CC BY
51
АКИМОВ Владимир Николаевич, кандидат технических наук ШОРИН Александр Олегович
'г г и ** т ' і Л 111 *
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ОБЪЕКТОВ ЖКХ НА ОСНОВЕ ПАКЕТНЫХ РАДИОСЕТЕЙ
В настоящее время активно развиваются пакетные радиосети, такие как сети общего пользования, в том числе широкополосные сети и как альтернатива - корпоративные радиосети. Сети общего пользования берут на себя задачи и мониторинга объектов жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), однако, не все задачи, даже при создании виртуальных выделенных сетей, решаются ими при построении систем мониторинга. Основной проблемой остается гарантированное время доставки информации, а при задачах управления оборудованием объектов — скорость обмена командами управления и надежностью. Учитывая высокие требования на достоверность передаваемой информации и к реакции системы на сигналы сигнализации, телерегулирования, телеуправления и т.п., такие системы управления и регулирования строились на основе проводных систем связи. В этих системах, как правило, радиоканал используется как резервный канал связи. Примерами таких систем могут быть системы дистанционного управления объектами городских и сельских теплосетей (насосных станций, камер и т.д.), электросетей, газового хозяйства, а также системы управления нефте-, газопроводами и пр. Отличительными особенностями систем сбора и обработки информации, телеметрических и управляющих систем являются:
♦ малые задержки системы на сигналы сигнализации, телерегулирования, телеуправления (не превышающие десятых и даже сотых долей секунды);
♦ разнообразие типов терминальных (исполнительных) устройств и протоколов обмена данными;
♦ сложность и большая стоимость прокладки проводных линий связи и пр.
Зачастую создание таких систем возможно только с использованием радиоканала.
Далее рассмотрим варианты построения пакетных радиосетей с учетом особенностей (специфики) работы различных служб ЖКХ и как они могут решать различные задачи мониторинга объектов ЖКХ.
Особенности территориального размещения объектов ЖКХ
Городское коммунальное хозяйство - одна из отраслей, в которой имеется огромное количество служб и их территориально распределенных объектов. Объекты стационарные, находящиеся или в жилых многоэтажных кварталах, или в промзонах также с многоэтажной застройкой, на авто- и железнодорожных трассах.
Объекты распределены между территориальными районами города. Как правило, каждый район имеет дежурнодиспетчерский пункт (ДДП), осуществляющий контроль и управление объектами, находящимися на его территории. Кроме того, каждый район функционирует независимо друг от друга, а координацию их деятельности может осуществлять главный диспетчерский пункт (ГДП). Месторас-
положение объектов и их количество может меняться. Общее количество объектов по различным службам может превышать сотни и тысячи объектов.
Как правило, объекты ЖКХ снабжены электропитанием и имеют проводную телекоммуникационную связь, могут быть отапливаемыми и неотапливаемыми, защищены от несанкционированного проникновения или не защищены, охраняемыми или неохраняемыми. Обычно сигнализация выполняется проводными линиями, а снятие показаний приборов и управление установленным на объектах оборудованием производит персонал, по необходимости посещающий места установки оборудования. Зачастую для регистрации изменения контролируемых параметров во времени используются самописцы, требующие периодического обслуживания и пополнения расходных материалов.
Особенности взаимодействия объектов и их функционирование
Организацию технологического функционирования и взаимосвязь каждого объекта ЖКХ со своим диспетчером, как правило, осуществляют контроллеры объектового оборудования и контроллеры автоматизированного рабочего места (АРМ) диспетчера. Контроллеры осуществляют процедуры контроля, управления и взаимосвязи с каждым объектом. Существует огромное многообразие возможных комбинаций объектов, в каждом конкретном случае необходима разработка оптимальной конфигурации системы. Примерами источников информации, данные с которых могут поступать на рабочее место диспетчера ЖКХ, могут быть:
♦ датчики охранно-пожарной сигнализации;
♦ датчики температуры воды, воздуха;
♦ датчики давления воды, газа;
♦ датчики тока, напряжения, cos ф в электросетях;
♦ датчики расхода воды, газа;
♦ показания электронных счетчиков расхода воды, газа,
электрической и тепловой энергии;
♦ данные малых метеостанций и других устройств экологического мониторинга.
Функции управления могут включать в себя управление пускателями, насосами, вентиляторами, освещением и пр.
По составу информация обмена между диспетчером и объектами ЖКХ делится на 4 типа сигналов: телесигнализация (ТС), телеизмерение (ТИ), телеуправление (ТУ), телерегулирование (ТР), а также их сочетание в зависимости от сложности объекта. Количество сигналов ТС, ТИ, ТУ или ТР и их объемы зависят от конкретного объекта. Данная информация собирается в пакеты данных.
По типу информационного взаимодействия объектов можно выделить три режима обмена информацией между соответствующими объектами и диспетчером.
Первый режим обмена информацией — режим, при котором инициатором обмена информацией являются сами объекты. При этом время передачи информации определяется моментом формирования информационного пакета на объекте (например: при изменении каких-либо параметров). В зависимости от типа объекта алгоритм обмена информацией требует подтверждения («квитка») о приеме диспетчером данной информации.
Второй режим — режим, при котором информация о состоянии объекта запрашивается диспетчером, и момент сеанса связи с объектом определяется моментом посылки-запроса диспетчером на объект. При этом длительность сеанса связи определяется циклом «запрос — ответ».
