Во введении описывается АСУ ТП МТ, важнейшей частью которой является система телемеханики. Обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, излагаются положения, выносимые на защиту.

В первой главе проводится анализ стандарта GSM, обсуждаются преимущества и недостатки GSM при использовании в автоматизированных системах и описываются варианты применения GSM.

GSM (Global System for Mobile Communications - глобальная система мобильной связи) является цифровым стандартом сотовой связи. Основные услуги GSM, используемые для передачи данных: Data call, SMS и GPRS. Принцип работы Data call аналогичен обычному голосовому вызову. При этом после установления соединения вместо речи передаются данные со скоростью 9600 бит/с. SMS (Short Message Service) - услуга коротких сообщений, GPRS (General Packet Radio Service) - услуга пакетной передачи данных.

Далее рассматриваются преимущества и недостатки GSM при использовании в автоматизированных системах. Связь GSM лишена недостатков, присущих кабельным каналам и радиомодемам с выделенной частотой. Она организуется, как правило, с помощью GSM терминалов, которые подобно модемам для кабельных линий, имеют интерфейс RS232 и управляются с помощью AT команд. Таким образом, GSM устройства легко интегрируются в автоматизированную систему.

Однако GSM доступен не в каждой географической точке страны. Кроме того, некоторые здания спроектированы таким образом, что связь GSM в них обладает плохим качеством или отсутствует.

Далее приводятся предложения разработчиков и конкретные примеры использования GSM. Практически ко всем автоматизированным системам из обширного спектра внедрений сотовой связи предъявляются минимальные требования по быстродействию, надежности и др. характеристикам. Поэтому создание таких систем до настоящего времени осуществлялось без использования научной базы. Таким образом, на данный момент не разработана научная основа использования сотовой связи общего назначения в автоматизированных системах, и данная область не является достаточно исследованной.

Во второй главе описывается проблема создания системы телемеханики магистрального трубопровода на основе GSM.

В телемеханических системах могут передаваться различные виды информации: о значениях параметров объектов - телеизмерение (ТИ); о том, в каком из возможных состояний (обычно двух) находится контролируемый объект - телесигнализация (ТС); команды управления - телеуправление (ТУ). В комплексных системах ТМ передается информация всех видов (ТУ, ТС, ТИ).

Основными компонентами магистрального трубопровода являются перекачивающие станции (ПС) и линейные участки трубопровода между ними. Линейный участок (ЛУ) имеет протяженность порядка 100 км, на протяжении которого примерно через каждые 10 км устанавливаются КП. МДП, как правило, организуется в месте расположения ПС. Схема системы телемеханики на основе GSM представлена на рис. 1 (стрелками показаны информационные потоки).

Рис. 1. Схема системы телемеханики на основе связи стандарта GSM.

От МДП (далее просто ДП) к КП передаются команды управления (ТУ), а в обратном направлении - данные, необходимые для контроля и управления (ТИ и ТС). Поэтому рассматриваемая система является комплексной системой телемеханики.

Для передачи данных ТИ в системах ТМ обычно применяется циклический опрос. ПЛК, установленный на ДП, последовательно запрашивает и получает данные с контроллеров всех КП, а затем через заданный промежуток времени весь процесс повторяется и т.д. В связи с этим ПЛК ДП принято называть опросчиком, а ПЛК КП подчиненной станцией.

Характеристиками системы являются: надежность, быстродействие, защищенность передаваемой информации и др.

Для того чтобы сделать предварительный вывод о возможности создания системы на основе GSM были проведено макетное исследование.

Основными элементами систем телемеханики, как правило, являются ПЛК. Был выбран ПЛК «ЭлСи_ТМ» (производства ЗАО «ЭлеСи», г. Томск). В состав макета входили коммуникационный контроллер ДП и контроллеры КП. К каждому ПЛК подключался GSM терминал Siemens TC35i (рис. 2).

Рис. 2. Аппаратура системы телемеханики на основе GSM.

Состав и количество передаваемых данных были типичны для системы ТМ МТ. Исследование проводилось с использованием услуги Data call оператора ОАО «ВымпелКом» (торговая марка «Bee Line»).

Время на опрос одного КП составило в среднем 32 с. При этом не удалось установить соединение с первого раза в 3% опытов. Полученные характеристики быстродействия и надежности передачи данных являются удовлетворительными, поэтому целесообразно использовать связь GSM как основу системы телемеханики магистрального трубопровода. Однако необходимо повысить быстродействие и надежность системы. Так как канал связи является открытым, необходимо также исследовать вопрос защиты передаваемой информации, что особо актуально для экологически-опасного объекта, которым является магистральный трубопровод.

