Система телемеханики магистрального трубопровода на основе связи стандарта GSM (стр. 3 )

Поле тип принимает значения: 1 – запрос следующего сигнала; 2 – ответ следующим сигналом; 3 – запрос конкретного сигнала; 4 – ответ конкретным сигналом; 5 – сообщение с сигналом; 6 – подтверждение приема сигнала.

На рис. 7 для примера представлен сценарий передачи всех сигналов ТИ от подчиненной станции к опросчику, для простоты показано только тело сообщения.

Рис. 7. Сценарий передачи всех сигналов ТИ.

Благодаря использованию CRC протокол ElSy_GSM обеспечивает вероятность необнаруженной ошибки не более 10-14, что удовлетворяет требованию к достоверности передачи ТУ в системах ТМ.

Далее приводится вывод формул для расчета показателей быстродействия системы при использовании предложенной технологии и протокола ElSy_GSM. Формула для расчета времени получения сигналов ТИ со всех КП:

, (1)

где M – количество опросчиков, Nj – количество КП, опрашиваемых j-м опросчиком, Ti – время получения сигналов ТИ с i-го КП, рассчитываемое по формуле:

, (2)

где tд – время дозвона, tус – время установления соединения; tз – задержка в канале связи, nТИ – количество сигналов ТИ, lТИ – суммарная длина всех сигналов ТИ для i-го КП, v – скорость передачи данных.

Так как сигналы ТС и ТУ доставляются посредством SMS, то время передачи одного сигнала будет равно времени доставки SMS. Это время рассчитывается по формуле:

TТС, ТУ = tо + tп, (3)

где tо – время отправки SMS, tп – время получения SMS.

Для реализации предложенной технологии передачи телемеханической информации необходимо обеспечить отправку и получение SMS во время сеанса связи Data call. Однако GSM терминал после установления соединения переходит в режим передачи данных. В режиме передачи данных отправка AT команд терминалу и получение от него кодов индикации невозможны.

Поэтому во время сеанса связи Data call управляющее оборудование не может инициировать отправку SMS, так как терминал находится в режиме передачи данных. Более того, GSM терминал не имеет возможности сообщить управляющему оборудованию о приходе SMS.

Тем не менее, существует решение этой проблемы. Siemens TC35i поддерживает протокол мультиплексора, который предусматривает виртуальные каналы между терминалом и управляющим оборудованием за счет инкапсуляции всех данных в кадры протокола. При переходе в режим мультиплексора взаимодействие между терминалом и управляющим оборудованием осуществляется по этому протоколу. Siemens TC35i поддерживает три виртуальных канала и один управляющий канал мультиплексора.

Далее рассматривается вопрос распределения функций программного обеспечения по каналам мультиплексора. Показывается целесообразность следующего решения: канал 1 использовать для сеанса связи Data call, канал 2 – для отправки SMS и считывания пришедших SMS из памяти терминала, канал 3 – для приема индикации от терминала о получении SMS, а также для разрыва соединения.

Затем обосновывается выбор конечных автоматов как алгоритма реализации предложенного способа передачи телемеханической информации и приводится описание разработанных конечных автоматов. Наличие состояний (или памяти) в автоматах позволило осуществить одновременную передачу данных во время сеанса связи Data call и отправку/получение SMS на аппаратном модуле с ограниченными вычислительными ресурсами.

Пример графа переходов автомата отправки SMS приведен на рис. 8.

Рис. 8. Граф переходов автомата отправки SMS.

В автомате используются следующие флаги: 1) FSMS_TI (0 – нет данных на передачу в SMS, 1 – есть данные на передачу в SMS); 2) FERR_SMSTI (0 – последняя передача SMS завершилась успешно, 1 – отправка SMS не удалась за заданное количество попыток). Состояния автомата: s0 – бездействие, s1 – ожидание запроса SMS от GSM терминала, s2 – ожидание отправки SMS, s3 – ошибка. Входной алфавит: x0 – получен ответ 0<CR>; x3 – получен код индикации 3<CR>; x4 – получен ответ 4<CR>; x5 – нет ответа или кода индикации; x6 – истек таймаут; x7 – FSMS_TI = 0; x8 – FSMS_TI = 1; x9 – получено <CR><LF>> ; x10 – получено <CR><LF>+CMGS: ссылка<CR><LF>; x11 – не исчерпаны все попытки отправки SMS; x12 – исчерпаны все попытки отправки SMS. Выходной алфавит: y0 – отправить AT+CMGS=длина<CR> и взвести таймаут; y1 – отправить терминалу SMS и взвести таймаут; y2 – FSMS_TI = 0; y3 – уменьшить счетчик оставшихся попыток; y4 – FERR_SMSTI = 1, FSMS_TI = 0.

