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.

Еще раз о локальных беспроводных сетях ZigBee для систем АСУ ТП и АСКУЭ

В статье описывается переход от кабельных линий связи к беспроводным каналам передачи данных в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации. Предлагаемое решение основано на локальных беспроводных сетях ZigBee, развертываемых на базе модемов и коммуникационного ПО AnCom.

ООО «Аналитик-ТС», г. Москва

analitic_site.gif

Вступление

Предлагаемая вашему вниманию статья является переработкой статьи «Локальные беспроводные сети ZigBee: автоматизация зданий и промышленных объектов», опубликованной в № 6 журнала «ИСУП» за 2012 год [1].

Три года эксплуатации ZigBee-модемов AnCom RZ/B показали их востребованность и универсальность в различных системах АСУ ТП и АСКУЭ. Модемы активно применяются в нефте- и газодобыче, в системах водоочистки и водоснабжения на водоканалах, на узлах теплоучета и учета электроэнергии, в охранных системах, на железных дорогах, в системах управления освещением, в системах кондиционирования торговых и развлекательных комплексов, на заводах, в цехах, складах и аэропортах.

Что за эти три года появилось нового? В модемы AnCom RZ/B и коммуникационное ПО AnCom Server RZ добавлена и протестирована на реальных объектах поддержка больших сетей. Это означает, что в рамках одной ZigBee-сети стабильно работают каналы связи, организованные более чем сотней модемов.

Получена декларация о соответствии модемов AnCom RZ Техническим регламентам Таможенного союза (ТС) «О безопасности низковольтного оборудования» и «Электромагнитная совместимость технических средств».

Большую популярность набирает система AnCom Light/ZigBee для беспроводного управления промышленными, уличными или архитектурными светильниками через встраиваемые ZigBee-модули (подробнее см. на сайте компании «Аналитик-ТС» по адресу: www.ancom.ru).

Серийные варианты исполнения модемов AnCom RZ/B уже четвертый год стабильно позволяют решать практически любые задачи по созданию беспроводных каналов связи между различными объектами систем АСУ ТП и АСКУЭ. Поэтому статья 2012 года до сих пор не утратила своей актуальности и приводится в текущем номере почти без изменений.


Беспроводная связь в промышленности

Беспроводные технологии прочно укоренились в нашей повседневной жизни: Интернет мы подключаем через Wi-Fi, 3G и 4G, звук и периферию – через Bluetooth, пользуемся DECT- и GSM-телефонией. Отказ от проводов дает массу преимуществ: быстроту и легкость развертывания, реструктуризации и масштабируемости сетей, мобильность, уменьшение расходов на прокладку кабелей связи, общую эстетичность помещений, в которых больше не лежат спутанные провода.

Кроме того, применение беспроводных технологий позволяет развертывать сети передачи данных в местах, не предполагающих проведения кабельных работ, скажем, в силу особенностей конструкции, по соображениям безопасности, при отказе арендатора или по каким-либо другим причинам.

Разумеется, технологии беспроводной передачи обладают рядом недостатков, которые, однако, в той или иной степени устраняются в современных стандартах беспроводной связи.

Но если в повседневной жизни внедрение беспроводных технологий идет в ногу с техническим прогрессом, то в промышленности прокладка кабельных линий, несмотря на значительные материальные и временные затраты, до сих пор является основным способом обеспечения связи с удаленными объектами автоматизации и диспетчеризации.

Тем не менее беспроводная связь завоевывает все более прочные позиции и в этой сфере, во многом за счет совершенствования стандартов, а также благодаря своим неоспоримым преимуществам, которые в индустриальных системах автоматизации и диспетчеризации играют новыми красками. Полный отказ или сокращение числа кабельных линий, ведущих к контроллерам, датчикам, измерительным приборам и управляющим устройствам, значительно снижают временные и финансовые издержки на этапах проектирования, развертывания и эксплуатации сети. Масштабируемость и гибкость беспроводной сети существенно облегчают жизнь при реструктуризации промышленного предприятия и его расширении, в том числе при переезде.

Кроме того, именно в промышленности прокладка кабелей связи зачастую невозможна либо попросту лишена смысла: из-за больших расстояний между многочисленными объектами автоматизации, непреодолимых препятствий, сложностей, возникающих при получении разрешения на проведение земляных работ, из-за использования «путешествующих» по различным производственным площадкам передвижных или временных установок.