Далее обсуждается аппаратная основа для создания системы. ПЛК «ЭлСи_ТМ» имеет модульную структуру. GSM терминал подключается к интерфейсному модулю TN 502 COM, поддерживающему интерфейс RS232 (рис. 2). Модуль имеет следующие вычислительные возможности: ЦП Intel i8051 (8-разрядный, 24 МГц); ОЗУ 32Кбайт; ПЗУ 16Кбайт. Для создания системы телемеханики магистрального трубопровода на основе связи стандарта GSM требуется разработать новое программное обеспечение для интерфейсного модуля TN 502 COM, имеющего ограниченные вычислительные ресурсы.

В отличие от существующих систем на основе GSM, система телемеханики магистрального трубопровода является комплексной телемеханической системой экологически-опасного промышленного объекта. Поэтому необходимо создание новой технологии передачи телемеханической информации и научно-технических решений, обеспечивающих наилучшее быстродействие и надежность, а также защиту передаваемой информации.

В третьей главе описывается создание системы ТМ на основе GSM по методологии, предложенной автором. Обсуждаются разработка технологии, протокола передачи телемеханической информации и алгоритмов, а также методов защиты передаваемой информации, которые были реализованы в виде ПО.

Предложенная методология создания системы телемеханики на основе GSM включает следующие основные этапы.

Разработка технологии передачи телемеханической информации по сети GSM.

Создание протокола передачи всех телемеханических данных (ТИ, ТС, ТУ) на основе предложенной технологии.

Разработка алгоритмов, обеспечивающих передачу данных по протоколу.

Выбор способов защиты передаваемой информации.

Реализация разработанных алгоритмов в виде ПО аппаратного модуля TN502 COM ПЛК «ЭлСи-ТМ».

С целью поиска способов повышения быстродействия системы были рассмотрены услуги SMS и GPRS. Исследования, проведенные на том же макете, показали, что минимальное время доставки SMS равно 7 с, а надежность услуги GPRS оказалась неудовлетворительной.

Для оценки быстродействия систем телемеханики используются показатели: время получения сигналов ТИ со всех КП и время доставки одного сигнала ТС, ТУ. Для сравнения быстродействия услуг Data call и SMS был проведен расчет для системы телемеханики, состоящей из одного ДП и 5 КП, при объеме данных для каждого КП: ТИ - 1 Кб, ТС - 10 сигналов (по 1 б), ТУ - 10 сигналов (по 1 б). Полученные результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1. Значения показателей быстродействия для услуг Data call и SMS

Таблица показывает, что по первому показателю выигрывает Data Call, а по второму - SMS. Исходя из этого, была предложена следующая технология передачи телемеханической информации: сигналы ТИ передавать посредством Data call, а сигналы ТС, ТУ посредством SMS. Данная технология требует разработки новых научно-технических решений.

Существует два режима работы GSM терминалов: командный режим и режим передачи данных. В командном режиме терминал воспринимает AT команды по интерфейсу RS232 и после обработки возвращает ответ, который зависит от полученной команды и результата ее выполнения. Также в командном режиме GSM терминал может по собственной инициативе отправлять коды индикации. Они используются, например, для индикации входящего вызова, пришедшей SMS, изменения качества сигнала базовой станции.

GSM терминал переходит в режим передачи данных после установления соединения Data call. В этом режиме все данные, которые терминал получает по интерфейсу RS232, передаются в канал связи, а приходящие из канала данные терминал непосредственно передает по RS232 управляющему оборудованию (рис. 3).

Рис. 3. Принцип работы GMS терминала в режиме передачи данных.

Далее рассматриваются последовательности AT команд, ответов и кодов индикации, необходимые для сеанса связи Data call, отправки и получения SMS. Пример сценария отправки SMS приведен на рис. 4.

Рис. 4. Сценарий отправки SMS.

Далее описывается разработка протокола ElSy_GSM. Протоколы передачи данных, используемые в системах телемеханики, как правило, предназначены для кабельных линий связи. Кроме того, услуга Data call уже имеет реализацию канального уровня в виде протокола RLP (Radio Link Protocol - протокол передачи по радиоканалу). Сетевой уровень для соединения типа «точка-точка» не требуется. Поэтому для передачи данных посредством услуг Data call и SMS, потребовалось разработать новый протокол.

Для обмена данными по протоколу используются сообщения, формат которых представлен на рис. 5.

Рис. 5. Формат сообщения протокола ElSy_GSM.

