Автономные средства телеметрии ООО «АКСИТЕХ»
в передовых технологиях автоматизации
ООО «АКСИТЕХ» – российская IT-компания с 15-летним опытом разработки и производства средств промышленной автоматизации от измерительных приборов до уровня диспетчерского контроля для ТЭК, ЖКХ и других сфер народного хозяйства. Собственное конструкторское бюро, завод телеметрического оборудования и департамент информационных технологий, расположенные на территории «Технопарка Слава» (Москва), позволяют создавать инновационные разработки и программные продукты для решения технологических и бизнес-задач наших заказчиков. Оборудование компании эксплуатируется на более чем 10000 объектов (80% из них – в газовой промышленности) Российской Федерации и стран ближнего зарубежья.
Предпосылкой создания автономных средств телеметрии послужило развитие микропроцессорной техники в середине 1990-х, тогда стало возможным производство полностью автономных приборов-вычислителей коррекции расхода газа на измерительных узлах. Появление в начале 2000-х годов глобальной системы беспроводной связи стандарта GSM, а именно – технологии передачи цифровой информации (вначале в виде коротких сообщений (SMS) и в голосовом канале (CSD), позже в пакетном режиме (GPRS)), позволило вывести на новый уровень развития средства телеметрии и телемеханики, в том числе и для газовой отрасли, в частности, для сетей газораспределения территориальных объектов.
Уже в тот момент сама идея создать автономный контроллер телеметрии без внешнего энергоснабжения для объектов газораспределения не была чем-то абсолютно новым.
В смежных отраслях промышленности автономные, а правильнее сказать, бортовые системы телеметрии уже нашли широкое применение, прежде всего – в аэрокосмической отрасли. Но в то же время существовала и своя специфика – уровень энергетики для обеспечения длительной автономной работы, например, комплекса телеметрии для ШРП, достаточно высок, а получение необходимой энергии, допустим, из газа – просто экономически неэффективно.
Таким образом, наметились два основных пути преодоления «энергетического голода» – это снижение энергопотребления самих средств телеметрии и внедрение новых типов источников электропитания.
Второй путь поначалу показался более практически реализуемым – уже появились так называемые альтернативные источники электроэнергии – солнечные батареи и ветрогенераторы. Да и в производстве аккумуляторных батарей наряду со свинцово-кислотными (SLA) начали использовать новые электрохимические соединения – появились никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (Ni-MH) элементы питания, которые уже больше отвечали потребностям телеметрических систем. В дальнейшем, опять же благодаря развитию индивидуальных средств беспроводной связи, проще говоря – мобильных телефонов и смартфонов, появились литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Po) батареи, которые почти не подвержены эффекту памяти (снижению емкости), что позволяет заряжать их в любое время и при этом не требует разряжать до конца. При этом они менее чувствительны к холоду по сравнению с другими типами. Но и в этом случае на первое место выходил экономический фактор – просто наращивать емкость батарей для обеспечения хотя бы необходимой автономности выходило накладно, а попытки использования солнечных батарей в большинстве случаев сталкивались с объективными сложностями при эксплуатации – это зависимость от внешних условий (освещенность, наличие осадков), а также так называемая «вандалопривлекательность».
Появление и распространение на коммерческом рынке микропроцессоров сверхнизкого энергопотребления позволило задействовать в полной мере первый путь – а именно, снижение собственного энергопотребления средств телеметрии. Стало возможно перейти на более низкое напряжение электропитания, что, в свою очередь, позволило реализовать очень важный параметр – применить вид взрывозащиты типа «искробезопасная цепь» непосредственно в контроллере телеметрии, без использования дополнительных средств обеспечения взрывозащиты, таких как барьер искробезопасности или взрывонепроницаемая оболочка.
Именно использование обоих принципов обеспечения автономности работы легло в основу разработки контроллера телеметрии КАМ200 компании «АКСИТЕХ». Уже 15 лет этот контроллер находится в серийном производстве, а общее количество оснащенных им объектов близится к 10000.
Основа контроллера – процессорный модуль КАМ200-10 (и его модификации -11 и -12) в настоящее время по-прежнему актуален и справляется с большинством задач телеметрии и телемеханики. Но компания не останавливается на достигнутом – требования к системам телеметрии и телемеханики все возрастают, причем даже в плане не технических составляющих, а все больше – эксплуатационных. Увеличивается перечень устройств, для подключения которых требуются цифровые интерфейсы, возникает необходимость подключать и разнотипные приборы, что, безусловно, усложняет программное обеспечение контроллера и его настройку на объекте. Идеальным видится полностью необслуживаемый объект с широкими возможностями настройки и удобством при проведении пусконаладочных работ.
