Использование промышленного интерфейса RS-485 и протокола передачи данных Modbus RTU в системах диспетчеризации зданий

На сегодняшний день в жилых и офисных зданиях существует множество сложных и важных инженерных узлов управления зданием. Очень важно поддерживать их в рабочем состоянии, а для этого требуется большое количество эксплуатирующего персонала. В эру технологий и развития систем быстрой передачи и обработки информации использование большого количество людей нецелесообразно и экономически не выгодно, поэтому были разработаны системы, позволяющие осуществлять удаленный, а главное, своевременный мониторинг состояний всех важных элементов узлов.
SCADA – программный пакет, предназначенный для разработки или обеспечения работы в реальном времени систем сбора, обработки, отображения и архивирования информации об объекте мониторинга или управления.
SCADA-системы обеспечивают выполнение следующих функций:
• прием информации контролируемых технологических параметров от контроллеров нижних уровней и датчиков;
• сохранение принятой информации в архивах;
• вторичная обработка принятой информации;
• графическое представление хода технологического процесса, а также принятой и архивной информации в удобной для восприятия форме;
• прием команд оператора и передача их в адрес контроллеров нижних уровней и исполнительных механизмов;
• регистрация событий, связанных с контролируемым технологическим процессом и действиями персонала, ответственного за эксплуатацию и обслуживание системы;
• оповещение эксплуатационного и обслуживающего персонала об обнаруженных аварийных событиях, связанных с контролируемым технологическим процессом и функционированием программно-аппаратных средств АСУ ТП с регистрацией действий персонала в аварийных ситуациях;
• формирование сводок и других отчетных документов на основе архивной информации;
• обмен информацией с автоматизированной системой управления предприятием (или, как ее принято называть сейчас, комплексной информационной системой);
• непосредственное автоматическое управление технологическим процессом в соответствии с заданными алгоритмами.

История зарождения и развития SCADA-систем начинается еще с 80-х годов и на сегодняшний день существует большое множество SCADA-систем, по некоторым из них даже проводят чемпионаты по скоростному проектированию автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП).


Рисунок 1 – Структурная схема диспетчерского контроля и управления инженерными системами


На всех крупных объектах инфраструктуры города имеются системы, которые обеспечивают непрерывную работу здания. Это могут быть как промышленные здания, офисные центры, а также крупные жилые здания.

1 Причины возникновения проблем
Одной из проблем, при разработке SCADA-систем является огромное количество систем, которыми оборудуются здания. В каждой системе может быть большое количество всевозможных датчиков, которые должны в режиме реального времени передавать информацию на диспетчерский пост. Соответственно, чем больше количество датчиков – тем больше в системе устройств сбора и обработки информации (контроллеров). Несмотря на то, что объем данных от одного датчика сравнительно небольшой, для систем диспетчеризации важно получить его в кратчайшие сроки и своевременно оповестить диспетчера о случившимся событии. Как правило, у каждого события есть своя степень важности (приоритета). Также, не стоит забывать о протоколах передачи информации между устройствами сбора и между диспетчерским пультом. В промышленных системах наиболее часто для опроса устройств используют протокол передачи данных Modbus RTU.
Протокол Modbus был разработан в 1979 году, а так как в те времена были совсем иные потребности и вычислительные мощности, на сегодняшний день можно сказать, что он устарел. Данный протокол подразумевает работу с двоичным кодом. Однако, его открытость и массовость, а также простота, является преимуществом для изучения и внедрения в существующие системы. Но у данного протокола передачи данных есть ряд существенных минусов, которые как раз и ведут к увеличению времени передачи информации.
Во-первых, на своевременное оповещение диспетчера о случившемся событие влияет, предусмотренный протоколом, последовательный опрос всех подчиненных устройств, а также отсутствие возможности передачи информации по инициативе подчиненного устройства. Выходит, что если в системе большое множество датчиков, то в случае возникновение аварийного сигнала на первом подключенном, информация с него будет запрошена на следующем круге опроса всех подчиненных устройств.
Во-вторых, длина запроса ограничена, соответственно, может потребоваться сделать несколько запросов для получения необходимой информации от подчиненных устройств, что увеличивает задержки, а значит и время получения информации диспетчером.
Эти две причины являются основными, которые влияют на время передачи информации.

