Подписка на новости

Опрос

Нужно ли ввести комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

2006 №2

Аппаратное обеспечение стационарных радиосетей для телеметрии и управления удалёнными объектами

Александров Роман


Растущие требования к АСУТП/АСКУЭ заставляют разработчиков искать новые пути реализации передачи данных. Одним из удобных средств обеспечения передачи данных являются стационарные радиосети. Широко используются они и для обеспечения удаленного управления исполнительными механизмами в автоматизированных производствах. Другой областью применения стационарных радиосетей, получающей все большее распространение, является робототех ника.

Раньше к выводу о необходимости развертывания радиосети приходили, в основном, при необходимости обеспечить обмен информацией на объектах, не имеющих других средств коммуникации и достаточно удаленных от общей инфраструктуры. При этом стоимость реализации проводных коммуникаций и их надежность были существенно выше, чем при использовании в качестве среды передачи атмосферы Земли.

Несмотря на достаточно широкое распространение такого метода передачи телеметрических данных, научные работы в этом направлении ведутся и по сей день. Среди многочисленных проблем, требующих решения, можно выделить такие, как построение адекватной физико-математической модели архитектуры сети, позволяющей достоверно моделировать зоны электромагнитной доступности (ЭМД) для средств радиосвязи. На надежность системы сильно влияет площадь зоны ЭМД, рельеф местности, а также условия распространения радиоволн в данной зоне, на которые, в свою очередь, влияет большой перечень факторов, доминирующими из которых являются рабочая частота, выходная мощность передатчика и чувствительность приемника, а также погодные условия. Не следует забывать и о засоренности радиоэфира всевозможными помехами. Борьба с помехами представляет собой отдельную сложную проблему, которую не решить простым увеличением ВЧ-мощности передатчика. С одной стороны, это недостаточно эффективное решение, а с другой — существуют нормативные ограничения на мощность излучения, призванные блюсти порядок в радиоэфире и избежать создания помех другим беспроводным устройствам. Поэтому все чаще взоры сотрудников научных лабораторий направлены на различные цифровые методы, например, помехозащищенного кодирования, которые позволяют добиться хороших результатов по покрытию зоны без существенного увеличения мощностей сигналов.

Стационарная радиосеть в зависимости от требований конкретного приложения может иметь архитектуру типа «звезда», «дерево», либо «цепь» (рис. 1).

Давайте подытожим сказанное и суммируем достоинства и недостатки проводных и стационарных радиосетей (рис. 2). Очевидно, что проводные сети могут обеспечить существенно более высокие скорости передачи информации, они обладают хорошей помехозащищенностью, что, в свою очередь, делает их более надежными в сравнении с беспроводными радиосетями. С другой стороны, проводным сетям явно не достает гибкости беспроводных, а их масштабируемость относительно низка. И, наконец, самый главный аргумент — это высокие затраты на внедрение и эксплуатацию проводной сети. Преимущества одной альтернативы являются недостатками второй, но хотелось бы отметить особо такие характерные черты беспроводных стационарных радиосетей, как низкие скорости обмена и, соответственно, объемы передаваемых данных, сложность проектирования и необходимость обязательной сертификации. Что касается объемов и скоростей обмена, то эти факторы применительно к системам телеметрии считать значимыми не приходится, поскольку телеметрические данные имеют небольшой объем и, кроме того, период обновления также может быть достаточно велик. О сложности проектирования радиосетей говорилось выше в контексте множества проблем, связанных с распространением радиоволн, однако, используя хорошо отработанные модели и решения, а также снижая скорости обмена данными, можно повысить дальность действия и помехозащищенность канала связи. Что касается надежности, то вопрос о том, что надежнее — проводные или беспроводные сети, нетривиален и является спорным. С одной стороны, на надежность беспроводных сетей сильно влияет помеховая обстановка, рельеф местности и погодные условия, а с другой — среда распространения радиосетей гораздо надежнее, чем проводных, ибо не может быть подвергнута естественным или преднамеренным механическим разрушениям. В результате, использование беспроводных сетей является правильным выбором в случае, если их надежность и пропускная способность удовлетворяют требованиям существующего приложения. Меньшие затраты в сравнении с проводными сетями в этом случае играют ключевую роль, влияющую на принятие решения.

