В настоящей статье рассматриваются отдельные технические вопросы, связанные с созданием узкополосных технологических радиосетей обмена данными УКВ-диапазона с использованием перспективных радиомодемов Guardian. Представленные в статье данные могут использоваться при проектировании и развертывании технологических радиосетей сбора данных и управления нового поколения в топливно-энергетическом комплексе, электроэнергетике, промышленности и на транспорте.
Перспективный радиомодем Guardian-100/200/400/900
Радиомодем Guardian-100/200/400/900 разработан и производится американской компанией CalAmp (www.calamp.com) для замены широко применяемых в Российской Федерации и ряде государств СНГ радиомодемов Dataradio T-96SR радиотехнической платформы «T», выпускавшихся с середины девяностых годов прошлого столетия. Данный радиомодем стал основой перспективной радиотехнической платформы, которая включает в себя радиомодем Guardian, а также базовую станцию/ретранслятор T-Base (Guardian).
Основные технические характеристики радиомодема Guardian представлены в Таблице 1.
Таблица 1. Основные технические характеристики радиомодема Guardian.
|
Общие характеристики |
Радиомодем Guardian |
||||
|---|---|---|---|---|---|
|
ОВЧ |
200 МГц |
УВЧ |
900 МГц |
||
|
Диапазон частот, МГц |
136-174 |
215-240 |
406-470, 450-512 |
928-960 |
|
|
Шаг сетки частот, кГц |
25 или 12,5 (настраивается программно) |
||||
|
Тип излучения |
9K55F1D, 9K35F1D, 11K6F1D, 14K6F1D, 16K4F1D |
||||
|
Потребляемый ток: |
|||||
|
- прием, мА |
360 (10 В); 200 (20 В); 150 (30 В) |
||||
|
- передача 40 дБм (10 Вт), А |
4,6 (10 В); 2,04 (20 В); 1,37 (30 В) |
||||
|
- передача 30 дБм (1 Вт), А |
1,2-3,6 (10 В); 0,6-1,8 (20 В); 0,4-1,2 (30 В) |
||||
|
Номинальная задержка при холодном старте, с |
20 |
||||
|
Рабочее напряжение, В |
10-30, постоянный ток |
||||
|
Рабочая температура, °C |
от -30 до 60 |
||||
|
Температура хранения, °C |
от -45 до 85 |
||||
|
Влажность, % |
5-95 (без образования конденсата) |
||||
|
Габаритные размеры, см |
13,97 (Ш) х 10,80 (Г) x 5,40 (В) |
||||
|
Масса (в упаковке), кг |
1,1 |
||||
|
Рабочий режим |
Симплекс, полудуплекс, дуплекс |
Симплекс, полудуплекс |
|||
|
Приемник |
|||||
|
Чувствительность (вероятность ошибки 1х10-6), дБм: |
|
||||
|
- 25 кГц |
-100 (19,2 кбит/с), -107 (9,6 кбит/с), -110 (4,8 кбит/с) |
||||
|
- 12,5 кГц |
-107 (9,6 кбит/с), -110 (4,8 кбит/с) |
||||
|
Подавление помех по соседнему каналу, дБ |
60/12,5 кГц; 70/25 кГц |
||||
|
Интермодуляция, дБ |
>75 |
||||
|
Избирательность, дБ |
>70/25 кГц; >60/12,5 кГц |
||||
|
Передатчик |
|||||
|
Полоса пропускания без подстройки, МГц |
38 |
38 |
64 (406,1-470) |
32 |
|
|
62 (450-512) |
|||||
|
Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт |
1-10 |
1-8 |
|||
|
Время атаки, мс |
<1 |
||||
|
Время переключения между каналами, мс |
<15 |
||||
|
Импеданс, Ом |
50 |
||||
|
Цикл работы на передачу, % |
100 |
||||
|
Стабильность частоты, ppm |
1,0 |
||||
|
Интерфейсы |
RS-232 (DB9) |
||||
|
Антенна |
TNC (мама) – прием/передача, SMA (мама) – прием (для дуплексных моделей) |
||||
|
Модем |
|||||
|
Скорость, кбит/с |
4,8; 9,6; 19,2 |
||||
|
Индикация |
Питание, состояние, подключение к ЛВС, работа ЛВС, прием/передача |
||||
|
Вид модуляции |
2FSK |
||||
Основные технические характеристики радиомодема T-Base (Guardian) представлены в Таблице 2.
