В статье приведен обзор промышленных модемов PROMODEM GSM с аккумуляторным или батарейным питанием – для беспроводного опроса географически распределенных контроллеров, счетчиков, модулей ввода/вывода, а также любых Modbus-устройств через интернет, доступ в который предоставляют сотовые операторы. Модемы с аккумулятором подходят для объектов с повышенными требованиями к стабильности связи и механизмам резервирования. Автономные модемы с батарейным питанием – для объектов, к которым не подведены сети электропитания: это магистральные трубопроводы, водохранилища, реки, скважины, затапливаемые камеры и колодцы, а также подвалы и подъезды в жилых домах и офисах.
ООО «Аналитик-ТС», г. Москва
Принцип работы GSM-модемов: проброс RS‑485/RS‑232-порта устройства на объекте до ТСР-порта программы опроса
В настоящей статье описаны решения для беспроводного опроса контроллеров или счетчиков, удаленных друг от друга и от диспетчерского центра на километры либо расположенных в условиях плотной городской застройки. И при этом размещенных на объектах со спецификой питания:
- питание есть, но нестабильно, и в модеме требуется резервный аккумулятор для обеспечения бесперебойного опроса подключенного к нему оборудования;
- питание отсутствует, поэтому для опроса установленного на объекте автономного тепловычислителя или расходомера требуется также автономный (батарейный) модем.
Представленные в статье промышленные модемы PROMODEM GSM обеспечивают опрос подключенных к ним счетчиков или контроллеров через сети операторов сотовой связи GPRS/3G/NB-IoT.
Подключение устройства на объекте осуществляется через интерфейс RS‑485 или RS‑232 к винтовым/нажимным клеммникам модема (рис. 1). К одному модему можно подключить сразу два разных устройства, например счетчик электроэнергии по RS‑485 и тепловычислитель по RS‑232, для их одновременного независимого опроса из диспетчерского центра. При этом к интерфейсу RS‑485 модема можно подключить до 32 однотипных устройств.
Рис. 1. Подключение контроллера АСУ ТП (RS‑485) и измерителя входного напряжения (RS‑232) к 2‑интерфейсному модему PROMODEM GSM‑485-232‑AC-UPS со встроенным аккумулятором
Требование к диспетчерскому центру, как правило, заключается в наличии статического (неизменного) публичного IP-адреса, чтобы все модемы системы могли подключиться к программе опроса через интернет. Модем PROMODEM GSM автоматически подключается к IP-адресу диспетчерского центра и пробрасывает порт RS‑485 или RS‑232 счетчика или контроллера на объекте до ТСР-порта программы опроса (рис. 2).
Рис. 2. Опрос удаленного Modbus-контроллера, подключенного к модему PROMODEM GSM, диспетчерской программой по TCP/IP через интернет
Ваша диспетчерская программа может одновременно опрашивать весь парк устройств системы по отдельным ТСР-подключениям – так, как будто удаленные счетчики или контроллеры подключены к компьютеру напрямую отдельными «воздушными» кабелями RS – TCP. Прозрачность этих беспроводных каналов связи позволяет осуществлять двусторонний обмен данными между оборудованием и программой его опроса так же, как и при проводном подключении, используя любые проприетарные или универсальные протоколы, например Modbus.
В качестве диспетчерских программ могут выступать любые SCADA-системы, программы для учета энергоресурсов АСКУЭ, программный комплекс «АДКУ‑2000+» и любые другие программы, способные опрашивать соответствующее оборудование по TCP/IP.
Если к модему подключены сразу два устройства (RS‑485 и RS‑232), то каждое из них опрашивается независимо по своему отдельному TCP-порту: например, счетчик электроэнергии – программой АСКУЭ, а контроллер – через SCADA.
Модемы со встроенным аккумулятором для объектов с повышенными требованиями к стабильности связи
Существуют системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), в которых критически важно иметь постоянный онлайн-доступ к распределенной сети контроллеров, счетчиков или Modbus-модулей. Такие системы зачастую характеризуются постоянным опросом оборудования и не допускают длительного пропадания связи с объектами.
В качестве примеров подобных объектов можно привести:
- станции управления кустами скважин на нефтяных и газовых месторождениях;
- системы автоматики на предприятиях химической промышленности;
- узлы аварийного электроснабжения в медицинских учреждениях (дизельные электростанции, источники бесперебойного питания);
- системы контроля показателей качества электроэнергии (ПКЭ).
Чтобы обеспечить бесперебойный опрос этих объектов в режиме реального времени, требуются промышленные GSM-smart-модемы с многоуровневым резервированием. Модем PROMODEM GSM-485-232-AC-UPS автоматически подключается к IP-адресу диспетчерского центра, не требуя для этого внешнего управления AT-командами со стороны счетчика или контроллера. Процесс подключения стартует сразу после включения модема с установленной сим-картой.
