Телекоммуникационное оборудование для интеллектуальных систем учёта газа. Цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК.

Виды связи, применяемые в интеллектуальных системах учёта газа

Данная задача усложняется тем обстоятельством, что в настоящее время в эксплуатации находится большой парк разнотипных корректоров и вычислителей от разных производителей.Эти приборы как правило отличаются видами интерфейсов, объёмами формируемых архивов данных, наличию либо отсутствию сетевого электропитания, а это в конечном счёте определяет выбор оптимального варианта организации канала связи с диспетчерским пунктом. Причём в зависимости от степени удалённости УКУГ от диспетчерского пункта связь может быть обеспечена как при помощи проводного соединения, так и соединения по средствам беспроводной сотовой связи.

В настоящее время для обмена информацией между УКУГ и диспетчерским пунктом наиболее широко применяются следующие виды соединений:

• проводное соединение по интерфейсу RS-232;
• проводное соединение по интерфейсу RS-485;
• беспроводное соединение по каналу связи GSM/CSD;
• беспроводное соединение по каналу связи GPRS-FTP;
• беспроводное соединение по каналу связи GPRS-TCP.

Рассмотрим основные отличия, достоинства и недостатки вышеперечисленных видов соединений, обеспечивающих связь УКУГ с сервером сбора данных, расположенным на диспетчерском пункте.

Проводное соединение 

Применение проводных соединений возможно только при небольших расстояниях от УКУГ до диспетчерского пункта, так как длина соединительного кабеля ограничена техническими параметрами интерфейсов и не должна превышать 50 м для RS-232 и 1200 м для RS-485. При увеличении длины кабеля увеличивается и степень затухание сигнала, снижается помехоустойчивость и надежность соединения. Кроме того, таким способом можно организовать обмен данными только между одним УКУГ (корректором объёма газа) и компьютером диспетчера. По этим причинам проводное соединение чаще всего используют при организации технологического учёта газа на предприятиях либо для подключения печатающего устройства (матричного принтера) к корректору объёма газа для создания отчётов о потреблении газа на бумажном носителе.

В случае применения проводного соединения для организации телеметрии УУГ помимо кабеля, соединяющего электронный корректор объёма газа с компьютером, расположенным в диспетчерском пункте, как правило, ещё требуются барьеры искрозащиты, необходимые при соединении электрооборудования находящегося во взрывоопасной зоне (помещение УКУГ) и взрывобезопасной зоне (помещение диспетчерского пункта). 

Технологию проводного соединения поддерживают блоки питания электронных корректоров БПЭК-02/М и БПЭК-03 производства ООО «Техномер», которые помимо питания электронных корректоров постоянным токов выполняют функцию барьеров искрозащиты как по цепи питания, так и по цепям интерфейсов RS-232 и RS-485.

Беспроводное соединение

В системах телеметрии УКУГ расположенных на большом расстоянии от диспетчерского пункта с развитием и удешевлением сотовой связи массовое распространение получили беспроводные соединения по стандартам связи GSM/CSD и GSM/GPRS.

Технология CSD (Circuit Switched Data)

Технологии CSD получила широкое применение в системах телеметрии УКУГ в начальный период развертывания Автоматизированной Системы Коммерческого Учёта Газа (АСКУГ). В то время главным преимуществом данной технологии являлась легкость организации канала связи, так как для этого достаточно параGSM-модемов с подключенной услугой CSD и простая программа, установленная на персональном компьютере диспетчера. Однако после массового внедрения технологии CSD в системы телеметрии УКУГ со временем выявился целый ряд её недостатков.

Во-первых,данный вид связи не обладает высокой степенью надежности передачи всех запрошенных данных на сервер за один сеанс связи. Если уровень сигнала сотовой связи на УКУГ низкий или колеблется у порогового значения, то связь часто рвётся и требуется повторный сеанс, а иногда и несколько.

Во-вторых, оплата услуги CSD тарифицируется сотовыми операторамипо длительности сеанса связи. При этом максимальная скорость передачи данных невысока и равна 9,6 кбит/с, реальная же скорость обычно до пяти раз ниже. Поэтому связь по каналу CSD является дорогой.

В-третьих, организация автоматического опроса по CSD большого количества УКУГ сопряжена с техническими сложностями и ограничениями. Причиной это является невозможность общения CSD-модема,подключённого к серверу одновременно с несколькими другимиCSD-модемами,установленными на узлах учета газа. Таким образом, для повышения скорости обмена данными между сервером и группой УКУГ необходимо использовать большое количество модемов,подключённых к серверу, а это увеличивает затраты на организацию и обслуживание системы телеметрии в целом.

