Mediante Sistema SCADA de las PCH La Cascada, Caruquia Y Guanaquitas
I. INTRODUCCIÓN
El presente documento pretende ilustrar una conexión mediante el protocolo de comunicaciones OPC 2.5 DA, desde un SCADA remoto ubicado en las oficinas de la empresa HMV Ingenieros, hacia tres pequeñas centrales hidroeléctricas en adelante llamadas PCH’s ubicadas en zonas rurales del departamento de Antioquia-Colombia. Se busca visualizar desde Medellín a través de despliegues gráficos, las variables de los procesos de generación más relevantes.
Dentro del presente documento, se desea mostrar la estructura de las comunicaciones del sistema SCADA, así como el desarrollo gráfico del mismo.
II. COMUNICACIONES SISTEMA SCADA
A. Canal
Los canales que se tienen en las PCH’s son enlaces satelitales con conexión a internet y una velocidad mínima de 128 kbps, además, tales canales son utilizados simultáneamente para tráfico de voz, internet y el sistema SCADA. Estas condiciones arrojan como resultado un canal de comunicaciones con muchos retardos, producto del salto a través del satélite, además de un ancho de banda muy reducido para los servicios mencionados.
Buscando mejorar la calidad del enlace entre las distintas PCH’s y HMV, se realizaron pruebas con otro tipo de tecnologías que proporcionarán un mayor ancho de banda y que fuesen viables de implementar desde el punto de vista económico, como los enlaces de datos celulares que utilizan EDGE, UMTS ó HSDPA, sin lograr ningún tipo de cobertura en ninguna de las bandas de frecuencia habilitadas para tales tecnologías por el Ministerio de Telecomunicaciones de Colombia [3]. Se realizó una prueba en las centrales utilizando un medidor de espectro electromagnético entre las frecuencias de 800 MHz y 1900 MHz, sin lograr encontrar ninguna señal.
Aún con el uso de antenas amplificadoras y amplificadores electrónicos de este tipo de señal, no se logró ningún resultado positivo de cobertura en los lugares donde se encuentran ubicadas las centrales.
De esa manera, el canal utilizado para los distintos enlaces es un canal satelital y se asumen sus características de ancho de banda y retardos, como condiciones del enlace.
B. Protocolo de comunicaciones
Se debe tener presente que la idea principal del enlace entre las PCH’s y la sede de HMV en Medellín es lograr la exportación de las variables en tiempo real.
Se debe determinar el protocolo de comunicaciones a utilizar, el cual debe tener la capacidad de transportar los datos a través internet utilizando el canal satelital, teniendo en cuenta que los satélites introducen aumentos muy considerables en la latencia de la red, en algunos casos incluso del orden de 2 ó 3 segundos.
Además, las labores de operación y mantenimiento, resaltan la importancia de la búsqueda de homogeneidad en la creación de las conexiones, por lo cual, todos los enlaces entre las PCH’s y HMV deben ser configurados de igual forma. Es por eso, que para el diseño de los enlaces se asumirá que se cuenta con un canal satelital de 128 kbps ya que este es el ancho de banda más reducido con que puede contar una PCH.
Debido a que el canal de comunicaciones de las PCH’s deberá compartir simultáneamente los servicios de voz, internet y del sistema SCADA, el protocolo de comunicaciones debe consumir el mínimo ancho de banda posible, consumiendo no más de 20 kbps en el flujo de información del SCADA. Como dato adicional, cada PCH no compartirá más de 150 datos con HMV.
En resumen, el protocolo de comunicaciones del enlace, debe tener la capacidad de soportar latencias del orden de varios segundos, además debe tener la capacidad de enviar y recibir un máximo de 150 señales consumiendo un ancho de banda no mayor a 20 kbps. En la Tabla 1, se resumen las características que debe tener el protocolo de comunicaciones del enlace.
Buscando optimizar al máximo los costos del desarrollo y con base en la funcionalidad y practicidad que brinda el protocolo OPC 2.5 DA [1], se decide escoger a este como el protocolo de comunicaciones del sistema SCADA, sin embargo su conectividad a través internet es poco segura. Tal condición, crea la necesidad de encontrar una solución que permita establecer conexiones seguras a través del canal que se utiliza en el proyecto.
