Журнал «ИСУП». (Информатизация и системы управления в промышленности)
ИТ, КИПиА, метрология, АСУ ТП, энергетика, АСКУЭ, промышленный интернет, контроллеры, экология, электротехника, автоматизации в промышленности, испытательные системы, промышленная безопасность

Развитие технологических радиосетей автоматизированных систем управления оросительными каналами на узкополосных радиомодемах

В настоящей статье представлена краткая информация о развитии технологических радиосетей управления и сбора данных на узкополосных радиомодемах диапазона ультракоротких волн (УКВ), используемых в интересах обеспечения функционирования автоматизированных систем управления (АСУ) системами орошения самотеком. Статья написана по материалам канадской компании Dataradio, ныне NextGen RF.

ООО «Независимый исследовательский центр перспективных разработок» (НЦПР), г. Москва

FlexLab_NCPR.png

Общая информация

скачать pdf >>

Самотечное орошение – система, позволяющая забирать и распределять во­ду для орошения на основе использования сил гравитации, обеспечивающих подачу оросительной во­ды только на подконтрольные источнику и оросительному каналу земли (Толковый словарь по почвоведению. Под редакцией А. А. Роде. М.: Наука, 1975).

Автоматизированная система управления оросительными каналами может рассматриваться в качестве ключевого элемента при формировании системы орошаемого земледелия. Именно такая система позволяет эффективно распределять и использовать водные ресурсы на обширных территориях, исключая серьезные потери и обеспечивая регулярность водоснабжения.

Основными элементами АСУ являются удаленные программируемые контроллеры (ПЛК), связанные с датчиками и исполнительными устройствами (шлюзовыми воротами и насосами – в тех местах, где полив производится с использованием дополнительных средств), а также специальное программное обеспечение, работающее на компьютерах единого пункта управления. Однако функционирование на обширных территориях с малой плотностью населения обусловливает сложности при объединении элементов такой АСУ в интегрированную систему.

Технологическая радиосеть управления и сбора данных УКВ-диапазона представляется идеальным инструментом для организации обмена данными в интересах функционирования АСУ оросительными каналами ввиду следующих оперативно-технических возможностей:
- рабочая зона, полностью перекрывающая район использования подключенных к радиосети оконечных устройств. Радиосеть может разворачиваться в любом районе или климатической зо­не и обслуживать систему практически любого масштаба (реально построенные технологические радиосети имеют оперативную зо­ну более миллиона квадратных километров);
- полная автономность и отсутствие необходимости сложного технического обслуживания и настройки в процессе эксплуатации. Средний срок эксплуатации составляет не менее 12 лет;
- гарантированная надежность1 работы (радиосеть создается и управляется ее владельцем с учетом его персональных требований к надежности функционирования);
- высокая живучесть2 радиосети в различной обстановке (требование к живучести закладывается на этапе проектирования радиосети ее владельцем и, как правило, оказывается вы­ше, чем в радиосетях общего пользования);
- применение детерминированных протоколов обмена данными, поддерживающих работу в реальном режиме времени и обеспечивающих гарантированную доставку данных в установленные регламентом работы радиосети сроки;
- относительно небольшое время доступа к каналу передачи данных, обеспечивающее незначительные и полностью приемлемые для любой автоматизированной системы управления оросительными каналами задержки в доставке данных;
- высокая безопасность данных, функционирующих в технологической радиосети (применяемые технологии позволяют реализовать защиту от подавления, перехвата или несанкционированного доступа к работе в составе технологической радиосети);
- относительно низкая стоимость эксплуатации;
- независимость от «чужой» инфраструктуры связи и возможность развивать ее, исходя из реальных требований (радиосеть принадлежит эксплуатирующей ее организации, параметры ее работы и оперативная зо­на могут изменяться ею самостоятельно);
- совместимость с разнородными исполнительными устройствами и оборудованием сбора и обработки данных по широко применяемым и детально отработанным интерфейсам;
- простота перемещения и оперативность развертывания в новом районе;
- возможность эксплуатации в жестких условиях окружающей среды.

Основными элементами технологической радиосети являются радиомодемы, устанавливаемые на удаленных объектах, к которым подключаются программируемые контроллеры, и базовые станции радиосети, обеспечивающие связь с удаленными радиомодемами на заданной территории. Часто в составе радиосети применяются ретрансляторы для расширения оперативной зоны.

Технические характеристики оборудования делают возможной работу радиосети на обширных территориях. Повторим, наиболее крупная из таких радиосетей, развернутая в лесном хозяйстве (близкая по техническим требованиям прикладная задача), охватывает сплошным покрытием площадь более миллиона квадратных километров, что превосходит потребности практически любой существующей или перспективной системы орошения.


Первая радиосеть обеспечения работы АСУ оросительными каналами

Первая технологическая радиосеть управления оросительными каналами была развернута в штате Калифорния (США) в начале 90-х годов прошлого столетия.

На момент развертывания АСУ оросительными каналами значительная часть сельских районов штата уже обслуживалась мощной ирригационной системой, состоящей из крупных акведуков и отводных каналов, питающих отдельные фермерские хозяйства. Помимо обеспечения водой каналы также использовались для периодической доставки на по­ля пестицидов и химических удобрений. На каждой подключенной к системе орошения ферме каналы бы­ли снабжены шлюзовыми воротами, позволявшими регулировать доставку во­ды в ручном режиме. Разработанный график подачи во­ды позволял доставлять химикаты на выбранные или все фермы. Это достигалось путем растворения химикатов в во­де в начале канала и своевременного открытия соответствующих задвижек на конкретных фермах. Выходные задвижки в конце канала предотвращали попадание химикатов в акведук. Общая схема системы орошения представлена на рис. 1.

