Estudio de un Sistema de Comunicaciones para el Control y Automatización de una Red de Instalaciones de Abastecimiento y Saneamiento de Agua

Transcripción

1 CAPÍTULO 2. SOLUCIÓN ADOPTADA 1. Situación Inicial En la actualidad, las estaciones se encuentran totalmente automatizadas con su propio sistema PLC- SCADA, pero no se goza de un canal de comunicación que pueda surtir en tiempo real el estado de las mismas al centro de control encargado de la explotación. Es labor de los operarios y capataces de zona el revisar periódicamente las plantas e ir rellenando formularios con los valores a controlar. Como se puede ver en la Ilustración 1, el elevado número de instalaciones, la extensión de la zona que cubre el conjunto así como su geografía irregular hace que sea difícil mantener la frecuencia de obtención de datos deseada Ilustración 1 "Estaciones remotas pertenecientes al sistema a controlar" Se busca por tanto un sistema de comunicaciones que pueda surtir a un sistema SCADA central de los datos de cada estación, pudiéndose tener un control remoto total y en tiempo real de las instalaciones. Dado que las plantas no se encuentran en núcleos urbanos y el número es bastante elevado, la seguridad es otro aspecto que se pretende mejorar. Para tal efecto, junto con los datos, se quiere dotar al centro de control de imágenes en tiempo real de las instalaciones mediante la instalación de cámaras IP que controlen el acceso a la planta o a zonas críticas de las mismas. Esta demanda en concreto hace que en el presente estudio se descarte la solución radio UHF, dejando abierta la posibilidad al uso de esta tecnología para los casos en los que no fuera posible o 6

2 económicamente viable una solución Ethernet. El estudio de estas alternativas no es materia del presente proyecto. Así pues, las tres soluciones que se plantean serían las siguientes: Solución basada en una línea ADSL contratada. Solución GPRS. Solución con radioenlaces. En el siguiente apartado se exponen las necesidades del sistema de comunicaciones, y en base a estos se determina cuál de las soluciones será objeto de estudio. 2. Alcance de la solución El presente proyecto estudiará el acceso a la información relativa a una serie de instalaciones que el cliente, bien por ser críticas dentro del sistema de abastecimiento o saneamiento o por su difícil acceso en cuanto a ubicación, ha considerado prioritarias respecto a las demás (Tabla 1). Con los objetivos enumerados en el apartado anterior, hay una serie de aspectos que debe alcanzar la solución propuesta. Redundancia y fiabilidad Debe existir algún método de redundancia que garantice el flujo de comunicación ante determinados fallos de la red, y el canal de comunicación tendrá que garantizar una integridad y seguridad de la información. Capacidad y escalabilidad La necesidad de ancho de banda en cada estación remota de control es la suma del consumo propio que se deriva de la información de sensores y demás elementos a controlar, y el ancho de banda consumido por la cámara IP instalada en cada punto. En funcionamiento normal, la red de comunicaciones será capaz de transportar toda esa información incluyendo un alto margen de crecimiento. El ancho de banda requerido por punto de control del tipo que se trata no suele ser superior a 50Kbps. No obstante se dimensionará la red con una necesidad por punto de 100Kbps que concedan desde el principio un margen del 50% de reserva. Así mismo, se debe contar con la probable inclusión de más instalaciones con al menos el mismo volumen de información en el sistema. 7

