Распределенная система контроля и управления электрогенераторными установками на основе телеметрической информации

УДК 681.58

, д. т.н.

РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОРНЫМИ УСТАНОВКАМИ НА ОСНОВЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

Показана двухуровневая структура системы передачи телеметрической информации, используемой для контроля и управления генераторными установками в режиме реального времени. Выполнен анализ технологий организации беспроводных сенсорных сетей, составляющих первый уровень системы, предложено использовать устройства Z-Wave, технические характеристики которых в наибольшей степени соответствуют предметной области. Построение второго уровня системы производится на основе технологий GSM. Выявлены функции единой системы телеметрического контроля и управления, показаны основные фиксируемые события и виды реакции системы на них.

Ключевые слова: телеметрическая информация, автоматическое управление, беспроводная передача данных, техническое обслуживание электрогенераторов.

В общем объеме вырабатываемой в России электроэнергии заметное место занимают специализированные электрогенераторные установки. Их размещение обычно производится в удаленных местах, когда организация передачи энергии по проводам является технически сложной или экономически нецелесообразной процедурой. К локальным электрогенераторным установкам предъявляются стандартно высокие требования по надежности и бесперебойности функционирования, что делает необходимым осуществление непрерывного мониторинга за их текущим состоянием, гарантирующего немедленное выявление и оперативное устранение возникающих неисправностей [1, 2]. Организация такого мониторинга локальными средствами, как правило, нецелесообразна, что делает актуальным использование распределенных систем контроля и управления, основанных на автоматическом обмене телеметрической информацией между каждым наблюдаемым объектом и единым центром управления [3, 4].

Многие важные аспекты построения сложных информационных систем, разновидностью которых являются системы контроля и управления, рассмотрены в [5–8]. Распределенный характер информационной системы делает целесообразным использование методов обработки пространственно-координированных данных, применяемых в геоинформационных системах различных уровней [9]. Также существенным обстоятельством является вероятностный характер возникновения неисправностей электрогенераторов, что делает необходимым привлечение для целей управления соответствующих методов теории вероятностей [10, 11].

Одним из наиболее распространенных подходов при создании системы беспроводного обмена данными в целях контроля и управления, является использование технологий сенсорных сетей [12–15]. Беспроводная сенсорная сеть образуется множеством устройств трех основных видов, разделяемых по выполняемым функциям. Первую группу устройств образуют датчики, которые фиксируют некоторые параметры своего окружения (применительно к электрогенераторным установкам это могут быть текущее напряжение, температура, уровень горюче-смазочных материалов), и в зависимости от значения параметра вырабатывают определенный сигнал. Вторую группу составляют исполнительные устройства, принимающие сигнал от датчиков и по заданному алгоритму преобразующие его в управляющее воздействие. К третьей группе относятся устройства, обеспечивающие беспроводную передачу данных в пределах единой сети и, соответственно, хранящие конфигурацию сети и поддерживающие маршрутизацию. При этом разные функции могут физически реализовываться единым устройством.

Технологиями, поддерживающими организацию беспроводных сенсорных сетей, и применимыми для организации удаленного контроля и управления электрогенераторными установками, являются Z-Wave, ZigBee и EnOcean. Все три технологии позволяют создавать ячеистые сети, отличающиеся повышенной живучестью и наличием нескольких альтернативных путей доставки сигнала между любой парой устройств. Маршрутизация осуществляется с учетом текущего состояния сети, что позволяет оперативно добавлять и изымать устройства без нарушения работоспособности сети в целом.

