ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
УДК 502.6:622.276.5
© А.Н. Мурыжников, А.А. Мурыжников, 2013
Применение беспроводного канала связи стандарта ZigBee для охранно-аварийной сигнализации на нефтепромысловых объектах
А.Н. Мурыжников, к.т.н. (ООО «Башнефть-Добыча»), А.А. Мурыжников
(ООО «РокФлоуДинамикс»)
Адрес для связи: MuryignikovAN@bashneft.ru
Ключевые слова: стандарт ZigBee, ретранслятор-маршрутизатор, датчик протечки, GSM-коммуникатор.
The use of ZigBee wireless communication channel for security and alarm systems of oil production facilities
A.N. Muryzhnikov (Bashneft-Dobycha LLC, RF, Ufa), A.A. Muryzhnikov (Rock Flow Dynamics LLC, RF, Moscow)
E-mail: MuryignikovAN@bashneft.ru
Key words: ZigBee standard, router, leak sensor, GSM communicator.
Article reviews specialty of building security and emergency alarm using ZigBee standard units, based on principles of self-organization and self-routing. Water leak function realization reviewed. Descripted hardware and software complex, which realization allows significantly decrease costs on cable production, construction, installation and commissioning. Perspective of creation of oilfield objects parameters monitoring system reviewed.
Актуальность разработки беспроводной системы АСУ ТП
Строительство новых и реконструкция действующих технологических объектов требуют создания автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП), объем капитальных вложений в которые достигает 25 % стоимости объекта. От сроков ввода в эксплуатацию АСУ ТП зависит срок ввода в эксплуатацию всего технологического объекта. Создание структурированной кабельной системы (СКС) передачи данных является основным компонентом АСУ ТП. Разработка и внедрение альтернативных кабельным каналам беспроводных сетей передачи данных - единственный возможный путь снижения стоимости и сокращения объема строительно-монтажных и пуско-наладочных работ по созданию систем автоматизации и телемеханизации нефтепромысловых объектов.
Существует много объектов автоматизации, где сложно обойтись без беспроводных сетей или где их применение желательно: 1) объекты, на которых стоимость кабелей, кабельных каналов, опор, а также монтажа и обслуживания существенно превышает стоимость заменяющей беспроводной системы; 2) взрывоопасные зоны; 3) объекты с полностью автономными источниками электропитания оборудования; 4) офисные здания.
В большинстве случаев беспроводные сети имеют следующие преимущества по сравнению с кабельными системами:
- существенно снижается стоимость установки датчиков;
- исключается необходимость профилактического обслуживания кабелей;
- не требуется установка дорогостоящих и малонадежных узлов разветвления кабелей (муфты);
- снижаются трудозатраты, а также сокращается время на монтаж и обслуживание СКС;
- уменьшается стоимость коммуникаций за счет исключения СКС;
- ускоряется отладка и поиск неисправностей;
- обеспечивается удобная модернизация системы.
Однако с точки зрения требований к промышленным сетям беспроводные сети уступают кабельным по следующим характеристикам:
- время доставки сообщений: используемый механизм случайного доступа к каналу не гарантирует доставку в заранее известное время;
- помехозащищенность: беспроводные сети подвержены влиянию электромагнитных помех значительно сильнее, чем проводные;
- надежность: при появлении объектов, вносящих затухание, отражение или рассеяние радиоволн, уровень сигнала падает вплоть до полного исчезновения связи;
- ограничение дальности связи без использования ретрансляторов;
- резкое падение пропускной способности сети при увеличении числа одновременно работающих станций и коэффициента использования канала.
В связи с отмеченным была поставлена задача проанализировать существующие и новейшие технологии беспроводных сетей с целью минимизации проблем, ограничивающих эффективность применения беспроводных сенсорных сетей, и выбрать наиболее эффективную технологию беспроводной связи. Кроме того, текущими актуальными задачами являются разработка программы и проведение испытаний.
В промышленной автоматизации наибольшее распространение получили следующие типы беспроводных сетей: ультракоротковолновые (УКВ); мобильные GSM и CDMA радиосети; Bluetooth на основе стандарта IEEE 802.15.1; ZigBee на основе стандарта IEEE802.15.4; Wi-Fi на основе стандарта IEEE802.11.
Наиболее распространенным диапазоном частот для построения радиоканалов передачи данных в системах автоматизации и телемеханики является УКВ диапазон. Радиосигналы этого диапазона имеют исключительно хорошее прохождение.
