ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ ДЛЯ

ПРИМЕНЕНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ СЕТЕЙ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
И АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Самоделкина С.В., Клочковская Л.П.
Алматинский университет энергетики и связи, Алматы, Казахстан
E-mail: [email protected]
Сегодня важной задачей комплексной автоматизации промышленности является организация обмена информацией в масштабах предприятия и за его пределам на основе единой,
стандартной, масштабируемой и высокопроизводительной сети.
По оценкам экспертов, только сбор данных в реальном времени о различных аспектах
производственных процессов приведет в ближайшие годы к многократному увеличению
трафика в распределенных системах промышленного управления [1]. Причем возрастут не
только потоки данных между датчиками, управляющими контроллерами и системой диспетчерского управления АСУ ТП, но и мультимедийные потоки в АСУП.
Технология сенсорных сетей способна стать идеальной заменой дорогостоящих кабелей вместе со вспомогательным оборудованием (кабельными каналами, клеммами, шкафами
и т.д.). А поддержка основных интерфейсов и протоколов, которые применяются в настоящее время в промышленности, позволит провести беспрепятственную интеграцию с существующими сетями без проведения масштабной реконструкции.
Идея отказа от проводов выглядит очень привлекательно. Попутно могут быть решены
проблемы, связанные с заменой части проводки уже внедренных промышленных сетей. Дело
в том, что проводные узлы и кабели могут медленно разрушаться, например под влиянием
химического воздействия. Их повторная прокладка очень трудоемка и требует больших финансовых затрат.
Беспроводные сенсорные сети — одна из активно развиваться технологий промышленной автоматизации. Объединенные в беспроводную сенсорную сеть, датчики образуют распределенную, самоорганизующуюся систему сбора, обработки и передачи информации. Основной областью применения является контроль и мониторинг измеряемых параметров различных физических полей, сред и объектов.
Беспроводная сенсорная сеть — это распределённая, самоорганизующаяся сеть множества датчиков (сенсоров) и исполнительных устройств, объединенных между собой посредством радиоканала. Причем область покрытия подобной сети может составлять от нескольких метров до нескольких километров за счет способности ретрансляции сообщений от одного элемента к другому.
Особенностью сенсорных сетей является принцип самоорганизации и передачи сообщений по цепи. Устройства обладают способностью к ретрансляции сообщений по цепочке
от одного к другому, что позволяет собирать информацию с протяженных объектов, превосходящих по своим размерам радиус связи одного элемента. Это позволяет значительно расширить круг объектов для внедрения систем телеметрии, в частности за счет тех объектов,
где использование традиционных каналов передачи информации было невозможно или экономически не выгодно.
Ключевыми особенностями сенсорных сетей являются способности к самоорганизации
сети, ее адаптации к численному составу устройств и способность ретрансляции сообщении
от одного элемента сети к другому
В промышленности сенсорные сети можно использовать для непрерывного мониторинга оборудования и предсказания его отказов или необходимости профилактического обслуживания с гораздо большей точностью, что позволит компаниям избежать дорогостоящих
аварий или простаивания производственных линий [2]. Это всего два примера все возрастающего числа потенциальных применений технологии сенсорных сетей.
Беспроводные сенсорные сети (также называемые специализированными или многоточечными сетями) строятся из небольших узлов, называемых моты (mote) – небольших авто-
номных компьютеров с питанием от батарей и радиосвязью, которая позволяет мотам самоорганизовываться в специализированные сети, связываясь друг с другом и обмениваясь данными. Моты выступают как компоненты беспроводных сенсорных сетей. Данные от отдельных узлов передаются по сети от узла к узлу (отсюда название «многоточечные сети»), и
обычно оказываются на «супер-узле», или сервере, имеющем более высокую вычислительную мощность.
Каждый мот устанавливает связь с соседними сразу после включения. Несмотря на то,
что отдельный сенсор имеет ограниченную мощность и вычислительные возможности, множество мотов, самопроизвольно организуясь в сеть, способно выполнять задачи, с которыми
не может справиться обычная вычислительная система.
Использование гетерогенных сенсорных сетей для повышения производительности
По мере роста сенсорной сети ее производительность может снижаться. Причина заключается в следующем: в типичной беспроводной сенсорной сети данные, собираемые всеми узлами, хранятся на единственном сервере, выступающем в качестве шлюза с сетью IP.
Данные перемещаются по сети от узла к узлу, чтобы достичь шлюза, при этом существует
вероятность потери некоторого количества данных, которая возрастает с ростом размера сети. Кроме того, когда узел передает данные соседнему узлу, и тот передает их дальше, расходуется энергия. Сети большого объема с большим количеством узлов расходуют для передачи данных значительно больше электроэнергии. Поэтому по мере роста сенсорной сети ее
производительность снижается.
Чтобы разрешить эти проблемы производительности используются передовые технологии и протоколы для повышения уровня гетерогенности в сенсорных сетях. Такой подход
позволяет сенсорной сети автоматически объединять ресурсы в таких средах, как, например,
корпоративная сетевая инфраструктура, где имеются настенные розетки или узлы с высокопроизводительным процессором, для повышения времени работоспособности сети и точности передачи данных.
