Tesis Recoleccion de Datos en Pozos Petroleros

UNIVERSIDADSIMNBOLVAR

DecanatodeEstudiosProfesionales

CoordinacindeElectrnica

RecoleccinInalmbricadeDatosdeSensoresen

PozosPetrolerosdeBajaProduccin

Por

LuisGerardoRoaHarris

Sartenejas,enerode2007






Por


RealizadoconlaAsesorade

Lic.RicardoGonzlez

Ing.GerardoFernndez

InformeFinaldeCursosdeCooperacinTcnicayDesarrolloSocial

PresentadoantelaIlustreUniversidadSimnBolvar

comorequisitoparcialparaoptaralttulodeIngenieroElectrnico







InformeFinaldeCursosdeCooperacinTcnicayDesarrolloSocial presentadopor


REALIZADOCONLAASESORIADELic.RicardoGonzlezeIng.GerardoFernndez

RESUMEN

Elpresentetrabajoestudialafactibilidaddeimplementarredesinalmbricasdesensores

enelambientedeproduccindelaindustriapetrolera,atravsdelanlisisderequerimientos

de instrumentacin en pozos petroleros de distintasmodalidades de extraccin, as como el

anlisisde los factoresquepudiesen impedir la transmisindedatos.Para lograr realizar el

estudiodefactibilidadpreviamentemencionado,serealizaronpruebasconunainstalacinde

redbsica,bajocondicionesespecficasyanlogasaaquellaspresentesenunpozopetrolero.

De esta manera se evalu el comportamiento de la red instalada, manipulando distintos

factoresquepudiesencausarvariacioneseneldesempeodelared.Finalmente,sepresentan

losresultadosobtenidosdelaspruebasrealizadas,ascomolasconclusionesderivadasdelos

mismos.

PALABRASCLAVES

Instrumentacin, redes inalmbricas, ZigBee, nesC, sistemas embebidos, control

inalmbrico,petrleo,reduccindecostos.


ParamipequeafamiliaenValencia:Gerson,Romy,Joa, JunioryBongo,

ParamifamiliaenlaUSB:Saisberg,ngel,Hngaro,Angelo,Uru,PapOso, Vince,

Aquiles,Nubia,Maripepi,ElNegro ,Juanvi,Chechi,

ParamigranfamiliaenCaracas:Lichi,Anita,Tabi,Kevy,Mau,Aquiles,Cori,Csar,

Carlitos,Dios,Alejo,David,Itsvan,Diego,Sindie,Titi,yunlargoetc

Enresumen,paramisfamilias

AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, agradezco a mi tutor industrial Ricardo Gonzlez por haber puesto

anunciosdelproyectoenvariasparedesdelaUSB,porrespondermisemailsyaceptarmeen

elproyecto.Tambinobviamenteporsututoradurantetodalapasanta,por losconsejosen

momentosacertadosylosregaosenmomentosmeritorios.

Luego,agradezcoamireincidentetutoracadmicoGerardoFernndezpornuevamente

haber impuesto su estilo de tutora Si vas mal me avisas garantizndole menos

preocupaciones,yammstrabajo.En losverdaderosmomentosdenecesidadsupresencia

fuemsquegrata.

Agradezco a mi familia, la pequea de Valencia, por haber dado seguimiento a la

pasanta a punta de preguntas cada vez que los visitaba. Sin ese constante interrogatorio

probablementenohubiesellevadounregistrotandetalladodelprocesodetrabajo.

Agradezco a Mauricio Angeli, quin hizo su pasanta al mismo tiempo que yo y se

convirti en un gran aliado vaMSNcasi todos los das. Siempreme recordaba lomismo:

Esqunotienesnadaquehacer?TRABAJA.Casualmenteyotambinledecalomismo.

Finalmente, agradezco a Ana Vsquez, quin de manera ms espordica apareca en

MSNparapreguntarme como iba,queme faltaba,comome senta, etc.Comosiempre, fue

unagranayudaenmomentosfrustrantesydifciles.

NDICEGENERAL

Captulo1:Introduccin 1

Captulo2:ObjetivoyFases 4

Captulo3:FundamentosTericos 6

3.1. Radiofrecuencia 8

3.1.1.FundamentosdeRadiocomunicaciones 8

3.1.2. TcnicasdeEspectroDisperso 15

3.2. Capturadeinformacin 18

3.2.1.ConceptosBsicos 18

3.2.2.MediosdeTransmisin 20

3.2.3. SistemasdeadquisicinSCADAyDCS 21

3.3. RedesInalmbricasdeSensores 24

3.3.1.CaractersticasdeunaRIS 24

3.3.2. Topologa 25

3.3.3. EstndaresdeRIS 26

3.3.4.ModeloFuncionalparaRIS 35

3.4. AlgunasaplicacionesactualesdeRIS 41

3.4.1. IndustriaenGeneral 41

3.4.2. IndustriadePetrleoyGas 42

3.4.3.AgriculturayMedioambiente 44

3.4.4. Seguridadydefensamilitar 45

3.5. Mtodosbsicosdeproduccindepetrleo 47

3.5.1. ProduccindeFlujoNatural 47

3.5.2. ProduccinporBombeoMecnico 47

3.5.3. ProduccinporBombeodeCavidadProgresiva(BCP) 49

Captulo4:Desarrollodelasfasesdelproyecto 52

4.1. Identificaryestudiarlosparmetrosdeoperacindelospozos,ascomolos

mtodosyestrategiasaemplearpararecolectarlosmismos 52

4.1.1. Estudiodeparmetrosamedir 53

4.1.2. Identificacindelossensoresaemplear 55

ii

4.1.3. Pruebadeoperacindelossensores 58

4.1.4.Recoleccindedatosensituacionescontroladas 58

4.2. Identificaryestudiarlosfactoresqueintervienenenlatransmisininalmbricade

losparmetrosdeoperacindelsistemaenestudio 60

4.2.1. EstudiodelEspectroutilizadoylasbandasISMdisponibles 60

4.2.2.Anlisisdelosfactoresderiesgoenlatransmisininalmbrica 61

4.2.3. Identificacinyestudiodeposiblesfuentesdeinterferencia 62

4.3. Aplicacindelasestrategiasidentificadasenunprototipodeadquisicindedatos

delsistemaenestudio 63

4.3.1.DiseodeunaarquitecturadeRIS 64

4.3.2. Pruebaoperativadeenvodedatosdelossensores 66

4.3.3. Pruebasdeestrsdelsistema 67

4.4. Documentacindelasolucinyelaboracindeinforme 67

4.4.1.Documentacindelainstalacin 67

4.4.2.Documentacindeprogramasempleados 68

4.4.3.Descripcinydocumentacindelprototipoutilizado 72

Captulo5:ProtocolodePrueba 74

5.1. PruebadealcancelinealconTmoteSky 75

5.2. PruebadealcanceradialconTmoteSky 76

5.3. PruebadealcanceconTmoteInventyTmote Sky,condiferenciadealtura 77

5.3.1.Configuracin#1 77



5.4. Pruebadesistemadetuberas 78




Captulo6:ResultadosyDiscusin 85

6.1. ResultadosdealcancelinealconTmoteSky 85

6.2. ResultadosdealcanceradialconTmoteSky 90

6.3. ResultadosdealcanceconTmoteInventyTmoteSky,diferenciadealtura 93

iii




6.4. Resultadosdesistemadetuberas 96




Captulo7:ConclusinyRecomendaciones 101

Captulo8:ReferenciasBibliogrficas 103

Captulo9:Bibliografa 106

iv

NDICEDETABLASYFIGURAS

Tablas:

1.Bandasdeespectroradioelctrico 9

2.Fuentesderuidomssignificativas 12

3. Estndaresdetransmisinanalgicosydigitales 21

4. Perfilesparaeldesarrollodeaplicaciones 29

5. Paquetedetransmisindenodos 65

6.ResultadosPrueba5.1 85

7.ResultadosPrueba5.2 90

8.ResultadosPrueba5.3.1 93






Figuras:

1. Propagacinapartirdeantenasisotrpicas 11

2. InterferenciaCoCanal 13

3. InterferenciaCanalAdyacente 13

4. SealesFHSS 16

5.ComparacinentresealbandaestrechayDSSS 17

6. Sistemadecontroldelazocerrado 19

7.ArquitecturaSCADAtpica 22

8.CapasdelmodeloBluetooth 27

9.CapasPHYyMAC(IEEE802.15.4)ycapasMWKyAPL(ZigBeeAlliance) 32

10. SupertramadesincronizacinportiempoenMAC 34

11. SistemadeBombeoMecnico 48

12. SistemadeBCP 50

13.Detalledeunabombadecavidadprogresiva 51

14. SensordepresinHoneyWellSerieSPT 56

v

15. SensordetemperaturaHoneyWellHEL716T11200 56

16. SensoresdecorrienteHoneyWellCSNA111 56

17. SensordeultrasonidoHoneyWell 946A4V2D2C065E 57

18. SensordepresinRoseMount1151 57

19. SensordetemperaturaRoseMount1131 58

20.Ubicacinpararecoleccindedatosensituacionescontroladas 59

21. Esquemadeverificacinderecepcin 66

22.DiagramadelaclaseInterfaz 69

23.DiagramadelaclaseSensor 70

24.DiagramadelaclaseParameterInterface 70

25.Diagramadesecuenciadelprogramabase 70

26.DiagramadelaclaseSensor 71

27.DiagramadelaclaseACK 72

28.DiagramadesecuenciadeSecuencia 72

29. TmoteSky 73

30. PantallaprincipaldelprogramaTrawler 74

31. TmoteSkyfijadoaunatuberaEMT 75

32. EsquemademedicinPrueba5.1 75

33. EsquemademedicindePrueba5.2 76

34. TmoteInventa5mdealtura 78

35.Ambienteparecidoalambientedetrabajoenpozos 79

36. Invent,nodo1 80

37. Invent,nodo2 80

38.MontajedeConfiguracin#1 80

39. EsquemadePrueba5.4.1 81

40. Inventnodo1 82

41. Inventnodo2 82


43. Inventnodo1,vistasuperior 83

44. Inventnodo1,vistainferior 83


vi

46. Prueba5.1 LQIvs.Distancia 88

47. Prueba5.1 Paquetesperdidosvs.Distancia 89

48. Prueba5.2 LQIvs.ngulo 91

49. Prueba5.4.1 LQIvs.Tiempo 97



vii

LISTADESMBOLOSYABREVIATURAS

ADC:AnalogDigitalConverter

AODV:AdhocOndemandDistanceVector

ASCII:AmericanStandardCodeforInformationInterexchange

API:AmericanPetroleumInstitute

AVL:AutomaticVehicleLocation

BCP:BombeodeCavidadeProgresiva

bps:bitsporsegundo

BPSK:BinaryPhaseShiftKeying

CDMA:CodeDivisionMultipleAccess

CSMA/CA:CarrierSenseMultipleAccess/CollisionAvoidance

CTS:ClearToSend

CONATEL:ComisinNacionaldeTelecomunicaciones

CUNABAF:CuadroNacionaldeAtribucindeBandasdeFrecuencias

DAC:DigitalAnalogConverter

DCS:DistributedControlSystem

DMA:DirectMemoryAccess

DSSS:DirectSequenceSpreadSpectrum

EEUU:EstadosUnidos

FFD:FullFunctionDevice

FHSS:FrequencyHoppingSpreadSpectrum

FPGA:FieldProgrammableGateArray

FSK:FrequencyShiftKeying

GPRS:GeneralPacketRadioService

GPS:GlobalPositioningSystem

GSM:GlobalSystemforMobileCommunications

HMI:HumanMachineInterface

IEEE:InstituteofElectricandElectronicEngineers

IEC/ISA:InternationalElectrotechnicalCommission/Instrumentation,Systemsand

viii

AutomationSociety

ISM:Industrial,ScienceandMedicine

IP:InternetProtocol

LORAN:LOngRAngeNavigation

LPWPAN:LowPowerWirelessPersonalAreaNetwork

LQI:LinkQualityIndicator

MAC:MediumAccessControl

OOK:OnOffKeying

OQPSK:OffsetQuadraturePhaseShiftKeying

OSI:OrganizacindeeStndaresInternacionales

PEL:PrdidadeEspacioLibre

PLC:ProgrammableLogicController

psi:librasporpulgadacuadrada

RF:Radiofrecuencia

RFD:ReducedFunctionDevice

RFID:IdenticiacinporRadiofrecuencia

RIS:Red(es)Inalmbrica(s)deSensores

RTD:ResistanceThermalDevice

RTS:RequestToSend

RTU:RemoteTerminalUnit

SCADA:SupervisoryControlAndDataAdquisition

TDM:TimeDivisionMultiplexing

TCP/IP:TransferControlProtocol/InternetProtocol

UML:UnifiedModellingLanguage

UPS:UninterruptedPowerSource

UWB:UltraWideBand

WLAN:WirelessLocalAreaNetork

WPAN:WirelessPersonalAreaNetork

CAPTULO1: INTRODUCCIN

Desde la invencin de la computadora amediados de los aos 50, los cientficos han

intentado de muchas maneras supervisar mediante esta herramienta el funcionamiento de

algunosprocesos,siempreycuandostospresentaranpuntosen loscuales sepudiesemedir

algunavariablefsica.Pocomsdemediosiglodespusestoscientficossehanespecializado

envarioscampos:ingenieradecontrol,elctrica,electrnica,deprocesos,industrial,etc.Pero

elobjetivo,agrandes rasgos, nohacambiadomucho, todosstos siguen con lapremisade

supervisar procesos sin importar su naturaleza para lograr un mejor desempeo de los

sistemas.

