CAPACITACIÓN EN EL PROTOCOLO
IEC 60870-5-104

 

La capacitación en el protocolo IEC 60870-5-104 permite conocer a fondo la estructura del protocolo, los métodos de comunicación y los tipos de datos disponibles, lo cual es de gran ayuda para identificar problemas.

El personal que realice la capacitación en IEC 60870-5-104 podrá analizar y entender una trama de comunicación.

 

PRACTICAS PARA EL CURSO DE CAPACITACIÓN EN IEC 60870-5-104

Se realizan prácticas enfocadas a la configuración del protocolo en los equipos de la plataforma de pruebas y en el análisis de tramas.

En las prácticas de configuración, se explican cada uno de los parámetros del protocolo IEC 60870-5-104 en base a la teoría enseñada y en las prácticas de análisis se tramas, se observan los datos enviados y recibidos entre los relés de protección, el Gateway, el SCADA y los simuladores de protocolos.

La plataforma de pruebas usado para el curso de capacitación en IEC 60870-5-104 se observa en la siguiente imagen:

training

El simulador de protocolos usado en el curso del protocolo IEC 60870-5-104 , es Axon Test , este simulador y otros simuladores de pruebas se instalan en los portátiles de los participantes, estos paquetes software son sistemas Maestros/Clientes de los relés de protección, es decir se conectan a los relés para enviar y recibir información.

Los simuladores también cuentan con protocolos Esclavo/Servidor, para enviar y recibir información con el SCADA y el Gateway de subestación.

Se dispone de un Switch para conectar los relés de protección, Gateway, SCADA y los portátiles de los participantes.

El Gateway usado para el curso es Axon Exchange y el SCADA es Axon Builder , los cuales son Maestros/Clientes de los relés de protección y de los simuladores, de esa forma el curso cuenta con varios sistemas, que permiten lograr el objetivo deseado.

