Типовые М2М-решения для систем телеметрии c применением GSM-терминалов и промышленных 3G-маршрутизаторов

Введение

М2М-системы удаленного мониторинга и управления находят применение везде, где из рабочего процесса частично или полностью исключается «человеческий фактор». В частности, они становятся все более популярными в таких сферах, как:

• энергоучет;
• АСУ ТП;
• SCADA;
• разработка нефтяных, угольных и газовых месторождений;
• экология;
• охрана водных ресурсов;
• отопительные системы;
• топливная промышленность;
• телекоммуникации;
• почтовые службы;
• банковские операции;
• вендинг;
• POS-оплата;
• транспорт;
• охрана правопорядка.

Уже давно доказано, что внедрение беспроводных М2М-технологий повышает эффективность и гибкость систем; снижает затраты на выезд технических специалистов на объекты, делает более прозрачными взаиморасчеты компаний с партнерами и клиентами.

Согласно отчету, подготовленному аналитиками Berg Insight, число M2M-подключений к сетям мобильной связи во всем мире выросло в 2011 г. на 37% и достигло 108 млн. Азиатско-Тихоокеанский регион показал наибольший прирост (64%), здесь число абонентов к концу 2011 г. достигло 34,5 млн. Рынки Европы и Северной Америки увеличились на 27% каждый, число подключений составило 32,3 и 29,3 млн соответственно. В 2012 г. Berg Insight прогнозирует столь же активный спрос на M2M. Интерес к телематике вновь проявили крупнейшие мировые автопроизводители, что обещает существенный рост рынка в ближайшие годы. Кроме того, сектор M2M для предприятий получит импульс за счет появления усовершенствованных платформ для управления M2M-услугами, позволяющих интегрировать различные приложения предприятий и удаленно управлять устройствами, подключенными к сети.

Рассмотрим М2М-решение для автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) с GSM-дозвоном по CSD-каналу (Circuit Switched Data — сервис с коммутацией каналов, скорость передачи данных до 14,4 кбит/с). Данные передаются в выделенном канале при установке соединения в рамках сеанса связи.

Передача данных по CSD/GPRS в системах коммерческого учета электроэнергии

Недавно компания Cinterion выпустила первый в своей линейке GSM/GPRS-терминал с интерфейсом RS-232 или RS-485 на выбор (рис. 1), что делает его пригодным для различных применений. Производитель предусмотрел подключение к этому GSM-терминалу счетчиков с интерфейсами, требующими внешнего питания. Это стало возможным благодаря наличию в терминале встроенного источника питания +5 В. Впервые GSM-терминал производства Cinterion оснащен более компактным антенным разъемом SMA (по сравнению с FME). Возможны различные варианты креплений Cinterion BGS2T-485: DIN-рейка, С-рейка, крепление на винты, использование кабельных стяжек. К одному GSM-терминалу возможно подключение до 32 счетчиков электроэнергии одновременно, что позволяет строить более экономичные системы учета.

Рис. 1. GSM-терминал BGS2T (производитель Cinterion)

На удаленном объекте электросчетчик, например «Энергомера СЕ102», через интерфейс RS-485 подключается к предварительно настроенному GSM-терминалу Cinterion BGS2T-485. С помощью специального программного обеспечения устанавливается беспроводное соединение между модемом потребителя информации и модемом, подключенным к электросчетчику; по CSD-каналу информация (показания, номер, состояние электросчетчика и т. п.) передается потребителю (центр сбора и обработки информации АСКУЭ, управляющая компания и т. д.). Схема передачи данных показана на рис. 2.