Устройства Z-Wave и EnOcean используют частотный диапазон в районе 869 МГц, где относительно мало потенциальных источников помех, но требуется прямая видимость между соседними узлами сети. Это ограничивает дальность непосредственной передачи в среднем до 50 м для устройств Z-Wave Plus  (выпускаемых с 2013 года, для более старых устройств предельная дальность составляет 30 м), и до 300 м для устройств EnOcean; при этом радиус сети может достигать 1-2 км за счет ретрансляции данных. Технология ZigBee использует частотный диапазон 2,4 ГГц, что увеличивает вероятность возникновения помех, поскольку данный диапазон широко используется устройствами Bluetooth, Wi-Fi, а также некоторыми бытовыми приборами. Вместе с тем дальность передачи между соседними узлами ZigBee составляет до 200 м на открытом воздухе, и возможна передача данных внутри помещений на расстояниях до 30-40 м. Пропускная способность радиоканала составляет около 100 кбит/с для технологий Z-Wave и EnOcean, и 250 кбит/с для технологии ZigBee; при этом скорость передачи может существенно снижаться при ухудшении погодных условий (дождь, снег, туман).

Анализ технических характеристик трех основных технологий организации беспроводных сенсорных сетей позволяет сделать вывод о предпочтительности, в общем случае, технологии Z-Wave для целей мониторинга и управления электрогенераторными установками. Система управления сетями Z-Wave построена на использовании относительно небольшого количества коротких команд, что вполне достаточно для установок с дискретизированными параметрами состояния (например, для целей управления уровень напряжения достаточно представлять набором трех возможных значений: «пониженное», «в норме» и «повышенное», отказавшись от числовых значений параметра). Значительная часть устройств в сетях Z-Wave функционируют как «спящие», не потребляющие электроэнергию в течение большей части времени; это позволяет существенно увеличивать срок службы автономных источников питания и сокращать затраты на поддержание работоспособности сенсорной сети. Все устройства в сети ограничены по продолжительности использования радиоканала (не более 1% всего времени), что также повышает энергоэффективность сети и сокращает количество потенциально возможных коллизий при передаче и приеме данных. Можно отметить, что помехоустойчивость технологии ZigBee выше, чем у Z-Wave, поскольку используется разбиение частотного диапазона на 16 каналов (по 5 МГц каждый), но эта возможность слабо востребована при организации контроля и управления стационарно расположенными электрогенераторными установками, и приводит к неоправданному удорожанию устройств.

Процедура построения сети Z-Wave отличается простотой. Каждое устройство в сети обладает уникальным сочетанием значений HomeID (идентификатор сети) и NodeID (идентификатор узла). Идентификатор сети фиксируется на стадии добавления в нее первого устройства (первичного контроллера); при добавлении в сеть новых устройств он автоматически передает им значение HomeID, а также присваивает и сообщает устройству уникальный идентификатор узла. В одной сети может присутствовать до 232 устройств (с одинаковым идентификатором сети), при этом устройства, не имеющие совпадающих значений HomeID, принципиально не могут обмениваться данными. Это позволяет сенсорной сети контроля и управления электрогенераторными установками независимо функционировать на одной территории с другими сенсорными сетями.

Сенсорная сеть позволяет организовать передачу осведомительной и управляющей информации в пределах радиуса своего действия. Однако при большой территориальной разобщенности объектов контроля и управления (которое в рассматриваемом случае может достигать десятков и сотен километров), возможности беспроводных сенсорных сетей оказываются недостаточными. В этом случае целесообразным является построение системы обмена телеметрической информацией с двухступенчатой архитектурой. Нижний уровень системы образуется отдельными сенсорными сетями, объединяющими близкорасположенные объекты (на расстояниях, не превышающих 1-2 км). Каждая сеть имеет приемопередающее устройство, предназначенное для обмена данными с центром управления всей системой; это устройство играет роль шлюза при передаче данных за пределы конкретной сенсорной сети и при приеме данных из-за ее пределов.

В случае двухуровневой архитектуры принципы маршрутизации в сенсорной сети зависят от вида управления. При исключительно внешнем управлении, когда все управляющие команды генерируются в центре системы, в процессе передачи осведомительной информации о состоянии отдельных объектов от узлов-сенсоров приемопередающее устройство является, в пределах рассматриваемой сети, конечным узлом-адресатом, в котором заканчиваются все маршруты от сенсоров. Для маршрутов же с управляющей информацией (заканчивающихся в исполнительных устройствах) это устройство, напротив, всегда является инициатором отправки данных и первым узлом на маршруте. При смешанном же управлении, когда часть управляющих воздействий вырабатывается исполнительными устройствами в пределах сенсорной сети, схема маршрутизации оказывается более сложной, с возможностью разветвления потоков данных от сенсоров и их параллельной доставкой к исполнительным устройствам и к приемопередающему устройству (что обусловлено требованиями постоянного контроля со стороны центра системы).

