Как указано в статье Д.А. Гусева «Модернизация системы телеметрии узлов учета газа», в начале работы системы АСКУГ производители систем телеметрии применяли технологию GSM/CSD. Рассмотрим некоторые недостатки данной технологии, а также основные досто
Важнейшим элементом сети телеметрии является организация скоростной, надежной и экономичной связи между измерительными приборами и пунктом сбора и обработки данных или, условно говоря, сервером. Сервером здесь для краткости называется тот компьютер, который первым получает переданную с узла информацию и выполняет какую-то первичную обработку: сохраняет в файлы или в базу данных и т.д. То есть сервером является и автономный ноутбук или планшетник, с помощью которого по кабельному или беспроводному соединению читают или записывают данные на месте расположения измерительного комплекса.
На практике узлы учета и редуцирования газа могут размещаться как поблизости от сервера, так и на значительном расстоянии от него. В зависимости от удаленности УУГ, а также от требований к оперативности, достоверности, экономичности и другим для передачи информации применяют те или иные технические варианты организации каналов связи.
В настоящее время наблюдается широкий спектр способов организации каналов связи. Разнообразие технологий усугубляется применением различных комбинаций сред передачи сигнала, стандартов связи физического уровня и программных протоколов передачи данных. В одной статье невозможно охватить весь спектр современных технологий. Здесь дается лишь краткий обзор наиболее популярных видов каналов (способов связи), используемых сегодня для телеметрии в региональных системах газоснабжения. Вот список видов каналов:
Радиоканалы малого радиуса действия и беспроводные персональные сети используются главным образом в бытовом секторе учета газопотребления. В данной статье эти решения не рассматриваются.
При небольших расстояниях от УУГ до сервера могут использоваться проводные соединения: кабель с оптическим интерфейсом (до 3 м); кабель RS-232 (до 50 м); кабель RS-485 (до 1200 м). Все реже применяются коммутируемые телефонные линии — проводной канал с использованием аналоговых модемов: несмотря на условно не ограниченное расстояние от УУГ, к недостаткам относится не всегда высокое качество этого вида связи, а главное — сама необходимость в наличии выделенной телефонной линии. Технология Ethernet популярна в промышленных сетях, однако ее использование ограничено территориями, оснащенными специальными компьютерными инфраструктурами.
Одновременно с развитием и постепенным удешевлением сотовой связи массовое распространение в сетях телеметрии получили беспроводные соединения по стандарту GSM: CSD и GPRS. Для связи с УУГ по GSM не требуется кабель — требуется только GSM-модем и достаточный уровень сигнала.
В 2000-х годах — в начальный период развертывания АСКУГ — многие производители оборудования УУГ оснащали СТМ GSM-модемами и реализовывали связь по технологии GSM/CSD, разрабатывая собственные программные протоколы верхнего уровня. Зона покрытия CSD совпадает с зоной покрытия GSM, которая к настоящему моменту охватывает подавляющее большинство населенных территорий страны. Наряду с территориальной доступностью, к преимуществам технологии можно отнестилегкость организации канала связи: кроме пары модемов с подключенной услугой и простой связной программы как будто бы ничего больше и не нужно. Причем сеанс CSD, подобно голосовой мобильной связи, автоматически получается двусторонним: возможно не только считывать технологические параметры, но и передавать управляющие команды, например для записи настроек в оборудование УУГ. CSD-трафик имеет более высокий приоритет, чем GPRS: при критической загрузке сотовой сети отключается сначала GPRS-трафик, потом SMS и последним — голосовой и CSD. Кроме того, передача данных в сеансе CSD энергетически экономичнее, чем GPRS.
После массового внедрения технологии в сетях телеметрии постепенно выявляются все недостатки GSM/CSD. Начать с того, что надежность передачи всех запрошенных данных на сервер за один сеанс (звонок) — нетривиальная задача. Неправильная синхронизация коммуникационных параметров удаленного модема и прибора учета, а ее можно выполнить только на месте, — одна из причин плохой или отсутствующей связи. Если уровень сигнала на УУГ недостаточен для стабильной связи или колеблется у порогового значения, то связь часто рвется. Для улучшения качества связи применяют антенны с повышенным коэффициентом усиления, располагая их в зоне уверенного радиоприема, и направленные антенны, ориентируя их на ближайшую базовую станцию. Для корректной обработки сбоев, обрывов и повышения надежности передачи данных требуется усложнение коммуникационного программного обеспечения.