Рис. 2. М2М-передача данных в системах энергоучета

AT-команды для конфигурирования. Настройка АТS0

Для корректного включения режима АВТООТВЕТ по CSD (регистрация в сети или AT+COPS? — название сотового оператора) следует подать команды:

ATS0=1
OK
AT&W

Возможно, понадобится отключение проверки доступности услуги GPRS:

AT^SCFG=»GPRS/ATS0/withAttach»,»off»
OK

Особенности применения

Cinterion BGS2T-485 используется для автоматического удаленного снятия показаний с различных однофазных и трехфазных счетчиков электроэнергии: «Энергомера СЕ102», «Энергомера СЕ306», «Меркурий 201.3» и др. Помимо счетчиков электроэнергии возможно удаленное снятие показаний с других датчиков и счетчиков, имеющих интерфейс RS-485. Для удаленного считывания показаний электросчетчиков через GPRS может использоваться GSM-терминал «Позитрон ЕС485» (рис. 3) компании «Позитрон» (удлинитель последовательного порта). Системы с GPRS-передачей данных легко масштабируемы, при этом отсутствует необходимость создавать огромные модемные пулы и ждать очередного сеанса связи, как в CSD. Данные передаются с интервалом в 15–30 с (например, если необходим более частый контроль исправности устройства).

Рис. 3. Удлинитель последовательного порта «Позитрон ЕС232» (485)

Основными достоинствами применения «Позитрон ЕС485» также являются «прозрачный» COM-порт и низкая стоимость GSM-трафика, который расходуется при передаче данных.

М2М-передача данных в АСУ ТП

Рассмотрим М2М-решение для промышленных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) с передачей данных по GSM/GPRS-каналу. Промышленные маршрутизаторы «Позитрон» серии XR (рис. 4) позволяют передавать данные последовательного порта RS-232 через беспроводное TCP/IP-соединение на сервер (например, сервер Центра обработки данных, ЦОД). Отличительными особенностями данных маршрутизаторов являются:

• Беспроводная передача данных последовательного порта в нескольких направлениях: на сервер ЦОД или офис Управляющей компании, удаленно управляемым объектам и др.
• Возможность «удлинения» COM-порта (режим прозрачной передачи данных последовательного порта) и интеграции в системы телеметрии (М2М). В отличие от GSM-терминалов, например вышеупомянутого GSM-терминала «Позитрон ЕС485», эту опцию поддерживают не все маршрутизаторы (GSM/3G-роутеры) других серий и производителей.
• Защита передаваемых данных — создание безопасных виртуальных частных сетей (Virtual Private Network, VPN) на базе IPSec (IP Security) с шифрованием DES, 3DES, AES, MD5 и SHA-1. Поддержка PPTP, L2TP, GRE-туннелей и OpenVPN («Позитрон XR3G422»).

Рис. 4. Промышленный 3G-маршрутизатор «Позитрон XR» с четырьмя Ethernet-портами

Пример распределенной системы мониторинга (передачи) информации с применением «Позитрон XR» приведен на рис. 5.

Рис. 5. Распределенная система мониторинга удаленных объектов с применением 3G-роутера «Позитрон XR»

На удаленном объекте к управляющему контроллеру сбора информации от датчиков через последовательный интерфейс RS-232 подключается «Позитрон XR 1». Далее маршрутизатор устанавливает беспроводное TCP/IP-соединение с сервером ЦОД и передает на него через мобильный Интернет данные (технологические параметры, показания датчиков и т. п.) в виде пакетов. В ЦОД данные анализируются и представляются в графическом виде.

«Позитрон XR 1» устанавливает другое TCP/IP-соединение (М2М на рис. 5) с расположенным в Управляющем центре маршрутизатором «Позитрон XR 2» для передачи ему пакетов данных (по протоколу TCP/UDP). «Позитрон XR 2», получив пакет, осуществляет буферизацию данных, разбор пакета и выдачу данных по последовательному интерфейсу RS-232 на порт контроллера. Контроллер соответствующим образом управляет механическими или иными устройствами (затворами, насосами и др.).

По третьему беспроводному защищенному соединению (туннель VPN IPSec) показания датчиков или другие технологические параметры транслируются в офис управляющей компании.

VPN работает следующим образом:

• Узлы идентифицируют друг друга перед созданием туннеля.
• Оба узла требуют заранее настроенной политики, указывающей, какие протоколы могут использоваться для шифрования и обеспечения целостности данных.
• Узлы сверяют политики, чтобы договориться об используемых алгоритмах. Если это не получается, туннель не устанавливается.
• Как только достигнуто соглашение по алгоритмам, создается ключ, который будет использован в симметричном алгоритме для шифрования данных.

«Позитрон XR» также поддерживает промышленные протоколы MODBUS, IEC.

