Промышленный интернет вещей, АСКУГ и «второе дыхание» контроллеров АПК «СТЕЛ» компании «Турботрон»
Г. Н. МАЩЕНКО – к.т.н., НПО «Турботрон»
Е. В. АНДРЕЕВ – директор ООО «Турботрон-Информ»
Внедрение технологий промышленного интернета вещей – IIoT (не путать с технологией интернета вещей!) направлено на повышение рентабельности производства. Предшественниками систем промышленного интернета вещей IIoT являются производственные системы телематики и телеметрии. Внедрение IIoT требует масштабной реконструкции инфраструктуры и чаще всего совмещается с реновацией производства. Решения должны поддерживать возможность частичной модернизации, сосуществование с элементами старой инфраструктуры. Они очень чувствительны к стоимости решения и имеют низкую скорость внедрения. https://rb.ru/opinion/iot-iiot-11-otlichij/
В нашем понимании «промышленный интернет вещей» (IIoT) – это совокупность принципов и отдельных технологий, подходов, позволяющих по различным каналам связи между центром (центрами) обработки и огромным количеством территориально распределенных источников информации (датчиков, вычислителей, электронных корректоров и т.п.), собирать и обрабатывать объемную измерительную информацию для решения задач АСУ ТП в реальном времени. Под территориальной распределенностью источников информации, мы понимаем такое расположение объектов контроля и центра сбора данных, при котором использование выделенных физических линий для сбора данных экономически нецелесообразен. Характеристики компонентов систем IIoT, лишь в совокупности позволяющих достичь синергетического эффекта и право на причисление к данному классу, имеют вполне конкретные признаки. Представим лишь ключевые из них:
- Использование относительно дешевых и надежных каналов связи;
- Возможность использования составных каналов связи, имеющих в оконечном звене (на стороне сервера) пакетный принцип приема/передачи (TCP/IP);
- В «последней миле» составного канала связи предпочтительно использование радио технологий, и особенно тех, которые позволяют оборудованию на объекте контроля функционировать при отсутствии внешнего питания – автономно в течение интервала времени достаточного для технологического процесса;
- Высокая интенсивность обновления значений измеряемых параметров, достаточная для задач решаемых конкретной АСУ ТП, соответствующая» реальному» для данного технологического процесса времени;
- Высокая степень защиты от искажений при передаче информации;
- Высокая степень защиты от несанкционированного вмешательства на всех этапах (от измерения до обработки);
- Возможность сбора данных с разнотипных источников информации;
- Унификация формата представления данных, полученных дистанционно от разнотипных источников;
- Использование современных технологий обработки больших массивов информации за приемлемое время-BigData, нейронных сетей и т.п.
«Кровеносной системой» любой АСУ ТП, включая и системы IIoT, является подсистема дистанционного сбора данных. Являясь производителями телеметрии для АСКУГ ООО «Газпром МРГ» и газотранспортных предприятий ПАО «Газпром» более 15 лет, хотим представить свою точку зрения на перспективы внедрения элементов IIoT в телеметрию АСКУГ.
Очевидно, что внедрение подсистем IIoT в АСКУГ ООО «Газпром МРГ» и соответственно в ЕИТП ПАО «Газпром» может выполняться поэтапно и параллельно. В данной статье коснемся именно подсистемы дистанционного сбора данных, построенной на базе АПК «СТЕЛ».
Cистема многофункциональной телеметрии АПК «СТЕЛ» составляет основу парка аппаратно-программных комплексов – телеметрии на базе GSM в АСКУГ ООО «Газпром Межрегионгаз» (более 33%), действующей в рамках ЕИТП «Газпром». Группа компаний «Турботрон» является разработчиком данного АПК.