Оплата услуги CSD тарифицируется операторами по длительности сеанса, а скорость передачи невысока — 9,6 кбит/с максимально. Реальная же скорость обычно до пяти раз ниже. В итоге обслуживание телеметрии в пересчете на один УУГ выливается в немалую сумму ежемесячно. Для повышения скорости услуги по желанию абонента операторы применяют различные модификации технологии, например, увеличивают количество временных слотов (каналов трафика), выделяемых на вызов (сеанс). Мультислотовый режим, применяемый масштабно, например, для телеметрии тысяч УУГ, означает удорожание оплаты услуг связи для абонента (например, РГК), но не проходит бесследно и для сотового оператора: технология является ресурсоемкой, что может чрезмерно увеличивать загрузку радиоресурсов. Тем более что услуга CSD уже настолько популярна, что применяется для телеметрии узлов не только газовых, но и других сетей.
Так как технология CSD основана на коммутации каналов (dial-up), для начала сеанса связи каждый раз необходим дозвон до коммутатора сотового оператора, на установление соединения требуется около 20 с. Постоянно же держать тарифицируемое поминутно соединение CSD открытым слишком дорого.
Из-за таких особенностей связь по CSD, пожалуй, совсем не годится для мониторинга сети удаленных контроллеров в реальном времени. Автоматический опрос по CSD сотен и тысяч УУГ региона реализуем, но сопряжен с ограничениями и затруднениями.
В последнее время разработчики решений телеметрии стараются, где это возможно, переходить на более современную технологию — GPRS/EDGE.
В мире бурно развивающихся мобильных телекоммуникаций GPRS/EDGE уже стремительно устаревает, уступая место более эффективным и скоростным стандартам 3G и 4G: UMTS/W-CDMA, LTE-A, WiMAX2 и т.д. Технологии 3G и 4G уже несколько лет широко внедряются по стране: оператор за оператором, регион за регионом. Но до тех пор пока зона покрытия 2G/2.5G значительно шире в сравнении с 3G/4G и пока более распространены устройства, поддерживающие только 2G/2.5G, GPRS/EDGE будет сохранять популярность на рынке беспроводных технологий.
GPRS — это надстройка над технологией мобильной связи GSM, осуществляющая пакетную передачу данных. GPRS позволяет пользователю сети сотовой связи производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе предоставляет доступ в Интернет из любой точки мира. EDGE — технология передачи данных, которая функционирует как надстройка над 2G и 2.5G (GPRS)-сетями. EDGE использует то же оборудование оператора и предоставляет пользователю те же услуги, что и GPRS, но обеспечивает в три раза большую скорость передачи. Для использования EDGE не требуются дополнительные настройки: в зоне покрытия EDGE модем выберет их автоматически.
GPRS обладает по сравнению с CSD рядом важных преимуществ:
GPRS имеет и некоторые ограничения:
В заключение общего описания возможностей и недостатков технологий CSD и GPRS необходимо сделать следующие выводы о применимости этих видов связи для решений телеметрии. Чтобы данные действительно надежно, оперативно и достоверно передавались, необходимо выполнение определенных условий. Прежде всего, от разработчиков требуются значительные усилия при создании коммуникационного программного обеспечения, решающего несколько задач передачи данных:
Таким образом, «необходимо пройти тернистый путь по превращению GSM-модуля в полноценный GPRS-модем, обеспечивающий устойчивую работу в непрерывном и необслуживаемом режиме» [2].
В предыдущем параграфе было обосновано, что технология GPRS при строгом соблюдении некоторых требований может быть положена в основу решения по передаче данных учета газа между УУГ (ГРП) и сервером.
Решения на базе GPRS могут быть двух видов: с использованием в модемах на стороне узлов учета динамических и статических IP-адресов SIM-карт. У каждого из решений есть свои плюсы и минусы. Статический IP-адрес требует затрат на абонентскую плату за каждую SIM-карту, динамический IP-адрес требует наличия коммуникационного сервера со статическим IP-адресом.
Далее несколько подробней описана структура каналов на основе GPRS. Рассматриваются две разновидности каналов:
Такие каналы связи в тех или иных модификациях в последние годы реализуются многими системами телеметрии для самых разных приложений, в том числе и для учета газа.
Первая разновидность, GPRS-FTP, наряду с каналом CSD уже реализована в составе ПТК «СОДЭК Экстра» для промышленно-коммунального сектора. Данное решение внедрено и успешно эксплуатируется в течение нескольких лет в ряде крупных организаций: нескольких РГК и на промышленных предприятиях. Канал GPRS-TCP также реализован в ПТК для бытового сектора и запланирован для интеграции с новой платформой телеметрии «Газсеть».