Третий режим — режим управления диспетчером соответствующим объектом. Процедура взаимодействия и функционирования следующая: диспетчер посылает команды управления (команды ТУ) на объект, команды управления принимаются на объекте, с объекта отправляется информация диспетчеру о приеме команды, обрабатывается команда, формируются команды управления, их исполнение, формируется и передается на АРМ диспетчера информационный пакет о состоянии объекта после выполнения команды управления. Процедура обмена информацией определяется используемым протоколом в применяемых на объектах контроллерах.
Цикл отработки команд ТУ (команд запроса протокол МБЯЬ) представлен на рис. 1.
Состав, назначение и виды передаваемой информации
Количество сигналов ТС, ТИ, ТУ и ТР зависит от конкретного объекта, его состояния, типа контроллеров, используемых на объекте, и используемых протоколов обмена данными. Объем пакета данных может меняться в зависимости от состояния объекта (или объектов, если собирается информация с нескольких объектов в один пакет). По взаимодействию объектов с АРМ диспетчера можно выделить следующие режимы обмена:
♦ режим, обмена по изменению параметров ТИ и ТС - обмен информации происходит сразу же при изменении параметров ТИ и ТС;
♦ режим, обмена по запросу диспетчера -запрос о состоянии объекта в любой момент времени;
♦ режим, управления объектом - управление объектом диспетчером (сигналы ТУ и ТР) с малыми задержками времени;
♦ режим, обмена ««циклический опрос» - периодическое считывание информации с контроллера объектового оборудования.
Режимы обмена на примере объектов теплосети по классам объектов
Первый класс объектов
Режим, обмена по изменению параметров ТИ и ТС - в среднем 1 раз в 5 - 15 с.
Инициатором обмена информацией является объект ЖКХ. Передача информации от объекта к АРМ диспетчера сопровождается одним подтверждением - «квитком» (время обмена информацией не более 500 мс). При отсутствии «квитка» посылка информации повторяется 3 раза в течение 30 с.
ТИ (максимальный объем): 32x2 = 64 б.
ТС (максимальный объем): 16 б.
Информация ТИ и ТС передается вместе одним блоком данных.
АРМ диспетчера
10 + 20 6
Служебный обмен по протоколу МРБЬ
Задержка на прием 10 - 20 мс
260 6
«Квиток» на ТУ (сообщение ФТС)
¡106
260 6
Результат исполнения команды ТУ ._________Сигналы ТС и ТИ___________.
Задержка 30 - 70 мс
Начало обработки ТУ-апгоритмов. Время работы исполнительных механизмов 150 - 200 мс
Цикл отработки команд ТУ (команд запроса по протоколу МОБЬ)
- передача
- прием
Рис. 1. Цикл отработки команд ТУ (команд запроса по протоколу MDSL)
Периодичность считывания информации с аппаратуры сбора информации (время доставки на АРМ диспетчера) — 1 с.
Режим, обмена по запросу — 1 раз в 15 с.
Процедура обмена описана выше (рис. 1).
Команда запроса - 52 б.
ТИ (максимальный объем): 32x2 = 64 б, 64x2 = 128 б.
ТС (максимальный объем): 16x2 = 32 б.
Пакет данных служебного обмена (архив, установки, ФТС, пароль и т.п.) — 60 б.
Суммарный пакет данных, формируемый протоколом МБЬС, имеет объем:
(64 + 16 + 60)х2 = 280 б.
Время обмена информацией от выдачи команды диспетчером до получения сигнала срабатывания исполнительного устройства на объекте - от 900 до 1800 мс.
Периодичность считывания информации с аппаратуры сбора информации (время доставки на АРМ диспетчера) — 1 с.
Режим управления объектом - сигналы ТУ и ТР передаются по инициативе диспетчера. Передача ТУ и ТР проводится за 6 сеансов связи: «диспетчер - объект» - 3 сеанса, «объект - диспетчер» -3 сеанса. Циклограмма обмена данными в режиме управления диспетчером представлена на рис. 2 (аналогична циклограмме обмена по запросу).
Время обмена информацией «диспетчер - объект - диспетчер» от выдачи команды диспетчером до получения сиг-
нала срабатывания исполнительного устройства - от 900 до 1800 мс в зависимости от количества объектов, прикрепленных к данному АРМ диспетчера. Объемы информации и процедуры обмена при использовании других протоколов могут быть отличными, но не превышают указанных выше.
Второй класс объектов
Режим, передачи информации только изменившихся параметров ТИ и ТС - периодичность обмена от нескольких минут до нескольких часов.
ТИ: объем информации от 48 до 192 б.
ТС: объем информации от 2 до 96 б.
Периодичность считывания информации с аппаратуры сбора информации (время доставки на АРМ диспетчера) — 1 мин.
Режим, обмена ««циклический опрос» и запрос с АРМ диспетчера - периодичность обмена 1 мин.
ТИ и ТС передаются вместе: объем информации 38 б, если изменений ТИ и ТС нет; 326 б, если изменились все параметры.
Запрос - 40 б.
Периодичность считывания информации с аппаратуры сбора информации (время доставки на АРМ диспетчера) 1 мин.
Задержка в получении информации при запросе с АРМ диспетчера не более 2 с.