Устранение узких мест при передаче данных ускоряет распространение данных по сети
и в результате приводит к повышению надежности и сокращению энергопотребления.
Платформа сенсорных сетей позволяет проводить анализ данных внутри сети, сокращая объем передаваемых данных и энергопотребление (и продлевая, таким образом, время
автономной работы). Мощные функциональные возможности платформы сенсорных сетей
позволят создать совершенно новые вычислительные приложения.
Преимущества сенсорных сетей
Самоорганизация сети: автономность каждого элемента; низкое энергопотребление,
Очень длительный срок эксплуатации без замены источника питания.
Mesh топология сети: каждый с каждым. Низкая отказоустойчивость и высокая гибкость. Удаленное управление исполнительными механизмами.
Высокая помехозащищенность и скорость передачи информации.
Информационная безопасность
Подключение всех типов датчиков к беспроводной системе.
Данная технология беспроводного сбора и передачи данных легко интегрируются в
существующие системы передачи данных любой сложности и конфигурации [3].
Основные функции сенсорной сети
Сбор, хранение и обработка информации о технологическом процессе.
Осуществление управления технологическими процессами по управляющим сигналам.
Быстрота развертывания системы, простота технического обслуживания, отказоустойчивость и надежность в жестких условиях эксплуатации, низкая стоимость внедрения и технического обслуживания системы.
Примеры возможных применений сенсорных сетей
Особенностью нефтепромысловой отрасли является необходимость решения множества задач в местах, где нет возможности обеспечить постоянное энергоснабжение инфра-
структуры. В частности, это целый класс задач, требующих длительного измерения какихлибо параметров пространств, не имеющих покрытия электропроводкой.
1) Системы технического учета нефти
В соответствии с требованиями данного стандарта на АГЗУ необходимо реализовать
фактический учет нефти, воды и попутного газа, что впоследствии должно перерасти в коммерческий учет.
Необходимо научиться строить недорогие системы технического учета нефти непосредственно на устьях добывающих скважин, с передачей информации на узел сбора, который может располагаться в АГЗУ. Известные сегодня решения слишком дороги для массового применения.
Перспективным решением может стать узел сенсорной сети с запрограммированным
алгоритмом подсчета дебита скважины методом динамометрирования (КШГН) или ваттметрирования (ЭЦН) с последующей передачей готовых данных на верхние уровни систем.
2) Учет пластовой воды
Также нереализованной, но важной задачей является учет пластовой воды на УПН и
блоках гребенок. По важности эта задача выходит на второе место после учета нефти в связи
с ужесточением требований к экологии и увеличением штрафов. Утечка воды ведет к засолению почв и является более серьезной проблемой, чем утечка нефти.
3) Мониторинг работы промышленных агрегатов
Контроль технического состояния агрегатов предполагается осуществлять при помощи установленных на них беспроводных сенсорных устройств (например, датчиков вибрации).
4) Системы охраны и предупреждения аварий
Применение технологии сенсорных сетей позволяет организовать непрерывный контроль состояния различных объектов, контроль их местоположения, контроль любых действий над объектами [4]. В частности, можно отметить следующие применения:
5) Системы предупреждения аварий на объектах нефтедобычи и электроснабжения:
 мониторинг запорной арматуры, клапанов;
 контроль протечек нефти — установка датчиков протечек воды;
 контроль утечек газа — установка датчиков газа;
 пожароохранная система.
6) Быстроразвертываемые средства охраны и контроля доступа
 охрана временных складов и оборудования;
 охрана периметра объектов;
 система наблюдения по регистрации события;
 контроль действий персонала.
7) Системы контроля и охраны магистральных трубопроводов
 контроль прорывов;
 защита от слива;
 система наблюдения по регистрации события.
На предприятиях промышленного комплекса возможно использование беспроводных
сенсорных сетей не только по их основному назначению (для сбора данных и передачи команд исполнительным механизмам полевого уровня АСУ ТП), но и в качестве создания мобильной беспроводной инфраструктуры для обмена речевой информацией. Наиболее подходящими для этой цели являются технологии Bluetooth и ZigBee, которые легко интегрируются в единую беспроводную среду промышленных предприятий и крупных производственных
комплексов.
Список литературы
1 Вишневский В.М., Гайкович Г.Ф.. Беспроводные сенсорные сети в системах промышленной автоматики. Электроника №1. 2008
2 Дмитриев А.С., Ефремова Е.В. и др. Сверхширокополосная беспроводная связь и сенсорные сети. Радиотехника и электроника. 2010. №10. С.27–29
3 Гайкович Г.Ф.. Новые беспроводные стандарты для сетей промышленной автоматики.
Электронные компоненты. № 2. С.75. 2012.
4 Гайкович Г.Ф.. Стандартизация в области промышленных сетей. Развитие беспроводных стандартов для АСУ ТП. №1. С. 48. 2011.