Стандарт ZigBee

Сегодня, если необходимо организовать доступ со стороны управляющего терминала к географически распределенным объектам (контроллерам, датчикам, измерительным приборам), единственная реальная альтернатива проводным каналам – сети сотовой связи. Управляющим терминалом, как правило, является сервер или персональный компьютер, подключенный к сети Интернет, в то время как удаленные объекты подключены к специализированным промышленным GPRS-модемам, формирующим GPRS-интернет-каналы связи с управляющим терминалом.

Для постоянной связи между двумя территориально удаленными объектами (радиоудлинитель) используется локальная сеть мобильного оператора; оба объекта подключаются к ней через GPRS-модемы [2].

Зависимость от капризов мобильных операторов и плата за трафик в этом случае – небольшая цена за оперативно развертываемую сеть на базе готовой инфраструктуры оператора сотовой связи с удаленным доступом к территориально разнесенным объектам.

Однако в условиях плотного расположения объектов автоматизации – в пределах завода, склада, промрайона, железнодорожной станции или порта – целесообразно использовать собственные локальные (персональные) беспроводные радиосети, не требующие платы за трафик.

Ситуация здесь схожа с нашим повседневным сетевым окружением: так же, как мы объединяем в единую сеть ноутбук, медиацентр, коммуникатор и даже телевизор по технологии Wi-Fi, можно, отказавшись от проводных каналов, связать между собой и с управляющим терминалом разнообразные контроллеры, датчики, измерительные приборы и управляющие устройства.

Конечно, Wi-Fi, как и Bluetooth, можно использовать в системах промышленной автоматизации, однако существует специализированный стандарт, изначально нацеленный на персональные беспроводные информационные сети в системах коммерческой, промышленной и домашней автоматики. Это стандарт IEEE 802.15.4 (ZigBee). В отличие от сетей сотовой связи общего пользования, ZigBee, так же как Bluetooth и Wi-Fi, является персональной радиосетью (табл. 1). При этом, работая на достаточных для систем промышленной автоматизации скоростях, ZigBee обеспечивает более высокую дальность передачи сигнала (до 90 м внутри помещений и до 4 км в зоне прямой видимости между соседними узлами), низкое энергопотребление, безопасную и надежную передачу данных [3].

Таблица 1. Преимущества ZigBee-сети в задачах промышленной автоматизации

Tab.1.png

Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она позволяет создавать беспроводные сети с ячеистой (mesh) топологией, то есть с автоматической ретрансляцией и маршрутизацией данных: даже если удаленные объекты автоматизации* «не видят» управляющий терминал** напрямую, канал связи будет проложен через соседние узлы сети (рис. 2, 3, 4, 5).

В стандарте ZigBee также устранены некоторые недостатки, свойственные беспроводной передаче в целом. Безопасность сети обеспечивается механизмами, закрывающими ее для добавления новых устройств, идентификаторами сети, а также надежными алгоритмами шифрации. Энергопотребление ZigBee-модулей – одно из достоинств стандарта: при развертывании сетей большого размера дополнительные затраты на расход энергоресурсов минимальны. Правовые аспекты использования беспроводного оборудования стандарта ZigBee также решены: определена*** допустимая мощность для персональных радиосетей на основе технологии ZigBee (2400–2483,5 МГц) – 100 мВт для применения внутри зданий, складских помещений и производственных территорий. Использовать ZigBee (100 мВт) вне помещений разрешено для сбора информации телеметрии в составе автоматизированных систем контроля и учета ресурсов или систем охраны. Пропускная способность стандарта является достаточной в сферах его применения (автоматизация производства и логистики, промышленная автоматизация технологических процессов (АСУ ТП), диспетчеризация в системах ЖКХ, коммерческий учет энергоресурсов (АСКУЭ), системы сигнализации и безопасности и т. п.).


Промышленные ZigBee-модемы AnCom

Полуфабрикаты в виде ZigBee-приемопередатчиков без программной поддержки процесса развертывания сети и маршрутизации потоков данных между объектами автоматизации и управляющим терминалом – не более чем любопытная игрушка для энтузиастов.

Компания ООО «Аналитик-ТС» (торговая марка AnCom), учтя печальный опыт российских и зарубежных коллег, предлагает законченное решение: технология развертывания локальной сети ZigBee и добавления новых узлов представлена в виде программно-аппаратного комплекса «ZigBee модемы AnCom (рис. 1) + программная поддержка технологии развертывания сети + утилиты для пусконаладки».

Ris.1.png

Рис. 1. ZigBee Pro-модем AnCom RZ/B:
крепление на DIN-рейку; диапазон температур: –40…+70 °C

Пользователю предлагается уже готовое решение, позволяющее не расходовать время и ресурсы на создание собственного инструментария обмена данными внутри сети (табл. 2).

