CC BY
20
РАЗРАБОТКА БЕСПРОВОДНОЙ СЕТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ НА БАЗЕ СТАНДАРТА КД100.11Д В УЧЕБНОЙ ЛАБОРАТОРИИ llYOKOGAWAll
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10321
Шарифуллина Альбина Юрьевна,
Казанский национальный исследовательский технологический университет, Казань, Россия, zarim@rambler.ru
Ахмерова Алия Ниязовна,
Казанский национальный исследовательский технологический университет, Казань, Россия, sautp@yandex.ru
Зарипова Римма Солтановна,
Казанский национальный исследовательский технологический университет; Казанский государственный энергетический университет Казань, Россия, zarrimma@mail.l
Ключевые слова: автоматизация, беспроводные сети, энергетические и информационные параметры сети, сетевой протокол, передача данных, компьютерные сети, обработка данных, сети передачи данных, принцип создания компьютерных сетей.
Данная статья рассматривает разработку проекта по организации беспроводной сети передачи данных в учебном лабораторном комплексе "Yokogawa" Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ), предназначенного для проведения практических и лабораторных занятий со студентами профильных специальностей университета и слушателями факультета повышения квалификации. Рассмотрены возможности беспроводной полевой системы. Приведена обобщенная трехуровневая структурная схема комплекса средств автоматизации лабораторного комплекса "Yokogawa" на базе беспроводного оборудования. Также проведен подбор беспроводного оборудования для реализации системы автоматизации лабораторного комплекса "Yokogawa" на базе стандарта ISAI00.lla. Приведены также основные этапы расчета беспроводной промышленной сети, в частности: расчет информационной нагрузки сети, расчет энергетически параметров сети, частотно-территориальное планирование, разработка схемы организации связи и сопряжение с внешними сетями. Произведен расчет информационной нагрузки сети с использованием методики Назарова, расчет энергетических параметров сети с учетом общих потерь при распространении радиоволн, включающих потери в свободном пространстве, потери в перегородках и стенах внутри здания, потери из-за помех и замирания сигнала.
Информация об авторах:
Шарифуллина Альбина Юрьевна, старший преподаватель, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Казань, Россия
Ахмерова Алия Ниязовна, старший преподаватель, Казанский национальный исследовательский технологический университет, Казань, Россия
Зарипова Римма Солтановна, к.т.н., доцент, Казанский национальный исследовательский технологический университет; Казанский государственный энергетический университет, Казань, Россия
Для цитирования:
Шарифуллина А.Ю., Ахмерова А.Н., Зарипова Р.С. Разработка беспроводной сети передачи данных на базе стандарта ISA 100.1 1A в учебной лаборатории "YOKOGAWA" // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2019. Том 13. №11. С. 20-24.
For citation:
Sharifullina A.Y., Achmerova A.N., Zaripova R.S. (2019). Development of wireless data network for data transfer in the "YOKOGAWA" laboratory knitu on the basis of ISA100.11A standard. T-Comm, vol. 13, no.11, pр. 20-24. (in Russian)
Y
В настоящее время стремительный рост популярности беспроводных сетей в области передачи данных обусловлен удобством их применения, дешевизной И приемлемой пропускной способностью. Таким образом, можно прийти к выводу, что использование беспроводных сетей в ряде случаев является более рациональным решением, нежели применение проводных сетей.
К возможностям беспроводной полевой системы можно отнести;
• высокую гибкость при размещении устройств, что дает возможность осуществить размещение беспроводных у строй ста в таких местах, где работа проводных устройств невозможна или неэкономна;
• наличие интерактивной, цифровой сети, обеспечивающей многочисленные информационные функции связи, включая мониторинг состояния устройств, мониторинг СОСТОЯНИЯ диагностики и регулировку параметров устройств, а также значений процесса;
• автономность, обусловленную работой беспроводных датчиков от внутреннего блока батарей;
• высокая степень защиты от несанкционированного доступа и утечки любой информации, которые обеспечиваются контролем точки подключения и использованием надежных алгоритмов шифрования.
