Статьи об отраслевых решениях - Fastwel

Решения по организации связи и передаче данных на линейной части магистральных газопроводов

Решения по организации связи и передаче данных на линейной части магистральных газопроводов

Игорь Фурманчук

В статье рассмотрены проблемы организации связи и передачи данных о состоянии технологических объектов линейной части магистральных газопроводов. Дан краткий анализ существующих систем. Описан опыт внедрения системы связи и передачи данных TeRaNet. Рассмотренные проблемы актуальны не только для газовой промышленности, но и для других отраслей, объекты которых рассредоточены на территории в сотни километров.

ВВЕДЕНИЕ

Газотранспортная система (ГТС) в упрощённом представлении состоит из линейной части (трубопроводов) и газокомпрессорных станций (насосов). Под линейной частью подразумеваются магистральные газопроводы и газопроводы-отводы, а также некоторые другие технологические объекты, которые будут описаны далее. Газокомпрессорные станции (ГКС), названные для простоты насосами, представляют собой чрезвычайно сложные технологические объекты. В данной статье не рассматриваются проблемы организации коммуникаций на ГКС. При этом необходимо отметить, что центром управления и компрессорной станцией, и линейной частью (в определённой зоне ответственности) является именно ГКС, на которой есть соответствующий диспетчерский пункт. Упомянутая зона ответственности, кстати, может занимать площадь 300 на 300 км. К наиболее распространённым технологическим объектам линейной части газотранспортной системы можно отнести (рис. 1): крановые площадки (КП), газораспределительные станции (ГРС), станции катодной защиты (СКЗ). КП служат для перераспределения газовых потоков между газопроводами, локализации некоторых участков газопроводов при аварийных ситуациях или ремонтных работах и т.п. СКЗ устанавливаются для защиты труб магистрального газопровода от коррозии. На ГРС производится подготовка газа для конечного потребителя: снижение и регулировка давления, одоризация и др. Все перечисленные объекты, за исключением ГРС, работают без участия человека, в автономном режиме и в той или иной степени автоматизированы.

j45gerf.png

Контролируемый пункт магистрального газопровода

ЗАДАЧИ И РЕШЕНИЯ ПО ПЕРЕДАЧЕ ДАННЫХ

Управление объектами осуществляется с диспетчерского пункта компрессорной станции. Учитывая то, что они могут быть удалены от ГКС на 150200 км, задача организации канала передачи данных является нетривиальной. Кроме того, между диспетчером, который находится на ГКС, и оператором, который находится на ГРС, необходимо дополнительно организовать и голосовую связь. Для обеспечения диспетчерской голосовой связи вплоть до последних нескольких лет использовались в основном медные четырёхпроводные кабели. Когда возникла необходимость передачи данных к технологическим объектам, на них начали устанавливать специализированные адаптеры, которые позволяют передавать данные со скоростью до 2,4 кбит/с.

2t35g4f.png

Условные обозначения: МГ1, МГ2 — магистральные газопроводы; ГРС — газораспределительные станции; КП — крановые площадки; СКЗ — станции катодной защиты; КС — компрессорная станция. Рис. 1. Пример фрагмента газотранспортной системы