1. ESTRUCTURA DEL PROTOCOLO.

2. ESPECIFICACIONES DE TRANSMISIÓN.

2.1. CONFIGURACIÓN DE RED.

2.2. CARACTERES DEL FORMATO DEL PROTOCOLO.

2.3. REGLAS DE TRANSMISIÓN.

3. FORMATOS DE TRAMAS DE TRANSMISIÓN.

3.1. FORMATO DE TRAMA.

3.2. ESTRUCTURA GENERAL DE DATOS DE APLICACIÓN.

3.3. ESTAMPA DE TIEMPO

4. FORMATOS DE LA CAPA DE APLICACIÓN

4.1. DEFINICIÓN Y PRESENTACIÓN DE LOS PRINCIPALES ASDUS.

4.1.1. DIRECCIÓN CONTROL.

4.1.2. DIRECCIÓN MONITOR.

5. PROCEDIMIENTOS DE COMUNICACIÓN.

5.1. PROCEDIMIENTOS BÁSICOS.

6. PRÁCTICAS

1. ESTRUCTURA DEL PROTOCOLO.

1.1. ESTRUCTURA DEL PROTOCOLO.

1.2. DEFINICIÓN DE APCI (APPLICATION PROTOCOL CONTROL INFORMATION)

1.2..1. PROTECCIÓN DE PERDIDA Y DUPLICIDADAD DE MENSAJES

1.2.2. CONTROL DE LA TRANSMISIÓN USANDO STAR/STOP

1.3. DEFINICIÓN DE ASDU DEFINIDO EN 60870-5-101

2. ESPECIFICACIONES DE TRANSMISIÓN

2.1. CONFIGURACIÓN DE RED.

2.2. CARACTERES DEL FORMATO DEL PROTOCOLO.

2.2.1. ADQUISICIÓN DE DATOS POR ENCUESTA

2.2.2. TRANSMICIÓN DE DATOS CICLICOS

2.2.3. AQUISICIÓN DE DATOS POR EVENTOS

2.2.4. INTERROGACIÓN GENERAL

2.2.5. SINCRONIZACIÓN

2.3. REGLAS DE TRANSMISIÓN.

2.3.1 SECUENCIAS DE ENVIO

3. FORMATOS DE TRAMAS DE TRANSMISIÓN.

3.1. FORMATO DE TRAMA.

3.1.1. DEFINICIÓN DE LOS TIPOS DE IDENTIFICACION MONITOR.

3.1.2. DEFINICIÓN DE LOS TIPOS DE IDENTIFICACION CONTROL.

3.2. ESTRUCTURA GENERAL DE DATOS DE APLICACIÓN.

3.2.1. DEGLOSAMIENTO POR BYTES DE LOS PRINCIPALES TIPOS DE INFORMACIÓN

3.3. DIRECCIONAMIENTO.

3.4. ESTAMPA DE TIEMPO.

4. FORMATOS DE LA CAPA DE APLICACIÓN

4.1. DEFINICIÓN Y PRESENTACIÓN DE LOS PRINCIPALES ASDUS.

4.1.1. DIRECCIÓN CONTROL.

4.1.2. DIRECCIÓN MONITOR.

5. PROCEDIMIENTOS DE COMUNICACIÓN.

5.1. PROCEDIMIENTOS BÁSICOS.

6. PRÁCTICAS

RESUMEN DEL PROTOCOLO

IEC 60870-5-104


ESPECIFICACIONES DEL PROTOCOLO DE TELECONTROL IEC 60870-5-104

IEC 60870-5-104 (también conocido como IEC 870-5-104) es un estándar internacional, liberado en el año 2000 por el IEC (International Electrotechnical Commission) y basado en la norma IEC 60870 -5-101 .

IEC 60870-5-104 habilita la comunicación entre una estación de control y una subestación eléctrica a través de una red estándar TCP/IP. El protocolo TCP es usado para conexiones orientadas a la transmisión segura de datos.

IEC 60870-5-104 limita los tipos de información y parámetros de configuración definidos en la norma IEC 60870-5-101, lo cual significa que no todas las funciones definidas en IEC 60870-5-101 están soportadas en el IEC 60870-5-104. Por ejemplo, en IEC 60870-5-104 no se soportan las estampas de tiempo cortas (formato de 3 bytes).

La principal ventaja de IEC 60870-5-104 es que establece comunicación a través de una red estándar, lo cual permite la transmisión simultánea entre diferentes dispositivos o servicios.

El protocolo IEC 60870-5-104 es muy usado por sistemas SCADAS, a nivel de Subestación y de Centros de Control, los cuales disponen del driver IEC 60870-5-104 Cliente para comunicarse con equipos Gateways o RTUs que contienen el protocolo IEC 60870-5-104 Server.

 

Definición APCI (Application Protocol Control Information)

Para detectar el comienzo y el fin de cada ASDU (Application Service Data Unit), cada APCI incluye los siguientes elementos: un caracter de inicio, la especificación del la longitud del ASDU y el campo de control, tal como se muestra en la figura 1. Para propósitos de control, el APDU corresponde únicamente a los campos del APCI.

protocolo1

Figura 1. APCI

68H es el carácter de inicio. El segundo campo corresponde a la longitud del cuerpo del APDU, el cual está formado por los cuatro bytes de los campos de control más la longitud del ASDU.

Existen tres diferentes formatos de mensajes en este protocolo, el cual es identificado en el campo de control tal como se muestra en la figura 2, donde se muestra el campo de control para una trama de información (formato I). En las figuras 3 y 4 se muestran los formatos para tramas de supervisión (S) y de control (U). Este campo de control también es utilizado para la implementación de mecanismos para prevenir la pérdida y duplicación de mensajes.

 Campo de Control para Formato I

Figura 2. Campo de Control para Formato I

Campo de Control para Formato S

Figura 3. Campo de Control para Formato S

Campo de Control para Formato U

Figura 4. Campo de Control para Formato U

 

Protección contra Pérdida y Duplicación de Tramas

La figura 5 ilustra un escenario donde se trasmiten tramas tipo I entre dos estaciones y el mecanismo para el reconocimiento en el envío y recepción de tramas.