Верхний уровень телеметрической системы строится на технологиях, позволяющих организовать передачу данных на значительные расстояния. Наличие практически повсеместной зоны покрытия сетей сотовой связи GSM делает их использование для этой цели наиболее целесообразным [16]. Структура системы телеметрического контроля и управления показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема автоматического контроля и управления электрогенераторными установками: 1 – электрогенераторы; 2 – устройства (узлы) сенсорной сети; 3 – приемопередающее устройство

Структурно система телеметрического контроля и управления включает в себя подсистему удаленного мониторинга состояния электрогенераторной установки и единую интерактивную сервисно-техническую службу. Подсистема удаленного мониторинга является начальным звеном всей системы и осуществляет:

измерение и регистрацию диагностических (контролируемых) сигналов электрогенераторной установки посредством датчиков сенсорной сети; обработку контролируемых сигналов, их пересылку в пределах сенсорной сети и дальнейшую передачу в единую интерактивную сервисно-техническую службу посредством GSM-сети; прием контрольных (управляющих) сообщений от сервисно-технической службы и организацию их доставки до конкретного исполнительного устройства через GSM-сеть, и далее в пределах соответствующей сенсорной сети.

Единая интерактивная сервисно-техническая служба объединяет в своем составе:

специализированную программную среду для автоматизации процесса приема, регистрации и обработки информационно-диагностических сообщений подсистемы удаленного мониторинга, а также управляющих сообщений; диспетчерскую службу по обработке информации и связи с клиентами; отдел технического обслуживания и управления электрогенераторными установками и поддержания технической работоспособности системы информационного обмена.

Подсистема удаленного мониторинга осуществляет оповещение оператора сервисной службы и владельца электрогенератора в случае:

возникновения неисправности (критической ошибки) в работе электрогенератора, при которой его дальнейшая эксплуатация невозможна, требуется проведение диагностических работ и внеочередное техническое обслуживание или ремонт; возникновения некритической неисправности в работе электрогенератора, при котором его дальнейшая эксплуатация возможна, но требуется проведение диагностических работ и внеочередное техническое обслуживание; необходимости очередного технического обслуживания в условиях нормальной эксплуатации, что определяется количеством наработанных моточасов; достижения низкого уровня заряда аккумуляторной батареи электрогенератора, ставящего под сомнение возможность его последующего запуска; критического уровня заряда аккумуляторной батареи, делающего невозможным последующий запуск электрогенератора; запуска или останова генераторной установки, с одновременным контролем наличия сетевого напряжения; срабатывания датчика охранной сигнализации (генерирования дополнительного сигнала «Тревога» при несанкционированном открытии крышки кожуха генератора).

Информирование владельца электрогенераторной установки в данных случаях выполняется как оператором сервисной службы, так и непосредственно СМС-сообщениями в автоматическом режиме. При этом оператором осуществляется постоянный контроль состояния каждой электрогенераторной установки, которое с помощью специализированных программных средств может быть визуализировано на экране (рис. 2). Оператором также принимаются решения о необходимости удаленного управления, для чего достаточно выбрать команду из доступного перечня; формирование соответствующей последовательности управляющих команд и их доставка до исполнительного устройства производится автоматически средствами подсистемы удаленного мониторинга.

Рис. 2. Панель управления заявками и отображения информации о состоянии объектов контроля

Построение системы телеметрического контроля и управления на основе технологий беспроводных сенсорных сетей и мобильной связи позволяет силами единственной сервисной службы обеспечить эффективную техническую поддержку функционирования значительного количества электрогенераторов на большой территории.