3 Tipo Estación Latitud Longitud EDAR Rosal de la Frontera 37º57 30,6 N 7º13 6,2 O ETAP Encinasola 38º9 14,8 N 6º52 19,9 O EDAR Encinasola 38º8 31,6N 6º52 5,7 O ETAP Cumbres de San Bartolomé 38º4 45,3 N 6º44 6,4 O EDAR Cumbres de San Bartolomé 38º4 38,1 N 6º45 7,5 O ETAP Arroyomolinos 38º2 16,8 N 6º25 8,8 O EDAR Cañaveral de León 38º0 23,7 N 6º31 33,0 O EDAR Cala 37º58 36,8 N 6º18 21,1 O EDAR Cortegana 37º54 55,3 N 6º50 26,5 O EDAR Santa Olalla 37º54 1,2 N 6º13 13,1 O EDAR Linares de la Sierra 37º52 20,6 N 6º37 17,8 O EDAR Higueras de la Sierra 37º49 25,5 N 6º26 42,3 O EDAR Almonaster 37º52 1,8 N 6º47 19,2 O EDAR Jabugo 37º56 1,1 N 6º46 44,8 O EBAR Jabugo 37º55 47,1 N 6º46 31,9 O EDAR Galaroza 37º55 29,3 N 6º42 59,2 O EDAR Castaño del Robledo 37º53 39,4 6º42 31,3 O EDAR Cortegana 37º54 55,3 N 6º50 26,5 O EDAR Aracena 37º52 21,9 N 6º33 40,8 O Tabla 1 "Estaciones a integrar en el proyecto" El ancho de banda consumido por la cámara IP depende del número de imágenes por segundo (fps), resolución de las imágenes en píxeles (ppp) y la calidad de la imagen. El número de imágenes por segundo que se considera tiempo real son 25 fps. Una aplicación de control no suele necesitar tiempo real debido a que lo que se pretende vigilar es muy estático, por tanto se suele rebajar el número de imágenes por segundo. La resolución es una medida de cuan definida es una imagen en términos de cuántos píxeles aparecen en cada unidad (alto o ancho), es decir, a mayor resolución, la imagen estará definida con mayor detalle. La calidad de la imagen está relacionada con el balance de blancos, la compensación de centelleo, el aumento de la definición, etc. Aunque estos parámetros son totalmente configurables, fijando los mismos a valores estándar, el ancho de banda consumido por una cámara IP es 1,5Mbps El consumo por punto de control viene desarrollado en la Tabla 2. 8

4 ANCHO DE BANDA Control (Kbps) CCTV (Kbps) IP TOTAL (Kbps)/ punto TOTAL (Mbps) EDAR Rosal de la F ETAP Encinasola EDAR Encinasola ETAP Arroyomolinos EDAR Cañaveral EDAR Cala EDAR Santa Olalla EDAR Higuera S EDAR Linares S EDAR Aracena EDAR Cortegana Calidad de Servicio EDAR Jabugo EDAR Almonaster EBAR Jabugo EDAR Castaño R ETAP Jabugo ETAP Cumbres S. B EDAR Cumbres S. B ,7 Tabla 2 "Consumo por estación" Se debe garantizar una calidad del servicio en parámetros de seguridad, eficacia y disponibilidad. La solución ADSL presenta la ventaja de un bajo coste de inversión, ya que contratando el servicio con un operador, podríamos alcanzar unos niveles de ancho de banda adecuados. Sin embargo, estamos sujetos a la disponibilidad de dicho servicio, y la situación de las instalaciones en las afueras de localidades rurales pequeñas, y en algunos casos bastante alejados de estas, hace prever que en la mayoría de los casos no se podrá contar con un acceso a este servicio adecuado o simplemente no se podrá contar con él al no existir redes cableadas. Por otra parte, el acceso mediante internet puede suponer un riesgo al exponer el sistema del centro de control a posibles ataques del exterior. Aunque existen mecanismos hardware y software para evitar estos riesgos, normalmente es una 9