Как правило, стационарная радиосеть имеет следующие элементы: источник данных, которым может быть набор датчиков на удаленном объекте и удаленный терминал, который соединяется с радиомодемом.

Основным элементом аппаратного обеспечения стационарных радиосетей являются радиомодемы. Радиомодем предназначен для преобразования цифровых данных с объекта в аналоговый сигнал. Он передается на диспетчерский пункт, где принимается другим радиомодемом, который осуществляет восстановление переданного сигнала в цифровой форме. Исходя из назначения и архитектуры системы, требования к радиомодемам для рассматриваемых стационарных радиосетей можно представить следующим образом:

  • прозрачность работы (используется протокол верхнего уровня, упрощающий интеграцию с АСУ ТП и обеспечивающий сопряжение с различными типами оборудования);
  • достаточно высокая пропускная способность;
  • малое время доступа к радиоканалу;
  • поддержка дуплексного режима работы базовой станции;
  • наличие средств удаленной диагностики и настройки.

Рассмотрим наиболее популярное в России аппаратное обеспечение для построения стационарных радиосетей: радиомодемы, приемопередающие модули, приемопередатчики, асинхронные/синхронные радиомодемы. Свой обзор начнем с внешнего радиомодема DL-3282, разработанного специально для использования в SCADA-системах (рис. 3). Он предназначен для применения в низкоскоростных радиосетях сбора данных и используется совместно с внешней радиостанцией УКВ-диапазона, поддерживает множество промышленных протоколов, включая ModBus. Радиомодем совместим с любыми приемопередатчиками семейств COR™ и RNet™. Устройство имеет небольшие габаритные размеры (таблица 1), работает на скоростях 300 или 1200 бит/с, совместимо с протоколами Bell-103 и Bell-202, способен работать как в симплексном, так и в дуплексном режиме, управление потоком осуществляется при помощи сигналов RTS/CTS.

Таблица 1. Основные технические характеристики радиомодема DL-3282
Основные технические характеристики радиомодема DL-3282

В таблице 2 приведены возможные рабочие режимы радиомодема DL-3282, переключение между которыми осуществляется при помощи DIP-переключателя. Наряду с небольшими габаритами этого радиомодема можно также отметить наличие внутренних светодиодов, позволяющих проводить оперативную диагностику неисправностей. Зеленый мигающий светодиод индицирует наличие напряжения питания и рабочий режим модема, а непрерывное свечение красного светодиода соответствует передаче данных. Удобной также является защищенная от внешних воздействий конструкция прибора (рис. 3).

Таблица 2. Режимы работы радиомодема DL-3282
Таблица 2. Режимы работы радиомодема DL-3282

Назначение выводов в разъемах для подключения радиомодема DL-3282 к трансиверам COR™ и Rnet™ приведено в таблицах 3 и 4 соответственно.

Таблица 3. Назначение выводов в разъеме подключения к трансиверу COR™
Назначение выводов в разъеме подключения к трансиверу COR™
Таблица 4. Назначение выводов в разъеме подключения к трансиверу RNet™
Назначение выводов в разъеме подключения к трансиверу RNet™

Не меньший интерес для разработчиков представляют телеметрические приемопередающие модули (трансиверы) — встраиваемые модули, которые могут быть легко использованы при разработке аппаратуры более высокого уровня. Примером устройства этого класса являются модули DM-3412/3422/3492 (рис 4). Они удовлетворяют требованиям Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI). Для УКВ-диапазонов и 900 МГц модули поддерживают частотные сетки 25 кГц, 12,5 Гц и 6,25 кГц, а ОВЧ-версии модуля имеют шаг сетки 30 кГц, 15 кГц и 7,5 кГц. Кроме того, производитель сообщает, что доступны также европейские сетки частот. Основные технические характеристики модулей этого семейства приведены в таблице 5. Среди основных отличительных особенностей этих приемопередающих модулей следует отметить высокую стабильность частоты, малую групповую задержку, минимальный шум в боковой полосе частот. Кроме того, модули имеют возможность программного управления выходной мощностью. Для обеспечения теплоотвода имеется встроенный радиатор.