GPRS-FTP. Этот вид связи применим, если необходимо экономичное решение для надежного сбора данных с автономного УУГ (ГРП) в автоматическом режиме. Управление GSM/GPRS-модемом осуществляет ПО коммуникационного модуля, подключаемого к УУГ на базе счетчика газа с электронным корректором.
Краткое описание алгоритма можно представить следующим образом. В корректоре настраиваются два временны́х окна (интервала). Временны́е окна служат для обеспечения максимально экономичного энергопотребления. При наступлении временно́го окна 1 электронный корректор объема газа инициирует сеанс связи с коммуникационным модулем, в ходе которого с корректора считываются архивы за последние сутки. Затем данные передаются в GPRS-сеть, а оттуда по FTP-протоколу — на сервер, входящий в состав ПТК, установленный в диспетчерском центре. Служба-импортер отслеживает прибытие новых файлов на FTP-сервер и выполняет их импорт в БД учета.
При наступлении временно́го окна 2 становится возможным считывание архивных данных и чтение/настройка параметров по каналу CSD. За пределами временны́х окон передача данных невозможна.
Так как ПО коммуникационного модуля передает каждый раз только последние (еще не передававшиеся) данные, то при сборе данных могут образоваться незаполненные интервалы дат в БД учета. Это происходит, например, в случаях, если сервер был временно неработоспособен в момент передачи по FTP (завис или выключен).
Контроль полноты данных можно обеспечить интерактивно при помощи CSD. Если требуется полностью автоматический необслуживаемый режим сбора данных, то на сервере реализуют службу-сканер. Служба сканирует БД для поиска незаполненных периодов и передает на УУГ, по CSD или FTP, запросы на дублирующую передачу недополученных данных.
При организации связи для УУГ, обслуживаемого ГРО, например, входящего в состав ГРП (ШРП), задача обычно включает дополнительные требования, а именно: необходим мониторинг состояний дополнительных датчиков и оперативная передача внештатных и аварийных событий (тревог), причем независимо от временных окон. В этом случае в ПО коммуникационного модуля реализуется отправка важных событий по SMS на GSM-модем сервера. Соответствующая служба сервера принимает SMS и записывает важные события в БД, после чего они доступны на компьютере диспетчера.
Канал связи GPRS-FTP имеет ряд преимуществ:
Недостатками являются: невысокая оперативность сбора данных и невозможность обслуживания удаленного узла в реальном времени, а также потенциальная уязвимость FTP-сервера со стороны Интернета, что требует принятия специальных защитных мер.
GPRS-TCP. Как уже говорилось выше, требования к оперативности обмена данными между узлами учета газа и сервером постоянно повышаются. В последнее время все чаще обсуждается необходимость мониторинга процессов транспортировки и потребления газа в реальном времени. Отвечая этим требованиям, разработчики сетей телеметрии исследуют возможности организации постоянного подключения УУГ к телекоммуникационной инфраструктуре, стремясь саму инфраструктуру сделать максимально гибкой, масштабируемой и интегрируемой с другими системами.
Кратко опишем техническое решение «канал GPRS-TCP», чтобы показать, как возможно построить подобный информационно-управляющий канал. Как и в GPRS-FTP, управление GSM/GPRS-модемом осуществляет ПО модуля телеметрии (СТМ), подключаемого к УУГ (ГРП) на базе счетчика газа с электронным корректором (возможно —к двум измерительным комплексам).
На стороне сервера постоянно выполняется служба «TCP-сервер», которая отвечает за прием данных от УУГ через СТМ и отправку управляющих команд и данных в обратном направлении.
Сразу после включения питания модуль телеметрии (СТМ) инициирует соединение с сервером: модулю известны настроечные параметры — статический IP-адрес и порт сервера. СТМ отправляет службе регистрационное сообщение, содержащее марку и серийный номер СТМ, а также регистрационные параметры подключенного к СТМ прибора (корректора).
Служба отвечает СТМ условным сообщением. После обмена несколькими сообщениями процедура регистрации и аутентификации завершается — можно начинать обмен данными.
Если от службы никаких запросов нет, то СТМ ничего не делает, находясь в состоянии постоянного подключения по каналу GPRS-TCP.
