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

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].

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».

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

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).

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).

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).

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).

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).

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