Таблица 5. Технические параметры приемопередающего семейства модулей DM-3412/DM-3422/DM-3492
Технические параметры приемопередающего семейства модулей DM-3412/DM-3422/DM-3492

Другим интересным модулем этого класса является DM-3464 (рис. 5). Как и DM-34xx, он представляет собой встраиваемый узкополосный приемопередатчик, предназначенный для использования в составе собственных изделий. DM-3464 удовлетворяет требованиям Федеральной комиссии по связи США. Имеет шаг сетки радиочастот, позволяющий более эффективно использовать радиочастотный ресурс. Классическая компоновка и высококачественная элементная база обеспечивают высокую надежность и технические характеристики изделия. Из других преимуществ этого устройства следует отметить малую групповую задержку, синтезатор с малым временем реакции, минимальный шум в боковой полосе частот. Удачная компоновка модуля обеспечила его малые габаритные размеры. Основные технические характеристики модуля приведены в таблице 6.

Таблица 6. Технические характеристики приемопередающего модуля DM-3464
Технические характеристики приемопередающего модуля DM-3464

Трансивер DM-3473 (рис. 6) представляет собой малогабаритный встраиваемый узкополосный приемопередатчик, предназначенный для использования в составе изделий более высокого уровня. Это один из самых малогабаритных приемопередатчиков в своем классе. Он удовлетворяет требованиям Федеральной комиссии по связи США, индустриальным стандартам Канады и Европейского института телекоммуникационных стандартов, включая ETSI 300.320. Трансивер имеет шаг сетки радиочастот, позволяющий более эффективно использовать радиочастотный ресурс. Длина и ширина соответствуют размерам пластиковой карты. Основные технические характеристики трансивера сведены в таблицу 7.

Таблица 7. Основные технические характеристики трансивера DM-3473
Основные технические характеристики трансивера DM-3473

И, наконец, последним устройством, относящимся к классу встраиваемых модулей приемопередатчиков, который мы рассмотрим, будет трансивер DM-3474 (рис. 7). Устройство представляет собой малогабаритный встраиваемый узкополосный приемопередатчик, удовлетворяющий требованиям Федеральной комиссии по связи США и Европейского института телекоммуникационных стандартов, включая ETSI 300.113. Трансивер имеет шаг сетки радиочастот, позволяющий более эффективно использовать радиочастотный ресурс. Высококачественная элементная база обеспечивает высокую надежность и технические характеристики изделия. Основные технические характеристики модуля приведены в таблице 8.

Таблица 8. Технические характеристики приемопередающего модуля DM-3474
Технические характеристики приемопередающего модуля DM-3474

Еще одним важным элементом аппаратуры для организации стационарных радиосетей являются приемопередатчики. Мы рассмотрим два наиболее ярких представителя этого класса устройств: приемопередатчики DL-3400 и Rnet JSLM, которые можно приобрести в России. Первый из них (рис. 8) представляет собой аналоговый восьмиканальный приемопередатчик общего назначения с индивидуальной настройкой каждого канала. Он оптимизирован для передачи телеметрической информации в радиосетях сбора данных и имеет два режима энергосбережения: спящий режим (sleep mode) и режим «холодный старт» (cold start). В первом режиме потребляемый ток не превышает 8 мА, и приемопередатчик переводится в рабочее состояние в течение 13 мс. Во втором режиме питание периодически отключается, а перевод приемопередатчика в рабочее состояние занимает не более 30 мс. В этом режиме устройство автоматически с заданной периодичностью проверяет состояние радиоканала. Встроенная функция удаленной диагностики позволяет в реальном масштабе времени контролировать такие параметры приемопередатчика, как мощность прямой и обратной волны, напряжение, ток, модуляционное искажение, температуру и др. Интерфейс позволяет подключать внешние модемы со скоростями передачи 1200–19200 бит/с. Основные технические параметры DL-3400 приведены в таблице 9, а место приемопередатчика в общей системе телеметрии показано на рис. 9.

