Data-Linc Group | PLR5000 | Determinación del tiempo de barrido para recolección

Determinación del tiempo de barrido para
recolección remota de datos en una configuración
punto-multipunto
Determination of the scan time for remote data
acquisition in a point – multipoint configuration
Ramón Robalino
Resumen
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El intercambio de datos entre equipos supone retos tec-
lution is simple. When it involves two equipments over
nológicos que involucran soluciones de hardware y de
the solution is complex. Communication among many
software. Cuando se trata de dos equipos la solución re-
equipments leads to the network concept. The software
sulta sencilla. Si involucra más de dos equipos la solución
that manages the transfer of data between them resolves
resulta compleja. La comunicación entre muchos equi-
problems of access to the media transmission, addressing,
pos nos lleva a la idea de red. El software que gestione
routing, data transmission speed, and so on. The so-called
el traslado de los datos entre ellos resolverá problemas
protocols implement solutions to solve such problems.
de acceso al medio de transmisión, direccionamiento de
The protocol DF1 Half Duplex is one of them; it can im-
los equipos, enrutamiento de datos, velocidad de trans-
plement a communication system based on the schema
misión, etcétera. Los llamados protocolos implementan
master / slave. The first part of this work implements such
soluciones para resolver este tipo de problemas. El pro-
a solution.
tocolo DF1 Half Duplex es uno de ellos, con él podemos
implementar un sistema de comunicación basado en el
The Half Duplex protocol is widely used in SCADA sys-
esquema maestro/esclavo. La primera parte de este tra-
tems. These systems perform the collection of data from
bajo implementa una solución de este tipo.
various remote locations, in a centralized location for purposes of monitoring and control. The second part of this
El protocolo Half Duplex se utiliza mucho en los sistemas
paper proposes a method to determine the time involved
SCADA, los cuales realizan la recolección de datos desde
in collecting such data. Using equipment such as perso-
diferentes lugares remotos, centralizándolos en un lugar
nal computers, programmable logic controller, radio mo-
para efectos de supervisión y control. La segunda parte
dems, industrial software and scopes get different wave-
de este trabajo propone un método para determinar los
forms that reflect the operation of the protocol used. It
tiempos involucrados en dicha recolección de datos. Utili-
was possible to see, how the data are transmitted by the
zando equipos como computadoras personales, controla-
radio modems.
dores lógicos programables, radio modems, osciloscopios
y software industrial se obtuvieron diferentes formas de
Palabras claves
onda que reflejan el funcionamiento del protocolo utilizado. Se hace evidente también, la forma en que los datos
DF1 Half Duplex, adquisición de datos remotos, radio MO-
son transmitidos por los radio modems.
DEM, tiempo de barrido, punto-multipunto.
Abstract
Key words
The exchange of data between equipments poses cha-
DF1 Half Duplex, remote data acquisition, radio MODEM,
llenges technological solutions that involve hardware
scan time, point-multipoint.
and software. When these are two equipments, the so-
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INTRODUCCIÓN
La recolección de datos remotos hacia una estación central presenta varios retos. Este trabajo de investigación
aplicada propone una solución para dos de los mismos:
en redes en donde el tiempo de comunicación con las
estaciones remotas no es crítico. El presente trabajo está
enfocado en esta última configuración.
PROCEDIMIENTO
el primero es la existencia de información genérica y no
En los laboratorios de Tecsup, se implementó una red con
detallada del uso de un protocolo para una configuración
una configuración punto-multipunto y la investigación
punto-multipunto, este es el primer objetivo a lograr. El
se centró en los mensajes intercambiados entre una es-
segundo es un método propuesto para la determinación
tación remota y la estación maestra. Cada una de las esta-
de los tiempos involucrados en el tiempo de barrido de
ciones contó con una computadora para su configuración
un sistema de recolección de datos remotos. Este es tam-
y monitoreo. A continuación se detalla el equipamiento y
bién el segundo objetivo a lograr.
software empleados:
FUNDAMENTOS
• Computadoras para configuración y monitoreo.
• Controladores programables MicroLogix 1100, modelo 1763-L16BWA.
