ТЕЛЕМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ СТАНЦИЯМИ КАТОДНОЙ ЗАЩИТЫ

Полезная модель относится к области систем регулирования и управления, в частности - к области систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления удаленными объектами, преимущественно станциями катодной защиты. Полезная модель может быть использована при построении архитектур систем телемеханики для распределенных технических объектов контроля и управления.
Применение станций катодной защиты (СКЗ) в целях противокоррозийной электрохимической защиты нефте- и газопроводов носит обязательный регламентированный характер в соответствующих эксплуатирующих организациях. Параметры и режимы электрохимической защиты, которые задаются при использовании СКЗ, нуждаются в постоянном контроле и корректировке, в зависимости от типа трубопровода, свойств почвы, в которой проложен трубопровод, времени года, и т.д. С учетом существенной протяженности трубопроводов, количество установленных СКЗ может быть велико. Поэтому дистанционный мониторинг и управление всем парком установленных на объектах СКЗ - весьма актуальная задача, которую решает соответствующая телемеханическая система контроля и управления.
Телемеханические системы контроля и управления распределенными объектами существуют и применяются [1-5]. Типовыми недостатками упомянутых систем является ограниченная функциональность, либо излишне сложная архитектура, которая в работе характеризуется низкой надежностью.
Типовая телемеханическая система имеет в своем составе:
- массив удаленных терминалов, реализующих функции сбора данных с объектов контроля и управления, оконечное управление этими объектами по поступающим командам, а также приемопередачу данных по существующим каналам связи на пункты более высокой иерархии. Терминалы могут представлять собой измерительные и управляющие приемопередающие устройства;
- диспетчерский пункт, осуществляющий прием, обработку и представление данных от массива удаленных терминалов, а также реализующий функции управления в автоматическом либо автоматизированном режимах. Диспетчерский пункт может представлять собой выделенную одиночную компьютерную станцию (сервер), либо компьютерную сеть. В качестве программного обеспечения для диспетчерского пункта типовым решением является применение SCADA-технологий. Они позволяют визуализировать данные о параметрах объектов в режиме реального времени. Это позволяет повысить эффективность взаимодействия диспетчера и сервера в составе человеко-машинной системы контроля и управления;
- коммуникационная система, включающая в свой состав канал связи. Коммуникационная система может быть ориентирована на применение множества проводных стандартных интерфейсов (RS-485, Industrial Ethenet, оптоволокно) с использованием соответствующих промышленных протоколов (MODBUS, PROFIBUS, CAN, TCP/IP), а также может быть ориентирована на применение беспроводных каналов связи: выделенный радиоканал FM, GSM GPRS с использованием соответствующих протоколов. В целях обеспечения надежности и отказоустойчивости коммуникационная система может использовать различные каналы связи. Назначение коммуникационной системы - приемопередача данных от массива удаленных терминалов к диспетчерскому пункту.
Особый интерес представляют телемеханические системы, в которых в качестве канала связи используется GSM GPRS. Отличительными чертами этого канала связи является широкая зона покрытия в пределах населенных пунктов и дорог, доступность, относительная дешевизна использования.
В качестве прототипа полезной модели выбрана телемеханическая система контроля и управления, применяемая в нефтедобывающей отрасли [6].
Иерархия описываемой системы трехуровневая. На первом уровне системы телемеханики - станках-качалках нефтедобывающих скважин, насосных установках, пунктах учета тепловой и электрической энергии - устанавливаются измерительно-вычислительные комплексы «МЕГА». Они производят сбор данных с объекта контроля и управления, передают данные по каналу GSM GPRS на контроллер связи, установленный на втором иерархическом уровне системы и подключенный к серверу сбора данных и управления. Информация об объектах доступна диспетчерам, специалистам и руководителям на автоматизированных рабочих местах (АРМ), представляющих третий уровень иерархии. Массив компьютерных станций АРМ подключается к серверу сбора данных и управления с использованием проводных каналов связи. Общий поток данных от объекта к диспетчеру (специалисту, руководителю), таким образом, проходит следующие программно-аппаратные узлы: данные от объекта (первый уровень) - комплекс «МЕГА» (первый уровень) - канал связи GSM GPRS-контроллер связи (второй уровень) - сервер сбора данных и управления (второй уровень) - массив АРМ (третий уровень). Программное обеспечение сервера сбора данных и управления, а также автоматизированных рабочих мест (АРМ) представляет собой компонентно распределенную SCADA.