В итоге, в качестве недостатков технологии CSD можно отметить следующее:

• низкая скорость передачи данных и как следствие большая продолжительность сеанса связи;
• высокая цена связи - порядка 1,25 руб. за минуту;
• нестабильная работа в условиях низкого уровня сигнала сотовой связи;
• количество одновременно подключенных к серверу УКУГ ограничено и напрямую зависит от количества модемов, установленных на диспетчерском пункте;

Тем не менее, канал связи GSM/CSD по-прежнему часто применяется в системах телеметрии УКУГ и в настоящее время.

Технологию беспроводного соединения по каналу связи GSM/CSD поддерживают все коммуникационные модули серии БПЭК и цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК: БПЭК-03/Т, БПЭК-04/ТС, БПЭК-04/ЕК, БПЭК-04Ех, БПЭК-05/Т, БПЭК-05/ТМ, БПЭК-02/ЦК, БПЭК-03/ЦК, БПЭК-04/ЦК Ех,БПЭК-05/ЦК.

Технология GPRS (General Packet Radio Service)

В последнее время разработчики систем телеметрии стараются, где это возможно, переходить на более современную технологию GPRS.

GPRS - это технология мобильной связи, которая осуществляет пакетную передачу данных и позволяет производить обмен данными с внешними сетями, в том числе предоставляет доступ в сеть Интернет. Это дает возможность получить информационный доступ к УКУГ из любой точки земного шара с помощью компьютера, подключенного к сети Интернет.

Особенно ощутимы преимущества технологии GPRS при охвате системой телеметрии большого количества УКУГ, так как данные могут считываться одновременно с целой группы УКУГ, а не поочередно, как в случае использования технологии CSD. Это дает многократный выигрыш в скорости получения информации.

GPRS является надёжным видом связи. Целостность передачи данных обеспечена применением избыточного кодирования и дублирование сбойных фрагментов.Защита информации от несанкционированного к ней доступа обеспечена использованием надёжных алгоритмов авторизации, а также возможностью шифрования передаваемых данных. 

Таким образом, технология GPRS обладает по сравнению с технологией CSD рядом существенных преимуществ:

• более высокая скорость передачи данных — в десятки раз выше, чем по CSD-каналу (максимальная скорость передачи данных по технологии GPRS составляет 171,2 Кбит/с.);
• более быстрая установка соединения — 5–10 секунд;
• меньшая стоимость связи, так как оплата услуги GPRS тарифицируется операторами связи не за длительность сеанса, как в случае использования услуги CSD, а за объем передаваемой информации;
• помехоустойчивость при неблагоприятных условиях радиосвязи в условиях низкого уровня сигнала сотовой связи;
• надёжность процесса передачи данных и высокая степень их защиты от несанкционированного доступа. 

В настоящее время в системах телеметрии УКУГ, работающих с применением технологии GPRS, для передачи данных используются каналы связи GPRS-FTP либо GPRS-TCP.

Канал GPRS-FTP, наряду с каналом CSD применяется для построения систем телеметрии УКУГ промышленно-коммунального сектора. Канал GPRS-TCP в настоящее время в основном используется в системах телеметрии счётчиков газа со встроенным модемом установленных в бытовом секторе, но со временем всё большее распространение получает также и в системах телеметрии УКУГ расположенных на промышленных объектах.

Далее рассмотрим особенности, преимущества и недостатки каналов связи GPRS-FTP и GPRS-TCP.

Канал связи GPRS-FTP 

Связь по протоколу GPRS-FTP как правило применяется, при необходимости сбора информации в автоматическом режиме с автономных УКУГ, то есть при отсутствии сетевого питания 220B. Управляет сеансом связи в данном случае коммуникационный прибор, подключённый к электронному корректору объёма газа и установленный на УКУГ, например, коммуникационных модуль серии БПЭК. Сеансы связи в данном случае выполняются по заранее определённому расписанию с периодичностью не чаще 1 раза в сутки.

Помимо всех ранее перечисленных достоинств связи по стандарту GPRS передача данных по каналу GPRS-FTP позволяет значительно снизить энергопотребление оборудования, что обеспечивает автономную работу коммуникационных модулей установленного на УКУГ в течение нескольких лет без замены встроенных элементов питания.

