Convertidores de medios y servidores seriales en subestaciones

Qué es y dónde está

Muchas subestaciones e industrias tienen relés, medidores, reguladores y equipos de servicios auxiliares que solo hablan por puerto serie. Para integrarlos al controlador de bahía, a la RTU o gateway o a la red de comunicaciones de subestación se usan dos tipos de equipos:

• Convertidor de medios: cambia el medio físico sin tocar los datos. Por ejemplo, RS-232 a RS-485, RS-485 a fibra, o Ethernet de cobre a fibra.
• Servidor serial (serial device server): lleva uno o varios puertos serie a una red Ethernet IP.

Van en los tableros de protección y control, en la casa de control o en los tableros de servicios auxiliares, alimentados desde la batería de la subestación.

Partes principales

• Puertos serie RS-232, RS-422 o RS-485, con borneras o conectores.
• Puertos de fibra (vidrio o plástico) o Ethernet.
• Interruptores o ajustes de terminación, polarización y modo de dos o cuatro hilos.
• Aislamiento galvánico entre el puerto serie y la alimentación, en los modelos industriales.
• Firmware con modos de operación y, en algunos, conversión de protocolo.

Cómo funciona

RS-232 es punto a punto, para distancias cortas, con señales referidas a tierra. No lleva terminación.

RS-485 es un bus balanceado multipunto: varios equipos comparten un par trenzado y transmiten por turnos, normalmente en dos hilos (semidúplex). La especificación de Modbus sobre línea serie fija reglas útiles para cualquier bus RS-485:

• Un troncal con derivaciones cortas, nunca de más de 20 m.
• Terminación en ambos extremos: una resistencia de 150 Ω, o mejor 120 Ω en serie con un condensador de 1 nF cuando el bus se polariza.
• Polarización en un solo punto del bus, normalmente en el maestro, con resistencias de 450 a 650 Ω. Los demás equipos no deben polarizar.
• Hasta 32 equipos sin repetidor; más solo si los fabricantes lo documentan.
• Longitud de hasta 1000 m a 9600 baudios con cable AWG 26 o más grueso.
• Conductor común que une todos los equipos, puesto a tierra de protección preferiblemente en un solo punto.

Protocolos serie. Modbus RTU separa las tramas por un silencio de al menos 3,5 caracteres, y por encima de 19 200 baudios la especificación recomienda tiempos fijos. Su paridad por defecto es par. IEC 60870-5-101 es telecontrol sobre enlaces serie; IEC 60870-5-103 es el estándar acompañante para la interfaz de equipos de protección, con capa física por fibra o RS-485. DNP3 (IEEE 1815) también funciona sobre enlaces serie.

Servidor serial. Recibe los bytes del puerto serie y los envía por TCP o UDP. Los modos habituales son puerto COM virtual (el software del computador ve un puerto serie local), servidor TCP, cliente TCP y UDP. Algunos modelos convierten protocolos, por ejemplo Modbus RTU a Modbus TCP, lo que es más robusto que el túnel transparente cuando el protocolo depende de silencios entre tramas.

Variantes y criterios de selección

• Convertidor RS-485 a fibra punto a punto, en estrella o en anillo, para unir tableros o edificios.
• Convertidor Ethernet de cobre a fibra para llevar un IED a un switch lejano.
• Servidor serial de uno o varios puertos.
• Gateway de protocolo, cuando hay que convertir y no solo transportar.

Se elige por el número de puertos, el protocolo, la distancia, el aislamiento, la alimentación disponible y el ambiente. Para sitios de subestación conviene exigir ensayos para ambiente de subestación, como los de IEC 61850-3 o IEEE 1613, igual que para un switch Ethernet de subestación.

Datos clave de especificación

• Interfaces serie y velocidades admitidas.
• Fibra: tipo, longitud de onda, conector y alcance.
• Aislamiento galvánico del puerto serie.
• Ajustes de terminación y polarización accesibles.
• Modos de servidor serial y conversión de protocolo.
• Rango de temperatura y alimentación de corriente continua.

Integración con protección y control

Los datos de estos equipos llegan al gateway o al controlador de bahía, que los publica hacia el SCADA o los convierte a IEC 61850. Conviene supervisar la comunicación con cada equipo serie: si un relé deja de responder, el gateway debe generar una alarma, no conservar en silencio el último valor.

Pruebas en puesta en servicio y mantenimiento

• Parámetros iguales en todos los equipos del bus: velocidad, paridad, bits de parada y direcciones únicas.
• Resistencia del bus con todo apagado: con dos terminaciones de 120 Ω se miden unos 60 Ω entre los dos hilos.
• Tensión diferencial en reposo, que confirma la polarización.
• Captura del tráfico con un analizador o monitor de puerto para ver tramas, respuestas y tiempos de espera.
• Punto a punto de cada señal hasta el SCADA.

Fallas comunes y qué revisar primero

• Hilos A y B invertidos: la nomenclatura cambia entre fabricantes; la especificación de Modbus los llama D0 y D1.
• Falta de terminación en buses largos o terminación en puntos intermedios.
• Polarización en varios equipos a la vez.
• Dos maestros en el mismo bus.
• Tiempos de espera cortos del maestro al pasar por un servidor serial.
• Puertos dañados por lazos de tierra entre tableros con distinta referencia: usar fibra o equipos aislados.

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Referencias

• Modbus Organization, MODBUS over Serial Line Specification and Implementation Guide V1.02.
• TIA-485-A: características eléctricas de generadores y receptores para sistemas multipunto balanceados.
• IEC 60870-5-101 e IEC 60870-5-103: telecontrol y estándar acompañante para equipos de protección.
• IEEE 1815: protocolo DNP3.
• IEC 61850-3 e IEEE 1613: equipos de comunicación en subestaciones.

Preguntas frecuentes