Таким образом, был создан КАМ200-14, к которому предъявлялись следующие требования:
- вид взрывозащиты – «искробезопасная цепь»
- условия эксплуатации:
– температура окружающей среды – от -40°С до +60°С;
– относительная влажность – от 5% до 98% без конденсации влаги;
– атмосферное давление – от 84 до 106,7 кПа; - межповерочный интервал – не менее 4 лет;
- поддержка различных видов организации связи с уровнем управления, как проводных, так и беспроводных, включая перспективные – NB IOT, 5G и т. д.
- поддержка локального конфигурирования с помощью проводных (USB, RS-232/485) и беспроводных каналов связи – Wi-Fi, Bluetooth, NFC, NB-IoT и пр.
Рис. 1. Контроллер КАМ200-14 в составе комплекса телеметрии производства ООО «АКСИТЕХ»
Модульные контроллеры телеметрии →
Кроме того, контроллер должен быть полностью совместим с серийно выпускаемыми модулями расширения серии КАМ200 и обеспечивать возможность полноценной замены процессорного модуля КАМ200-10 на КАМ200-14 без доработок конструкции самого комплекса телеметрии, в котором размещается контроллер. В свою очередь, контроллер должен был поддерживаться уже установленным программным обеспечением (ПО) уровня диспетчерского управления системами телеметрии (СТМ) без необходимости его доработки, а только посредством настройки при помощи существующих инструментов.
Также при проектировании учтено обеспечение универсальности по существующим и перспективным видам беспроводной связи, поэтому в конструкцию электронной части заложена модульная структура, позволяющая варьировать интерфейсы и виды организации связи.
Назначение и количество интерфейсов, разъемов, индикации и кнопок:
- разъем питания Uвх 3,6…4,1 В – 2 шт.
- разъем USB-mini (для конфигурирования контроллера) – 1 шт.
- интерфейсы RS-232/485 (с программным переключением режима):
– с управляющим сигналом Tx(A), Rx(B), CTS, RTS, GND – 1 шт.
– без управляющих сигналов Tx(A), Rx(B), GND – 2 шт. - дискретные входы уровня 0…36 В с режимом счетчика до 10 кГц – 2 шт.
- SMA разъем GSM антенны – 1 шт.
- SMA разъем антенны Bluetooth / Wi-Fi – 1 шт.
- шина I2C КАМ – 1 шт.
- слот mini SIM-Card – 2 шт.
- светодиоды цветности RGB – 4 шт.:
– GSM – состояние регистрации в сети связи;
– Data – состояние процесса передачи данных;
– Alarm – наличие аварий и событий телеметрии;
– Mode – отображение режимов работы контроллера; - кнопки управления – 2 шт.:
– Reset – перезагрузка контроллера;
– User – пользовательская кнопка, ее назначение настраивает пользователь при конфигурировании контроллера. Например, активация Bluetooth, мгновенный выход на связь с диспетчерским уровнем (так называемым «верхним уровнем») и т. п.
Контроллер обеспечивает обмен данными с различными видами и типами приборов учета / вычислителей-корректоров расхода газа, подключенных по цифровым интерфейсам RS-232/485, причем, в отличие от устройств предыдущего поколения, на одном интерфейсном порту могут поддерживаться до двух разнотипных приборов и до пяти однотипных.
По аналогии с приборами предыдущего поколения для обеспечения пониженного энергопотребления контроллер предусматривает следующие режимы работы:
- «Глубокий сон» – режим с минимальным энергопотреблением, отключенными приемопередающими частями. Сеанс связи осуществляется только по контролю канала и/или наличию события/аварии;
- «Сон + Сеть» – режим пониженного энергопотребления с активированной приемной частью модема, позволяющий активировать сеанс связи с контроллером с помощью, например, голосового или CSD вызова (для GSM сети);
- «Онлайн» – режим с обычным энергопотреблением, в котором контроллер постоянно находится зарегистрированным в сети (LTE/3G/GPRS/ NB IoT или других, в зависимости от типа модуля связи). При этом контроллер постоянно доступен для инициативного вызова, удаленного подключения и имеет наименьшее время установления канала связи с «верхним уровнем».
