Новый продукт компании "АКСИТЕХ": Программируемый автономный контроллер телеметрии – новый процессорный модуль КАМ200-14

Февраль/2021

Еще в середине 1990-х годов, в связи с бурным развитием микропроцессорной техники в целом, и электронной компонентной базы в частности, стало возможным создание и применение полностью автономных приборов-вычислителей коррекции расхода газа на измерительных узлах. Появление тогда же и столь же широкое распространение 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), а 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 этот момент сама идея сделать автономный контроллер телеметрии для объектов газораспределения без внешнего энергоснабжения не была чем-то абсолютно новым – в смежных отраслях промышленности автономные, а будет правильней сказать, бортовые системы телеметрии уже нашли широкое применение – прежде всего - в аэрокосмической отрасли. Но в тоже время была и своя специфика – уровень энергетики для обеспечения длительной автономной работы, например, комплекса телеметрии даже для ШРП, достаточно высок, а получение необходимой энергии, например, из газа – просто экономически неэффективно. Кроме того, подобные установки, например, турбодетандеры, имеют свою специфику, разговор о которой заслуживает отдельной статьи.
Таким образом, наметились два основных пути преодоления «энергетического голода» - это снижение энергопотребления самих средств телеметрии и внедрение новых типов источников электропитания.

Второй путь вначале показался более практически реализуем – уже появились т.н. альтернативные источники электроэнергии: солнечные батареи, 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), 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-Pol) батареи, которые почти не подвержены эффекту памяти (снижению емкости), что позволяет заряжать их в любое время и не требуется разряжать до конца, они и 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 накладным, а использование солнечных батарей в большинстве случаев имели объективные сложности при эксплуатации – это зависимость от внешних условий (освещенность, осадки), а также т.н. «вандалопривлекательность».

Появление и распространение на коммерческом рынке микропроцессоров сверхнизкого энергопотребления позволило уже задействовать в полной мере и первый путь – а именно, снижение собственного энергопотребления средств телеметрии. Стало возможным, перейти на более низкое напряжение электропитания, что в свою очередь позволило реализовать очень важный параметр, применимый для объектов газоснабжения – применить вид взрывозащиты типа «Искробезопасная цепь» непосредственно в контроллере телеметрии, без использования дополнительных средств обеспечения взрывозащиты, таких как барьеров искробезопасности или взрывонепроницаемых оболочек.
Именно, использование обоих принципов обеспечения автономности работы легли в основу разработки контроллера телеметрии КАМ200 компании АКСИТЕХ. Уже 10 лет этот контроллер находится в серийном производстве, а общее количество оснащенных им объектов близится к 3000 шт.
Основа контроллера - процессорный модуль КАМ200-10 (и его модификации -11 и -12) в настоящее время также актуален и справляется с большинство задач телеметрии и телемеханики. Но и останавливаться на достигнутом мы считаем недопустимым – требования к системам телеметрии и телемеханики все возрастают, причем больше не в плане технических, а все больше – эксплуатационных составляющих: увеличивается перечень устройств, для подключения которых требуются цифровые интерфейсы, существует 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 пуско-наладочных работ.
Таким образом, к новому процессорному модулю КАМ200-14 предъявлялись следующие требования:

вид взрывозащиты – «искробезопасная цепь»
условия эксплуатации:

температура окружающей среды – от минус 40 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-х 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, RS232/485) и беспроводных каналов связи – WiFi, Bluetooth, NFC и пр.

Кроме этого, 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 – т.е. должно обеспечиваться массо-габаритное соответствие. В свою очередь контроллер должен поддерживаться уже установленным программным обеспечением (ПО) уровня диспетчерского управления системами телеметрии (СТМ) без необходимости его доработки, а только настройкой существующими инструментами.
Также при проектировании был учтен момент обеспечения универсальности по существующим и перспективным видам беспроводной связи, поэтому, в конструкцию электронной части заложена модульная структура, позволяющая варьировать интерфейсы и виды организации связи.

Назначение 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 miniSIM-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: назначение настраивается пользователем при конфигурировании контроллера, например: активация Bluetooth, мгновенный выход на связь с диспетчерским уровнем (т.н. «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 предыдущей генерации, могут поддерживаться до двух разнотипных приборов и до 5-ти однотипных на одном интерфейсном порту.