Los sistemas de comunicación actuales permiten que
la supervisión y el control de procesos industriales sean
• Radio Modems modelo PLR5000 de Data-Linc
Group.
realizados por mandos a distancia. Es así que sistemas de
• Osciloscopios PicoScope. Modelo 3205.
control con PLC, DCS o sistemas dedicados estén orien-
• Software RSLinx Gateway. Revisión 2.40.01 (Build 16)
tados al control integral de procesos que cubren amplias
distancias. SCADA son las siglas de Supervisión Control
y Adquisición de Datos. Algunos autores lo definen también como la tecnología que habilita la colección de datos
de locaciones remotas, así como el envío de información
de Rockwell Software.
• Software RSLogix500 Pro. Revisión 7.00.00 (CPR 7) de
Rockwell Software.
• Software Hyper Terminal. Versión 5.1 de Microsoft
Corporation.
a estas locaciones. SCADA permite que se omita la necesidad de tener operadores en estas locaciones remotas
Configuración de la red punto a multipunto
que, a partir de ahora, serán conocidas como estaciones
remotas.
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La red utilizada se muestra en la Figura 1.
En una SCADA, la Estación Maestra recibe datos de las
condiciones de los equipos en campo que son enviados
por las Estaciones Remotas (RTU). Procesa la información
y envía comandos a estas para mantener las variables
de los procesos dentro de los parámetros establecidos.
La Red de Telemetría permite establecer el intercambio
de información entre la estación maestra y las unidades
remotas. Cuando hablamos de telemetría nos referimos
básicamente a tres componentes: la topología usada que
corresponde al arreglo geométrico de los nodos (punto a
punto, punto a multipunto, etcétera.), el modo de transmisión, que es la forma cómo viaja la información entre
los distintos nodos de la red (full duplex y half duplex) y el
medio utilizado para enviar y recibir la información (línea
física dedicada, a través del medio atmosférico, a través de
las líneas de alta tensión, etcétera.). Existe también la Estación de Supervisión que permite la visualización gráfica
del estado del proceso, es decir proporciona al operador
las funciones de control y supervisión de la planta.
Figura 1. Red punto multipunto.
Para la consecución de nuestro primer objetivo necesitamos configurar los controladores programables. El MicroLogix 1100 posee botones externos que junto con su display nos permite configurar el puerto 0 con el protocolo
DF1 Full Duplex. Estableciendo un enlace con su computadora de configuración, configuramos los puertos 0 y 1
del controlador programable que funcionará como estación maestra. Del mismo modo configuramos los puertos
Una configuración punto-multipunto con un modo de re-
0 y 1 del controlador programable que funcionará como
colección de datos basado en mensajes es mejor utilizada
estación remota [1].
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A continuación cargamos el programa en la estación
• Primero: enlazamos óhmicamente la estación maes-
maestra que, haciendo uso de la instrucción MSG, leerá
tra con una estación remota y determinamos los
datos de la estación remota. En nuestro caso, el estado
tiempos involucrados para el envío de los mensajes.
de las salidas de la estación remota. Los parámetros de
Esta será nuestra condición de referencia.
configuración para el canal 0 de la estación maestra se
muestran en la Tabla 1 y sus parámetros de control en la
• Segundo: reemplazamos el enlace óhmico por uno
Tabla 2. El canal 1 se configura de acuerdo a la Tabla 3, será
con radio modems y medimos los tiempos, lo cual
a través de este canal que descargaremos el programa.
debe llevarnos a establecer el tiempo de barrido para
De manera similar se descarga el programa para la esta-
un sistema de recolección de datos remotos.
ción remota, a través de su puerto 1. Hasta aquí hemos
configurado nuestra red de adquisición de datos con el
Condición de referencia
protocolo punto multipunto, DF1 Half Duplex.
Considerando toda la configuración realizada hasta este
Parámetros de configuración
momento, la Figura 2 muestra las señales transmitidas
(parte superior) y recibidas (parte inferior) por nuestra estación maestra. Como es nuestra condición de referencia,
el enlace entre la estación maestra y una estación remota
es óhmico. La Figura 3 muestra la estadística correspondiente.
La numeración en la Figura 2 tiene el siguiente significado:
Tabla 1. Configuración del canal 0.
1. La estación maestra realiza el pedido de lectura de
datos.
2. La estación remota reconoce el pedido.
3. La estación maestra solicita el envío de los datos.
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4. La estación remota envía los datos.
Tabla 2. Control para estación maestra.
5. La estación maestra reconoce haber recibido los datos.
6. Tiempo que espera la estación maestra para volver a
leer nuevos datos.