Питание контроллера осуществляется от модулей питания серии КАМ200-00 различных исполнений. Для контроля остаточной емкости автономного элемента питания используется либо считывание данных с самого источника питания при наличии цифрового интерфейса, либо, при его отсутствии, косвенный метод – расчет ресурса батареи на основе среднестатистических данных о потреблении активированных компонентов (модулей) и времени работы (наработки).
По аналогии с контроллером КАМ200-10 реализовано резервирование каналов связи, а также режимов их работы. В качестве основного канала связи используется GPRS/3G/LTE на одной из SIM-карт с поддержкой автоматического переключения между SIM-картами в случае отказа какой-либо из них. В качестве резервного канала задействуется режим CSD – в этом случае оборудование «верхнего уровня» в свою очередь должно обеспечивать такую возможность, т. е. иметь GSM-модем или модемный пул с поддержкой данного режима связи.
Кроме того, в контроллере реализована поддержка так называемого «прозрачного» канала – т. е. организация и перенаправление потока данных между TCP/IP сокетом и последовательным портом RS-232/485, к которому подключен внешний интеллектуальный прибор. Таким образом, возможно проводить опрос и настройку прибора учета с использованием аутентичного программного обеспечения, например, терминальной программы СОДЭК для корректоров серии ЕК270/280 производства «Эльстер Газэлектроника».
Для обеспечения программной взаимозаменяемости с предыдущим поколением контроллер КАМ200-14 поддерживает работу с программой «Сервер ввода-вывода АКСИ.OPC», что обеспечивает интеграцию данных в системы диспетчерского управления в формате OPC DA/UA.
Также закладывается возможность одновременной работы с несколькими «верхними уровнями» для тех случаев, когда технически или организационно невозможно получать данные с единого сервера ввода-вывода.
Для поддержки модели единства измерений контроллер имеет встроенные часы реального времени, а помимо того, поддерживается автоматическая синхронизация часов с эталонным источником времени (NTP-сервер) не реже чем один раз в сутки.
Но, пожалуй, главное нововведение – это возможность самостоятельной разработки прикладного функционального программного обеспечения, так называемой «прошивки» контроллера. Эта возможность достигается с помощью специального программного обеспечения «КАМ200 Конфигуратор», которое устанавливается на рабочую станцию оператора.
Рис. 2. Экраны конфигуратора
Программа-конфигуратор предназначена для следующих процессов:
- первичное конфигурирование контроллера на этапе реализации проектного решения;
- назначение сигналов ввода-вывода, реализация логических связей и т. п.
- диагностика и отладка контроллера при проведении пусконаладочных работ;
- удаленное сервисное сопровождение программного обеспечения контроллера;
- общая отладка работы программно-аппаратной части контроллера.
Конфигуратор посредством графического интерфейса обеспечивает возможность настройки контроллера под задачу, формируемую пользователем, а именно:
- наполнение перечня опрашиваемых приборов и контролируемых параметров телеметрии;
- задание логики обработки сигналов и формирования управляющих воздействий;
- изменение настроечных параметров в соответствии с требованиями проектного решения и пользователя.
При этом максимально возможный объем информации о поддерживаемом контроллером функционале конфигуратор получает из самого контроллера с учетом его версии программного и аппаратного обеспечения.
Таким образом, обеспечивается выполнение следующих функций:
- локальное подключение к контроллеру по USB (тип: Virtual COM-port);
- удаленное подключение к контроллеру по транспорту TCP/IP (как на статический IP, так и на динамический IP с помощью специализированного ПО);
- удаленное подключение к контроллеру по CSD, Bluetooth, Wi-Fi (опционально);
- чтение из контроллера библиотеки поддерживаемых драйверов;
- чтение из контроллера текущей пользовательской конфигурации;
- редактирование пользовательской конфигурации:
– добавление/удаление драйверов внешних устройств;
– настройка связей между сигналами драйверов устройств;
– настройка перечня и структуры объектов информации, передаваемых на «верхний уровень»
– настройка перечня архивируемых контролируемых параметров;
– добавление комментариев и примечаний в конфигурации; - запись пользовательской конфигурации в контроллер;
- редактирование пользовательской конфигурации в автономном режиме (без подключенного к рабочей станции контроллера);
- сохранение конфигурационного файла кон-с возможностью последующей загрузки этого файла в другие контроллеры;
- чтение текущих значений информационных и настроечных параметров при подключении к контроллеру;
- редактирование настроечных параметров;
- чтение архивов и системных журналов;
- обновление системного и прикладного программного обеспечения контроллера;
- вывод диагностической информации о работе контроллера.