Скорость относительно небольшая, но достаточная для решения основных задач. Проблема на самом деле заключается в другом: как разделить один кабель между голосовой связью и передачей данных, которая производится в режиме on-line, то есть не эпизодически, а постоянно? Существует несколько вариантов решения данной проблемы:
  • установить на кабель аппаратуру уплотнения;
  • проложить ещё один кабель;
  • использовать дополнительно радиоканал.
В последнее время всё большее распространение получает радиоканал как для организации голосовой связи, так и для передачи данных. Типовым вариантом решения задачи управления территориально распределёнными объектами является установка мастер-контроллера (компьютера со SCADA-системой) на ГКС и эмуляция («удлинение») шины RS-422/485 с помощью «дальнобойных» радиомодемов или кабельных модемов. При этом на технологических объектах устанавливаются соответствующие модемы и контроллеры (рис. 2). Для увеличения дальности связи могут быть применены ретрансляторы или регенераторы (рис. 3). Обмен с удалёнными контроллерами осуществляется по схеме «запрос-ответ». Частота запросов определяет время доступа удалённого контроллера к среде передачи и задержку получения данных от определённого контроллера. Достоинства такого технического решения – простота и относительная дешевизна, но оно не решает всех задач и работоспособно при определённых условиях. Что имеется в виду? Обязательным условием нормальной работы такой схемы является поддержка каждым удалённым контроллером единого протокола обмена с мастер-контроллером. Это условие трудно выполнимо даже при строительстве нового газопровода и вместе с ним новой системы связи, когда и для контроллера КП, и для контроллера СКЗ, и для контроллера автоматики ГРС можно, казалось бы, предусмотреть единый протокол обмена. Но даже при этих условиях вычислитель коммерческого учёта газа, устанавливаемый на ГРС, будет иметь иной, «засекреченный», то есть никому не известный протокол. На практике же контроллеры для этих технологических объектов оказываются разных типов, устанавливаются в разное время и реально поддерживают разные протоколы обмена. К чему это приводит? Например, контроллер КП поддерживает протокол ModBus, автоматика ГРС – DNP3 а контроллер СКЗ – какой-то отечественный «нестандартный» протокол. Бывают также ситуации, когда одна часть контроллеров КП использует один протокол, а другая часть – другой. Возникает проблема: SCADA-система на мастер-контроллере не позволяет «связать» несколько протоколов с одним СОМ-портом, к которому подключён радиомодем. Решить такую проблему чрезвычайно сложно. Но если даже удалось её решить, то возникает другая проблема: одна физическая среда (кабель или радиоканал) передаёт пакеты разных протоколов. Как при этом будут реагировать удалённые контроллеры на пакеты «не своего» протокола, предсказать очень сложно. Есть, конечно, контрольные суммы, CRC и т.п. Но, без сомнений, вероятность совпадения контрольных сумм значительно возрастает. На практике эту задачу решают посредством уплотнения канала (кабельного или радиоканала), что в конечном итоге приводит к значительному удорожанию проекта. При рассмотрении вопросов передачи данных не учитывалось, что, в отличие от КП и СКЗ, газораспределительные станции являются технологическими объектами, которые обслуживаются людьми (операторами). Это связано не только с их технологической сложностью, но и с их низким, как правило, уровнем автоматизации. В основном все управление на ГРС реализуется в ручном режиме оператором по командам диспетчера, который находится на ГКС. В связи с этим возникает задача обеспечения дополнительной голосовой связи оператора ГРС с диспетчером. На практике оператор ГРС может дежурить не только в здании ГРС, но и в своём доме, который, как правило, находится поблизости. Это значит, что голосовая связь с диспетчером нужна не только на ГРС, но и в доме оператора. Кроме того, нужно обеспечить передачу в дом оператора от ГРС различных данных аварийной, пожарной и охранной сигнализаций. Голосовая связь также нужна для сервисных и аварийных бригад, причём в любой точке газопровода. Требования к пропускной способности системы голосовой связи – минимальные, но она нужна. Рассмотрев все перечисленные задачи, можно сформулировать общие требования к некоторой абстрактной системе связи и передачи данных, которая могла бы их эффективно решать. 1. Большая зона покрытия (300 на 300 км). 2. Передача данных между мастер-контроллером и удалёнными контроллерами по схеме «точка – многоточка» в режиме on-line. 3. Возможность организации нескольких виртуальных шин (каналов), описанных в предыдущем пункте (каждая – для своего протокола обмена). 4. Голосовая связь диспетчер – ГРС (диспетчер – дом оператора ГРС). 5. Голосовая связь с мобильными абонентами. Какая известная система связи или передачи данных удовлетворяет всем перечисленным требованиям? Рассмотрим некоторые из них, нашедшие наибольшее распространение в газовой промышленности Украины.

l867j5h.png

Рис. 2. Типовые схемы подключения удалённых контроллеров

Система передачи данных MOSCAD

Наверное, MOSCAD – наиболее популярная система для решения задач телеметрии. Удовлетворяет всем перечисленным требованиям, за исключением требований по голосовой связи (MOSCAD не решает этих задач). Максимальная скорость передачи данных – 4,8 кбит/с. Кроме задач по передаче данных, средствами системы MOSCAD можно решать задачи по автоматизации управления технологическими объектами, что повышает эффективность применения этой системы. К недостаткам можно также отнести задержки, связанные с переприёмом пакетов, и снижение надёжности из-за этих переприёмов.