К достоинствам УКВ-радиоканалов относятся большая дальность действия, отсутствие необходимости прямой видимости
т
Таблица 1
Технология
АСУ ТП Bluetooth ZigBee Wi-Fi УКВ GSM
Скорость передачи, кбит/с 40 723 250 - 600 9,2 40,0
Дальность, м 3000 50 4000 100 10000 Зона покрытия
Максимальное число участников сети 15 8 250 Не ограничено 2 Не ограничено
Потребляемая мощность, мВт 10 15 1 50 10000 100
Продолжительнсть работы от батарей, мес 3 - 12 - 0,05 0,3
Цена/сложность, у.е. 3 10 1 20 10 1
Топология системы Точка -точка, Точка -точка, Точка -точка, Точка -точка, Точка - точка, Сотовая сеть
звезда, сеть звезда, сеть звезда, сеть звезда звезда
антенно-фидерных устройств (АФУ), отлаженная процедура получения лицензий на радиочастоты. Основными недостатками являются малая скорость передачи данных (1,2- 9,6 кБит/с), топология сети «точка - точка», «звезда», большое энергопотребление, невозможность работы от автономного источника питания, высокая стоимость лицензии, необходимость повторных платежей при актуализации.
В учете энергоресурсов повсеместно используются сотовые каналы связи GSM. Есть примеры применения GSM-каналов передачи данных в системах телемеханики нефтепромысловых объектов [1]. К достоинствам GSM-каналов передачи данных относятся широкий канал передачи данных; топология «сотовая сеть», включающая все существующие архитектуры сетей: «точка - точка», «звезда», «сеть кластерное дерево»; неограниченное число участников сети; оптимальная для АСУ ТП скорость передачи данных (40 кБит/с). Однако опыт эксплуатации GSM-кана-лов передачи данных показал наличие ряда недостатков:
- полная потеря связи с объектом при отключении или перезагрузке базовой станции (как правило, объект входит только в одну зону действия базовой станции); отсутствие возможности контроля каналов передачи данных; ограниченная зона охвата (только зона покрытия базовой станции); передача данных -вторичный режим работы GSM, и передача телеметрии не гарантирована на 100 %; высокая стоимость трафика приводит к тому, что оснащение каждого датчика GSM-модемом экономически невыгодно.
Каналы связи GSM в большей степени применимы для одиночных объектов. В промышленной и домашней автоматизации наибольшее распространение [2] в последнее время находят три типа беспроводных сетей: Bluetooth, ZigBee, WiMax. Все три сети используют нелицензируемый диапазон 2,4 ГГц.
Стандарт Bluetooth является компромиссным с точки зрения соотношения параметров экономичность - дальность - скорость. По своей функциональности и возможности применения в различных приложениях он имеет наибольшее число пересечений с другими стандартами. К его достоинствам относятся высокая степень стандартизации, совместимость устройств разных производителей, невысокая стоимость, возможность построения топологии «точка - точка», «звезда», «сеть», универсальность и большое разнообразие модулей для решения различных задач.
В качестве недостатков отметим высокое энергопотребление, невозможность работы от автономных источников питания, малую дальность действия.
Стандарт беспроводной передачи данных Wi-Fi был специально создан для объединения нескольких устройств в единую локальную сеть. Беспроводные сети позволяют добавлять к действующим сетям компьютеры и другие беспроводные устройства с минимальными физическими, временными и материальными затратами. К достоинствам Wi-Fi относятся большая ско-
рость передачи данных, высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами различных производителей. Основными недостатками являются большое энергопотребление, невозможность работы от автономных источников питания, высокая стоимость, возможность построения топологии только «звезда» и «точка - точка», малая дальность действия.
В настоящее время для мониторинга объектов промышленности и транспорта широкое распространение получает технология ZigBee стандарта 802.15.4 благодаря:
- небольшой стоимости модулей и комплектующих;
- высокому уровню стандартизации и совместимости устройств различных производителей;
- малому энергопотреблению, возможности длительной работы от автономного источника питания;
- возможности построения топологии «точка - точка», «звезда», «сеть».
К недостаткам технологии ZigBee можно отнести следующее. Развивается преобладание сервисных пакетов информации над пакетами данных. Эта проблема решается инсталляцией в маршрутизаторах вновь разработанного программного обеспечения контроля качества обслуживания. Для технологии характерна сложность реализации алгоритмов быстрого мониторинга.
Для определения оптимальной беспроводной технологии передачи данных, позволяющей разработать АСУ ТП для нефтепромысловых объектов, составлена сводная таблица сравнения (табл. 1) [3].
Модули ZigBee по сравнению с модулями других беспроводных технологий имеют ряд преимуществ, что обеспечивает быстрое распространение этого стандарта. Ключевой особенностью сетей ZigBee является возможность выполнять ретрансляцию передаваемых данных через множество промежуточных узлов в сети. Причем при выходе из строя или выключении одного из узлов сеть автоматически находит другой путь для передачи информации. При восстановлении питания устройства сеть заново включает его в свой состав, проявляя свойства самоорганизации и самомаршрутизации.
Спецификация ZigBee уделяет много внимания энергосберегающим режимам работы сети. Например, конечные устройства сети большую часть времени остаются в «спящем» состояни
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.