В статье рассмотрена разработка проекта по организации беспроводной сети передачи данных в учебном лабораторном комплексе «Yokogawa» в КНИТУ [1-3J на базе стандарта ISA 100.1 la. В ходе разработки было выбрано оборудова-
ние, а также произведен расчет параметров, которые необходимы для создания беспроводной сети.
Учебный лабораторный комплекс «Yokogawa» КНИТУ предназначен для проведения практических и лабораторных занятий со студентами профильных специальностей университета и слушателями факультета повышения квалификации [4, 5].
В состав комплекса входят три лабораторные установки:
— лабораторный стенд, имитирующий работу узла учета тепловой энергии;
— лабораторный стенд, имитирующий работу узла коммерческого учета жидких продуктов (энергоносителей);
— лабораторный стенд, имитирующий работу узла коммерческого учета газообразных энергоносителей.
На рисунке I представлена структурная схема комплекса технических средств автоматизации лабораторного комплекса «Yokogawa» на базе беспроводного оборудования. Условно её можно разбить на три уровня.
Первый уровень включает в себя датчики и исполнительные устройства.
На втором уровне размещается контроллер CENTUM VP, который выполняет функции управления.
Третий уровень представлен рабочими местами студентов, станцией инженера, менеджером ресурсов КИП, беспроводным ПК для управления YFGW 410.
В комплект ЭВМ могут входить принтер, сенсорные экраны, устройства обмена информацией (контроллеры интерфейсов, модемы), источники бесперебойного питания, звуковые устройства, различные накопители информации и прочее.
Отпели
С ТЦПЯЩ
Mrtif-ДАгр ресурс П ПЕЛ
fe3 fei fe*? U fe3 fei fei_fer?
I I I I I.I__L
■an
CENTUM VP
hrr njWiiii'OHI'fl
ПК au
ш тарлилоц
YFGVM1Q
L2SW
YFGW410 —CTM^ut управлений
GecnooeoowUH сетлми КИП
[ USW
—-^¡"j. _ YFGW41€ - станция
улоавпемп) I бес тфоведчыми Iсетями КИП I¡резервнаяI
YFtiWMO —
nrï Ilpï4tOjH*4 доступ*
* ' • * * * * *
V t V V
V
у
У
YFGW510—
Ott ПрОвОДИ*!
ТОЧЬ-Й лен-тупи
I
*
YFGW5I0-
cx-c проводим
YFGW5W — скч'провсоинн точки доступ*
YTGWM0—
V i Ь i WWWWWWWW
WWWWWWW
w V w у v
Рис. 1. Структурная схема комплекса технических средств автоматизации лабораторного комплекса на базе беспроводного оборудования
7ТТ
Связь между устройствами 1-го и 2-го уровней АСУ ТП осуществляется при помощи унифицированного открытого промышленного протокола связи ISA 100,11а для дальнейшей передачи по беспроводному соединению. А связь между устройствами 2-го и 3-го уровня осуществляется на базе специализированных промышленных компьютерных сетей, которые обеспечивают полный цикл обмена данными между устройствами в рамках одной секунды. 3-й уровень АСУТП должен быть обеспечен программно-аппаратным и средствами для подключения к информационно-управляющей системе лабораторного комплекса.
Для реализации системы автоматизации лабораторного комплекса на базе стандарта lSA100.Ua предлагается заменить существующее оборудование беспроводным оборудованием.
Для измерения рабочих температур задействованы платиновые термопреобразователи сопротивления и термопары в комплекте с беспроводными преобразователями YTA510, которые осуществляют преобразование сигналов от датчиков измерения температуры в унифицированный открытый промышленный протокол связи ISA 100.1 la [6]. Преобразователь модели YTA510 имеет два входа, что позволяет выбрать режим измерения дифференциальной температуры или режим среднего значения температуры в зависимости от поставленной задачи. Функция резервирования позволяет производить автоматическое переключение на резервный датчик, тем самым повышая надежность использования данных преобразователей на опасных производственных объектах.
