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Consejo Nacional para el Entendimiento Público de la Ciencia.

Telecontrol sobre TCP/IP


Alejandro Israel Barranco Gutiérrez + Centro De Investigación En Ciencia Aplicada Y Tecnología Avanzada, I. P. N; José De Jesús Medel Juárez + Centro De Investigación En Computación, Instituto Politécnico Nacional; Daniel Sánchez Guzmán + Centro De Investigación En Ciencia Aplicada Y Tecnología Avanzada, I. P. N

1. Introducción
En un sistema de Telecontrol Digital es necesario contar con un sistema de comunicación que transporte las señales digitales de referencia o de mando como se ilustra en la Figura 1., desde el lugar donde se originan estas, hasta el lugar donde se encuentra la variable de salida a controlar.
Debido a que se necesita monitorear a distancia el comportamiento del sistema a controlar para saber de forma automática dentro de un intervalo de tiempo si realmente se esta realizando la actividad requerida para su “adecuada” evolución y la interacción de las actividades que componen el proceso y el sistema telemático.
Para transportar las señales de monitoreo y control por una red, puede utilizarse a la familia de protocolos TCP/IP, debido a las ventajas generadas dada su alta difusión.
El uso de la familia de protocolos TCP/IP en una red ahorra trabajo a quien quiere realizar el monitoreo y control a distancia, porque solo es necesario aprender a utilizar este sistema de comunicación para controlar un sistema digital a distancia sin tener que diseñar reglas que cumplan con los requisitos necesarios para entablar una comunicación entre sistemas de comunicación comerciales y sistemas de comunicación propietarios. Quedando tan solo representada la comunicación por un canal de comunicación entre los sistemas físico y de monitoreo-control.

Figura 1. Ilustración del sistema de telecontrol
En general los sistemas de telecontrol digital utilizan un sistema de comunicación dedicado para el sistema real a controlar o monitorear, por ejemplo “iPod Remote Control Protocol” (Apple Corp, 2002), “Musical Instrument Digital Interface MIDI (autumn, 1981)” que es el protocolo de comunicación serial para controlar sistemas electrónicos musicales, DMX (protocolo para el control de eliminación de escenarios) etc. El más general de estos protocolos es el protocolo de comunicación serial por cable RS232; pero este sistema tiene limitaciones de distancia en sus especificaciones (máximo 12 metros entre emisor y receptor). Por lo tanto es necesario analizar el funcionamiento del telecontrol por medio de la familia de protocolos TCP/IP, debido a la gran cantidad de redes de comunicación que están convergiendo a la utilización de este sistema de comunicación.

2. Sistema de Telecontrol

El sistema de Telecontrol estudiado consta de un generador de señales de referencia que se encuentra en un lugar A, un sistema de control en lazo cerrado local situado en un lugar distinto de A, llamado B y un sistema de telecomunicación digital que comunica el generador de señal de referencia con el sistema de control; es decir, el sistema de telecomunicación transporta las señales de referencia generadas en el lugar A, hasta el lugar B como se muestra en la Figura 2. Dos características muy importantes en el sistema de comunicación son: a) El retardo de la señal (tiempo de viaje de la señal desde el lugar A al lugar B), b) Ancho de banda del canal de comunicación.

Figura 2. Diagrama general a bloques del sistema de telecontrol
El retardo de la señal depende de la distancia entre el Lugar A y el Lugar B y de la tecnología empleada en el sistema de telecomunicaciones. Mientras que el ancho de banda es una característica necesaria en un sistema de telecomunicación, para saber si la señal de referencia puede ser transportada por el sistema de telecomunicaciones.

2.1 Sistema de Telecomunicación
La Familia de protocolos TCP/IP es un conjunto de reglas que deben cumplirse en un sistema de comunicación digital. Esta familia de protocolos esta organizada en 5 capas interconectadas entre si de manera subsiguiente como se muestra en la Figura 3. Cada capa se comunica de manera bidireccional con la capa siguiente. Este modelo de capas tiene la finalidad de que cada una de estas sean independientes entre si. Es decir; podemos cambiar de tecnología en cada una de las capas cuando sea necesario sin necesidad de cambiar las capas adyacentes. Este sistema modular de comunicación permite que en la capa física por ejemplo podamos utilizar diferentes medios de comunicación (como el medio inalámbrico, alámbrico o por fibra óptica) sin hacer cambios en la lógica de utilizar el sistema global de comunicación digital.