Запрос (краткий Ю)
Задержка включения Ю<
40 - 60 мс
Информация 34 мс
15 мс
Задержка включения ТХ
Задержка включени
іТХ
/ Задержка включения ІЗХ
/ 15 мс
/ Информация 34 мс
”7
Т цикла,: тіп - 160 мс, тах - 90 мс
«Квиток» ДДП
«Квиток» ДДП
Задержка включения КХ
Т цикла2 : тіп - 200 мс, тах - 250 мс
- передача
- прием
Рис. 2. Циклограмма процесса обмена «диспетчер - объект - диспетчер» (дежурный режим В.Х, ТХ, скорость
9600 бит/с)
Режим, управления диспетчером. - сигналы ТУ, ТР передаются по инициативе диспетчера.
Объем информации ТУ и ТР - 52 б.
Время обмена информацией «диспетчер - объект - диспетчер» от выдачи команды диспетчером до получения сигнала срабатывания от 900 до 1800 мс в зависимости от количества объектов, относящихся к данному АРМ диспетчера. Время доставки на АРМ диспетчера — 1 с. Обмен информацией между диспетчером и объектом сопровождается получением «квитка».
Третий класс объектов
По составу информация обмена между диспетчером и объектом является сигналами ТИ и ТС.
ТИ: объем информации от 48 до 300 б.
ТС: объем информации от 2 до 32 б.
Режим обмена периодический, с периодом 1 мин.
Периодичность считывания информации с аппаратуры сбора информации (время доставки на АРМ диспетчера) — 1 мин.
Каждый обмен информацией между АРМ диспетчера и объектом сопровождается получением «квитка». При отсутствии «квитка», подтверждающего прием информации, производятся три переспроса с интервалом 10 с.
Четвертый класс объектов
Обмен информации между данными объектами осуществляется сигналами ТС.
Периодический режим, обмена - период 10 мин.
Объем информации ТС от 2 до 32 б.
Режим, запроса - задержка в получении информации при запросе с ДДП не более 2 с.
Команда запроса — 40 б.
Объем информации ТС от 25 до 57 б.
Периодичность считывания информации с аппаратуры сбора информации (время доставки на АРМ диспетчера) — 1 мин. Каждый обмен информацией сопровождается получением «квитка». При отсутствии «квитка», подтверждающего прием информации, производятся три переспроса с интервалом 10 с.
Пятый класс объектов
Обмен информацией между данными объектами осуществляется сигналами ТС.
Периодический режим, обмена - период 20 мин.
Объем информации ТС от 2 до 16 б.
Режим, запроса - задержка в получении информации при запросе не более 2 с.
Команда запроса — 40 б.
Объем информации ТС от 25 до 41 б.
Периодичность считывания информации с аппаратуры сбора информации (время доставки на АРМ диспетчера) — 20 мин. Каждый обмен информацией между АРМ диспетчера и объектом сопровождается получением «квитка». При отсутствии «квитка», подтверждающего прием информации, производятся три переспроса, с интервалом 10 с.
Параметры абонентской нагрузки. Пропускная способность канала
Построение сети передачи данных между ГДП, ДДП и объектами возможно при использовании как дуплексных (полудуплексных), так и симплексных каналов радиосвязи. Дуплексные каналы, как правило, используются для раз-
деления потоков информации, например: от базовой стации (БС) к объектам сети информация передается на одной частоте, от объектов к БС — на другой. Иногда одна частота выделяется для управления сетью, а вторая — для передачи данных. При этом, естественно, частотный ресурс увеличивается вдвое. Зачастую это бывает неоправданно, поскольку частотный ресурс ограничен. Поэтому целесообразно начать с рассмотрения организации симплексной сети передачи данных, в которой возможны три способа организации связи. Первый способ — асинхронный режим, то есть режим свободного доступа каждого абонента к каналу связи. При втором способе БС сама организует сеансы связи с объектами по запросу, задает последовательность, период и длительность опроса объектов. Третий способ — синхронный. При этом способе каждому объекту выделяется временное окно для передачи данных, то есть создаются выделенные (виртуальные) каналы связи для каждого объекта.
Симплексный режим
Оценим пропускную способность канала связи при указанных способах организации связи. Учитывая технологические особенности объектов первого класса, состав, назначение и виды передаваемой информации, достоверность передачи информации, рассмотрим сначала возможность обмена данными между АРМ диспетчера и такими объектами.
Исходными данными для расчета являются: сетевая скорость передачи данных, периодичность передаваемой информации, объем информационного пакета данных, требования на задержки в канале связи; количество объектов в районе, требования к процедуре обмена данными.
Сетевая скорость передачи данных. Как правило, скорость передачи данных радиомодема устанавливается не превышающей сетевой скорости. В диапазоне 400 МГц полоса канала по требованию Государственного комитета по радиочастотам (ГКРЧ) может быть 25 и 12,5 кГц. С учетом того, что полоса сигнала не должна выходить за полосу канала, возможно обеспечить скорость передачи информации 19 200 и 9600 бит/с соответственно. При симплексном режиме возможно использовать скорость радиомодема не более 9600 бит/с.
Периодичность передаваемой информации зависит от режима: при обмене по изменению ТИ и ТС периодичность передаваемой информации — в среднем 1 раз в 5 -15 с; в режиме обмена по запросу с АРМ диспетчера — 1 раз в 15 с.
Объем информационного пакета данных зависит от режима и протокола обмена.