Таблица 9. Технические характеристики приемопередатчика DL-3400
Технические характеристики приемопередатчика DL-3400

Второй прибор — приемопередатчик RNet JSLM — малогабаритный аналоговый восьмиканальный приемопередатчик общего назначения с малым временем реакции (рис. 10). Он оптимизирован для передачи телеметрической информации в радиосетях сбора данных, совместим с ранее выпускавшимися приемопередатчиками семейства RNet, имевшими синтезатор или кварцевый генератор. Интересно отметить, что устройства семейства RNet побывали на Марсе, где применялись в системе передачи данных между посадочной платформой и марсоходом в ходе первой американской экспедиции на эту планету. Интерфейс позволяет подключать внешние модемы со скоростями передачи 1200–9600 бит/с. Устройство имеет удобное крепление для монтажа на DIN-рельс. Его характеристики (таблица 10) во многом схожи с первым рассмотренным прибором этой серии.

Таблица 10. Основные технические характеристики приемопередатчика RNet JSLM
Основные технические характеристики приемопередатчика RNet JSLM

Следующим классом приборов, который мы рассмотрим, будут асинхронные радиомодемы со встроенным трансивером. Радиомодем T-96SR (T-96SR/F) (рис. 11) представляет собой «прозрачное» устройство реального времени. Для обмена данными не требуется специального протокола обмена, данные передаются в радиоканал в той последовательности, в которой были приняты радиомодемом от контроллера, терминала или компьютера по интерфейсу RS-232 без искажений и дополнительной обработки (т.н. «прозрачный» режим работы). Радиомодем предназначен для построения современных радиосетей сбора данных и удаленного управления стационарными объектами, имеет встроенный специализированный приемопередатчик с малым временем доступа к радиоканалу. Обеспечивает асинхронный обмен данными на скоростях 19 200, или 9600 бит/с в каналах с шагом сетки радиочастот 25 или 12,5 кГц. Прибор поддерживает работу основных промышленных протоколов, включая ModBus и DNP 3.0. Имеющиеся настройки позволяют формировать цифровой ретранслятор из двух радиомодемов. Кроме перечисленного, радиомодем T-96SR имеет встроенную функцию удаленной диагностики.

Таблица 11. Параметры асинхронного радиомодема T-96SR
Параметры асинхронного радиомодема T-96SR

Радиомодем T-Base (T-Base/R и T-Base/HA) — асинхронный «прозрачный» радиомодем реального времени (рис 12). Предназначен для построения радиосетей телеметрии и удаленного управления стационарными объектами совместно с радиомодемами T-96SR и семейства RNet в качестве полудуплексной/дуплексной базовой станции или дуплексного ретранслятора. Имеет встроенный специализированный приемник и передатчик с малым временем доступа к радиоканалу. Обеспечивает обмен данными на скоростях 19 200 или 9600 бит/с. Поддерживает работу основных промышленных протоколов, включая ModBus. Имеет встроенную функцию удаленной диагностики. Прибор совместим с оборудованием семейств RNet и COR, разработанным в соответствии с требованиями стандарта DI-OS (Dataradio interoperability standard), имеет встроенную функцию удаленной диагностики. Радиомодем монтируется в стандартный шкаф или стойку размером 19?. Технические характеристики устройства представлены в таблице 12.

Таблица 12. Технические характеристики радиомодема T-Base/R
Технические характеристики радиомодема T-Base/R

Радиомодем T-Base/HA (high-availability) представляет собой версию базового радиомодема T-Base с повышенной отказоустойчивостью, которая достигается за счет полного резервирования всех компонентов. Он предназначен для использования в соответствующих приложениях, не допускающих даже кратковременного отключения базовой станции, для передачи телеметрической информации и управления телемеханическими устройствами. Встроенные средства диагностики позволяют автоматически выдавать оператору сигналы тревоги в случае выхода из строя передатчика, приемника или блока питания и производить переключение на резервное устройство.