5 solución que los encargados de la explotación han preferido evitar en instalaciones similares, si bien los actuales problemas de financiación hacen que cada vez se estén adoptando más. Para la solución GPRS, la baja cobertura que normalmente se experimenta en esta zona unida al bajo ancho de banda del que se gozaría hacen que se descarte prácticamente desde el principio. Sin embargo, podría ser una solución muy potente para recoger históricos de datos de instalaciones que posteriormente se podrían integrar en el sistema de informes del centro de control o incluso en el sistema SCADA. En estos casos, se debería casi con toda probabilidad efectuar trabajos de programación en los PLCs. Por todo ello, se ha optado por una solución que combina soluciones tradicionales de enlaces digitales en banda de microondas privada con soluciones en banda libre de microondas, obteniendo un diseño muy flexible, fácilmente escalable y robusto, que además se anticipa a la necesidad de transportar multitud de servicios sobre una misma red con sólo conectar un equipo a un interfaz Ethernet de la estación correspondiente (telefonía IP, por ejemplo). Más adelante se observará cómo el Ancho de Banda necesario está muy por debajo de los caudales obtenidos con la solución propuesta, dotando al sistema de un amplio margen de crecimiento 3. Solución Adoptada 3.1. Introducción. Tecnología Wimax La tecnología inalámbrica, Wi-Fi (Wireless Fidelity), en sus diferentes versiones, se creó para ser utilizada en redes locales inalámbricas, aunque es frecuente que en la actualidad también se utilice para acceder a Internet. Los estándares IEEE b e IEEE g disfrutan de gran aceptación hoy en día, debido principalmente a que operan en la banda de libre (ISM) de los 2.4 GHz llegando a alcanzar una velocidad de hasta 11 Mbps y 54 Mbps, respectivamente. El estándar, el x, conocido como WiMAX, es una especificación para redes inalámbricas de banda ancha, desarrollado y promovido por el grupo de la industria WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access), cuyo dos miembros más representativos son Intel y Nokia. Como sucedió con la marca Wi-Fi, que garantiza la interoperabilidad entre distintos equipos, la etiqueta WiMAX se asocia globalmente con el propio nombre del estándar. WiMAX proporciona un estándar de transmisión de datos de banda ancha, amplia cobertura y elevadas prestaciones. Diseñado para ser utilizado en redes de área extensa proporcionando accesos concurrentes en áreas de hasta 48 kilómetros de radio y a velocidades de hasta 75 Mbps por cada canal de 20 MHz. Incorpora mecanismos para la gestión de la calidad de servicio y permite 10

6 amplias coberturas tanto con visión como sin ella (LOS y NLOs) entre los puntos a conectar en bandas de frecuencias de uso común o licenciadas. Integra la familia de estándares IEEE del organismo de estandarización europeo ETSI. El estándar inicial se encontraba en la banda de frecuencias de GHz y requería enlaces fijos de radio con visión directa entre transmisor y receptor. Emplea las bandas de 3,5 GHz y 10,5 GHZ, válidas internacionalmente, que requieren licencia, y las de 2,4 GHz y 5,725-5,825 GHz que son de uso común y no requieren disponer de licencia alguna. Estándar Descripción Utiliza espectro licenciado en el rango de 10 a 66 GHz, necesita línea de visión directa, con una capacidad de hasta 134 Mbps en celdas de 2 a 5 millas. Soporta calidad de servicio. Publicado en a Ampliación del estándar hacia bandas de 2 a 11 GHz, con sistemas NLOS y LOS, y protocolo PTP y PTMP. Publicado en abril de c Ampliación del estándar para definir las características y especificaciones en la banda de GHz. Publicado en enero de d Revisión del y a para añadir los perfiles aprobados por el WiMAX Forum. Aprobado como en junio de 2004 (La última versión del estándar) e Extensión del que incluye la conexión de banda ancha nómada para elementos portátiles. Publicado en diciembre de m Extensión del que promete entrega de datos a velocidad teórica de 1 GB. En proceso. Tabla 3"Evolución de Wimax" 11

