Все меньше становится руководителей предприятий, у которых вызывает сомнение эффективность внедрения систем автоматического контроля и управления производственными процессами. Только за последний год отделом автоматизации "Геолинк Консалтинг" установлено оборудование и развернуты сети передачи данных на десятке объектов различного масштаба и профиля. Среди них предприятия водоснабжения, горнообогатительные комбинаты и предприятия химической промышленности.

Организация непрерывного мониторинга водных ресурсов, одна из крупных профилирующих задач, стоящих перед "Геолинк Консалтинг", требует контроля объема поднятой воды и уровня воды в скважинах как исходных данных для моделирования. Кроме того, требования рациональной эксплуатации скважин приводят к необходимости контроля и ряда технологических параметров, таких как потребляемый насосом ток, давление в трубопроводе, температура воздуха и т.д.

При проектировании систем распределенного сбора данных можно столкнуться с радиолиниями передачи цифровой информации самых разнообразных конфигураций: простейшей "точка-точка", "звезда" с центральным пунктом сбора данных, протяженными типа "цепочка", разветвленными типа "дерево" с промежуточными пунктами ретрансляции и/или обработки информации, а также их комбинациями (рис.1).

Рис.1 Виды радиосетей сбора данных.

Линии "точка-точка"

Наиболее просты в реализации линии "точка-точка". Пожалуй, единственной трудностью в построении этих систем может стать удаленность объектов друг от друга. Такой радиоканал характерен для ситуации, когда необходимо связать существующий сегмент сети с удаленным пунктом сбора данных. Если обмен информацией ведется на УКВ, необходимо добиваться максимального приближения к условиям идеальной прямой радиовидимости, то есть ситуации, когда на пути своего распространения радиосигнал не встречает препятствий. Правильный выбор и размещение антенной системы при построении радиоканалов - одна из задач, требующих особого внимания и детальной проработки. В данной ситуации предпочтительны многоэлементные направленные антенны с высоким усилением, позволяющие при малой излучаемой передатчиком мощности получить надежный помехозащищенный канал. Подобная система сбора данных о работе шахтного водоотлива, построенная на основе маломощных радиомодемов "Невод" функционирует, к примеру, на Лебединском горнообогатительном комбинате. Здесь данные о расходе воды передаются через железнорудный карьер комбината на расстояние более 7 км между 5-ым и 4-ым стволами шахтного водоотлива, и далее - в гидрорежимный отдел предприятия. Использование направленных антенн с усилением более 8 дБ и обеспечение условий прямой радиовидимости позволило построить надежный телеметрический радиоканал. Сейчас сеть сбора данных значительно расширяется, охватывая все новые технологические параметры (например, уровни и мутность воды в резервуарах, расход воздуха шахтных воздуходувок, скорость подъема шахтной клети и т.п.).

Сеть "звезда"

Сеть типа "звезда" - одна из наиболее распространенных схем взаимодействия пункта сбора данных с периферийным оборудованием. В сети такой топологии в центре "звезды" следует устанавливать антенны с круговой диаграммой направленности, что обеспечит связь с объектами в различных направлениях. На объектах контроля устанавливаются многоэлементные антенны, направленные на центр сбора данных. При наладке сетей полезно в центре "звезды" устанавливать радиомаяк, сигнал которого позволит правильно установить и сориентировать антенны аппаратуры периферийных узлов.

Сети с ретрансляцией данных

В случае, если объекты контроля размещены вдоль одной линии (например, контроль трубопроводов), либо не удается напрямую связать два пункта с размещенным на них оборудованием, используются сети с топологией "цепочка", в которых обмен информацией осуществляется через последовательность ретрансляторов, причем к каждому из звеньев цепи может быть подключено свое измерительное оборудование. Такие линии передачи информации характеризуются большими задержками в прохождении сигнала, большой протяженностью (десятки и сотни километров) и меньшей по сравнению со "звездой" надежностью, поскольку разрыв связи двух звеньев выводит из строя значительный сегмент сети. По возможности следует избегать применения ретрансляторов, но иногда они являются единственным выходом из сложной ситуации.