Технологию беспроводного соединение по каналу связи GPRS-FTP поддерживают следующие коммуникационные модули серии БПЭК и цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК: БПЭК-03/Т, БПЭК-04/ТС, БПЭК-04/ЕК, БПЭК-04Ех, БПЭК-05/ТМ, БПЭК-02/ЦК, БПЭК-03/ЦК, БПЭК-04/ЦК Ех,БПЭК-05/ЦК. 

Однако наряду с вышеописанными преимуществами канал GPRS-FTP имеет и слабую сторону. Дело в том, что широкая информационная доступность УКУГ, которая достигается при подключении к сети Интернет, помимо очевидных плюсов, имеет и серьёзный недостаток. Использование Интернета открывает потенциальную возможность несанкционированного доступа случайных лиц к коммерческой информации, а также к настроечным параметрам приборов.

Одним из самых больших недостатков протокола связи FTP в реальной работе является необходимость использования двух соединений с сервером во время обмена данными с УКУГ. Первое для отправки управляющих команд, а второе для передачи содержимого файла. Это приводит к необходимости открывать по два сетевых порта, для каждого обслуживаемого УКУГ. Таким образом, с увеличением количества УКУГ обслуживаемых системой телеметрии увеличивается и потенциальная уязвимость FTP-сервера со стороны Интернета, что требует принятия специальных защитных мер.

Другим недостатком канала GPRS-FTP является невозможность обмена данными сервера с удаленным УКУГ в любой произвольный момент времени, так как связь с УКУГ возможна только по заданному расписанию.

Канал связи GPRS-TCP 

В последние время требования по защите коммерческих данных от несанкционированного доступа к ним посторонних лиц постоянно повышаются. Также повышаются и требования к оперативности обмена данными между УКУГ и сервером. Всё чаще обсуждается необходимость мониторинга потребления газа в реальном времени.

Отвечая этим требованиям, разработчики систем телеметрии исследуют возможности организации постоянного и безопасного подключения УКУГ к серверу. Одним из вариантов решением данной задачи является применение канала связи GPRS-TCP.

При организации связи сервера с УКУГ с использованием соединения GPRS-TCP управление сеансом связи выполняется программой коммуникационного прибора,например, БПЭК-ЦК, подключенного к электронному корректору объёма газа. На стороне сервера постоянно запущена служба «TCP-сервер», которая отвечает за прием информации от УКУГ и отправку управляющих команд и настроечных данных в обратном направлении. Причём обмен данными сервера с УКУГ может выполняться в режиме реального времени. Так как благодаря постоянному подключению по TCP и высокой скорости передачи данных по GPRS становится возможным обновление на сервере текущих данных с УКУГ, а также, передача управляющих команд на УКУГ всего за несколько секунд.

Преимуществами связи с использованием соединения GPRS-TCP являются:

• высокая надежность в эксплуатации;
• экономичность - все оборудование сравнительно недорого, а GPRS-трафик значительно дешевле тарификации CSD;
• обмен данными сервера с УКУГ может выполняться в режиме реального времени.;
• высокая степень масштабируемости системы телеметрии - количество одновременно обслуживаемых УКУГ не ограничено и определяется только мощностью сервера;
• высокая степень надёжности и безопасности связи, которая обеспечивается использованием закрытого протокола обмена данных, а также возможностью кодирования данных.

Технологию беспроводного соединение по каналу связи GPRS-TCP поддерживают все цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК: БПЭК-02/ЦК, БПЭК-03/ЦК, БПЭК-04/ЦК Ех,БПЭК-05/ЦК.

Технология NB-IoT (Narrow Band Internet of Things)

NB-IoT был разработан в 2016 году и сейчас эта технология находится на стадии тестирования. Тем не менее, эта технология станет одной из составляющих спецификации сетей сотовой связи пятого поколения 5G и уже в ближайшее время операторы связи получат полноценный доступ к ней. Более того, можно не сомневаться в том, что технология NB-IoT сразу же станет популярной. Это обусловлено финансовой выгодностью применения данного стандарта, так как сеть NB-IoT может быть развернута поверх GSM, на физическом оборудовании сетей LTE при этом использование и обслуживание NB-IoT на порядок дешевле применения GSM сетей.

Еще одним чрезвычайно важным преимуществом этой технологии является очень высокая пропускная способность канала связи, так как имеется возможность подключения порядка 100 000 NB-IoT устройств к одной соте станции. Этот показатель на порядок выше нынешних стандартов сотовой связи.

К основным достоинствам NB-IoT можно отнести:

• эффективное энергопотребление устройств;
• большая пропускная способность сети — к одной базовой станции NB-IoT можно подключить десятки и сотни тысяч устройств;
• низкая стоимость связи;
• надёжная работа при низких уровнях сигнала и высоком уровне шумов.