Система создавалась с 2003г. на базе объектов ООО «Мострансгаз» (сейчас ООО «Газпром трансгаз Москва») в интересах Ростовского, Таганрогского, Брянского, Моршанского, Острогожского линейных управлений магистральных газопроводов, всех десяти ЛПУ ООО «Кавказтрансгаз» (сейчас ООО «Газпромтрансгаз Ставрополь»), а также заинтересованных Региональных газовых компаний ООО «Межрегионгаз» (ныне ООО «Газпром МРГ») в Ростове-на-Дону, Тамбове. Далее система была развернута в 27 региональных газовых компаниях ООО «Газпром МРГ» от Брянска до Кемерово, от Адыгеи до Вологды и еще нескольких газотранспортных и предприятиях ПАО «Газпром», охватывающих магистральными газопроводами запад, центр и юг России, включая добывающую компанию ООО «Газпром добыча Краснодар». После передачи Ростовского и Таганрогского УМГ в ООО «Газпромтрансгаз Краснодар» система была развернута еще и там. В 2006 были успешно проведены Межведомственные испытания АПК «СТЕЛ» комиссией ОАО «Газпром», в 2009 по инициативе ООО «Газпром трансгаз Саратов» и ООО «Межрегионгаз Тамбов» комиссией ОАО «Газпром» были успешно проведены дополнительные испытания отдельного функционала АПК «СТЕЛ». В 2013 комиссией ПАО «Газпром» успешно проведены испытания АПК «СТЕЛ» в версии для мониторинга газоконденсатных скважин газодобывающих предприятий с автономными контроллерами.
Принятые нашими разработчиками архитектурные решения при создании АПК «СТЕЛ» учитывали текущие потребности заказчиков, технологические возможности использования проводных и оптоволоконных каналов связи ОАО «Газпром», особенности и состояние коммуникационной инфраструктуры мобильных операторов связи в регионах.
Правильность и перспективность решений того периода нашло практическое подтверждение. До сих пор АПК «СТЕЛ» успешно эксплуатируется в большинстве из перечисленных компаний. В настоящий момент еще остается значительный запас прочности АПК, что позволяет эксплуатировать его достаточно продолжительное время. Во многом это обусловлено постоянным сопровождением программного обеспечения АПК «СТЕЛ» организациях специалистами группы компаний «Турботрон», техническим обслуживанием контроллеров сертифицированными организациями.
Однако, технический прогресс не стоит на месте. Если в начале нашего пути акцент ставился на надежность, тиражируемость решения и упрощение технической поддержки комплекса (иногда в ущерб интенсивности информационного обмена), то сейчас, с лавинообразным появлением новых современных технологий мобильной связи (2G, 2.5G, 3G, 4G, 5G) и ростом темпа распространения IIoT в производственных процессах, ситуация изменилась.
Ранее в основе коммуникационного взаимодействия между контроллером и диспетчерским центром выступал CSD канал передачи данных. Данный вид связи обеспечивался всеми мобильными операторами и практически везде. Использование GPRS во многих регионах, а тем более в глубинке была практически недоступным по техническим причинам, либо из-за тарификационной политики сотовых операторов на местах. Альтернатив CSD практически не существовало. Особенности CSD зачастую приводили к необходимости уменьшения частоты опроса контролируемых объектов вплоть до 1 раза в сутки. При этом в диспетчерских центрах необходимо было содержать модемные пулы из десятков модемов. И их количество неизменно возрастало. Расходы на связь соответственно также росли. Модемные пулы в свою очередь, являясь сложными техническими устройствами, требовали постоянного дополнительного технического обслуживания.
Оптимальное использование канала CSD независимо от оборудования базовых станций оператора и контроллеров телеметрии (с поддержкой от 2G до 5G) и требует специализированных настроек каждого из модемов в пуле и контроллере, в зависимости от типов опрашиваемых приборов, особенностей сотового оператора в зоне расположения объекта контроля и т.п. Поэтому, нужна и соответствующая квалификация обслуживающего телеметрию персонала.
Требование директивных документов ООО «Газпром Межрегионгаз» о необходимости сбора архивных данных расхода газа за «истекшие расчетные сутки» в течение часа после их закрытия выполнялись не всегда (УТР АСКУГ), соответственно и в ЕИТП ПАО «Газпром» данная информация попадала с задержкой. Само численное значение интервала «один час после закрытия расчетных суток», было обусловлено предельными на тот момент возможностями технологий. Таким образом, можно заключить, что использование канала CSD для передачи данных в системах дистанционного сбора данных при внедрении IIoT АСКУГ приемлемо лишь на переходном этапе, а в целом – препятствует этому процессу.
Несмотря на то, что (хотя и в тестовом режиме) в «столицах» уже запущены сети 5G, только сейчас настало время, когда в «глубинке» (при наличии сотовой связи) присутствует удобоваримый по качеству GPRS. Таким образом практически по всей территории, охваченной сетями мобильных операторов стала доступна пакетная передача данных по мобильным каналам.
К тому же тарифы на трафик пакетной передачи данных существенно оптимизирован. Появились перспективы использования NB IoT в сетях 5G и других низкоэнергетических технологий радиосвязи с заявленными параметрами, радующими клиентов (XNB, LoRa и им подобные).