Con la nueva necesidad, se decide establecer una VPN entre las PCH’s y HMV, con la intención de crear una red LAN a través de los enlaces satelitales, permitiendo la creación de un canal privado y seguro. De esta manera, OPC podrá funcionar como protocolo de comunicaciones, utilizando el enlace VPN como canal en lugar de internet, haciéndose más segura y confiable la transmisión de datos. La VPN aumenta considerablemente la seguridad de la información, debido a que el protocolo OPC puede ser configurado para dar permisos de acceso solo a usuarios de la red LAN y no a usuarios de otras redes.
Fig. 1. conexión VPN ideal para el sistema SCADA. Nótese la existencia de un servidor VPN ubicado en HMV.
Para configurar la VPN, se debe crear un servidor VPN, el cual es el encargado de recibir conexiones entrantes de los clientes VPN que pretendan entrar a la red LAN que se crea gracias a esta conexión. En la Figura 1, se muestra el esquema de conexión VPN óptimo para implementar en el sistema SCADA. La conexión mostrada es la más eficiente, debido a que entre las PCH’s y HMV habría comunicación directa, además solo se tendría que configurar una red. No obstante, por condiciones de seguridad informática, la red corporativa de HMV no puede aceptar conexiones VPN entrantes, sin embargo si se permite tener conexiones VPN salientes.
Con la restricción que HMV no puede ser el servidor VPN, se buscan entonces otras opciones para establecer la conexión VPN, Escogiendo finalmente la mostrada en la figura 3, la cual pretende crear un servidor VPN en cada PCH y desde HMV conectarse como cliente a cada una de las 3 centrales, creando así 3 enlaces VPN. Esta opción suprime la posibilidad de enlazar en una misma red VPN a las 3 PCH’s, sin embargo brinda una comunicación directa y sin saltos entre cada PCH y HMV. Además, en el diseño del sistema SCADA no está considerado el envío de datos entre PCH’s. Es por esto, que la arquitectura de las conexiones VPN es la mostrada en la figura 2.
Fig. 2. Conexión VPN escogida para el sistema SCADA. Nótese la existencia de tres servidores VPN ubicados en las distintas PCH's.
De esta manera, se define una estructura en las comunicaciones que utiliza un canal satelital con mínimo 128 kbps de ancho de banda, utilizando una conexión VPN entre cada PCH y HMV, a través de la cual se establece una comunicación mediante el protocolo de comunicaciones OPC 2.5 DA.
III. DESARROLLO GRÁFICO
A. Software
El software seleccionado para realizar el desarrollo de la interfaz gráfica es WinCC Flexible 2008 Advanced, el cual soporta conexiones OPC [2] y tiene una plataforma de desarrollo orientada a objetos.
WinCC Flexible 2008 Advanced, fue seleccionado como la plataforma de desarrollo para la interfaz gráfica, debido a que proporciona el tiempo de desarrollo más corto, la posibilidad de hacer pruebas funcionales de manera gratuita gracias a que HMV previamente había adquirido la licencia de tal programa para anteriores proyectos y se cuenta con antecedentes dentro de HMV de desarrollos de IHM’s sobre tal plataforma.
B. Distribución de la pantalla
La pantalla del sistema de supervisión a PCH’s está dividida en cinco partes, tal como se muestra en la Figura 3, las cuales son la barra de título, la barra de selección de centrales, la barra de medidas, la barra de navegación entre despliegues y el área de trabajo.
Fig. 3. Distribución de la pantalla del sistema SCADA
La barra de título muestrael logo de HMV Ingenieros, el título SISTEMA DE SUPERVISIÓN PCH’s, el nombre del despliegue que se encuentra activo, la hora y la fecha.
La barra de selección de centrales posibilita seleccionar rápidamente cada una de las diferentes centrales, además permite seleccionar la pantalla de inicio del sistema de supervisión.
La barra de medidas permite visualizar continuamente las variables de potencia y energía de cada central, además de poder visualizar si hay algún estado de alarma en alguna de las PCH.
La barra de navegación entre despliegues, posibilita la selección de los diferentes despliegues de cada central mientras que esta haya sido seleccionada previamente en la barra de selección de centrales. Si en la barra de selección de centrales se selecciona la opción pantalla de inicio en la barra de navegación se podrán ver distintos despliegues que muestran información simultánea de todas PCH. Cada PCH, cuenta con 5 despliegues, los cuales son Unidad, Perfil, Alarmas, Eventos y Tendencias. Además hay 4 despliegues comunes que aplican a las 3 PCH’s, los cuales son Unifilares, Medidas, Alarmas y Ubicación Geográfica.
Finalmente, el área de trabajo, es donde se muestran los diferentes despliegues que se tienen para mostrar bien sean aplicables a las 3 PCH’s o uno en específico para una central.