Однако принципы построения и функционирование рассмотренной телемеханической системы не свободны от недостатков:
- использование узкоспециального протокола транспортного уровня пакетной передачи данных затрудняет приемопередачу данных оборудованием сторонних производителей и неспециализированным программным обеспечением;
- использование SCADA предполагает необходимость подборки, установки и настройки на компьютерах АРМ соответствующей операционной системы, драйверов и прочего специализированного программного обеспечения;
- информация, поступающая с объектов контроля и управления, доступна только для ограниченной группы пользователей, на компьютерах которых произведены все соответствующие настройки. Таким образом формируется «закрытая» система с определенным количеством точек доступа к данным (станций оператора, диспетчерских пунктов), что не всегда является удобным - диспетчер может просмотреть всю необходимую информацию об объектах контроля и управления только со своего АРМ;
- применяемые SCADA могут быть собственной разработкой, либо разработкой известных фирм. При этом нужно иметь в виду, что процесс разработки SCADA достаточно сложен и требует существенных временных и финансовых затрат, что не может не отразиться на стоимости готового программного продукта. То есть локальность рассматриваемой системы влечет за собой необходимость приобретения соответствующих лицензий.
Задачей настоящей полезной модели является создание надежной и открытой телемеханической системы с неограниченным количеством точек доступа к информации о состоянии станций катодной защиты за счет:
- применения программного стека протоколов транспортного уровня TCP/IP связи контроллеров телеуправления и сервера телемеханики по каналу связи GSM GPRS;
- исключения SCADA из реализации проекта, посредством осуществления контроля и управления станциями катодной защиты с любого - автоматизированного рабочего места АРМ при использовании стандартных WEB-браузеров;
- WEB-интерфейса визуализации данных с возможностью контроля доступа и защиты информации в порядке классификации имен пользователей (login) и применения системы паролей (password).
Технический результат при использовании полезной модели заключается в обеспечении возможности реализации эффективного дистанционного мониторинга и управления состоянием станций катодной защиты, при использовании недорогих каналов связи GSM GPRS, стека протоколов TCP/IP, а также программно-аппаратного обеспечения сети INTERNET, что повышает быстродействие телемеханической системы, расширяет ее функциональность, снижает стоимость разработки и эксплуатации, повышает практическое удобство при использовании, что, в итоге, выгодно отличает данную систему от аналогов.
Технический результат достигается посредством использования телемеханической системы контроля и управления станциями катодной защиты, содержащей станции катодной защиты, контроллеры телеуправления с интегрированными модемами GSM GPRS, каналы периферийной связи, антенно-фидерные устройства контроллеров телеуправления, GSM GPRS-каналы приемопередачи данных, антенно-фидерные устройства мобильного оператора, GSM GPRS-сервер мобильного оператора связи, автоматизированные рабочие места, а также выделенный единый сервер телемеханики, INTERNET канал связи, обеспечивающий обмен данными между GSM GPRS сервером мобильного оператора связи и сервером телемеханики, каналы связи INTRANET/INTERNET, обеспечивающие обмен данными между сервером телемеханики и автоматизированными рабочими местами, комплекс серверных программных средств, состоящий из подпрограммы приемопередачи данных и подпрограммы визуализации, обработки и хранения данных, при этом:
- сервер телемеханики принимает данные от контроллеров телеуправления станций катодной защиты, обрабатывает и передает их на автоматизированные рабочие места непосредственно, без промежуточных серверов регистрации, коммутации и коммуникации;
- контроллеры телеуправления используют канал связи GSM GPRS и программный протокол TCP/IP;
- подпрограмма приемопередачи данных функционально выполнена в виде службы, запускаемой операционной системой сервера телемеханики;
- подпрограмма визуализации, обработки и хранения данных реализована средствами WEB-программирования;
- комплекс серверных программных средств установлен на едином сервере телемеханики и в полном объеме реализует функции SCADA.