Давление на измерительных линиях измеряется с помощью беспроводного датчика абсолютного и избыточного давления EJX510B. Измеряемые среды: жидкости, пар и газы. Технология PPharp, реализованная в данных датчиках, позволяет реализовать одновременное измерение дифференциального и статического давления [7]. Для этой технологии не требуются дополнительные датчики давления.
Измерение перепада давления на фильтрах, измерение уровня, расхода и плотности будет осуществляться с помощью беспроводного датчика измерения давления и перепада давления EJX110B, принцип действия которого основан на гидростатическом методе [8J. Одновременно датчик также можно использовать в качестве сигнализатора давления благодаря функции измерения рабочего давления.
Для создания распределенной беспроводной сети стандарта ISA 100 с возможностью управления топологией предлагается использовать беспроводную точку доступа контрольно-измерительного прибора YKGW510, которая обеспечивает надежную связь е беспроводными устройствами [9].
Наличие различных интерфейсов связи позволяет подключать беспроводную точку доступа контрольно-измерительного прибора через различные типы интерфейсов, а встроенная функция Duocast осуществляет надежное резервирование на каждом уровне беспроводной сети.
Станция управления беспроводными сетями контрольно-измерительного прибора YFGW410 стандарта ISA 100 реализует функции маршрутизатора, осуществляет безопасную работу сети вместе с беспроводной точкой доступа YFGW510, а также выполняет обновление программного обеспечения и программного обеспечения беспроводных датчиков [10].
Основные особенности станции управления:
- применение архитектуры дискретного типа, которая обеспечивает организацию резервированной конфигурации подключения двух устройств YFGW 510;
- конфигурация управления доступом, тем самым несанкционированный доступ пресекается благодаря контролю точки подключения;
- функция резервирования (Duocast) стандарта ISA 100,11а, что увеличивает надежность связи беспроводных контрольно-измерительных приборов путем одновременного приема данных с нескольких устройств YFGW 510;
- кэширование данных, собираемых посредством связи с беспроводными устройствами КИП, что позволяет использовать радиочастотный диапазон.
Помимо подбора оборудования необходимо произвести расчет информационной нагрузки сети и расчет энергетических параметров сети [ 11J.
Расчет информационной нагрузки проведен по методике Назарова. Ожидаемая нагрузка С учетом количества абонентов и числа заявок определяется как:
Вк = NK Тк • vK -Вк Ш
"inp a6i *с f t max» '
где jV* — число абонентов /i-ой службы на объекте i; у* - число заявок, поступающих от абонента А'-ой службы в единицу времени, равное:
Г?=Ф, (2)
уК _ 7чнн 1
' 3600'с1
(3)
где у*нн - число вызовов А'-ой службы в час наивысшей нагрузки (ЧИН)-, Т* — средняя длительность сеанса связи абонента в единицу времени; максимальная скорость
Л'-ой службы.
В данном случае под абонентами подразумеваются используемые датчики, количество которых находится по формуле:
Л&=46. (4)
Рассмотрим случай максимальной загрузки, когда все датчики опрашиваются одновременно, т.е. )\цШ =46, при
этом Тк =5 с. Тогда скорость передачи данных по стандарту КА 100.11 а будет:
= 256кбит/сек. (5)
Суммарная ожидаемая нагрузка на маршрутизатор сети вычисляется по формуле:
(6)
Далее выполним расчет минимальной пропускной способности, для реализации одной услуги (внешняя электронная почта) на прикладном уровне. Число заявок при этом будет определяться как:
= 0128, (?)
3600 3600
Таким образом, нагрузка на прикладном уровне будет равна: В\п = 46 ■ 5 • 0,0128 ■ 256 = 753,664кбит /с. (8)
При этом данная нагрузка на транспортном уровне увеличится на величину К1СР =1,0156.
