Каналы связи и передача информации

Учет энергоресурсов активно вошел в нашу жизнь примерно 20 лет назад. Первые узлы учета представляли собой достаточно ограниченные приборы с возможностью просмотра измеренных значений на встроенном индикаторе или с выводом на бумажный носитель. В процессе развития на вычислителях стали появляться интерфейсы для прямого подключения к последовательному порту ЭВМ. В первую очередь это было реализовано для облегчения процедуры программирования и диагностики. Такие решения ориентировались на локальную кратковременную работу.

С ростом количества узлов учета трудоемкость сбора данных увеличивалась. Появилась потребность получать информацию от приборов, минимизируя ручной труд. Энтузиасты на местах пытались решить эту задачу подручными средствами, появлялись различные самодельные устройства, подключаемые на интерфейсы прямого включения, писалось собственное программное обеспечение (ПО). Технические и программные решения зависели от навыков реализующего, от стоимости и наличия под рукой оборудования и от конкретных сиюминутных задач. Так появлялись первые самодельные системы диспетчеризации.

«Хвост виляет собакой». Как не надо строить информационные системы

К сегодняшнему дню ситуация изменилась. Диспетчеризация стала необходимостью, теперь ею занимаются не от-дельные маленькие команды, а большие серьезные организации. Вот только «фундамент» остался прежним - интерфейс и протокол прямого включения, изначально созданный для работы в режиме «точка-точка».

В результате появляются «инженерные терминалы» - мини-компьютеры с большим набором различных интерфейсов и протоколов на все случаи жизни, со своей архивной памятью, с алгоритмами преобразования измеренных величин.

Предпосылки такой реализации вполне понятны - различные приборы, интерфейсы, протоколы. Подобная система решает их все, но при этом имеет свои подводные камни. Кроме того, в силу своей универсальности терминал является достаточно дорогим устройством.

Протокол общения с «верхним уровнем» закрытый и известен только разработчику. Потребитель оказывается привя­занным к изготовителю системы и вынужден использовать только его ПО. Разработать альтернативу невозможно - не­известен протокол, для применения ПО аналогичной системы потребуется замена терминалов на всех локальных точках. Поскольку такая диспетчеризация строится по принципу: запросили данные с прибора, обработали их с помо­щью встроенных алгоритмов, сложили в архив терминала, и в базу данных попадают значения из памяти терминала. Увидеть информацию самого прибора учета возможно только локально на дисплее.

Очень часто подобную систему устанавливают на серверных мощностях производителя или системного интегратора, мотивируя это снижением первоначальных затрат, а потребитель за относительно небольшую абонентскую плату полу­чает доступ к данным. В результате владелец узла учета перестает быть собственником информации со своего же узла и вынужден ее покупать даже при повышении стоимости. Перейти на альтернативную систему он может только ценой создания системы с нуля - причины мы изложили выше.

Распространенная ситуация, когда информацию с узла учета желают получать обе стороны - поставщик и потреби­тель. Хорошо, если оба работают в одной информационной системе, но такое совпадение бывает редко.

У прибора один интерфейс, а подключить надо две абсолютно разные системы. Разветвителем делают инженер - ный терминал с системой верхнего уровня, но такое решение влечет за собой зависимость от поставщика услуги сбора данных, и отсутствует возможность работать с информацией непосредственно с прибора - обе стороны уже видят только обработанную информацию в БД. Отсутствие прозрачности порождает недоверие, в том числе и среди порядочных людей.

Наш подход к информационным системам

Наше предприятие пошло другим путем. Уже при разработке нашего первого прибора ТЭКОН-Ю мы закладывали в него возможность диспетчеризации. На тот момент это был всего один интерфейс, но он уже мог работать в сетях.

Поскольку все наши разработки предусматривали автоматический сбор данных, то, активно занимаясь этим, мы при­обрели большой опыт в создании систем диспетчеризации.

Все оборудование для диспетчеризации нашего производства использует открытый протокол обмена. При разработке нового устройства или изменении существующего обязательно поддерживается обратная совместимость. У пользова­телей есть различные варианты построения системы, где используется оборудование предприятия «Крейт»:

• диспетчерский комплекс «ИСКРа» может поставляться в комплекте с нашим оборудованием;
• можно создать свой интерфейс или свое ПО;
• можно использовать ОРС-сервер производства «Крейт» с любой SCADA-системой.