7 Algunas características de las redes Wimax son: Las elevadas velocidades que se consiguen gracias a utilizar la modulación OFDM (Orthogonal Frequency División Multiplexing) con 256 subportadoras. Esta técnica de modulación es la que también se emplea para la TV digital, sobre cable o satélite, así como para Wi-Fi (802.11ª) por lo que está suficientemente probada. Soporta varios cientos de usuarios por canal, con un gran ancho de banda y es adecuada tanto para tráfico continuo como a ráfagas, siendo independiente de protocolo: así, transporta IP, Ethernet, ATM etc. Soporta múltiples servicios simultáneamente ofreciendo Calidad de Servicio (QoS) por lo cual resulta adecuado para voz sobre IP (VoIP), datos y vídeo. Soporta las llamadas antenas inteligentes (smart antenas), propias de las redes celulares de 3G, lo cual mejora la eficiencia espectral. Estas antenas inteligentes emiten un haz muy estrecho que se puede ir moviendo, electrónicamente, para enfocar siempre al receptor, con lo que se evitan las interferencias entre canales adyacentes y se consume menos potencia al ser un haz más concentrado. Estas antenas utilizan sistemas de codificación adaptativa y avanzada para el control de errores. También se contempla la posibilidad de formar redes malladas (mesh networks) para que los distintos usuarios se puedan comunicar entre sí, sin necesidad de tener visión directa entre ellos. Ello permite, por ejemplo, la comunicación entre una comunidad de usuarios dispersos a un coste muy bajo y con una gran seguridad al disponerse de rutas alternativas entre ellos. En cuanto a seguridad, incluye medidas para la autenticación de usuarios y la encriptación de los datos mediante los algoritmos Triple DES (128 bits) y RSA (1.024 bits). Otra de sus aplicaciones, y la que hace que sea la solución escogida para el presente proyecto, encaja en ofrecer servicios a zonas rurales de difícil acceso, a las que no llegan las redes cableadas. Es una tecnología muy adecuada para establecer radioenlaces, dado su gran alcance y alta capacidad, a un coste muy competitivo frente a otras alternativas. Paralelamente al desarrollo de este estándar los mismos fabricantes que proveen los equipos para estos operadores en banda privada han desarrollado equipos basados en la misma tecnología pero en banda libre conocidos como PREWIMAX. Se ha optado por estos equipos para la implantación de la red secundaria del sistema de comunicaciones. 12

8 Son equipos que han demostrado un alto rendimiento en multitud de soluciones operativas en la actualidad, y que suponen un ahorro en equipamiento y licencias de banda. Como principales desventajas cabe destacar que no responden a un estándar, por lo que no se garantiza la interoperabilidad entre equipos de fabricantes distintos, pudiendo quedar atada la solución a la oferta de un único proveedor en futuras ampliaciones o labores de mantenimiento, con el consecuente riesgo en cuanto a precios y disponibilidad se refiere. Por otra parte, al ser soluciones de alto alcance y libre acceso, el espectro disponible puede verse reducido por el actual uso de otras redes de comunicaciones, que por otra parte pueden suponer importantes fuentes de interferencia. Sin embargo, en medios rurales y poco poblados como el que se presenta en el actual sistema de estudio, este riesgo se ve considerablemente reducido debido a la escasa presencia de núcleos de población o industrias que puedan conllevar la presencia de otros sistemas de comunicaciones que deterioren la calidad del servicio Arquitectura de Sistema Para el funcionamiento de la red se implementará una solución que combina enlaces punto a punto de mediana capacidad en frecuencia privada, punto a multipunto en tecnología prewimax en banda libre, y punto a punto en tecnología prewimax en banda libre, distinguiéndose entre una red troncal y una red de acceso. En la red troncal se incluye la constitución de la red principal de transporte mediante radioenlaces de gran capacidad, con una topología en anillo que dote al sistema de la redundancia demandada ante posibles fallos. Estará compuesta por radioenlaces licenciados de 155 Mbps de capacidad. La red de acceso incluye los elementos de conexión mediante tecnología prewimax entre estaciones remotas y repetidores pertenecientes a la Red Troncal. Para los enlaces punto a punto en banda privada será necesaria la presentación y tramitación del preceptivo Proyecto para la obtención de licencia de la DGTel Red Troncal La Red Troncal será la encargada de soportar el grueso de las comunicaciones del sistema, encaminando y concentrando el tráfico de los distintos puntos a controlar a través de los equipos situados en dicha red. La función de la red troncal es la de interconectar todos los puntos de la red de acceso, actuando como base del transporte de información entre los puntos de red y el centro de control. El mecanismo de protección de esta topología es proporcionar un camino alternativo en caso de corte de algún vano del anillo, siendo segura ante la pérdida de conectividad entre dos puntos de la red. 13

