СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ ДАННЫХ
METHOD OF TRANSMITTING DIGITAL DATA

Изобретение относится к способу передачи цифровых данных в распределенных системах сбора информации и может быть использовано, например, для получения телеметрической информации по различным каналам связи, устанавливаемым на стационарных объектах электроэнергетики.
В электроэнергетике существует большое количество автоматизированных систем, выполняющих функции релейной защиты и противоаварийной автоматики, телемеханики, коммерческого и технического учета электроэнергии, регистрации аварийных ситуаций. Но в большинстве автоматизированные системы требуют сложных и трудоемких ручных операций по настройке каналов связи между устройствами, а опрос данных производится последовательно для каждого устройства с перебором всех необходимых типов данных (см. патент РФ на изобретение №2453913).
Способ по указанному выше патенту заключается в том, что на объекте у потребителя энергоресурсов устанавливают датчики контроля и счетчики расхода топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) по каждому расходуемому энергоносителю, снимают их показания и производят обработку информации по фактически израсходованным потребителем энергоносителям, и с помощью средств отображения предоставляют каждому потребителю информацию о потребленных энергоресурсах. Датчики контроля и счетчики расхода ТЭР подключают к станции связи, осуществляющей по запросу с центрального сервера сбор, обработку и передачу данных по линиям связи на центральный сервер, удаленные датчики контроля и счетчики расхода ТЭР подключают к шкафу автоматики, данные с которых по радиоканалу поступают на станцию связи, откуда информацию по радиоканалу, оборудованию сотового оператора и сети Интернет передают на центральный сервер.
Признаками этого аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, является организация опроса по заданному расписанию использованных в системе аналогичных устройств.
Причины, препятствующие получению технического результата по вышеуказанному аналогу, который обеспечивается заявляемым изобретением, следующие:
Применение данного способа затруднительно при постоянном изменении структуры объекта, связанной с добавлением новых устройств - датчиков контроля и счетчиков расхода, их заменой или выводом из эксплуатации. Способ предполагает использование ручного труда по внесению в центральный сервер списков адресов устройств, настройки их протоколов обмена, что увеличивает расходы при эксплуатации системы, связанные с необходимостью вручную считывать с устройств адреса, составлять их список и вносить его в центральный сервер. В способе описывается возможность сбора данных в центральный сервер информации от устройств по запросу, но не описывается возможность передачи срочных сообщений от устройств и подстройки протоколов обмена под различные каналы связи с устройствами.
Кроме того, к подобным способам относится способ формирования выходной информации по состоянию множества входных сигналов в системах сбора, преобразования, передачи данных и управления (см. патент РФ на изобретение №2362211 от 20.07.2009 г.). В этом способе в компьютерной памяти задают список заготовок телематических сигналов сообщений, список адресов получателей, к которым могут быть направлены эти сообщения, и список указателей величин и массивов, значения которых могут быть вставлены в эти сообщения.
Недостаток подхода к передаче цифровых данных, используемого в вышеуказанных патентных источниках и предусматривающего в необходимости указывать адреса устройств, а также предварительно определять форматы сообщений, заключается в необходимости иметь полную предварительную информацию о структуре объекта, которую необходимо внести в компьютерную память в виде списка адресов получателей и форматов сообщений. При добавлении новых устройств либо при выводе их из эксплуатации, либо при замене устройств измененную информацию о структуре объекта также необходимо вносить в компьютерную память, что является трудоемким процессом.
За ближайший аналог принят способ передачи данных (патент РФ №2476993), описывающий способ одновременной передачи данных нескольких услуг за счет динамического согласования распределения мощности.
