TRABAJO 1/6 TELEPROCESOS MEDIANTE REDES CELULARES 2.5G/3G. Empresa o Entidad ENTE PROVINCIAL DE ENERGÍA DEL NEUQUÉN (EPEN)

Transcripción

1 TRABAJO 1/6 Título TELEPROCESOS MEDIANTE REDES CELULARES 2.5G/3G Nº de Registro (Resumen) 23 Empresa o Entidad ENTE PROVINCIAL DE ENERGÍA DEL NEUQUÉN (EPEN) Autores del Trabajo Nombre País Rubén Edgardo Gómez Argentina 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). 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. PAPER DOC 1 / 6

2 - 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 TRABAJO 2/6 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 PAPER DOC 2 / 6

3 TRABAJO 3/6 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 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%, PAPER DOC 3 / 6

4 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 TRABAJO 4/6 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 = 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. desde el dispositivo. PAPER DOC 4 / 6

5 TRABAJO 5/6 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 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; SSE232- IA; Middleware y otros ( 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. PAPER DOC 5 / 6

6 TRABAJO 6/6 APÉNDICE Fig. 1 - Esquema de sistema para estudio de aplicación Fig. 2: Utilización simultánea de servidor/convertidor, programa de intermediación y redirector PAPER DOC 6 / 6