Комплексные решения по GPRS-связи в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации

Системы промышленной автоматизации и диспетчеризации предназначены для автоматического сбора, обработки и хранения данных, поступающих с приборов учета (электроэнергия, вода, тепло, газ и др.), передачи их в центр сбора и отображения полученной информации в удобном для анализа виде. Внедрение подобных систем позволяет существенно снизить трудозатраты на выполнение этих задач и сократить потери, вызванные накоплением лишних запасов и ненужной транспортировкой. Наиболее широкое применение в таких ситуациях (при отсутствии возможности передачи данных с использованием проводных систем) нашли GSM-модемы как наиболее простое и недорогое решение на основе широко распространенного и надежного стандарта связи и передачи данных.

Зона ответственности производителей GSM-модемов, позиционируемых в качестве решения для систем промышленной автоматизации и диспетчеризации, не ограничивается возможностью подключения к приборам учета и поддержкой GSM-сервисов. Необходимо обеспечить надежный и безопасный канал связи между стандартными интерфейсами приборов учета (RS-232С, RS-485, RS-422, Ethernet) и программным обеспечением, реализованным в виде TCP-клиентов на диспетчерских пунктах сбора и обработки данных.

Зона ответственности — надежный и безопасный канал связи

Использование модемов на распределенной сети приборов учета должно поддерживаться программным обеспечением (коммуникационным сервером), которое устанавливается на сервере в диспетчерском пункте и обеспечивает законченное решение: GPRS/EDGE-канал передачи данных посредством виртуальных каналов между модемами на удаленных объектах и функциональным программным обеспечением на диспетчерском центре, реализованном в виде TCP-клиентов (рис. 1).

В задачу такой серверной службы должен входить прием запросов и установление TCP-соединения с модемами на узлах учета и функциональным ПО. Для реализации канала данных сервер открывает необходимое количество портов TCP/ IP-соединения, разделенных по типу передаваемых данных (встроенная маршрутизация, например, для дополнительных портов или технологического ПО) (рис. 2).

Для работы в системах, использующих протокол Modbus, коммуникационным сервером должна быть предусмотрена возможность конвертации Modbus TCP — Modbus RTU. Мониторинг состояния беспроводных каналов должен быть представлен в режиме реального времени в визуально понятном для диспетчера виде, а система журналирования событий — в виде подробных log-файлов.

Обеспечение надежности и безопасности канала связи

Для обеспечения надежности работы канала связи необходимо резервирование каналов передачи:

• на уровне маршрутизации — между операторами GSM-связи (две SIM-карты);
• на уровне GSM-сервисов — переход с GPRS/ EDGE на CSD или SMS.

В условиях периодического разрушения каналов без сигнализации сервера и клиента (например, при перезагрузке APN-серверов у GSMоператора) большую роль играют контроль системных зависаний, соединения и времени отсутствия данных. При этом необходимо обеспечить возможность оптимизации пользователем соотношения «глубина контроля канала/трафик (стоимость)».

Безопасность канала связи поддерживается с помощью аутентификации на этапах инициализации, установления соединения и передачи данных, в том числе:

• ввод при настройке модема значений PINкодов SIM-карт, которые в дальнейшем хранятся в памяти модема, проверяются при запуске и недоступны для чтения;
• аутентификация доступа на APN-сервер;
• контрольный обмен идентификаторами при установлении TCP-соединения (между двумя модемами или модемом и сервером);
• контроль номера звонящего при установлении CSD-канала.

Программное обеспечение модема должно предусматривать настройку параметров надежности и безопасности канала связи (рис. 3).

Для организации защищенного канала между устройствами сбора данных и диспетчерским центром обработки информации обязательно использование VPN-туннеля между GSM-оператором и сервером диспетчерского центра. В некоторых случаях необходимо дополнительное шифрование данных, использование которого ограничивается законодательно. Для организации надежного GPRS/EDGE-соединения с приборами учета, критичными к разрыву принимаемых ими пакетов, например использующими полевые шины Modbus или Profibus, телемеханические протоколы стандартов МЭК 60870-5-101 и МЭК 60870-5-104, необходимо устранение временных разрывов пакетов данных на стороне приема (рис. 4).

Надежда на возможность парирования «разорванных» пакетов за счет повторных опросов или работы с короткими пакетами приводит к появлению систем, работающих только на столе у разработчиков.

Технология инсталляции GSM-модемов на узлах учета

Для обеспечения технологичности развертывания и возможности масштабирования систем автоматизации и диспетчеризации необходимо придерживаться определенных рекомендаций по установке и настройке GSM-модемов, основанных на особенностях GSM-сети и инсталляции приборов учета.

Модемы на удаленных объектах должны поддерживать основные сервисы GSM-сети (GPRS/ EDGE, CSD и SMS) и обеспечивать уверенный прием, а после включения питания — автоматически активировать установление GPRS/EDGE, или CSD-канала.

На основании локального или удаленного анализа параметров GSM-сети пользователь должен иметь возможность произвести настройку положения GSM-антенны, провести анализ окружающих GSM-сот и осуществить выбор оператора связи, предоставляющего наилучшие условия работы в точке установки модема (рис. 6).