C
C
C
i
i
i
i
Способ заключается в следующем. Способ передачи данных для одновременной передачи полезных данных множества услуг (S1…Sn) с разными характеристиками () от передатчика (A) с ограниченной мощностью передачи к приемнику (B) по линии электропередачи (PLC) в качестве передающего канала. Услуги (S1…Sn) включают в себя по меньшей мере две из следующих услуг: услуги для передачи данных, речь, сигнал покоя, пилотный сигнал и запускающие сигналы, причем при изменении характеристики (C) и/или изменении качества (E) сигнала услуги распределение мощности передачи передатчика (A) по услугам (S1…Sn) согласовывают с учетом их текущих характеристик (). При распределении мощности передачи учитывают текущие характеристики (), включающие требуемую мощность или приоритет услуги (S1…Sn). Изменение качества (E) сигнала услуги определяют в передающем устройстве, содержащем передатчик (A). Изменение качества (E) сигнала услуги определяют в передающем устройстве, содержащем приемник (B), и передают по передающему каналу на передающее устройство, содержащее передатчик (A). При распределении мощности передачи при необходимости всю мощность на короткое время предоставляют одной услуге для передачи защитного сигнала. Услугам (S1…Sn) присваивают различные пилотные сигналы для автоматической регулировки усиления (АРУ). Распределение мощности передачи осуществляют по заданной таблице.
Признаки ближайшего аналога, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, следующие:
Способ передачи цифровых данных в системах сбора информации заключается в том, что одновременно передают полезные данные множеству услуг с разными характеристиками.
Причины, препятствующие получению технического результата по ближайшему аналогу, который обеспечивается заявляемым изобретением, следующие:
Применение данного способа затруднительно при использовании разнородных каналов связи, при этом некоторые из них могут не иметь возможности разделения на различные поднесущие частоты. Способ предполагает использование ручного труда, что увеличивает расходы при эксплуатации системы.
Технический результат, который может быть получен при использовании заявляемого способа, заключается в сокращении расходов при эксплуатации системы за счет считывания с устройств адресов в режиме реального времени, их внесения в центральный сервер и автоматический опрос.
Скорость, надежность передачи информации достигается за счет дополнительного механизма передачи срочных сообщений от устройств в центральный сервер, имеющих два вида приоритетов: неотложные сообщения и обычные сообщения. Неотложные сообщения прерывают текущий сбор данных по запросу и передачу обычных сообщений и передаются в режиме реального времени. Обычные сообщения ставятся в очередь и ожидают завершения сбора данных по запросу.
Существенные признаки заявляемого изобретения следующие:
Способ передачи цифровых данных заключается в том, что одновременно передают полезные данные множеству услуг с разными характеристиками, в режиме реального времени выстраивают и поддерживают в актуальном состоянии сеть связи с помощью центрального модема, используя основные и альтернативные маршруты связи, на которые переключаются без потери дополнительного времени на поиск маршрутов при изменении условий связи и замене устройств связи, считывают из центрального модема список адресов подчиненных устройств связи, определяя список вновь появившихся и исключенных из сети связи устройств, для вновь появившихся устройств производят выбор подходящего протокола обмена, производят считывание идентификационных параметров в необходимом и достаточном объеме для запуска в эксплуатацию информационно-измерительных систем, контролируют параметры устройств, выявляют совпадающие коммуникационные адреса, присваивая им уникальную составную строку, содержащую обозначение объекта электроэнергетики и порядковый номер, под которым устройство определили в концентраторе, передают сообщения об обнаружении новых устройств и считывают их адреса в систему сбора и передачи данных, по которым сразу начинается сбор информации по заданному расписанию, подстраивают протоколы обмена для минимизации времени считывания с устройств полезных данных, группируя запросы и ответы в пакеты, имеющие длину, близкую к максимальному размеру буфера модемов сети связи, где типы запрашиваемых данных отмечаются флагами, задают приоритет для каждого типа полезных данных, передают параметры, общие для всех устройств, путем передачи из концентратора широковещательных пакетов с последующим контролем успешности выполнения команды путем считывания подтверждения с каждого устройства и индивидуально корректируют параметры, контролируют временные параметры системы сбора и передачи данных измерителями эффективности передачи полезных данных и эффективной скорости передачи полезных данных, передают сообщения от устройств двух видов - обычные, ожидающие очереди завершения сбора данных по запросу, и неотложные, прерывающие любую передачу данных в канале связи.