En la actualidad venezolana la industria con mayor crecimiento, capital y campo de

inversineslaindustriadelpetrleoygas.EnlasltimastresdcadasVenezuelahabuscado

establecerse en el mercado petrolero a travs de Petrleos de Venezuela y sus empresas

filiales.Esdeasumirque,conuncampodeexplotacindistribuidoalolargoyanchodelpas,

PDVSAdebecontarconunagenerosacantidaddeingenierosparacadapozo,yporendeuna

grancantidaddesistemasdesupervisinycontrolencadauno.Dadaladiversidadderangos

deproduccinpetroleraanivelgeogrfico,enalgunospozosdeproduccinreducidaobaja,

contarconunsistemadecontrol sofisticado resultamuycostosoypoco rentable.Enbasea

estasituacin,paraestospozosseplanteansistemasdemonitoreoalternativosquereduzcan

loscostosyasuvezoptimiceneldesempeorazonablemente.

Conelaugededesarrollodesistemasinalmbricosparaaplicacionesdiversas,seplantea

lasiguienteincgnitaoproblema:Serun sistemainalmbricodecontrolunasolucincosto

efectiva? Y podemos encontrar muchas respuestas desde varios mbitos de estudio en la

industriadelpetrleoygas.Entreestos tenemos:

1. MEOWS:VigilanciadePozosdeBajaProduccin,desarrolladoporPetrolects

LLCparaVaqueroEnergyenEEUU.(Medizadeetal.,2004)

2. Monitoreo de Maquinaria Crtica de la Sala de Mquinas de un Banquero,

desarrolladoporCrossbowenEEUU. (Kevan,2006)

3. Identificacin por Radiofrecuencia (RFID) en Refineras, desarrollado por

MultiSpectralSolutionsparaBPCherryPoint,enEEUU. (Swedberg,2006)

2

Todasestasaplicacionestienenundenominadorcomn,elusodetecnologainalmbrica

paraoptimizarciertoproceso.Yaseaporrazonesdeseguridad,espacio,omeramenterazones

econmicas,lainversinenRedesInalmbricasdeSensores(RIS)haidocreciendoconforme

alasdemandasdelasdiversasindustriasydelavanceeninvestigacin.

El presente libro tiene comopropsito reflejar las experiencias tericas y prcticas de

instalacinymanejodeRISenambientesindustriales,teniendocomocasodeestudiopozos

debajaproduccin.Paracumplirestepropsito sehaceunestudiodeaquellos factoresque

pudiesen intervenir, o interferir, en la transmisin de datos adquiridos por sensores. Este

estudio se lleva a cabo a travs de diversas pruebas de campo, realizadas para evaluar el

desempeo de una RIS bajo condiciones previamente estipuladas, las cuales simulan el

ambientedetrabajoenunpozopetrolero.Enbasealresultadodeestaspruebas,seconcluye

sobreeldesempeodelaRISysufactibilidaddeimplementacin.Asimismosepresentanlos

programas desarrollados para ser implementados como software de la RIS, mediante la

utilizacindeunlenguajeyunsistemaoperativodelicencialibre,ydeusoestandarizadoenel

mercadodelasRIS.

Acontinuacinsedesglosaelcontenidodecadacaptuloquecontieneelpresentelibro:

Captulo2:presentaelobjetivoquesebuscaconlarealizacindelproyecto,ylasfases

enlascualessesubdivideelmismo.

Captulo3:presentael fundamentotericosobreelcual sesustentaesteproyectode

pasanta, tanto en RIS como en sistemas de control, fundamentos de

radiocomunicacionesyestudiodeproduccindepozospetroleros.

Captulo 4: constituye el reporte del desarrollo del proyecto en s, de acuerdo a las

fasesestablecidas.

Captulo 5: presenta el protocolo planteado para la realizacin de las pruebas que

permitenevaluareldesempeoy la factibilidadde implementacindeunaRIS.Para

cadapruebaseenumeranmaterialesyequiposnecesarios,seexplicaelprocedimiento

utilizadoysepresentaelobjetivobuscadoconlarealizacindecadauna.

Captulo6:presentalosresultadosobtenidosencadaexperienciaprctica,ascomoun

anlisisdelosmismos.

Captulo 7: cierra el contenido del presente libro con las conclusiones obtenidas y

recomendacionesparalacontinuacindelproyecto.

3

Finalmenteselistanlasreferenciasconsultadasparalaescrituradelpresentelibro,yla

bibliografasugeridaparaprofundizarmseneltema.

CAPTULO2: OBJETIVOYFASES

Elobjetivodelproyectoesrealizarunestudiodelosfactoresasociadosalacapturade

parmetrosdeoperacindepozosdebajaproduccinysuposteriortransmisininalmbrica.

CondichoestudiosepretendeanalizarlafactibilidaddelautilizacindeRISenambientesde

produccinpetrolera,ascomodeterminar lasmetodologasdeinstalacinyespecificaciones

de uso de dicha red. Para ello se esquematiz el proyecto en fases y lneas de accin, de

acuerdo a los diferentes mbitos de estudio a tomar en cuenta. Estos mbitos se pueden

clasificardelasiguientemanera:

En primer lugar se realiza un estudio de parmetros de operacin de un pozo

petrolero, para tener presente la gama de variables que pudiesen ser

monitoreadas,lossensoresquesepodraninstalarparamedirestosparmetrosy

lacaracterizacindeunambientedepruebaquepermitaevaluareldesempeode

laRIS.

Posteriormente,serealizaunestudiodemediosinalmbricosyfactoresderiesgo

involucradosenlatransmisindelosdatosobtenidosdelossensores,parapoder

definir puntos clave en la instalacin de la RIS que minimicen la prdida de

informacin.

Luego se procede a especificar el diseo deun prototipo inicial del sistemade

adquisicin y una arquitectura de red bsica, para ser sometido a pruebas de

desempeo.

Finalmente,serealizaladocumentacingeneraldelproyecto.

Enbaseaestosmbitossedefinen4 fases,condistintas lneasdeaccinencadauna,

quepermitenllevaracaboelproyectodemaneraorientadaalobjetivoplanteado.Comoesde

esperarse,algunasdelaslneasdeaccinantecedenaotras,porloquelaejecucindelasfases

noserealizademaneraparalelasinolineal.Acontinuacinsepresentanlasfasesenlasquese

esquematizelproyecto,ascomosusrespectivaslneasdeaccin:

5

1. Identificar y estudiar los parmetros de operacin de los pozos, as como los

mtodosyestrategiasaemplearparasurecoleccin.

a. Estudiodeparmetrosamedir.

b. Identificacindelossensoresaemplear.

c. Pruebadeoperacindelossensores.

d. Recoleccindedatosensituacionescontroladas.

2. Identificar yestudiar los factoresque intervienenen la transmisin inalmbrica

delosparmetrosdeoperacindelsistemaenestudio.

a. EstudiodelespectroutilizadoydelasbandasISMdisponibles.

b. Anlisisdelosfactoresderiesgoenlatransmisininalmbrica.

c. Identificacinyestudiodeposiblesfuentesdeinterferencia.

3. Aplicacindelasestrategiasidentificadasenunprototipodeadquisicindedatos

delsistemaenestudio.

a. Diseodeunaarquitecturade RIS.

b. Pruebaoperativadelenvodedatosdelossensores.

c. Pruebasdeestrsdelsistema.

4. Documentacindelasolucinyelaboracindeinforme.

a. Documentacindeinstalacin.

b. Documentacindeprogramasempleados.

c. Descripcinydocumentacindelprototipoutilizado.

CAPTULO3: FUNDAMENTOSTERICOS

Como fue expuesto en el Captulo 1: Introduccin, la base terica de este proyecto

integra distintas disciplinas y enfoques de la ingeniera. Para poder cumplir el objetivo del

proyectoesnecesarioentenderlossiguientesaspectos:

Mecanismosdefuncionamientodepozospetroleroseinformacinrequeridadeestos

Esquemasdecapturadedichainformacin

Mediosdetransmisin delainformacindelosparmetroscapturados

Factoresquepuedanafectarlatransmisinyrecepcindelainformacin

Antecedentesdelaaplicacinqueseplanteacomosolucindeinstrumentacin

Dado esto, el fundamento terico se divide en 5 grandes reas, las cuales se listan a

continuacin:

1. Radiofrecuencia

a. FundamentosdeRadiocomunicaciones

b. TcnicasdeEspectroDisperso

2. Sistemasdeinstrumentacinycontrol

a. Conceptosbsicos

b. Mediosdetransmisin

c. SistemasSCADAyDCS

3. RedesInalmbricasdeSensores

a. Arquitectura

b. Topologa

c. Estndaresinalmbricos

4. AlgunasaplicacionesactualesdeRIS

a. Industriaengeneral

b. IndustriadePetrleoyGas

c. AgriculturayMedioAmbiente

d. SeguridadyDefensamilitar

7

5. Mtodosbsicosdeproduccindepetrleo

a. FlujoNatural

b. BombeosMecnico

c. BombeoporCavidadesProgresivas

A continuacin se procede a la primera parte de este Fundamento Terico,

correspondientealestudiodeRadiofrecuencia.

8

3.1. Radiofrecuencia

LasRedesInalmbricasdeSensoressonunaherramientacentralparalaconsecucinde

losobjetivosdelpresenteproyecto,peroesposiblequeeldesempeodelainstrumentacinse

vea afectado por una serie de factores intrnsecos al medio de transmisin, el aire. En la

presenteseccinencontraremosunabreveintroduccinalmundodelasradiocomunicaciones,

describiendo tanto los conceptos bsicos necesarios para entender los procesos de la

telecomunicacin, como algunos de los factores que pueden afectar un enlace de radio

previamente establecido. A continuacin, se presentan los fundamentos de

radiocomunicacionesdesdesunivelmsbsico:

3.1.1.FundamentosdeRadiocomunicaciones:

Telecomunicacionesyespectroradioelctrico:

LaLeyOrgnica deTelecomunicaciones (CLN, 2000) de laRepblicaBolivarianade

Venezueladefineportelecomunicacionesatodatransmisin,emisinorecepcindesignos,

seales, escritos, imgenes, sonidos o informaciones de cualquier naturaleza, por hilo,

radioelectricidad,mediospticos,uotrosmedioselectromagnticosafines, inventadosopor

inventarse.

A los efectos de esta Ley se define el espectro radioelctrico como el conjunto de

ondaselectromagnticascuyafrecuenciasefijaconvencionalmentepordebajodetresmil

gigahertz(3000GHz)yquesepropaganporelespaciosinguaartificial.