Краткая характеристика:

  • Дуплексная или полудуплексная базовая станция или дуплексный ретранслятор
  • Высокая скорость обмена данными и пропускная способность
  • Высокая отказоустойчивость:
    • два независимых приемника и передатчика;
    • встроенный управляющий контроллер, обеспечивающий автоматическое переключение на резервное устройство в случае аварии;
    • аудио и визуальные средства сигнализации.
  • Программная настройка выходной мощности
  • Удаленная диагностика
  • Совместимость с радиомодемами T-96SR
  • Установка в 19"-шкаф.

Радиомодем Integra-TR (Integra-TR/F) (рис. 13, таблица 14) — асинхронный радиомодем реального времени, не требующий сложной настройки. Для обмена данными применяется любой внешний протокол обмена, данные передаются в радиоканал в той последовательности, в которой были приняты радиомодемом от контроллера, терминала или компьютера по интерфейсу RS-232 без искажений и дополнительной обработки. Обеспечивает отсечку посторонних данных (dribble bits) при передаче в радиоканале. Функция адресации CWID и поддержка режима многостанционного доступа с контролем несущей CSMA (carrier-sense multiple access) позволяют свести к минимуму повторную передачу и взаимные помехи в канале. Он предназначен для построения современных радиосетей сбора данных и удаленного управления стационарными объектами. Имеет встроенный специализированный приемопередатчик с малым временем доступа к радиоканалу. Обеспечивает асинхронный обмен данными на скоростях 19 200, 9600 или 4800 бит/с в каналах с шагом сетки радиочастот 25, 12,5 или 6,25 кГц. Поддерживает работу практически всех основных промышленных протоколов. Встроенная функция удаленной диагностики позволяет в оперативном режиме контролировать состояние устройства (наличие питания, температуру, напряжение, мощность сигнала, наличие соединения с антенно-фидерным устройством). Поддерживает работу в режиме DOX (data-activated transmit), не требующем использования сигнала RTS для управления потоком данных: передача инициируется поступлением данных на порт радиомодема. Поддерживает управление сигналом CTS в случаях, когда скорость передачи данных от терминального устройства превышает скорость обмена данными в радиоканале. Имеет три режима сбережения энергии (пониженного потребления) для объектов, на которых применяется питание от аккумуляторов или солнечных батарей: режим ожидания (sleep mode), экономичный режим (suspend mode) и режим изменяемой выходной мощности (variable output power mode). В первых двух режимах энергопотребление составляет не более 15 мА. Перевод радиомодема из режима ожидания в рабочий режим занимает не более 100 мс без потери данных. В режиме ожидания радиомодем автоматически с заданной периодичностью проверяет состояние радиоканала. Имеет два последовательных порта: для передачи данных и настройки.

Таблица 14. Технические характеристики радиомодема Integra-TR
Технические характеристики радиомодема Integra-TR

Еще один модем из этого семейства — асинхронный радиомодем Integra-H — представляет собой не требующее сложной настройки «прозрачное» устройство для работы на открытых (для США и Канады) радиочастотах по принципу скачкообразного изменения частоты в диапазоне 902-928 МГц (рис. 14, таблица 15). Для обмена данными не требуется специального протокола обмена. Они передаются в радиоканал в той последовательности, в которой были приняты радиомодемом от контроллера, терминала или компьютера по интерфейсу RS-232 без искажений и дополнительной обработки. Модем обеспечивает отсечку посторонних данных при передаче в радиоканале. Предназначен для построения современных радиосетей сбора данных и удаленного управления стационарными объектами. Имеет встроенный специализированный маломощный приемопередатчик с малым временем доступа к радиоканалу. Обеспечивает асинхронный обмен данными на скоростях 9600–25 600 бит/с. Поддерживает работу практически всех основных промышленных протоколов. Встроенная функция удаленной диагностики позволяет в реальном масштабе времени контролировать состояние устройства (наличие питания, температуру, напряжение, мощность сигнала, наличие соединения с антенно-фидерными устройствами). Поддерживает работу в режиме DOX и управление сигналом RTS. Имеет два режима сбережения энергии (пониженного потребления) для объектов, на которых применяется питание от аккумуляторов или солнечных батарей: режим ожидания и режим изменяемой выходной мощности. В режиме ожидания энергопотребление составляет не более 20 мА. Имеет два последовательных порта: для передачи данных и настройки.