hh4g5t.png

Рис. 3. Использование ретранслятора

Аналоговая система связи MPT1327

Данная система ориентирована, главным образом, на обеспечение голосовой связью. На первый взгляд, все требования выполняются, но есть проблемы с передачей данных: передачу данных можно организовать только по схеме «точка – точка» с использованием дополнительных модемов и коммутируемым доступом. Максимальная скорость передачи данных – 2,4 кбит/с. Можно, конечно, использовать соединение «точка – точка» и организовать циклический опрос контроллеров. Но учитывая то, что время установления канала передачи данных – несколько секунд, на опрос 20 контроллеров уйдёт несколько минут. Для передачи данных от сигнализаций это неприемлемо – контроллеру придётся эти несколько минут ждать, пока его опросят. Поэтому можно считать, что система МРТ1327 для решения задач передачи данных реального времени непригодна.

Цифровая система связи TETRA

Система TETRA позволяет выполнить все требования. Доступ также коммутируемый, но очень быстрый. Для передачи данных можно организовать схему «точка – многоточка» (с определёнными ограничениями). Максимальная скорость передачи данных – 28 кбит/с. Основной недостаток – очень большая стоимость системы.

Сотовые системы связи GSM

Вообще-то все требования в этих системах выполняются. Здесь мы не будем рассматривать голосовую связь и её стоимость, рассмотрим только «продвинутый» режим передачи данных – GPRS. Сразу необходимо оговориться, что предоставляемый опера46 торами сервис изначально не ориентирован на решение задач реального времени. Передача данных «точка – многоточка» не поддерживается. Обеспечивается только коммутируемый доступ в режиме «точка – точка». Скорость обмена данными может достигать 20-30 кбит/с, но может быть значительно ниже, при определённых обстоятельствах может вообще не работать. Для GPRS показатель QoS (Quality Of Service) неприменим. Никто ничего не гарантирует – как получится. Подход оператора GSM такой: скачали через GPRS 10 кбайт – заплатили за 10 кбайт; что-то случилось с GPRS, не успели, скачали только 2 кбайт – так и заплатили только за 2 кбайт. Необходимо иметь в виду, что главный приоритет у оператора мобильной связи – обеспечить голосовую связь для своих абонентов, а передача данных – это для того, чтобы загрузить простаивающие голосовые каналы (тайм-слоты). Отсюда и выгодная стоимость GPRS-сервиса. С точки зрения QoS, режим CSD (обычный GSM-канал) предпочтителен, потому что всегда обеспечивает гарантированную скорость 9,6 кбит/с. Однако при этом и стоимость передачи данных будет другой.

g435gt65.png

Рис. 4. Архитектура системы TeRaNet

Общие проблемы

Коммутируемый доступ, реализуемый средствами MPT1327, TETRA, GSM или через обычный модем, накладывает определённые ограничения на программное обеспечение как SCADAсистемы, так и удалённого контроллера – они должны уметь устанавливать соединение, то есть послать некоторую строку с номером абонента, например «atd1234». Однако поддержка этой функции у них может отсутствовать. Есть ещё один важный момент, который касается всех перечисленных систем связи, за исключением системы MOSCAD: для реализации третьего требования (многопротокольности) необходимо обеспечить для каждого протокола отдельную радиостанцию, подключаемую к мастер-контроллеру, и отдельную радиостанцию возле каждого удалённого контроллера. При этом на базовой станции (при работе в режиме реального времени) для каждого протокола выделяется отдельный канал. Вдумайтесь в это! На наш взгляд, для наиболее эффективного использования коммуникационных средств, предоставляемых системой TETRA и операторами GSM, необходимо использовать комбинированное решение с применением коммутируемого доступа и системы коротких сообщений.

h45h5.png

СИСТЕМА СВЯЗИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ TERANET

В 2004 году в одном из линейных производственных управлений ДК «Укртрансгаз» был реализован пилотный проект по развёртыванию системы связи и передачи данных TeRaNet. Система TeRaNet позволяет решать разные задачи в едином комплексе. Это касается как задач по передаче данных, так и по организации голосовой связи, а также задач автоматизации технологических объектов. В первую очередь, TeRaNet – это пакетная сеть передачи данных со своим транспортным протоколом RNP, который предусматривает определение приоритетов различных пакетов данных, организацию виртуальных каналов и др.

j64gret.png

Рис. 5. Структура аппаратных средств базовой станции

Можно сказать, что RNP – это упрощённый вариант протокола АТМ, рассчитанный на работу в небольших сетях. Архитектурно система состоит из нескольких базовых радиостанций (БС), подключённых к центральному коммутатору системы (ЦКС), и абонентских станций (АС), которые имеют доступ к сети через радиоканал между АС и БС. ЦКС устанавливается на диспетчерском пункте компрессорной станции. Абонентские станции устанавливаются на технологических объектах. Для организации обмена данными между мастер-контроллером и удалёнными контроллерами центральный коммутатор системы имеет несколько СОМ-портов, которые логически могут быть связаны с СОМ-портами АС (рис. 4). В результате получается что-то вроде удлинителя СОМ-портов с возможностью организации схемы «точка – многоточка». Какие протоколы будут «ходить» по этим виртуальным каналам, практически значения не имеет. Кроме организации каналов передачи данных, система позволяет организовывать голосовую связь не только между абонентской станцией и диспетчером, но и между двумя любыми абонентскими станциями. К ЦКС, установленному на компрессорной станции, можно подключить аналоговые телефонные линии для доступа к абонентам УАТС. Аппаратное и программное обеспечение АС позволяет также решать задачи управления и автоматизации.

45egtbr5y5y.png

Рис. 6. Структура аппаратных средств центрального коммутатора

Базовая станция

БС состоит из контроллера базовой станции, полнодуплексного трансивера, системы гарантированного электропитания, специального телефонного терминала и каналообразующего оборудования, необходимого для подключения БС к ЦКС (рис. 5). Если между БС и ЦКС есть кабель или канал тональной частоты, то в качестве каналообразующего оборудования могут использоваться модемы для выделенных каналов или DSL-модемы. Если кабеля нет, то можно использовать радиомодемы или оборудование RadioEthernet. Важно, чтобы они имели интерфейс RS-232/422 или Ethernet и обеспечивали скорость передачи данных между БС и ЦКС хотя бы на уровне 19,2 кбит/с. При этом возможно подключение базовых станций между собой, то есть базовая станция выполняет функции коммутатора, что удобно в случае линейнопротяжённых объектов. Контроллер базовой станции реализован на основе платформы MicroPC с использованием процессорного модуля CPU686E производства фирмы Fastwel.

hg43gfft.png

Рис. 7. Структура аппаратных средств абонентской станции

Некоторые модули, в частности, плата расширения СОМ-портов (модуль 5554) – производства фирмы Octagon Systems. Для обеспечения голосовой связи (базовая станция не имеет постоянного обслуживающего персонала, но на ней могут проводиться разные виды работ) в состав контроллера включена плата вокодера. В качестве трансивера используется полнодуплексный радиомодем MDS4790C фирмы Microwave Data Systems, который обеспечивает скорость передачи данных в радиоканале до 19,2 кбит/с и имеет следующие технические характеристики:
  • диапазон рабочих частот 330-512, 800-960 МГц;
  • ширина полосы частот 25 кГц;
  • разнос частот дуплекса 10 МГц;
  • скорость передачи данных в радиоканале 19,2 кбит/с;
  • мощность передатчика 37 дБм (5 Вт);
  • чувствительность приёмника –105 дБм (BER 10E–6);
  • ориентировочный радиус покрытия 50 км;
  • диапазон рабочих температур –30...+60°C.
Для наиболее ответственных приложений MDS-4790C может комплектоваться дополнительным приёмопередатчиком, который находится в «горячем» резерве и автоматически подключается в случае повреждения основного. Диапазон рабочих температур радиомодема более узкий (от –30 до +60°С), чем у остального оборудования, но, тем не менее, является вполне достаточным для работы в климатических условиях Украины. Основные задачи БС – это управление прямым и обратным радиоканалом (то есть трафиком БС→АС и АС→БС соответственно), маршрутизация пакетов с учётом их приоритетов по межбазовым соединениям, диагностика радиоканала и удалённых АС. БС обеспечивает одновременно в одном радиоканале до 2 голосовых каналов (точнее, тайм-слотов), и 1 канал всегда остаётся для передачи данных. Если голосовых каналов меньше, то канал передачи данных, разумеется, шире. Для сравнения, базовая станция системы TETRA обеспечивает 4 канала (таймслота), один из которых всегда отдаётся на канал управления, то есть голосовых остаётся 3.

Центральный коммутатор Центральный коммутатор

системы TeRaNet реализован на базе промышленного компьютера (ПК) производства фирмы Advantech (рис. 6), работающего под управлением ОС Windows 2000. Для организации обмена с базовыми станциями в ПК установлена плата расширения СОМ-портов. Для голосовой связи диспетчера компрессорной станции с другими абонентами сети TeRaNet устанавливается специальная голосовая плата с вокодером. Для выхода абонентов сети TeRaNet в ведомственную телефонную сеть (и наоборот) плата имеет интерфейс с телефонной линией. Для увеличения числа подключаемых телефонных линий может устанавливаться несколько таких плат. Для решения задач контроля и управления на ЦКС установлена SCADA-система Termocont, хотя могут использоваться и другие.

hj45g.png

Абонентская станция

АС состоит из процессорного модуля, плат расширения СОМ-портов, платы вокодера, необходимого количества плат ввода-вывода (аналоговых, дискретных). Все платы установлены в корзину формата MicroPC. Кроме того, есть радиомодем, источник гарантированного электропитания и специальный телефонный терминал для голосовой связи. Дополнительно к плате вокодера через разъём гарнитуры handsfree можно подключить обычную симплексную радиостанцию, назначение которой описывается далее (рис. 7). Процессорный модуль АС, так же как и БС, производства фирмы Fastwel, но немного проще. Это модуль микроконтроллера CPU188-5MX, который имеет 48 дискретных входов-выходов (уровни TTL), 8 аналоговых входов и 2 аналоговых выхода. Часть входов используется самой АС (контроль и управление источником питания и сигнализация), а часть может быть задействована для управления технологическими объектами. Если этого недостаточно, можно докупить нужные платы, разнообразный ассортимент которых выпускают фирмы Fastwel и Octagon Systems. Плата расширения СОМ-портов (модуль 5554 производства фирмы Octagon Systems) служит для подключения интеллектуальных УСО (устройств связи с объектом), имеющих стык RS-232 или RS-422/485. Опрос этих УСО можно организовать двумя способами. Первый – организовать виртуальный канал между СОМ-портом абонентской станции, к которому подключено УСО, и СОМ-портом на ЦКС, на который имеет выход SCADA-система. Второй способ – опрашивать УСО, используя средства программного обеспечения микроконтроллера MicroPC, которое, в свою очередь, будет взаимодействовать со SCADA-системой, установленной на ЦКС. При использовании штатного программного обеспечения системы TeRaNet возможен и комбинированный вариант, когда опрос УСО производится и SCADA-системой через виртуальный канал, и контроллером MicroPC (когда этот канал простаивает). Вокодер нужен для оцифровывания голоса, его компрессии и взаимодействия с соответствующими драйверами процессорного модуля. Качество оцифрованного голоса, «сжатого» вокодером, можно субъективно оценить как хорошее. Во всяком случае, оно не хуже, чем в CDMAили IP-телефонах. Радиомодем MDS-4710C несколько отличается от радиомодема базовой станции – он работает в режиме полудуплекса. Несмотря на это, голосовая связь полнодуплексная, как у обычного телефона. Остальные характеристики радиомодема такие же, как у MDS-4790C. Источник питания с аккумулятором обеспечивает все необходимые для автоматизации значения напряжения питания: 5, 12, 24, 110 В. Через управляющие входы можно получить информацию о наличии 220 В и напряжении аккумулятора. При его критическом разряде можно программно выключить питание АС до появления 220 В. Рассмотрим основные функции и возможности, реализованные в АС, сгруппировав их по видам.