Промышленное исполнение модема PROMODEM GSM‑485-232‑AC-UPS позволяет просто и оперативно ввести его в эксплуатацию на объекте (рис. 3):
- удобный монтаж модема благодаря встроенному креплению на DIN-рейку;
- встроенный блок питания (БП) с гальваноразвязкой для прямого подключения модема к сети ~220 В;
- защита от скачков напряжения обеспечивается широким диапазоном БП: 85…264 В AC;
- удобное и надежное подключение счетчика/контроллера, а также кабелей питания через клеммники под винт;
- автономная работа модема и автоматическая подзарядка встроенного аккумулятора на низких температурах от –40 до +60 °C.
Рис. 3. Промышленный модем PROMODEM GSM‑485-232‑AC-UPS с двумя независимыми портами RS‑485 + RS‑232 для подключения оборудования разного типа и встроенным ИБП на несколько часов автономной работы; температура эксплуатации – от –40 до +60 °C, крепление на DIN-рейку (увеличить изображение)
При возникновении сложностей на различных этапах подключения к диспетчерской модем автоматически задействует встроенные механизмы резервирования (рис. 4):
- перейдет на питание от собственного аккумулятора при пропадании на объекте ~220 В, отправив при этом аварийные СМС-сообщения диспетчеру и работникам службы эксплуатации;
- будет работать в автономном режиме до 24 часов, поддерживая связь диспетчерской с подключенным к модему оборудованием (которое также должно иметь собственный автономный источник питания);
- в любом случае выйдет в интернет, переключившись на вторую сим-карту резервного оператора, если не получается зарегистрироваться в сети оператора основной сим-карты;
- 3G-версия модема PROMODEM 3G-485-232-AC-UPS может работать как в GPRS-, так и в 3G-сетях операторов сотовой связи;
- в случае аварии или блокировки счета у основного интернет-провайдера диспетчерской модем подключится к серверу по IP-адресу резервного интернет-провайдера (при наличии такового);
- при восстановлении основного канала связи (сим-карта или IP-адрес) модем автоматически переключится на него обратно;
- при восстановлении ~220 В модем переключится обратно на первичное питание, оповестит об этом сотрудников по СМС и приступит к подзарядке аккумулятора.
Рис. 4. Автоматический переход модема PROMODEM GSM‑485-232‑AC-UPS на резервный аккумулятор, резервного GSM-оператора или на IP-адрес резервного интернет-провайдера для гарантированного подключения к серверу (увеличить изображение)
После установки соединения модем PROMODEM GSM‑485-232‑AC-UPS постоянно контролирует целостность канала связи и при обнаружении обрыва автоматически переподключается к диспетчерскому центру, обеспечивая постоянный доступ к счетчику или контроллеру со стороны вашей программы опроса. При возникновении нештатных ситуаций модем автоматически перезагружается благодаря независимым сторожевым таймерам, защищающим его от зависаний.
Автономные модемы с батарейкой для объектов без питания
Существуют системы с узлами учета и контроля, к которым не подведены сети электропитания, причем расположены они, как правило, на открытой местности или во влажных и даже затапливаемых помещениях. Оборудование на таких объектах зачастую представлено автономными (батарейными) расходомерами, контроллерами или газовыми корректорами, требующими диспетчеризации со стороны центрального сервера. Это могут быть узлы учета и контроля:
- расхода и давления нефти на сетях магистральных трубопроводов, промежуточных нефтеперекачивающих станциях, точках отбора нефти и пунктах поддержания пластового давления;
- давления газа в начале и конце участка, на пути транспортирования, на выходе с промысла и на отводах к газораспределительным станциям;
- режимов закачки газа в подземные хранилища, отбора газа постоянными и буферными потребителями (рис. 5);
- режимов компрессорных станций.
Рис. 5. Подключение автономного газового корректора к батарейному модему PROMODEM GSM‑125.00 М для периодического опроса из диспетчерской через интернет сотового оператора
Чтобы обеспечить удаленный опрос этих объектов из единого диспетчерского центра, требуются полностью автономные модемы, причем желательно уличного исполнения. Промышленные модемы PROMODEM GSM-125.00М (рис. 6) оснащены батарейным питанием, имеют степень водозащиты IP65 и могут по расписанию подключаться через GPRS-интернет к IP-адресу диспетчерского центра – для создания временных каналов связи. Доступны варианты модема, работающие в современных сетях NB-IoT.