Вынос антенны обычно возможен не более чем на 5 м, поэтому при расположении оборудования GSM/GPRS-связи в подвальных помещениях зачастую возникает проблема слабого приема сигналов сотовой связи и приходится отказываться от модемов, встроенных непосредственно в приборы учета. Таким образом, целесообразно использовать модемы с возможностью установки их на значительном расстоянии от приборов учета, в зоне уверенного приема. Для обеспечения уверенного приема необходима двухдиапазонная (900/1800 МГц) GSM-антенна с высоким коэффициентом усиления и малым затуханием в кабеле (рис. 5). Она должна обеспечивать работу в условиях влажного помещения, иметь антивандальное исполнение и прочное крепление. Основные характеристики антенны GSM ANT K996A:

• диапазон частот 900/1800 МГц;
• усиление 5/4 дБи;
• длина кабеля 5 м;
• затухание в кабеле 1,8/2,5 дБ;
• крепление на кронштейн 33×33×8 см.

Установка GSM/GPRS-модема и антенны на узле учета должна проводиться с использованием технологического программного обеспечения, поддерживающего процессы монтажа, настройки, ввода в эксплуатацию и дальнейшего обслуживания.

При наличии хотя бы минимального уровня сигнала (вблизи окон, отдушин или в специфических местах у стен) необходимо провести анализ радиообстановки: уровень сигнала, количество видимых GSM-сот и их тип (900/1800). Наличие трех и более сот разного типа с низким уровнем сигнала предпочтительней наличия одной соты одного типа с высоким уровнем сигнала.

Наличие GSM-связи не всегда гарантирует работу GPRS. Поэтому проверяется также предоставление IP-адреса со стороны сотовой сети и связь с сервером на диспетчерском пункте.

Оборудование GSM/GPRS-связи должно устойчиво работать в широком диапазоне температур и в условиях повышенной влажности. Для защиты от влаги целесообразно предусмотреть размещение модемов в шкафах, имеющих класс защиты не хуже IP54. Для установки модема и антенны предпочтительно выбирать места, исключающие возможность прямого попадания воды или пара.

GSM/GPRS-модемы должны иметь широкий диапазон напряжения питания и надежную защиту цепей питания от перенапряжений и импульсных помех. Для функционирования в условиях, не предполагающих наличия источника внешнего питания, необходимо использовать модемы, имеющие возможность работы в автономном режиме (рис. 7).

Обеспечение поддержки различных режимов работы

В зависимости от особенностей решаемой задачи модемы должны поддерживать режимы работы, объединенные в два класса. Первый класс включает в себя мониторинг и управление удаленными объектами с центрального узла с возможностью оптимизации по различным критериям, например, максимальная функциональность, минимальный трафик, отсутствие возможности использовать на стороне сервера Интернет или необходимость наряду с GPRS/EDGE-каналами использовать SMS (рис. 8, 9).

Вторым классом решаемых задач является организация связи между двумя точками — радиоудлинитель интерфейса (RS-232C или RS-485). В этом случае модемы должны при включении питания автоматически обеспечить прозрачный канал передачи данных между интерфейсами (рис. 10).

Применение в SCADA-системах

Зачастую в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации используются SCADA-приложения, что необходимо учитывать при организации канала связи с использованием GSM-модемов. SCADA-системы решают ряд задач:

• Обмен данными с УСО (устройства связи с объектом, то есть с промышленными контроллерами и платами ввода/вывода) в реальном времени через драйверы.
• Обработка информации в реальном времени.
• Отображение информации на экране монитора в удобной и понятной для человека форме.
• Ведение базы данных реального времени с технологической информацией.
• Аварийная сигнализация и управление тревожными сообщениями.
• Подготовка и генерирование отчетов о ходе технологического процесса.
• Осуществление сетевого взаимодействия между SCADA ПК.
• Обеспечение связи с внешними приложениями (СУБД, электронные таблицы, текстовые процессоры и т. д.).

Функционирование системы автоматизации и диспетчеризации на базе SCADA обеспечивается комплексным каналом передачи данных «модем–телекоммуникационный сервер» (рис. 11).

Поддержка основных типов интерфейсов

Разнообразие средств сбора данных и различное конструктивное их исполнение выдвигают требования к соответствующим интерфейсам подключения модемов к приборам учета: RS-232С (в том числе «трехпроводный» — RxD, TxD и GND), RS-485, RS-422, Ethernet.

Для предотвращения попыток взлома и хищения на узлах учета целесообразно использовать GSM/GPRS-модемы, обеспечивающие прямое подключение шлейфов охранно-пожарной сигнализации с информированием о срабатывании сигнализации по SMS- и GPRS-каналам. Модемы с несколькими интерфейсами и мультиплексированием данных от нескольких интерфейсов в общем радиоканале способны обеспечить независимое функционирование нескольких систем сбора данных (рис. 12).

Возможность использовать модемы в системах с «трехпроводным» интерфейсом обеспечивается за счет встроенной в модем буферизации данных (8–32 кбайт), которая также позволяет увеличить скорость передачи за счет оптимизации взаимодействия между интерфейсом и TCP/IP-сокетом.

Встроенное в модем функциональное ПО должно обеспечивать взаимодействие с приборами учета (например, автономное считывание и накопление результатов измерения).

Заключение

Зона ответственности производителей промышленных GSM-модемов не ограничивается возможностью подключения к приборам учета и поддержкой GSM-сервисов. При использовании GSM-модемов в качестве беспроводного решения для систем промышленной автоматизации и диспетчеризации необходимо обращать внимание на возможность организации надежного и безопасного прозрачного канала связи между стандартными интерфейсами приборов учета (RS-232С, RS485, RS-422, Ethernet) и программным обеспечением, реализованным в виде TCP-клиентов (в т.ч. SCADA) на диспетчерских пунктах сбора и обработки данных. GSM-модемы должны поставляться с комплектом ПО для обеспечения технологичности развертывания и масштабируемости систем автоматизации и диспетчеризации и поддерживать многорежимность работы для поддержки разнообразных распределенных систем.