Использование беспроводной сенсорной сети в SCADA-системе Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Бедяев П.Ю. ®

Бакалавр, кафедра Автоматизированные системы обработки информации и управления, Московский государственный технологический университет «Станкин»

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БЕСПРОВОДНОЙ СЕНСОРНОЙ СЕТИ В 8СЛБЛ-СИСТЕМЕ

В данной статье рассматривается технология передачи данных на по беспроводной сенсорной сети между оконечными элементами (датчиками) и диспетчерским терминалом.

Диспетчерский контроль и сбор данных (SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition) является основным и в настоящее время остается наиболее перспективным методом мониторинга и автоматизированного управления сложными динамическими системами (процессами) в жизненно важных и критичных с точки зрения безопасности и надежности областях. Именно на принципах диспетчерского управления строятся крупные автоматизированные системы в промышленности и энергетике, на транспорте, в космической и военной областях, в различных государственных структурах [1].

Все современные SCADA-системы включают три основных структурных компонента:

Рис. 1 Общая структура современной SCADA системы

Remote Terminal Unit (RTU) - удаленный терминал (датчик), подключающийся непосредственно к контролируемому объекту и осуществляющий обработку задачи (управление) в режиме реального времени.

Master Terminal Unit (MTU), Master Station (MS) - диспетчерский пункт управления (главный терминал); осуществляет обработку данных и управление высокого уровня, как правило, в режиме «мягкого» (квази-) реального времени.

Communication System (CS) коммуникационная система (каналы связи) между RTU и

MTU.

Новейшие технологии беспроводной связи и прогресс в области производства микросхем позволили в течение последних нескольких лет перейти к практической разработке и внедрению нового класса распределенных коммуникационных систем — сенсорных сетей. Сенсорные сети (mesh-сети) базируются на стандарте IEEE 802.15.4 и его программной надстройке - ZigBee. Официальная спецификация IEEE 802.15.4

® Бедяев П.Ю., 2010 г.

выпущена в 2003г., доработана в 2005г.; на его основе создана полная спецификация ZigBee 2006; последняя версия изменений к спецификации ZigBee датирована четвертым кварталом 2007 года. Некоторые характеристики радиопередачи данных для стандарта IEEE 802.15.4 приведены в табл. 1.

_Таблица 1. Характеристики радиопередачи данных для IEEE 802.15.4_

Полоса частот, МГц Нужна ли лицензия Географический регион Скорость передачи данных, Кбит/с Число каналов

868,3 Нет Европа 20 1

902-928 Нет Америка 40 1-10

2405-2480 Нет Весь мир 250 11-26

С мая 2007 года в России сертифицированы устройства 802.15.4, мощность излучения которых не превышает 10 мВт на открытой местности и 100 мВт в помещении [2].

Беспроводные сенсорные сети (wireless sensor networks) состоят из миниатюрных вычислительно-коммуникационных устройств — мотов (от англ. motes — пылинки), или сенсоров. Мот представляет собой плату размером обычно не более одного кубического дюйма. На плате размещаются процессор, память — флэш и оперативная, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, радиочастотный приемопередатчик, источник питания и датчики. Датчики могут быть самыми разнообразными; они подключаются посредством цифровых и аналоговых коннекторы. Питание мота осуществляется от небольшой батареи. Время автономной работы - до нескольких лет, в зависимости от времени непрерывной передачи данных. Моты используются только для сбора, первичной обработки и передачи сенсорных данных [3].

Рис.2. Топология сенсорной сети. В технологии ZigBee используются два типа устройств различной сложности: - Полностью функциональное устройство (FFD - Full Function Device) способно принимать и передавать данные, в том числе и чужие, по цепочке. При объединении FFD-устройств могут быть реализованы топологии «звезда», «каждый с каждым», «кластерное дерево».

- Устройство с ограниченным набором функций (RFD - Reduce Function Device) -это самый простой тип, который может только переговариваться с координирующим устройством. При объединении в сеть RFD может использоваться только в топологии «звезда».

Кроме деления на FFD и RFD в спецификации ZigBee определены три типа логических устройств:

- координатор сети;

- маршрутизатор;

- оконечное устройство.

Координатор инициализирует сеть, управляет сетевыми узлами, хранит информацию о настройках каждого сетевого узла, задает номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID. Маршрутизатор отвечает за выбор пути доставки сообщения, передаваемого по сети от одного сетевого узла к другому. Скорость передачи данных между устройствами зависит от числа занятых каналов и находится в диапазоне от 20 до 256 кбит/с. Дальность передачи данных составляет от 10 до 30 метров, в условиях прямой видимости - до 300 метров (в зависимости от исполнения) [3].

Институтом точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН по заказу ФГУП «Ангарский электролизный химический комбинат» проведена проверка возможности применения сенсорной сети на основе технологии IEEE 802.15.4/ZigBee в жестких условиях производства ядерного топлива (радиация, повышенные ЭМИ, существенные расстояния). Результаты испытания удовлетворили заказчика.

Преимущества технологии сенсорных сетей [4]:

- отсутствие необходимости в прокладке кабелей;

- возможность конструирования систем из множества автономных сенсоров, нескольких автономных ретрансляторов и одного мощного стационарного приемопередатчика;

- возможность контролировать состояние различного типа механического оборудования — в том числе движущихся и вращающихся деталей;

- удаленная настройка чувствительности датчиков (обратная связь);

- расширяемость — возможность добавления любых новых типов датчиков.

Преимущества для эксплуатирующей организации [4]:

- быстрота развертывания системы;

- простота технического обслуживания;

- отказоустойчивость и надежность в жестких условиях эксплуатации;

- низкая стоимость внедрения и технического обслуживания системы.

Таким образом, в данной статье была рассмотрена технология передачи данных на по беспроводной сенсорной сети между оконечными элементами (датчиками) и диспетчерским терминалом по такому то протоколу в соответстии с таким то стандартом.

Литература:

1. http://www.promsoftsystems.ru/articles/scada.html

2. IEEE 802.15.4 и его программная надстройка ZigBee Е. Баранова, Телемультимедиа, 8 мая 2008 г. http://www.telemultimedia.ru/art.php?id=292

3. http://www.compress.ru/article.aspx?id=17950&iid=831

4. Институт точной механики и вычислительной техники им. С. А. Лебедева РАН http://www.ipmce.ru/custom/sensornetworks/technology/