Если говорить о перспективах NB-IoT в России, то они весьма радужны. В нашей стране мобильные операторы прочно внедрили LTE-сети, а это чрезвычайно важно для успешного развития NB-IoT,так как данная технология также использует сети LTE. То есть сотовым операторам, присутствующим на рынке мобильной связи, нет необходимости строить новые вышки, достаточно обновить программное обеспечение и после этого запустить сервисы NB-IoT.

Комплексные решения для бизнеса базирующиеся на технологии NB-IoT уже сейчас предлагают крупнейшие сотовые операторы России: МТС, Мегафон, Beeline.

Технологию беспроводного соединение по каналу связи NB-IoT поддерживают все цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК: БПЭК-02/ЦК, БПЭК-03/ЦК, БПЭК-04/ЦК Ех,БПЭК-05/ЦК.

Цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК 

Серия цифровых коммуникационных блоков БПЭК-ЦК является следующей ступенью развития коммуникационных модулей серии БПЭК, успешно зарекомендовавших себя в составе систем телеметрии УКУГ.

Новая серия БПЭК-ЦК помимо всех функциональных возможностей,которыми обладают модули телеметрии БПЭК предыдущей серии,включила в себя самые современные и наиболее востребованные в настоящее время технические решения в области передачи данных. 

При проектировании новых цифровых коммуникационных блоков серии БПЭК-ЦК была выбрана модульная схема построения, при которой основными узлами прибора являются кросс плата, обеспечивающая электрическое питание и совместимость с различными типами электронных корректоров (вычислителей) и модемный модуль, предназначенный для выполнения процесса передачи данных по сетям сотовой связи. Модемный модуль включает в себя контроллер, управляющий различными режимами работы, оперативную память и модем GSM/GPRS либо модем NB-IoT. Причём конструкция БПЭК-ЦК допускает замену модемного модуля с модемом GSM/GPRS на модемный модуль с модемом NB-IoT и наоборот уже в процессе эксплуатации. Такая структура БПЭК-ЦК даёт возможность,в случае необходимости, в процессе эксплуатации перейти на использование альтернативного стандарта связи.

Таким образом благодаря возможности выбора типа используемого модемного модуля новые цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК поддерживают различные технологий сотовой связи: CSD, GPRS, NB-IoT. 

Цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК предназначены для работы в составе програмно-технического комплекса ПТК «Газсеть», включающего в себя как коммуникационное оборудование, так и программное обеспечение.

Программно-технический комплекс (ПТК) «Газсеть» — это универсальное комплексное решение по автоматизации сбора данных с УКУГ оснащённых различными приборами учёта газа (корректорами и вычислителями), а также по организации диспетчерского контроля режимов работы УКУГ.

Использование цифровых коммуникационных блоков серии БПЭК-ЦК в составе ПТК «Газсеть», позволяет в автоматическом режиме передавать данные с большинства применяемых в настоящее время в составе УКУГ корректоровки вычислителей объёма газа на диспетчерские пункты региональных газовых компаний, а также интегрировать полученные данные в программы верхнего уровня, например,в единую информационно управляющую систему ИУС ГАЗ.

На сегодняшний день ПТК «Газсеть» обеспечивает сбор информации со следующих приборов учёта газа:

• ЕК260, ЕК270, ЕК280, ЕК290 (ООО «ЭЛЬСТЕР Газэлектроника»);
• ТС215, ТС220 (ООО «ЭЛЬСТЕР Газэлектроника»);
• СПГ761.1, СПГ761.2, СПГ742 (АО «НПФ «Логика»);
• Флоугаз, Флоугаз-Т (ООО ЭПО «Сигнал»);
• ULTRAMAG (ООО ЭПО «Сигнал»);
• Ирвис (ООО НПП «Ирвис»);
• TurboFlowUFG (ООО НПО «Турбулентность-ДОН»);
• Комплексы измерения газа СМТ-Комплекс (ООО «Техномер»).

Кроме того, постоянно ведутся работы по расширению списка приборов, подключаемых к ПТК «Газсеть».

Цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК имеют целый ряд дополнительных возможностей, которыми не обладают коммуникационные модули предыдущей серии БПЭК. Рассмотрим основные из этих возможностей.