В основе логики работы конфигуратора лежит взаимодействие со специальными файлами, это:
- файл библиотеки драйверов;
- файл конфигурации, а также протокольное взаимодействие с контроллером по одному из поддерживаемых каналов связи.
Библиотека драйверов содержит информацию о версии программного и аппаратного обеспечения контроллера, а также описания шаблонов всех поддерживаемых драйверов внешних устройств и модулей расширения контроллера.
Файл конфигурации содержит перечень сконфигурированных пользователем экземпляров драйверов и полный модульный состав контроллера, согласно заданному проектом.
При подключении к контроллеру (через соответствующие элементы главного меню программы) становятся доступны следующие функции:
- чтение библиотеки драйверов с контроллера;
- чтение из контроллера и загрузка в контроллер файла конфигурации;
- запуск опроса текущих данных объектов информации;
- чтение архивов и журналов;
- перезагрузка контроллера.
Кроме того, некоторые функции при работе с конфигуратором могут осуществляться в автономном режиме без наличия подключенного контроллера: изменение подгруженной ранее конфигурации и создание новых конфигураций на основе подгруженной ранее библиотеки драйверов (из контроллера или файла на жестком диске).
Конфигуратор также осуществляет контроль совместимости пользовательской конфигурации и библиотеки поддерживаемых контроллером драйверов. При чтении с контроллера библиотеки поддерживаемых драйверов конфигуратор проверяет, соответствует ли подгруженная пользовательская конфигурация новой версии библиотеки драйверов. Если есть несоответствия, то пользователю выводится информация о несоответствии с вариантами выбора действия: обновить текущую конфигурацию до актуальной версии библиотеки драйверов (с удалением неподдерживаемых драйверов и связей), считать с контроллера его текущую конфигурацию или удалить вычитанный файл библиотеки драйверов и не обновлять перечень драйверов.
Контроллер обеспечивает возможность ведения в его энергонезависимой памяти кольцевых интервальных (по времени / по изменению значения) архивов по заданному в конфигурации набору объектов информации с фиксацией следующих параметров:
- метка времени;
- уникальный идентификатор объекта информации;
- значение параметров объекта информации;
- статус/достоверность параметров объекта информации.
Вычитка архивов, которые ведут приборы учета, производится драйвером соответствующего типа прибора. Обновление программного обеспечения контроллера обеспечивается как локально – через порт USB с помощью конфигуратора, так и удаленно, по расписанию или по команде с сервера обновления.
С целью обеспечения надежности работы контроллера предусмотрена возможность «отката» на предыдущую версию в случае неуспешной загрузки и установки обновляемого программного обеспечения. Для обеспечения самостоятельной диагностики работоспособности и сбора статистической информации в контроллере предусматривается следующий функционал:
- счетчики перезагрузок контроллера;
- контроль свободной и занятой памяти;
- контроль температуры прибора;
- сторожевой таймер с возможностью активации периодической перезагрузки контроллера;
- отладочная консоль с выводом диагностической информации в режиме реального времени;
- ведение системных журналов с фиксацией результатов работы основных процессов.
Несмотря на повышение требований к защите информации при реализации автоматизированных систем управления технологическими процессами в самом процессорном модуле КАМ200-14 не закладываются встроенные аппаратно-программные средства шифрования данных. Между тем, система защиты данных в контроллере присутствует и обеспечивается паролированием доступа к настройке контроллера, а также встроенной возможностью паролирования доступа к данным контроллера от программного обеспечения «верхнего уровня».
При необходимости обеспечения более высоких уровней защиты данных – в частности, для управления системами телемеханики – в составе комплекса телеметрии используется специализированный модуль криптозащиты КАМ200-80 со встроенным программно-аппаратным комплексом ViPNet SIES Core от компании «ИнфоТэкс». Его основное преимущество – возможность организации так называемой «выборочной криптозащиты», когда обеспечивается защита не всего потока данных обмена, но только критически важных, на пример, команды на управление оборудованием и/или запись настроечных параметров. Это снижает объем криптографических данных обмена и позволяет использовать методы шифрования в автономных системах управления.
Подводя итог, можно сказать, что новый процессорный модуль КАМ200-14 впитал в себя все наработки компании «АКСИТЕХ» за предыдущие 15 лет, а также пожелания заказчиков в лице проектных организаций и эксплуатирующих системы телеметрии предприятий.