Medición de tiempos
Antes de realizar la segunda parte de nuestro esquemas
Tabla 3. Configuración de canal 1.
de pruebas necesitamos, primero, configurar los radio
modems. Utilizando el Hyper Terminal configuramos el
puerto serial de una computadora con los valores indicados en la Tabla 1 de la guía de usuario del radio MODEM
[2]. La Tabla 4 muestra los parámetros de configuración de
los radio modems.
Tabla 4. Configuración de radio modems.
Método para la determinación del
tiempo de barrido
Con la ayuda del Hyper Terminal enviamos el carácter “h”
al puerto serial de la computadora. Se mantuvo presionada la tecla “h” de modo tal que los caracteres se enviaban
de manera continua. Cada línea de la Figura 4 representa
el envío de un carácter.
Para la consecución de nuestro segundo objetivo elaboramos el siguiente esquema de pruebas:
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Figura 2. Enlace óhmico.
Acto seguido se conectó al puerto serial de la computa-
muestra el envío de los caracteres y la señal inferior mues-
dora, el radio MODEM configurado para conectarse con
tra la recepción de los mismos.
la estación maestra. A prudente distancia se colocó el radio MODEM configurado para conectarse con la estación
La Figura 5 muestra algo interesante, el radio MODEM en-
remota, a este último radio MODEM se le hizo un puente
capsula la información que recibe antes de retrasmitirla.
entre sus pines de transmisión y recepción. De este modo
En este caso, envía los caracteres en grupos de siete. En
calculamos el tiempo de retardo introducido por los dos
la Figura 6 se ha sincronizado el canal B del osciloscopio
radio modems. La Figura 5 muestra el retardo introduci-
con la señal recibida para poner en evidencia el encap-
do por el enlace de los radio modems. La señal superior
sulamiento.
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Figura 3. Estadística para la
condición de referencia.
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Figura 4. Envío de los caracteres “h”.
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Figura 5. Envío y recepción de los caracteres “h”.
Hasta aquí hemos obtenido datos de nuestra condición
El significado de la numeración es el mismo que el de la
de referencia. En seguida procedemos a reemplazar el en-
Figura 2. El tiempo entre las señales 2 y 3 es el tercer pa-
lace óhmico por un enlace con radio modems para ana-
rámetro de la Tabla 2. El tiempo entre la finalización de un
lizar su funcionamiento. La Figura 7 muestra en la parte
mensaje y el envío de otro se muestra en la Figura 7 con
superior, las señales transmitidas por la estación maestra
el número 6. Este tiempo se determina por software. En el
y en la parte inferior, las señales recibidas por la misma
programa se incluye un temporizador cuyo Preset es pre-
estación maestra.
cisamente este tiempo. La Figura 8 muestra precisamente
este retardo para un Preset de 60 ms.
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RESULTADOS
El protocolo DF1 está basado en la especificación ANSIx3.28 y puede ser configurado para una operación full
duplex o half duplex. El protocolo DF1 Half Duplex se utiliza en sistemas SCADA para comunicaciones maestro/esclavos. Esto permite comunicación bidireccional en una
dirección a la vez. El usuario deberá ingresar los diferentes
parámetros que controlan este protocolo de acuerdo con
las necesidades propias de su aplicación. Parámetros tales
como:
Figura 6. Agrupación de caracteres por el radio MODEM.
• Control line
• ACK Timeout
• Error Deteccion
• Polling Mode
• Duplicate Packet detect
• Messages Retries
• Reply Msg. Timeout
• Pre Transmit Delay
• Polling Timeout
• EOT Suppresion
En muchos casos los valores que por defecto se asignan
a estos parámetros son suficientes para configurar un sis-
Figura 7. Mensajería con enlace de radio modems.
tema o es un buen punto de partida para la búsqueda de
los valores óptimos. El presente trabajo se centró en una
recolección de datos remotos basado en mensajes, pero
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existe otra forma llamada recolección estándar [3].
La transferencia de datos basada en mensajes permite
decidir por programa, el instante de inicio de la transferencia de datos. Para la parte del programa que tiene
que ver con las instrucciones MSG, servirán de mucho los
ejemplos mostrados en la Guía de Aplicación de Sistemas
SCADA de Allen-Bradley [4]. En las Figuras 7 y 8 se comprueba que la actividad de la estación remota se limita a
responder los requerimientos de la estación maestra, lo
Figura 8. Programa con Preset de 60 ms.