1. Цифровые коммуникационные блоки БПЭК-ЦК имеют целый набор различных интерфейсов для подключения к электронным корректорам объёма газа: USB, RS232, RS422, RS485. Это позволяет организовать их работу со всеми наиболее распространёнными корректорами и вычислителями объёма газа от различных производителей: ЕК260/270/280/290, ТС215/220, СПГ761.1/761.2, СПГ742, Флоугаз, Флоугаз-Т, Ирвис, FLOWSIC 500, ULTRAMAG, TurboFlowUFG.Такое техническое решение экономически очень выгодно так как, для организации автоматического сбора данных со всех УКУГ имеющихся в отдельном регионе, независимо от типа установленных на них приборов учета газа, достаточно использовать всего лишь один программно-технический комплекс, например, ПТК «Газсеть». Это позволяет реализовать надежный способ сбора информации с разнотипных приборов учёта газа уже имеющихся на большом количестве УКУГ в единую базу данных. 

2. Цифровые коммуникационные блоки БПЭК-ЦК имеют в своём составе мощный процессор и достаточный объём оперативной памяти, что позволяет не только управлять различными режимами работы и связи, но и формировать следующие собственные архивы:

• «архив питания», в котором регистрируется время включения/выключения внешнего питания;
• «архив событий», в котором регистрируется информация по состоянию 4 дискретных входов;
• «архив сеансов связи», в котором сохраняется информация о всех проведенных сеансах связи с сервером, в том числе наименование оператора связи, уровень сигнала сотовой связи, тип соединения, продолжительность сеанса связи.
• при необходимости БПЭК-ЦК может формировать «архив потребления газа», основанный на данных, полученных от электронного корректора, что необходимо в случае если электронный корректор формирует свой архив потребления газа без привязки к меткам времени или не обладает энергонезависимостью. 

3. USB-интерфейс, вынесенный на внешнюю часть корпуса БПЭК-ЦК, даёт возможность в случае отсутствии связи с сервером выполнять настройку параметров работы БПЭК-ЦК, а также чтение его архивов непосредственно на УКУГ с помощью ноутбука с установленным на нём ПО «Газсеть Стандарт». Помимо этого таким способом можно выполнить следующие операции:

• проконтролировать соединение БПЭК-ЦК с электронным корректором; 
• проверить уровень сигнала сотовой связи в месте установки БПЭК-ЦК;
• настроить режимы и параметры обмена данными БПЭК-ЦК с сервером;
• принудительно запустить процедуру обмена данными БПЭК-ЦК и сервером.

4. Цифровые коммуникационные блоки серии БПЭК-ЦК оснащены двумя SIM-картами и поддерживают два режима работы: режим «две независимые SIM – карты» и режим «основная и резервная SIM–карты».

Режим «основная и резервная SIM–карты» используется для повышения надежности связи. В данном режиме рекомендуется использовать SIM-карты различных операторов. В случае перебоев со связью у одного из операторов связи, происходит автоматическое переключение на резервного оператора.

В режиме «две независимые SIM – карты» БПЭК-ЦК поддерживает связь с двумя различными серверами, что позволяет передавать данные архивов электронного корректора,как на сервер поставщика газа, так и на сервер потребителя газа. 

5. На практике при организации системы телеметрии УКУГ помимо передачи данных по учёту газа задача обычно включает дополнительные требования по обеспечение постоянного контроля за состоянием объекта (УКУГ) и оперативной передачи на сервер сообщений о внештатных и аварийных событиях (тревогах).

Процессор БПЭК-ЦК выполняет непрерывный контроль за состоянием 4-х дискретных входов, к которым могут быть подключены различные датчики с дискретными выходными сигналами, в том числе сигнализаторы предельной степени загазованности помещения различными газами, а также датчики пожарной и охранной сигнализаций.В случае срабатывания какого-либо датчика БПЭК-ЦК немедленно отправляет соответствующее тревожное сообщение на сервер. После чего эти события регистрируются в базе данных ПО «Газсеть Экстра», а также незамедлительно отображаются на экране монитора диспетчера. Также БПЭК-ЦК отправляет SMS-сообщение о возникновении аварий на заранее установленный номер мобильного телефона. Эти дополнительные функциональные возможности существенно повышают степень безопасности эксплуатации УКУГ.

Основные выполняемые функции и отличительные особенности коммуникационных модулей серии БПЭК и цифровых коммуникационных блоков серии БПЭК-ЦК приведены в Таблице 1.

Основные технические характеристики БПЭК-ЦК

Основные технические характеристики цифровых коммуникационных блоков серии БПЭК-ЦК приведены в таблицах 2, 3, 4, 5.