На выставке НЕФТЕГАЗ – 2023, помимо линейки контроллеров телеметрии КАМ200, ООО «АКСИТЕХ» представит:
① Взрывозащищенные модули автономного питания КАМ200-00 разработки АКСИТЕХ, предназначенные для подачи искробезопасного автономного напряжения с номиналом 3,8 В на контроллер КАМ200, которые характеризуются низким саморазрядом, позволяющим использование в системах с периодом заряда до 1 года.
КАМ200-00 выпускается в 2-х вариантах исполнения:
- КАМ200-00 исполнение 3 – автономный перезаряжаемый источник питания, максимальная энергоемкость которого составляет 40 А•ч.
- КАМ200-00 исполнение 5 – автономный перезаряжаемый источник питания, максимальная энергоемкость которого составляет 64 А•ч.
КАМ200-00 исполнение 5 позволяет считывать данные о состоянии батареи (% заряда, ток, напряжение, кол-во циклов заряда/разряда) через искробезопасный интерфейс RS-485 и является электрооборудованием с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь» “ic” для применения во взрывоопасных газовых средах подгруппы IIВ температурного класса Т5, температурой самовоспламенения более 100°C. Модули имеют встроенный стабилизатор напряжения и схему защиты. Сохраняют работоспособность в температурном режиме от -40°С до +60°С благодаря использованию специального химического соединения. Отметим, что источники и модули автономного питания могут быть изготовлены с учетом индивидуальных технических заданий Заказчика.
Рис. 3. Модуль автономного питания КАМ200-00 исполнение 3
Батареи и источники питания →
② Газоанализатор метана КАМ200-97, сочетающий функции газоанализатора, сигнализатора и датчика температуры воздуха. Принцип действия КАМ200-97 основан на избирательном поглощении инфракрасных излучений молекулами газов в контролируемой рабочей зоне. Датчик обладает пониженным энергопотреблением и может использоваться как самостоятельный прибор в составе систем с автономным питанием.
Рис. 4. Газоанализатор метана КАМ200-97
Газоанализатор КАМ200-97 →
③ Датчик конечных положений герконовый ДКПГ с разъемным соединением, предназначенный для контроля положения подвижных элементов технологических агрегатов химической, нефтехимической, пищевой и других отраслей промышленности и выдачи электрического сигнала при достижении элементом контролируемого положения, т. е. выполнения функции конечного бесконтактного выключателя. Датчик выполнен на основе геркона и магнита. Геркон размещен во взрывонепроницаемой оболочке. Срабатывание происходит в контрольных точках (минимальном и максимальном расстояниях срабатывания). Может быть использован как средство контроля в составе системы блокировки агрегатов, предназначенной для создания локальных и распределенных систем противоаварийной защиты и сигнализации промышленного оборудования.
Рис. 5. Датчики конечных положений герконовые ДКПГ
Датчики конечных положений герконовые →
④ Облачную цифровую платформу Акси.SCADA (версия для локальной инсталляции), предназначенную для построения информационных и управляющих систем автоматизации бизнес-процессов газоснабжения, включая технологические процессы распределения и потребления природного газа.
Акси.SCADA – это целая экосистема программных решений для нужд не только поставщиков теплоэнергоресурсов, но и потребителей в лице промышленных предприятий, коммунально-бытовых хозяйств, населения, а также для подрядчиков исполнителей работ, производителей газового и сопутствующего оборудования, сервисных и обслуживающих организаций.
Целями создания, которой являются:
- Комплексная диспетчеризация, в перспективе объединяющая в одной системе все виды учета теплоносителей: водоснабжение, газоснабжение, электроснабжение и отопление с единым или распределенным центром управления;
- Повышение точности учета энергоносителей и сокращение затрат за счет планирования будущих платежей на основании перерасчета по количественным и качественным показателям расхода;
- Сокращение эксплуатационных потерь за счет своевременного обнаружения утечек и несанкционированного отбора теплоэнергоносителей;
- Оптимизация режима работы производства и занятости персонала;
- Повышение дисциплины потребления энергоносителей.
Акси.SCADA позволяет разрабатывать решения без профессиональных программистов и решать самые разные задачи цифровизации технологических процессов, быстро создавать масштабируемые типовые решения и облачные сервисы, которые отлично подходят для замены зарубежных информационно-управляющих систем, HMI-, SCADA- и MES-систем.
Рис. 6. Цифровая платформа Акси.SCADA
Дистрибьютором программного решения Акси.SCADA является ООО «АКСИТ» https://www.axiit.ru
Статья в формате pdf →
-
117246, Москва,Научный проезд, д. 19, этаж 5
☎ +7 (499) 700-02-22 - contact@axitech.ru
- www.axitech.ru
