Канал связи для информационной системы учета нефтепродуктов

Для предприятий, деятельность которых связана с переработкой и хранением больших объемов нефтепродуктов, учет запасов нефти и ее производных является актуальной задачей. Во-первых, по данным учета нефтепродуктов принимаются решения об уменьшении или увеличении объемов поставок продукции нефтеперерабатывающего комплекса. Во-вторых, для управления технологическими процессами и своевременного обнаружения и устранения утечки опасного для окружающей среды вещества существует необходимость постоянного контроля объема нефтепродуктов в каждом подконтрольном резервуаре.

Разрабатываемая система относится к области радиотехники и предназначена для учета запасов нефтепродуктов на удаленных объектах, расположенных в зоне покрытия сети GSM. Объем оставшихся запасов нефтепродуктов в резервуарах рассчитывается по заданным размерам нефтехранилищ, уровню жидкости, измеряемому с помощью уровнемеров, показаниям расходомеров. Так как исследуемая среда является агрессивной и вязкой, и есть риск засорения или коррозии элементов прибора, для измерения уровня был выбран бесконтактный ультразвуковой метод. Точность и эксплуатационные характеристики ультразвукового метода измерения уровня наиболее полно соответствуют требованиям разрабатываемой системы.

На каждом удаленном резервуаре устанавливается микропроцессорное устройство с интерфейсами ввода информации от датчиков и вывода сигналов на исполнительные устройства. По протоколу UART к микропроцессорному устройству подключается GPRS-модем, который передает и принимает данные, устанавливая связь с общим удаленным диспетчерским компьютером.

На рисунке 1 представлена диаграмма развертывания языка UML проектируемой системы

Рисунок 1 – Диаграмма развертывания языка UML проектируемой системы.

Остановимся подробнее на выборе канала связи. Разрабатываемая система должна использовать беспроводной канал передачи данных, так как во многих случаях подвести проводные линии связи к объекту мониторинга либо чрезвычайно затруднено, либо невозможно физически.

Беспроводные каналы передачи данных широко применяются в системах мониторинга распределенных объектов. Это обусловлено простотой инсталляции и высокой надежностью радиочастотных систем передачи данных.

В промышленных системах мониторинга находят применения практически все стандарты беспроводной передачи данных. Ключевыми факторами, определяющие выбор того или иного беспроводного решения, служат:

– расстояние передачи данных и характеристики пространства;

– скорость передачи информации;

– требование совместимости с существующими стандартами;

– количество работающих устройств в сети.

Использование GSM/GPRS-канала связи для передачи данных в центр обработки данных (ЦОД) является оптимальным решением для разрабатываемой системы, в виду следующих преимуществ:

– неограниченный радиус действия (в пределах зон покрытия сетей GSM);

– открытый протокол АТ-команд или библиотека функций Java ME;

– безопасность передачи информации;

– высокий уровень стандартизации;

– относительно невысокая средняя стоимость оборудования;

– отсутствие необходимости получать лицензию на использование радиоканала.

Основой канала передачи данных является встраиваемый GSM/GPRS модуль TE-WISMO228, разработанный в ООО «Терраэлектроника» на базе GSM-модема WISMO228 компании Sierra Wireless (рисунок 2). Модуль дополнен специализированными алгоритмами обработки АТ команд, суть которых сводится к возможности настройки самостоятельного GPRS подключения к удаленному серверу и реализации «моста» с сервером со сквозным каналом передачи данных по последовательному интерфейсу. Среди преимуществ данного модуля можно выделить низкую стоимость, малые габаритные размеры, широкий диапазон напряжения питания (3,2–4,8 В) и низкий ток потребления в режиме ожидания 1,3 мА. Модем работает в четырех диапазонах GSM. Модуль WISMO228 содержит встроенный TCP/IP-стек, позволяющий работать с протоколами UDP и TCP. TE-WISMO228 имеет возможность подключения как к COM-порту ПК, так и к внешнему микроконтроллеру. Это облегчает знакомство с управляющими AT-командами с помощью терминальных программ.