въ,Р ■
В результате ожидаемая нагрузка на транспортном уровне будет равна;
Ктср = ктср ■ б1пр -1,0156-753,664 - 765.42 кбит /с. (9)
Проектируемую беспроводную сеть нужно подключать по интерфейсу ШОВазеТХ и выше. Нагрузка на сетевом уровне будет соответственно вычисляться как
В^ = Кт - ВТга> = 1,0156- 765,42 = 777,362кбит/с. (10) Стандарт ЮОВАвЕ-ТХ позволяет передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. При этом в качестве физической среды передачи информации используется кабель, представляющий собой две витые пары. Длина линии связи не должна превышать 100 метров. Передача информации в направлении «туда и обратно» осуществляется по отдельной витой паре, обеспечивая при этом суммарно до 100 Мбит/с общей пропускной способности. Следовательно, один стандартный кабель 5-й категории можно использовать для организации двух 100-мегабитных каналов связи.
При расчете энергетических параметров сети нужно учитывать общие потери при распространении радиоволн, включающие в себя потери в свободном пространстве, в перегородках и стенах внутри здания, а также потери из-за помех и замирания сигнала, т.е.:
1Ы>щ =1« +1ст С11)
где Ьо6щ — общие потери при распространении радиоволн;
£и — потери в свободном пространстве; Ьст - потери в перегородках и стенах внутри здания; Ь —потери из-за помех и замирания сигнала.
Дальность определяется но методике расчета потери в свободном пространстве:
Ш = 33 + 20 {+ ), (12)
где - потери в свободном пространстве, дБ; Р - центральная частота канала системы связи, МГц; О - расстояние между двумя точками, км.
вычисляется как сумма усиления системы: Г№=Р1+в,+в,-РтЫ-Ь1-Ь,-Ьп, (13)
где Р - мощность передатчика, дБ мВт; С, - коэффициент усиления передающей антенны, дБ; Сг - коэффициент усиления приемной антенны, дБ; Р - чувствительность приемника на заданной скорости, дБ мВт; Ц - потери сигнала в кабеле и разъемах передающего тракта, дБ; ¿г - потери сигнала в кабеле и разъемах приемного тракта, дБ; Ь„ - ослабление электромагнитной волны в предметах. Так как установка располагается в пределах одной комнаты, то потерями в предметах можно пренебречь.
Для учета некоторых возмущающих факторов, оказывающих влияние на дальности связи, в расчет РЗЬ вводится такое понятие, как запас в энергетике радиосвязи 50Л/ (дБ): = УдБ -даМ, (14)
Таким образом, получаем формулу дальности связи:
ГШ 33 ]
Я=10и 20 * [ (15)
Затем подсчитаем суммарное усиление системы и дальность действия с учетом характеристик:
FSL = ll,6+2+2-(-9Q)-l-l-10 = 93,6di>f (16)
(17)
,93,6 33 v,,,, (----log 2425)
D -10 211 - 0,442 км = 442.w,
Выводы
11роект беспроводной сети будет реализован на стандарте ISA 100.1 la с применением пяти точек доступа YFGW510 для возможности резервирования и масштабирования.
Сеть будет управляться компьютером с помощью беспроводной полевой станции управления, подключенной через коммутатор третьего уровня с помощью кабеля САТ-5е С коннектором RJ-45, Станция управления будет подключаться к точкам доступа через коммутаторы второго уровня с помощью кабеля САТ-5е с коннектором RJ-45. Подключение станций к контроллеру гак же будет организовано через коммутатор второго уровня с помощью кабеля СЛТ-5е с коннектором Rj-45.
В статье приведены расчет информационных характеристик сети и расчет энергетических параметров сети, в ходе которых выявлено, что информационная нагрузка на сеть передачи данных составляет 777,362 кбит/с, суммарное усиление системы составляет 93,6 дБ, дальность действия - 442 м. Произведен выбор оборудования. Выбраны точки доступа КИП YFGW510. Рабочий диапазон частот составляет 2,4 ГГц.