Как видно из рисунка, каждое сообщение состоит из флага начала сообщения, поля длины, тела сообщения и циклической контрольной суммы (CRC - Cyclic Redundancy Code). Структура тела сообщения представлена на рис. 6.

Рис. 6. Структура тела сообщения.

Поле тип принимает значения: 1 - запрос следующего сигнала; 2 - ответ следующим сигналом; 3 - запрос конкретного сигнала; 4 - ответ конкретным сигналом; 5 - сообщение с сигналом; 6 - подтверждение приема сигнала.

На рис. 7 для примера представлен сценарий передачи всех сигналов ТИ от подчиненной станции к опросчику, для простоты показано только тело сообщения.

Рис. 7. Сценарий передачи всех сигналов ТИ.

Благодаря использованию CRC протокол ElSy_GSM обеспечивает вероятность необнаруженной ошибки не более 10^-14, что удовлетворяет требованию к достоверности передачи ТУ в системах ТМ.

Далее приводится вывод формул для расчета показателей быстродействия системы при использовании предложенной технологии и протокола ElSy_GSM. Формула для расчета времени получения сигналов ТИ со всех КП:

(1)

где M - количество опросчиков, N_j - количество КП, опрашиваемых j-м опросчиком, T_i - время получения сигналов ТИ с i-го КП, рассчитываемое по формуле:

(2)

где t_д - время дозвона, t_ус - время установления соединения; t_з - задержка в канале связи, n_ТИ - количество сигналов ТИ, l_ТИ - суммарная длина всех сигналов ТИ для i-го КП, v - скорость передачи данных.

Так как сигналы ТС и ТУ доставляются посредством SMS, то время передачи одного сигнала будет равно времени доставки SMS. Это время рассчитывается по формуле:

T_ТС,ТУ = t_о + t_п (3)

где t_о - время отправки SMS, t_п - время получения SMS.

Для реализации предложенной технологии передачи телемеханической информации необходимо обеспечить отправку и получение SMS во время сеанса связи Data call. Однако GSM терминал после установления соединения переходит в режим передачи данных. В режиме передачи данных отправка AT команд терминалу и получение от него кодов индикации невозможны.

Поэтому во время сеанса связи Data call управляющее оборудование не может инициировать отправку SMS, так как терминал находится в режиме передачи данных. Более того, GSM терминал не имеет возможности сообщить управляющему оборудованию о приходе SMS.

Тем не менее, существует решение этой проблемы. Siemens TC35i поддерживает протокол мультиплексора, который предусматривает виртуальные каналы между терминалом и управляющим оборудованием за счет инкапсуляции всех данных в кадры протокола. При переходе в режим мультиплексора взаимодействие между терминалом и управляющим оборудованием осуществляется по этому протоколу. Siemens TC35i поддерживает три виртуальных канала и один управляющий канал мультиплексора.

Далее рассматривается вопрос распределения функций программного обеспечения по каналам мультиплексора. Показывается целесообразность следующего решения: канал 1 использовать для сеанса связи Data call, канал 2 - для отправки SMS и считывания пришедших SMS из памяти терминала, канал 3 - для приема индикации от терминала о получении SMS, а также для разрыва соединения.

Затем обосновывается выбор конечных автоматов как алгоритма реализации предложенного способа передачи телемеханической информации и приводится описание разработанных конечных автоматов. Наличие состояний (или памяти) в автоматах позволило осуществить одновременную передачу данных во время сеанса связи Data call и отправку/получение SMS на аппаратном модуле с ограниченными вычислительными ресурсами.

Пример графа переходов автомата отправки SMS приведен на рис. 8.

Рис. 8. Граф переходов автомата отправки SMS.

В автомате используются следующие флаги: 1) FSMS_TI (0 - нет данных на передачу в SMS, 1 - есть данные на передачу в SMS); 2) FERR_SMSTI (0 - последняя передача SMS завершилась успешно, 1 - отправка SMS не удалась за заданное количество попыток). Состояния автомата: s0 - бездействие, s1 - ожидание запроса SMS от GSM терминала, s2 - ожидание отправки SMS, s3 - ошибка. Входной алфавит: x0 - получен ответ 0<CR>; x3 - получен код индикации 3<CR>; x4 - получен ответ 4<CR>; x5 - нет ответа или кода индикации; x6 - истек таймаут; x7 - FSMS_TI = 0; x8 - FSMS_TI = 1; x9 - получено <CR><LF>> ; x10 - получено <CR><LF>+CMGS: ссылка<CR><LF>; x11 - не исчерпаны все попытки отправки SMS; x12 - исчерпаны все попытки отправки SMS. Выходной алфавит: y0 - отправить AT+CMGS=длина<CR> и взвести таймаут; y1 - отправить терминалу SMS и взвести таймаут; y2 - FSMS_TI = 0; y3 - уменьшить счетчик оставшихся попыток; y4 - FERR_SMSTI = 1, FSMS_TI = 0.