Примеры реализации

Одним из интересных с точки зрения топологии построения и показательных с точки зрения эксплуатационных характеристик системы сбора данных "Невод" является автоматизированная сеть телеметрии водоканала города Электросталь. Оборудование центрального диспетчерского пункта (ЦДП) установлено в здании водозаборного узла (ВЗУ) N9 и состоит из периферийного узла диспетчерской и персональной ЭВМ, совместно выполняющими задачи сбора, отображения и хранения информации. Схема сети передачи данных приведена на рис.2. Красные стрелки показывают направление передачи телеметрических данных.

Рис. 2. Схема сети сбора данных водоканала г.Электросталь.
Красными стрелками обозначены УКВ-каналы передачи информации.

Двенадцать скважин, информацию с которых отслеживает диспетчер на ВЗУ, расположены вдоль берега реки Клязьма. На каждой из скважин установлен расходомер SIMA FC-2, датчик тока насоса и охранная сигнализация. Контроллеры датчиков установлены в шкафах фирмы Shroff. Расстояние от ВЗУ до ближайшей из скважин - 5 км, до самой дальней - 7 км. Все это пространство покрыто лесом, и небольшая высота здания ВЗУ и павильонов скважин не обеспечивают прямой радиовидимости, поэтому непосредственная связь на 433 МГц оказалась невозможной. По этой причине топология сети усложнилась. Запрос на получение данных от ЭВМ ЦДП передается через ретранслятор на крыше котельной водоканала на радиомодем промежуточного пункта сбора информации, организованного на котельной пионерлагеря. Получив запрос от ЦДП, микроЭВМ самостоятельно проводит опрос всех контроллеров периферийных узлов, установленных на скважинах. После этого полученные данные объединяются в один пакет и передаются на ЦДП. Опрос 50 параметров на скважинах занимает около 20 секунд. Радиомодемы ретранслятора и промежуточного пункта сбора информации установлены в непосредственной близости от антенн на открытом воздухе и обеспечивают связь в летнюю жару, осенние дожди, и в зимние морозы.

Радиомодемы могут использоваться и для связи сегментов уже существующих сетей с иной средой передачей данных. Так, проект организации глубинной термометрии вечномерзлотных грунтов на объектах г. Норильска предусматривает связь по радиоканалу локальных проводных сетей сбора данных. Система датчиков температуры нескольких измерительных скважин в основании плотины, связанных проводным каналом, соединены с радиомодемом "Невод", позволяющим передавать измерительную информацию в диспетчерский пункт.

Комбинирование "звезды" и "цепочки" приводит к образованию сетей с древовидной структурой, где каждый промежуточный ретранслятор служит центром своей "звезды", на лучах которой также могут устанавливаться ретрансляторы. Такие сети могут охватывать обширные территории, и их отладка оказывается весьма непростым делом. Коммуникационное оборудование в этом случае должно поддерживать маршрутизацию и арбитраж пакетов данных. Проще всего осуществить обмен данными в режиме "запрос-ответ", когда инициатором обмена является оборудование пункта сбора данных, а оборудование объектов контроля отвечает на поступающие запросы. Тогда сеансы обмена разнесены во времени, а сеть должна поддерживать логическую адресацию узлов; в арбитраже как таковом отпадает необходимость.

Одним из альтернативных способов построения территориально обширных сетей сбора данных могут служить сети с древовидной структурой и смешанными радиоканалами, где задачи местного сбора данных в пределах одной ветви решаются при помощи УКВ радиомодемов, а ветви связаны при помощи более "дальнобойной" КВ связи.