При таком широком выборе решений можно построить систему диспетчеризации под любые требования, при этом пользователь остается собственником информации со своих узлов учета и ни от кого не зависит. В отличие от инже­нерных терминалов, оборудование нашего производства не обладает аппаратными и програмными возможностями ис­кажения информации. Все происходит в прозрачном режиме - вы работаете именно с прибором учета и его архивами, каналообразующее оборудование предоставляет только связь.

Инфраструктура связи

При планировании системы один из основных вопросов - это вопрос выбора: создавать свою инфраструктуру каналов связи или применять существующие общественные каналы. У каждого из вариантов есть свои преимущества.

При создании своих каналов связи могут потребоваться достаточно объемные вложения. В последующем будут затраты на их содержание, но система будет полностью независимой. Вы являетесь ее полным собственником. Для систем управления и критически важных систем такой выбор будет оправдан. Такие подходы применяются на крупных промышленных предприятиях, а также на опасных производственных объектах.

При использовании общественных каналов связи затраты на развертывание и содержание не требуются, но организовать сбор информации можно только в местах присутствия данной инфраструктуры. Такое решение оптимально для систем, в которых не требуется оперативность обмена информацией и гарантированность доставки. Затраты на создание и эксплуатацию такой системы будут существенно ниже. Оптимально для использования в жилищно-коммунальной сфере, поскольку операторы связи заинтересованы в проживающих абонентах, а информационный трафик внутрисетевой и не несет дополнительной финансовой нагрузки.

Основные применяемые информационные каналы

Развитие информационных систем предоставляет огромный выбор технических решений. Беспроводные технологии привлекают своей универсальностью, но пока уступают проводным по стоимости и качеству связи. На сегодняшний день существуют варианты проводной, беспроводной или смешанной технологии диспетчеризации. Рассмотрим основные.

Проводные технологии передачи данных

Контроллер Ethernet К-104 

Ethernet является самым широкоиспользуемым каналом связи. Невысокая цена и отличная масштабируемость позволила ему попасть во все сферы жизни. Снижение стоимости развертывания волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) позволило по-новому взглянуть на цифровые информационные каналы. Сегодня уже никого не удивить домашним подключением к сети Internet со скоростью 100 Mbit, в этом же канале работает телефония, телевидение, системы видеонаблюдения, лифтовая связь и другие инженерные системы.

В промышленности тоже все чаще вместо привычных аналоговых линий связи используются цифровые протоколы. Одним из самых важных преимуществ оптического волокна в промышленности является устойчивость к помехам. Второе преимущество - большая протяженность. Если раньше сети Ethernet использовали кабель UTP-5 или RG-58 и были ограничены расстоянием 150-300 метров до активного оборудования, то сейчас, с использованием оптоволо-конных сетей, - несколько километров.

Для организации системы диспетчеризации в сетях Ethernet мы при¬меняем контроллер К-104. Контроллер Ethernet К-104 является коммутатором интерфейсов CAN-BUS, RS-232/485 в Ethernet стандарта 100 BASE-T. Поддерживается два транспортных протокола -TCP (Transmission Control Protocol) и UDP (User Datagram Protocol). TCP предоставляет данные с предварительной установкой соединения. Гарантирует, что адресат получит данные точно в такой же последова-тельности, в какой они были отправлены, и без потерь. UDP- протокол для передачи данных без установки соединения. Он является одним из самых быстрых протоколов. В отличие от TCP не гарантирует до - ставку, и эта задача ложится на систему верхнего уровня. Применяется в системах, где требуется малое время доставки данных. Обмен с верхним уровнем осуществляется по открытому протоколу FT1.2.

Контроллер Ethernet К-104 поддерживает работу:

На сегодня Ethernet является самой доступной средой передачи данных.
Линейка приборов ТЭКОН-20 представляет из себя многопроцессорную распределенную систему, в которой от¬дельные модули могут использовать в своих расчетах информацию с других модулей. С помощью контроллеров К-104 можно соединять локальные элементы в одно целое, используя сеть Ethernet в качестве среды передачи.

Контроллеры на узле учёта тепловой энергии 1 и узеле учёта N получают информацию о температуре холодного источника от контроллера узла учёта холодного водоснабжения. Получение информации осуществляется через Ethernet.

В контроллерах Ethernet с целью повышения безопасности предусмотрена функция 1Р-фильтра- ции. Контроллер будет отвечать на запросы только с доверенных IP-адресов. Включение этой функции и редактирование списка доверенных адресов доступ­но в режиме «Настройки».