Протоколы MODBUS-RTU передачи данных по GSM/GPRS

Протоколы MODBUS-RTU и MODBUS-ASCII зачастую используются при проектировании промышленных автоматизированных систем для передачи данных по последовательным линиям связи. MODBUS-RTU (Remote Terminal Unit), в отличие от MODBUS-ASCII, проблематично использовать при передаче данных по каналам, где может присутствовать существенная, заранее неизвестная задержка (например, трансляция по GSM/GPRS-каналу на удаленный сервер). Тем не менее задача удаленного мониторинга (диспетчеризации, управления) в автоматизированных системах с MODBUS-RTU актуальна.

Промышленные маршрутизаторы «Позитрон» серии XR (модификация с RS-485, рис. 6) позволяют решать данную задачу. Рассмотрим вариант решения на примере.

Рис. 6. 3G-маршрутизатор «Позитрон XR» с двумя Ethernet-портами

В АСУ имеются датчики (температуры, давления, объема и т. п.), считывание данных с которых осуществляется с помощью контроллеров. В системе должен обеспечиваться удаленный мониторинг, возможная диагностика и конфигурирование. Для организации связи между датчиками и сервером (частью АСУ ТП верхнего уровня) используется беспроводной GSM/GPRS-канал.

Для передачи данных от датчиков (протокол MODBUS-RTU) на удаленный сервер по GSM/GPRS-каналу к общей шине RS-485/MODBUS-RTU (рис. 7) подключается маршрутизатор «Позитрон XR». Он конвертирует данные MODBUS-RTU в MODBUS-TCP (после установления беспроводного TCP-соединения с OPC-сервером на стороне SCADA). Конвертация MODBUS-RTU->MODBUS-TCP позволяет решить поставленную задачу.

Рис. 7. Схема передачи данных MODBUS-RTU по GSM/GPRS

Протокол MODBUS-TCP предназначен для передачи данных по сетям поверх TCP/IP.

Устройства обмениваются данными, используя клиент-серверную модель, основанную на транзакциях, состоящих из запросов и ответов. В рассматриваемой MODBUS TCP-сети «Позитрон XR» выполняет роль Slave-устройства, а OPC-сервер — роль Master’а.

На основе описанного решения (рис. 5) возможна реализация системы (рис. 7), которая может быть изменена или расширена в соответствии с требованиями конкретной промышленной сети АСУ, а также для повышения надежности и защищенности передаваемых данных. Отличительные особенности системы передачи данных MODBUS-RTU по GSM/GPRS:

• Построение виртуальной частной сети, защищенного виртуального туннеля (VPN IPSec) с шифрованием данных. Например, это необходимо в случае принадлежности OPC-сервера локальной сети компании. При этом подключенные к открытым каналам связи персональные компьютеры (или локальные сети) и передаваемая информация защищены от постороннего доступа. Также возможно использование относительно недорогих, надежных и высокоскоростных интернет-каналов для создания собственных сетей. VPN-технология имеет ряд экономических преимуществ и используется для объединения локальных сетей в одну инфраструктуру — для связи одного или нескольких компьютеров с сетью.
• Дополнение резервными каналами передачи данных для повышения надежности. Например, резервирование кабельных каналов связи беспроводными с автоматическим переключением на резервный канал в случае отказа основного.

Заключение

Стремительно развивающийся и растущий сегмент рынка М2М влечет за собой выпуск новых GSM-терминалов, маршрутизаторов и других беспроводных устройств. Реалии времени диктуют свои условия к М2М-устройствам: возникает необходимость подключения дополнительного оборудования, построения защищенных VPN, возможность организации резервных каналов связи, «интеллектуальная» передача данных, а также наличие различных вариантов управления устройствами (веб-интерфейс, AT-команды и т. п.).

На рынке М2М существует множество приемо-передающих устройств, которые отвечают тем или иным потребностям пользователей и решают различные задачи. Маршрутизаторы применяются в сетевых решениях и, в отличие от терминалов, позволяют передавать данные с удаленного объекта сразу на несколько адресов, строить защищенные каналы передачи данных, преобразовывать данные, создавать безопасные виртуальные частные сети («Позитрон XR») и т. д.