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

Новый продукт компании "АКСИТЕХ": Программируемый автономный контроллер телеметрии – новый процессорный модуль КАМ200-14
18
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