Стандарт RS-485

Сети Ethernet получили массовое распространение относительно недавно. До этого применялись медные прово­дные линии стандарта RS-485. В стандарте RS-485 для передачи и приёма данных используется одна витая пара проводов, иногда сопровождаемая экранирующей оплеткой. Стандарт RS-485 оговаривает только физические и электрические характеристики интерфейса и не оговаривает протокол обмена.

Максимальная длина одного сегмента сети 1200 метров, в одном сегменте может присутствовать до 32 устройств. В основном сети стандарта RS-485 применяются в промышленном оборудовании и решениях. В бытовой сфере стандарт применяется в индивидуальном учете и в электросчетчиках.

Контроллеры серии ТЭКОН-20 подключаются в сети RS-485 с помощью адаптеров АИ-80. Обмен с верхним уровнем осуществляется по открытому протоколу FT1.2. В последующем возможно подключение сети RS-485 к последователь­ному порту персонального компьютера через адаптер RS-232-RS-485 или сети Ethernet через контроллер К-104.

Группы 1 и 2 - это ТЭКОН-19 (или груп­па ТЭКОНов), подключенный последова­тельно на CAN интерфейс адаптера АИ-80. По линии RS-485 данные отправляются на адаптер RS-232-RS-485, который передает данные на последовательный порт сервера. Группа 3 не имеет прямого подключения к сети RS-485, но подключена к Группе 2 по шине CAN с использова­нием разделителей сегментов РС-62. Таким образом, обе группы по­лучают возможность передавать информацию через адаптер АИ-80, установленный в точке Группы 2.

Стандарт CAN-BUS

Приборы серии ТЭКОН-20 разрабатывались как многопроцессорная распределенная система. Взаимодействие между модулями происходит по внутренней шине CAN-BUS.

CAN (Controller Area Network) - стандарт промышленной сети, ориентированный на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи - последовательный. Максимальная протяжен­ность линии обратно пропорциональна скорости, при скорости 300 Kbod протяженность линии в пределах 100 метров.

Основное применение шины CAN-BUS - объединение нескольких модулей внутри одного шкафа в систему, но иногда возникает потребность соединить модули, расположенные в разных шкафах на расстоянии. Для этих целей применяется разделитель сегментов РС-62.

Разделитель сегментов РС-62 обладает двумя интерфейсами CAN и обеспечи­вает маршрутизацию данных из одного сегмента CAN-BUS в другой. Интерфейсы независимы между собой и настраиваются раздельно.

Применение разделителей РС-62 позволяет увеличить общую длину шины на 250 метров без снижения скорости CAN-BUS в самих локальных точках и разде­лить её на независимые сегменты. Такая организация шины позволяет обеспечить защиту оборудования в локальных узлах учета при повреждении шины.

• Разделитель сегментов РС-62
• Тип подключения: медная пара под клемму
• Протокол: CAN-BUS

На схеме линия CAN-BUS проходит от одного узла до другого через производственное помещение

Дополнительная функция РС-62 - ограничение доступа к модулям из одного сегмента к модулям в другом сегменте. С помощью такого решения возможно разграничение доступа к приборам в одной системе между разными юридиче­скими лицами.

На схеме показано, что владелец узлов учета получает всю информацию с приборов. Благодаря применению РС-62 каждый поставщик ресурсов получает только данные с узла учета поставляемого ресурса и не имеет до­ступа к информации с узлов учета других ресурсов.

Квартирный учет и стандарт M-Bus

Согласно действующим нормативным документам, весь жилой фонд оборудуется индивидуальными узлами уче­та. В результате мы видим большое количество узлов, с которых требуется получить информацию, при этом доступ непосредственно к приборам может быть затруднен. А без мониторинга невозможно собрать полную и достоверную информацию, построить баланс. Только мы решили эту проблему.

Рассмотрим сбор информации с индивидуальных приборов учета. В большинстве случаев индивидуальный учет строят на приборах с автономным питанием. Такие технические решения накладывают существенные ограничения на обмен информацией. Каждая секунда работы канала связи, каждый переданный байт тратят энергию и этим сни­жают срок службы элемента питания. Для решения этой задачи в автономных приборах используется шина M-BUS.