El espectro radioelctrico se divide en bandas de frecuencias, que se designan por

nmerosenteros,enordencreciente.Lasbandasdefrecuenciasconstituyenelagrupamientoo

conjuntodeondasradioelctricasconlmitesuperioreinferiordefinidosconvencionalmente.

Estasasuvezpodrnestardivididasensubbandas.

9

Bandasdelespectroradioelctrico:

Paraobtenerunmanejomseficientedelespectroradioelctrico, seestablecenbandas

dedicadasaciertosusos.Medianteestaseparacinyasignacinse logragarantizarquecada

usodemandadoobtengaunespacioradioelctricosuficienteparasoportarelanchodebanda

requerido.

Segn (Wikipedia, 2006a) y (Fernndez, 2003), sta es la distribucin de bandas

estandarizada:

Nombre AbreviacinBanda

ITUFrecuencia Usosprincipales

ExtremelyLow

FrequencyELF 1 330Hz

Comunicacincon

submarinos

SuperLow

FrequencySLF 2 30300Hz

Comunicacincon

submarinos

UltraLow

FrequencyULF 3 3003000Hz

Comunicacindentrode

minas

VeryLow

FrequencyVLF 4 330kHz

Comunicacincon

submarinos

Indicadoresdeavalancha

Marcapasosinalmbricos

LowFrequency LF 5 30300kHz Navegacin

Sealesdetiempo

RadioAM

MediumFrequency MF 63003000

kHzRadioAM

HighFrequency HF 7 330MHz Difusindeondascortas

Radioaficionados

VeryHigh

FrequencyVHF 8 30300MHz RadioFM

Televisin

10

Nombre AbreviacinBanda

ITUFrecuencia Usosprincipales

UltraHigh

FrequencyUHF 9

3003000

MHzTelevisin

TelefonaMvil

WLAN

Comunicacintierraaireyaire

aire

SuperHigh

FrequencySHF 10 330GHz DispositivosMicroondas

TelefonaMvil(WCDMA)

WLAN

Radaresmodernos

ExtremelyHigh

FrequencyEHF 11 30300GHz Radioastronoma

Microondasdealtavelocidad

Msde300

GHzVisinNocturna

Tabla1.Bandasdeespectroradioelctrico

PropagacinenelVacoyPrdidasenelEspacioLibre:

Lapropagacinenelvaco,yanlogamenteenelespaciolibre,sevegobernadaporel

patrnderadiacindelelementoradiante(antena).Existenmuchostiposdeantenay,porlo

tanto,diversospatronesderadiacin,peroparaelestudiodelapropagacinenelespaciolibre

seutilizacomocasodeestudioprincipal laantenaisotrpica.

Estetipodeantenasecaracterizaportenerunpatrnenformadeesfera,esdecirradiala

mismapotenciaentodaslasdireccionesdelespacio.Enbaseaestosemodelalapropagacin

comoesferasconcntricas,conelelementoradianteenelcentro,quecrecenconladistancia.

Lasealemitidasepropagaconunapotenciatotaldetransmisinconstanteenelvolumen,lo

11

que implica que para recibir toda esta potencia se necesitara de una antena cuya rea de

recepcinfuesedeltamaodelaesfera.Comoconstruirunaantenaconestosrequerimientos

es imprctico, costoso y por dems innecesario, se incurre en lo que se llama Prdida de

EspacioLibre.

Este concepto puede sonar contradictorio, ya que si la onda viaja libremente por el

espacio sin ser perturbada porobstrucciones o variaciones en elmedio, cmopuede haber

unaprdida?Larespuestaessencilla,comoelreaefectivadelladoreceptoresmuypequea

comparadaconelreaquenuestraesferaimaginariadepropagacinocupa,lapotenciaquese

recibeesmuypequeaencomparacincon la transmitida.Estasituacinsepuedeobservar

claramenteenlasiguienteimagen:

Fig.1. Propagacinapartirdeantenasisotrpicas

Porejemplo:

Siseestableceunenlaceentredosantenasisotrpicasa1GHzya1Km.dedistancia,

con una potencia transmitida de 1W, la potencia de recepcin ser 568,85 pW nada ms

debidoalasprdidasenelespaciolibre.Adicionalmenteporreflexin,refraccinydispersin

delaondahabrotrasprdidas.

Segn (Fernndez,2003)laprdidaenelespaciolibreserigeporlasiguienteecuacin:

PEL(dB)=92.45dB+20log(d)+20log(f) dondedesdistanciaexpresadaen Km. yfesfrecuenciaexpresadaenGHz

12

Ganancia:

Segn(Fernndez,2003),sedenominadirectividadogananciadirectivadeunaantena

ideal cualquiera, sin prdidas, con respecto a la antena isotrpica, al cociente entre la

intensidadde radiacinproducida enunpuntodelespaciopor laantena idealdirectiva y la

intensidadde radiacinproducidapor laantena isotrpica,alimentadasambascon lamisma

potencia.

Estoquieredecirqueelpatrndecualquierantenanoisotrpicaestableceprivilegiosde

potenciaenalgunadireccinenespecfico,conlocual,enestadireccinlaonda"llegarms

lejos"queusandounaantena isotrpica.Elconceptodegananciacomotal, se refiereaesta

propiedad espacial del patrn de radiacin, ya que las antenas, como elementos pasivos, no

amplificanlapotenciadelaseal.

Ruido:

Segn (Carlson et al., 2002) seales elctricas no deseadas vienen deuna variedad de

fuentes,generalmenteclasificadascomointerferenciahumanaoruidonatural.Lainterferencia

humana es producida por sistemas de comunicacin, igniciones, vibraciones y otros

fenmenos.Pornaturalezaelectromagntica,entrelosfenmenosquegeneranruidotenemos

alteracionesatmosfricas,radiacinextraterrestre,ymovimientoaleatoriodeelectrones.

Paraefectosderadiocomunicaciones, las fuentesderuidomssignificativassepueden

verenlasiguientetabla:

Csmico

DescargasatmosfricasNaturales

Emisionessolares

Lneasdetransmisindeenergaelctrica

Motoresindustriales

Fuente

Artificiales

Equipos

Tabla2.Fuentesderuidomssignificativas

13

Interferencia:

Segn (Graf, 1999a) interferencia es cualquier disturbio, fenmeno, seal o emisin,

provocado por el hombre o natural, elctrica o electromagntica, que provoca o puede

provocarunarespuestaindeseable,malfuncionamientoodegradacindeldesempeoelctrico

de cualquier equipo elctrico o electrnico. En el mbito de seales electromagnticas, la

interferencia vienedada por la superposicin de dos ms seales resultando enun nuevo

patrndeondas.Ensuusocomn,eltrminousualmenteserefierealainterferenciadeondas

queestncorrelacionadasosoncoherentesentres,yaseaqueprovengandelamismafuente

oporqueestnenlamismafrecuenciaoenfrecuenciascercanas.

Lainterferenciasepuedeclasificarsegnfrecuenciaysegnubicacinuorigen.Segn

frecuenciatenemosdostiposdeinterferencia:

InterferenciaCocanal,dadacuandodossealesocupanlamismafrecuencia,comose

puedeobservarenlaFig.2.

InterferenciadeCanalAdyacente,dadacuandounasealinterfiereaotramuycercana

enfrecuencia,comosepuedeobservarenlaFig.3.

Fig.2. InterferenciaCoCanal

Fig.3. InterferenciaCanalAdyacente

14

Segn ubicacin u origen, la interferencia se puede clasificar como se explica a

continuacin:

InterferenciaExterna: cuando es provocadapor una seal proveniente de un sistema

externo,queestransmitidaenelmismocanalounocercano.

InterferenciaporSobrealcance:cuandoenunareddeantenasunasealllegamslejos

deloesperadoyesrecibidaporunaantenamslejanadelmismosistema,interfiriendo

asconlasealqueoriginalmentedeballegaraesaantena.

Interferencia por Retroalcance: cuando una seal transmitida, comnmente por un

repetidor, llegaalreceptorenlamismatorre.

Interferencia por InduccinMagntica, cuando la presencia de lneas de transmisin

elctrica causan corrientes en las antenas, interfiriendo con la seal que se est

recibiendo.

15

Ya con los fundamentos bsicos de radiocomunicaciones expuestos, procedemos a

presentar dos tcnicas de modulacin de seales bsicas y ampliamente utilizadas en los

estndaresdeRISqueseexplicarnmsadelanteenestecaptulo.

3.1.2. TcnicasFundamentalesdeEspectroDisperso

Las tcnicas para generar, manejar y sintetizar seales en espectros dispersos nos

permiten garantizar una comunicacin mucho ms segura, confiable y disponible.

Actualmente haymuchas tcnicas para ampliar el anchodebandaocupadopor una seal y

generarunespectromsdispersoque lasealoriginal,perotodassebasanen las siguientes

dostcnicasbsicas:

FrequencyHoppingSpreadSpectrum(FHSS):

Frequencyhoppingspreadspectrum(FHSS)esunmtododeespectrodispersoquese

basa en transmitir radioseales cambiando rpidamente de portadora entre varios canales,

usandounasecuenciapseudoaleatoriaconocidaporeltransmisoryelreceptor.

Segn (Wikipedia, 2006b), una transmisin de espectro disperso ofrece tres ventajas

principalessobrelatransmisintradicionalaunafrecuenciafija:

1. Lassealesdeespectrodispersotienenunaaltaresistenciaalruidoeinterferencia.El

proceso de recoleccin de una seal dispersa minimiza el ruido y la interferencia

dispersndolos,reduciendoassuimpactoenlaseal.

2. Las seales de espectro disperso son difciles de interceptar.Una seal FHSS suena

como una rfaga momentnea de ruido o un aumento en el ruido de fondo para

cualquierreceptordebandaestrecha,exceptoparaunreceptorFHSSqueestusando

lamismasecuencia.

3. Lastransmisionesdeespectrodispersopuedencompartirunabandaconmuchostipos

detransmisinconvencionalesconunamnima interferencia.Las sealesdeespectro

dispersoaadenmuypocoruidoalascomunicacionesdebandaestrechayviceversa.

Como resultado tenemos que el ancho de banda puede ser utilizado demanera ms

eficiente.

16

Enlasiguientegrficasepuedeobservarlaideafundamentaldetrsdelastransmisiones

enFHSS.Loquesepresentaenlaimagensontrestransmisionessimultneasquecambiande

frecuenciaconsecuenciasindividuales,compartiendoelcanalysininterferirsemutuamente.

Fig.4. SealesFHSS

DirectSequenceSpreadSpectrum(DSSS):

En telecomunicaciones, DSSS es una tcnica de modulacin. Al igual que en otras

tcnicasdeespectrodisperso,lasealtransmitidaocupamsanchodebandaquelasealque

est siendo modulada. Una seal modulada en DSSS se obtiene de la siguiente manera

(Wikipedia,2006c):

1. Se modula en fase una seal sinusoidal de manera pseudoaleatoria con una trama

continua de cdigos (pseudoruido) llamados "chips", donde cada uno dura mucho

menosqueeltiempodebit.Cadabitdeinformacinesmoduladoporunasecuenciade

chipsmuchomsrpidos.Porlotanto,latasadechipsesmuchomayorquelatasade

bits.

17

2. Usaunaestructuradesealenlacuallasecuenciadechipsproducidaporeltransmisor

en conocidapreviamente por el receptor.El receptor puede usar lamisma secuencia

paracontrarrestarelefectodeestasecuenciaenlasealrecibidayreconstruirlaseal

original.

Puestodemaneramssimple, las transmisionesDSSSmultiplican la seal transmitida

porunaseal"ruido".Estaseal"ruido"esunasecuenciapseudoaleatoriadevalores1y1,a

unafrecuenciamuchomayorquelaoriginal,dispersandolaenergadelasealoriginalenuna

bandamuchomayor.

