Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и средств разработки современных систем автоматизации учета энергоресурсов 7
1.1. Основные принципы разработки автоматизированных систем управления в энергодобывающей отрасли 7
1.2. Анализ существующих методов построения систем промышленной телеметрии по учету газа 10
1.2.1 Основные понятия и определения 10
1.2.2 Анализ организации существующих автоматизированных систем управления технологическим процессом распределения газа 11
1.3 Преимущества применения технологий беспроводной передачи данных в системах промышленной телеметрии 14
1.4 Постановка задачи и способы реализации 18
Глава 2. Современные методы передачи данных по радиоканалам и проектирование сети передачи данных 21
2.1 Сравнительный анализ современных методов передачи данных по радиоканалам 21
2.2 Разработка программы оценки покрытия сети мобильной связи GSM 900/1800 25
2.2.1 Модель Окамуры-Хаты 27
2.2.2 Модель Уолфиша-Икегами 29
2.2.3 Моделирование параметров распространения радиосигнала 31
2.2.4 Программа оценки покрытия сети стандарта GSM 900/1800 МГц 36
2.3 Заключение....37
Глава 3. Разработка методики и алгоритма проектирования систем АСУ на основе технологии GPRS 38
3.1 Методика организации систем автоматизированного управления и контроля промышленных данных на базе сети GPRS 38
3.1.1 Организация виртуальных частных сетей VPN на базе GPRS 39
3.1.2 Организация соединения «точка-точка» в режиме GPRS 41
3.1.3 Выбор оборудования и средств разработки программного обеспечения 44
3.1.4 Методика проектирования систем АСУ на базе сети GPRS 47
3.2 Алгоритм организации передачи данных от контроллируемых объектов на центр управления ("Последняя Миля") 48
3.3 Программная реализация алгоритма "Последняя Миля 54
3.4 Заключение 58
Глава 4. Система автоматизации учета промышленного газа для компании ОАО «Петербург Регион Газ». 60
4.1 Состав системы учета промышленного газа 60
4.2 Тестовая эксплуатация системы 65
4.3 Оценка эффективности системы АСУ ТП учета промышленного газа. 67
4.4 Заключение 70
Заключение 71
Основные результаты, выносимые на защиту 72
Список литературы 73
- Основные принципы разработки автоматизированных систем управления в энергодобывающей отрасли
- Сравнительный анализ современных методов передачи данных по радиоканалам
- Организация виртуальных частных сетей VPN на базе GPRS
- Состав системы учета промышленного газа
Введение к работе
Для энергодобывающих компаний системы автоматизированного управления,(АСУ) являются основным инструментом учета поставки и потребления энергоносителей. В последние годы наметилась тенденция отставания работ по модернизации систем контроля и управления от естественного процесса устаревания технических средств, применяемых на узлах учета. Эксплуатационная надежность таких технических средств снижается; постоянно увеличиваются затраты (трудовые и финансовые) на проведение профилактических и ремонтных работ. Анализ состояния эксплуатации показывает, что в большинстве случаев существующие системы автоматизации используют устаревшие технические средства, что затрудняет выполнение возросших требований к сокращению времени получения данных от контроллируемого оборудования, приводит к снижению надежности, удобства управления и предупреждения аварийных ситуаций. При этом технологическое оборудование, на базе которого действуют системы АСУ, не всегда достаточно подготовлено к достижению современного уровня автоматизации.
В данной работе проведен анализ существующих распределенных интегрированных систем контроля и учета энергоресурсов с целью выявления недостатков, узких мест и выработки методов повышения эффективности функционирования объектов исследования. В результате проведенных исследований был обнаружен ряд проблем, связанных с несвоевременной поставкой энергоресурсов и росту неплатежей за поставленное сырье. Это вызвано тем, что современные системы автоматизации продолжают использовать телефонные сети общего
пользования и кабельное модемное соединение для контроля процесса поставки и потребления энергоресурсов. Такой подход не позволяет обеспечить своевременный учет расхода энергоносителей, одновременную загрузку данных с нескольких объектов управления, оперативно оснащать новые объекты управления системами диагностики.
На основании проведенного анализа сделан вывод о необходимости разработки усовершенствованной системы управления и контроля поставки энергоресурсов. Предложен метод оптимизации существующих систем АСУ, в основе которого лежит применение технологий беспроводной передачи данных от объектов управления на диспетчерский пункт. Такой способ предполагает использование современных программно-аппаратных средств, обеспечивающих надежное, эффективное и экономичное управление во всех режимах работы технологического оборудования.