Таблица 15. Основные параметры радиомодема Integra-H
Основные параметры радиомодема Integra-H

Другой радиомодем SSM-100 (SSM-100/F), уже синхронный, представляет собой «прозрачное» устройство реального времени, для обмена данными не требуется специального протокола обмена, данные передаются в радиоканал в той последовательности, в которой были приняты по интерфейсу RS-232 без дополнительной обработки. Он предназначен для построения радиосетей сбора данных и управления удаленными стационарными объектами, имеет встроенный специализированный приемопередатчик с малым временем доступа к радиоканалу, обеспечивает обмен данными на скоростях 19 200 или 9600 бит/с в каналах с шагом сетки радиочастот 25 или 12,5 кГц (15 и 30 кГц для поддиапазона 132-174 МГц). Поддерживает работу основных промышленных синхронных протоколов, а имеющиеся настройки позволяют формировать цифровой ретранслятор из двух радиомодемов. Имеет встроенную функцию удаленной диагностики. Краткая сводка характеристик приведена в таблице 13.

Таблица 13. Технические характеристики радиомодема SSM-100
Технические характеристики радиомодема SSM-100

Кроме перечисленных устройств, при проектировании беспроводных систем телеметрии незаменимыми могут оказаться преобразователи протоколов и интерфейсов, различные связные контроллеры, которые обеспечивают сопряжение нескольких устройств по интерфейсам RS-232 и RS485, маршрутизацию данных и реализацию различных схем дублирования аппаратуры. Они, как правило, позволяют реализовывать функции удаленной диагностики и управления радиомодемами.

Еще одним незаменимым прибором в беспроводных системах сбора данных может оказаться HiPR-900, не требующий лицензии (в США и Канаде) IP/Ethernet модуль связи производства компании Dataradio, работающий в диапазоне частот 902...928 МГц. Он обеспечивает надежную связь на больших дистанциях. При использовании HiPR-900 вы можете расширить вашу IP-сеть для использования в мобильных промышленных системах сбора данных и SCADA-приложениях. Скорость передачи может настраиваться; максимальное ее значение составляет 512 кбит/с, что довольно много для беспроводной системы. Благодаря высокой скорости передачи данных этот прибор может использоваться для передачи видео или другого интенсивного трафика. HiPR-900 может быть использован либо как точка доступа, либо как удаленная точка. Кроме того, каждый модуль может быть сконфигурирован либо как мост, либо как маршрутизатор. Использование режима моста позволяет существенно сократить время развертывания сети. Режим же маршрутизатора дает дополнительные возможности по настройке структуры сети и, кроме того, позволяет увеличить эффективность и надежность передачи критически важных данных. Наличие встроенного в прибор Web-сервера облегчает управление сетью и позволяет без труда конфигурировать параметры сети. Имеется возможность удаленного обновления системного программного обеспечения. Удобным для конечного пользователя также является широкий диапазон допустимого напряжения питания (10...30 В), а также возможность 128-битного кодирования передаваемых данных. Широкий диапазон рабочих температур (–30...+60 °С) также расширяет область применения HiPR-900 и обеспечивает его использование без дополнительного термостатирования в большинстве приложений для автоматизации производственных процессов.

Итак, рассмотрены основные принципы построения стационарных радиосетей, а также дан краткий обзор основных аппаратных средств, необходимых для их реализации.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Беспроводные технологии PDF


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке