SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Технология развертывания локальных беспроводных радиосетей­ ZigBee в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации


В статье описывается технология развертывания mesh-сетей ZigBee с автоматической ретрансляцией передаваемых данных для систем учета, телемеханики и телеметрии – на основе полнофункциональных ZigBee Pro-модемов. В качестве иллюстраций к материалу прилагаются решения AnCom.

ООО «Аналитик-ТС», г. Москва

analitic_site.gif

Что такое ZigBee


ZigBee/IEEE 802.15.4 – открытый глобальный стандарт локальных (персональных) беспроводных радиосетей в нелицензируемом частотном диапазоне. Основное предназначение этого относительно нового для российского рынка средства организации радиоканала обмена данными – построение беспроводных сетей объектов автоматизации и диспетчеризации.
Решением ГКРЧ от 19 августа 2009 г. № 09-04-07 (Приложение № 1) определена допустимая мощность для персональных радиосетей на основе технологии ZigBee (2400–2483,5 МГц) в 100 мВт для использования внутри зданий, складских помещений и производственных территорий. Использование ZigBee (100 мВт) вне помещений определено для целей сбора информации телеметрии в составе автоматизированных систем контроля и учета ресурсов или систем охраны.

pic1.jpg

Рис. 1. Сеть топологии mesh, построенная на основе полнофункциональных устройств («маршрутизаторов») с поддержкой автоматической ретрансляции данных

В отличие от сетей сотовой связи общего пользования ZigBee, так же как и Bluetooth и Wi-Fi, является персональной радиосетью (табл. 1). При этом, работая на относительно небольших скоростях, ZigBee обеспечивает более высокую дальность передачи сигнала, низкое энергопотребление, а также формирует самоорганизующуюся и самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) структуру покрытия (рис. 1).

Табл. 1. Характеристики персональных беспроводных радиосетей

tabl1.jpg


Изначально при разработке стандарта ориентировались на системы охранно-пожарной сигнализации и управления инженерными сетями «умного дома», что предопределило невысокие скоростные характеристики передачи данных ZigBee-устройств: на практике – порядка 40 кбит/с. Основной упор был сделан на малое энергопотребление, высокую надежность и безопасность, дальность передачи сигнала, а также возможность организации сложных сетевых структур.


Применение ZigBee

Стандарт ZigBee предназначен для объединения в единую локальную беспроводную сеть удаленных объектов промышленной автоматизации, управления, мониторинга и диспетчеризации [1]. Сети ZigBee могут найти и уже находят применение во многих областях учета и телемеханики: автоматизация жилых и строящихся помещений, промышленное управление и мониторинг, жилищно-коммунальное хозяйство, управление освещением, создание индивидуального диагностического медицинского оборудования, а также бытовая электроника и персональные компьютеры.
Способность ZigBee-сетей к масштабируемости без какого-либо вмешательства в работу устройств, быстрой переконфигурации сети по мере добавления в нее новых узлов, организации передачи данных через узлы-ретрансляторы с высокой степенью надежности, поддержке сложных сетевых топологий – все это открывает новые возможности для автоматизации и диспетчеризации удаленных объектов.


Топология «mesh» ZigBee-сетей

Главная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети типа «кластерное дерево», а также ячеистую топологию (mesh) – с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений (рис. 1).
Для построения mesh-сетей используются два типа логических устройств ZigBee: «координатор» и «маршрутизатор»*. «Координатор» осуществляет формирование сети, управление узлами, а также хранит информацию о настройках каждого узла, подсоединенного к сети; в локальной сети ZigBee используется только один узел-«координатор». К «маршрутизаторам» подключается оконечное оборудование данных (ООД); кроме того, они отвечают за выбор пути доставки сообщений между узлами сети, а также способны присоединять новые узлы.
При построении сети ZigBee с использованием «координатора» и «маршрутизаторов» реализуется полноценная mesh-сеть, в которой каждый узел сети участвует в процессе доставки данных и способен присоединять новые узлы (рис. 1).
Доступ к узлам сети осуществляется через «координатор», подключаемый к управляющему компьютеру напрямую через COM-порт либо через шлюзы (например, GSM или Ethernet).
Топология mesh основана на децентрализованной схеме организации сети. Это сетевая топология, в которой устройства объединяются многочисленными избыточными соединениями, вводимыми по стратегическим соображениям:
- высокая степень надежности (устойчивость сети к потере отдельных элементов);
- узлы сети выполняют функции маршрутизаторов/ретрансляторов для других узлов этой же сети в автоматическом режиме;
- выбор наилучшего с точки зрения скорости передачи данных маршрута прохождения сигнала;
- масштабируемость сети в режиме самоорганизации;
- создание зон сплошного информационного покрытия большой площади: территория покрытия разделяется на зоны, число которых не ограничено.


Узел mesh-сети ZigBee

Что же должны представлять собой узлы mesh-сети ZigBee? Каким образом должен выглядеть процесс построения сети и добавления новых узлов? Как осуществить стыковку диспетчерского программного обеспечения с интерфейсами ООД? Ответы на эти вопросы должны давать производители модемов – устройств связи для организации каналов передачи данных между ООД и диспетчерским ПО. Для успешного развертывания локальной беспроводной сети в системах учета или телемеханики подобные устройства должны иметь:
- промышленное исполнение;
- поддержку режимов работы «маршрутизатор» и «координатор»;
- возможность организации доступа в mesh-сеть ZigBee через «координатор» напрямую с диспетчерского ПК, или через Ethernet, или GSM-шлюз;
- стандартизированные интерфейсы подключения оконечного оборудования данных (ООД) и датчиков телесигнализации (ТС);
- коммуникационное серверное программное обеспечение для организации адресного доступа диспетчерского ПО к интерфейсам ООД и входам телесигнализации модема;
- программный комплекс для обеспечения процесса автоматизированного развертывания mesh-сетей ZigBee;
- комплект настроечных утилит для пусконаладки и диагностики модема.
Рассмотрим подробнее технологию развертывания локальных беспроводных сетей на базе ZigBee модемов с учетом предъявляемых к ним требований.


Промышленные ZigBee-модемы

Итак, что же должны представлять собой узлы mesh-сети ZigBee? Это модемы в промышленном исполнении, построенные на базе ZigBee-модулей, оснащенные последовательным интерфейсом подключения ООД, а также дискретными входами для подключения датчиков телесигнализации (рис. 2).

pic2.jpg

Рис. 2. ZigBee Pro-модем AnCom RZ/B. Крепление на DIN-рейку. Диапазон температур: -40…+70 °C

Построение сетей с топологией mesh предполагает использование модемов на базе полнофункциональных модулей ZigBee, поддерживающих режимы работы «координатор» и «маршрутизатор». Причем для обеспечения максимально возможной дальности передачи сигнала и простоты развертывания сетей большого размера необходимо использовать модули стандарта ZigBee Pro.
Наличие стандартных последовательных интерфейсов подключения к ООД, входов телесигнализации для подключения охранно-пожарных датчиков, а также встроенный в модем адаптер первичного питания с поддержкой широкого диапазона питающих напряжений – позволит адаптироваться к практически любой структуре распределенной сети, разнородному парку объектов промышленной автоматизации, управления, мониторинга и диспетчеризации.
Использование модемов в промышленных условиях выдвигает требования по исполнению устройства: крепление на DIN-рейку, RP-SMA соединитель со штыревой частью разъема для подключения внешней антенны, работа в широком температурном диапазоне.
Наличие светодиодной индикации значительно облегчает процесс пусконаладки оборудования, а также диагностику и устранение неисправностей в сети.
Для обеспечения уверенного приема необходима внешняя ZigBee-антенна с высоким коэффициентом усиления и малым затуханием в кабеле (рис. 3). Она должна обеспечивать работу в условиях влажного помещения, иметь антивандальное исполнение и прочное крепление.

pic3.jpg

Рис. 3. Внешний вид антенны ZigBee ANT 2496

Основные характеристики антенны ZigBee ANT 2496:
- диапазон частот 2400…2483 МГц;
- коэффициент усиления 2,0 дБи;
- длина кабеля 0,45 м;
- крепление на металлический шкаф учета, монтажный щит или кронштейн.


Унификация интерфейсов

В системах учета и диспетчеризации, как правило, необходимо обеспечить диспетчерскому программному обеспечению удаленный доступ к большому количеству объектов автоматизации: счетчикам, датчикам, контроллерам, регуляторам и т.п. То есть, по сути, организовать множество прозрачных каналов обмена данными «ООД – диспетчерское ПО».
Такой канал представляет собой совокупность определенных элементов: «маршрутизатор» на стороне ООД, «координатор», шлюз доступа в сеть ZigBee с диспетчерского ПК, а также программный коммуникационный сервер (табл. 2).

Табл. 2. Состав прозрачного канала обмена данными

tabl2.jpg

Коммуникационное серверное программное обеспечение является обязательным связующим звеном между ZigBee-модемами и диспетчерским ПО. Наличие у производителя модемов оригинального серверного ПО значительно упрощает процесс развертывания локальных беспроводных ZigBee-сетей, позволяя не затрачивать время и ресурсы на создание собственного инструментария обмена данными с узлами сети.
Подобная организация обмена данными между ООД и диспетчерским ПО предопределяет необходимость:
- унификации интерфейсов на передающей и приемной сторонах канала (рис. 4):
- на стороне узла учета – унификация интерфейсов подключения модемов к ООД: чаще всего речь идет о поддержке модемом самых распространенных типов промышленных интерфейсов – RS-232 и RS-485;
- на стороне диспетчерского пункта – унификация подключений коммуникационного серверного ПО к диспетчерским программным приложениям: стыковка по TCP- или COM-портам;
- организации доступа в сеть ZigBee с диспетчерского ПК:
- соединение с «координатором» напрямую через COM-порт (RS-232);
- доступ к «координатору» через локальную сеть предприятия по технологии Ethernet;
- доступ к «координатору», подключенному к GPRS/EDGE модему, по сети Internet.

pic4.jpg

Рис. 4. Узел учета («маршрутизатор», оконечное оборудование данных и датчики телесигнализации) и диспетчерский пункт («координатор», коммуникационное серверное и диспетчерское ПО) на базе решений AnCom

Варианты доступа в mesh-сеть ZigBee

Доступ в mesh-сеть осуществляется через узел – «координатор», при реализации автоматизированного рабочего места в зоне покрытия ZigBee-сети «координатор» подключается непосредственно к ПК на диспетчерском пункте.
Однако при наличии нескольких mesh-сетей на ограниченной площади (например, в пределах завода или предприятия), «координаторы» каждой из них могут быть подключены к локальной сети предприятия для организации доступа в каждую из сетей из единого диспетчерского пункта (рис. 6).
Объединение разрозненных mesh-сетей для управления и мониторинга географически распределенных систем учета из единого диспетчерского пункта по сети Internet осуществляется с использованием каналов передачи данных сотовых сетей связи. Адресный доступ к модемам mesh-сетей ZigBee по GSM-каналу осуществляется с помощью ZigBee/GSM-шлюзов, реализованных, например, в виде соединенных между собой «координатора» и GPRS/EDGE-модема (рис. 5). В этом случае к GSM-модемам предъявляются повышенные требования по организации надежного и безопасного канала связи с диспетчерским пунктом [3].

pic5.jpg

Рис. 5. ZigBee/GSM-шлюз.ZigBee-«координатор» AnCom RZ/B + GSM-модем AnCom RM/S

Также необходимо обратить внимание на наличие поддержки коммуникационным серверным ПО одновременной работы с несколькими mesh-сетями, причем с возможностью организации различных вариантов доступа к «координаторам»: как напрямую через COM-порт диспетчерского ПК, так и путем шлюзования через Ethernet либо сотовые сети связи – с помощью GSM-модемов.

pic6.jpg

Рис. 6.
Варианты доступа в mesh-сеть на основе ZigBee-модемов AnCom RZ/B


Программная поддержка процесса развертывания ZigBee-сетей

Основной причиной невысокой распространенности ZigBee-решений на рынке промышленной автоматизации, на наш взгляд, является отсутствие поддержки процесса развертывания сетей. Сами-то радиомодули есть и продаются, но программная поддержка построения распределенных систем автоматизации и диспетчеризации на их основе в большинстве случаев отсутствует.
Тем не менее технология развертывания сети и добавление новых узлов должна быть представлена непосредственно производителями модемов – в виде программно-аппаратного комплексного решения «ZigBee-модемы + программный коммуникационный сервер + технологические утилиты для тестирования и настройки» (рис. 7).

pic7.jpg

Рис. 7. Программный коммуникационный сервер и набор технологических утилит AnCom.Полный автоматизированный цикл развертывания mesh-сетей ZigBee и организация прямого адресного доступа ко всем узлам сети (модемам AnCom RZ/B)

Задачей программного коммуникационного сервера является в общем случае:
- создание канала связи с «координатором» напрямую или через шлюзы (например, GSM или Ethernet);
- разрешение или запрет на добавление новых узлов в сеть (для предотвращения несанкционированного ввода в сеть новых устройств);
- сканирование ZigBee-устройств в зоне покрытия;
- привязка конкретного модема, оснащенного уникальным идентификатором, к определенному узлу системы (модем ID №XXXXX = дом № 5, этаж 3);
- занесение обнаруженных в процессе сканирования модемов в конфигурацию программного коммуникационного сервера;
- поддержка диспетчерского программного обеспечения, работающего по TCP- или COM-портам;
- настройка адресного доступа диспетчерского ПО к интерфейсам подключенного к модемам ООД и охранно-пожарных датчиков; в отличие от широковещательного адресный доступ позволяет обеспечить оперативный обмен данными с ООД при минимизации времени доставки данных и нагрузки на сеть;
- вывод информации о состоянии подключений (контроль соединения на TCP-портах).
Для работы в системах, использующих протокол Modbus, коммуникационным сервером должна быть предусмотрена возможность конвертации Modbus TCP – Modbus RTU. Доступ к входам телесигнализации модемов также должен быть организован по протоколу Modbus.
Система журналирования событий должна регистрировать и сохранять: поток передаваемых данных, тип, дату и время возникновения событий, локализацию событий (адрес и порт) – с возможностью просмотра в режиме реального времени потока событий и передаваемых данных либо сохраненного файла журнала.
Процесс пусконаладки модемов непосредственно на местах инсталляции также должен сопровождаться программной поддержкой – технологическими утилитами для:
- изменения идентификатора персональной сети (PAN ID) для ввода модема в локальную ZigBee сеть;
- чтения сетевых параметров модема:
-- канал, используемый для обмена данными между узлами сети;
-- 64-битный идентификатор персональной сети, используемый при присоединении устройств к сети;
-- назначаемый «координатором» 16-битный идентификатор персональной сети, используемый при обмене данными между узлами сети;
- чтения технологических параметров модема;
- сохранения и восстановления сетевых параметров модема;
- сканирования соседних узлов сети в пределах видимости: физические и сетевые адреса, идентификаторы модемов;
- анализа целостности передаваемых данных между узлом сети и диспетчерским пунктом в дуплексном и полудуплексном режимах.


Порядок развертывания mesh-сети ZigBee

Рассмотрим последовательность развертывания локальной беспроводной сети учета энергоресурсов на базе ZigBee-модемов AnCom RZ/B, коммуникационного серверного ПО AnCom Server RM и набора технологических утилит AnCom для сопровождения процесса пусконаладки модемов на узлах учета.
Отгружаемые предприятием-изготовителем «маршрутизаторы» и «координатор» для формирования персональной радиосети поставляются полностью настроенными. Таким образом, процесс пусконаладки системы удаленного учета сводится к выполнению выездными монтажными бригадами (условное обозначение ***) и администратором диспетчерского пункта (условное обозначение +) следующих действий.
1. Организация доступа в сеть ZigBee с диспетчерского ПК:
(***) Организация доступа к «координатору» AnCom RZ/B (с установленной внешней антенной ZigBee ANT K2496) с диспетчерского ПК. Варианты подключений:
- подключение «координатора» к ПК напрямую через COM-порт;
- подключение «координатора» к роутеру местной локальной сети через адаптер RS-232/Ethernet;
- подключение «координатора» к GPRS/EDGE-модему AnCom RM/S для организации доступа по сети Internet.
(+) Настройка доступа коммуникационного серверного ПО AnCom Server RM к «координатору». При организации доступа в сеть через ZigBee/GSM-шлюз – настройка подключения публичного статического IP-адреса на диспетчерском пункте.
2. Последовательная инсталляция «маршрутизаторов» AnCom RZ/B: начиная с ближайших к «координатору» узлов учета и заканчивая самыми отдаленными. Для каждого узла учета выполняется:
(***) подключение выездными монтажными бригадами «маршрутизатора» AnCom RZ/B к ООД и охранно-пожарным датчикам сигнализации, подключение внешней ZigBee-антенны ANT K2496, подача питающих напряжений;
(***) для поверхностного визуального контроля работы модема в сети используется светодиодная индикация: режима работы, уровня сигнала, обмена данными;
(+) автоматизированный ввод каждого нового узла сети в состав программного коммуникационного сервера AnCom Server RM:
- настройка адресного доступа диспетчерского ПО к аппаратному интерфейсу ООД и датчикам сигнализации на узле учета;
- установление соответствия между идентификатором модема и наименованием узла учета в системе (модем ID № XXXXX = дом № 5, этаж 3);
(***) проверка целостности приема и передачи данных модемом с помощью технологических утилит из комплекта поставки – для формирования протокола сдачи монтажной бригадой выполненных пусконаладочных работ по каждому узлу учета.
3. Настройка диспетчерского программного обеспечения:
(+) ввод параметров подключения к коммуникационному серверному ПО AnCom Server RM;
(+) специфические настройки в соответствии с особенностями используемого диспетчерского ПО и развертываемой системы учета.


Заключение

ZigBee – перспективный энергосберегающий стандарт локальных беспроводных радиосетей, работающих в нелицензируемом частотном диапазоне. Передача данных с помощью ZigBee Pro-модемов на характерных для систем учета, диспетчеризации и телемеханики скоростях осуществляется на расстояния до 4 километров в зоне прямой видимости.
Для успешного развертывания самоорганизующихся и самовосстанавливающихся ячеистых (mesh) структур покрытия больших площадей с автоматической ретрансляцией передаваемых данных для систем учета или телемеханики необходимо применять ZigBee Pro-модемы, способные работать в режимах «маршрутизатор» и «координатор». Промышленное исполнение модемов должно обеспечивать поддержку разнородного парка объектов за счет применения стандартизированных интерфейсов подключения ООД и датчиков телесигнализации.
Полный автоматизированный цикл развертывания mesh-сетей ZigBee и организация прямого адресного доступа диспетчерского ПО ко всем узлам сети должна поддерживаться программным коммуникационным сервером, а также комплектом пусконаладочных утилит.
В случае невозможности организации автоматизированного рабочего места диспетчера в зоне покрытия ZigBee-сети, а также при объединении разрозненных mesh-сетей для осуществления управления и мониторинга географически распределенных систем из единого диспетчерского пункта необходимо предусмотреть возможность шлюзования через Ethernet либо сотовые сети связи с помощью GSM-модемов.


* Применение в сети третьего типа логических устройств, т.н. «оконечных устройств» – на основе ZigBee-модулей с ограниченным набором функций, не имеющих возможности ретранслировать данные или присоединять новые узлы, характерно для систем охранно-пожарной сигнализации или «умный дом». Однако в системах учета и телемеханики, на наш взгляд, целесообразно построение полноценных mesh-сетей, что предопределяет использование только «маршрутизаторов» и «координатора».

Литература

1. Дианов И., Пронин Д., Яманов А. M2M коммуникации без проводов. GSM и ZigBee решения AnCom//Коммерческий учет энергоносителей: Материалы XXXI научно-практической конференции. СПб., 2011.
2. Агафонов Н. Технологии беспроводной передачи данных ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi//Беспроводные технологии. 2006.
3. Дианов И., Яманов А. Комплексные решения по GPRS-связи в системах промышленной автоматизации и диспетчерзации//Беспроводные технологии». 2010.


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 6(36)_2011

А.Д. Яманов, к.т.н., менеджер по продукции;
Д.А. Алевский, инженер-схемотехник;
А.Е. Плеханов, инженер-программист;
ООО «Аналитик-ТС», г. Москва,
тел.: (495) 775-6011,
e‑mail: info@analytic.ru
www.analytic.ru