Выбор промышленных стандартов беспроводной передачи данных для использования в весоизмерительных системах


Г. Черепащук, кандидат технических наук, доцент,
А. Потильчак, кандидат технических наук, доцент,
А. Борзенкова, аспирант,
Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», г. Харьков

Рассмотрены весоизмерительные системы с беспроводными линиями связи и возможность их интеграции в АСУ ТП предприятий. Приведен краткий обзор известных сегодня промышленных стандартов беспроводной передачи данных. Даны рекомендации по выбору стандартов для использования в весоизмерительных системах. Акцентируется внимание на стандарте ZigBee как такового, что наиболее полно удовлетворяет требованиям и признакам большинства классификационных групп таких систем.

The article considers weighing systems with wireless communication links and the possibility of their integration into the control system of enterprises. The paper overwides A brief review of currently known industry standards for wireless data transmission. The authors offer recommendations concerning the choice of standards for use in weighing systems. Additionally, special focus on ZigBee standard which more fully compliance with requirements and criteria of classification for the majority group of the same systems.

На сегодня ни одна отрасль производства не обходится без применения автоматизации технологических процессов или, иначе говоря, без внедрения автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП). Под АСУ ТП обычно понимается комплексное решение, обеспечивающее автоматизацию основных операций технологического процесса на производстве в целом или каком-то его участке, который выпускает относительно завершенный продукт. Составными частями АСУ ТП могут быть отдельные системы автоматического управления (САУ) и автоматизированные устройства, связанные в единый комплекс. Как правило, АСУ ТП имеет единую систему операторского управления технологическим процессом в виде одного или нескольких пультов управления, средства обработки и архивирования информации о ходе процесса, типовых элементов автоматики: датчиков, устройств управления и исполнительных механизмов. Для информационной связи всех подсистем используются промышленные сети.

Простейшая автоматизированная система управления и контроля состоит из центрального компьютера, линии связи, устройства обработки и передачи информации (УСО - устройства связи с объектом) - обычно это программируемые логические контроллеры (ПЛК), платы ввода / вывода и датчиков [1]. Оператор отслеживает параметры процесса на экране и при необходимости осуществляет управление машинами и механизмами. В САУ дополнительно входят устройства управления и исполнения. Сигналы от датчиков через платы ввода / вывода и ПЛК поступают к устройству управления. В зависимости от заложенной программы устройство управления выдает сигнал на исполнительные устройства.

АСУ ТП любого производства по логике построения можно разделить на два основных уровня:
• нижний - уровень реализации задачи на базе промышленных ПЛК;
• верхний - уровень, который решает задачи интеграции автоматизированных единиц оборудования в единой технологической линии, включает возможность визуализации процессов, происходящих на производстве (SCADA).

            Основные функции АСУ ТП:

  • контроль и управление;
  • обмен данными;
  • обработка, накопление и хранение информации;
  • контроль процессов;
  • регулирование параметров;
  • логическое управление процессами;
  • обеспечение безопасности производства;
  • обработка и отображение информации о ходе процессов в режиме реального времени;
  • обеспечение связи с внешними приложениями (сетями);
  • запись и архивирование базы данных технологических процессов, с возможностью последующего просмотра за любой период времени, в удобной для восприятия и сравнения форме;
  • генерирование отчетов относительно хода технологических процессов за любой период времени;
  • формирование сигналов тревог, построение графиков и отчетов.
  • Выполнение приведенных функции АСУ ТП обусловливает такую ??их особенность, как наличие большого количества каналов связи в системах. Это затрагивает вопрос выбора проводных или беспроводных сетей сбора и передачи информации в случае создания АСУ ТП.