Количество объектов 1-го класса в районе: 5 — 7.
Требования к процедуре обмена данными зависят от режима и протокола обмена.
Асинхронный режим организации радиосети
Режим обмена по изменению ТИ и ТС — режим, при котором инициатором обмена информацией является объект. При этом время передачи информации определяется моментом формирования информационного пакета на объекте. В этом режиме процесс загрузки канала при передаче информации с объекта описывается пуассоновским пото-
ком со следующими параметрами: интенсивность потока X, время занятия канала Т [1].
Оценим загрузку канала рх, вероятность того, что канал занят Рзш1, среднее время ожидания т.
Нагрузка канала, создаваемая сеансами связи «объект — диспетчер» и «диспетчер — объект», определяется выражением:
рХ [эрл] рАРМ ^ робъект ,
где рАРМ — нагрузка, создаваемая информацией АРМ диспетчера, робъект — нагрузка, создаваемая объектом.
рАРМ = руправл ^ р квит і
где руправл — нагрузка, создаваемая командами управления диспетчером (ТР и ТУ), рквит — нагрузка, создаваемая сигналами контроллера («квитками») о подтверждении принятия сигналов (ТС и ТИ) с объекта.
руправл = Х1Т1 N11
где Х1 - величина обратная периоду опроса или интервалу управления объектом (сигналы ТУ и ТР), Т1 — длительность передаваемой информации (сигналы ТУ, ТР), N1 — количество сигналов ТУ и ТР, которое оператор может передать за период опроса или интервал управления объектом.
рквит = Х2Т2 N2,
где Х2 - величина обратная периоду обмена информацией АРМ диспетчера - объект, (сигналы «квитка»), Т2 — длительность сигналов «квитка», N2 — количество сигналов «квитка», которое равно количеству объектов.
робъект N2X3T3,
где N2 — количество объектов, Х3 - величина обратная периоду обмена информацией «объект — диспетчер», Т3 — длительность передаваемой информации (сигналы ТС и ТИ). При
♦ N1 = 1 (то есть за период обмена оператор может передавать одну команду за 1 с),
♦ N2 = 5...7,
♦ длительности информации сигналов ТС, ТИ, ТУ, ТР, равной Т3,
♦ длительности сигналов «квитка» Т2,
♦ скорости передачи 9600 бит/с
нагрузка на канал (в режиме обмена по изменению ТИ и ТС с периодичностью передаваемой информации в среднем 1 раз в 5 - 15 с) составляет от 0,04 до 0,15 эрл. При таком режиме работы при максимальной нагрузке на канал, равной 0,15 эрл, вероятность того, что канал занят, вычисляется по формуле [1]:
Рзан = Рх = 0,15.
Время ожидания свободного канала при этом определяется выражением [1]:
т = пТ/(1 - рх) » 23 мс , где п = рх = 0,15, Т — суммарная длительность сигналов ТИ и ТС.
Таким образом, в режиме обмена по изменению ТИ и ТС максимальная нагрузка канала составляет рх = 0,15 эрл, вероятность того, что канал в данный момент может быть занят, равна Рзан = 0,15 и среднее время ожидания канала т = 23 мс. Максимальное время ожидания в обоих случаях не превышает 520 - 780 мс, а максимальная задержка при обмене информацией по изменению ТИ и ТС между объектом и АРМ диспетчера не превышает 650 — 910 мс, что удовлетворяет существующему требованию.
Нагрузка на канал в режиме управления объектом при максимальной интенсивности процедуры управления диспетчером (то есть диспетчер может передавать в среднем одну команду за 1 с) примерно 0,6 эрл. При средней интенсивности процедуры управления (1 команда за 5 с), нагрузка составит 0,1 эрл. При такой нагрузке возможно в одном канале организовать и режим обмена по изменению ТИ и ТС (до пяти объектов), и режим управления объектом. При организации приоритетного режима для команд управления максимальное время от выдачи команды диспетчером до получения сигналов ТИ и ТС по команде управления определяется протоколом обмена плюс время по освобождению канала по приоритету, равному длительности максимальной посылки ТИ и ТС, передаваемой в момент подачи команды управления (примерно 130 мс). Нагрузка на канал в режиме циклического опроса объектов от 0,17 до 0,25 эрл. Таким образом, суммарная максимальная нагрузка создаваемая семью объектами составляет 1 эрл, то есть равна пропускной способности одного канала. При этом средняя нагрузка равна 0,5 эрл. Максимальная нагрузка, создаваемая пятью объектами, примерно 0,8 эрл, а средняя около 0,3 эрл.
Для предотвращения конфликтов при занятии канала в асинхронном режиме работы, возможно применить нарезку временных окон. Регулируется от 3,28 до 835,58 мс с шагом 3,28 мс. Данный параметр регулирует время нарезки временных окон для выхода всех радиомодемов в радиоэфир. Каждому модему в зависимости от его сетевого номера присваивается свое окно. Размер окна - это защитный интервал, в течение которого модем достоверно сможет занять радиоканал. Чем ближе находятся модемы, тем меньшее время требуется для достоверного опознавания другими модемами сигнала передающего модема. Для разрешения 99% конфликтов при передаче размер окна не должен быть меньше 16,38 мс. Рекомендуемый минимальный размер окна 19,66 мс. В случае если модемы находятся далеко друг от друга, рекомендуется устанавливать размер окна равным длине преамбулы. Также можно устанавливать размер окна равным максимальному времени передачи сформированных данных. Это необходимо, когда все модемы «не слышат» друг друга. Размеры, окон должны, быть одинаковыми для всех радиомодемов в сети.