На основании предложенного метода, проведен анализ стандартов беспроводной передачи данных с целью выявления особенностей интеграции этих технологий в системы промышленной телеметрии. Применение технологий пакетной передачи данных GPRS позволит решить проблему загруженности каналов проводной телефонной линии, строить масштабные и масштабируемые системы, удешевить разработку и интеграцию системы, обеспечить конфедешшальность передаваемых данных, высокую скорость и надежность передачи информации.
Проектирование систем диспетчеризации на основе радиодоступа требует проведения оценки уровня сигнала в проектируемой точке
расположения объекта управления. Для этих целей разработано программное приложение, которое на основе существующих математических моделей производит вычисление средних потерь мощности сигнала на пути его распространения и возвращает уровень принимаемого сигнала. Это позволяет провести настройку приемопередающего оборудования для улучшения качества покрытия сети, провести оптимальное частотно-территориальное планирование систем АСУ.
Впервые предложен и разработан алгоритм организации эффективной распределенной системы управления и передачи данных на базе сотовых стандартов связи. Разработано программное решение, которое позволяет связать конечные устройства в единую беспроводную сеть для централизованного контроля и сбора информации.
На основе программного решения, выполненного на основе предложенного алгоритма, а также с учетом результатов проведенного частотно-территориальное планирования диспетчерской сети, введена в эксплуатацию система автоматизации учета коммерческого газа с применением технологии беспроводной передачи данных.
Алгоритм и программное решение являются унифицированными и могут эффективно применяться не только для автоматизированных систем коммерческого учета природного газа, но и в системах контроля энергопотребления, нефти, воды, тепла. Возможно применение разработанного алгоритма и для решения задач удаленного управления, оперативной организации канала передачи данных между двумя объектами, где прокладка кабеля невозможна, неэффективна или является дорогостоящей.
Основные принципы разработки автоматизированных систем управления в энергодобывающей отрасли
На сегодняшний день автоматизированные системы диспетчерского управления являются одним из наиболее эффективных инструментов контроля и поставки энергоресурсов потребителю [24, 31, 41]. Оперативное управление энергообъектами позволяет координировать производственный процесс, обеспечивать безаварийную работу единой энергосистемы, осуществлять передачу промышленных данных с уровня технологических процессов в реальном масштабе времени.
Автоматизированные Системы Оперативно-Диспетчерского Управления Энергоресурсами (АСОДУЭ) это набор технологий и программно-аппаратных средств, предназначенных для управления и диагностики промышленного оборудования. Основной задачей систем АСОДУЭ является своевременный и высокоточный коммерческий учет энергоресурсов. При разработке систем АСОДУЭ используются следующие стандартные аппаратные средства: точное первичное оборудование (датчики, исполнительные механизмы, контроллеры); современные промышленные контроллеры и компьютеры; программный инструментарий для обработки, архивирования, представления оперативной технологической, учетной и коммерческой информации; современную коммун икационную инфраструктуру. Такой комплекс оборудования позволяет обеспечить для разрабатываемых систем АСОДЭУ необходимый уровень технологического учета энергоресурсов. В основе проектирования современных систем АСОДУЭ лежит использование технологий, которые удоветворяют таким свойствам как открытость, стандартизация, типизация решений, масштабируемость систем, комплексность подхода и тиражируемость [21]. Под открытостью системы автоматизации понимают применение открытых стандартов, не требующих лицензий, патентов или авторских прав на их использование, широкую доступность всех специалистов к разработке, производству и использованию продукции в данном стандарте. Открытость системы позволяет строить гибкие и универсальные по своей структуре системы автоматизации, обеспечивающие возможность взаимодействия и совместимость с другими системами на разных уровнях. Стандартизация системы одно из важнейших понятий при разработке системы автоматизации. Современные тенденции в области автоматизации требуют применения компонентов, разработанных на базе существующих открытых международных стандартов. Эти требования распространяются как на программные, так и на технические решения. Построение системы на основе стандартизованных технологий гарантирует современный технический уровень, качество и возможность последующей модернизации. Типизация системных решений является основой проектируемой системы автоматизации. Типизация решений категория не только техническая, но и экономическая. Использование типизированных решений и компонентов, позволит снизить затраты на закупку компонентов и внедрение системы. Комплексный подход к системам автоматизации подразумевает не только традиционный (объектовый) подход, но и целевой, ориентированный на использование средств автоматизации разного уровня для достижения конкретных целей (снижения энергозатрат, себестоимости продукции, повышения качества продукции и услуг). Тиражируемость - одно из важнейших свойств систем автоматизации. Тиражируемость (воспроизводимость) имеет прямое влияние на затраты по созданию систем и в конечном итоге на себестоимость продукции. Масштабируемость системы определяет использование для систем автоматизации таких стандартов и компонентов, которые позволяют создавать наращиваемые (масштабируемые) системы. Масштабируемость системы означает легкость в интеграции, возможность расширения и модернизации системы с минимальными средствами, обеспечивающими необходимую функциональность.
