy) de manera que los paquetes de datos que el TR
(GRD1000 en la figura 1) intercambiará con la
dirección pública declarada sean redirigidos (vía
NAT) al módulo servidor y convertidor de conexión
RS232↔ Ethernet/TCP/IP dispuesto en una red
interna (Intranet).
Los bits salientes del puerto RS232 (o RS485 según el
caso) en un extremo serán encapsulados en paquetes
TCP/IP y transportados sobre la red GPRS y la
Internet hasta el dispositivo corresponsal. En éste
serán desencapsulados y entregados al puerto RS232
destino. Así el SCADA interrogará a la UTR en forma
transparente mediante el puerto serial configurado,
siendo los bits sucesivamente encapsulados en los
protocolos intermedios y desencapsulados en el puerto
serial remoto conectado a la UTR. Igual
procedimiento tendrá lugar en sentido contrario, para
el flujo desde la UTR al SCADA.
Ensayos efectuados
Se han realizado diferentes ensayos y los mismos
resultaron satisfactorios en general. Se detectaron
inconvenientes a tener en cuenta al momento de
implementar esta solución.
1- En el lugar a comunicar el equipo de interés, se
debe disponer de la tecnología celular GPRS con
suficiente nivel de señal y confiabilidad adecuada
al proceso que se trate.
2- Aun existiendo señal de GPRS la disponibilidad
de la comunicación no es garantizada un 100%,
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sino sólo hasta un 90% del tiempo dentro de la
zona de cobertura.
3- A causa de que la información viaja a través de
Internet, aunque los datos vayan codificados
existe una posibilidad de que el sistema sea
vulnerado. Esto significa que alguien con
suficiente entrenamiento y conociendo de todo el
sistema (hacker externo o interno) podría ver la
información del dispositivo y ejecutar algún
comando o alteración sobre el mismo.
4- Se
registraron
retardos
(latencias)
de
aproximadamente 1 a 2 segundos entre la emisión
de la consulta al dispositivo y la respuesta del
mismo. Esto depende pura y exclusivamente de la
empresa de servicio celular. Latencias varias
veces mayores podrían presentarse.
5- Existe posibilidad que se pierda algún paquete de
la consulta. Este problema se salvaría ya que el
sistema interrogador de datos realiza la consulta
varias veces antes de descartar la respuesta.
6- Existe posibilidad que el arribo de una trama de
respuesta considerada perdida fuera de secuencia
haga abortar la conexión entre SCADA y UTR.
7- El costo fijo de los datos enviados a través del
servicio celular puede resultar alto cuando la base
de datos a intercambiar y/o la frecuencia del
intercambio es importante.
Para sortear algunos de estos inconvenientes, es
aconsejable:
1- Consultar a los proveedores de servicios celulares
si disponen de señal GPRS de calidad suficiente
en el lugar del equipo a teleprocesar. En caso
afirmativo luego confirmar mediante una prueba
previa a la instalación. Cuando hay más de un
proveedor utilizar equipos TR que disponen de
doble conexión simultánea con cada uno (doble
SIM). Esto puede elevar la disponibilidad hasta
un 98 %
2- Para disminuir el riesgo de "hackeado" utilizar
dispositivos que como el GRD1000 agrega
“tunelización” a la conexión que establece con el
servidor de la conexión. También aprovechar
ofertas de solución mediante VLAN GPRS, que si
están bien implementadas técnicamente (depende
del operador GPRS) ofrecería una razonable
garantía de privacidad.
3- Reconfigurar parámetros del sistema interrogador
de datos para aumentar su tiempo de espera de
respuesta para evitar acuso de error en la consulta.
También aumentar el número de reintentos de
consulta antes de asumir una NO RESPUESTA
desde el dispositivo.
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4- Utilizar dispositivos servidores y terminales de
comunicaciones que controlen la numeración de
los paquetes TCP, descartando los que llegan
fuera de secuencia.
5- Utilizar esta solución como sustituto de otras más
confiables y menos dependientes de terceros
prestadores, y/o de menor costo mensual.
Múltiples usuarios y dispositivos conectados
simultáneamente por la red GPRS
Cada dispositivo remoto con puerto serial conectado
mediante la red GPRS a su puerto serial corresponsal
–usualmente un SCADA, un programa monitor
dedicado o el programa de configuración- apunta a la
misma dirección IP pública en el nodo central de la
red, diferenciándose unos de otros por su número de
puerto TCP. En la maqueta de ensayo anterior el TR
Exemys GRD1000 utiliza TCP = 3500.
A diferencia del caso ensayado conforme la Figura 1,
cuando los dispositivos superan las pocas unidades no
resulta práctica ni económica la utilización de
módulos servidores y convertidores en el nodo central.
Por ejemplo para un sistema de Teleprocesos vía red
GPRS formado por decenas o centenas de dispositivos
remotos con comunicación serial se puede prescindir
de los correspondientes puertos físicos en el nodo
central
utilizando
programas
denominados
“redirectores”. Estos capturan el flujo de datos
dirigido a cada puerto COM y los encapsulan en
paquetes TCP/IP, con la dirección correspondiente al
TR conectado al dispositivo corresponsal de la
transmisión serial.