    Во многих технологических процессах в различных отраслях промышленности (металлургической, химической, пищевой, горнодобывающей, в сельском хозяйстве и торговле) одной из основных операций является взвешивание и дозирование веществ и материалов. Современные требования к качеству продукции, ее рентабельности, создание непрерывных технологических процессов способствуют развитию весоизмерительных систем (ВИС), которые являются одной из подсистем АСУ ТП.
    Существенным фактором, определяющим повышение роли весового оборудования, является широкая автоматизация технологических процессов. Непрерывно растут требования к точности, быстродействию, производительности, надежности весового оборудования, регистрации показаний, совместной работе с компьютерами и представление информации на цифровых табло. Характерной особенностью современных весовых устройств является использование методов измерения, основанных на преобразовании аналоговых сигналов, поступающих от тензодатчиков или пружинных преобразователей силы, в цифровой вид. Весовое оборудование сочетается с ПК, микропроцессорами и микроконверторами. От правильного выбора весов с необходимыми техническими и метрологическими характеристиками во многом будет зависеть эффективность учета грузопотоков на предприятии, осуществление автоматизации производственных процессов, общего времени движения груза при производстве или коммерческих сделок.
    Использование АСУ взвешиванием и дозированием обусловлено необходимостью оперативного контроля за технологическим процессом взвешивания и снижения расхода материалов, которые взвешиваются. Целью создания таких систем является:
    - повышение технического уровня весоизмерительного комплекса участка, цеха;
    - улучшение качества измерений, проводимых в реальном времени;
    - улучшение режимов работы оборудования и выравнивание наработок на отказ
    отдельных установок;
    - работа всех компонентов системы в едином информационном поле;
    - полный учет и контроль расхода сырья, технологических компонентов и готовой продукции;
    - полное архивирование данных в течение неограниченного срока;
    - связь с корпоративной сетью предприятия;
    - возможность передачи данных в существующей АСУ ТП предприятия для дальнейшего использования в автоматизированном расчете себестоимости продукции;
    - возможность передачи данных в сети Интернет.

    Создание системы весоизмерительного комплекса обеспечивает:
    - Предоставление достоверной технологической информации о параметрах процесса и показателей количества материалов, которые взвешиваются;
    -  Своевременное выявление и ликвидацию отклонений технологического процесса от заданных режимов;
    - Снижение материально-технических потерь за счет соблюдения рецептур, сокращение эксплуатационных расходов;
    - Интеграцию и взаимодействие весового комплекса с системой управления предприятием, другими системами.

    В процессе разработки новых средств весоизмерительной техники, как и при интеграции их в АСУ ТП, одним из важнейших этапов является выбор интерфейса измерительной системы. В случае, если все блоки и модули системы являются настроенными, но между ними нет надежной связи, устройство оказывается неработоспособным. Единых рекомендаций по выбору интерфейса не существует, поскольку в каждом конкретном случае решающими могут оказаться совершенно разные параметры.
    Линии связи в интерфейсах могут быть проводными и беспроводными. Сейчас пользователи и разработчики аппаратуры стремятся отойти от использования дорогого и неудобного кабельного соединения, поскольку проводные технологии практически себя исчерпали. Все большее распространение получают беспроводные технологии.
    Беспроводные системы связи легко устанавливаются и эксплуатируются на различных объектах. Они особенно выгодны для работы в труднодоступных местах или там, где прокладка кабеля будет дорогой или длительной задачей, например, в производственных цехах. На основе небольших радиомодулей создаются беспроводные сети, которые позволяют собирать информацию и обмениваться ею между ячейками, а также организовывать выход в сеть Интернет. Существует достаточно много стандартов организации и передачи данных в беспроводных сетях [2], каждый из которых имеет свою специфику и область применения. Рассмотрим некоторые из них:

    • радио-интерфейс Bluetooth на основе модулей стандарта IEEE 802.15.1 имеет хорошую помехозащищенность посредством использования быстрого отклика и скачкообразного изменения несущей частоты после каждого приема или передачи одного пакета информации. Весь выделенный для Bluetooth - радиосвязи частотный диапазон 2,402-2,480 ГГц разбит на N частотных каналов. Полоса каждого канала - 1 МГц, разнос каналов - от 140 до 175 кГц. Скорость обмена - до 2,1 Мбит/с, есть возможность соединения через СОМ-порт [3]. Основной для данной технологии протокол управления логическими каналами и адаптацией L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol) предусматривает два типа передачи данных: асинхронный и синхронный протоколы. Основными преимуществами радиоинтерфейса Bluetooth являются: простота использования, малые габариты, безопасность передачи данных, использование нелицензированного диапазона частот, высокий уровень стандартизации. Однако имеют место и некоторые недостатки: невозможность построения сетей сложной топологии, низкая пропускная способность, высокая стоимость, относительно большое потребление энергии;

     

    • беспроводная сеть передачи данных Wi-Fi имеет высокую скорость обмена - больше 100 Мбит / с, легко конфигурируется. Обычно схема Wi-Fi сети содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможно подключение двух клиентов в режиме «точка - точка», когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров «прямо». Точка доступа передает свой идентификатор сети (SSID) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0,1 Мбит / с каждые 100 мс. Итак, 0,1 Мбит /с  - наименьшая  скорость передачи данных для Wi-Fi. Зная SSID сети, клиент может выяснить, возможно ли подключение к данной точке доступа. По попаданию в зону действия двух точек доступа с идентичными SSID, приемник может выбирать между ними на основании данных касающегося уровня сигнала. Однако стандарту Wi-Fi также присущи некоторые недостатки: высокое по сравнению с другими стандартами потребление энергии, высокая стоимость, недостаточная помехозащищенность, ограниченный радиус действия;
    • GSM / GPRS имеет в наличии внутренний стек TCP / IP, открытый протокол Ат -команд, неограниченный радиус действия (в пределах зон покрытия сетей GSM), высокую безопасность передачи данных, высокий уровень стандартизации. Недостатками являются необходимость уплаты трафика и большое энергопотребление в активном режиме;
    • ZigBee - название набора сетевых протоколов верхнего уровня, использующих маленькие, маломощные радиопередатчики, основанные на стандарте IEEE 802.15.4. ZigBee нацелена на приложения, которым требуются длительное время автономной работы от батарей и высокая безопасность передачи данных, при небольших скоростей передачи данных. Основная особенность технологии ZigBee заключается в том, что она при относительно невысоком энергопотреблении поддерживает не только простые топологии беспроводной связи («точка-точка» и «звезда»), но и сложные беспроводные сети с ячеечной топологией с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. Частотный диапазон - 2,4 ГГц, 16 частот с шириной 5 МГц [4]. Mesh-сетевая технология обеспечивает самоорганизацию и самовосстановления радиосети, надежность и гибкость маршрутизации. Используется механизм множественного доступа к эфиру с контролем несущей и предотвращением коллизий - CSMA (CarrierSense, MultipleAccess), т.е. устройство сначала проверяет, не является занятым эфир, и только после этого начинает передачу. Скорость передачи данных вместе со служебной информацией - до 250 Кбит / с. Сеть проста в эксплуатации и установке.
