articulo - Coordinación de Ingeniería en Computación y Electrónica

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Universidad Iberoamericana
Primavera de 2008
Implementación de protocolo de comunicación basado en DNP3 para
enlazar sistemas de control supervisorio vía inalámbrica con controladores
industriales (PLC)
José Roberto Islas González
Ingeniería Electrónica, Departamento de Ingenierías
Universidad Iberoamericana, Ciudad de México
México D.F, 01210, México.
Marzo 2008
Resumen— *DNP3 es un protocolo de comunicación para sistemas de control supervisorio. Es una implementación de
comunicaciones diseñado para enlazar unidades de control remotas e interfases hombre-máquina (HMI). El presente
trabajo muestra la implementación de las comunicaciones ente un PLC y un HMI. La reinterpretación y posterior
implementación del protocolo se basa en el protocolo DNP3 procurando dar robustez al sistema ante los problemas con los
que un sistema de comunicación inalámbrico de corto alcance se enfrenta en ambientes industriales El modelo de pruebas
enlaza vía BlueTooth un PLC S7-200 de SIEMENS con una HMI que corre un SCADA programado en Labview.
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I. INTRODUCCIÓN
Para poder definir los protocolos de comunicación es
necesario determinar y predecir la estabilidad de dicho
protocolo y cómo éste garantiza la seguridad del enlace, si la
información enviada o recibida llega completa ó simplemente
el tamaño en memoria que ocupan. Al observar las
necesidades con las que debe cumplir un protocolo para su
aplicación en sistemas de control supervisorio y adquisición de
datos (SCADA), se establecen especificaciones concretas que
Distributed Network Protocol (DNP3) satisface pues ha sido
concebido y diseñado para operar en ambientes típicos de la
industria. Adicionalmente DNP3 es una recomendación de
protocolo independiente del medio por lo cual es posible
implementarlo con ciertas adecuaciones a un modelo de
comunicación inalámbrica.
La comunicación inalámbrica será probada implementando
el protocolo sobre bluetooth el cual fue elegido debido a que
los dispositivos portátiles cuentan con esta tecnología. Los
criterios bajo los cuales será evaluado el sistema a desarrollar
son:
1. Costo
2. Integridad de la información
3. Velocidad de transmisión
4. Robustez y
5. Estabilidad en ambientes de trabajo adversos
Bluetooth se utiliza principalmente en un gran número de
productos tales como teléfonos, impresoras, módems y
auriculares. Su uso es adecuado cuando puede haber dos o más
dispositivos en un área reducida sin grandes necesidades de
ancho de banda. Su uso más común está integrado en teléfonos
y PDA's, bien por medio de unos auriculares Bluetooth o en
transferencia de ficheros.
Bluetooth tiene la ventaja de simplificar el descubrimiento y
configuración de los dispositivos, ya que éstos pueden indicar
a otros los servicios que ofrecen, lo que redunda en la
accesibilidad de los mismos sin un control explícito de
direcciones de red, permisos y otros aspectos típicos de redes
tradicionales.
Dada la versatilidad y facilidad para desarrollar interfaces
gráficas de usuario (GUI), utilizamos una para tener un mejor
manejo y entendimiento del programa. Para esto utilizamos
Labview, el cual aporta ventajas sobre el manejo de los
puertos y un mejor desempeño en dispositivos portátiles.
DNP3 es un protocolo abierto y público. Para asegurar
interoperabilidad, la longevidad y el mejoramiento constante,
el grupo de usuarios DNP3 ha tomado la responsabilidad de su
evolución. El comité técnico del grupo de usuarios DNP3
sugirió modificaciones o adiciones al protocolo y después
enmienda la descripción del protocolo según lo dirigido por
los miembros del grupo de usuarios.
DNP3 ofrece flexibilidad y la funcionalidad que va más allá
de protocolos de comunicaciones convencionales. Entre sus
características robustez y flexibilidad DNP3 incluye:
 Opciones de la salida.
 Asegurar la configuración / las transferencias de
archivo.
 Dirección para más de 65.000 dispositivos en un
solo acoplamiento.
Juves 27 de Marzo del 2008; José Roberto Islas González, Ingeniería en
Electrónica y de Comunicaciones; 144966-3.
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 Sincronización de tiempo y acontecimientos con
impresión horaria.
 Mensajes de difusión.
 Confirmación de la transmisión de datos y de la
capa de uso.
DNP3 originalmente fue basado en tres capas del modelo
OSI: capa de uso, capa de transmisión de datos y capa física.
La capa de uso, se basa en los formatos de datos más comunes
que existen.