Если от службы поступает запрос к СТМ или к «его» приборам, то СТМ пытается выполнить полученный запрос. При необходимости активируется интерфейс прибора учета, который ожидает и выполняет принятые команды. По истечении таймаута ожидание команд прекращается, и интерфейс переходит в спящий режим.
Таким образом, служба обеспечивает прозрачность протокола TCP для пользователей службы при обмене данными между УУГ и сервером. Кроме того, служба осуществляет буферизацию и диспетчеризацию сообщений: обеспечивает многоканальный доступ многих пользователей ко многим удаленным приборам.
Все отправленные и принятые сообщения TCP-сервер протоколирует. Служба может обрабатывать запросы от пользователей трех основных типов:
Служба поддерживает обмен данными со всеми удаленными приборами, протокол обмена с которыми ей известен: приборами учета (электронными корректорами объема газа), коммуникационными модулями (СТМ), контроллерами ГРП, дополнительными телеметрическими датчиками — посредством СТМ (контроллера ГРП).
К преимуществам такой организации связи можно отнести следующие особенности GPRS-TCP:
Недостатками являются:
Эпизодические отказы со стороны сотового оператора возможно преодолеть несколькими способами: а) добавлением специальных компенсирующих механизмов в ПО сервера (дублирование запросов); б) резервированием канала связи на уровне динамической смены сотового оператора: путем переключения СТМ на вторую SIM-карту при недоступности GPRS на первой SIM-карте.
Невозможность связи в реальном масштабе времени с автономными УУГ/ГРП также удается частично преодолеть. Применяют, по аналогии с GPRS-FTP, менее затратный энергетически режим — «оконный». В этом режиме инициатором передачи данных выступает СТМ на УУГ, отправляющий по настроенному расписанию новые текущие значения. Для обратной связи с УУГ целесообразно реализовать механизм «отложенных заданий»: задание на чтение/запись формируется пользователем в любое время, но исполняется только в «окне».
Выше уже упоминались некоторые приемы повышения оперативности и достоверности передачи данных в сетях телеметрии на базе беспроводных видов связи.
В следующем списке перечислены основные методы:
Основным требованием сегодняшнего дня в отношении интеграции телеметрических данных во внешние системы является обеспечение двустороннего обмена данными между УУГ и сетью любого уровня. Проще говоря, при интеграции двух систем сеть более низкого уровня обязана предоставить сети более высокого уровня не только, во-первых, возможность «мониторинга» процессов транспортировки и отбора газа, но и, во-вторых, возможность «управления» как отдельным узлом учета, так и всей интегрируемой сетевой инфраструктурой в целом — в пределах настройки параметров автоматической передачи данных.
Основные методы переноса данных из одной сети телеметрии (системы нижнего уровня) в другую сеть телеметрии или систему того же или более высокого уровня:
Очевидно, что два последних метода способны обеспечивать не только экспорт данных учета, но и полноценные управляющие каналы из внешней системы.
В качестве примера системы телеметрии, реализующей каналы передачи данных GSM/CSD, GPRS-FTP и GPRS-TCP, рассмотрим подробнее ПО «СОДЭК Газсеть Шлюз», представленную как часть системы телеметрии в статье Д.А. Гусева «Модернизация системы телеметрии узлов учета газа».
Данный продукт представляет собой часть региональной системы телеметрии, ответственную за сбор данных с корректоров типа ЕК и ТС. ПО «СОДЭК Газсеть Шлюз» является серверной частью системы телеметрии со встроенными программными интерфейсами для интеграции узлов учета газа с программным обеспечением более высокого уровня.
На рис. 1 представлена структурная диаграмма ПО «СОДЭК Газсеть Шлюз».
Рис.1. Структурная диаграмма ПО «СОДЭК Газсеть Шлюз» Применение ПО «СОДЭК Газсеть Шлюз» обладает рядом следующих преимуществ:
Ниже приведено краткое описание архитектурных элементов.
Бурно развивающиеся технологии передачи данных позволяют сегодня реализовывать системы телеметрии с такими алгоритмами работы и техническими характеристиками, которые еще несколько лет назад были недоступны. Сегодня все: и производители узлов учета газа, и производители систем телеметрии, и, конечно, региональные газовые компании — заинтересованы в проведении модернизации действующей системы телеметрии. Причем наилучшие результаты могут быть достигнуты именно при объединении усилий, знаний и опыта всех участников. Первые практические шаги в этом направлении уже сделаны, что подтверждается как разработкой новых контроллеров телеметрии и коммуникационных модулей, так и разработкой и применением нового серверного программного обеспечения.