9 El radioenlace propuesto para unir los puntos de la red troncal incluye licencia de alta capacidad de 155 Mbps, y en banda de 6, 13, 15, 23 y 26 GHz. El ancho de banda utilizado para canalización será de 28MHz y para la transmisión de datos se empleará modulación 128QAM. El criterio de selección de emplazamientos para decidir su pertenencia a la red troncal se ha basado en los siguientes puntos: Garantía de la visibilidad y margen de campo suficiente del radioenlace. Minimización del número total de vanos de la red troncal. Minimización de la longitud de cada vano. Minimización de la altura necesaria en los emplazamientos. Garantía de gestión del tráfico de la red de acceso que debe gestionar cada punto de red Estas estaciones intermedias estarán situadas en puntos pertenecientes al sistema, normalmente depósitos reguladores de agua debido a que suelen estar situados en puntos elevados, desde los cuales existen excelentes condiciones de visibilidad con gran número de puntos a controlar. Los equipos se instalarán en casetas ya existentes situadas junto a las torres o depósitos Ilustración 2"Mapa topográfico con las instalaciones de la red" En cuanto a las frecuencias licenciadas utilizadas en los enlaces, cabe destacar que se seleccionaran según las recomendaciones que aporta el departamento del Servicio Fijo de Banda ancha de la Secretaría de Estado de Telecomunicaciones y para la Sociedad de la Información. En función del ancho de banda requerido y la distancia del vano a cubrir, son las siguientes: 14

10 Alta Capacidad (Canalización 14 MHz) Baja Capacidad (Canalización < 14 MHz) Distancia (Km) Banda de Frecuencia Distancia (Km) Banda de Frecuencia 0-5 Km 26 GHz 0-10 Km 23 GHz 5-15 Km 23 y 18 GHz Km 15 GHz Km 15 y 13 GHz Más de 20 Km 10 GHz Más de35 Km < 13 GHz Tabla 4 "Tabla de Frecuencias por distancia y capacidad" Se deberá comprobar la viabilidad de los vanos mencionados mediante el replanteo en campo, en el cual se verifique la visibilidad directa entre puntos, y los cálculos de laboratorio, a los cuales se les ha dedicado un apartado del presente documento. Descripción de la instalación En cada uno de los puntos que conforman el anillo se instalarán dos terminales radio, uno por cada vano al que pertenezca. En cada punto, la interconexión de dichos terminales se realizará mediante la conexión de ambos a un switch que se instalará en cada uno de los nodos del anillo. Dicho switch será el encargado de realizar la conmutación en caso de caída de uno de los vanos. Los terminales radio deben constar de una unidad interior equipada con cuatro puertos Ethernet, una unidad exterior y una antena del tipo parábola radomizada. La unidad interior y la unidad exterior se interconectarán a través de un solo cable coaxial. La unidad exterior será un módulo compacto de reducidas dimensiones, que incorporará todos los módulos de radiofrecuencia (módulo de frecuencia intermedia, módulo de microondas y filtro duplexor) así como el modulador/demodulador. Dicha unidad exterior se instalará, junto con la antena a la que va conectada, en la torre correspondiente en cada caso. La Unidad Interior debe permitir su montaje en armario rack de 19 y se compondrá de una unidad principal con slots dónde se pueden añadir diferentes módulos enchufables. Además, dispondrá de interfaces para cable coaxial, interfaces V.11 para supervisión remota, interfaz RS-232 para supervisión local, un interface de medida y el conector de alimentación. Los equipos de radio incorporarán además una serie de funcionalidades adicionales que garanticen conexiones fiables y alta disponibilidad en cualquier entorno: Sistema para el control automático de la potencia transmitida, que permite que el transmisor aumente o disminuya la potencia transmitida automáticamente según la respuesta recibida desde el otro extremo del enlace, lo que permite una utilización más eficaz de las frecuencias de radio que cuando se transmite con una potencia fija, ya que se reducen las interferencias entre sistemas. 15