Литература
1. Нургачиев Р.К., Кузышн В.В., Куликов Ю-А., Чупаев A.B., Гилнлша P.P., Г'айнуллина A.A. Лабораторный стенд для изучения приборов тегшоучста к автоматизированных систем энергосбережения Н Вестник Казанского технологического университета, 2013. Т. 16. №1. С. 74-75.
2. Нургалиев Р.К., Кузьмин В.В.. Куликов Ю.А., Чупаев A.B., Галямов P.P., Гашуллииа A.A. Лабораторный стенд для изучения систем автоматизации узлов коммерческого учета жидких продуктов // Вестник Казанского технологического университета, 2013, Т.16, №1. С. 67-69.
3. Нургалиев Р.К., Кузьмин В В., Куликов /O.A., Чупаев A B.. Гаяямов P.P.. Гайпуллина A.A. Лабораторный стенд для изучения систем автоматизации узлов коммерческого учета газообразных энергоносителей // Вестник Казанского технологического университета, 2013. Г. 16. Jfel. С, 197-198.
4. Ромашкин В.А., Шакиров A.A., Зарипова P.C. Информационные технологии и их внедрение в процесс обучения // «Цифровая культура открытых городов»: Сборник материалов Международной научно-практической конкуренции. Екатеринбург, 2018. С. 440-443.
5. Галиулмша Э Р.. Зарипова P.C. Т енденции современного образования технических специалистов II Состояние и перспективы развития ИТ-образования: Сборник докладов и научных статей Всероссийской научно-практической конференции. Чебоксары, 2018, С. 304-307.
6. Беспроводные преобразователи измерительные YTA5I0 [Электронный ресурс]. URL: http://www.yokogawa.ru/products/kip/wireless_solutions/ yta510/ (дата обращения 26.10.2019).
7. Датчики абсолютного и избыточного давления модели EJX510B и EJX530B [Электронный ресурс]. URL; https://yokogawa.nt-rt.ru/images/manuals/EJ510В,pdf (дата обращения 26.10.2019).
8. Датчики давления и перепада давления EJX1 10В, EJX3I0B и EJX430B [Электронный ресурс]. URL: https://yokogawa.nt-rt.ru/images/mamials/EJl 10В.pdf (дата обращения 26.10.2019).
9. Беспроводная точка доступа КИИ YFGW5I0 [Электронный ресурс]. URL: http://www.yokogawa.rLi/products/kip/wirclcss_ solutions/yfgw510/ (дата обращения 26,10,2019).
10. Станция управления беспроводными КИИ YFGW4I0 [Электронный ресурс]. URL: http://www,yokogawa.ru/products/kip/wireless_solutions'yfgw410/ (дата обращения 26.10.2019).
11. Чупаев A.B., Шарифуллина А.Ю., Ахмерова А Н.. Ширифу шн А.Ю Беспроводные промышленные сети на базе ISA-lOO.ll.a и WirelessHART, Расчет основных энергетических и информационных параметров Н Вестник Казанского технологического университета. 2018. Т. 21. №7 С. ! 16-120.
DEVELOPMENT OF WIRELESS DATA NETWORK FOR DATA TRANSFER IN THE "YOKOGAWA" LABORATORY KNITU ON THE BASIS OF ISA100.11A STANDARD
Albina Y. Sharifullina, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia, zarim@rambler.ru Alia N. Achmerova, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia, sautp@yandex.ru Rimma S. Zaripova, Kazan National Research Technological University; Kazan state power engineering University, Kazan, Russia, zarrimma@mail.ru
Abstract
This article considers the project development of a wireless data network organization in the educational laboratory complex "Yokogawa" of the CA&IT Institute, intended for carrying out practical and laboratory classes with students of specialized specialties of the institute and students of the FAS. Wireless technologies provide the ability to connect measuring devices directly to a wireless network with further transfer of information through a wireless gateway to an automated control system. This article discusses the capabilities of the wireless field system. A generalized three-level block diagram of automation complex equipment of a laboratory complex based on wireless equipment is given. The selection of wireless equipment for the implementation of the automation system of the laboratory complex based on the standard ISA 100.11a was carried out. The basic stages of computing the wireless industrial network are given, in particular: calculation of the network information load, calculation of the network's energy parameters, frequency-territorial planning, development of the communication scheme and interface with external networks. The information load of the network was calculated using the Nazarov method, the energy parameters of the network were calculated taking into account the total losses during propagation of radio waves, including losses in free space, losses in partitions and walls inside the building, losses due to interference and signal fading.