La seal resultante parece ruido blanco, como una grabacin de esttica, excepto que

este ruido puede ser filtrado en el receptor para recuperar la data original,multiplicando la

misma secuencia pseudoaleatoria a la seal recibida. Este proceso, conocido como "de

dispersin", matemticamente constituye una correlacin de la secuencia transmitida con la

secuenciarecibida.

En la siguiente imagen se puede observar la comparacin entre una seal de banda

estrechayunasealmoduladaenDSSS.Paralasealbandadeestrecha,elrestodelespectro

contieneslo ruidoaunapotenciamenor,mientrasquepara la sealDSSS,despusdeser

demodulada(o"dedispersada"),nohayinterferenciasignificativadeningunaseal.

Fig.5. ComparacinentresealbandaestrechayDSSS

18

3.2. CapturadeInformacindelSistema

La siguiente parte del FundamentoTerico trata sobre la Captura de informacin del

sistemaqueseestmonitoreando.ParapodertransmitirvaRFdatosdelsistemaaunabase

centraloaunterminalremotoprimerosedebeobtenerestosdatosdealgunamanera.Eneste

punto entra en juego la instrumentacin, los sensores, y los esquemas y arquitecturas de

control.Empecemosporpresentarlosconceptosbsicosdecapturadeinformacin:

3.2.1.Conceptosbsicos

Ensunivelmsfundamentallacapturadeinformacinsecentraenlainstrumentacin,y

staltimasebasaenlazosdecontrolquecuentanconelementosdemedicindenominados

sensores.A continuacinsedescribenconmsdetallesestostresconceptos:

Instrumentacin:

La instrumentacin se define como el uso de dispositivos para medir los valores de

cantidades variables, generalmente como parte de un sistema para mantener las cantidades

dentro de los lmites prescritos (Graf, 1999b). La principal utilidad que la instrumentacin

presentaeslacapacidaddemonitoreareldesempeodeunsistemaatravsdeinstrumentoso

sensores,paraaplicarcorreccionesenestedesempeosielsistemaaslorequiere.

Lazosdecontrol:

Un lazo de control es una coleccin de instrumentos y algoritmos organizados que

permitenregularelvalordeunavariable,paraquestaseaproximeaunvalordereferencia

deseado. El nombre de lazo proviene del hecho de que la mayora de ellos hace uso de la

retroalimentacinofeedbackensusprocesosdecontrol.

Existen, en el nivel ms bsico de entendimiento, dos tipos de lazos de control. A

continuacinsedefinendeacuerdoa(Ogata,1974):

19

Lazo abierto: son sistemas de control en los que la salida no tiene efecto sobre la

accindecontrol.Esdecir,enunsistemadecontroldelazoabiertolasalidanisemide

niserealimentaparacomparacinconlaentrada.

Lazo cerrado: es aquel en el que la seal de salida tiene efecto sobre la accin de

control. En otras palabras, los sistemas de control de lazo cerrado son sistemas de

controlrealimentado.

Un ejemplo de sistema de control de lazo cerrado es el siguiente: la entrada de un

proceso(voltajeaplicadoaunmotor)tieneunefectoen lassalidasdelproceso(velocidado

posicin del motor), la cual es medida con sensores y procesada por el controlador, y el

resultado(lasealdecontrol)esusadacomoentradadelproceso,cerrandoellazo.

Segn(Ogata,1974)unaventajadelsistemadecontroldelazocerradoesqueelusode

la realimentacin haceal sistema, ensu respuesta, relativamente insensibleaperturbaciones

externas y a variaciones internas de parmetros del sistema. Esta ventaja permite usar

componentesmenos costosos ymenos precisos,manteniendo la optimizacin deseada en el

sistema.

Enlasiguienteimagenpodemosobservarunsistemadecontroldelazocerradosimple,

perofuncional:

Fig.6. Sistemadecontroldelazocerrado

Basado en el ejemplo de sistema de control de lazo cerrado del motor previamente

expuesto, el sistema de la Fig. 7 podra ser interpretado de la siguiente manera: C es el

controlador,Peselmotorcomotal,ues laentradadevoltaje,yes lavelocidadquesemide

enelmotor,r es lavelocidaddeseadadelmotoryeeselerrorentreambasvelocidades.El

controladorCseencargadegenerarunvoltajedecorreccinapartirdeelerrore,paraqueel

motorP corrijalavelocidady.

20

Sensores:

Unsensorsegn(Graf,1999c)esun transductorqueconvierteunparmetroenunpunto

depruebaenuna formaapropiadaparamedirse conunequipodepruebadeterminado.Los

sensoresconstituyenlaltimamillaentreunsistemadecontrolyelsistemaqueestsiendo

controlado.

Al obtenerlamedicindeunavariablefsicaapartirdeunsensor,sedebecontarconun

mediode transmisinparapoderenviardichamedicinadonde sea requerida.Lasiguiente

seccintrataprecisamenteestosmedios.

3.2.2. MediosdeTransmisin

Los sensores se comunican con seales, las cuales usualmente se enmarcan en algn

estndar existente. Estas seales pueden estar definidas por asociaciones de estndares o

pueden seguir un estndar propietario. Entre los estndares ms utilizados tenemos segn

(Wikipedia,2006d):

Tipodesensor Rango

315PSI

20100kPaNeumticos

630PSI

15V

05VVoltaje

010V

420mA

840mA

Analgicos

Corriente

1050mA

21

Protocolo

HART

Fieldbus

Modbus

Profibus

Digitales

EthernetIndustrial

Tabla3. Estndaresdetransmisinanalgicosydigitales

En el campo industrial los estndares que estn siendo implementados con mayor

frecuenciasonlossensoresdesalidaneumtica,yaqueporrazonesdeseguridadlossensores

desalidaelctricasonmspeligrosos,ylossensoresquetrabajansobreelprotocoloHART.

3.2.3.SistemasdeadquisicinSCADAyDCS

DCS:

Los Sistemas de Control Distribuido (DCS por sus siglas en ingls) son usados en

aplicacionesde ingeniera industrial y civil paramonitorear ycontrolar equiposdistribuidos

conintervencinremotadelserhumano.Desdeladcadadelos70sonsistemasdigitales,y

normalmenteestnconstituidosporinstrumentosdecampoconectadosabuseselctricosode

computadora, para luego ser multiplexados y convertidos (de analgico a digital), y como

frontend, cuentan con una InterfazHumanoMquina (HMIpor sus siglas en ingls) o una

consola de control. Un DCS es un sistema de control de procesos que usa una red para

interconectar sensores, controladores, terminales y actuadores. Tpicamente contiene una o

ms computadoras para control y mayoritariamente usa interconexiones propietarias y

estndares,libresopropietariosparacomunicaciones.

DCSesuntrminomuyamplioquedescribesolucionesenvariasindustrias,incluyendo:

Matricesdeenergaelctricayplantaselctricas

Sistemasdecontrolambiental

Semforos

22

Sistemasdegestindeaguas

Plantasqumicas,petroqumicasyrefineras

Fbricasfarmacuticas

SCADA:

Estetrminose refierea sistemasdemedicin y controldistribuidoagranescala.Sus

siglas significan SupervisoryControl AndData Acquisition. Los sistemas SCADA se usan

paramonitorearocontrolarprocesosqumicos,fsicosydetransporte.

La arquitectura SCADA, usualmente comprende un sistema central que monitorea y

controla una instalacin completa (Wikipedia, 2006e). El diagnstico de la instalacin es

realizado automticamente por una Unidad Terminal Remota (RTU) o por un Controlador

LgicoProgramable (PLC).Las funcionesdecontrol insitu, en lamayorade loscasos, se

restringenalatomadecontroldeoperacindela instalacin, osupervisin.Enlasiguiente

imagensepuedeobservarunaarquitecturaSCADAtpica:

Fig.7. ArquitecturaSCADAtpica

23

LaadquisicindedatosempiezaaniveldeRTUoPLCeincluyelecturasdevariablesy

status de equipos que son enviados al SCADA por demanda. Los datos son compilados y

formateadosdemaneraqueunoperadordelcentrodecontrol,usandounaHMI,puedatomar

decisionesquecambienelestadodeoperacindealgunapartedelsistema.

Los sistemas SCADA tpicamente implementan una base de datos distribuida que

contieneelementosdedatosllamadospuntos.Unpuntorepresentaunvalordeentradaosalida

monitoreadoocontroladoporel sistema.Estospuntos seclasificanen suaves y fuertes.Un

punto fuerte representa una entrada o salida conectada al sistema, mientras un punto suave

representaelresultadodeoperacionesmatemticasolgicasaplicadasaotrospuntosfuertes

y/osuaves.Losvaloresdepuntossonnormalmentealmacenadoscomocombinacionesvalor

tiempo,yunaseriedeestepardedatosconstituyelahistoriadelpunto.

El monitoreo remoto empleando sistemas SCADA es ampliamente utilizado en

diferentesreade la industriapetrolerayde formaespecialenpozosdegasypozosdealto

rendimiento. En estos casos los sistemas SCADA se componen de unidades de terminales

remotosRTUquecolectansealesanalgicasydigitalesdelainstrumentacincolocadaenla

superficiedelpozo,lascabezasdeproduccinremotasylosmltiplesdeproduccin.Luego

las RTUs comunican la informacin a los sistemas anfitriones SCADA en los cuartos de

control o en las plataformas de produccin y esta informacin es multiplexada en redes

tradicionales, por fibra ptica, microondas o va satlite hasta alcanzar su destino en algn

centrodecontrolgeneraldeterminado,dondesonprocesadasy/oalmacenadas.

24

3.3. RedesInalmbricasdeSensores

Las Redes Inalmbricas de Sensores representan una nueva forma de emplear los

computadores. En una red de sensores, decenas, cientos o incluso miles de pequeos

computadores que operan con bateras, llamados nodos son distribuidos a lo largo de un

ambienteparticular.Deformainalmbrica,cadanodoenunaredadhocrecolectadatosdesu

ambiente, como la cantidad de luz, temperatura, humedad, vibraciones y otros factores

ambientales.Cadanodopuedeenviarsusdatosrecolectadosasusvecinos,estosasuspropios

vecinos y as sucesivamente, hasta que la informacin alcance un destino especfico. Las

entradas de los sensores una vez recolectadas de todos los nodos y analizadas por

computadoresmstradicionalespuedenbrindarunabuenaimagendelambientecircundante

entiemporeal(Intel,2004).Enlaseccinsiguientesepresentanlascaractersticastpicasde

laarquitecturadeunaRIS.

3.3.1.CaractersticasdeunaRIS

Puedenestarcompuestasporungrannmerodenodos,pudiendollegaralordendelos

miles(hasta65536).

Muestranunflujoasimtricodedatos,desdelosnodosdecapturaaunnodocentralde

comando.

Lascomunicacionessonoriginadasporconsultasoeventos.

Encadanodoexisteunacantidad limitadadeenergaqueenmuchasaplicacioneses

imposibledereemplazarorecargar.

Frecuentementelatopologadelaredesesttica.

Cadanodoesdebajocosto,pesoytamao,llegandoaserinclusodesechable.

Losnodospuedenserpropensosafallasyestodebesertoleradoporelsistema.

Seempleaprincipalmente lascomunicacionesdedifusin(Broadcast)en lugarde las

comunicacionespuntoapunto.

Losnodosnoposeenun identificadornicouniversalpordefecto, tal como loesun

nmeroIP.

25

Laseguridadtantofsica,comoaniveldelacomunicacin,esmslimitadaqueenlos

enfoquesderedesinalmbricasconvencionalescomoen WiFi.

Las RIS permiten varios estilos de conexin entre los nodos, estableciendo niveles

jerrquicosyzonasdeinformacinconcentrada,loqueconstituyelatopologadelared.

3.3.2. Topologa

Enlaactualidadlosnodosdelasredesinalmbricasdesensoreshanadoptadounaserie

de topologas bsicas de comunicacin para intercambiar la informacin que estn

recolectando.La topologadescribecomoestn interconectados losnodosqueconforman la

redcomotal.Entrelastopologasmscomunes,yaseanbsicasomscomplejastenemos,de

acuerdoa(Tanenbaum,2000):

Estrella,enlacualsetieneunnodocentral,elcualtieneunenlacepuntoapuntocon

cadaunodelosnodosdelared.

