Мониторинг систем управления
Мониторинг текущего состояния для систем автоматического управления в инженерных системах и технологических процессах принято разделять на несколько видов. Использование одного из них или сразу нескольких определяется в первую очередь ответственностью конкретного объекта и пожеланиями со стороны заказчика. Распространение, доступность и массовость использования сотовой связи делает ее эксплуатацию в системах удаленной диспетчеризации недорогой и экономически оправданной.
Стоимость оборудования (сотовый модем + антенный модуль + SIM-карта оператора сотовой связи) располагается в интервале до 6000 руб., услуг связи по передаче данных — около 9 руб. за один мегабайт переданной информации и около 2 руб. за одно отправленное текстовое сообщение. На фоне важности получения оперативных извещений о состоянии объекта и небольшого объема самих передаваемых технологических параметров применение диспетчеризации, основанной на использовании каналов GSMи CDMA-сетей, можно рекомендовать как удобный вариант для любых инженерных установок, особенно, работающих автономно.
Способы передачи данных
Существует несколько способов диспетчеризации на основе сотовой связи. Они определены тем набором услуг, которые предоставляет оператор. Как правило, их две: цифровая передача данных и отправка SMS-сообщений (короткие текстовые сообщения). На них основаны несколько способов построения системы диспетчеризации:
- отправка тревожных SMSсообщений непосредственно абоненту (по условию возникновения аварийных событий);
- отправка SMS-сообщений со списком технологических параметров и их значений, текущих неисправностей непосредственно абоненту (по запросу);
- отправка тревожных SMSсообщений, технологических параметров и их значений на центральный сервер диспетчеризации (по условию возникновения аварийных событий, а также периодически);
- передача по цифровому каналу технологических параметров и их значений, текущих неисправностей на центральный сервер диспетчеризации (периодически);
- передача данных через интернет (GPRS, CDMA) технологических параметров и их значений, текущих неисправностей на центральный сервер диспетчеризации (периодически или непрерывно).
Выбор способа диспетчеризации (или нескольких способов) зависит от желания заказчика использовать (создавать) центральную диспетчерскую или возложить прием сообщений на ответственного сотрудника, имеющего всегда при себе абонентский терминал (мобильный телефон).
Диспетчеризация «Объект ⇔ Абонент»
В тех случаях, когда создание или использование имеющейся центральной диспетчерской нецелесообразно или неоправданно, или стоит задача мгновенного информирования о происшествиях сотрудников, ответственных за эксплуатацию действующей системы автоматизации, используется вариант диспетчеризации, при котором короткие текстовые сообщения (SMS) отправляются напрямую на абонентские терминалы (мобильные телефоны) инженеров.
Для этого на объекте автоматизации применяется оборудование — сотовый модем, подключаемый к системе автоматики, как правило, через последовательный порт — стандарт RS-232. Для работы связки «контроллер автоматизации–модем», первый должен быть запрограммирован на управление модемом с использованием его системы команд (система команд различается у производителей модемов, точнее, у производителей наборов микросхем логики). Например, существует автоматика, которая совместима с несколькими типами микросхем разных производителей, а для поддержки других модемов требуется создание дополнительной программы — мини-драйвера.
Алгоритм обработки аварий котельной и отправки SMS через модем
Система автоматического управления производит непрерывное регулирование процессов на действующем объекте и контролирует их безопасное протекание. В момент, когда происходит тревога, — выход какого-либо параметра за допустимые пределы или отказ одного из устройств (например, насоса, котла, клапана) — формируется сигнал аварии (аларм), который, помимо местной сигнализации о происшествии, приводит в действие алгоритм контроллера.
Он, в свою очередь, осуществляет отправку SMS-сообщения абоненту с отчетом — несколькими предварительно заданными текстовыми строками, объясняющими причину тревоги (имя аларма). Телефонный номер абонента предварительно должен быть записан в контроллере или в SIMкарте сотового модема. Если стоит задача высылать технологические данные объекта по запросу, то при составлении алгоритма автоматизации указываются параметры, которые должны входить в список (к примеру, имена параметров и их значения).
Это делается для того, чтобы точно определить набор пересылаемых параметров, поскольку во всей системе их может быть несколько сотен или тысяч, не каждый из которых важен для оценки корректности работы системы. Кроме того, длина SMS-сообщений ограничена 160-ю символами (лимитирование обусловлено принятыми стандартами в сетях сотовой связи) и использование нескольких идущих подряд сообщений может быть избыточным и неудобным на практике.
Помимо параметров и их значений, должна высылаться информация о наличии в настоящий момент тревог («алармов»), для этого применяется последующее текстовое сообщение. Запрос на ответ формирует абонент, отправляя на телефонный номер сотового модема свое короткое текстовое сообщение с заранее заданной строкой (паролем), причем таких абонентов может быть множество, а для доступа к системе и получения ответного SMSсообщения необходимо знать только пароль и телефонный номер модема.
Диспетчеризация «Объект ⇔ Центральная диспетчерская»
Диспетчеризация с использованием удаленной центральной диспетчерской оправданна при наличии нескольких ответственных объектов автоматизации. Данные с объектов могут поступать через каналы сотовой связи посредством SMS, прямого соединения (передача данных) или через интернет (GPRS или CDMA). Все получаемые данные поступают в центральную диспетчерскую через установленный в ней же сотовый модем (модемы) и/или через выделенную линию подключения к интернету.
Программное обеспечение, установленное на центральном компьютере расшифровывает поступающие данные и записывает их в соответствующие ячейки базы, каждая из которых соответствует своему объекту, параметру, аларму. Таким образом, происходит непрерывное обновление базы данных. Типовая схема организации диспетчеризации При связи через SMS автоматика, установленная на объекте, инициирует передачу сообщений при возникновении аварий, а отправка значений технологических параметров производится периодически или может быть вызвана запросом от центральной диспетчерской (команда оператора).