Таблица 2. Преимущества ZigBee-модемов AnCom

Tab.2.png



Варианты построения ZigBee-сетей на основе решений AnCom

Решение вопросов поддержки различных объектов промышленной автоматизации и управляющих терминалов привело к появлению нескольких вариантов построения ZigBee-сетей на базе модемов AnCom.


Адресный доступ к объектам автоматизации со стороны диспетчерского ПО (ОС Windows)

Адресный доступ к объектам автоматизации со стороны диспетчерского ПО (например, SCADA) организуется комплектным программным коммуникационным сервером AnCom Server RZ (служба Windows, графический пользовательский интерфейс, маршрутизация потоков данных между интерфейсами удаленных объектов и TCP/COM-портами диспетчерского ПО, конвертер Modbus TCP – Modbus RTU, регистрация данных и событий в журнале, контроль соединения).

AnCom Server RZ позволяет автоматизировать процесс развертывания локальной беспроводной сети ZigBee. Для доступа к интерфейсам RS‑232 С/RS‑485 объектов автоматизации, а также для доступа к аналоговым и дискретным входам/выходам модемов‑маршрутизаторов по протоколу Modbus диспетчерскому ПО выделяются соответствующие TCP- или COM-порты (рис. 2).

Ris.2.png

Рис. 2. Адресный доступ к объектам автоматизации со стороны диспетчерского ПО (ОС Windows)

Подобная структура системы характерна для следующих задач:
- учет электроэнергии, воды, тепла и газа;
- диспетчеризация и мониторинг в системах ЖКХ (АСКУЭ, АСКУПЭ);
- удаленный контроль процессов и оборудования;
- мониторинг окружающей среды.


Адресный доступ управляющего контроллера к объектам автоматизации по Modbus RTU

Адресный доступ к объектам автоматизации (slave) со стороны управляющего Modbus-контроллера (master) обеспечивается встроенной в модем-координатор настраиваемой таблицей соответствия Modbus RTU и сетевых ZigBee-адресов. Modbus-пакеты адресуются как портам RS‑232 С/RS‑485 объектов автоматизации (slave), так и аналоговым и дискретным входам/выходам модемов‑маршрутизаторов. Данные от объектов автоматизации (slave) и аналоговых/дискретных входов модемов перенаправляются в управляющий контроллер (Master). Компьютер и коммуникационное серверное ПО не требуются (рис. 3).

Ris.3.png

Рис. 3. Адресный доступ управляющего контроллера к объектам автоматизации по Modbus RTU 
(master → 1…32 slave, неразрывные пакеты данных до 255 байт)

Подобная структура системы характерна для следующих задач:
- автоматизация производства и логистики;
- промышленная автоматизация технологических процессов (АСУ ТП);
- создание систем сигнализации и безопасности;
- создание систем отопления, вентиляции, кондиционирования;
- управление «умным домом».


Широковещательная ретрансляция данных из управляющего контроллера объектам автоматизации

Ретрансляция пакетов данных со стороны управляющего контроллера (master) всем объектам автоматизации (slave), подключенным к модемам-маршрутизаторам, обеспечивается модемом-координатором с прозрачным широковещательным доступом. Данные от объектов автоматизации (slave) перенаправляются в управляющий контроллер (master). Компьютер и коммуникационное серверное ПО не требуются (рис. 4).

Ris.4.png

Рис. 4. Широковещательная ретрансляция данных из управляющего контроллера объектам автоматизации 
(неразрывные пакеты данных до 84 байт)

Подобная структура системы характерна для следующих задач:
- автоматизация производства и логистики;
- промышленная автоматизация технологических процессов (АСУ ТП);
- создание систем отопления, вентиляции, кондиционирования;
- управление «умным домом».


Двухканальный адресный повторитель состояния контактов

Адресная ретрансляция состояний контактов ведущего устройства (master) ведомым объектам (1…32 slave), подключенным к модемам-маршрутизаторам, обеспечивается с помощью модема-координатора и настраиваемой таблицы соответствия (список маршрутизаторов в сети, которым ретранслируются состояния контактов). Компьютер и коммуникационное серверное ПО не требуются (рис. 5).

Ris.5.png

Рис. 5. Двухканальный адресный повторитель состояния контактов 
(master → 1…32 slave)

Подобная структура системы характерна для следующих задач:
- создание системы сигнализации и безопасности;
- управление «умным домом»;
- промышленная автоматизация технологических процессов (АСУ ТП).