    • стандарты радиосвязи в диапазоне частот ISM, не подлежит лицензированию (433/868), предназначенные для беспроводного управления и передачи данных в режиме свободного доступа. Используются соединения типа «точка - точка» или «звезда» с небольшими скоростями обмена. Передача данных в нелицензированных диапазонах частот не стандартизировано. Преимуществами беспроводных сетей стандартов 433/868 являются: относительно большая дальность связи, снижены требования к точности согласования с антенной, низкая цена. Недостатки таких сетей: небольшая скорость передачи информации, отсутствие стандартных протоколов связи и средств защиты информации, высокая загруженность диапазонов в условиях города.
    Беспроводные сети предназначены для установки на промышленных предприятиях, где даже небольшие расстояния иногда могут быть слишком труднодоступными или затратными для покрытия традиционными проводными сетями. Беспроводные решения в такой ситуации могут быть очень экономичными. Это связано с тем, что затраты на установку беспроводного оборудования составляют небольшую часть обычных затрат на монтаж. Беспроводные устройства, установленные на участках технологического процесса, работают вместе, создавая надежную беспроводную сеть. Каждый прибор в беспроводной сети действует как маршрутизатор для других, расположенных рядом приборов, передавая сообщение, пока оно не достигнет места назначения. Эта возможность обеспечивает резервные пути передачи информации и, в связи с этим, высокую надежность. Сеть является самоорганизующейся, а значит,  обеспечивает совместную работу приборов для автоматизированного поиска оптимального пути передачи.
    По характеристикам, которые определяют выбор стандарта беспроводной линии связи, весоизмерительные системы можно классифицировать на следующие группы:
    1. По количеству каналов весоизмерительной системы:
    - одноканальные (n = 1);
    - малоканальные (1 <n ? 8)
    - многоканальные (n ? 9).
    2. По пространственной протяженности:
    - сосредоточенные  (L ?(3 - 5 м));
    - распределенные на территории помещения (цеха) (L ?(150 - 200 м));
    - распределенные на территории предприятия (L ?(1,5 - 2 км)).
    3. По взаимному расположению элементов весоизмерительной системы (мобильностью):
    - стационарные;
    - такие, которые перемещаются.
    4. По постоянству состава весоизмерительной системы (гибкостью):
    - с постоянным составом;
    - с переменным составом (компонентами, которые добавляются или исчезают).
    5. По структуре весоизмерительной системы (топологией):
    - радиальные;
    - цепочечные;
    - магистральные;
    - ячеистые;
    - смешанные.
    6. По направленности потоков информации:
    - однонаправленные;
    - двунаправленные.
    7. По точности весоизмерительной системы:
    - высокой точности (? ?0,1%);
    - Средней точности (0,1% ?? ?1%);
    - Низкой точности (?? 1%).
    8. По быстродействию весоизмерительной системы:
    - для статических измерений;
    - для динамических измерений статической величины;
    - для динамических измерений.
    9. По электропитанию компонентов:
    - от сети;
    - с автономным питанием;
    - с комбинированным.