2 Средства передачи информации
Вторым камнем преткновения в потере времени в системах диспетчеризации, построенных на базе протокола Modbus RTU, является необходимость перевода полученной информации от устройств сбора информации, в понятный для диспетчера язык.
На первом этапе декодирования информации необходим OPC-сервер. OPC – промышленный стандарт, который описывает интерфейс обмена данными между устройствами управления технологическими процессами. OPC-сервер предназначен для обеспечения связи между клиентской программой (SCADA) и нижним уровнем технологического процесса (устройства сбора информации) в удобной для программиста форме. Зачастую, разработчики SCADA-систем используют собственноручно написанные OPC-сервера, либо же используют готовые решения. Сама технология OPC достаточно молодая и очень распространенная.
Второй, завершающий, этап декодирования информации от устройств сбора информации — это непосредственно само программное обеспечение SCADA. Существует большое множество систем SCADA, какие-то лучше, какие-то хуже, но основное их отличие заключается в графическом интерфейсе. Но все они должны обеспечивать те возможности, которые отражены в термине SCADA.
Для передачи информации между диспетчерским пультом и устройствами сбора информации используется интерфейс RS-485, основным преимуществом которого является максимальная дальность передачи данных, которая составляет 1200 м, а также повышенная, по сравнению с аналогами, помехозащищенность. Интерфейс RS-485 является наиболее распространенным интерфейсом физического уровня для реализации сетей с последовательной передачей данных, предназначенных для жестких условий эксплуатации в промышленных применениях и в системах автоматизированного управления зданиями. Данный стандарт последовательного интерфейса обеспечивает обмен данными с высокой скоростью на сравнительно большое расстояние по одной дифференциальной линии (витой паре).

Таблица 1 – Технические характеристики интерфейсов RS-232, RS-422, RS-485



Конечно, сейчас существуют более быстрые способы передачи информации способные передать информации на десятки и сотни километров, но стоимость таких технологий значительно превышает стоимость кабеля для интерфейса RS-485. Да и есть ли необходимость использовать быстрые каналы передачи данных, если объем информации составляет менее 1 Кб.
Частным случаем использования современных технологий является передача информации по беспроводным каналам. Препятствием для их широкого распространения является то, что зачастую все технологические устройства располагаются в подвальных помещениях здания, где беспроводные системы показывают себя не с лучшей стороны – высока вероятность потери сигнала с устройством, что, в свою очередь, приводит к потерям информации, а значит к потере времени на дополнительные запросы и увеличению времени опроса всех устройств в системе.

3 Реализация ускоренной передачи информации
Для решения ускоренной передачи информации Российская компания «ДЮСО-Системс» разработала контроллер для сбора информации с подчиненных устройств.
При разработке данного контроллера стояла задача уменьшить скорость обмена информации между устройствами сбора информации и с пультом диспетчера до 1 секунды. В результате был разработан контроллер «DUSO-M32». Данный контроллер позволяет опрашивать до 32 полевых контроллеров, ведущих мониторинг до 1024 дискретных сигналов, и одним большим блоком передавать их на пульт диспетчера. При этом опрос подчиненных устройств ведется непрерывно на скорости 9600 бит/сек. Используя данное устройство, мы получим систему, которая непрерывно может проводить мониторинг всех датчиков в здании и передавать их на пульт диспетчеру в кратчайшие сроки.
В таком случае структура всей системы будет выглядеть как на рисунке 2.


Рисунок 2 – Структурная схема диспетчерского контроля и управления инженерными системами с использованием контроллер фирмы «ДЮСО-Системс»


Контроллеры «DUSO-M32» позволяют опрашивать до 32 контроллеров «DUSO-Cont A3», «DUSO-Cont A5» или «DUSO-Cont D2».