Далее освещается вопрос защиты передаваемой информации. Подробно обосновывается выбор алгоритма кодирования всех передаваемых данных.

Технология передачи телемеханической информации по сети связи GSM была реализована в виде ПО для интерфейсного модуля TN 502 СOM ПЛК «ЭлСи-ТМ». ПО позволяет создавать системы телемеханики, обеспечивающие при одном опросчике контроль и управление до 31 подчиненной станцией. Разработанное ПО успешно прошло испытания на макете системы телемеханики.

Таким образом, была создана система телемеханики магистрального трубопровода на основе GSM.

В четвертой главе, посвященной практическим приложениям системы телемеханики на основе GSM, описывается экспериментальное исследование характеристик услуг Data call и SMS, предложенные способы повышения быстродействия и надежности системы и результаты сравнения услуг разных операторов. В заключение проводится сравнение GSM c другими видами связи.

Аппаратное обеспечение системы имеет ограниченные вычислительные ресурсы, поэтому характеристики услуг GSM исследовались на модели системы. Моделировалась система телемеханики, состоящая из одного ДП и одного КП. К персональному компьютеру (ПК) были подключены два GSM терминала. ПК выполнял роль как ДП, так и КП. Временные интервалы, характеризующие услуги Data call и SMS, измерялись с точностью 0,001 с.

Для Data call измерялись: время дозвона t_д; время установления соединения t_ус; задержка в канале связи t_з; время передачи данных t_пд; время разрыва соединения t_р. А для SMS: время отправки t_о и время получения t_п.

Посредством SMS передавались данные объемом 48 байт, что соответствует максимальной длине 1 сигнала ТС или ТУ (32 байта данных и служебная информация). Посредством Data call в каждом опыте передавалось количество байт, соответствующее типичному для КП набору сигналов телеизмерения (500 б).

Каждому опыту присваивался код результата. Для SMS: 1 - опыт завершился успешно; 2 - ошибка готовности GSM терминала к отправке; 3 - ошибка отправки; 4 - ошибка получения SMS (сообщение не получено в течение 5 мин.); 5 - ошибка в полученных данных, т.е. искажение информации. Для Data call: 1 - опыт завершился успешно; 2 - ошибка дозвона; 3 - ошибка установления соединения; 4 - не получен первый байт данных в течение 10 с; 5 - получен неверный первый байт; 6 - не получены все данные; 7 - ошибка в полученных данных; 8 - ошибка разрыва соединения.

Исследование проводилось в течение трех месяцев: март 2006 г., сентябрь 2006 г., конец марта - начало апреля 2007 г. Опыты осуществлялись в течение 5 дней недели: понедельника, среды, пятницы, субботы и воскресенья. Вторник и четверг были пропущены для удешевления исследования. Также были проведены эксперименты в дни пиковых нагрузок на сеть GSM (государственные праздники). Для Data call и SMS каждые 3 часа производилось 22 измерения, т.е. 176 измерений в сутки. На каждом 3_часовом промежутке вычислялись средние значения измеряемых величин и доверительные интервалы. Исследование проводилось для оператора МТС.

На рис. 9 приведена диаграмма для времени дозвона (услуга Data call) в течение воскресенья 25 марта 2007 г.

Рис. 9. Время дозвона в течение воскресенья 25 марта 2007 г. с доверительными интервалами.

Из диаграммы на рис. 9 видно, что колебания времени дозвона в течение суток составляют менее 1 с, что несущественно для системы ТМ. Изменения других временных интервалов услуг Data call и SMS в течение суток также оказались незначительными.

На рис. 10 представлена сводная диаграмма для времени отправки и получения SMS в течение 5 суток. Диаграмма показывает, что изменения в течение недели также практически отсутствуют.

Рис. 10. SMS. Сводная диаграмма за 5 суток с доверительными интервалами.

Рис. 11. Data call. Сводная диаграмма за 5 суток.

Для Data call в течение первых трех суток исследование проводилось, когда GSM терминалы использовали протокол v.32, который является протоколом по умолчанию. В оставшиеся двое суток исследование проводилось с использованием протокола v.110. Сводная диаграмма для всех 5 дней представлена на рис. 11. Как видно из диаграммы, при использовании протокола v.110 (30-31 марта) существенно сокращается время установления соединения: с 12,5 до 2,1 с, что приводит к значительному экономическому эффекту.