Режим запроса
При этом режиме сеансы связи с объектами производятся по запросу с АРМ диспетчера. Кроме того, в этом режиме возможно и управление объектами. Режим обмена происходит следующим образом. Информация, сформированная контроллером объектового оборудования, находится в буфере радиомодема и передается только по приходе сигнала запроса с АРМ диспетчера. Контроллер АРМ диспетчера обрабатывает полученную информацию и формирует сигнал «квитка», который поступает в буфер радиомодема и должен быть передан на объект. Для того чтобы исключить задержку, возникающую за счет времени обработки информации контроллером АРМ диспетчера, модем сразу же после приема информации с объекта производит опрос следующего объекта. По приходе сигнала «квитка» модем объединяет этот сигнал с сигналом запроса очередного объекта. В случае сбоя в сеансе связи какого-либо объек-
та радиомодем диспетчера (в зависимости от настройки режима запроса) или сам запросит информацию с этого объекта, или будет ждать следующего цикла опроса. Команды управления (сигналы ТУ и ТР), инициируемые диспетчером «врезаются» в цикл опроса сразу же после окончания текущего сеанса связи (максимальная задержка не более длительности сеанса связи).
Для расчета пропускной способности канала при работе в симплексном режиме будем полагать, что циклограмма обмена информацией «диспетчер - объект» имеет структуру, представленную на рис. 1.
С учетом исходных данных в одном симплексном канале при периоде опроса 5 с (при опросе семи объектов) возможно одновременно организовать три цикла управления объектами (сигналы ТР и ТУ). При периоде опроса 15 с (при опросе семи объектов) возможно одновременно организовать до 10 циклов управления объектами (сигналы ТР и ТУ). При организации приоритета для команд по управлению объектами максимальное время от выдачи команды диспетчером до получения сигналов ТС и ТИ определяется протоколом обмена плюс время по освобождению канала по приоритету, равному длительности максимальной посылки ТС и ТИ, передаваемой в момент подачи команды управления (примерно 130 мс).
Синхронный режим
При этом способе каждому объекту выделяется временное окно для передачи данных и управления диспетчером, то есть создаются выделенные (виртуальные) каналы связи как для сбора информации с объектов (сигналы ТИ и ТС), так и для управления объектами (сигналы ТР и ТУ).
Организация сеансов связи при этом следующая: центральный радиомодем синхронизирует работу модемов своих объектов, радиомодем каждого объекта определяет свое временное окно, и в этом временном окне передает информацию на радиомодем диспетчера, а затем на контроллер АРМ (сигналы ТИ и ТС). Радиомодем диспетчера (или сам, или по сигналу с контроллера АРМ) определяет, со всех ли объектов поступила информация, формирует и посылает на объекты сигналы, подтверждающие получение информации («квитки»). В случае отсутствия информации с какого-либо объекта в сформированный сигнал добавляется сигнал повторного запроса информации и позиция временного окна, в котором объект должен повторно передать эту информацию. Для организации управления объектом (обмен сигналами ТР и ТУ) выделяются специальные временные окна. Временные диаграммы, поясняющие работу, представлены на рис. 3.
Как видно, максимальное время задержки получения «квитка» определяется выражением:
Тзадерж N (Тинфрм + Тзащит),
где Тинфрм — длительность информационного сигнала, Тзащит -длительность защитного интервала (10 мс), N — число объектов или окон (устанавливается программно), определяется из условия ограничения времени доставки «квитка».
Длительность окна (рис. 3) определяется выражением:
Т = і + і
1 окна с информ 1 *• защит •
Токна составляет 150 - 200 мс. В одном симплексном канале при периоде опроса 5 с (при опросе семи объектов) воз-
контроллер
АРМ
1-й
объект
2-й
объект
3-й
объект
4-й
объект
5-й
объект
-> t
Рис. 3 Синхронный режим работы
можно одновременно организовать 3 - 4 цикла управления объектами (сигналы ТР и ТУ). При периоде опроса 15 с (при опросе семи объектов) возможно одновременно организовать до 13 циклов управления объектами (сигналы ТР и ТУ). При этом задержка (сигналы ТР и ТУ) будет равна длительности временного окна - не более 200 мс. При каждой посылке сигналов ТР и ТУ на какой-либо объект необходимо «переназначать» временные окна для остальных объектов.
Рассмотрим пропускную способность канала при организации обмена информацией с другими классами объектов. Принимая во внимание количество таких объектов в каждом районе, организация обмена информацией возможна только в режиме запроса или синхронным способом. При этом необходимо учесть, что диспетчер должен иметь возможность управления некоторыми объектами и предусмотреть временные окна для организации переспросов.