Рисунок 2 – Встраиваемый модуль TE-WISMO228.

Стандарт GPRS обеспечивает пакетно-ориентированную архитектуру сети для эффективной передачи данных, что позволяет обеспечить постоянное во времени соединение абонента и удаленного сервера, недорогой доступ к сети интернет с системой оплаты не за время соединения, а за фактический объем переданной или полученной информации. В используемом канале связи применяется динамическая IP-адресация.

Динамический IP-адрес позволяет микропроцессорному устройству, подключенному к модему, периодически представлять отчет о текущем состоянии или исключительных ситуациях. В данном случае хост способен отвечать на клиентские запросы, но не может инициировать связь с клиентом. Модему присваивается динамический IP-адрес в Интернете, который периодически меняется при каждом подключении к хосту, поэтому клиентский модем необходимо идентифицировать отдельно при подключении к хосту. Метод, с помощью которого это происходит, специфичен по отношению к приложению или протоколу. Хост должен иметь фиксированный (статический) IP-адрес (или имя домена) в Интернете.

Если выбран тип соединения по TCP (Transmission Control Protocol), связь останется активной в течение всего времени подключения, даже при отсутствии потока данных. В случае UDP (User Datagram Protocol) по истечении периода отсутствия потока данных связь прервется, и модем больше не будет доступен для SCADA на хосте. Это означает, что удаленное устройство должно сообщать данные через определенные промежутки времени или по событию, а также, возможно, периодически осуществлять проверку необходимости связи. В этом случае требуется, чтобы в функционале устройства, соединенного с модемом, присутствовала возможность отправки строк инициализации модема для доступа к GPRS. Используя данный метод, можно передавать данные на множество хостов, меняя назначение IP-адреса в строке инициализации.

Для того чтобы определить возможности и характеристики проектируемого канала связи, а также оптимизировать выходные параметры системы, с помощью интерактивной среды моделирования и анализа динамических систем Simulink среды Matlab была построена и протестирована модель (рисунок 3), имитирующая работу канала связи.

Рисунок 3 – Модель, имитирующая работу канала связи в среде Simulink

Процесс функционирования модели можно представить в виде движения пакетов, генерируемых в подсистеме MU и проходящих последовательно все остальные блоки и подсистемы до тех пор, пока они не достигнут последней подсистемы Server, в которой происходит уничтожение пакетов и вывод их из модели.

Подсистема MU (микропроцессорное устройство) генерирует входной поток пакетов с заданным средним временем и распределением интервалов прихода. В подсистеме Queue (очередь) идет проверка на свободное место в очереди. Если она полна, то заявка уничтожается и считается число заявок, получивших отказ. Иначе заявка поступает в блок Modem, где реализуется имитация передачи пакетов данных в GPRS-сеть. По истечении времени передачи заявка попадает в подсистему GPRSCoreNetwork, где реализуется моделирование обработки пакета устройствами на стороне оператора GSM, со средним временем обслуживания &#;_об. Далее пакеты данных поступают в сеть Интернет-провайдера, работу которой имитирует подсистема InternetNetwork. Обслуженные заявки попадают в подсистему Server, в которой производится их уничтожение и вывод из модели.

В результате тестирования модели были выявлены проблемные места разрабатываемого канала связи, среди которых неприемлемое количество потерь пакетов данных при наличии большого количества обслуживаемых объектов и слабого сигнала GPRS, в этом случае необходимо оптимизировать входные параметры модели, среди которых, например, периодичность отправки пакетов данных, выбор уровня мощности для антенн GPRS-модема и т.д. Данные проблемы решаются уже в каждом конкретном случае отдельно, по реальным данным, индивидуально для каждого заказчика системы. В заключение можно сказать, что применение бюджетного модуля TE-WISMO228 позволяет организовать полноценный беспроводной канал связи для информационной системы учета нефтепродуктов при минимальных на это затратах.

Литература:

1. http://www.terraelectronica.ru
2. http://www.wireless-e.ru/articles/modems/2010_03_6.php
3. http://hostinfo.ru/articles/608/