Interconexintotal,enlacualtodoslosnodosestninterconectadosentres.

rbol, la cual se extiende a partir de un nodo principal o raz, en ramificaciones

definiendovariosnivelesdejerarquaentrelosnodos.

Anillo, en la cual los nodos forman un circuito cerrado al estar cada nodo

interconectadoconsolodosnodosadyacentes.

Cuadrcula,lacualestablececonexionesamanerademallaentrelosnodos,creandoun

mapabidimensionaldelared.

Toroide doble, representa una extensin tridimensional de la cuadrcula al

interconectarcadanodoextremoconsuopuestoenfilaocolumna.

Cubo, lacualestablececonexionesqueasemejanlaformadeuncuboconcadanodo

enunaarista.

Hipercubo, representa la interconexin dedos topologas cbicas a travs del enlace

entrelasaristasdeamboscubosdescritosenlared.

26

3.3.3. EstndaresdeRIS

Inicialmente se definieron 4 grandes grupos de trabajo para esta familia de estndares

(Mandkeetal.,2003),luegoseconvirtieronen5conlaaparicindeUWB:

1. El Grupo 802.15.1 es responsable por la estandarizacin del conjunto de

especificacionespropuestoporelSIG Bluetooth.

2. El Grupo 802.15.2 es responsable por los aspectos de coexistencia de dos o ms

tecnologasinalmbricasdiferentesquecompartanelmismoambientedeoperacinyespectro

radioelctrico.Especficamenteelgruposededicaadosgrandestareas,laprimeracuantificar

elefectodelainterferenciamutuaentredispositivosqueempleenlastecnologasdeWPANy

WLAN,ycomosegundatareaproponeelestablecimientoymecanismosdecoexistenciaentre

dispositivosWPANyWLANenlascapasfsicaPHYydeaccesoalmedioMAC.

3.ElGrupo802.15.3esresponsableporeldesarrollodeunaespecificacindeWPANde

altavelocidad,demsde20Mbps.Elprimerborradordescribeunaespecificacinqueopera

en5canalesde15MHzenlabandaISMde2.4GHz.

4.ElGrupo802.15.3aseformafinalesdel2001comounapropuestaparadesarrollar

unaalternativaalaespecificacin802.15.3teniendocomoobjetivoeldesarrollarunestndar

decapa fsicaPHY,basadoenUWB,parasoportartasasdetransferenciadedatosde110a

480Mbps,endistanciasinferioresalos10m.

5. El Grupo 802.15.4 est enfocado en la estandarizacin de redes WPAN de baja

velocidad y muy bajo consumo de potencia, lo que conduce a que los dispositivos puedan

operar de forma autnoma con bateras teniendo una vida til de meses e incluso aos,

empleandounbajoniveldecomplejidadyteniendounmuybajocosto.Elnombrecomercial

queselehadadoalaimplementacindeesteestndaresZigbee.

Losestndares802.15queposeenmayorespotencialidadesdedesarrolloactualyfuturo

sepresentanacontinuacin:

IEEE802.15.1ySIGBluetooth:

EstefueunodelosprimerosprotocolosinalmbricosdereapersonalWPANquenaci

deunconsorciodeempresasdel ramode las telecomunicaciones, informtica yelectrnica.

27

EstaasociacinconocidacomoSIGBluetoothgenerlaprimeraespecificacinqueluegofue

retomadaporIEEE802.15.1quienessoloestandarizaronlascapasinferiores:PHYyMAC.

Inicialmentelaconfiguracinbsicaesenestrelladondeunnodomaestrosincronizael

canal controlando las comunicaciones de un conjunto de esclavos (mximo 7 en estado

activo).El reade cobertura que conforman se llamaunapicoceldaque pueden conectarse

entreellasmedianteunascatternetgraciasunnodopuente.Losesclavossoncompletamente

pasivosydependendelmaestroparacomunicarseentreellos.

El estndar se estructura en capas que no siguen el modelo TCP/IP, ni OSI aunque

ofrecen maneras de ajustarlo. Tiene capas que son diferentes dependiendo del tipo de

aplicacinqueBluetoothdenominaperfiles

Fig.8. CapasdelmodeloBluetooth

CapaFsica

FuncionaenlabandaISMde2.4GHzusandoelcanalcon.Alldefine79canales,cada

uno de un 1 MHz, realizando 1600 saltos por segundo. Esto implica una permanencia de

625sencadacanal.LamodulacinesporfaseconunbitporHzloquedaaproximadamente

1Mbps, compartido entre todos los nodos, aunque gran parte del espectro se consume en

sobrecarga ycontrolde loscanales.El nodoqueasumeel roldemaestro sincroniza toda la

secuenciadesaltosvalindosedeTDM.

Al igual que WiFi usa la banda ISM de 2.4 GHz y por la manera como manejan el

espectro, WiFi es ms afectado por la interferencia de Bluetooth. No obstante el estndar

IEEE802.15.2intentaresolverestosproblemas.

Lapotenciadesalidaesdealrededorde1mWen laspicoceldasde10m.Encasode

aumentardetamao(hasta100m)serequieremuchamspotencia.

28

CapaBandaBase

AunqueparecidaalacapaMACpresentaciertasdiferencias.Aqu sedefineelcontrolde

las ranurasde tiempodonde las ranuraspares sondebajada (maestroesclavo) y las ranuras

imparesdesubida(esclavomaestro).Ofrececomunicacinasncronanoorientadoaconexin

paraenlacesdedatos(mximounapornodo)ycomunicacinsncronaorientadaaconexin

paraenlacesdevoz(mximo3pornodo).

Encadaranurasetransmiten625bitsdeloscualessedesechan366puessoloseutilizan

por redundancia para control de errores. Finalmente de los restantes, 126 son para el

encabezadoy240paradatos.Esaqudondeseapreciaclaramenteeldesperdiciodeanchode

bandadeBluetoothyporendesubajorendimientoapesardeofrecer1Mbps.

CapaL2CAP

Susprincipalesfuncionesson:

Aceptar paquetes de hasta 64KBde las capas superiores y subdividirlos en tramas.

Estase reensamblan enelreceptor.

Manejarlamultiplexinydemultiplexindelasfuentesdepaquetes.

Definirlacalidaddeservicioalestablecerlaconexinodurantelapropiaconexin.

Las siguientes capas se usan dependiendo del perfil que asuma la aplicacin.

Someramentecadacaparealiza:

LLC:Interfazconlascapassuperiores

SDP:Encontrarserviciosydispositivosdentrodelapicocelda

RFCOM:Emularconexionesdepuertoserial

TCS:Controldelosperfilesdevoz

Losperfiles son13, locual lo hacemuy especializadoperoasu vezmuy complicado

paraeldesarrollodeaplicacionesheterogneascondiferentes funcionalidades.Estosperfiles

sepuedenencuentrandescritosenlasiguientetabla.

29

Tabla4.Perfilesparaeldesarrollodeaplicaciones

Por ltimo podemos mencionar que Bluetooth ofrece seguridad con algoritmos de

cifrado simtrico y diferentes estados de escucha en espera o baja actividadpara ahorro de

energa.Estosestadosson:

Standby:Soloescuchanmensajecada1,28seg.Noestnconectados.

Page/Inquiry: Con page el esclavo solicita conexin con un dispositivo y maestro

difunde.EninquirymaestrointerrogadifundiendolaMacAddress.

Active:Modoutilizadodurantelatransmisindedatos.

Hold:Mododenotransmisinperoconelcontroldelenlace.

Sniff:Esclavoescuchacanalanivelreducidosinrolactivoenlapicocelda.

Park:Modomsreducidoqueholdpuessloescuchalasincronizacinylosmensajes

dedifusinsin MacAddress.

IEEE802.15.3yForumUltraWideBand:

Esteestndar fuedefinido hacealgn tiempoaunque restringidoalmbitomilitar.No

fuesinohastaladcadadelos90queseconsiderparaaplicacionescomerciales,enparticular

paraconexindedispositivosperifricosquerequierenaltavelocidaddetransferenciacomo

monitores, enlaces entre cmaras y reproductores DVD y en general para transferencia de

videoendispositivosamuycortadistancia.Elanchodebandaqueutilizasesolapaconelde

otros protocolos y debido a la muy baja potencia de transmisin se aprecia como ruido en

30

cualquierotroestndarqueuseelmismoanchodebanda.Normalmentesesitaentrelos310

GHzdispersandobillonesdepulsosamenos1nscadauno.

Esteestndar,adiferenciadelosdemsWPAN,sloofrecelaespecificacindelacapa

fsica.Msdetalladamentesuscaractersticasson:

Lapotenciadetransmisinesladiezmillonsimapartedelapotenciadeuncelularel

cualnodebesuperar1WsegnlaFCC.

La informacinsetransmiteenpulsotanestrechosytanbajapotencia,quenocausa

interferencia a seales ms potentes. La FCC est por demostrar su efecto cuando

UWBtransmiteamayorpotencia.

La velocidad de transferencia puede llegar hasta 400 Mbps a menos de 5 m. Sin

embargo aumentando la potencia puede llegar a 1 Gbps pero surge el problema de

posiblesinterferencias.

IEEE802.15.4yAllianceZigBee:

Laatencindelaindustriadecomunicacionesinalmbricasehaexpandidomsallde

laoficinayelhogar,paraincluirnuevosambientestalescomo:fbricas,hospitalesycampos

agrcolas. Las tecnologas inalmbricas tradicionales no son siempre aplicables en estos

ambientes,debidoarazonesprcticascomoelcostodelosdispositivosoelaltoconsumode

energa.Es por ello que surge la necesidad de nuevos estndares bajo la filosofa conocida

como Low Power Wireless Personal Network LPWPAN. Las metas del estndar IEEE

802.15.4son(Parker,2004):

MuyBajoconsumodepotencia:Enprcticamentecualquierdispositivo inalmbrico,

el radio o componente de transmisin y recepcin, es lo quems energa consume,

inclusoporencimadelCPUycualquierotroestadodeactivacinde latarjeta.Estos

dispositivosconocidoscomomotestienengrandeslimitacionesdeconsumoelctrico,

al tener que operar en exteriores con una pequea batera por periodos demeses o

aos.

MuyBajocosto:Elcostofinalde loscomponentesque implementenunaLPWPAN

debe sermuypequeo, yaqueporel tipodeaplicacionesalque seesperaapliquen,

31

deben estar compuestas de numerosos dispositivos, baratos e incluso hasta

desechables.

ZigBeeoperaenlabandadefrecuenciasISMde2.4GHz,lamismadeWiFi,Bluetooth,

microondas yotrosdispositivos,brindando la capacidadde interconectar65536dispositivos

porred.Lasespecificacionessoportantasasdetransmisindehasta250Kbpsadistanciasque

vandelos70alos300metros.

La tecnologa ZigBee permitir a los consumidores emplear los ltimos adelantos en

flexibilidad,movilidadyfacilidaddeusomediantecapacidadesdeinteligenciainalmbricaen

cada dispositivo. La tecnologa de ZigBee puede estar inmersa en un amplio rango de

productos y aplicaciones en los mercados de consumo, comerciales, industriales y

gubernamentalesentodoelmundo.MedianteZigbeeseleestbrindandoalasempresasuna

plataforma inalmbrica basada en estndares, optimizada para necesidades nicas de

monitorizacinremotaycontroldeaplicaciones,queincluyensimplicidad,muybajocostoy

muybajoconsumodepotencia.

SeesperaqueZigBeeseaampliamenteempleadaenaplicacionesdeautomatizacinen:

el hogar, edificaciones, instrumentacin a nivel industrial, adems de en redes sensores,

aplicacionesdemonitorizacindecomponentesysistemasenespaciosabiertos.