Сравнительный анализ современных методов передачи данных по радиоканалам
На основании проведенного анализа современных методов передачи данных по радиоканалам можно выделить 3 наиболее подходящих для организации систем промышленной телеметрии. Это технологии передачи данных по каналам сотовой связи GSM, GPRS, CDMA. Эти технологии позволяют строить масштабные и масштабируемые системы диспетчеризации, избегать зависимости от интерференции и помех как в случае с радиочастотной передачей, обеспечивать более высокую скорость передачи данных и предоставлять расширенный спектр услуг. Это услуги передачи сообщений, доступа в сети передачи данных, услуги мультимедиа и позиционирования [5, 8, 10,25]. Стандарт GSM использует многостанционный доступ с временным разделением каналов (Time Division Multiple Access, TDMA), что позволяет на одной несущей частоте разместить восемь речевых каналов одновременно [1, 5, 10, 22]. Помимо голосовой связи стандарт GSM позволяет использовать разнообразные услуги передачи данных: факсимильные и короткие сообщения - SMS (Short Message Service). Для передачи данных в GSM используются коммутируемые каналы CSD, предоставляемые абонентам на все время сеанса связи. Существенными недостатками сетей сотовой связи стандарта GSM, не позволяющими применять их в системах АСУ, является низкая скорость передачи данных (максимум 9.6 кбит/с), длительное время установления соединения, а также высокая стоимость соединения, т.к. тарификация производится по времени, проведенному онлайн. Основные характеристики стандарта GSM FI структурная схема сети описаны в Приложении А.
Для высокоскоростной передачи данных посредством существующих GSM-сетей используется услуга пакетной передачи данных по радиоканалу GPRS (General Packet Radio Service) [7, 8, 10, 20]. Кроме высокой скорости передачи данных (теоретический максимум составляет 171,2: кбит/с при всех занятых слотах), GPRS предполагает иную схему тарификации - расчеты производятся пропорционально объему переданной информации, а не времени проведенному онлайн (как в случае с GSM и CDMA). Основными характеристиками протокола являются эффективное использование радио и сетевых ресурсов и поддержка стандартных протоколов передачи данных, таких как IP и Х.25. Недостатком стандарта является зависимость скорости передачи данных от загрузки сети, т.к. голосовой трафик имеет приоритет перед данными. Стандарт GSM7GPRS обеспечивает глобальный роуминг абонентов - возможность подключения к локальным сетям независимо от местонахождения абонента.
Альтенативой стандарту GPRS, относящемуся к поколению 2,5 G, стала сеть связи третьего поколения - CDMA 2000 [8, 16, 27, 54]. Основным отличием этих сетей, является заложенная в их идеологию значительно большая скорость передачи данных — в стандарте CDMA2000 IX до 153 кбит/с, а в CDMA2000 lxEV до 2,4 Мбит/сек.
По сравнению с GSM, где используется чатотно-временное разделение каналов, стандарт CDMA - система множественного доступа с кодовым разделением. В CDMA информация разных пользователей (данные или кодированные сегменты речи) передаются в одной широкой полосе частот, и выделяются на базовой станции из общего шумоподобного сигнала при помощи специального кода. Это обеспечивает возможность осуществлять и поддерживать соединение одновременно с большим количеством пользователей, а также предоставляет высокую степень безопасности соединения - при передаче данных специальные механизмы шифрования не требуются, так как шифрование данных уже заложено в стандарт для разделения абонентов. CDMA позволяет увеличивать емкость системы, применяя механизм контроля мощности и речевой активности. В результате этого не происходит блокировка вызовов в часы наибольшей нагрузки на сеть. Технология CDMA предусматривает наличие не только голосовых соединений, высокоскоростную передачу данных, но и такие традиционные сервисы как передача SMS и факсимильных сообщений. Итак, по сравнению со стандартами GSM/GPRS, CDMA2000 IX имеет ряд преимуществ, таких как отсутствие приоритета голоса перед данными, надежность соединения. Но в тоже время, в России стандарт CDMA2000 IX еще недостаточно развит и сегодня сети GSM/GPRS имеют существенно более широкую зону покрытия. Это особенно важно для построения масштабных и масштабируемых систем контроля и управления.