    Определим требования, относящиеся к беспроводным линий передачи сигналов весоизмерительных систем:

  • возможность работы от автономного источника питания (батареи);
  • время работы батареи должна быть сопоставима с временем выполнения всех необходимых измерений и обработки полученных результатов;
  • функциональная законченность (устройство, содержащее все необходимые для работы электронные компоненты);
  • промышленное изготовление;
  • работа в частотном диапазоне, что не требует получения разрешения на использование;
  • использование технологий беспроводной связи, соответствующих стандартов IEEE;
  • большое количество узлов сети;
  • высокий уровень помехозащищенности;
  • простота установки и обслуживания;
  • возможность работы при наличии экранов, металлических и железобетонных конструкций и т.п.;
  • невысокая стоимость.
  • Исходя из приведенных описаний стандартов беспроводных линий связи и основываясь на требованиях, предъявляемых к линиям связи классификационных групп BBC, можно сформировать рекомендации по целесообразности применения того или иного стандарта беспроводной связи в BBC. Ближайшими конкурентами для большинства групп BBC есть технологии Bluetooth и ZigBee. Примерно похожими являются сферы их применимости - беспроводные устройства домашнего и промышленного назначения, включая BBC. Однако, в отличие от технологии Wi-Fi и Bluetooth, ZigBee разработана для приложений, одним из ключевых требований которых является низкое энергопотребление. Технология ZigBee не предназначена для передачи больших объемов информации, как Wi-Fi или Bluetooth, но для передачи показаний датчиков BBC, объем которых не превышает единиц-десятков байт, не требуется высоких скоростей. Однако в этом случае обязательны высокие показатели по энергопотреблению, цене и надежности.
    Поэтому для большого количества BBC лидирующее место среди беспроводных сетей занимают устройства, использующие технологию ZigBee. Расстояние передачи между ближайшими узлами составляет до 100 метров и более 1500 метров для Zigbeepro, что удовлетворяет длине каналов связи между объектами системы. В тех случаях, когда расстояние между узлами больше чем допустимо, за использование технологии ZigBee необходимо применять ретрансляцию. Однако при этом может ухудшаться качество передаваемого сигнала, поэтому рекомендуется использовать беспроводную технологию с большим расстоянием передачи информации, например, GSM / GPRS.
    Любая из mesh-сетей, создание которых поддерживается ZigBee, может объединить до 65 000 узлов - как полнофункциональных устройств (FFD), так и устройств с ограниченной функциональностью (RFD). Сигнал, поступающий от датчика или узла сети, среди многочисленных доступных соединений ищет кратчайший маршрут путем прямого доступа к узлу-координатору сети или серии последовательных промежуточных пересылок, успешно достигая цели передачи данных. Спецификация ZigBee, разработанная с целью высокой адаптивности и масштабируемости, позволяет легко добавить новое устройство или узел к сети, приспосабливая его включение простым запросом к ведущему устройству, обеспечивая мобильность BBC. Присущий mesh-топологии непрерывный процесс коммуникаций обеспечивает надежность, необходимую в беспроводных соединениях для дистанционного мониторинга и сенсорного управления. Предоставляя многочисленные пути для передачи данных, mesh-сеть устраняет вероятность сбоев в одной точке и обеспечивает очевидное восстановление любого узла.
    Особенность ZigBee заключается в том, что в отличие от других беспроводных технологий, она предназначена для реализации не только простых соединений «точка-точка» и «звезда», но также и сложных сетей с топологией «дерево» и «ячеечная сеть», способных поддерживать ретрансляцию и поиск самого  эффективного маршрута для передачи данных, подходящий для любой структуры BBC.
    Низкое энергопотребление обеспечивается благодаря работе устройств ZigBee по следующему алгоритму: устройство находится в «спящем» состоянии практически все время, обеспечивая оптимальный режим энергосбережения. В случае поступления новой информации текущего результата взвешивания или во время очередного сеанса связи устройство активизируется, быстро передает данные и снова переходит в режим пониженного энергопотребления. Типичные временные задержки при этом составляют 30 мс для подключения нового устройства к сети, 15 мс для перехода из «спящего» к активному состоянию, 15 мс для доступа к каналу. Так, ZigBee-устройства могут работать около трех лет без замены элемента питания, в то время как Bluetooth - около недели, а автономные Wi-Fi - не более пяти дней.
    Простейшая архитектурная ZigBee-реализация в 50 раз проще стандартного Bluetooth-решения, а стоимость аппаратной составляющей не превышает 6 долларов.
    Ярким примером преимуществ применения радиоканалов в BBC является весоизмерительное устройство, в котором использование проводного информационного канала является практически невозможным: это весоизмерительная тензометрическая система с радиоканалом для взвешивания грейфера ВВГС-5, разработанная Т0В «Инженерное бюро Авиационного института» (г. Харьков). Грейфер является грузозахватным устройством грузоподъемных кранов, погрузчиков и монорельсовых тележек для сыпучих материалов, скрапа и стружки, крупнокусковых каменных и волокнистых материалов, а также длинномерных лесоматериалов. Это устройство имеет вид большого стального черпака, которое прикрепляется на тросах к грузоподъемному крану и служит для захвата и выгрузки материала, которое поднимается краном (рис. 1).

    Подпись:

    Рисунок 1

    Система ВВГС-5 предназначена для статического взвешивания груза в грейфере массой от 0 до 3000 кг. Класс точности системы - IIII (обычный) по ДСТУ EN 45501:2007 «Приборы для взвешивания не автоматические. Метрологические аспекты ». Основные технические характеристики системы приведены в табл. 1.