ElGrupodeTrabajodeRedesInalmbricasdereaPersonalIEEE802.15.4ascomo

ZigBeeAlliancehantrabajadoarduamenteen laestandarizacinde lasLPWPAN.Mientras

IEEE802.15.4especificalacapafsica(PHY)ydeaccesoalmedio(MAC),ZigBeeAlliance

propusoenjuniodel2005,ZigBee1.0paralascapasdered(NWK)yaplicacin(APL).

32

Fig.9. CapasPHYyMAC(IEEE802.15.4)ycapasMWKyAPL(ZigBeeAlliance)

CapaFsica(PHY)

La especificacin IEEE802.15.4 indica que esta capa debe cumplir con las siguientes

funciones:

Activacindedesactivacindenodos.

Deteccindeenerga.

Indicadordecalidaddelenlace.

Deteccindeactividaddelcanal.

Recepcinytransmisindedatos.

Ofrece la capacidad de operar en tres bandas de frecuencias libres, no sujetas a las

regulacionesyreservacinexplcitadeloscanales:

868MHz(bandalibreEuropea)loquepermiteuncanalde20Kbps.

902928MHz,queporsermsancha(26MHz)permite10canalesde40Kbps.

2.42.4835, GHz an ms ancha que la anterior (83.5 MHz) por lo que da la

posibilidadde16canalesde250Kbps.

33

Lasdistanciasposiblespuedenllegarhasta300m peroporelaumentoexponencialdela

potencia con respecto a la distancia, el consumo de energa sera enorme.As quemientras

mscortasealadistanciaentrelosdispositivos,menorserelconsumodeenerga.

Enlabandade2.4GHzsemodulaelcanalconOQPSKelcualdefineunaconstelacin

de4fases(45,135,225y315grados)porlotransmiteenelenlaceltimamillaadosbitspor

baudio.Labandade868MHzmodulaconBPSK.

Por ltimo ZigBee usa el ancho de banda mediante la tcnica DSSS, expuesta en la

seccin3.1.2delpresentecaptulo.

CapadeAccesoalMedio(MAC)

Estacapa,tambindefinidaenIEEE802.15.4,aseguraelcontroldelasconexionespunto

apuntoentrenodosparabrindarconfiabilidadalatransferenciadedatos.Lasfuncionesque

deberealizarson:

Transmisin delatramadesondeoobaliza.

Sincronizacindelatramabalizadentrodelasupertrama.

Asociaciny disociacin denodos.

CSMA/CAadosvas(sinCTSniRTS).

Todoestoparalograrunenlaceconfiableentre losnodos involucrados.Justamente los

nodosodispositivospuedenserdetrestipos:

Dispositivosfinales

Coordinadores

Enrutadores

Lasupertramaeselmedioparacomunicarsetodoslostiposdenodospresentesenlared.

EstafuncionaporTDM,conranuraspredefinidasparaquelosnodoscoloquensusdatosenel

mediodetransmisin.Estdivididaen4perodosdetiempo:

Perododecontencin

Ranurasdetiempogarantizadas

Ranuradelatramabaliza

Perododeinactividadobloqueo

34

Fig.10. SupertramadesincronizacinportiempoenMAC

En el perodo de contencin los nodos se disputan el uso de alguna de las ranuras y

puedehabercolisiones.EncambioenGTSlaconexinestaseguradapuessonranurasquese

reservandeantemano.Todoestosenegociaatravsdelatramabaliza.Duranteelperodode

bloqueo o inactividad todos los nodos, hasta el coordinador, duermen para ahorrar energa.

Estosintervalospuedenirdesde15mshasta4min.

CapadeRed(NWK)

Las especificaciones de esta capa, definidas por ZigBee Alliance, se centran en el

enrutamientodelainformacinsegnlaconfiguracindelaredylaseguridaddelenlace.Las

configuracionesderedprevistasson:

Estrella:centralizadoconusodelatramabalizaosondeo.

Rejillaomalla:sinbalizaconconexionespuntoapuntousandoCSMA/CA.

rbol:hbridoparaformarunaconfiguracinjerrquica.

Enestacapaelcoordinadorescapazdefijarparmetrosparalosnodosenrutadoresyda

mantenimientoalosdispositivosfinales.Elalgoritmodeenrutamientocumpleconlasmismas

premisasdelosprotocolosestiloAODVaunquelanormanoexigequeseaningnalgoritmo

en particular. La seguridad se garantiza mediante algoritmos de clave simtrica con claves

predefinidasdeantemanoalmomentodelainstalacindelnodo.

35

Los productos comerciales an no implementan esta capa pues la especificacin de

ZigBee Alliance es muy reciente y no tiene claramente definido los algoritmos ni detalles

necesariosparadesarrollarestacapaenunnodo.

CapadeAplicacin(APL)

Aqu se definen los perfiles de aplicaciones y sus agrupamientos, descubrimiento de

dispositivosyseguridadaniveldeaplicacin.Sedivideendossubcapas:

APS:manejalaseguridadconunaclavemaestraparanegociarclavesdesesin.

ZDO:define losperfiles y susagrupamientosademsde hacerel descubrimientode

nodos.

En lneas generales APS se comporta como una capa transporte mientras que ZDO

definelosobjetosnecesariosparadesarrollaraplicaciones.Aligualquelacapadered,noest

implementada en productos comerciales por lo reciente de la especificacin de ZigBee

Alliance

.

3.3.4. ModeloFuncionalparaRIS

Lasprincipales funcionalidadesde lasredesdesensorespuedenserseparadasencinco

grupos de actividades, como est propuesto en (Ruiz, 2002): establecimiento de la red,

administracin,monitoreo, procesamiento y comunicacin.Estas fases pueden realizarse de

formasimultneaypuedenestaractivasendistintosmomentosdeltiempodevidadelasredes

desensores.

EstablecimientodeunaReddeSensores:

Elestablecimientodeunareddesensoresincluyeactividadesdeinstalacindelosnodos

y de formacin de la red. Los nodos sensores pueden ser lanzados sobre una rea de

monitoreo,demaneraaleatoriayellosmismos forman lared.Antesdeempezar sutareade

monitoreo, los nodos pueden realizar actividades para ubicar su localizacin y/o formar

agrupacionesoclusters.

36

Las redesdesensores sonsistemasautoorganizados formadospornodossensoresque

pueden espontneamente crear una red, agrupndose y adaptndose dinmicamente en caso

que ocurran fallos o degradacin de algunos de sus componentes, administrando el

movimientodelosnodosyreaccionandoa loscambiosdetareasyrequisitosde lared.Los

nodospuedentambinorganizarseparaexplotarlaredundanciaresultantedelaaltadensidad,

ascomoprolongareltiempodevidadelsistema.

Lalocalizacinesotroaspectoimportantedelasredesdesensores.Engeneral,lasredes

desensoreshacenelnombramientodelosdatosenvezdenombrarlosnodos,comoesusual

en una red como la Internet. As que, en las redes de sensores podemos usar coordenadas

espacialesparanombrardatosquesonasociadosconelcontextofsicodelfenmenoqueest

siendo monitoreado. Existen algunos pasos relacionados con la localizacin de nodos

(Meguerdichianetal.,2001):

Medida:lasformasdemedidaylosalgoritmosdedescubrimientodelocalizacinson

muy estudiados. Durante las mediciones una o ms caractersticas de la seal de

comunicacininalmbricasonmedidasparaestablecerladistanciaentreeltransmisor

yelreceptor.Algunastcnicasquepuedenserusadasson:RSSI(Indicadordepotencia

de la seal recibida), TOA (Tiempo de llegada), TDOA (Diferencia en tiempo de

llegada)yAOA (ngulodellegada).

Algoritmos de descubrimiento de localizacin: los procedimientos para descubrir la

localizacinpuedenserclasificadosendosgrandesgrupos:aquellosqueusansistemas

inalmbricos sobre una infraestructura (AVL, LORAN, GPS, sistemas usados por

estaciones radio basepara rastrearelusuariomvil, sistemaCricket),y losqueusan

sistemasadhoc.

La red de sensores puede ejecutar la fusin de datos agregando informacin de los

sensoressiguiendoalgunamtricadecalidadespecificadaporelusuariofinal.Laagregacin

dedatosesunejemplodelusodecluster.Unnodopodraserelcabezadelclusterypodra

resumir la informacin de los objetos localizados en su cluster para dar una visin menos

detalladapara los nodosdistantes.La informacin resumidapuedeserenviada yusadapara

localizacindelosobjetos.

37

En muchos sistemas distribuidos cada nodo tiene una direccin nica de red. Estas

direcciones aparecen en todos los paquetes para identificar la fuente y el destino. Las

direcciones en los sistemas tradicionales pueden ser usadas como identificacin para

especificarunacomunicacinconotropuntodelaredytambinparaobtenerinformacinde

latopologaquepuedeserusadaenlosprotocolosdeenrutamiento.Unadelaspropuestasde

(Bulusu et al., 2001) para asignar direcciones en las redes de sensores es la utilizacin de

coordenadasespacialesparanombrardatos,porque losdatosdelossensoresestnasociados

conelcontextofsicodondeelfenmenoocurre.

Si los sensores no pueden ser cuidadosamente colocados en relacin a los otros una

estrategiavlidaparaencontrarbuenacoberturasebasaentenerredundanciadesensores,para

generarmayordensidaddeelementos.Avecesunadistribucinhomogneadesensoresnoes

buena debido a las condiciones ambientales tales comoobstculos o fuentes de ruido.Otra

aplicacin de la redundancia est relacionada al hecho de que el costo de colocar nodos

sensoresadicionalesalahoradedesplegarunaredes,enmuchoscasos,inferioralcostodela

renovacindestos,enelcasodequelosnodospresentenproblemasdefallosodestruccin.

Enestecaso,podemosusarlaredundanciaparaaumentareltiempodevidadelaredajustando

elusodelosnodossensoresenfuncindeladensidadydemanda.

Laredundanciatambinpuedesertratadaporprocesosdesoftware.Losdatoscomunes

recolectadospordistintosnodossensorespuedensercorrelacionados.Deestamanera,enel

caso de existir una buena correlacin podemos reducir la redundancia de la informacin

transportadaporlared.

Administracin:

El objeto de la administracin es aumentar el tiempo de vida de la red, reducir los

imprevistosyatendera los requisitosde laaplicacin.A lo largodel tiempoalgunosnodos

llegan a niveles de energa que pueden restringir de forma parcial o total su capacidad

operativa.La administracin o elmantenimiento de esta redpuede ser reactiva, preventiva,

correctivaoadaptativaaestetipodeeventos,oaotrosquepuedanocurrir(Ruiz,2002).La

administracinyelmantenimientosontareascontinuasquedebenrealizarsedurantetodoel

38

tiempodevidade la red.Sus funciones sonutilizadaspor lasdems fases: establecimiento,

monitoreo,procesamientoycomunicacin.

Lasactividadesdeestablecimientodelared,monitoreo,procesamientoycomunicacin

nosonsecuenciales.Esosepuedeverporejemplocuandoocurreunfalloenunodelosnodos

delared.Enestoscasospodemosllegaratenerunatopologadinmicaenredesdesensores

aunquelosnodosseanestacionarios.Mecanismosdemantenimientoyadministracindeestas

redes deben ser propuestos de forma de aumentar su tiempo de vida. Este mantenimiento

puedeexigirunanuevadistribucindenodosyunanuevaorganizacindelared.

Monitoreo:

Las actividades de monitoreo estn relacionadas con la percepcin del ambiente y la

recoleccindedatos.Dependedeltipodeaplicacinylostiposdesensores,estafaseincluye

unadeterminacinderuidosdeambiente,tipodedatorecolectados,volumendeinformacin

y frecuencia de muestreo. La determinacin de las reas de superposicin de los nodos

sensores tiene la misma importancia. El descubrimiento de estas reas puede resultar en el

cambiodelestadodelnodosensor.Porejemplo,sielreadepercepcindedossensoresposee

una interseccin,esopuederesultarenunacorrelacindedatosantesdelatransmisinoen

unaalteracindelestadodeunodeestossensoresdeformaqueslounopermanezcaactivoo

transmitasusdatosporlared.