Otro punto a contemplar es la complejidad de dar
soporte a gran número de conexiones GPRS, las
cuales hay que monitorear y mantener activas. Para
ello también se cuenta en el mercado con programas
de “intermediación”, que realizan las siguientes
funciones:
Hacia los TR:
- Realiza la comunicación entre los TR y el propio
programa intermedio.
- Controla el correcto funcionamiento de los TR.
- Administra las altas, bajas y la propia configuración
de los TR.
- Soporta Problemática de DNS dinámica
Hacia la aplicación del usuario final:
- Coloca los datos adquiridos en una base de datos
(por ej. SQL o MySQL) desde donde pueden ser
accedidos y procesados por aplicaciones de los
usuarios.
- Conforma un canal de comunicación transparente
desde los puertos seriales, hacia la aplicación final.
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Estos programas intermedios pueden correr bajo una
plataforma de servidor o incluso una plataforma de PC
de escritorio y puede estar instalada en cualquier
computadora que posea acceso a Internet de Banda
Ancha. Disponen de una base de datos para registrar
todos los dispositivos remotos de ese sistema, además
de una base de datos con los usuarios que los
interrogan y sus conexiones en la red. Cada usuario
podría ser un programa como el SCADA o el utilizado
para relevar la información de los equipos
registradores del SMEC, por ejemplo.
Por ejemplo, un programa SCADA cuando interroga a
un dispositivo remoto utiliza el programa redirector
para convertir el flujo de bits dirigido a un puerto
RS232 físico en otro tipo TCP/IP/Ethernet que
transportará esos bits encapsulados a través de la
Internet y la red GPRS hasta el TR. El redirector a su
vez accede al programa intermedio brindando usuario
y contraseña. Así se minimiza la posibilidad de que un
terminal de comunicaciones ajeno ingrese al servidor
de comunicaciones celulares de datos de la empresa.
El SCADA sólo podrá acceder sólo a los dispositivos
remotos que se le hayan habilitado en la base de datos
del programa intermedio.
Hay múltiples programas redirectores para trabajar
con los sistemas operativos más comunes (Windows,
Unix, Linux) pero no para otros más específicos del
entorno industrial. Por ejemplo QNX. En casos como
este se puede integrar una solución mixta, como se
muestra en la Fig. 2. En la misma un SCADA –p. Ej.
Realflex sobre QNX- utiliza un servidor/convertidor
físico de varios puertos simultáneos (4 o más),
mientras que otros programas similares de
Distribución y Mediciones utilizan redirectores.
Otras características a ser atendidas
Para el caso en que sea suficiente realizar teleprocesos
muy espaciados temporalmente -por ejemplo
diariamente- algunos TR aceptan comandos a través
de mensajes de texto (SMS) para indicarle que se
conecte o se desconecte, ahorrando en costos de
transmisión.
Es importante considerar que esta solución técnica no
es exclusiva de ninguna empresa, sino que varios
fabricantes e integradores han desarrollado las propias,
lo que permite no resultar dependientes de un sólo
implementador de sistemas. No obstante también se
debe tener presente que los productos de uno y otro
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fabricante a la fecha no son interoperativos, por los
que se debe mantener homogeneidad al respecto.
Conclusiones
Sobre la base de lo precedente podemos concluir que
las tecnologías de transmisión de datos sobre las redes
celulares GPRS en adelante, permiten implementar
teleprocesamiento de UTR’s, reconectadores,
medidores de energía, capturadores de datos, y otros
equipos de acceso remoto propios de las
Distribuidoras de Electricidad. Incluso la telelectura
de medidores domiciliarios.
La practicidad de la conexión vía celular y la
posibilidad de la conexión móvil permite implementar
fácilmente campañas de medición de demandas sobre
la red, y comunicación con flotas de operación y
mantenimiento.
La relativa seguridad y disponibilidad de esta solución
sólo es aconsejable para los equipos y procesos
críticos cuando no dispongan otro método de
conexión, o para utilizarla como Backup eventual de
los enlaces principales de los mismos.
Se recomienda incorporar esta nueva alternativa de
telecomunicación comenzando con una primera
infraestructura piloto, incrementar la experiencia y
luego adoptarla para los alcances en que resulte
razonablemente eficaz y eficiente.
La selección de un sistema que sea eficiente y eficaz
en la prestación de cada uno de sus componentes –
unidades TR, servidores/convertidores, programas de
intermediación, y otros- es un punto sustancial,
teniendo en cuenta además la disponibilidad de
nuevos módulos, repuestos y soporte técnico a largo
plazo. Se deben seleccionar adecuadamente los
proveedores aplicables y más convenientes.
Bibliografía:
Manual y fichas técnicas Exemys GRD1000; SSE232IA; Middleware y otros (www.exemys.com.ar)
Fichas técnicas ABB Modem AG100i UMTS / GPRS
/ EDGE SCADA
Información de operadores de las redes celulares en la
patagonia Argentina (Movistar, Claro)
Implementación de aplicaciones de telecontrol sobre
redes GPRS - Aitor Arzuaga Munsuri y otros.
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APÉNDICE
Fig. 1 - Esquema de sistema para estudio de aplicación
Fig. 2: Utilización simultánea de servidor/convertidor, programa de intermediación y redirector
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