Однако, коммуникационное оборудование многих контроллеров телеметрии «СТЕЛ», установленных до 2011г., несмотря на поддержку технологий пакетной передачи во многих комплектациях, позволяло использовать лишь статический IP адрес. Стоимость использования статического IP сводила на «нет» все достоинства пакетной передачи по сравнению с CSD и затрудняло использование пакетной передачи в АСКУГ региональных компаний. В итоге, эксплуатирующие организации выбирали именно CSD вариант использования контроллеров.
Использование динамического адреса IP, реализованное в отдельных линейках контроллеров «СТЕЛ», получило распространение лишь c 2011г., когда значительный объем контроллеров уже был установлен на объектах АСКУГ «Газпром МРГ». Но даже после этого эксплуатирующие организации зачастую использовали более привычную и понятную им технологию CSD, Использование динамического IP является наиболее приемлемым с точки зрения оперативности, стоимости и использования в IIoT.
В итоге, среди множества контроллеров «СТЕЛ», успешно эксплуатируемых в АСКУГ ООО «Газпром МРГ» c 2003 года, имеются значительная доля контроллеров, поддерживающих, либо только CSD, либо статический адрес IP.
Долгая, 16-летняя история внедрения и эксплуатации АПК «СТЕЛ» привела к тому, что в составе АСКУГ ООО «Газпром МРГ» контроллеры успешно функционируют до сих пор, но используют в основном канал передачи CSD, даже в случае доступности пакетной передачи данных.
Конечно же, развитие современных технологий связи и востребованность промышленных IIoT решений, облачных технологий и Big Data, побуждает наших заказчиков задуматься о замене контроллеров телеметрии АСКУГ в обозримой перспективе.
Однако процедура эта весьма дорогостояща и трудозатратна.
Учитывая большое количество, контроллеров нашего производства, установленных на объектах абонентов ООО «Газпром МРГ» и газотранспортных предприятий ПАО «Газпром» (около 20 000, включая KO-404 и КМФ «СТЕЛ Турбо» КС-234), мы видим альтернативу этому подходу.
Проведя анализ функций и структуры контроллера телеметрии АСКУГ, мы пришли к выводу, что даже с учетом перспектив реализации новой концепции ЕИТП «Газпрома» более рациональным по отношению к замене контроллеров является их модернизация.
Если рассматривать структуру контроллера, то явным образом выделяются две подсистемы. Одна отвечает за общение с оконечным измерительным оборудованием, другая, коммуникационный модуль – за общение с верхним уровнем.
Подсистема, отвечающая за нижний уровень, базируется на использовании проводного соединения контроллера с измерительным оборудованием. Однако на эту подсистему из-за особенностей эксплуатации приборов в газовой отрасли возлагаются еще и «нестандартные коммуникационные» задачи.
Решается вопрос взрывозащиты путем использования искробезопасных барьеров на сигнальных линиях. Также данная подсистема вынуждена решать и проблемы питания. Как минимум – это питание интерфейсов и внешних датчиков. В некоторых случаях для предотвращения разряда встроенных батарей опрашиваемого оборудования (вычислителей и корректоров) контроллер используется для их внешнего питания вычислителей расхода газа и электронных корректоров.
Требования к внешнему питанию различных приборов различаются, нередко они очень жесткие и также требуют решений обеспечения взрывозащиты.
Для подключения к одному контроллеру нескольких приборов учет, а также подключения к одному прибору учета нескольких различных терминалов помимо контроллера (например, для диагностики и обслуживания прибора учета) без демонтажа электрических соединений, в контроллер телеметрии встраивают коммутационные компоненты. Кроме того, контроллер содержит систему бесперебойного питания, обеспечивающую автономность его работы в течение нескольких часов.
И наконец, контроллер телеметрии, устанавливаемый во взрывоопасной зоне, изготавливается во взрывонепроницаемой оболочке.
Важно понимать, что эти задачи «нижнего уровня «никуда не исчезнут и их придется решать независимо от степени совершенства технологий связи с верхним уровнем, при создании контроллеров новых поколений для IIoT.
Таким образом, подсистема, отвечающая за общение контроллера с нижним уровнем, за решение задач коммутации и питания, наиболее весома, сложна и дорогостояща и в тоже время – менее всего нуждается в изменении. По результатам нашего опыта эксплуатации телеметрии АПК «СТЕЛ», именно эта часть значительно реже выходит из строя и может эксплуатироваться значительно дольше ресурса эксплуатации, паспортного указанного в инструкции по эксплуатации контроллеров АПК «СТЕЛ».