Sabemos que si un nodo falla por falta de energa, destruccin o sin operacin

temporaria, es importante evaluar si el nmero de sensores activos es adecuado para la

ejecucin de la tarea y proveer mecanismos de tolerancia a fallos para mantener la

operatividaddelared.

Las redesde sensores realizanelmonitoreodistribuidodeunrea.Otraposibilidades

usar un sistema centralizado, como imagen de satlite o radar. Entretanto, la solucin

distribuidatieneventajascomo:

Permitemayortoleranciaafallosatravsdelaredundancia.

Posibilitalacoberturadeunagranreaatravsdelaunindevariossensores.

Ajustaelsistemaalaaplicacindeterminandoaselnmerodesensores.

39

Aumentaelreadecoberturaydensidad, reconfigurandoel sistemacuandounnodo

sensorfalla.

Garantiza la calidad de monitoreo por la combinacin de informacin de distintas

perspectivasespaciales.

Mejoraeldesempeodelmonitoreocondistintostiposdesensores.

Monitoreaunfenmenodemaneracontinua.

Localizaun fenmenodiscretoatravsdelusodenodo individual y la habilidadde

combinarinformacinconotrosnodos.

Usadistintastecnologascomounsensordepequeadistanciacapazdemonitorearel

fenmenosloendistanciasprximas.

Supera los efectos ambientales colocando los sensores prximos de los objetos de

inters.

RecoleccindeDatos:

El objetivo de una red de sensores es colectar informaciones de una regin de

observacin especfica, procesar la informacin y transmitir a uno o ms puntos de la red

(llamadossinksoestacionesbase).Laactividadderecoleccinincluyeelclculodelreade

coberturadelossensores.

La exposicin puede ser definida como la integral de una funcin de monitoreo que

dependede ladistanciade los sensores sobreuncaminodesdeunpunto inicialPS hastaun

punto final PF. Los parmetros de la funcin de monitoreo dependen de la naturaleza del

dispositivosensor.Laexposicinestdirectamenterelacionadaconlacobertura.

Lacoberturadeconectividadesmsimportanteenloscasosdelasredesdesensoresad

hoc ya que las conexiones son punto a punto. La cobertura debe, en general, responder a

cuestiones sobre calidad de servicio que pueden ser provedas por una red de sensores

particular.Unpuntoinicialesdefinirelproblemadelacoberturadesdevariospuntosdevista

incluyendolosdeterminsticos,estadsticos,mejoropeorcasoypresentandoejemplosencada

dominio.

40

Procesamiento:

Elprocesamientoenredesdesensorespuedeserdivididoendoscategoras:

Procesamiento de soporte, el cual incluye procesamientos como: gestin,

comunicacinymantenimientodelared,porejemplolasactividadesrelacionadascon

losprotocolos.

Procesamiento de la informacin, en el cual los datos colectados por el nodo sensor

puedenserprocesadosenfuncindelaaplicacinodelaparticipacindelnodosensor

en relacin a una tarea comn. Los datos podrn ser comprimidos, correlacionados,

encriptados,autenticados,etc.Otroprocesamientoimportantesonlosestmulosparala

recoleccindelosdatos.Porejemplo,losnodossensoresdetemperaturapuedentener

su procesamiento estimulado en funcin de una variacin o ruptura de los lmites

establecidoscomotolerables.

Comunicacin:

Las redes de sensores representan una conexin que faltaba entre Internet y elmundo

fsico. Estas redes son distintas de otros tipos de redes inalmbricas, como adhoc y sobre

infraestructuras. En las redes sobre infraestructuras toda la comunicacin entre los nodos

mvilesesrealizadaatravsdelautilizacindeestacionesdesoporteamovilidad(estaciones

bases).En las redes adhoc, los nodosmviles realizan la comunicacin directamente entre

ellos, noexistenestacionesde soportea lamovilidad.Los nodosdeuna redadhocpueden

moversedemaneraarbitrariahaciendoquelatopologacambiefrecuentemente.

En las redes de sensores los nodos son, en sumayora, estacionarios.La topologa de

estasredesesaltamentevariabledadoqueelrecursodeenergaes limitado.Lascapacidades

de las redes inalmbricas adhoc es restringida por una interferencia mutua en las

transmisiones concurrentes entre los nodos. Una caracterstica de las redes inalmbricas

mvileseslavariacindeltiempodelcanalenfuncindelosenlacesdecomunicacin.Existe

esta variacin por problemas como mltiples trayectos, prdidas por atenuacin e

interferenciasdeotrasentidadescomolospropiossensores.

41

Lasdistintastecnologasdecomunicacininalmbricasposeenlimitacionesencuantoa

losobstculosyalcance,asqueelenvodelainformacinpuedeinvolucrarcaminosatravs

deotrosnodos.Lascondicionesderuidopuedenafectarelmonitoreo,lacomunicacinentre

losnodosysignificarungastodeenerganonecesario.

3.4. AlgunasaplicacionesactualesdeRIS

A continuacin describimos algunas de las aplicaciones en las que estn siendo

utilizadas RIS para mejorar diferentes procesos en ambientes industriales, comerciales,

organizacionales,ascomoenlaboresdemonitoreoycontrolenotrasreas.

Estalistadeaplicacionesbuscaidentificaraquellosnichosenloscualessehaexplotado

exitosamente la tecnologa de RIS con el fin de que la industria tenga conocimiento y

posteriormentepuedaintentarreplicardealgunaformaestoscasosdexito.Lasaplicaciones

incluyendescripcionesdecadaproyectoascomolasempresasparticipantes.

3.4.1. IndustriaenGeneral

MonitoreodeTuberasdeAgua

Objetivo: detectar fugas en la tubera, determinar su localizacin y cuantificar las

prdidasqueestas fugasgeneran.Enelcasode lasaguasnegrassebuscamedirelniveldel

aguaenlastuberasyencasoquelosnivelesseanaltospoderredireccionarlosflujosdeagua

paraquestosnolleguenalro.

Descripcin:colocarsensoresdeultrasonidoenlas lneasdetuberasdeaguasservidas

quemedirnelniveldelagua.Enlaslneasdetransmisinydistribucindeaguasblancasse

colocarantransductoresdepresin,hidrfonosysensoresdepH,queenestecasomedirnel

pHdelaguaylapresin.Estossensoresformanunclusterqueenvalosdatosalgatewayva

Bluetooth.Ladistanciamximaentrelossensoresyelgatewayserde70100m,elcualse

instalarenedificacionescercanas.Estosequiposserncomputacionalmentemspoderosos,

conaccesoaInternetvaWiFi oGPRSparatransmitirlosdatosrecabadosalabasededatosy

42

con la capacidad de almacenar volmenes de informacin considerables. Estarn

sincronizadosatravsdeunGPSycontrolarnelrgimendemuestreo.

Empresa:Intel,MIT&BostonWaterAuthority

Cliente:BostonWaterandSewerCommission

Referencia:(Tokmoulineetal.,2005)

MonitorearlasCadenasdeproduccinabajastemperaturas

Objetivo: hacer el seguimiento de los estndares de temperaturas desde la produccin,

centrosdedistribucinytiendashastaelconsumidor.Losclientesrecibenunaadvertenciaen

casoquenosehayacumplidolatemperaturarequeridaenalgunodelospasosdelacadena.

Descripcin: nodos sensores son transportados con los productos para recolectar la

temperatura, los datos medidos son enviados a unidades repetidoras que disponen de

suministroconstantedecorriente.Lasunidadesrepetidorasformanunredadhocmultihop,a

estaredseuneunaccessbox(equipomaspoderosoqueunaunidadrepetidora)quesirve

comogatewayentrelaredeInternet.Undatawarehousefuncionacomoservidorcentralque

recibelainformacindetodoslosaccessboxyproveeunaimagenactualizadadelossensores

ysirvecomorepositorioalasaplicaciones.

Empresa:Lab.Investigacin Berkeley

Referencia:(RiemVis,2002)

3.4.2. IndustriadePetrleoyGas

VigilanciadePozosdeBajaProduccin(MEOWS)

Descripcin:esteesunsistemainalmbricodevigilanciaparapozosdebajaproduccin

quemonitoreaeldesempeodel sistemay laproduccindepozos debombeomecnicoen

tiemporeal,parapozosquesonoperadosporVaqueroEnergyenEdisonField,enelCondado

KemenCalifornia.Estesistemafuediseadodemaneraexitosayprobadoencampo.

Elsistemadevigilanciaincluyeunsensordeflujopropietario,unaunidadprogramable

detransmisin,unreceptorbaseconantena,yunaestacinbase(computadora)consoftware

43

parainterpretarlosdatosrecolectados.Primero,sepresentaeldiseodelsistema.Segundo,se

presentan losdatosobtenidosencampo, loscualesprovienende4pozos.Losresultadosdel

estudiomuestranqueunsistemadevigilanciaefectivo,competitivoencostosyentiemporeal

puedeserintroducidoen campospetrolerosenlosEstadosUnidosyenelmundo.

Empresa:VaqueroEnergy

Contratista:Petrolects,LLC.

Referencia:(Medizadeetal.,2004)

MonitoreodeMaquinaraCrticadelasaladeMquinasdeunTanqueroPetrolero

Objetivos:

1) A travs de una aplicacin piloto corroborar la efectividad del uso de Nodos en

ambientesindustriales(hostiles).

2)Enbasealosdatosdevibracinentendercomolamaquinariasedesgastaypredecir

cuandoseledebehacermantenimiento.

Descripcin: acelermetros y tacmetros instalados en lamaquinaria son conectados a

los nodos, que estn instalados a aproximadamente 61 cm. (2 pies) de ellas en una caja

especialmenteconstruidapara suproteccin.Clustersdenodoscreansubredesquevanaun

gateway,comunicndoseatravsdeRF.Losgatewaysasuvezsecomunicanconungateway

controladorelcualenvalosdatosaunabasededatosbackend.

Empresa:Crossbow

Cliente:BP

Referencia:(Kevan,2006)

Refinera que utiliza identificacin por Radio Frecuencia para su Sistema de

Evacuacin

Objetivos: hacer seguimiento de todo el personal que tiene acceso a la refinera que

constadealrededorde2000personasentreempleados,contratistasyvisitantes.Permitiendoa

los operadores determinar donde estn en caso de emergencia, como una explosin o un

incendio.Elprocedimientoenestoscasosrequierequeelpersonalvayarpidamenteaunrea

44

de evacuacin previamente designada ya sea a pie o en un vehiculo y es necesario

identificarlosdeformarpiday confiable.

Descripcin:lasetiquetasRFIDactivassoncolocadasenelcarnetdelpersonal,loquele

permite aBP determinar rpidamente si alguien permanece en las instalaciones, cual es su

nombre y localizacin. Se utiliza un software basado en WebSphere con una interfaz de

localizacin llamada Atlas para recolectar los datos. Dicha etiqueta RFID transmite un ID

nico cada segundo, que es recibido por alguno de los 10 lectores instalados en el rea de

cobertura,poralgunodeloslectoresmanualesoporloslectoresquecapturanlasealdelos

empleadosquepasanporlapuertadesalidadelreadeevacuacin.

Empresa:MultiSpectralSolutions

Cliente:BPCherryPoint

Referencia:(Swedberg,2006)

3.4.3. AgriculturayMedioAmbiente

ObservacindelaveLeach'sStormPetrelenlaislaGreatDuck(Maine,EEUU)

Objetivos: estudiar el hbitat del ave, especficamente establecer los patrones de sus

nidos, cambios en las condiciones ambientales y sitios preferidos para criar a sus poyuelos.

Con este proyecto se desea desarrollar un kit que permita el estudio del hbitat de otros

animales.

Descripcin: se trata de un ave muy susceptible a la presencia humana, lo que ha

dificultadosuestudio.Sehancolocadonodostantodentro,comofueradelosnidosquemiden

temperatura,presinyniveldeluz.Adicionalmentesehanagregadosensoresinfrarrojosalos

nodosdentrodelosnidosparadeterminar lapresenciadelasaves.Losequiposseinstalaron

enclusterformandounaredmultihopadhoc.Cadaclusterposeeunnodoquedisponedeuna

antenadireccionaldelargoalcance,quelepermiteconectarseconlaestacinbase.Losdatos

recolectadossonenviadosvasatlitedesdelaestacinbasehacialabasededatosbackend.