La nomenclatura utilizada para verificar la integridad de las tramas de comunicación tipo I es la siguiente:

V(S): Envía estado de la variable
V(R): Recibe el estado de la variable
Ack: Indica que el DTE ha recibido correctamente todas las tramas de formato I numeradas arriba, incluyendo la actual.
I(a,b): APDU con formato de información, donde a es el número de secuencias enviadas y b el número de secuencias recibidas.
S(b): APDU con formato de supervisión, donde b es el número de secuencias recibidas.
U: APDU de función de control, no numerada.

Cada formato tipo I enviado reconoce las tramas recibidas por la estación origen, en este ejemplo la estación B envía 3 tramas I e indica que no ha recibido ninguna de este tipo en la estación A. Posteriormente la estación A envías 2 tramas I reconociendo las 3 que ha recibido de la estación B.

Secuencia correcta de tramas I

Figura 5. Secuencia correcta de tramas I

Reconocimiento por trama S

En la norma IEC 60870-5-104 se definen 4 temporizadores para el mantenimiento de la conexión entre las estaciones.
El disparo de uno de estos temporizadores (t2) hace que se envíe una trama tipo S para reconocer los paquetes de información que han llegado, tal como se ilustra en la figura 6.

Envío de tramas S

Figura 6. Envío de tramas S

Temporizadores

IEC 60870-5-104 define cuatro timers para el mantenimiento del enlace.

  • T(0) : Corresponde al timeout para el establecimiento de la conexión.
  • T(1) : Timeout de envío o de APDUs de test.
  • T(2) : Timeout para el reconocimiento en caso de que no lleguen datos
  • T(3) : Timeout para el envío de tramas de test en caso de un estado de inactividad prolongado, esta situación es ilustrada en la figura 7, donde la estación B ha enviado dos tramas I a la estación A y esta las reconoce a través de una trama tipo S.
    Cuando la estación B recibe esta trama de reconocimiento, el temporizador t3 reinicia el conteo. Si se cumple el tiempo y no ha llegado una trama de comunicación desde la estación A, la estación B procede a enviar una comunicación tipo U, para verificar la conectividad con la estación A.

Trama de Test

Figura 7. Trama de Test

Estructura general Datos de Aplicación

La notación para cada ASDU se especifica dentro de un orden jerárquico, el cual ofrece la posibilidad de usar una notación global y especificaciones en diferentes Companion Standard.

Clase de Información Nivel 1:
  • Información Monitor M
  • Información Control C
  • Parámetros P
  • Transferencia de archivos F
Clase de Información Nivel 2:
  • Información Monitor: Single Point Information M_SP, Medidas M_ME
  • Información Control: Double_Command C_DC
  • Parámetros: Parámetros de Medidas P_ME
  • Transferencia de archivos: Directorio F_DR
Clase de Información Nivel 3:

El tercer nivel se usa para diferentes Companion Standards, éste define el tipo específico de ASDU, el uso de Time Tag. La primera letra de este nivel indica si incluye la estampa, la segunda especifica el tipo de dato; cada Companion standard puede definir su propio tipo en orden alfabético. Medidas Normalizadas con tiempo M_ME_TA, Medidas Punto flotante sin tiempo M_ME_NB

Funciones

Las funciones utilizadas en la norma IEC 60870-5-104 son definidas en la especificación IEC 60870-5-5, y permite la comunicación de la estación controladora equivalente al cliente y la estación controlada o servidor.

Inicialización de la estación primaria

Función encargada del establecimiento de la comunicación entre la estación controladora y la estación controlada. Función definida en los apartes 6.1.5 a 6.1.7 de la norma IEC 60870-5-5. El flujo de información en esta función es el expresado en la figura 8, donde la estación maestra inicializa la estación esclava.