Что касается подсистемы коммуникации с верхним уровнем, то очевидно, что это именно та часть контроллера, для которой потенциально применимые технологии развивается значительно быстрее остальных его составляющих.
Если заменить, либо дополнить в контроллере именно эту «верхнюю» составляющую контроллера, то при относительно низкой стоимости данного мероприятия могут быть получены: существенное расширение его функциональных возможностей, продлении сроков эксплуатации, снижении расходов на связь и упрощения встраивания в IIoT решения!
Мы разработали техническое решение, позволяющее без демонтажа контроллера, силами эксплуатирующей организации провести модернизацию контроллеров «CТЕЛ» КО-404, КМФ «СТЕЛ Турбо» (КС-234). При этом количество операций при ее выполнении не велико, а сами они достаточно просты, однотипны и не требуют особой квалификации.
Особо следует отметить функционал, отвечающий за преобразование протоколов и форматов данных, поступающих от первичного измерительного устройства в центр обработки и хранения АСУ ТП. Он может быть реализован как внутри, так и вне контроллера (в серверной части). Каждый из подходов имеет свои плюсы и минусы. Во многом простота предлагаемого нами решения, обусловлена гибкостью архитектуры программной части АПК «СТЕЛ».
Первым шагом программы модернизации может быть установка «модернизационных комплектов» с поддержкой динамических IP и с функцией уникальной идентификации. По мере расширения инфраструктуры 5G сетей GSM может быть использован «модернизационный комплект», поддерживающее NB IoT и т.д. А в случае полного отсутствия мобильной связи можно использовать «модернизационный комплект», поддерживающий спутниковый канал.
При сохранении ранее существовавшего функционала, контроллеры после модернизации получат новые свойства:
- Возможность принимать запросы от нескольких независимых центров одновременно, а не последовательно для большинства типов приборов учета. Инициатор опроса не будет мешать «конкуренту». Не придется повторять операцию позже;
- Возможность увеличения (на порядок) интенсивности опроса контролируемых объектов. Например, можно часто (до минут) опрашивать текущие параметры без ущерба для опроса архивов;
- Пакетная передача данных не требует индивидуальных настроек модемов, обусловленных региональными особенностями настроек сети различных операторов, как это было при использовании CSD;
- Существенное снижение удельного расхода на связь;
- Автоматическое поддержание контроллером TCP/IP соединения и только со своим сервером;
- Возможность указания нескольких IP адресов серверов для обмена данными;
- Исключение несанкционированного TCP/IP соединения;
- Возможность дистанционно изменить настройки TCP/IP соединения в контроллере;
- Расширение потенциальной возможности передачи данных с коммерческих узлов учета в реальном времени через сервер «СТЕЛ» по протоколам интернета вещей в смежные системы, поддерживающие технологии SaaS, BigData и нейронных сетей.
Силами ООО «Турботрон-Информ» и обслуживающей организации МРГТ проведены успешные пилотные проекты по модернизации нескольких наиболее «проблемных» объектов АСКУГ в Ростовской области. Кроме того, в Тамбовской области были введены в эксплуатацию шесть модернизированных на нашем предприятии контроллеров КМФ КС-234М, которые уже полгода успешно эксплуатируются заказчиком.
КАКОВЫ ИТОГИ МОДЕРНИЗАЦИИ…
В исходном состоянии (до модернизации контроллеров) объекты опрашивались из диспетчерских центров по CSD через модемные пулы.
Для результативного опроса нескольких «проблемных» объектов (сервером в автоматическом режиме) выполнялись многократные повторы, «пожирающие» ограниченный ресурс модемных пулов. Это в свою очередь сказывалось на результатах опросов других, нормально функционирующих сотен объектов, и на общей картине в целом.
После модернизации контроллеров этих объектов данные стали поступать по каналу TCP (в данном случае GPRS) одновременно, при этом, не затрачивая модемных ресурсов и не мешая опросу остальных объектов.
Таким образом, заказчик имеет актуальные данные о мгновенном расходе, давлении, температуре газа, а также получает интервальные часовые данные архива по мере их формирования в приборе учета с минимальной задержкой.
Важно, что возможность использования CSD канала осталась и может использоваться для резервирования, либо дополнительной диагностики проблем оконечного оборудования. К типовой комплектации контроллера добавился дополнительный модуль.
