M2M-телеметрия на базе оборудования Phoenix Contact

Открыть в формате PDF

Потребность в получении информации с распределенных и удаленных от диспетчерского центра объектов растет с каждым годом. Расстояния, на которые нужно передавать данные, составляют от нескольких сотен метров до нескольких сотен километров. В ситуации, когда прокладка линий связи (оптоволоконных, телефонных линий, Ethernet) невозможна или экономически нецелесообразна, для получения информации с установленного оборудования используется беспроводная связь.

Беспроводная технология особенно актуальна для сбора таких данных, как параметры электросети, потребление электроэнергии, давление в трубопроводе, температура, состояние оборудования и т.д., необходимых для анализа и своевременного предотвращения аварийных ситуаций.Ранее наиболее популярным решением для передачи технологических данных был канал связи CSD: центральная диспетчерская периодически обзванивала удаленные объекты, получая необходимые данные, а в случае аварии контроллер на удаленном объекте сам дозванивался до центральной станции. Недостаток этого решения в том, что обзвон большого количества удаленных контроллеров занимает продолжительное время, поэтому данные снимаются с периодичностью от одного раза в час до одного раза в день. Кроме того, плата за использование канала CSD довольно велика. При этом в ряде приложений получение данных в реальном времени крайне желательно, а порой и необходимо.

Передача данных по каналу GPRS через сети сотовой связи более эффективна, т.к. оплачивается не время соединения, а количество переданных данных, которые можно получать в режиме реального времени (интервал опроса одной станции составляет обычно от 5 до 20 с). Пакеты передаваемых данных малы. Эта технология получила название M2M-телеметрия (machine to machine).

ак сделать M2M-решения еще более эффективными? Необходимо наиболее прозрачно интегрировать удаленные объекты в сеть предприятия и обеспечить надежный информационный обмен по стандартным промышленным протоколам. Наиболее простой способ – использовать контроллеры с интерфейсом Ethernet и GPRS-маршрутизатор.

Контроллеры

Контроллеры Phoenix Contact имеют встроенный интерфейс Ethernet для обмена данными с приложением верхнего уровня по различным протоколам, например, для обмена данными с OPC-сервером, передачи данных по протоколам Modbus TCP и МЭК-104, обмена данными с IT-приложениями по протоколу SNMP, для рассылки уведомлений по электронной почте, прямого взаимодействия с базами данных SQL, а также для программирования самого контроллера.

Наибольшее распространение для задач M2M-телеметрии получили недорогие контроллеры серии ILC100 – младшие контроллеры в линейке ILC производства Phoenix Contact. ILC100 – это высокопроизводительные контроллеры. Обработка одной тысячи битовых операций (типы данных BOOL, BYTE, WORD, DWORD) или вычислений с целыми числами (тип данных INTEGER) занимает не более 10 мкс. Одну тысячу операций вычислений с плавающей запятой контроллер производит за 2,5 мс. Т. е. среднее быстродействие для типовой программы управления составит 1,5 мс на одну тысячу смешанных инструкций. Количество ПИД-регуляторов и таймеров ограничено только объемом памяти контроллера. В зависимости от модели, контроллер может быть оснащен памятью от 128 до 512 кБ для переменных и таким же объемом памяти для программы. Контроллер может обрабатывать до 4096 бит данных с подключенных модулей ввода-вывода. Это позволяет использовать контроллеры ILC100 не только для задач телеметрии, но и для управления серьезными процессами.

GPRS-маршрутизаторы

Промышленный модем с Ethernet-интерфейсом PSI-MODEM-GSM/ETH от Phoenix Contact – это мощный маршрутизатор для сетей GPRS и EDGE в промышленном исполнении.

Модем, который обычно устанавливается в шкаф управления совместно с другим оборудованием, должен отвечать таким же промышленным стандартам. Очень важными критериями являются устойчивость к ударам и вибрации, гальваническая развязка цепей питания, передачи данных и антенного тракта, а также электромагнитная совместимость.

Следует отметить функциональность модема PSI-MODEM-GSM/ETH. Он может работать в режиме NAT-маршрутизатора (Network Address Translation), переадресовывая данные с IP-адреса маршрутизатора на IP-адрес локальной сети. В настройках модема можно составить таблицу маршрутизации, указав, с какого порта модема на какое устройство локальной сети и по какому порту переадресовывать пакет данных. Эта функция применяется при использовании статических IP-адресов на сим-картах, установленных в модем.

PSI-MODEM-GSM/ETH имеет также функцию VPN (Virtual Private Network). Это логические сети, коммуникация в которых осуществляется через сети с меньшим уровнем доверия. Защита информации выполняется посредством шифрования данных. Механизм VPN обеспечивает также прозрачное соединение удаленных подсетей с центральной сетью.

Функции VPN в промышленном модеме гарантируют не только связь объекта по защищенному каналу через GPRS-интернет, но и позволяют использовать динамические IP-адреса на удаленных модемах. В данном случае необходим VPN-сервер со статическим IP-адресом. В качестве VPN-сервера можно использовать промышленный межсетевой экран FL MGUARD RS VPN от Phoenix Contact, который поддерживает до 250 одновременно подключенных VPN-туннелей. Модем сам инициирует связь с VPN-сервером, в результате чего обеспечивается прозрачный канал связи.