Рис. 6. Автономный промышленный модем PROMODEM GSM‑125.00М с двумя портами RS‑485 + RS‑232 для подключения оборудования разного типа, степенью защиты IP65 и батареей на несколько лет автономной работы; температура эксплуатации – от -40 до +70 °C
Как и в случае с модемом, имеющим аккумуляторное питание, модем PROMODEM GSM‑125.00М с батарейным питанием как бы пробрасывает «воздушный кабель» RS – TCP: от интерфейса автономного расходомера, контроллера или газового корректора на объекте до TCP-порта программы опроса в диспетчерской. Но делает это по расписанию, находясь основную часть времени в спящем режиме.
Таким образом, ваша диспетчерская программа несколько раз в день/неделю/месяц получает временный беспроводной TCP-доступ к оборудованию, подключенному к интерфейсу RS‑485 / RS‑232 автономного модема PROMODEM GSM‑125.00М. После непродолжительного опроса канал связи разрывается до следующего сеанса и модем PROMODEM GSM‑125.00М уходит в режим пониженного энергопотребления, обеспечивая до 5 лет автономной работы от одной батареи.
Помимо интерфейса RS‑485 / RS‑232 для подключения автономного расходомера, контроллера или газового корректора модем PROMODEM GSM‑125.00М оснащен набором дискретных входов, к которым можно подключить датчики затопления, а также открытия двери шкафа или крышки люка (рис. 7). При срабатывании датчика модем, не дожидаясь выхода на связь по расписанию, мгновенно просыпается и отправляет аварийные СМС- или e‑mail-сообщения на телефоны диспетчера и сотрудников службы эксплуатации.
Рис. 7. Дополнительное подключение к модему PROMODEM GSM‑125.00М датчика открытия люка PROMODEM 942.12: надежный рабочий ход удлиненного пружинного триггера исключает ложные срабатывания при проезде машин или неаккуратном монтаже люка
Пусконаладка модемов PROMODEM GSM: диагностика на объекте и в диспетчерской
Оперативная диагностика этапов соединения модема PROMODEM GSM с диспетчерским центром осуществляется на объекте по информативной светодиодной индикации. Подробную диагностику этапов соединения модема можно вывести в текстовом виде через USB-порт модема на компьютер или ноутбук (рис. 8): сотовый оператор, уровень GSM-сигнала, регистрация в GPRS, а также факт подключения к IP-адресу сервера.
Рис. 8. Диагностика на объекте: при подключении ноутбука к USB-порту модема в программу настройки PROMODEM GSMConfig выводятся этапы соединения модема с диспетчерской
Это позволяет оперативно выявлять возможные причины отсутствия соединения модема с диспетчерским центром:
- испорчена или заблокирована сим-карта;
- низкий уровень GSM-сигнала на объекте (требуется перенос антенны);
- закончились средства на счете;
- не настроены или заблокированы TCP-порты на сервере.
При запуске программы настройки и диагностики PROMODEM GSMConfig на диспетчерском компьютере пользователю доступна индикация и статистика подключения всех модемов системы к серверу (рис. 9):
- цветовая индикация показывает наличие или отсутствие связи с модемом, а инструменты фильтрации обеспечивают сортировку списка модемов по статусу подключения или по адресу объекта;
- счетчик числа переподключений показывает, сколько раз за день модем отключался от сервера, и позволяет оценить качество радиообстановки на объекте;
- счетчик времени без связи дает возможность выявить модемы, которые подолгу не могут подключиться к диспетчерскому центру;
- наиболее проблемные модемы подсвечиваются дополнительно;
- отображается статистика за текущий день, предыдущие три дня, а также суммарная статистика за все время наблюдений;
- программа пишет файлы логов подключений по всем модемам системы.
Рис. 9. Диагностика в диспетчерской: индикация и статистика подключений модемов PROMODEM GSM к серверу в программе настройки и мониторинга PROMODEM GSMConfig
Пусконаладка модемов PROMODEM GSM: выбор внешней антенны
Модемы PROMODEM GSM оснащены разъемом для подключения внешней антенны. Выбор антенны определяется особенностями монтажа модема на объекте (табл. 1):
- при размещении модема в металлическом шкафу требуется выносная антенна с плоским дном для установки на крышку шкафа (на магните или врезная);
- в подвальных помещениях с низким уровнем сигнала рекомендуется выносить антенну наружу и крепить на кронштейне к внешней стене здания;
- установленным в камерах и колодцах батарейным модемам подойдет выносная антенна с классом защиты от проникновения воды IP68.
Таблица 1. Антенны GSM-диапазона для различных типов монтажа модемов PROMODEM GSM (увеличить изображение)
Опубликовано в журнале ИСУП № 6(96)_2021
А. Д. Яманов, к. т. н., руководитель группы проектов,
ООО «Аналитик-ТС»: PROMODEM®, AnCom®, г. Москва,
тел.: +7 (495) 775-6008,
e mail: support@promodem.ru
сайт: promodem.ru
_big.jpg'); "4(106)_small.jpg")