La capa de transmisión de datos prevé varios métodos de
recuperar datos tales como interrogación para las clases y las
variaciones del objeto. La capa física define lo más
comúnmente posible un interfaz simple EIA-232 o EIA-485.
DNP3 es un protocolo multicapas, ya que asegura la
integridad de los datos. Es multicapas ya que cada capa va
a realizar una función bien definida, y la función de cada capa
es de elegir la opción o la decisión correcta, teniendo en
cuenta que cada capa debe elegir la disminución del flujo de
información a través de las interfaces y la cantidad de capas
debe ser suficientemente para no tener que agrupar funciones
distintas en la misma capa y para que la arquitectura se fácil de
manejar a demás para que no sufra perdidas, con decisiones
erróneas.
(Ver tabla 1 Anexa)
II. PROPUESTA DE DISEÑO
Para poder entender más a fondo cómo es que este
protocolo nos da la seguridad suficiente en una comunicación
inalámbrica hay que ver cómo es el formato de este mismo.
Este formato especifica el uso de un encabezado de 10
bytes, seguido opcionalmente de 16 bloques de datos.
El total de tamaño del mensaje es limitado a 292 bytes, el
cual nos da una capacidad de datos máxima a 250 bytes.
(Ver Tablas 2, 3, 4, 5 Anexa)
El bloque del encabezado está formado por:
Start
2 bytes: 0564(hex).Siempre se comienza con 2 bytes y esta
es la primera forma de seguridad en donde si no se comienza
con 0564 en hexadecimal no se da pie a la siguiente trama de
bytes.
Length
Cuenta de los datos en bytes, esta en el rango de 0-255, 1
byte: FF(hex).Se conoce la cantidad de bits a mandar y a
monitorear y es ahí en donde se coloca la longitud de datos
que se monitorean o controlan. Esto nos ayuda a tener siempre
una constante de cuanta información se maneja y poder
determinar en cierto punto si la información esta completa o
no.
Control
El byte de control nos ayuda a tener un control sobre el
flujo de los datos en la capa física, identificando el tipo, e
identificando la dirección. La interpretación del byte de
control es independiente de la comunicación en cuanto a los
mensajes primarios o si son secundarios.
Esta formado por
1.
2.
3.
4.
5.
6.
La dirección.
Mensaje primario
Cuenta de bits de la trama
Cuenta de bits de la trama valida
BIT de control del flujo de datos
Código de la función principal
(Ver Tabla 6 Anexa)
Destination
2 bytes de la dirección destino
Source
2 bytes de la fuente de la dirección
CRC
2 bytes de redundancia cíclica para detectar errores.
User Data
Cada bloque tiene 16 bytes de datos. El ultimo bloque
contiene 16-1 conforme se va requiriendo, en caso de
tener la trama llena se tendrán 10 bytes de datos.
III. CONCLUSIÓN
Lo importante de este proyecto es el protocolo y la
implementación de este mismo, ya que en un ambiente
industrial la seguridad de los datos es de las cosas más
importantes. Los medios por los cuales desplegamos la interfaz
gráfica y los medios de comunicación pasan a un segundo
plano.
La aplicación para la cual va a ser implementado este
protocolo no es de suma importancia ya que esta puede ser
cualquier método o sistema en la industria, lo que importa
realmente es cuanta información o datos van a ser empleados
ya que forma parte de la trama del protocolo DNP3 ya que
usamos parte de la información a monitorear o controlar para
hacer el código de detección de error.
IV. PALABRAS CLAVE
 Acoplamiento
Conexión entre dos circuitos eléctricos, con transferencia de
energía de uno a otro.
 Difusión
Propagación de algo, especialmente de un conocimiento o
de una noticia.
 DNP3
Distributed Network Protocol, set de protocolos para
comunicaciones usados en sistemas de automatización.
 Enlace
Unión, conexión de una cosa con otra.
 Header
Iniciador, encabezado, cabecera.
 Integridad
Total plenitud
 Interoperabilidad
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Capacidad de comunicación entre diferentes programas y
máquinas de distintos fabricantes.
 Longevidad
Larga duración.
 PLC
Controlador lógico Programable. Dispositivos electrónicos
muy usados en Automatización Industrial.
 Protocolo
Lista de comandos estandarizada a la que responde un
servidor.
 Redundancia
Repetición de una información ya dada en el mensaje.
 Robustez
Fuerza, vigor, resistencia.
 SCADA
Supervisory Control and Data Acquisition
V. REFERENCIAS
[1]
Gordon Clarke, DEon Reynders, Modern SCADA Protocols: DNP3,
60870.5 and related Systems.
[2] http://www.dnp.org/
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