Figura 3. Comunicación bidireccional entre 2 sistemas que cumplen con el protocolo TCP/IP en todas sus capas.
En este trabajo se utiliza la familia de protocolos TCP/IP desde la capa de Hardware hasta la capa de transporte y construir la capa de aplicación que es la necesaria para nuestra aplicación en el sistema de telecontrol. Las reglas que se utilizan para el transporte, son llamadas sockets ó zócalos. Los sockets son puntos de conexión para comunicación de sistemas digitales en la capa de transporte y así acceder a las demás capas de la familia TCP/IP. Los requerimientos de los sockets son:
Dirección del Host, Número de puerto a utilizar y protocolo de la capa de transporte a utilizar. La dirección del Host, comúnmente es conocida como dirección IP, el puerto es un número de 16 bits que indica el canal de comunicación de 61512 canales, que se utiliza (Douglas E., 2006). Y se puede elegir entre los protocolos TCP[2] y UDP[3] principalmente.
2.2 Sistema de control.
El sistema de control de acuerdo a la Figura 1., esta formado por un sistema de control en lazo cerrado como el que se muestra en la Figura. 4., donde la señal de referencia es la señal deseada para nuestra variable de salida. La variable de salida puede ser una velocidad, posición, una frecuencia, una ganancia, etc. La planta es el sistema actuador que provoca la salida en base a una señal de entrada como la de un motor (Aniball, 2001), siendo su señal de entrada la corriente eléctrica y la señal de salida descrita por la velocidad de la flecha Figura 5. A la salida de la planta se cuenta con un sensor que monitorea si el valor de la salida. Después el valor monitoreado se compara con la señal de referencia para crear una señal de error que será enfatizada en amplitud y en tiempo (Medel, 2005) para poder regular la señal insertada a la planta (ver la Figura 1.).

Figura. 4. Diagrama a bloques de un sistema de control retroalimentado local
Figura 5. La flecha del motor se mueve de forma angular al proporcionarle energía eléctrica en sus terminales.
3. Requerimientos para acoplar el sistema de telecontrol.
 Un requerimiento muy importante es que el ancho de banda de la señal de referencia sea menor o igual al ancho de banda del soportado por el sistema de telecomunicación.
 El retardo de la señal debe estar dentro de la tolerancia permitida por las características de la aplicación en la cual se utilizara el telecontrol.
4. Características importantes de TCP/IP para el Telecontrol.
El ancho de banda de un sistema de telecomunicación basado en las reglas TCP/IP esta especificado por la capa física del mismo. En general el ancho de banda libre para utilizarse en la capa de aplicación, con respecto al ancho de banda de la capa física es del 94% el otro 6% es utilizado para transportar el llamado OVERHEAD (Grupo ICE, 2006), que son los datos de control y datos de direccionamiento y chequeo de la fiabilidad de comunicación.
El retardo de la señal para viajar desde el generador de la señal de referencia hasta el lugar donde se encuentra el sistema de control en lazo cerrado local depende de la distancia entre el lugar A y el lugar B (ver la Figura 2.), del ancho de banda de la capa física del protocolo TCP/IP.
5. Conclusión
El protocolo de Internet (TCP/IP) puede utilizarse en un sistema de Telecontrol Digital, debido a que cuenta con la infraestructura necesaria para comunicar datos digitales de manera bidireccional y multicanal con 61512 canales bidireccionales (puertos) a un ancho de banda que depende de su capa física y que puede adaptarse al ancho de banda necesario de acuerdo con las necesidades del sistema de control utilizado. La ventaja es que solo necesitamos utilizar una capa física como la ADSL, fibra óptica, o una red ethernet; cargar los protocolos ya implementados en la mayoría de los lenguajes de programación y utilizar las conexiones del sistema de telecomunicaciones TCP/IP llamados Sockets, para realizar el telecontrol. En general es una tecnología que puede utilizarse debido a la gran efectividad con que cuenta, ya que tiene una eficiencia del ancho de banda del 96% y garantiza que los datos lleguen a su destino.

Fuentes.
Cómo citar este artículo ISO690.
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Telecontrol sobre TCP/IP .

Divulgadores. Alejandro Israel Barranco Gutiérrez + Centro De Investigación En Ciencia Aplicada Y Tecnología Avanzada, I. P. N; José De Jesús Medel Juárez + Centro De Investigación En Computación, Instituto Politécnico Nacional; Daniel Sánchez Guzmán + Centro De Investigación En Ciencia Aplicada Y Tecnología Avanzada, I. P. N.

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