Для примера рассчитаем время передачи данных для набора сигналов, типичного для КП ЛУ МТ. В этом случае n_ТИ = 10, l_ТИ = 20 б. С использованием результатов исследования по формуле (2) получаем:

Пусть для примера количество КП равно 10, тогда при одном опросчике время получения сигналов ТИ со всех КП по формуле (1) будет равно:

.

Если использовать 3 опросчика, то максимальное количество КП, приходящихся на один опросчик, составит 4 штуки. Следовательно, время получения сигналов ТИ по формуле (1) будет равно:

.

По формуле (3) получаем время доставки одного сигнала ТС или ТУ:

T_ТС,ТУ = 4,1 с + 4,7 с = 8,8 с.

По результатам исследования была рассчитана частота возникновения ошибки. Для Data call она оказалась равна 0,3%, для SMS - 0,2%. Низкие значения средних частот ошибок, позволяют сделать вывод, что связь GSM является пригодной для использования в системах телемеханики.

В системе ТМ магистрального трубопровода КП может быть удален от ДП на значительное расстояние (до 100 км). Для услуг Data call и SMS не имеет большого значения, насколько далеко удалены друг от друга GSM терминалы, так как все SMS передаются через SMS центр, а соединения Data call коммутируются через центр коммутации. Задержка в канале для Data call обусловлена работой протокола коррекции ошибок, а не временем передачи данных. Для практического подтверждения был проведен недельный эксперимент, когда один GSM терминал (опросчик) находился в г. Томске, а другой (подчиненная станция) - г. Юрга (расстояние между городами - 85 км). Полученные результаты незначительно отличаются от результатов в одной соте. Поэтому полученные в одной соте значения характеристик Data call и SMS можно использовать для оценки показателей быстродействия распределенной системы телемеханики.

Исследования услуг Data call и SMS, проведенные в течение недели, показали стабильность характеристик быстродействия и надежности (см. рис. 10-11). Для проверки стабильности характеристик в течение месяца, были проведены такие же опыты в течение одних суток на каждой из трех последующих недель. Результаты показывают, что характеристики быстродействия и надежности услуг Data call и SMS обладают высокой стабильностью в течение всего месяца. Исследования в дни пиковых нагрузок (государственные праздники) показали незначительное увеличение временных интервалов и частот ошибок, что также говорит о стабильности характеристик. Сравнение результатов исследований, проведенных в марте и сентябре 2006 г. и марте-апреле 2007 г. показало, что услуги Data call и SMS не только имеют стабильные характеристики быстродействия и надежности, но также наблюдается положительная динамика (уменьшаются временные интервалы и средние частоты ошибок), что говорит о пригодности рассматриваемых услуг для использования в системах ТМ.

Стабильность полученных значений частот ошибок для Data call и SMS во всех проведенных экспериментах позволяет называть их вероятностями ошибок.

Затем было проведено сравнение услуг Data call и SMS для операторов МТС и Beeline. Для этого было выполнено исследование услуг оператора Beeline с 15:00 до 18:00 в четверг 5 апреля 2007 г. Полученные результаты сравнивались с результатами исследований для оператора МТС с 15:00 до 18:00 в пятницу 6 апреля 2007 г.

Выяснилось, что с использованием услуг Beeline работа по протоколу v.110 является невозможной. Поэтому время сеанса связи для МТС оказалось примерно на 10 с меньшим, чем для Beeline. Для МТС не произошло ошибок во время исследования услуг SMS и Data call. Для Beeline в течение эксперимента произошли 2 ошибки при передаче SMS и 9 ошибок для Data call. Следовательно, временные характеристики и надежность услуг Data call и SMS могут существенно зависеть от оператора GSM.

Далее проводится сравнение GSM с другими видами связи, используемыми в системах ТМ МТ. В каналах тональной частоты (КТЧ) и волоконно-оптических линиях связи отсутствует дозвон и установление соединения. Однако скорость передачи данных для КТЧ при промышленном использовании, как правило, не превышает 2400 бит/с. Связь стандарта GSM имеет большее быстродействие и надежность, чем используемая в ряде случаев в качестве резервного канала спутниковая связь Globalstar. Связь GSM гораздо дешевле всех видов связи, используемых в настоящее время в системах ТМ МТ.

Исходя из результатов сравнения и экспериментального исследования сделано заключение, что связь GSM для систем ТМ МТ целесообразно использовать в районах, где прокладка кабельных линий связи является невозможной или экономически неэффективной, а также в качестве резервного канала связи.