Примером может служить сеть сбора данных водоканала г.Раменское (рис.3), где кусты скважин удалены от центрального диспетчерского пункта более чем на 10 км, при этом отсутствуют условия прямой радиовидимости. Поэтому на водонапорной станции (ВНС) N6 организован промежуточный пункт сбора данных. Радиочастотные телеметрические каналы на основе радиомодемов "Невод" (красные стрелки на рисунке) связывают ВНС N6 с павильонами удаленных скважин, где установлены периферийные узлы с контроллерами и датчиками технологических параметров (расход воды, давление в трубопроводе). Эта информация аккумулируется контроллером на основе микроЭВМ ADAM 4500 производства Advantech и далее по КВ радиоканалу (черные стрелки) передается в центральный диспетчерский пункт аварийных служб. Сюда же приходит и информация со скважин ВНС N9. Рабочее место диспетчера оборудовано ЭВМ, выполняющей функции сбора, обработки и хранения информации. Более 200 параметров отображаются на технологических схемах, графиках и в сводных таблицах программы, сохраняются в базе данных.

Рис. 3. Схема сети сбора данных водоканала г.Раменское.
Красными стрелками обозначены УКВ-каналы, черными - КВ-каналы передачи информации.

Достаточно объемен по количеству измеряемых параметров (более 80) и реализованный проект автоматизации водозаборного узла г. Химки. Информация с двух насосных станций Химки-1 и Химки-2 передается в центральную диспетчерскую водоканала, в то время как информация с ВНС Химки-3 предварительно обрабатывается и отображается на рабочем месте диспетчера этой насосной станции. Система позволяет как отображать данные, так и управлять работой насосной станции. Применение частотных регуляторов позволило значительно снизить нагрузку на насосы и дает заметную (до 30%) экономию электроэнергии. Проект автоматизации насосных станций г. Химки подробно рассмотренный в статье журнала "Современные технологии автоматизации" (N4, 2000г.), в настоящее время успешно развивается. В плане подключение к существующей системе еще одного водозаборного узла.

Следует отметить, что интерфейс программного обеспечения визуализации данных прост и интуитивно понятен. Он разрабатывался с учетом отсутствия на многих предприятиях персонала, имеющего достаточный опыт общения с персональными ЭВМ. Тем не менее, после проведения непродолжительного обучения, системой сбора данных в состоянии пользоваться человек, не работавший до сих пор с компьютером. Как правило, комбинация графического и табличного представления данных повышает простоту восприятия и наглядность информации. Встроенные алгоритмы предварительной обработки повышают эффективность мониторинга и снижают трудоемкость дальнейшей полуавтоматической обработки данных. Технический учет подъема глубинных вод непосредственно диспетчерами организован и действует в настоящий момент на большинстве водоканалов, с которыми взаимодействует СП "Геолинк Консалтинг" (водоканалы городов Химки, Лобня, Истра, Одинцово, Чехов, Видное, Электросталь и др.)

Несколько иной профиль имеет автоматизированный измерительный комплекс полигона "Верхняя Волга", принадлежащий Центроводхозу. Цель организации полигона - круглогодичный непрерывный мониторинг метеоусловий и состояния почв с целью контроля состояния северного водозабора Москвы и предсказания паводковой ситуации на Конаковском водохранилище. Здесь в бункере полигона установлена ЭВМ в промышленном исполнении, осуществляющая сбор данных более чем с сотни датчиков температуры, давления, влажности, проводимости и уровня воды. В цилиндрических емкостях с отобранными пробами различных типов почв проводится измерение температуры, давления и влажности по вертикальному профилю образцов. Автоматическая метеостанция позволяет измерять температуру воздуха, атмосферное давление, скорость и направление ветра, количество выпадающих осадков. В скважинах на территории полигона контролируется уровень подземных вод, а также уровень воды в водохранилище. Собранная информация отображается на графиках и сохраняется в базе данных. Сбор телеметрии осуществляется по проводным линиям связи, поскольку расстояния от датчиков до пункта сбора информации невелики.

Заключение

Развитие существующих проектов и ввод в эксплуатацию новых систем автоматизации требует непрерывного совершенствования аппаратной и программной составляющих систем АСУ. Наша компания непрерывно работает над повышением надежности и удобства эксплуатации систем сбора данных и управления, обеспечивая наиболее высокие их потребительские свойства в условиях расширяющегося рынка промышленной автоматизации. Система распределенного сбора данных "Невод" является универсальным средством построения беспроводных систем телеметрии, обладающим возможностями, достаточными для реализации каналов со сложной разветвленной структурой.