Возможности по организации голосовой связи


С абонентской станции можно позвонить диспетчеру на ГКС, набрав его номер, или просто, подняв трубку, подождать (идёт автоматический вызов диспетчера). Никаких тангент. Голосовая связь – полнодуплексная, как на обычном телефоне.
Допускается вызов другого абонента системы через набор номера, например 1234#. Абоненты могут находиться в зоне разных базовых станций.
Можно выйти в ведомственную телефонную сеть, набрав, например, 2345#. Считается, что если номер не начинается на «1», значит, это номер телефонной сети (схему можно поменять).
Существует возможность принять вызов диспетчера, другого абонента или абонента ведомственной телефонной сети (донабор в DTMF через шлюз на ЦКС).
Если абонентская станция установлена на ГРС, для связи с домом оператора ГРС к голосовой плате можно подключить обычную симплексную радиостанцию. Оператору выдаётся вторая радиостанция. Правда, в этом случае связь полудуплексная, то есть при передаче нужно нажимать тангенту и, кроме того, оператор может вызвать только диспетчера. Дальность связи определяется характеристиками используемых радиостанций. Через эту же радиостанцию оператор может получать от контроллера АС голосовые сообщения, если есть проблемы с ГРС.

h545gf.png

Рис. 8. Вариант общей структуры системы TeRaNet

Возможности по передаче данных


Максимальная скорость в радиоканале – 19,2 кбит/с. Реальная скорость в прямом канале (БС→АС) с учётом накладных расходов составляет около 16 кбит/с, а в обратном канале – около 12 кбит/с. Разумеется, этот трафик динамически перераспределяется между абонентскими станциями.
Программное обеспечение АСУ ТП, которое установлено на АС, работая непосредственно через драйвер протокола RNP, может менять приоритеты пакетов и передавать данные с разной скоростью.
Для подключения других контроллеров, установленных на технологическом объекте, существует механизм организации виртуальных каналов, описанный ранее. Можно установить приоритет для виртуального канала.

Возможности подсистемы автоматизации


Используемые в системе платы ввода-вывода платформой MicroPC не ограничиваются. Возможно подключение через RS-232/485 различных интеллектуальных модулей.
Система TeRaNet имеет собственное программное обеспечение (ПО) для изделий платформы MicroPC. Оно предназначено для решения вопросов автоматизации, достаточно просто конфигурируется и поддерживает несколько протоколов обмена со SCADA-системой уровня компрессорной станции. Но можно установить и ПО других фирм, разработанное для платформы MicroPC.
Система способна реализовать дополнительные специальные функции. Например, существуют средства для голосового оповещения через подключённую к голосовой плате радиостанцию оператора ГРС о срабатывании сигнализации или выходе параметров за определённые границы. Для этого в базе данных устанавливаются условия оповещения, а с ними связываются голосовые сообщения, хранящиеся в виде файлов в контроллере. Ввиду того что голос в файлах «сжатый», файлы сообщений небольшие. Записываются файлы там же, на ГРС, с помощью той же телефонной трубки. Вариант общей структуры системы TeRaNet, предназначенной для решения задач по организации связи и по передаче данных, а также задач автоматизации технологических процессов, показан на рис. 8.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для проверки возможностей системы TeRaNet по голосовой связи и передаче данных с вычислителей расхода газа, а также возможностей по решению задач телеметрии на линейной части газопроводов в конце 2003 года в одном из подразделений ДК «Укртрансгаз» был развёрнут пилотный проект системы в составе двух базовых станций. После тестирования системы в июле 2004 года были проведены межведомственные испытания, которые подтвердили её соответствие техническому заданию, стандартам предприятия и Госстандарту. Система показала себя как достаточно надёжное и гибкое средство для решения поставленных перед нею задач. В настоящее время ведутся работы по расширению пилотного проекта в том же подразделении ещё двумя базовыми станциями и развёртыванию многосайтовых систем в двух других подразделениях.
Поделиться новостью
Российская электроника
для ответственных применений
Задать вопрос