Рисунок 3 – Внешний вид контроллера «DUSO-Cont A5»



Рисунок 4 – Внешний вид контроллера «DUSO-Cont D2»


Контроллер «DUSO-Cont A5» предназначен для работы в системах диспетчерского контроля и управления различного значения сетей Modbus-RTU в качестве slave-устройств. Технические характеристики «DUSO-Cont A5»:
• Количество входных дискретных сигналов – 16;
• Количество выходных дискретных сигналов – 8;
• Интерфейс информационной магистрали - RS-485;
• Протокол передачи информации - Modbus-RTU;
• Диапазон адресов - 1-255;
• Скорость передачи данных, кБит/сек. - 4800, 9600, 19200, 38400;
• Максимальная длина линий связи, м – 1200;
• Напряжение питания, В – 12.
Контроллер «DUSO-Cont D2» предназначен для сбора служебной информации в точке контроля, защищаемой системой СКУД, передачи ее на АРМ самодиагностики СКУД, а также для управления состоянием замков и для передачи сигналов "Разблокировка двери 1 при пожаре" и "Разблокировка двери 2 при пожаре" в систему диспетчеризации. Технические характеристики «DUSO-Cont D2»:
• Интерфейс информационной магистрали - RS-485;
• Протокол передачи информации - Modbus-RTU;
• Диапазон адресов - 1-255;
• Скорость передачи данных, кБит/сек. – 9600;
• Максимальная длина линий связи, м – 1200;
• Напряжение питания, В – 12;
• Min потребляемый ток, mA – 50;
• Max потребляемый ток, A - 1,5;
• Диапазон рабочих температур, С - 0 до +55;
• Масса, кг - 0,2;
• Max. влажность, % - 95;
• Габаритные размеры, мм - 210х58х90.
Таким образом, один контроллер «DUSO-M32» в связке с контроллера «DUSO-Cont A5» и «DUSO-Cont D2» может менее чем за 1 секунду собрать информацию о 768 дискретных сигналах. Как видно из рисунка 2 пульт диспетчера будет циклично производить опрос только нескольких контроллеров «DUSO-M32». Такая технология значительно ускоряет процесс сбора и передачи информации на пульт диспетчера и решает проблемы протокола передачи данных Modbus RTU.

Выводы
Рассмотрев всю технологическую цепь системы сбора информации по протоколу передачи данных Modbus RTU можно сказать, что причиной её медленной работы является опрос большого количества полевых малоканальных контроллеров напрямую АРМом диспетчера.
Одним из вариантов уменьшения времени опроса большого числа контроллеров является включение в систему своеобразных промежуточных устройств, которые будут собирать информацию с удаленных устройств и передавать большим блоком. Таким образом, мы фактически уменьшаем количество опрашиваемых АРМом диспетчера устройств, тем самым ускоряя процесс передачи информации, собранной полевыми контроллерами.

Список использованных источников
1. Авдеев В. А. Периферийные устройства: интерфейсы, схемотехника, программирование. – М. : ДМК Пресс, 2009. – 848 с.
2. Андреев Е. Б., Куцевич Н. А., Синенко О. В. SCADA-системы. Взгляд изнутри. – М. : РТСофт, 2004. – 21 с.
3. Герасимов А. В., Титовцев А.Л. Проектирование АСУТП с использованием SCADA-систем. – К.: Издательство КНИТУ, 2014, 56 с.
4. Джорж Томас. Введение в протокол Modbus // СТА 2, 2009. – С. 3.
5. Кангин В. В., Кангин М. В. Ямолдинов Д. Н. Разработка SCADA-систем. – В. : Инфра-Инженерия, 2019, 421с.
6. Климов Ю. А., Орлов А. Ю., Шворин А. Б. SkifCh: эффективный коммуникационный интерфейс // Вестник ЮУрГУ. Серия: Математическое моделирование и программирование, 2011. №25 (242). С. 98-106.
7. Юсупов Р. Х. Основы автоматизированных систем управления технологическими процессами. Учебное пособие. – В.: Инфра-Инженерия, 2018. – 35 с.
8. Jesse Russell, Ronald Cohn. Modbus, 2013. – 48 с.

Рейтинг@Mail.ru