Кроме того, модем оснащен шестью дискретными входами и четырьмя дискретными выходами. С помощью активации дискретных входов модему можно дать команду отправить СМС на указанные номера, переподключиться к GPRS-сети, перезагрузиться, инициировать VPN-соединение. Через дискретные выходы модем может сигнализировать также о состоянии подключения, обрыве связи. Дискретные выходы можно активировать с помощью СМС.

Надежность связи – немаловажный показатель. В модеме реализована интеллектуальная функция проверки соединения с указанным в настройках сервером. При отсутствии ответа от сервера модем производит переподключение к сети GPRS.

Построение системы телеметрии

Рассмотрим два варианта построения системы телеметрии, каждый из которых имеет свои преимущества (рис. 1).

В обоих вариантах необходимо подключение к сети GPRS. В данный момент существуют два варианта использования GPRS-соединения. Наиболее простой – это использование сим-карт с подключением к интернету. Но в этом случае не всегда возможно получить статические IP для сим-карт, а также необходимо использовать реальные IP-адреса в интернете для возможности связи с объектом. Канал связи желательно защитить шифрованием с помощью VPN-соединения.

Канал GPRS может использоваться по специальному договору на предоставление отдельной точки доступа GPRS, называемой APN. Доступ к APN могут иметь только привязанные к нему сим-карты, APN в свою очередь не связан с интернетом. Это надежно защищает систему от несанкционированного доступа. Дополнительно возможно подключить APN в сеть предприятия физическим каналом (оптоволоконной линией или витой парой) или VPN-соединением через интернет.

Первый вариант: использование контроллера серии ILC100 совместно с GPRS-маршрутизатором

Контроллер ILC130 – самый простой контроллер ILC серии 100 – подключается к модему PSI-MODEM-GSM/ETH напрямую или через коммутатор. Модем настраивается на NAT-маршрутизацию или на VPN-соединение с центральным сервером; соединение с центральным сервером тестируется.

С помощью дискретных сигналов контроллер может управлять функциями модема, например, перезагружать его, инициировать подключение или отсылать СМС, получая в свою очередь данные о состоянии модема с дискретных выходов. Контроллер прозрачно встроен в сеть предприятия, что дает огромное преимущество для коммуникации. Для связи с верхним уровнем возможно использовать различные протоколы. Наиболее простой и эффективный протокол – Modbus TCP. Это протокол циклического опроса. Типовые циклы опроса составляют 5–10 с, поэтому в любом случае сигнал будет получен верхним уровнем за 5–10 с. Практически все современные СКАДА-системы поддерживают Modbus. Поэтому нет необходимости использовать дополнительные серверы сбора данных по закрытым протоколам, что дает хорошие экономические преимущества.

Если необходим долгий цикл опроса, например для экономии трафика, возможно использовать протокол МЭК 60870-5-104. Это специализированный протокол телемеханики, поддерживающий передачу данных по событию с временной меткой. Но МЭК-104 поддерживается не всеми СКАДА-системами, поэтому необходимо использовать дополнительные OPC-серверы для этого протокола. Так же МЭК-104 возможно использовать на более дорогих контроллерах, начиная с ILC155.

На любом контроллере можно вести архивы. Контроллер ILC130 оснащен 4 Мб встроенной флэш-памяти, а в контроллере ILC170 есть слот для карты памяти 256 Мб, что позволяет вести более глубокие архивы данных.
Контроллер может хранить накопленные данные в CSV-файлах, которые в свою очередь можно забирать по FTP. 200 записей занимают всего 2 кбайт на карте памяти. При записи данных по контрольным точкам (раз в 15–30 минут) и по изменению сигнала в пределах заданного гистерезиса можно получить глубину архива до нескольких лет (в зависимости от количества сигналов и дискретности записи контрольных точек).

Скорректировать программы контроллера (изменить уставки или диапазоны сигналов, устранить ошибку программы управления) можно удаленно через сеть GPRS. Так же просто получить доступ к встроенному веб-серверу контроллера, отображающему текущие значения, состояние оборудования и т.п.

Второй вариант: использование специализированного контроллера серии ILC100 со встроенным GPRS-модемом

Контроллер ILC150GSM/GPRS имеет объем памяти – 512 кбайт для данных, 512 кбайт для программы и 48 кбайт энергонезависимой памяти (как у контроллера ILC155), что позволяет использовать протокол МЭК-104. Стоит этот контроллер меньше, чем комплект из ILC130 и модема PSI-MODEM-GSM/ETH.

Единственный недостаток устройства – чип, поддерживающий только GPRS-соединение, когда внешний маршрутизатор может работать в сетях EDGE, которые обеспечивают большую скорость передачи данных. Но данный контроллер наиболее прозрачно и просто объединяется с сетью предприятия через GPRS, поэтому нет необходимости настраивать VPN-соединение или NAT-маршрутизацию. В дополнение к беспроводной передаче данных контроллер может отсылать СМС, причем текст сообщения может генерировать сам контроллер.

Таким образом, используя вместе контроллер серии ILC100 и GPRS-маршрутизатор, можно построить эффективную систему управления объектом и телеметрии. Связь по стандартным промышленным протоколам позволит просто подключить удаленные объекты в информационную систему предприятия.