При прямом соединении между двумя модемами объекта и центральной диспетчерской установление соединения инициируется диспетчерским компьютером — периодически или по запросу. Это вызвано тем, что услуга передачи данных в сотовых сетях GSM оплачивается поминутно, как и обычный телефонный вызов. Поэтому использование постоянного подключения нерационально или невозможно.
Самым прогрессивным способом диспетчеризации через каналы сотовой связи является постоянное подключение объекта автоматизации через GPRSили CDMA-соединение к центральной диспетчерской. Контроллер осуществляет дозвон, управляя модемом с помощью набора специальных команд (АТ-команды) и выходит в интернет для передачи данных по протоколу TCP/IP. Контроллеру не требуется иметь поддержку конкретной модели модема, поскольку набор команд модемов является универсальным и для каждого модема существует ряд настроек, легко вводимых пользователем.
Это позволяет подключать к контроллеру, поддерживающему работу с GPRS и CDMA, любые модели модемов. Настройка их совместной работы будет не сложнее настройки компьютера для выхода в интернет через мобильный телефон.
Пример диспетчеризации приточных и вытяжных вентиляционных установок
Помимо отсутствия необходимости в специальных драйверах, GPRS и CDMA обладают выгодным преимуществом — стоимость соединения рассчитывается из объема переданных данных, а не поминутно. Кроме того, передача технологических данных создает небольшой трафик, который может исчисляться несколькими мегабайтами в месяц для одного объекта (несколько десятков рублей в месяц). Еще одно преимущество такого способа соединения — обновление информации о состоянии объекта в базе данных центрального диспетчерского компьютера в режиме on-line (непрерывно).
Если происходит разрыв связи, сотовый модем переустанавливает соединение через интернет снова. Если заказчик по каким-то своим соображениям, связанным, например, с представлениями об уязвимости такого рода передачи данных (а такие клиенты еще встречаются), не допускает использование сети интернет, то можно предложить установку приборов автоматики, обладающих внутренним механизмом шифрования всей передаваемой информации с проверенным временем алгоритмом, таким как RC5.
Возможен также вариант заказа у оператора сотовой связи дополнительной услуги — VPN (Virtual Private Network — виртуальная частная сеть) — когда каждый из сотовых модемов выходит точно так же в сеть сотовой связи, но становится изолированным от интернета, и вся передача данных происходит через собственную цифровую сеть компании-оператора связи. В виртуальной частной сети находятся только эти модемы и компьютеры центральной диспетчерской, а каналы передачи данных между ними надежно защищены технологией VPN. Услугу VPN на территории России, к примеру, предоставляют операторы сотовой связи в стандарте IMT-MC-450 (технология CDMA-2000 в диапазоне 450 МГц).
Центральная диспетчерская – удаленный доступ
Наличие центральной диспетчерской со своим сервером — базой данных — дает большие возможности, становясь универсальным коммуникационным центром системы:
- отправка SMS-оповещений в случае аварий (алармов) группам получателей;
- отправка оповещений электронной почтой в случае аварий (алармов) группам получателей;
- периодическая отправка e-mail с технологическими параметрами группам получателей;
- периодическая отправка SMS с технологическими параметрами группам получателей;
- отправка SMS с параметрами и алармами в ответ на запросы удаленных пользователей на их мобильные телефоны;
- доступ к системе через интернет (или VPN) при помощи специализированной графической программы, наблюдение процессов и управление оператором в режиме on-line — полноценная SCADA-система (SCADA — Supervisory Control And Data Acquisition — диспетчерское управление и сбор данных);
- доступ к системе через интернет (или VPN), WWW-интерфейс, наблюдение процессов и оперативное управление оператором в режиме on-line (через обычный броузер Internet Explorer по адресу вида http://адрес.сервера.ru) — полноценная SCADA-система;
- доступ к системе через мобильный телефон по протоколу WAP (Wireless Application Protocol — протокол для мобильных применений), наблюдение параметров и оперативное управление оператором в режиме on-line — некоторые функции SCADA, ограниченные возможности визуализации на экране мобильного телефона, отображение информации в виде списков.
Пример внедрения: мониторинг котельных
Существует множество котельных, уже оснащенных сотовыми модемами, передающими данные напрямую мобильным абонентам и на центральный сервер диспетчеризации для работы операторов через АРМ (автоматизированное рабочее место). Например, в микрорайоне Куркино Московской области системой оперативного оповещения о неисправностях через SMS оборудованы котельная № 10 мощностью 8 МВт, а также котельная в здании одной из школ.
За период наладки система несколько раз сообщала инженерам оперативную информацию о протекании процессов, которая помогла точнее установить некоторые вопросы функционирования и произвести точную настройку параметров регулирования. Несколько раз было отмечено долговременное открытие клапана подпитки, особенно в утренние часы, когда вода системы отопления использовалась в хозяйственных нуждах.
В Москве автоматизирован паровой котел КПЖ-4 и также оснащен модемом для обмена через SMS с представителем компании-наладчика. В ходе наладочных работ были замечены несколько источников потенциальных проблем благодаря SMS-оповещению, и соответствующие изменения были внесены в алгоритм. Примером диспетчеризации котельной уже с использованием передачи данных через GPRS, является котельная завода микроэлектроники «Элкотек» в Санкт-Петербурге.
Котельная выходит через интернет на центральный интернет-сервер диспетчеризации МЗТА, а инженеры используют удаленный доступ через интернет для наблюдения с мониторов своих компьютеров.