В отличие от ближайшего аналога в режиме реального времени, отличающегося тем, что в режиме реального времени выстраивают и поддерживают в актуальном состоянии сеть связи с помощью центрального модема, используя основные и альтернативные маршруты связи, на которые переключаются без потери дополнительного времени на поиск маршрутов при изменении условий связи и замене устройств связи, считывают из центрального модема список адресов подчиненных устройств связи, определяя список вновь появившихся и исключенных из сети связи устройств, для вновь появившихся устройств производят выбор подходящего протокола обмена, производят считывание идентификационных параметров в необходимом и достаточном объеме для запуска в эксплуатацию информационно-измерительных систем, контролируют параметры устройств, выявляют совпадающие коммуникационные адреса, присваивая им уникальную составную строку, содержащую обозначение объекта электроэнергетики и порядковый номер, под которым устройство определили в концентраторе, передают сообщения об обнаружении новых устройств и считывают их адреса в систему сбора и передачи данных, по которым сразу начинается сбор информации по заданному расписанию, подстраивают протоколы обмена для минимизации времени считывания с устройств полезных данных, группируя запросы и ответы в пакеты, имеющие длину, близкую к максимальному размеру буфера модемов сети связи, где типы запрашиваемых данных отмечаются флагами, задают приоритет для каждого типа полезных данных, передают параметры, общие для всех устройств, путем передачи из концентратора широковещательных пакетов с последующим контролем успешности выполнения команды путем считывания подтверждения с каждого устройства и индивидуально корректируют параметры, контролируют временные параметры системы сбора и передачи данных измерителями эффективности передачи полезных данных и эффективной скорости передачи полезных данных, передают сообщения от устройств двух видов - обычные, ожидающие очереди завершения сбора данных по запросу, и - неотложные, прерывающие любую передачу данных в канале связи.
Совокупность новых признаков заявляемого технического решения из известного уровня техники не выявлена, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Задачей изобретения является создание способа передачи цифровых данных в системах сбора телеметрических данных, который бы позволил ускорить настройку объектов в электроэнергетике, свести к минимуму ручные операции по настройке и поддержанию в актуальном состоянии настроек, обеспечить автоматическое отслеживание изменений структуры объекта, производимых при плановых работах по ремонту и модернизации, а также организовывать передачу данных между устройствами таким образом, чтобы имелась возможность собирать с устройств на центральный сервер максимально возможный объем информации для используемого физического канала связи и с заданным приоритетом передавать сообщения от устройств на центральный сервер. В одной автоматизированной системе могут использоваться один или несколько разнородных каналов связи и несколько типов устройств.
Рассмотрим операцию самоорганизации сети связи и поддержания в актуальном состоянии списка устройств. Эта операция проиллюстрирована на фиг.1
Операция проводится непрерывно, центральный модем ожидает прием заявок на подключение от подчиненных модулей связи, каждое из которых периодически направляет сигналы-маяки, пытаясь обнаружить другие модули связи. Если обнаружен центральный модем 1, то в его список адресов записывается адрес модуля связи, который с ним связался, присваивая статус «Доступно» 2. Каждая запись в этом списке означает наличие работающего канала связи к устройству, через который может передаваться телеметрическая информация. Если обнаружен другой модуль связи, то в его список адресов записывается адрес модуля связи, который с ним связался, и этот модуль связи считается ретранслятором. В свою очередь другой модуль связи также направляет сигналы-маяки и таким образом выстраиваются маршруты до тех пор, пока маршруты не достигнут центрального модема, в список адресов которого добавляется адрес модуля связи со статусом «Доступно». Если количество ретрансляторов достигнет максимально допустимого количества, считается, что связь с данным модулем связи отсутствует. Следовательно, каждый модуль связи может являться ретранслятором для выстраивания маршрута передачи данных. При изменении условий передачи данных, например отключении промежуточного модуля связи, являющегося ретранслятором, либо возникновении естественного препятствия при передаче сигнала подчиненные модули связи прокладывают каналы связи через другие модули связи, тем самым образуя альтернативные маршруты. При опросе устройств в центральном модеме ведется статистика количества успешных попыток связи через каждый из маршрутов к каждому модулю связи и они выстраиваются в рейтинг - основной маршрут, через который на текущий момент было наибольшее количество успешных попыток связи, и два альтернативных, соответственно через которые было меньше успешных попыток связи.