Finalmente, la Figura 9 muestra la condición de pérdida
de enlace, la parte superior corresponde a la señal transmitida por la estación maestra y la parte inferior a la señal
recibida. Observe que el tiempo entre las señales es precisamente el parámetro ACK Timeout, este valor se escogió
para efectos de prueba. El valor adecuado se determinará
más adelante. La estadística correspondiente a esta condición se muestra en la Figura 10.
que le permite a esta maestra comunicarse selectivamente con alguna estación remota específica.
De otro lado, el método propuesto para medir los tiempos involucrados en un intercambio de datos remotos,
nos llevó a experimentar con el puerto serial de la PC. La
Figura 4 muestra que los caracteres se envían con intervalos de 38,17 ms. Cabe mencionar que el puerto de la
PC también se configuró para una velocidad de 19200
baudios. El envío por ráfagas de datos a cargo del radio
MODEM hace posible la siguiente situación: si el tiempo
transcurrido entre las señales 1 y 2 de la Figura 7 excede
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Figura 9. Mensajería con pérdida del enlace con radio modems.
Figura 10. Estadística para la condición de pérdida de enlace.
el tiempo establecido en el parámetro ACK Timeout de
la estación maestra, ocurrirá una pérdida del enlace. Este
parámetro unido al de Message Retry incrementará el
tiempo de barrido del sistema.
En la Guía de Aplicación de Sistemas SCADA de Allen Bradley [5] se plantea un método para determinar un solo
tiempo, el Minimum Master ACK Timeout; los resultados
se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5. Minimum Máster ACK Timeout.
Tabla 6. Tiempo de barrido para un remoto.
* La Figura 7 muestra el tiempo transcurrido entre mensajes, en este caso es de 534,2 ms
Para obtener el tiempo de barrido del sistema se tiene
que multiplicar por el número total de estaciones remotas. La importancia de escoger el radio MODEM adecuado
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se nota en el siguiente cálculo. De nuestra condición de
referencia (Figura 2); el tiempo transcurrido entre mensajes consecutivos es de 44,24 ms. Comparándolo con los
534,2 ms obtenidos en el enlace con radio modems (Figura 7), se obtiene un retardo de 489,96 ms. El método
permite escoger el tiempo más adecuado de acuerdo con
* Se escoge el mayor de los dos.
Con los datos de la Figura 7 obtenemos el tiempo entre
las señales 1 y 2 que es de 228,9 ms y basados en esto
escogemos el valor de 240 ms para nuestro ACK Timeout
por lo que tendríamos que modificar el primer parámetro
de la Tabla 2. Calculemos ahora el tiempo de barrido para
una estación remota, como se muestra en la Tabla 6. Se
utilizó el criterio de diseño para el peor caso, con las siguientes suposiciones:
1. La estación remota es la que tiene la mayor cantidad
cada aplicación en particular.
CONCLUSIONES
• Se configuró una red de adquisición de datos remotos con los parámetros adecuados para su buen
funcionamiento. El enlace radioeléctrico se realizó a
través de radio modems.
• El método propuesto para la medición de tiempos
supone el conocimiento del protocolo empleado
para poder identificar las señales en un osciloscopio.
de entradas y/o salidas.
2. El programa de la estación maestra tiene tres mensajes de lectura como máximo.
• La recolección de los datos de las estaciones remotas
se realiza de un modo determinístico definido por el
usuario.
3. El enlace de radio modems no usa repetidores.
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REFERENCIAS
[1] Bailey, D (2006). Practical SCADA for Industry. PLCs used as
RTUs. Great Britain: Elsevier
[2] Data-Linc Group. User Guide. PLR5000. P/N 161-09888-001.
Page 5.
[3] Allen-Bradley. SCADA System. Application Guide. Publication AG-6.5.8 – October 1998. Chapter 1.
[4] Allen-Bradley. SCADA System. Application Guide. Publication AG-6.5.8 – October 1998. E4-E5.
[5] Allen-Bradley. SCADA System. Application Guide. Publication AG-6.5.8 – October 1998. Page 4-10.
ACERCA DEL AUTOR
Ramón Robalino Gómez es
ingeniero electrónico. Posee
un Posgrado en Ingeniería de
Telecomunicaciones. Participó en proyectos de diseño de
equipos para telefonía y también en cursos de Electrónica
Aplicada en Belo Horizonte,
Brasil. Tiene 16 años de experiencia como profesor en cursos de Telecomunicaciones y
Electrónica en Tecsup.
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