Несмотря на то, что провайдеры обоих стандартов предлагают практически одинаковые тарифы на услуги передачи данных, стоимость оборудования для работы в CDMA2000 IX значительно выше по сравнению с GSM/GPRS устройствами [16].
На основании проведенного анализа можно заключить, что на сегодняшний день технология пакетной передачи данных GPRS является наиболее оптимальной для построения систем беспроводной телеметрии для энергодобывающих компаний. Организация систем АСУ с применением технологии CDMA может служить темой для следующих исследовательских работ.
Организация виртуальных частных сетей VPN на базе GPRS
Стандарт GPRS позволяет организовывать соединения «точка-точка» между двумя терминалами. Алгоритм соединения «точка-точка» состоит из трех основных этапов: подключение к сети GPRS, инициирование GPRS сессии и открытие сокета на базе протокола TCP (Transmission Control Protocol, протокол управления передачей) [18]. TCP сокет - процесс установления логического сеанса связи между процессами на базе протокола TCP (устанавка, поддержка и закрытие соединения).
Как описано в ПриложенииА, процесс организации TCP сокета в GPRS основан на стандартных процедурах взаимодействия протоколов транспротного уровня. Продемонстрируем процесс установки соединения, «точка-точка» в режиме GPRS на примере двух мобильных терминалов, управляемых АТ-командами, которые соответствуют набору Hayes АТ-команд и рекомендациям Европейского Института Телекоммуникационных Стандартов ETS1 GSM [ 11, 43, 56].
Первый этап алгоритма - процедура подключения к сети GPRS -подробно описан в [2]. Открытие GPRS сессии осуществляется командой AT#CONNECTIONSTART. Для того чтобы инициировать сессию необходимы следующие параметры: имя точки доступа в сеть APN (Access Point Name), требуемой оператором сети для соединения с Интернетом (AT#APNSERV), Имя Пользователя (AT#APNUN) и Пароль (AT#APNPW) необходимые для соединения с Access Point Name. Как только связь GPRS установлена, программное обеспечение мобильного терминала возвращает IP адрес и сообщение Ok_Jnfo_GprsActivatioii\ Модем переводится в режим CONNECTED , проверка состояния модема осуществляется командой AT#VSTATE.
Следующий шаг - открытие TCP сокета между двумя устройствами. Одна из сторон выступает инициатором соединения -«Вызывающий» (Caller), вторая действует как «Слушатель» (Listener). Оба устройства должны быть настроены на один TCP порт. Для открытия сокета должны быть указаны следующие параметры: AT&TCPPORT, который указывает номер TCP порта прослушивающего TCP сокет, параметр AT#TCPSERV задает IP адрес удаленного TCP клиента.
Указанные выше настройки TCP со кета для устройств выступающих в роли Listener и Caller отличаются. Так, Listener в параметре AT#TCPSERV задает IP адрес удаленного TCP клиента-Caller. Когда этот параметр установлен на 255.255.255.255, доступ предоставляется для всех удаленных IP адресов. Соответственно, Caller при задании параметра AT#TCPSERV определяет IP адрес удаленного TCP клиента Listener. Как только связь IP установлена, устройство, выступающее в роли Listener командой AT#LTCPSTART заставляет модем контролировать сообщения, поступающие на указанный TCP порт и отправленные IP адресом, определенным в TCPSERV параметре. В свою очередь, Caller командой АТ#ОТСР инструктирует модем прослушивать соединения, поступающие на указанный TCP порт. При обнаружении входящего TCP соединения с указанного IP адреса и TCP порта, GSM модем автоматически открывает TCP сессию и возвращает сообщение Ok_Info_WaitingForData через последовательный порт. Как только TCP сокет был успешно открыт, все данные из этой сессии отсылаются через последовательный порт на удаленный терминал в виде TCP пакетов. Установленная связь является двунаправленной, и потоком данных управляет специальный встроенный механизм контроля потока. Сессия TCP сокета может быть закрыта командой AT#LTCPSTOP. Следующее сообщение ОК сообщает, что сессия TCP полностью завершена.
Как было продемонстрировано выше, возможность открытия и поддержки TCP сокета уже реализована в ПО GSM/GPRS модемов на уровне ЛТ-команд. Это предполагает использование внешнего управляющего устройства для управления модулем либо управления устройством вручную, что значительно удорожает и усложняет систему. Более того, реализованная функциональность не учитывает таких особенностей работы с сетью оператора как кратковременные разрывы соединения, непрогнозируемые периоды недоступности услуги у операторов и т.д. Это вносит нестабильность в работу диспетчерской системы, приводит к недопустимым временным разрывам соединений. После таких сбоев большинство узлов учета энергоресурсов не способно самостоятельно и корректно восстановить соединение с управляющим центром — возникает необходимость восстанавливать соединение вручную или производить перезагрузку технологического оборудования для обеспечения его корректной работы.