Качество связи по каналам связи на объекте может с течением времени изменяться, в связи с чем одни маршруты передачи данных могут становиться менее эффективными, при этом другие становятся более эффективными, а связь по некоторым маршрутам может отсутствовать. В этом случае в следующем цикле самоорганизации система обнаруживает появление нового альтернативного маршрута передачи данных.
Следующим этапом производится регистрация 3 в виде последовательного обращения к приборам для определения типа каждого прибора. При этом приборы могут быть различных типов и иметь различные протоколы обмена и определить их тип можно методом перебора протоколов обмена. Для списка типов приборов устанавливаются приоритеты - последовательность подбираемых протоколов обмена приборов. В начальный момент запуска системы концентратор еще не имеет информации о типах устройств, подключенных к модулям связи. Концентратор по заданному расписанию периодически считывает с центрального модема список подчиненных модулей связи. При обнаружении новых модулей связи им устанавливается статус «В работе» 4. Концентратор производит считывание идентификационных параметров в необходимом и достаточном объеме для запуска в эксплуатацию информационно-измерительных систем, а именно тип и модель устройств, серийный номер и коммуникационный адрес.
После выполнения регистрации с устройств начинается процесс сбора данных 5.
В процессе сбора данных, если устройство не отвечает на запросы, регистрируется сбой связи 6, проверяется его наличие в списке устройств связи, а также проводится сверка списка со списком, полученным в результате предыдущего чтения. Если в списке устройств связи сопряженное устройство имеется, то производятся повторные попытки опроса в соответствии с заданным расписанием. Если же обнаружено, что устройство исчезло из списка устройств связи, то ему присваивается статус «Временно недоступен» 7 и больше не предпринимаются попытки на его опрос, чтобы сократить объемы передаваемой информации по каналам связи. При появлении в списке устройств связи 8 ему снова присваивается статус «Доступно» 2 и производится сбор информации по заданному расписанию.
При необходимости проведения профилактических и ремонтных работ и заменах устройств производят отключение устройства 9, которому в списке устройств связи устанавливается статус «Выведено» 10.
Рассмотрим операцию сбора данных.
В распределенных системах сбора информации заранее вручную настраивают типы собираемых данных и расписание опроса. При использовании на объектах нескольких каналов связи подбирают формат протокола обмена таким образом, чтобы длина пакетов была максимально возможной для буфера обмена используемого канала связи. Для того чтобы подобрать необходимую длину пакетов, применяется метод упаковки данных в групповые пакеты, при котором необходимый объем данных передается не последовательно в разных пакетах, а в едином пакете, где типы запрашиваемых данных отмечаются флагами. С целью повышения эффективности передачи управляющих команд применяют метод широковещательной рассылки команд управления. Принявшие команду приборы, приступят к ее исполнению. После этого производят последовательный опрос всех устройств на предмет выяснения состояния выполнения отправленной команды. Если команда не была принята прибором, то ему команда отправляется индивидуально повторно. С учетом того, что количество приборов, которые не приняли команду к исполнению с первого раза, в реальных сетях невелико, то последовательный опрос является удовлетворительным методом для адресной доставки команд.
В крупных распределенных системах сбора данных возможно наличие нескольких центральных серверов, к каждому из которых возможно подключение нескольких клиентских рабочих мест операторов, выполняющих чтение данных с устройств, их параметрирование, передачу в устройства команд управления, а также прием и обработку сообщений от устройств. При этом бывают случаи, когда нужен доступ одновременно для разных целей. Для разрешения конфликтов в сервере задается приоритет для каждого типа запроса. Для команд управления и сбора мгновенных значений параметров, отражающий аварийные ситуации, задают максимальный приоритет. Для других типов данных приоритет настраивают. Сообщения от устройств также передаются с заданным уровнем приоритета, зависящим от того, насколько срочно сообщение должно быть доставлено оператору для последующей обработки.