Шлюзы удаленного доступа в сеть ZigBee

Если управляющий терминал установлен вне зоны покрытия ZigBee-сети и подключенный к терминалу модем-координатор не может «достать» до ближайших модемов‑марш­рутизаторов, целесообразно использовать шлюзование. В этом случае модем-координатор подключается к шлюзу, который, в свою очередь, организует канал связи с удаленным управляющим терминалом, реализуя доступ последнего в ZigBee-сеть:
- модем-координатор подключается к GPRS-модему AnCom RM для организации доступа в сеть ZigBee из удаленного управляющего терминала (ПК или сервер), подключенного к сети Интернет (статический публичный IP-адрес) (рис. 6);
- либо модем-координатор подключается к GPRS-модему AnCom RM для организации доступа в сеть ZigBee из удаленного управляющего терминала (управляющий контроллер), также подключенного к GPRS-модему AnCom RM (сим-карта со статическим локальным IP-адресом);
- либо модем-координатор подключается к роутеру локальной сети предприятия (через конвертер Ethernet/RS‑232 С) для организации доступа в сеть ZigBee из удаленного управляющего терминала, также подключенного к локальной сети по Ethernet или Wi-Fi (рис. 6);
- либо модем-координатор через конвертер RS‑232 С/Bluetooth устанавливает связь с управляющим терминалом (например, ноутбук или планшет) по каналу Bluetooth (рис. 6).

Ris.6.png

Рис. 6. Шлюз удаленного доступа в сеть ZigBee: подключение модема-координатора 
(пример для систем с адресным доступом к объектам автоматизации со стороны диспетчерского ПО Windows)

В системах с адресным доступом к объектам автоматизации со стороны диспетчерского ПО Windows используемое на диспетчерском компьютере или сервере коммуникационное ПО AnCom Server RZ поддерживает одновременную работу с несколькими ZigBee-сетями, причем с возможностью организации различных вариантов доступа к модемам-координаторам: как напрямую через COM (USB)-порт диспетчерского ПК, так и путем шлюзования через Ethernet либо сотовые сети связи – с помощью GSM-модемов.


Заключение

ZigBee-модемы AnCom в комплекте с ПО для развертывания и последующего расширения сети позволяют оперативно спроектировать и построить локальную беспроводную радиосеть в нелицензируемом диапазоне частот (бесплатный трафик), объединив разнесенные по территории завода, склада, промрайона, железнодорожной станции или порта объекты промышленной автоматизации: контроллеры, датчики, реле и управляющие терминалы. Технологические утилиты для пусконаладки, простота настройки, антивандальные внешние антенны, удобное крепление на DIN-рейку, встроенный адаптер первичного питания – все это также позволяет упростить процедуру инсталляции модемов AnCom, в том числе избежать нарушения производственного процесса.

Кабельные материалы расходуются лишь на то, чтобы подвести модемам питание. Уходит в прошлое масса проблем, связанных с проводкой и эксплуатацией кабельных линий связи: чрезмерные затраты и ошибки при прокладке кабеля между многочисленными объектами автоматизации, трудоемкие и путаные разводки и кроссировки, обслуживание и устранение обрывов, сложности при согласовании земляных работ и их проведении, непреодолимые препятствия, использование в системе «дрейфующих» передвижных/временных либо просто высоких установок, перепрокладка сетей при переезде или реструктуризации.

Сокращение кабельных линий связи на производственных площадках или полный отказ от них в пользу масштабируемых и гибких беспроводных ZigBee-сетей на основе решений AnCom значительно снизит временные и финансовые затраты на этапах проектирования, развертывания, эксплуатации и последующей модернизации сети.


Литература

1. А. Д. Яманов, Д. А. Алевский, А. Е. Плеханов. Локальные беспроводные сети ZigBee: автоматизация зданий и промышленных объектов // «ИСУП». 2012. № 6.
Дианов И., Яманов А. Комплексные решения по GPRS-связи в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации // «Беспроводные технологии». 2010. № 4.

2. А. Д. Яманов, Д. А. Алевский, А. Е. Плеханов. Технология развертывания локальных беспроводных радиосетей ZigBee в системах промышленной автоматизации и диспетчеризации // «ИСУП». 2011. № 6.

________________________
* Объекты автоматизации подключены к сети ZigBee через приемопередатчики типа «маршрутизатор».

** Управляющий терминал подключен к сети ZigBee через приемопередатчик типа «координатор».

*** Решение ГКРЧ от 19 августа 2009 г. № 09-04-07 (Приложение № 1).


Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(57)_2015

А. Д. Яманов, к. т. н., ведущий инженер группы проектов,
Д. А. Алевский, начальник группы аппаратной разработки,
А. Е. Плеханов, инженер-программист,
ООО «Аналитик-ТС», г. Москва,
тел.: (495) 775-6011,
e‑mail: info@analytic.ru