Такой подход не удовлетворяет требованиям к системам автоматизации управления расходом и поставкой энергоресурсов, рассмотренных в Главе 1. На основании проведенного анализа был сделан вывод о необходимости разработки нового, уникального алгоритма, реализующего автоматическое подключение к сети GPRS, инициирование GPRS сессии и открытие TCP сокета. Для устойчивой работы алгоритма, должны также учитываться возможные проблемы работы с сетью оператора, которые будут описаны в разделе 3.2.
С целью построения эффективной системы диагностики и контроля промышленных данных был проведен анализ существующих аппаратных средств, позволяющих реализовать беспроводной канал связи в режиме GPRS. В результате проведенного анализа технологического оборудования стандарта GSM/GPRS, был выбран промышленный GSM/GPRS модем Fastrack Ml306В, произведенный компанией Wavecom, Франция. Основным преимуществом данного устройства перед остальными моделями является возможность использования встроенного микроконтроллера модема для создания уникальных пользовательских приложений [16, 52, 60].
Состав системы учета промышленного газа
Требования, предъявляемые к автоматизированным системам оперативно-диспетч ере кого управления, приводят к необходимости модернизации или полной замены устаревших комплексов телеметрии, эксплуатирующихся на многих энергопредприятиях России. Проведенная тестовая эксплуатация системы АСУ ТП РГ на базе программно-аппаратной платформы «Последняя миля» в ЗАО «Петербург Регион Газ», показала следующее: 1. Существует техническая возможность эксплуатации каналов связи GPRS TCP/IP для сбора информации с узлов учета газа. По скоростным и надежностным характеристикам такие каналы являются при пригодными для организации распределенных систем сбора большого объема информации по учету газа в режиме онлайн. 2. Для повышения скоростных характеристик канала целесообразно использование выделенных тайм-слотов (гарантированных промежутков времени для передачи пакетов данных). 3. В 2005 году ЗАО «Петербургрегионгаз» принято решение об оснащении 350 узлов учета газа системой сбора данных на основе алгоритма «Последняя Миля» (регион Санкт-Петербурга и Ленинградской области). В последующие годы ЗАО «Петербургрегионгаз» планирует объеденить все узлы учета газа в единую беспроводную сеть, спроектированную на основе предложенной автором методики организации систем АСУ ТП РГ и с использованием программно-аппаратного решения «Последняя Миля». В ходе работы автором проведен анализ современных технологий передачи данных по сетям беспроводной связи, и предложены варианты их использования на этапе реализации проекта. Кроме того, были проанализированы существующие методы организации диспетчерских систем АСОДЭУ по контролю и управлению энергоресурсами. В результате проведенного анализа предложен способ оптимизации существующих методов сбора и передачи информации для систем АСОДЭУ с использованием GPRS каналов. Разработан алгоритм передачи данных с узла учета энергоресурсов на диспетчерский пункт на базе GSM/GPRS коммуникаций без применения внешнего управляющего устройства. На основе предложенного алгоритма, разработано и внедрено унифицированное программно-аппаратное решение, позволяющее организовать единую масштабируемую беспроводную сеть по контролю и учету промышленных данных. В процессе тестирования разработанного программно-аппаратного решения выявлены особенности применения беспроводных технологий для организации систем промышленной телеметрии. На этапе проектирования системы использованы методы частотно-территориального планирования, которые позволили повысить эффективность работы проектируемых сетей сбора и передачи данных. По результатам опытной эксплуатации системы, компанией ЗАО «Петербургрегионгаз» принято решение о внедрении разработанного алгоритма «Последняя Миля» в технологический процесс в 2006 году. Предложен метод построения автоматизированных систем сбора и управления энергоресурсами на основе технологий передачи данных по радиоканалам. Разработан алгоритм организации устойчивого соединения и передачи данных в режиме GPRS-для систем диспетчеризации, отвечающий всем требованиям организации систем АСОДЭУ. Разработано унифицированное программно-аппаратное приложение, позволяющее организовать единую сеть по контролю промышленных данных. Основным достоинством разработанного приложения является возможность его интегрирования в уже существующие системы АСОДЭУ, использующие проводные методы сбора данных с удаленных объектов. Разработана и внедрена информационно-измерительная система учета газа для компании ЗАО «Петербургрегионгаз».