По аналогии с предыдущим поколением для обеспечения пониженного энергопотребления контроллер предусматривает следующие режимы работы:
«Глубокий сон» – режим с минимальным энергопотреблением, отключенными приемо-передающими 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 и др., 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, а при его отсутствии – используется косвенный метод расчет ресурс 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 используется режим CSD – в этом случае оборудование «верхнего уровня» в свою очередь должно обеспечивать данную возможность – т.е. иметь GSM-модем или модемный пул с поддержкой данного режима связи.
Кроме этого, в контроллере реализована поддержка т.н. «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 чесы реального времени, а также поддерживается автоматическая синхронизация часов с эталонным источником времени (NTP-сервер) не реже, чем один раз в сутки.

Но, пожалуй, главным нововведением будет возможность самостоятельной разработки прикладного функционального программного обеспечения, т.н. «прошивки» контроллера.
Эта возможность достигается с помощью специального программного обеспечения «КАМ200 Конфигуратор», которое устанавливается на рабочую станцию оператора.

Программа-конфигуратор предназначена для:

первичного конфигурирования контроллера на этапе реализации проектного решения – назначение сигналов ввода-вывода, реализацию логических связей и т.п.;
диагностики и отладки контроллера при проведении пуско-наладочных работ
удаленного сервисного сопровождения программного обеспечения контроллера
общей отладки работы программно-аппаратной части контроллера
Конфигуратор посредство графического интерфейса обеспечивает возможность настройки контроллера под задачу формируемую пользователя, 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 требованиями пользователя

При этом максимально возможный объем информации о поддерживаемом контроллером функционале конфигуратор получает из самого контроллера, что обеспечивает вывод достоверной информации о функционале эксплуатируемого 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 контроллера на жестком диске рабочей станции 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

Экраны конфигуратора для среды создания пользовательских конфигураций представлен на рисунке 1.

В основе логики работы конфигуратора лежит взаимодействие со специальными файлами:

Файлом библиотеки драйверов
Файлом 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, а также модулей расширения контроллера.
Файл конфигурации содержит следующую 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 функции:

чтения библиотеки драйверов с контроллера
чтения из контроллера и загрузки в контроллер файла конфигурации
запуска опроса текущих данных объектов информации
чтения архивов и журналов
перезагрузки контроллера

Кроме того, часть функций при работе с конфигуратором может осуществляться в автономном режиме без наличия подключенного контроллера:

изменение подгруженной ранее конфигурации (из контроллера или файла на жестком диске)
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.

Общая концепция обмена данными приведена на рисунке 2

Рисунок 2 – Общая концепция передаваемых данных между Конфигуратором и контроллером.

Контроллер обеспечивает возможность ведения в энергонезависимой памяти контроллера 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 паромеров 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, так и удаленно:

через порт USB с помощью Конфигуратора
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 функций самостоятельной диагностики работоспособности и сбора статистической информации в контроллере предусматривается следующий функционал:

счетчики перезагрузок контроллера
контроль свободной и занятой памяти
контроль температуры контроллера
сторожевой таймер с возможностью активации периодической перезагрузки контроллера
отладочная консоль с выводом диагностической информации в режиме реального времени
ведение системных журналы 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».

Основным преимуществом является возможность организации так называемой «выборочной криптозащиты», когда обеспечивается защита не всего потока данных обмена, а только критически важных, например, 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 «АКСИТЕХ» за предыдущие 10 лет, а также пожелания заказчиков в лице проектных организаций и эксплуатирующих системы телеметрии предприятий. В настоящий момент идет полномасштабное лабораторное тестирование нового контроллера, в начале 2021 года планируется сертификация и пилотная эксплуатация контроллера на объектах, а запуск контроллера в серийное производство запланировано со второй половины 2021 года, для чего на территории Технопарка «Слава» ООО «АКСИТЕХ» построен завод с проектной мощностью выпуска до 3000 изделий в год.

Вернуться

Обратная связь

Новый продукт компании "АКСИТЕХ": Программируемый автономный контроллер телеметрии – новый процессорный модуль КАМ200-14