Опрос прибора учета через модернизированный контроллер и специализированное серверное ПО может выполняться из нескольких независимых центров одновременно (ЛПУМГ, Региональная газовая компания, сервисный центр ООО «МРГТ»).
Модернизация контроллеров «СТЕЛ» предполагает два этапа.
- Установка «модернизационного комплекта» в корпус контроллера.
- Обновление программного обеспечения, конфигурирование объекта в центрах на серверах. При согласовании с заказчиком Возможны варианты с использованием облачного сервиса.
Модернизацию можно выполнять для КО-404 и КМФ «СТЕЛ Турбо» КС-234 непосредственно на объектах заказчика (силами сертифицированной обслуживающей организации). Существенно снизит затраты на проведение модернизации выполнение ее вместо ремонта.
В результате предлагаемой модернизации контроллеров «СТЕЛ» значительная часть АСКУГ «Газпром МРГ» может перейти на качественно новый технологический уровень IIoT без существенных затрат. При этом модернизации может выполняться поэтапно, обеспечивая сосуществованием с элементами старой инфраструктуры.
Дополнительными выгодами модернизации контроллеров для региональных компаниях ООО «Газпром Межрегионгаз» являются особые условия лицензирования ПО «СТЕЛ».
В соответствии с партнерскими отношениями ООО «Турботрон-Информ» и ООО «Эльстер Газэлектроника», региональным компаниям ООО «Газпром МРГ» в рамках договора сопровождения программного обеспечения АПК «СТЕЛ» (по текущему договору это 18 компаний) не требуется объектовых лицензий для узлов учета «Эльстер Газэлектроника». Таким образом, в этих региональных компаниях «Газпром МРГ» приборы учета данного производителя можно подключать к телеметрии «СТЕЛ» без дополнительного приобретения объектовых лицензий. Кроме того, пул высвободившихся объектовых лицензий можно использовать для других задач.
Не секрет, что приборы учета данного производителя занимают лидирующую позицию в газовой отрасли. Однако, несмотря на высокую надежность и хорошую информативность его коммуникационного протокола, время получения интервальных параметров из архива по каналам CSD достаточно велико. При необходимости актуализации данных учета в компаниях «Газпром МРГ» для десятков или сотен приборов ЕК-260 (270, 280, 290), их опрос может потребовать интервала времени, превышающего допустимый.
Модернизация контроллеров «СТЕЛ» позволяет успешно решить и данную проблему.
На техническом совещании ООО «Эльстер газэлектроника», ООО «Турботрон-Информ» и ООО «Газпроммежрегионгаз Ростов-на-Дону» в мае 2018г. была продемонстрирована высокая (на порядок выше обычной) оперативность опроса группы корректоров Ек-260 и ЕК-270 через модифицированные контроллеры КМФ КС-234.
Возможность считывания архивных данных с той же интенсивностью, с которой они формируются, позволяет минимизировать объем рассогласования баз данных прибора и телеметрии. Таким образом, объем периодически запрашиваемой информации может быть минимизирован, что существенно увеличивает вероятность своевременного получения в ЕИТП данных с узлов учета «Эльстер Газэлектроника».
Кроме того, в актуализированной версии АПК «СТЕЛ» в региональных компаниях «Газпром МРГ» появилась возможность считывания архивных отчетов корректоров газа «Эльстер Газэлектроника» по FTP.
Несмотря на архаичность данной технологии, она до сих пор востребована, а в некоторых ситуациях единственно возможна.
Для региональных компаний «Газпром МРГ» также может быть интересна программа абонентского обслуживания, инициированная ООО «Турботрон-Информ». Данная программа рассчитана на потребителей газа и др. владельцев приборов учета газа, заинтересованных в дистанционном просмотре информации со своего (своих) узла учета.
В случае заключения договора абонентского обслуживания о дистанционном сборе и обработке данных с узла коммерческого учета между потребителем газа и ООО «Турботрон-Информ», эти данные могут автоматически передаваться в региональные компании ООО «Газпром МРГ» в реальном времени. Таким образом, данные попадают и потребителю и в АСКУГ, но при этом региональные компании «Газпром МРГ» не будут нести никаких расходов ни на лицензии, ни на связь, ни на сопровождение телеметрии!!!
Статья в формате pdf →
- 346800, Ростовская обл.,
1-й км автодороги Ростов-на-Дону-Новошахтинск, стр. 8/7 - ☎ +7 (863) 303-09-10
- info@turbotron.ru
- turbotron.ru