11 Todas las funciones de configuración, gestión y supervisión de los equipos de radio podrán realizarse, local o remotamente, mediante un software gestor de elementos. Métodos de Protección: Los equipos de radio podrán proporcionar distintos métodos de protección de la transmisión, como la diversidad en espacio, en frecuencia, en polaridad, etc... Tal y como se comentó anteriormente, la red troncal de comunicaciones diseñada presentará una configuración de anillo que garantizará que ante caída de alguno de los se reencamine toda la información por el enlace en funcionamiento en un tiempo inferior a 50 ms. Necesariamente, la capacidad de cada uno de estos vanos ha sido dimensionada para soportar el Ancho de Banda completo de la red Red de Acceso La Red de Acceso permitirá comunicar puntos de control a la red troncal de comunicaciones en alguna de las estaciones intermedias, que se encargarán de concentrar el tráfico de los puntos de control que tengan asociados. Esta Red estará basada en un sistema punto a multipunto compuesto por estaciones base (BS) con tecnología PRE-WIMAX en la banda libre de los 5.4 GHz en las torres de comunicación de cada uno de los puntos de acceso, que permitirán la conectividad de las unidades subscriptoras de usuario (US) dispuestas en las estaciones, siendo necesario que se den condiciones de visibilidad directa. En algunos puntos, debido a la excesiva irregularidad del terreno existente entre la estación a telecontrolar y el punto más cercano de la red troncal, se hace necesario el encaminamiento de la comunicación entre dichos puntos a través de un punto repetidor desde el cual sí exista visibilidad directa con los dos puntos. Descripción de la instalación Como se ha comentado anteriormente, los equipos que se instalarán requieren visibilidad directa entre los puntos a comunicar. En determinados casos, esto hace necesaria la instalación de torres o columnas de comunicaciones para salvar los obstáculos que presente el terreno. Los equipos a instalar además tienen la característica de que la potencia transmitida y la sensibilidad dependen directamente de la capacidad de transferencia de información que se configure. De esta forma, la capacidad de transferencia en un enlace entre una unidad subscriptora de usuario y la estación base con la que comunique dependerá de las especificaciones de potencia transmitida y 16

12 sensibilidad que exija el enlace para funcionar correctamente, las cuales vendrán dadas por la distancia y la orografía del terreno. La asignación de unidades subscriptoras de usuario a estaciones base se realiza teniendo en cuenta esta característica, además del ancho de banda requerido por cada punto. Aunque, como se vio anteriormente, el requerimiento de ancho de banda por cada instalación es de 1,6 Mbps, en los cálculos realizados se ha exigido al menos 3 Mbps en cada punto con cámara, concediendo un margen de reserva para un posible crecimiento en la red. Además de los factores anteriores, se ha considerado la situación de los puntos a comunicar con una misma estación base, ya que dependerá de ello el tipo de antena a utilizar en la estación base. Cada una de las unidades suscriptoras incluirá una antena directiva integrada de ganancia 23 dbi orientada hacia la estación base asociada. En el caso de existir una gran distancia que separe ambos equipos, se hace necesaria la sustitución de la antena integrada por una antena externa de parábola de 0,6 m de diámetro con 29 dbi de ganancia para mejorar el balance de potencia. Interconexión de redes troncal y de acceso La interconexión de las redes troncal y secundaria se realizará mediante la conexión de los equipos correspondientes a ambas redes instalados en los puntos de acceso al switch que se instalará en cada una de dichas ubicaciones. La conexión entre los puertos 10/100 BASE TX del switch y el puerto Ethernet de los equipos se realizará mediante latiguillo UTP de categoría 5e o superior. Dicho switch se utilizará también para realizar la conmutación en el anillo de comunicaciones en la banda de microondas en frecuencia privada en caso de caída de uno de los vanos. El switch que se instalará será gestionable y con protocolo que permita la conmutación en el anillo. Los esquemas de conexionado de equipos pueden verse en las siguientes ilustraciones, así como un mapa completo con la red resultante propuesta: 17

13 Ilustración 3 "Esquema de conexionado de una estación." Ilustración 4 " Esquema de conexionado de un repetidor de la Red de Acceso." 18

14 Ilustración 5 " Esquema de Conexionado de un punto de la Red Troncal." 19