Keywords: automation, wireless networks, energy and information network parameters, network protocol, data transmission, computer networks, data processing, data transmission networks, the principle of creating computer networks.
References
1. Nurgaliev R.K., Kuzmin V.V., Kulikov Yu.A., Chupaev A.V., Galyamov R.R., Gainullina A.A. (2013). Laboratory stand for studying heat metering devices and automated energy saving systems. Bulletin of Kazan Technological University. Vol.16. No. 1. pp. 74-75.
2. Nurgaliev R.K., Kuzmin V.V., Kulikov Yu.A., Chupaev A.V., Galyamov R.R., Gainullina A.A. (2013). Laboratory bench for the study of automation systems for nodes for commercial accounting of liquid products. Bulletin of Kazan Technological University. Vol.16. No. 1. pp. 67-69.
3. Nurgaliev R.K., Kuzmin V.V., Kulikov Yu.A., Chupaev A.V., Galyamov R.R., Gainullina A.A. (2013). Laboratory bench for the study of automation systems for nodes for commercial metering of gaseous energy carriers. Bulletin of Kazan Technological University. Vol.16. No. 1, pp. 197-198.
4. Romashkin V.A., Shakirov A.A., Zaripova R.S. (2018). Information technologies and their implementation in the learning process. Digital Culture of Open Cities: Collection of materials of the International Scientific and Practical Conference. Yekaterinburg. pp. 440-443.
5. Galiullina E.R., Zaripova R.S. (2018). Trends in the modern education of technical specialists. Status and development prospects of IT education: Collection of reports and scientific articles of the All-Russian Scientific and Practical Conference. Cheboksary. pp. 304-307.
6. Wireless measuring transducers YTA510. Available at: http://www.yokogawa.ru/products/kip/wireless_solutions/yta510/ (Accessed: October 26, 2019).
7. Absolute and gauge pressure sensors model EJX510B and EJX530B. Available at: https://yokogawa.nt-rt.ru/images/manuals/EJ510B.pdf (Accessed: October 26, 2019).
8. Pressure sensors and differential pressure EJX110B, EJX310B and EJX430B. Available at: https://yokogawa.nt-rt.ru/images/manuals/EJ110B.pdf (Accessed: October 26, 2019).
9. Wireless access point instrumentation YFGW510. Available at: http://www.yokogawa.ru/products/kip/wireless_solutions/yfgw510/ (Accessed: October 26, 2019).
10. Station control wireless instrumentation YFGW410. Available at: http://www.yokogawa.ru/products/kip/wireless_solutions/yfgw410/ (Accessed: October 26, 2019).
11. Chupaev A.V., Sharifullina A.Yu., Akhmerova A.N., Sharifulin A.Yu. (2018). Wireless industrial networks based on ISA-100.11 .a and WirelessHART. Calculation of the main energy and information parameters. Bulletin of Kazan Technological University. Vol. 21. No. 7, pp. 116-120.
Information about authors:
Albina Y. Sharifullina, snr. lecture, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia Alia N. Achmerova, snr. lecture, Kazan National Research Technological University, Kazan, Russia
Rimma S. Zaripova, associate Professor, candidate of technical Sciences, Kazan National Research Technological University; Kazan state power engineering University, Kazan, Russia