Литература

Кузнецов, , телеуправление и экспресс-анализ эксплуатационных режимов объектов теплоэнергетики / , . – Управление развитием крупномасштабных систем. Труды Седьмой международной конференции // М.: Изд-во Института проблем управления им. , 2013. – С. 426-434. Чернышов, состояния энергоемких объектов по данным телеметрической информации / , , . – Современные информационные технологии. – 2013, № 18. – С. 114-116. Самойлов, программирование в цифровых системах телеметрии / , . – Проектирование и технология электронных средств. – 2015, № 3. – С. 3-6. Комраков, программного обеспечения для декомпозиции телеметрических данных / . – Теоретические и прикладные аспекты современной науки. – 2014, № 5-3. – С. 71-74. Остроух, системы в науке и производстве / , . – Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing, 2012. – 312 с. Остроух построения систем искусственного интеллекта для промышленных и строительных предприятий / . – М.: , 2008. – 280 с. Гусеница облачного хранения данных при информационной поддержке диспетчеризации транспорта / , . – Автоматизация и управление в технических системах. – 2015, №1. – С. 27-37. Гусеница, эффективности работы систем поддержки принятия решений с помощью интеграции прикладных информационных систем / , , . – Автоматизация и управление в технических системах. – 2013, №4.1. – С. 62-67. Якубович геоинформационная система регионального уровня / . – Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009, № ОВ2. – С. 432-437. Якубович. обеспеченности ведущей функции потока отказов / , . – Вестник МАДИ. – 2011, № 1. – С. 16-21. Якубович, теории управления: Учебное пособие / , . – М.: Изд-во «Лань», 2016. – 267 с. Баскаков, систем телеметрии на основе беспроводных сенсорных сетей / . – Автоматизация в промышленности. – 2012, № 12. С. 30-36. Казарин, автоматизированные системы контроля телеметрии (БАСКОТ); анализ и реализация / . - Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. – 2013, № 2. – С. 9-14. Ларцов, АСУ ТП распределенных объектов на основе беспроводных сенсорных сетей / , , . – Экспозиция. Нефть. Газ. – 2013, № 3. – С. 29-32. Москвитин, систем телеметрии промышленного назначения с использованием беспроводных сенсорных сетей / , . – Вопросы современной науки и практики. Университет им. . – 2014, № С52. – С. 87-91. Волков, С. В. GSM-телеметрия / , , . – Труды международного симпозиума «Надежность и качество». – 2013, Т. 2. – С. 57-59.

Авторы

; доктор технических наук; профессор кафедры «Автоматизированные системы управления» Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ); 125319, г. Москва, Ленинградский проспект; тел. [phone]; e-mail: *****@***ru.

, студент 4 курса подготовки бакалавриата по направлению 09.03.01 Информатика и вычислительная техника Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета (МАДИ); 125319, г. Москва, Ленинградский проспект; e-mail: *****@***ru.

DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM AND MANAGEMENT OF POWER GENERATING PLANTS BASED ON THE TELEMETRY DATA

Shows a two-tier structure of the transmission system telemetry data used to monitor and control generator sets in real time. The analysis of technologies of wireless sensor networks, constituting a first system level, the proposed use of device Z-Wave specifications are most relevant to the subject area. The construction of the second level system is based on GSM technology. The identified functions of a unified system of telemetric control and management, shows the main fixed events and the responses of the system.

Keywords: telemetric information, automatic control, wireless data transfer, maintenance of generators.

Authors

Yakubovich Anatoly, doctor of  technical sciences; professor of the sub-faculty «Systems of automatic controls» in State Technical University - MADI; Leningradsky Avenue, 64, Moscow, Russia, 125319; Phone [phone], e-mail: *****@***ru.

Jandimirkin Vladislav, student of the 4th course of training bachelors in the direction 09.03.01 Informatics and computer engineering in State Technical University - MADI; Leningradsky Avenue, 64, Moscow, Russia, 125319; e-mail: *****@***ru.