Resumen: Este webinar presenta un recorrido histórico de los principales protocolos de comunicación y estándares que han marcado la evolución de la automatización de subestaciones eléctricas. Puntualmente, se abordan aspectos del protocolo Modbus, la norma IEC 60870-5 y finaliza con en lo que se considera el estándar más completo para la automatización de subestaciones eléctricas: IEC 61850. El objetivo de esta presentación es conocer algunas de las particularidades de las tecnologías y conceptos que dan vida a la norma IEC 61850.
Modbus
Modbus es uno de los primeros protocolos que alcanzó gran aceptación en la industria. Fue diseñado por la empresa Modicom a finales de los 70s. Actualmente, es un protocolo gratuito y público de fácil implementación y demanda bajo requerimiento de cómputo.
Se arquitectura es maestro-esclavo, cuando se habla de canales seriales (RTU) o cliente / servidor en TCP/IP. El maestro o cliente debe hacer realiza peticiones o interrogación sobre el esclavo o servidor para lograr obtener información.
Los Tipos de Datos
Modbus fue diseñado para permitir el acceso a bloques de memoria de los dispositivos por lo que sus tipos de datos son bits y palabras. A continuación se detallan específicamente:
|
Tipo de objeto |
Acceso |
Tamaño |
|
Discrete input |
Solo leer |
1 bit |
|
Coil |
Leer / escribir |
1 bit |
|
Input register |
Solo leer |
16 bits |
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Holding register |
Leer / escribir |
16 bits |
Cada vez que se requiere encuestar información, se necesita preguntar por alguno de estos 4 tipos de datos; además, es necesario indicar el inicio y el final del bloque de datos encuestados. El maestro/cliente es quien establece cada cuanto tiempo consulta al esclavo/servidor por la información, tal como se indica en la siguiente imagen obtenida de la configuración en nuestro simulador de protocolos Axon Test.
Respecto al flujo de información, Modbus transmite la información de forma muy básica, su mensaje está compuesto de cuatro campos:
- Dirección del dispositivo: identificador del dispositivo al cual estamos escribiendo o de quien recibimos información.
- Código de función: indica la acción a realizar. Existen distintos códigos según el tipo de dato que se quiere leer o escribir.
- Datos: Indica la información que se quiere obtener o en el caso del esclavo y cuál es la información que me está respondiendo.
- Verificación de errores: Es a nivel de canal.
A continuación se muestra un ejemplo de una red donde hay un maestro Modbus, puede ser una IHM, Gateway de comunicaciones o Centro de Control. Para obtener la información, generalmente se comunica mediante RS-232 y hace uso de un conversor RS-485 para obtener información del canal.
En la ilustración se puede observar una red RS-485 compuesta por 4 dispositivos. Para poder obtener información de esta red, básicamente lo que hace el maestro es enviar una pregunta a cualquiera de los IEDs, como es un bus todos van a recibir la misma información pero solamente responde a quien corresponda la Dirección del dispositivo. De la misma manera todos los IEDs pueden ver la respuesta, pero solamente la procesa el maestro que realizó la solicitud
Algunos de los problemas más comunes que se presentan en configuraciones con este protocolo son: 1) desconocimiento del formato en el que se está enviando la información generando errores de conversión; 2) consumo de ancho de banda ya que constantemente se están solicitando los mismos valores y no necesariamente la información ha cambiado, provocando saturación del canal; y 3) pérdida de información a causa del modelo de comunicación basado en peticiones, sobre las que se reporta el último estado conocido de la señal, creando tiempos muertos donde es posible la pérdida de información por cambios rápidos de eventos.
Cambios al modelo TCP/IP
El modelo TCP/IP está conformado por 4 factores:
- Canal: Ethernet
- Red: IP
- Transporte: TCP
- Datos: Información
El cambio se presenta en la verificación de errores que se realiza por Ethernet, adicionalmente se ingresa una secuencia que permite verificar las encuestas con sus correspondientes respuestas.
IEC 60870-5-101
Dadas las limitaciones en la capacidad de las redes de comunicaciones que existían en su momento, la IEC (Comisión Electrotécnica Internacional) promueve a nivel europeo un protocolo estándar que no solo optimiza el ancho de banda, sino que incluye tipos específicos de datos y cuenta con un control de calidad y estampa de tiempo, denominado IEC 60870-5-101.
En este protocolo se tiene 2 formas de transmitir la información: balanceado y no balanceado.
El modo balanceado se usa cuando son canales full duplex por ejemplo RS-422 o Ethernet. No se requiere de control de tráfico y el esclavo puede enviar un evento sin ser solicitado.
En el modo no balanceado se crea un control de tráfico a través de encuestas, consultando únicamente por nuevos eventos. Se usa cuando existen muchos equipos en un medio compartido.