При режиме запроса длительность одного кадра опроса примем равным минимальному периоду, то есть периоду опроса и доставки на АРМ диспетчера — 1 мин. За один кадр длительностью 1 мин. информация собирается с 20-и объектов 2-го класса, 6-и объектов 3-го класса, 6-и объектов 4-го класса и 10-и объектов 5-го класса; то есть в кадре 42 окна. Длительность слота должна быть равна максимальному периоду опроса, то есть 20 мин. (для объектов 5-го класса). Таким образом, за один слот происходит 20 циклов опроса 20-и объектов 2-го класса, два цикла опроса 60-и объектов 3-го класса, 20-и объектов 4-го класса, 1 цикл опроса двухсот объектов 5-го класса. То есть один симплексный канал позволяет «обслуживать» объекты района: 2-го класса — до 20, 3-го класса - до 60, 4-го класса - до 120, объектов 5-го класса - до 200. При этом на один сеанс «за-
прос — ответ» или сеанс управления объектами можно выделить до 1400 мс, и максимальная задержка при организации управления переспроса будет равна длительности сеанса «запрос - ответ», то есть команду управления или переспроса возможно передать сразу же после окончания очередного сеанса «запрос - ответ». При уменьшении длительности сеанса «запрос - ответ» будут появляться свободные окна, которые так же возможно использовать для организации переспросов и управления объектом.
При организации синхронного режима каждый объект передает информацию в своем временном окне (если к данному моменту времени она сформирована контроллером объекта). Для организации команд запроса или управления во временном слоте необходимо предусмотреть свободные окна. Длительность временного окна выбирается из условия максимально возможной информационной посылки. По приведенным данным для управляемых объектов максимальный блок, если все ТС и ТИ изменились, равен 326 б. С учетом защитного интервала при скорости 9600 бит/с, длительность временного (информационного) окна должна быть не менее 300 мс. Длительность одного кадра опроса примем, как при режиме запроса, равным 1 мин. Структура кадра и слота такая же, как при режиме запроса.
При длительности окна 300 мс суммарное время сбора информации составляет 12,6 с, а при длительности окна 500 мс — 22 с. При этом суммарное время свободных окон 47,4 и 38 с соответственно. Таким образом, при длительности цикла запроса (управления) 900 мс, возможно осуществить более 40 -50 циклов в минуту соответственно. Циклы управления объектами или команды переспроса могут врезаться в любой момент времени в циклограмму опроса объектов. При этом необходимо заново формировать инфор-
Рис.4. Пример временного слота в режиме «запрос - ответ»
мационные временные окна для остальных объектов, и они передают свою информацию со сдвигом на время цикла запрос/управление. Также для этих команд возможно организовать свободные временные окна, чередующиеся с информационными окнами. При этом в обоих случаях максимальная задержка при управлении (сигналы ТР и ТУ) будет равна длительности информационного окна - от 300 до 500 мс.
Пример временного слота в синхронном режиме представлен на рис. 4.
Таким образом, можно сформулировать следующие рекомендации.
Учитывая технологические особенности объектов 1-го класса, состав, назначение и виды передаваемой информации, достоверность передачи информации, требования к задержкам в канале связи, для организации обмена данными необходимо выделить отдельный симплексный канал связи.
Один симплексный канал связи позволяет организовать режим сбора информации (сигналы ТИ и ТС) и режим управления (сигналы ТР и ТУ) каждого объекта 1-го класса.
При асинхронном режиме один симплексный канал позволяет «обслуживать» до семи объектов 1-го класса с заданными требованиями. Техническая реализация такого режима проще, чем синхронного.
Реализация асинхронного режима возможна только при условии, что каждый объект сети находится в зоне «радиовидимости» остальных объектов. При увеличении количества объектов 1-го класса в районе необходимо переходить
на синхронный режим работы. При этом организацию синхронного режима работы должен осуществлять контроллер сети.
При увеличении количества циклов управления объектов 1-го класса (сигналы ТР и ТУ) необходимо организовать дополнительный канал связи или переходить на синхронный режим работы.
Для организации обмена информацией с другими классами объектов выделяется отдельный симплексный канал связи. При этом один симплексный канал позволяет мониторить достаточно большое число объектов (сигналы ТИ и ТС) и одновременно организовать до 40 циклов управления объектами (сигналы ТР и ТУ) за 1 мин. Максимальная задержка при управлении (сигналы ТР и ТУ) будет равна длительности временного окна - не более 500 мс.
На один район, в котором расположены все классы объектов, необходимо, как минимум, две симплексные частоты.
Структурное построение сети. Схема организации связи
Структурное построение радиосети передачи данных должно соответствовать организационной структуре подразделений ЖКХ с учетом территориального размещения объектов и их взаимодействия. Структура сети должна иметь многозоновую конфигурацию. Количество зон определяется количеством районов, в которых функционируют данные подразделения ЖКХ. Месторасположение БС зо-
ны, как правило, определяется месторасположением диспетчерских пунктов. Зона обслуживания каждой БС определяется размером территории района, вводимые объекты района и пункты контроля должны попадать в зону действия БС. По схеме организации связи каждая зона должна иметь вид связи «точка — много точек», то есть каждый объект района связан со своей БС. В этих зонах структурное построение сети такое, при котором каждая зона имеет свою пару частот. Одна частота выделена для контроля и управления объектами 1-го класса района, другая — для остальных объектов этого района. Функции по организации связи в таких сетях могут выполнять сами радиомодемы, в зависимости от того, какой режим радиосвязи реализуется в каждой конкретной зоне. Например: для контроля и управления объектами 1-го класса района при количестве объектов не более пяти целесообразно реализовывать наиболее простой - асинхронный режим. Для контроля и управления остальными объектами района, как указывалось выше, используется синхронный обмен информацией. При этом организацию обмена информацией между диспетчером и объектами района можно возложить на радиомодемы, в программе управления каждым модемом «прописывается» алгоритм его работы. Например, временные окна для передачи и приема информации, процедура выбора временного окна для нештатной передачи информации. При реализации сложных процедур обмена информацией организацию связи в радиосетях, как правило, выполняет контроллер сети. В функции контроллера сети входят задачи управления сетью, диагностика сети, конфигурирование сети, функции интерфейса с контроллерами объектов, изменения параметров сети (например, радиочастоты, мощности передатчика и т.д.), сбор статистики работы сети и пр. В некоторых радиомодемах их функциональные возможности позволяют решать данные задачи.