    Таблица 1


    № п/п

    Технические характеристики

    Значение

    1

    Количество тензометрических измерительных каналов, шт

    2

    2

    Наибольший предел взвешивания (Max), кг

    5000

    3

    Наименьший предел взвешивания (Min), кг

    1000

    4

    Цена поверочного деления (е), кг

    50

    5

    Дискретность отсчета (d), кг

    1

    6

    Основная приведенная погрешность (при заданной высоте подъема грейфера), не более, %

    ±1

    7

    Порог чувствительности, не более, кг

    70

    8

    Несимметричность распределения веса по каналам, не более, % от Max

    12,5

    9

    Электропитание

    От сети 220 В, 50 Гц

    10

    Дистанционное управление измерительными блоками

    С весового терминала по радиоканалам

    11

    Время установления показаний, не более, с

    10

    В состав системы входят два измерительных блока, находящиеся на крановой тележке и перемещающиеся, и весовой терминал, установленный в кабине крановщика. Каждый измерительный блок состоит из тензодатчика с устройством встраивания, на который опирается одним концом барабан подъемника тележки, и блока, нормировочного преобразователя. Принцип работы измерительного блока основан на измерении деформации упругого элемента тензодатчика под действием веса груза, с последующей обработкой сигнала нормируемым преобразователем и передачей результатов измерений с помощью радиомодема по радиоканалу к весовому терминалу. В системе применены однокристальные радиомодули, работающие в не лицензированном частотном диапазоне 433 МГц, но при необходимости радиомодули можно доработать для использования в них полноценного стека ZigBee (диапазоны 868, 915 МГц), что позволяет организовывать более сложные сетевые структуры, а также расширять функциональность устройств. Далее данные от оператора передаются в диспетчерскую службу предприятия (верхний уровень АСУ ТП). Для обеспечения передачи данных на верхнем уровне без ухудшения качества связи, рекомендуется использование интерфейса с большей дальностью связи, чем у технологии ZigBee, например GSM/GPRS или другие. Структурная схема системы приведена на рисунке 2.

     

    Рисунок 2 – Структурная схема Системы ВИГС-5

    ТД – тензометрический датчик с устройством встройки, БНП – блок нормирующего преобразователя с радиоканалом, ВТ – весовой терминал с радиоканалом, ПК – персональный компьютер

     

    ВИГС-5 обеспечивает выполнение следующих функций:

    •  определение и индикацию текущего веса нагруженного грейфера (вес брутто) и веса груза (вес нетто);
    •  определение и индикацию веса грейфера (тары);
    •  установку нуля веса, сброс веса тары и перезапуск системы с защитой от случайного действия оператора;
    •  калибровку;
    •  архивирование не менее 200 записей результатов взвешивания с указанием даты и времени;
    •  суммирование веса грузов;
    •  вывод архива на индикацию;
    •  вывод результатов взвешивания на персональный компьютер верхнего уровня по интерфейсу RS-232C;
    •  проверку работоспособности системы в тестовом режиме.

    Внешний вид ВИГС-5 и процесс взвешивания представлены на рисунках 3 и 4 соответственно.

     

                                                                    Рисунок 3

     

    Рисунок 4
    Таблица 2


    № п/п

    Технические характеристики

    Значение

    1

    Наибольший предел взвешивания (Max) c учетом массы тары (Max),кг

    20000

    2

    Наименьший предел взвешивания (Min),кг

    400

    3

    Цена поверочного деления (е), кг

    20

    4

    Дискретность отсчета (d), кг

    1

    5

    Класс точности

    III по ДСТУ EN 45501:2007

    6

    Порог чувствительности, кг

    28

    7

    Дистанционное управление измерительным блоком и выносным индикаторным табло

    С весового терминала по радиоканалам

    8

    Дальность действия радиоканала, не менее, м

    100

    9

    Время установления, не более:
    рабочего режима, с;
    показаний, с

     

    30
    15

    10

    Время непрерывной работы измерительного блока без подзарядки аккумуляторов, не менее, час

    50

    11

    Диапазон рабочих температур измерительного блока с термозащитным экраном, ?С

    От -20 до +85