Технический результат обеспечивается тем, что:
- сбор данных и управление станциями катодной защиты осуществляется контроллерами телеуправления с использованием периферийных каналов связи. Приемопередача данных осуществляется с использованием интегрированных в контроллеры телеуправления модемов GSM GPRS и соответствующих антенно-фидерных устройств. Контроллеры телеуправления используют доступные недорогие каналы связи GSM GPRS, стек открытых протоколов TCP/IP, что позволяет применять для приемопередачи данных программно-аппаратные средства каналов связи сети INTERNET. Это упрощает систему маршрутизации, адресации, помехозащищенности и расширяет функциональные возможности системы;
- GSM GPRS-сервер мобильного оператора связи осуществляет приемопередачу, адресацию и маршрутизацию пакетов данных в системе протокола TCP/IP каналов связи INTERNET, что позволяет организовать сквозной обмен данными между удаленными контроллерами телеуправления и выделенным сервером телемеханики, с обеспечением высокой скорости и достоверности передачи данных;
- выделенный единый сервер телемеханики с установленным на нем комплексом серверных программных средств, состоящем из подпрограммы приемопередачи данных и подпрограммы визуализации, обработки и хранения данных, функционально заменяющем SCADA, позволяет осуществить приемопередачу данных на автоматизированные рабочие места без промежуточных серверов регистрации, коммутации и коммуникации, с использованием каналов связи INTRANET/INTERNET, и характеризуется при этом высоким быстродействием, а также практическим удобством при использовании. Выполнение подпрограммы приемопередачи данных в виде службы, запускаемой операционной системой сервера телемеханики, и реализация подпрограммы визуализации, обработки и хранения данных средствами WEB-программирования позволяют исключить громоздкую и дорогостоящую SCADA из проекта, обеспечить функциональность и компактность архитектуры, снизить стоимость разработки и эксплуатации.
В итоге, применение телемеханической системы, характеризуемой общностью архитектуры и совокупности признаков, позволяет осуществить эффективный дистанционный мониторинг и управление удаленными станциями катодной защиты.
На фиг.1 приведена архитектура телемеханической системы контроля и управления станциями катодной защиты, содержащая станции катодной защиты 1; контроллеры телеуправления с интегрированными модемами GSM GPRS 2; каналы периферийной связи 3; антенно-фидерные устройства контроллеров телеуправления 4; GSM GPRS каналы приемопередачи данных 5; антенно-фидерные устройства мобильного оператора 6; GSM GPRS сервер мобильного оператора связи 7; INTERNET канал связи 8; сервер телемеханики 9 с установленным на нем комплексом серверных программных средств 10, состоящим из подпрограммы приемопередачи данных 11 и подпрограммы визуализации, обработки и хранения данных 12; каналы связи INTRANET/INTERNET 13; автоматизированные рабочие места 14.
Система телемеханики функционирует следующим образом.
Контроллеры телеуправления 2 через канал периферийной связи 3 считывают данные и осуществляют оконечное управление станциями катодной защиты 1 (по цифровому интерфейсу RS-232), считывают показания счетчика электрической энергии (по цифровому интерфейсу RS-485), контролируют открытое/закрытое состояние двери станции катодной защиты 1.
В начале своей работы контроллеры телеуправления 2, при использовании антенно-фидерных устройств 4 обнаруживают сеть 5 стандарта GSM 900/1800, формируют запросы регистрации через антенно-фидерные устройства 6 и GPRS сервер мобильного оператора 7 на сервер телемеханики 9, используя протокол TCP/IP INTERNET-канала связи 8. Сервер телемеханики 9 имеет статический адрес и порт в системе адресации TCP/IP. При регистрации на сервере телемеханики 9 каждый контроллер телеуправления 2 получает динамический адрес и порт в системе адресации TCP/IP, этот адрес сервер телемеханики 9 хранит как идентификатор контроллера телеуправления 2 в течение всего сеанса связи. После регистрации на сервере телемеханики 9 контроллер телеуправления 2 готов к передаче данных о режиме и параметрах работы станции катодной защиты 1, а также к приему команд управления от станций автоматизированных рабочих мест 14, через сервер телемеханики 9.
Для удержания канала связи 5, через определенные интервалы времени, контроллер телеуправления 2 формирует тестовые посылки KEEP ALIVE на сервер телемеханики 9.
В процессе работы контроллер телеуправления 2 регулярно обновляет данные о режиме и параметрах работы станции катодной защиты 1. В контроллере телеуправления 2 реализована функция приема данных при нестабильном ответе станции катодной защиты 1 через цифровой интерфейс RS-232, а также функция «скользящего среднего» для основных параметров ее работы. Это позволяет производить дополнительную фильтрацию данных на уровне считывания данных из станций катодной защиты 1. Полученные данные передаются через определенные интервалы времени, которые формирует сервер телемеханики 9, направляя запросы в контроллер телеуправления 2. Кроме того, в системе телемеханики может быть организован внеочередной запрос данных, по команде с автоматизированного рабочего места 14, имеющего право такого запроса. Режим работы станций катодной защиты 1 также может быть изменен по команде с автоматизированного рабочего места 14, имеющего право реализации команд управления. Связь автоматизированных рабочих мест 14 с сервером телемеханики 9 осуществляется по каналу связи INTRANET/INTERNET 13.