M-BUS (Meter Bus) - стандарт на основе асинхронного интерфейса. Преимущественно применяется для при­боров учета электрической энергии (электросчетчики), тепловой энергии (теплосчетчики), расходомеров воды и газа. Данные передаются на персональный компьютер (сервер) напрямую или через контроллер шины M-BUS, а также усилители-повторители сигнала (может обеспечивать пассивное питание ведомых устройств).

Обмен с верхним уровнем осуществляется по открытому протоколу FT1.2.

Система поквартирного учета ресурсов, построенная на стандарте M-Bus/RS-485, состоит из следующего оборудования: 

• ТЭКОН-19Б - тепловычислитель с автономным источником питания, отдающий данные через интерфейс M-BUS, из расчёта: одна квартира - один прибор;
• бытовые электросчётчики могут иметь интерфейсы CAN либо RS-485 (аналогично: одна квартира - один прибор);
• адаптер АИ-88 - концентратор шины M-BUS, а также объединяющий чиков и тепловычислителей на этаже жилого дома. Обеспечивает подпитку ведомых устройств по каналу связи. Выпускается в двух модификациях: АИ-88-00, имеющий интерфейс M-BUS и CAN-BUS (для подключения электросчётчиков с интерфейсами CAN-BUS), АИ-88-01, имеющий интерфейсы M-BUS и RS-485 (для электросчётчиков, имеющих интерфейс RS-485);
• на каждый подъезд устанавливается контроллер К-104 для обеспечения бесперебойного сбора данных посредством технологии Ethernet. Контроллер К-104 способен собирать показания как с тепловычислителей, так и с электросчётчиков.

Конечным пунктом диспетчеризации является клиент-серверное программное обеспечение собственного производства - Информационная система контроля энергоресурсов «ИСКРа». Построенная система обеспечивает автоматическую постоянную передачу сведений о потреблении энергоресурсов на сервер, при этом не расходует ресурс автономного источника питания. В отличие от применяемых централизованных устройств поэтажное размещение концентраторов M-Bus существенно облегчает эксплуата¬цию системы и избавляет от потребности использовать кабель большого сечения.

На схеме показана система индивидуального учета отопления, ГВС, ХВС с автоматизированным сбором показаний.

Беспроводные технологии передачи данных

Контроллер GSM/GPRS К-105

Проводные решения обеспечивают надежный канал связи и достаточно экономичны в эксплуатации, но встречаются задачи, когда организовать проводной канал невозможно или очень трудоемко. В таких случаях требу­ется беспроводное решение. На сегодня самой большой территорией ох­вата и массовостью применения беспроводных сетей обладают операторы GSM-связи.

GSM - глобальный стандарт цифровой мобильной связи с разделением каналов по времени и частоте. Передача данных в сетях GSM возможна в двух режимах: CSD (Circuit Switched Data) и GPRS (General Packet Radio Service).

Для организации сбора данных с использованием сетей GSM используется контроллер GSM/GPRS К-105. Контроллер имеет встроенный GSM-модуль и интерфейсы CAN-BUS и RS 232/RS 485.

Поддерживается работа как в режиме CSD, так и в режиме пакетной передачи данных GPRS. Обмен с верхним уровнем осуществляется по открытому протоколу FT1.2. Для подключения достаточно приобрести SIM-карту и настроить контроллер на выбранный режим работы.

Контроллер К-105 поддерживает работу:

• по интерфейсу CAN-BUS с приборами серии ТЭКОН-20 и электросчетчиком «Милур» (105 и 305);
• по интерфейсу RS-232 или RS-485 с контроллерами ТЭКОН-17, СПТ 94х, электросчетчиками СЭТ, ПСЧ, «Энергомера».

Невозможно одновременное использование интерфейсов RS-232 и RS-485, интерфейс CAN-BUS работает всегда.

Дополнительно в контроллере есть функция запроса любого параметра с приборов, подключенных к интерфейсу CAN- BUS и сравнение его с предварительно заданными уставками. В случае выхода параметра до уставки происходит SMS-оповещение на заданные телефонные номера.

Технологии CSD и GPRS

CSD - технология передачи данных, разработанная для мобильных устройств стандарта GSM. CSD использует один временной интервал для передачи данных на скорости 9,6 кбит/с в подсистему сети, где они передаются через эквивалент обычной модемной связи.

CSD-вызов работает как обычный голосовой вызов в GSM сетях. Компьютер-диспетчер набирает номер абонентского устройства, устанавливает связь, получает данные и разрывает связь. Таким образом, режим работы в GSM- CSD полностью аналогичен работе с коммутируемым каналом связи ГТС (городской телефонной сети), только в качестве среды передачи используется сеть GSM.