Ris_1.png

Рис. 1. Общая схема системы орошения: Aqueduct – акведук; flow – направление движения воды; sluice gate control point (flow control/measurement) – шлюзовые ворота (управление напором и измерение расхода воды); head end control – верхние ворота; tail end control – нижние ворота; master control center – основной центр управления. Рисунок – из архива компании Dataradio

До развертывания АСУ управление оросительными каналами выполнялось в ручном режиме. Измерение объемов поступающей во­ды производилось путем помещения в во­ду поплавка и измерения скорости его движения. Открытие и закрытие ворот и задвижек осуществлялось вручную.

Технологическая радиосеть обеспечения АСУ оросительными каналами была реализована на радиомодемах APR. Технические характеристики радиомодема представлены в табл. 1.

Таблица 1. Технические характеристики радиомодема APR

Tab_1.png

В общей сложности в составе радиосети бы­ло использовано 15 таких устройств, работающих на скорости 4,8 кбит/с, электропитание которых бы­ло организовано от аккумуляторов и солнечных батарей.

Собственно АСУ была построена на программируемых логических контроллерах Modicon (в настоящее время – бренд Schneider Electric). Каждые шлюзовые ворота дополнительно бы­ли оборудованы уровнемерами.

В составе АСУ использовался протокол опроса (Modbus). Базовая станция передавала данные последовательно на каждый удаленный объект в заданном порядке. После получения сообщения удаленный ПЛК отправлял ответ в адрес базовой станции. Таким образом, базовая станция полностью контролировала работу радиосети и исключала возможность возникновения коллизий при обмене. Поскольку протокол Modbus использует собственную схему адресации, радиомодем APR работал в режиме широковещательной передачи с отключенной встроенной адресацией. Передача подтверждения средствами радиомодема также бы­ла отключена, поскольку эта функция выполнялась каждым ПЛК.

Экономическая эффективность применения АСУ оросительными каналами оказалась настолько велика, что в отрасли появились крупные инновационные компании, специализацией которых стало развитие таких систем.


Современная технологическая радиосеть обеспечения работы АСУ оросительными каналами

Одна из наиболее современных технологических радиосетей обеспечения работы АСУ оросительными каналами развернута в настоящее время в центральной части штата Калифорния в районе Сан Хоакин Вэллей (San Joaquin Valley) в составе одной из крупнейших систем орошения самотеком, возраст которой насчитывает более 100 лет. Данная система оросительных каналов функционирует на площади в 29 000 гектар и снабжает водой около 2800 фермерских и 700 домовых хозяйств.

Развернутая АСУ обеспечивает управление работой двух оросительных каналов протяженностью 10 и 17 км, 30 водосборных бассейнов и 94 индивидуальных водоотводов. Радиосеть построена на радиомодемах Viper SC+ 100, технические характеристики которых представлены в табл. 2.

Таблица 2. Технические характеристики радиомодема Viper SC+ 100

Tab_2.png

Благодаря техническим характеристикам современных радиомодемов функциональные возможности АСУ оросительными каналами существенно расширились за счет применения IP-протокола, позволяющего дистанционно управлять работой радиосети и производить настройку оборудования. Система мониторинга технического состояния оборудования радиосети обеспечивает повышение ее надежности за счет своевременного выявления предпосылок к сбоям в работе и контроля текущего технического состояния радиотехнической аппаратуры в реальном масштабе времени.

В радиомодеме (начиная с версии встраиваемого программного обеспечения v3.4) реализован эффективный режим энергосбережения. Данный режим работы позволяет снизить энергопотребление в 3,5 ра­за (с 350 до 98 мА) при питании от источника постоянного то­ка номинальным напряжением 13,8 В. С помощью встроенной программы можно перейти в режим работы с пониженным энергопотреблением с задержкой не более 0,5 с и выйти из не­го с номинальной задержкой 2 с.

Такие характеристики позволяют эффективно использовать радиомодем в составе АСУ оросительными каналами, где электропитание оборудования от солнечных батарей и аккумуляторов является стандартом де-факто, совместно с любыми программируемыми контроллерами, имеющими номинальное потребление не менее 130 мА и пусковой ток не менее 700 мА. В настоящее время вышеуказанные радиомодемы являются штатным компонентом серийно выпускаемого оборудования для орошения и современных АСУ оросительными каналами.
_________________________
1Надежность (англ. reliability) – свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и транспортирования [ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения»].
2Живучесть (англ. survivability) – свойство системы, характеризуемое способностью выполнять установленный объем функций в условиях воздействий внешней среды и отказов компонентов системы в заданных пределах [ГОСТ 34.003-90 «Автоматизированные системы. Термины и определения»].

Опубликовано_в журнале ИСУП № 4(94)_2021

С. А. Маргарян,
заместитель генерального директора,
главный конструктор,
ООО «Независимый исследовательский
центр перспективных разработок» (НЦПР), г. Москва,
тел.: +7 (499) 113-2698,
e-mail: sm@flexlab.ru,
сайт: flexlab.ru



Реклама. ООО «НПО РИЗУР»   ИНН 6234114269  LjN8KASZz

Реклама. ООО «НПО РИЗУР»   ИНН 6234114269  LjN8KASZz