Для организации обмена информацией между диспетчером и объектами 1-го класса возможен асинхронный режим работы. Поскольку количество объектов 1-го класса мало, каждый из них находится в зоне видимости остальных объектов этого класса и БС. Однако, в случае увеличения количества этих объектов в данной зоне следует реализовывать синхронный режим работы. Организация обмена информацией между ДДП и остальными объектами возможна только в синхронном режиме. Здесь радиомодем центральной БС осуществляет так называемую первичную синхронизацию радиомодемов БС. Вторичную синхронизацию объектов осуществляет радиомодем соответствующей БС. Принцип формирования временного слота (кадра) аналогичен формированию слота в синхронном режиме при обмене информацией одной БС со своими объектами. В структуру слота необходимо ввести временные фрагменты обмена информацией каждой БС со своими объектами, сгруппированными по типу объектов. Например, при нахождении в общей зоне обслуживания шести БС целесообразно выбрать размер кадра в 1/6 от минимального периода опроса, то есть 10 с. Для данного примера «обслуживаемое» количество объектов на каждую БС за длительность кадра 10 с приведено в табл. 1. Каждое второе окно свободно и может быть использовано для организации запроса и управления объектами.
Пакетная радиосеть «Интеграл»
Пакетная радиосеть «Интеграл» построена на основе радиомодема «Интеграл-400» и его модификаций.
1. Базовая конфигурация сети:
♦ «точка — точка» - стандартное соединение модемов в простую сеть, в которой каждый радиомодем находится в зоне радиовидимости остальных и/или центрального модема;
♦ ««точка — много точек» - сложное соединение модемов в сеть, состоящую из нескольких простых сетей типа ««точка — точка»; синхронизация такой сети осуществляется посредством центральной и нескольких базовых станций.
2. Тип станций:
♦ терминальная станция (ТС) - модем, не выполняющий синхронизации в сети;
♦ базовая станция (БС) - модем, осуществляющий вторичную синхронизацию от. центральной станции и/или собирающий данные от группы других модемов; используется только в сети «точка — много точек»;
♦ центральная станция (ЦС) - модем, осуществляющий постоянную, периодическую, первичную (начальную) синхронизацию всей сети.
3. Адресация (номер получателя):
♦ персональный сетевой номер модема, которому данный модем всегда передает полученные данные; меняется от 0 до 254;
♦ вещательный; данные принимают и отдают в COM-порт все модемы (ALL).
♦ адресный (определяется контроллером); сетевой номер модема, которому данный модем передает полученные данные, определяется первым байтом в начале каждого блока данных.
4. Сетевой номер - идентификационный номер модема в сети, номер по которому модем занимает свое окно, когда используется синхронизация сети. Номер также используется для передачи диагностических данных, дистанционного управления, адресной передачи данных. В сети «точка - точка» данный параметр меняется от 0 до 254. В сети ««точка - много точек» -от 0 до 4094.
5. Параметры сети «точка — много точек». Рассматриваемая система связи реализует временное разделение абонентов (модемов), причем за каждым абонентом закреплено временное окно - время, в течение которого абонент имеет возможность передавать данные. Множество абонентов, имеющих одинаковый период опроса, объединяется в синхрогруппы (СГ). ЦС осуществляет постоянную, периодическую, первичную (начальную) синхронизацию всей сети. БС осуществляет вторичную синхронизацию от ЦС и/или собирающие данные от СГ. Длина кадра может изменяться от 2 до 256. Максимальное время опроса всех СГ не должно превышать 15 мин.
Параметры:
♦ количество БС - количество базовых станций, параметр меняется от 0 до 15;
♦ количество синхро-БС - число базовых станций, выполняющих вторичную синхронизацию своих СГ; меняется от 0 до 15;
Таблица 1
Объект Количество опрашиваемых объектов одной БС в одном кадре Суммарное время на каждую группу объектов, с Количество опрашиваемых объектов за 1 мин. Период опроса, мин. Общее количество объектов на одну БС
Объекты 1-го класса 10 3 10 1 10
Объекты 2-го класса 1 0,3 1 1 1
Объекты 3-го класса 1 0,3 1 10 10
Объекты 4-го класса 2 0,6 2 10 20
Объекты 5-го класса 1 0,3 1 20 20
ГДП 1 0,3 1 1 10
ВСЕГО ~5 с
♦ количество СГ - число синхрогрупп абонентов; меняется от 1 до 128.
♦ число кадров в периоде опроса - число кадров, необходимое для полного опроса всей сети; меняется от 1 до 4094.
♦ длина кадра - число окон в кадре; меняется от 2 до 254.
♦ число окон для переспроса - число окон, зарезервированных для осуществления квитирования в сети; меняется от 0 до 255.