Empresa:Lab.Investigacin Berkeley

Referencia:(Culler,2002)

45

MonitoreodeGlaciares

Objetivo:monitoreode losdesplazamientosydinmicasdentrode losglaciaresconel

fin de comprender los cambios en el clima. Se utilizan cpsulas que son insertadas en el

interiordelglaciaryquesecomunicanconlasuperficieatravsdeenlacesderadio.Dichas

cpsulascontienensensoresquepermiten,desdelasuperficie,medirsuposicinyorientacin.

Descripcin: las cpsulas son colocadas en el glaciar taladrando huecos a distintas

profundidades, dichas cpsulas estn equipadas con sensores que miden la presin, la

temperaturaylaorientacindelnodo.Secomunicanconlaestacinbaseinstaladaenlacima

del glaciar, la estacin base mide los desplazamientos supraglaciales usando un GPS

diferencialy transmitiendo losdatos recolectadosvaGSM.A2.5Km. hayunaestacinde

referenciaquerecibelainformacinenviadaporlaestacinbaseatravsdeunradiomdem.

EstelosrespaldaendiscoylosenvaaSouthamptoncadanoche,usandolneastelefnicas.

Empresa:UniversidaddeSouthampton

Referencia:(Pahdyetal.,2005)

3.4.4.SeguridadyDefensaMilitar

SeguimientodeVehculosatravsdeunaRIS

Objetivo:poderhacerunseguimientoexhaustivodelosvehculosquesemuevenenun

reaespecifica.Pararealizarestosebuscaquenohagafaltaponerriesgoningunavidaporlo

quesepersiguequeseaunsistemanotripulado.

Descripcin: utilizando un vehiculo areo no tripulado se distribuyen una serie de

sensoresenunreaespecifica.Unavezdesplegadossobreelterrenodichosnodosformauna

redmultihopsincronizadaquedetectalosvehculosquepasanatravsdelaredytransfieren

la informacin recolectada a la unidad area, quien a su vez enva la informacin a un

observadorenelcampobase.Elnodoposeeunmagnetmetro,porlocualcuandomateriales

magnticossemuevencercadelmagnetmetro,causanuncambioenelcampomagntico,y

esestecambio loqueelnododetecta.Elnodoescapazdedetectarvehculosdepasajerosa

msdecincometrosybusesycamionesamsde10m.

46

Referencia:(Culleretal.,2000)

SistemadeDeteccindeTiradoresBasadoenunaReddeSensores

Objetivo:localizartiradoresocultosylatrayectoriadelasbalas,dandounainformacin

muyvaliosaparalasautoridadesenelcumplimientodelaley.

Descripcin:losnodosutilizansensoresacsticosquedetectanlasondasdechoqueylas

rfagas,formandounaredadhocmultihopsincronizada.Enbasealacomparacindeltiempo

dearriboalossensoresdistribuidossepuedelocalizaraltiradormediantetriangulacin,con

unacertezadeunmetroyconunalatenciade2segundos.

Referencia:(Simonetal.,2004)

47

3.5. Mtodosbsicosdeproduccindepetrleo

En virtud de la variedad de tcnicas de produccin que se emplean para extraer el

petrleo de los yacimientos, se procede a explicar el funcionamiento de 3 tipos de pozo, a

partirdeloscualessedefinirnparmetrosamedircomopartedelainstrumentacinasociada

alosprocesosdemonitoreoycontrol.

3.5.1.ProduccindeFlujoNatural

Cuando un yacimiento tiene suficiente presin para expulsar el petrleo hasta la

superficiesinningntipodebombeo,se lecatalogacomodeflujonatural.Laterminacin

del pozo se elije para responder a las condicionesmecnicas y geolgicas impuestas por la

naturaleza del yacimiento.Adems de las varias opciones para terminar el pozo demanera

vertical, ahoraexisten las siguientesmodalidadesde terminacindepozos:pozosdesviados

normalmente, desviados de largo alcance, inclinados y los que penetran el yacimiento de

manerahorizontal (Barberii,1998a).

3.5.2.ProduccinporBombeoMecnico

Unyacimientoqueproduceporbombeomecnicotiene suficientepresinparaque el

petrleo suba hasta cierto nivel. A partir de este nivel, el bombeomecnico se encarga de

sacar el petrleo hasta la superficie. Esto se hacemediante la instalacin deun balancn de

produccin,queaplicaunmovimientoverticalalasartadevarillasdesuccinquemuevenel

pistn de una bomba que est colocada en la sarta de produccin o educcin, a cierta

profundidaddelpozo.

Una vlvula fija permite que el petrleo entre al cilindro de la bomba. En la carrera

descendente de las varillas, la vlvula fija se cierra y se abre la vlvula viajera para que el

petrleopasedelabombaalatuberadeeduccin.Enlacarreraascendente,lavlvulaviajera

secierraparamoverhacia la superficieelpetrleoqueesten latuberay lavlvula fijase

abre para permitir que entre petrleo a la bomba. La repeticin continua del movimiento

48

ascendente y descendente mantiene el flujo hacia la superficie (Barberii, 1998b). En el

siguientegrficosepuedeobservarelsistemadebombeomecnicoaqudescrito:

Fig.11. SistemadeBombeoMecnico

49

3.5.3.ProduccinporBombeodeCavidadProgresiva(BCP)

LasbombasdeCavidadProgresivasonmquinasrotativasdedesplazamientopositivo,

compuestas por un rotormetlico, un estator cuyomaterial es elastmero generalmente, un

sistemamotoryunsistemadeacoples flexibles.Elefectodebombeoseobtieneatravsde

cavidadessucesivaseindependientesquesedesplazandesdelasuccinhastaladescargadela

bombaamedidaqueelrotorgiradentrodelestator.Elmovimientoestransmitidopormedio

deunasartadecabillasdesde lasuperficiehasta labomba,empleandoparaellounmotor

reductoracopladoalascabillas.

Estetipodebombassecaracterizaporoperarabajavelocidadesypermitirmanejaraltos

volmenesdegas,slidosensuspensinycortesdeagua,ascomotambinsonidealespara

manejarcrudosdemedianaybajagravedadAPI.

LoscomponentesbsicosdeunsistemadeBombeodeCavidadProgresivaincluyen:

Equiposdesuperficie:

o Cabezalgiratorio:su funcinprincipales ladesoportarelpesode la sartade

cabillas.Adems,evitaquestaltimaretrocedacuandoelsistemaseapaga.

o Movimientoprimario(motor):sufuncinprincipales ladeproveer laenerga

necesariaparamoverelequipodesuperficie,yporendelasartadecabillasyla

bomba.

Equipo de transmisin depotencia: a travs deun conjunto depoleas, cadenas y un

sistemahidrulico,seencargadetransmitirlepotenciaalmotor.

Equipos de subsuelo: en este grupo de componentes se encuentran la bomba de

subsuelo, el ancla de gas, el ancla antitorque y la sarta de cabillas. La bomba de

subsueloconsistedeunrotorhelicoidalsingularquerotaalrededordeunmismoeje,

dentro de un estator helicoidal doble de mismo dimetro (menor) y del doble de

longitud.Elrotoryelestatorformanunaseriedecavidadesselladasalolargodeuna

mismadireccin,quesedesplazandesdelasuccinhastaladescargadelabomba.El

desplazamiento de una bomba de Cavidad Progresiva adems de ser funcin de la

velocidadderotacin,esdirectamenteproporcionalatresconstantes:eldimetrodela

seccin transversal del rotor, la excentricidad (o radio de la hlice) y la longitud

50

pitchde lahlicedelestator.Eldesplazamientoporrevolucinpuedevariarconel

tamaodelreadelacavidad(Aguirre,1999).

EnlaFig.12sepuedeobservarundiagramadelaestructuradeunpozoBCP.

Fig.12. SistemadeBCP

51

Lasiguientefiguraobtenidade(Reyes,1999)presentaunabombadecavidadprogresiva

endetalle:

Fig.13. Detalledeunabombadecavidadprogresiva

CAPTULO4:DESARROLLODELASFASESDELPROYECTO

A continuacin se procede con el desarrollo del proyecto de acuerdo a las fases

presentadasenelCaptulo2:Objetivo yFases,empezandocon elestudiode los3 tiposde

pozo que se plasmaron en el Captulo 3, seccin 3.5. Estudio deMtodos de Produccin

Bsicos.

4.1. Identificar y estudiar los parmetros de operacin de los pozos, as como los

mtodosyestrategiasaemplearparasurecoleccin

En un proceso tan complejo como lo es la produccin de petrleo, en su fase de

extraccindelpozo,seveninvolucradasunacantidaddevariablesfsicasbastantegrande.En

cadapuntodelaestructuradelpozosepuedemedirtemperatura,presinyflujodecualquier

fluido involucrado, ya sea petrleo, queroseno, aceites, agua, etc. Tambin en sistemas de

extraccin mecnicos se puede monitorear las cargas, torques, vibraciones y esfuerzos de

piezasclavedelensamblajemecnico.Adicionalmente,sepuedenhacermedicioneselctricas

paramonitorear el consumode energa del sistema, si ste resulta ser un factor clave en el

desempeodelpozo.

Para instrumentar un pozo bajo las mejores prcticas posibles, habra que tomar en

cuenta todas las variables que se puedanmedir, y controlar las que tengan un efecto en la

salidadelsistema,enestecasoelvolumendeproduccin.Enunpozodebajaproduccinno

resultarentablehacerusodeunainstrumentacintanminuciosa,queademsrequeriradeun

cuartodecontrolyoperadores.Almomentodeinstrumentarunpozodebajaproduccin,se

plantea hacerlo bajo los requerimientos mnimos de monitoreo, es decir, controlando las

variablesmsesenciales.

Como parte del proyecto, PDVSA hizo entrega de una lista de lo que se considera

parmetros esenciales de instrumentacin, as como tambin hizo entrega de las mejores

prcticasparaefectosdecomparacin.Acontinuacinsepresentanestosparmetrosconsu

definicin, laperiodicidadmximaconlaquePDVSArecomiendahacermuestreosyenque

tipodepozo(delos3explicadosenelCaptulo3,Seccin3.5)estnpresentes.

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4.1.1. Estudiodeparmetrosamedir

Presindelnea:estaeslapresinqueejercelamezcladepetrleo,aguaygasalsubir

por el ducto. Se plantea medirla cada 2 minutos para verificar la condicin y

rendimientodelyacimiento.Semideenpozosdeflujonatural

Presindecasing:estaes lapresinejercidasobreelcasingocubiertaprotectora, la

cual es una infraestructura que recubre todo el camino de terminacin hacia el

yacimientoparaevitarqueelductoy,porende,elpozocolapsen.Seplanteamedirla

cada 2 minutos para verificar la condicin y rendimiento del yacimiento.

Adicionalmenteindicalaexistenciadecomunicacinentreelespacioanularylalnea

deproduccin.Semideenpozosdeflujonatural

Presindecabezal:eslapresinconlaqueseliberalamezcladepetrleo,aguaygas

a la superficie, ya que el cabezal se encuentra en la interfaz ductosuperficie. Se

planteamedirlacada2minutosparaverificarsielpozoestabiertoono.Semideen

lastresmodalidadesdeproduccinestudiadas

Presin a vlvula de seguridad en subsuelo: esta es la presin en el extremo de

subsuelo con la que lamezcla empieza a subir. Se planteamedirla cada30minutos

paraverificarcondicionesdebajaproduccinqueindiquenuncierredelavlvula.Se

mideenpozosdeflujonatural

Temperaturadelnea:es latemperaturacon lacualviene lamezcladehidrocarburos

porelducto.Seplanteamedirlacada2minutosparapredecirpresenciadebachesde

aguaogas.Semideenpozosdeflujonatural

Temperaturadecabezal:eslatemperatura

Tesis Recoleccion de Datos en Pozos Petroleros

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