Недостатки такого решения очевидны - данные поступают только в момент установки связи, невозможно получить информацию в потоковом режиме. Технология CSD считается устаревшей и достаточно дорого обходится.

Тарификация CSD производится по времени, проведенному на линии.

Применение CSD оправдано на приборах с локальными интерфейсами «точка-точка», так как помогает избежать ситуации с «зависанием» канала связи.

На схеме показано подключение двух разных приборов с разными интерфейсами к сети GSM в режиме CSD

Поскольку контроллер К-105 оптимален для работы в «потоке», рекомендуется использовать режим пакетной пе­редачи данных GPRS.

GPRS - надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Internet.

При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передается через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. Такая технология в отличии от CSD предполагает более эффективное использование ресурсов сети GSM. Что именно является приоритетом передачи - голосовой трафик или передача данных - выбирается опе­ратором связи.

Все основные операторы сотовой связи в России отдают приоритет голосовому трафику. Поэтому скорость переда­чи зависит от загрузки сети.

При использовании GPRS абонент выступает как клиент внешней сети, и ему присваивается IP-адрес - постоянный или динамический.

Постоянный IP-адрес подразумевает, что при любом подключении к GPRS абонентскому устройству будет присва­иваться один и тот же адрес. Данное решение удобно, но несет в себе дополнительные затраты - оператор сотовой сети взимает за это дополнительную оплату. В некоторых случаях такая услуга просто не предоставляется. При ста­тической адресации каждая локальная точка обладает уникальным IP-адресом и запрос данных возможен в любой момент времени.

При динамической адресации абонентскому устройству присваивается первый свободный адрес из списка адре­сов оператора. В данном случае абонентские устройства должны сообщать программе верхнего уровня свой теку­щий адрес, в противном случае программа не сможет обратиться к прибору за данными, так как неизвестен его адрес.

Контроллер К-105 с заданным периодом отправляет на сервер системы свой текущий IP-адрес и получает подтверж­дение от сервера, что адрес принят. Если подтверждение не получено, авторизация отправляется повторно, до получе­ния подтверждения. Такой механизм позволяет отказаться от постоянных IP-адресов на локальных точках, но требует постоянный IP-адрес на сервере системы. При настройке контроллера К-105 этот адрес заносится для отправки автори­заций. Если сервер системы установлен внутри корпоративной сети, то администратор сети должен соответствующим образом настроить корпоративный шлюз для прохождения сообщений авторизации. В отличие от режима CSD, оплата GPRS начисляется исходя из объема переданных данных, поэтому GPRS связь обходится дешевле.

При использовании технологии GPRS локальные точки всегда находятся в сети и данные поступают в потоковом режиме. GPRS подобен диспетчеризации Ethernet, но уступает ему в стабильности канала связи. Применение такого решения целесообразно при отсутствии проводных каналов связи.

На схеме показано построение сети диспетчерезации с помощью контроллера К-105 в режиме GPRS с динамической адресацией

Радиомодемы

Беспроводные системы с использованием сетей GSM позволяют ор­ганизовать сбор данных при небольших затратах, но не гарантируют стабильность канала связи. В локальной точке может не быть покрытия GSM, или требуется гарантированный канал связи, не зависящий от опе­раторов связи. В таких случаях оправдано применение радиомодема. Радиомодемы применяются для организации двухсторонней пере­дачи цифровых данных между двумя и более объектами. Работа осу­ществляется как на безлицензионных диапазонах частот 433,92 Мгц и 868,95 Мгц, так и на выделенных частотах. При работе на выделенной частоте канал связи более стабилен, но требуется получать разреше­ние государственных органов на использование частоты.

Подключение радиомодема к приборам происходит с помощью адаптера удаленного доступа А-98, который обладает интерфейсом CAN-BUS и интерфейсом RS-232. Обмен с верхним уровнем осущест­вляется по открытому протоколу FT1.2. На интерфейс CAN-BUS под­ключаются приборы серии ТЭКОН-20, а на интерфейс RS-232 - ра­диомодем. Адаптер осуществляет двустороннюю трансляцию пакетов между интерфейсами. Радиомодем с локальной точки передает дан­ные по радиоэфиру на радиомодем, подключенный к последователь­ному порту сервера.