♦ максимальный номер в СГ - максимальный номер модема в СГ, которой принадлежит данный модем; меняется от 1 до 4094.
♦ минимальный номер в СГ - номер модема, с которого начинается СГ, которой принадлежит данный модем; меняется от 1 до 4094; в пределах одной СГ номера должны идти последовательно и не пересекаться с номерами других СГ; общее число абонентов в такой сети 4094. Высокоскоростной радиомодем предназначен для передачи всех типов данных, для систем сбора и обработки информации, телеметрических и управляющих систем. Модем обеспечивает полностью прозрачную передачу данных, совместим с различными типами терминальных устройств и с их протоколами. Модем имеет логический блок, выполняющий также функции контроллера сети, позволяет конфигурировать любую радиосеть, создавать любую коммуникационную систему, организовать как синхронную, так и асинхронную работу сети с многоуровневой системой приоритетов. Поддерживает режимы работы «точка-точка», ««точка - много точек», режим ретрансляции.
Программное обеспечение системы состоит из следующих основных модулей:
♦ система управления сетью (конфигурирование сети);
♦ система управления радиотерминалом (конфигурирование радиомодема);
♦ система диагностики.
Дополнительное программное обеспечение обеспечивает предварительную обработку пакетов, полученных от радиомодема и передачу их для дальнейшей обработки системы. Программой ведется журнал событий. При использовании
дополнительного кабеля RS-232 осуществляется управление радиосетью (радиомодемами в сети). Для этого может использоваться программа, входящая в стандартную поставку. Оптимизировать работу отдельных узлов и сети в целом позволяет специальное программное обеспечение для мониторинга сети, которое встроено в каждый узел (радиомодем) сети, позволяя тем самым осуществлять легкую инспекцию сети. Для изменения/мониторинга системой доступны следующие параметры узлов:
♦ параметры радиосвязи (частота, мощность передачи и т.д.);
♦ параметры связи (сетевой адрес, доступ к радиоканалу, модуляция и т.д.);
♦ параметры коммуникационных портов (скорость, протокол и т.д.);
♦ сервисные функции (состояние блоков радиомодема, работоспособность, сообщения об ошибках, полный доступ к памяти, обновление программного обеспечения узла, программный перезапуск, аппаратный сброс).
Для диагностики:
♦ наблюдение за работой радиоканала и портов;
♦ журнал событий, содержащий информацию о соотношении проведенных операций и ошибок;
♦ списки вызова и передачи содержат информацию о принятых и переданных пакетах данных, их частотах, номерах и пр.;
♦ тесты обеспечивают диагностику радиосети, определение частоты ошибок, времени ответа и пр.
Основные тактико-технические характеристики радиомодема «Интеграл-400» приведены в табл. 2.
Дополнительные характеристики радиомодема «Интеграл-400»:
♦ последовательный порт для подключения терминальных устройств;
♦ диапазон скоростей по порту 19,2 — 115 кбит/с (RS-232);
♦ установочный порт для конфигурирования и диагностики сети (RS-232);
♦ полудуплексный и симплексный режим;
Рабочая частота (разбит на диапазоны), МГц 401 - 486
Класс излучения 8K5F1D, 16K0F1D
Полоса частот канала, кГц. 25 и 12,5
Шаг сетки частот, кГц 12,5 или 25
Частотная стабильность 2,5 PPM
Выходная мощность (регулируемая, в зависимости от модификации), Вт 5 и 20
Вид модуляции GMSK
Максимальная девиация (для аналогового сигнала), кГц ±5
Чувствительность (12дБ SINAD), мкВ 0,3
Уровень побочных излучений, мкВт, не более 2,5
Сопротивление антенны, Ом 50
Температурный диапазон, °С. -30... +50
Питание, В 13,6; 16 ±10%
Потребляемый ток
♦ режим приема, мА 300
♦ режим передачи, А
- при мощности 5 Вт 3
- при мощности 20 Вт 10
♦ полностью прозрачное функционирование;
♦ возможность дистанционной и (on-line) диагностики и конфигурирования;
♦ идентификационные номера;
♦ допускает передачу стандартного речевого сигнала с полосой 0,3 — 3,4 и максимальной девиацией 5 кГц;
♦ рабочие характеристики и программы диагностики устанавливаются с помощью встроенного программного обеспечения через ПК;
♦ не ограничено время непрерывной работы.
Таким образом, на основе радиомодема «Интеграл-400» можно создавать современные технологические системы сбора и обработки информации, телеметрические и управляющие системы, наиболее полно отвечающие требованиям ЖКХ.
Литература
1. Б.В. Гнеденко, И.Н. Коваленко. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Издательство ЛКИ, 2007. -400 с.
Уважаемые читатели!
Вы можете оформить редакционную подписку на 2009 г. по тел./факс: +7(495) 661-6857, тел.: +7(963) 636-8984 Журнал выходит один раз в два месяца. Подписка оформляется через подписные агентства:
^ РОСПЕЧАТЬ (подписной индекс 80636);
□ ИНТЕР-ПОЧТА, тел.: (495) 500-0060, 580-9580;
□ ВСЯ ПРЕССА, тел.: (495) 787-3449;
□ УРАЛ-ПРЕСС, тел.: (495) 789-8636, 789-8637.
□ ИНФОРМНАУКА, (в т .ч. для стран ближнего и дальнего зарубежья) тел.: (495) 152-5481.