В случае возникновения определенных событий (открытие/закрытие двери, включение/выключение питания ~220 В, 50 Гц, возникновение ошибки станции катодной защиты 1), контроллер телеуправления 2 самостоятельно инициирует и формирует информационные посылки на сервер телемеханики 9. Работа и приемопередача данных от контроллера телеуправления 2 в случае выключения питания ~220 В, 50 Гц осуществляется при использовании резервного источника питания (аккумулятора).
Данные, приходящие от массива «станции катодной защиты 1 - контроллеры телеуправления 2», обрабатываются в комплексе серверных программных средств 10 сервера телемеханики 9. Этот программный комплекс, состоящий из подпрограммы приемопередачи данных и подпрограммы их визуализации, позволяет принимать, обрабатывать, визуализировать, хранить данные по каждой учетной точке станций катодной защиты 1.
Сервер телемеханики 9 имеет статический адрес и порт в системе адресации TCP/IP, что позволяет реализовать регистрацию и доступ к подпрограмме приемопередачи данных 11, организующей связь с массивом контроллеров телеуправления 2, и организовать доступ к подпрограмме визуализации данных 12, обеспечивающей связь с массивом станций автоматизированных рабочих мест 14. В результате, диспетчер (специалист, руководитель) может просмотреть данные о каждой станции катодной защиты 1, задав IP-адрес в строке собственного браузера станции автоматизированного рабочего места 14, введя имя (login) и пароль (password). При этом открывается экранная форма WEB-интерфейса, предоставляющая функции просмотра, обработки данных по каждой станции катодной защиты 1, а также функции управления (зависит от прав пользователя).
Использование контроллеров телеуправления, преобразующих данные с контролируемых объектов в IP-пакеты, с последующей непосредственной передачей по GSM GPRS-каналу на сервер телемеханики со статическим IP-адресом, на котором установлен комплекс программных средств с подпрограммой приемопередачи и подпрограммой их визуализации, позволяет осуществить прямой доступ информации от объектов контроля и управления - станций катодной защиты - на общедоступный INTERNET-сервер без промежуточных шлюзов. При этом совмещение программно-аппаратных функций приемопередачи, обработки, визуализации и хранения данных на едином выделенном INTERNET-сервере телемеханики обеспечивает компактность и функциональность архитектуры.
Применение стека протоколов TCP/IP в качестве протокола транспортного уровня системы GSM GPRS существенно упрощает систему маршрутизации, адресации, помехозащищенности и доставки пакетов данных на сервер телемеханики, расширяет функциональные возможности системы.
Обмен данными по GSM GPRS-каналам соответствует требованиям, предъявляемым к автоматизированным системам, таким как достоверность, надежность, качество передачи данных. Это позволяет производить мониторинг распределенных (удаленных) объектов и своевременно формировать управляющие сигналы.
Подпрограмма верхнего уровня визуализации данных, входящая в состав комплекса серверных программных средств, выполняет функции громоздкой и дорогостоящей SCADA, и позволяет исключить ее из проекта. При этом она реализована средствами WEB-программирования и обладает гораздо более оптимальными показателями по комплексному критерию «функциональность - программно-аппаратные затраты - производительность». Настоящая полезная модель позволяет получить эффективное средство мониторинга и управления удаленными объектами, работающими в режиме реального времени, при сокращении времени и затрат на разработку телемеханической системы, упрощении организации ее работы.
В итоге, принятые принципы построения систем мониторинга распределенных объектов позволяет создавать надежные, открытые и бесплатные системы с неограниченным количеством точек регламентируемого доступа к информации.
Телемеханическая система контроля и управления станциями катодной защиты разработана и введена в эксплуатацию на объектах газораспределительной сети ОАО «Газ-Сервис» Республики Башкортостан.
Источники информации:
1. RU 62722, МПК G07C 11/00, 07.02.20071
2. RU 29594, МПК G05B 19/00, 25.11.2002.
3. RU 30207, МПК G08B 13/22, 18.02.2003.
4. Рекламный проспект ООО НПП «Сфера». ПТК «СКАТ-4».
5. Рекламный проспект ООО «Элтех». Комплекс GSM мониторинга станций катодной защиты Тверца 900 «Тверца монитор».
6. RU 66550, МПК G01R 22/00, 16.04.2007.