Далее освещается вопрос защиты передаваемой информации. Подробно обосновывается выбор алгоритма кодирования всех передаваемых данных.

Технология передачи телемеханической информации по сети связи GSM была реализована в виде ПО для интерфейсного модуля TN 502 СOM ПЛК «ЭлСи-ТМ». ПО позволяет создавать системы телемеханики, обеспечивающие при одном опросчике контроль и управление до 31 подчиненной станцией. Разработанное ПО успешно прошло испытания на макете системы телемеханики.

Таким образом, была создана система телемеханики магистрального трубопровода на основе GSM.

В четвертой главе, посвященной практическим приложениям системы телемеханики на основе GSM, описывается экспериментальное исследование характеристик услуг Data call и SMS, предложенные способы повышения быстродействия и надежности системы и результаты сравнения услуг разных операторов. В заключение проводится сравнение GSM c другими видами связи.

Аппаратное обеспечение системы имеет ограниченные вычислительные ресурсы, поэтому характеристики услуг GSM исследовались на модели системы. Моделировалась система телемеханики, состоящая из одного ДП и одного КП. К персональному компьютеру (ПК) были подключены два GSM терминала. ПК выполнял роль как ДП, так и КП. Временные интервалы, характеризующие услуги Data call и SMS, измерялись с точностью 0,001 с.

Для Data call измерялись: время дозвона tд; время установления соединения tус; задержка в канале связи tз; время передачи данных tпд; время разрыва соединения tр. А для SMS: время отправки tо и время получения tп.

Посредством SMS передавались данные объемом 48 байт, что соответствует максимальной длине 1 сигнала ТС или ТУ (32 байта данных и служебная информация). Посредством Data call в каждом опыте передавалось количество байт, соответствующее типичному для КП набору сигналов телеизмерения (500 б).

Каждому опыту присваивался код результата. Для SMS: 1 – опыт завершился успешно; 2 – ошибка готовности GSM терминала к отправке; 3 – ошибка отправки; 4 – ошибка получения SMS (сообщение не получено в течение 5 мин.); 5 – ошибка в полученных данных, т. е. искажение информации. Для Data call: 1 – опыт завершился успешно; 2 – ошибка дозвона; 3 – ошибка установления соединения; 4 – не получен первый байт данных в течение 10 с; 5 – получен неверный первый байт; 6 – не получены все данные; 7 – ошибка в полученных данных; 8 – ошибка разрыва соединения.

Исследование проводилось в течение трех месяцев: март 2006 г., сентябрь 2006 г., конец марта – начало апреля 2007 г. Опыты осуществлялись в течение 5 дней недели: понедельника, среды, пятницы, субботы и воскресенья. Вторник и четверг были пропущены для удешевления исследования. Также были проведены эксперименты в дни пиковых нагрузок на сеть GSM (государственные праздники). Для Data call и SMS каждые 3 часа производилось 22 измерения, т. е. 176 измерений в сутки. На каждом 3‑часовом промежутке вычислялись средние значения измеряемых величин и доверительные интервалы. Исследование проводилось для оператора МТС.

На рис. 9 приведена диаграмма для времени дозвона (услуга Data call) в течение воскресенья 25 марта 2007 г.

Рис. 9. Время дозвона в течение воскресенья 25 марта 2007 г. с доверительными интервалами.

Из диаграммы на рис. 9 видно, что колебания времени дозвона в течение суток составляют менее 1 с, что несущественно для системы ТМ. Изменения других временных интервалов услуг Data call и SMS в течение суток также оказались незначительными.

На рис. 10 представлена сводная диаграмма для времени отправки и получения SMS в течение 5 суток. Диаграмма показывает, что изменения в течение недели также практически отсутствуют.

Рис. 10. SMS. Сводная диаграмма за 5 суток с доверительными интервалами.

Рис. 11. Data call. Сводная диаграмма за 5 суток.

Для Data call в течение первых трех суток исследование проводилось, когда GSM терминалы использовали протокол v.32, который является протоколом по умолчанию. В оставшиеся двое суток исследование проводилось с использованием протокола v.110. Сводная диаграмма для всех 5 дней представлена на рис. 11. Как видно из диаграммы, при использовании протокола v.110 (30-31 марта) существенно сокращается время установления соединения: с 12,5 до 2,1 с, что приводит к значительному экономическому эффекту.

Для примера рассчитаем время передачи данных для набора сигналов, типичного для КП ЛУ МТ. В этом случае nТИ = 10, lТИ = 20 б. С использованием результатов исследования по формуле (2) получаем:

.

Пусть для примера количество КП равно 10, тогда при одном опросчике время получения сигналов ТИ со всех КП по формуле (1) будет равно:

.