Inicialización de la estación

Figura 8. Inicialización de la estación

Adquisición de datos por Polling

La estación controladora puede solicitar el valor de una variable a través de esta función. Está especificada en el aparte 6.2 de la norma IEC 60870-5-5. La figura 9 muestra los mensajes transmitidos entre la estación principal y la secundaria, cuando la primera solicita el estado de un objeto de información desde la segunda.

Adquisición de datos por encuesta

Figura 9. Adquisición de datos por encuesta

Interrogación General

En esta función, la estación controladora pide el reporte de todos los objetos de información definidos en la estación controlada. Especificada en el aparte 6.6 de IEC 60870-5-5. La figura 10 muestra el funcionamiento de la interrogación general, donde la estación primaria hace el requerimiento a la secundaria de un grupo de objetos de información. Para esto, la secundaria debe enviar tramas de reconocimiento ante la solicitud de la primaria y cuando finalice la transmisión de los objetos de información envía una trama que lo indica.

Interrogación General

Figura 10. Interrogación General

Transmisión Cíclica de datos

Con esta función, los objetos de información de la subestación son transmitidos periódicamente hacia la estación de control. No es necesario que la estación controladora solicite la transmisión cíclica de los datos, puesto que esta función es configurada únicamente en la estación controlada, tal como se muestra en la figura 11. La transmisión de estos objetos de información no necesitan tramas especiales de reconocimiento.

Transmisión cíclica de datos

Figura 11. Transmisión cíclica de datos

Adquisición de Eventos

La actualización del valor de los objetos de información en una subestación son automáticamente reportados a la estación controladora. Función definida en el aparte 6.4 de IEC 60870-5-5. La figura 12 muestra la comunicación establecida para la transmisión de eventos desde la estación secundaria hacia la estación primaria. Tampoco son requeridas tramas especiales de reconocimiento.

Transmisión de eventos

Figura 12. Transmisión de eventos

Sincronización de Reloj

Función ordenada por la estación controladora y ejecutada en la estación controlada, tiene como finalidad la sincronización del reloj en la segunda. Está definida en el aparte 6.7 de IEC 60870-5-5. La figura 13 muestra como la estación primaria inicia la sincronización del reloj de la estación secundaria, en este caso, lo hace debido a que un evento reportado desde la estación secundaria difiere en gran proporción del reloj de la estación primaria. Pero no siempre la sincronización del reloj se presenta por este motivo. En muchas ocasiones, se sincroniza el reloj después de inicializar la subestación.

Sincronización de reloj

Figura 13. Sincronización de reloj.

Transmisión de Comandos

Esta función le permite a la estación controladora operar sobre la subestación. Es así como puede fijar consignas analógicas, abrir o cerrar interruptores, seccionadores, en fin, modificar variables en las subestaciones eléctricas. Esta función está definida en la sección 6.8 de IEC 60870-5-5. La figura 14 muestra la comunicación para la transmisión de comandos desde la estación principal hacia la subestación. Muchas de estas comunicaciones son opcionales, de acuerdo a la configuración del sistema, por ejemplo, se hacen opcionales las tramas de terminación de la ejecución del comando.

Transmisión de comandos.

Figura 14. Transmisión de comandos.

Unidad de datos de la capa de aplicación ASDU

El ASDU se compone de un bloque para Datos de Identificador de Unidad y de uno o mas objetos de información, tal como lo muestra la figura 15.

El bloque de datos de identificador de unidad tiene siempre la misma estructura para todos los ASDUs. Los objetos de información de un ASDU son siempre de la misma estructura y tipo, la cual es definida en el campo TYPE IDENTIFICATION.

Unidad de Datos del Servicio de Aplicación (ASDU)

Figura 15. Unidad de Datos del Servicio de Aplicación (ASDU)

Type Identification

Define la estructura, el tipo y el formato del objeto de información. Todos los objetos de información de un ASDU poseen la misma estructura, tipo y formato.