Tipos de datos
Monitoreo del proceso
|
<0>:= not defined |
|
|
<1>:= single-point information |
M_SP_NA_1 |
|
<2>:= single-point information with time tag |
M_SP_TA_1 |
|
<3>:= double-point information |
M_DP_NA_1 |
|
<4>:= double-point information with time tag |
M_DP_TA_1 |
|
<5>:= step position information |
M_ST_NA_1 |
|
<6>:= step position information with time tag |
M_ST_TA_1 |
|
<7>:= bitstring of 32 bit |
M_BO_NA_1 |
|
<8>:= bitstring of 32 bit with time tag |
M_BO_TA_1 |
|
<9>:= measured value, normalized value |
M_ME_NA_1 |
|
<10>:= measured value, normalized value with time tag |
M_ME_TA_1 |
|
<11>:= measured value, scaled value |
M_ME_NB_1 |
|
<12>:= measured value, scaled value with time tag |
M_ME_TB_1 |
|
<13>:= measured value, short floating point number |
M_ME_NC_1 |
|
<14>:= measured value, short floating point number with time tag |
M_ME_TC_1 |
|
<15>:= integrated totals |
M_IT_NA_1 |
|
<16>:= integrated totals with time tag |
M_IT_TA_1 |
Control del proceso
|
<45>:= single command |
C_SC_NA_1 |
|
<46>:= double command |
C_DC_NA_1 |
|
<47>:= regulating step command |
C_RC_NA_1 |
|
<48>:= set point command, normalized value |
C_SE_NA_1 |
|
<49>:= set point command, scaled value |
C_SE_NB_1 |
|
<50>:= set point command, short floating point number |
C_SE_NC_1 |
|
<51>:= bitstring of 32 bits |
C_BO_NA_1 |
Monitoreo del sistema
|
<70>:= end of initialization |
M_EI_NA_1 |
Control del sistema
| <100>:= interrogation command | C_IC_NA_1 |
| <101>:= counter interrogation command | C_CI_NA_1 |
| <102>:= read command | C_RD_NA_1 |
| <103>:= clock synchronization command | C_CS_NA_1 |
| <104>:= test command | C_TS_NA_1 |
| <105>:= reset process command | C_RP_NA_1 |
| <106>:= delay acquisition command | C_CD_NA_1 |
Calidad
| OVERFLOW/NO OVERFLOW |
| BLOCKED/NOT BLOCKED |
| SUBSTITUTED/NOT SUBSTITUTED |
| NOT TOPICAL/TOPICAL |
| INVALID/VALID |
Estampa de tiempo
Estructura del mensaje
La siguiente figura muestra la estructura de mensajes que se utiliza para el protocolo IEC 60870-5-101.
IEC 60870-5-104
Similar a lo que pasó con modbus y su adaptación a redes Ethernet, el protocolo IEC 60870-5-104 surge de la necesidad de implementar el uso del medio TCP/IP en el protocolo IEC 101. En general, este protocolo conserva la mayoría de tipos de datos y funciones que se definen en su predecesor.
Estructura del protocolo
Permite establecer si la información es válida para ser procesada
APCI
Cabecera en aplicación, permite enviar diferentes mensajes evitando los problemas de respuestas. El APCI maneja 2 secuencias: una de envío y otra de recepción. En la siguiente imagen se ve un ejemplo:
IEC 61850
Surge de la experiencia acumulada de los estándares europeos y americanos (particularmente de la UCA 2 y DNP3). Pero, ¿Qué se estandariza?
- Se estandariza el bus de comunicaciones
- Las diferentes comunicaciones para realizar cada servicio en la subestación
- El tiempo de respuesta para cada servicio
- Un lenguaje de configuración por medio de archivos para asegurar interoperabilidad
- Se normaliza la estructura de datos de los equipos que pertenecen a la subestación
Modelado
Todas las partes de la subestación se representan dentro de un mundo virtual formado principalmente por nodos lógicos que se agrupan de dispositivos lógicos. Adicionalmente se tienen los servicios, que indica cómo es la comunicación entre los diferentes nodos lógicos. Esta estructura es descrita a través de un lenguaje XML llamado SCL (Substation Configuration Language).
Mapeo de la información
Además de contar con el SCL, la norma define las clases y tipos de datos datos que complementan los datos asociados con cada nodo lógico, así como los servicios que se soportan para cada tipo de objeto. Este mapeo de servicios se aterrizan principalmente a tres protocolos: MMS, Goose, Sampled Values. Sin embargo, la norma propone el uso de otros estándares para completar el modelo de arquitectura idónea.
Los protocolos Goose y Sampled Values fueron creados para transmitir valores de estados y medidas que requieren un manejo de tiempo real, por lo que se diseñaron como protocolos que solo tienen hasta nivel de enlace del modelo de referencia OSI.
Desde que en el año 2001 se liberaron los primeros capítulos de la norma IEC 61850 esta no ha parado de ser actualizada, aunque oficialmente se conocen dos versiones de la misma. Algunas diferencias de la norma se resumen en https://axon.webdominiohosting.com.co/conoce-las-diferencias-entre-la-edicion-1-y-edicion-2-del-estandar-iec-61850/.
Oficialmente el estándar se divide en los siguientes 10 capítulos:
Ponente: Ing. Benito Alonso Rojas R. Especialista en protocolos de telecontrol, Axon Group