DIRECCIÓN MONITOR:

<1> M_SP_NA_1 (Single-point Information)

<3> M_DP_NA_1 (Double-point Information)

<5> M_ST_NA_1 (Step Position Information)

<7> M_BO_NA_1 (Bitstring of 32 bit)

<9> M_ME_NA_1 (Measured value, normalized value)

<11> M_ME_NB_1 (Measured value, scaled value)

<13> M_ME_NC_1 (Measured value, short floating point number)

<15> M_IT_NA_1 (Integrated Totals)

<20> M_PS_NA_1 (Packet single-point Information w status change detection)

<21> M_ME_ND_1 (Measured value, normalized value w quality descriptor)

<70> M_EI_NA_1 (End of initialization)

Direción Monitor con Estampa de Tiempo:

<30> M_SP_TB_1 (Single-point information with time tag CP56time2a)

<31> M_DP_TB_1 (Double-point information with time tag CP56time2a)

<32> M_ST_TB_1 (Step position information with time tag CP56time2a)

<33> M_BO_TB_1 (Bitstring of bit with time tag CP56time2a)

<34> M_ME_TD_1 (Measured value, normalized value with time tag CP56time2a)

<35> M_ME_TE_1 (Measured value, scaled value with time tag CP56time2a)

<36> M_ME_TF_1 (Measured value, short floating point value with time tag CP56time2a)

<37> M_IT_TB_1 (Integrated Totals with time tag CP56time2a)

<38> M_EP_TD_1 (Event of protection equipment with time tag CP56time2a)

<39> M_EP_TE_1 (Packed start events of protection equipment with time tag CP56time2a)

<40> M_EP_TF_1 (Packed output circuit information of protection equipment with time tag CP56time2a)

DIRECCIÓN CONTROL:

<45> C_SC_NA_1 (Single command)

<46> C_DC_NA_1 (Double command)

<47> C_RC_NA_1 (Regulating step command)

<48> C_SE_NA_1 (Set point command, normalized value)

<49> C_SE_NB_1 (Set point command, scaled value)

<50> C_SE_NC_1 (Set point command, short floating point number)

<51> C_BO_NA_1 (Bitstring of 32 bits)

<100> C_IC_NA_1 (Interrogation Command)

<101> C_CI_NA_1 (Counter Interrogation Command)

<102> C_RD_NA_1 (Read Command)

<103> C_CS_NA_1 (Clock Synchronization Command)

<105> C_RP_NA_1 (Reset Process Command)

Variable Structure Qualifier

Contiene el tipo de secuencia y el número de Information Objects.

SQ: 0 Cada Information Object tiene su respectivo IOA.
SQ: 1 Solo el primer objeto de información tiene IOA, para los demás elementos son los IOA consecutivos.
Number: Número de Objects en el ASDU.

Cause of Transmission:

Especifica el motivo por el cual una trama de información (tipo I) es transmitida.

T  Test.
P/N (0/1) Confirmación Positiva o Negativa.
<1> Periodic, cyclic
<2> Background scan
<3> Spontaneous
<4> Initialized
<5> Requested
<6> Activation
<7> Activation confirmation
<8> Deactivaction
<9> Deactivaction confirmation
<10> Activation termination
<20> Interrogated by general interrogation
<21> Interrogated by group1 - 16

Common Address of ASDU

Está determinada por un parámetro fijo del sistema (1 o 2 bytes), corresponde a la dirección de la estación, tal como lo muestra la figura 16.

Common Address of ASDU (1 byte)

Figura 16. Common Address of ASDU (1 byte)

Information Object Address

La longitud del Information Object Address es de uno, dos o tres bytes, el cual es un parámetro configurado para todo el sistema, como se ve en la figura 17.

Esta dirección es usada como una dirección de destino para tramas en dirección control (desde estación controladora) y como origen en dirección monitor (desde estación controlada).

En todos los casos, el primer byte corresponde al menos significativo. Cuando se configura la dirección con valor cero, se considera que la dirección es irrelevante. Se pueden disponer de todas las demás direcciones posibles.

Information Object Address con 3 bytes

Figura 17. Information Object Address con 3 bytes