Таблица 2. Основные технические характеристики радиомодема T-Base (Guardian).
|
Общие характеристики |
Базовая станция/ретранслятор T-Base (Guardian) |
||||
|
ОВЧ |
200 МГц |
УВЧ |
900 МГц |
||
|
Диапазон частот, МГц |
136-174 |
215-240 |
406-470 450-512 |
928-960 |
|
|
Шаг сетки частот, кГц |
25 или 12,5 |
||||
|
Тип излучения |
9K55F1D, 9K35F1D, 11K6F1D, 14K6F1D, 16K4F1D |
||||
|
Потребляемый ток: |
|
||||
|
- прием |
360 мА (10 В); 200 мА (20 В); 150 мА (30 В) |
||||
|
- передача 40 дБм (10 Вт) |
4,6 А (10 В); 2, 04 А (20 В); 1,37 А (30 В) |
||||
|
- передача 30 дБм (1 Вт) |
1,2-3,6 А (10 В); 0,6-1,8 А (20 В); 0,4-1,2 А (30 В) |
||||
|
Номинальная задержка при холодном старте, с |
20 |
||||
|
Рабочее напряжение, В |
10-30, постоянный ток |
||||
|
Рабочая температура, °C |
от -30 до +60 |
||||
|
Температура хранения, °C |
от -45 до +85 |
||||
|
Влажность, % |
5-95, без образования конденсата |
||||
|
Габаритные размеры, см |
13,1 (Ш) x 47,5 (В) x 23,1 (Г) |
||||
|
Масса (в упаковке), кг |
5,2, с дуплексером |
||||
|
Рабочий режим |
Симплекс, полудуплекс, дуплекс |
Симплекс, полудуплекс |
|||
|
Приемник |
|||||
|
Чувствительность (вероятность ошибки 1х10-6), дБм: |
|
||||
|
- 25 кГц |
-100 (19,2 кбит/с), -107(9,6 кбит/с), -110 (4,8 кбит/с) |
||||
|
- 12,5 кГц |
-107 (9,6 кбит/с), -110 (4,8 кбит/с) |
||||
|
Подавление помех по соседнему каналу, дБ |
60/12,5 кГц; 70/25 кГц; |
||||
|
Интермодуляция, дБ |
>75 |
||||
|
Избирательность, дБ |
>60/12,5 кГц; >70/25 кГц |
||||
|
Передатчик |
|||||
|
Полоса пропускания без подстройки, МГц |
38 |
38 |
64 406,1-470 МГц |
32 |
|
|
62 450-512 МГц |
|||||
|
Выходная мощность при напряжении 13,6 В, Вт |
1-10 |
1-8 |
|||
|
Время атаки, мс |
<1 |
||||
|
время переключения между каналами, мс |
<15 |
||||
|
Импеданс, Ом |
50 |
||||
|
Цикл работы на передачу, % |
100 |
||||
|
Стабильность частоты, ppm |
1,0 |
||||
|
Интерфейсы |
RS-232/422/485 |
||||
|
Антенна |
N-типа (мама) |
||||
|
Модем |
|||||
|
Скорость кбит/с |
4,8; 9,6; 19,2 |
||||
|
Индикация |
Питание, состояние, подключение к ЛВС, работа ЛВС, прием/передача |
||||
|
Вид модуляции |
2FSK |
||||
Построение технологических радиосетей обмена данными на радиомодемах Guardian
Радиомодем Guardian предназначен для построения современных радиосетей удаленного сбора данных и управления стационарными объектами. Он имеет встроенный специализированный приемопередатчик, использующий технологию SDR1 (Software Defined Radio) с малым временем доступа к радиоканалу на основе современного цифрового сигнального процессора. Обеспечивает асинхронный обмен данными на скоростях 19200, 9600 или 4800 бит/с в радиоканалах с шагом сетки радиочастот 25 или 12,5 кГц. Настройка шага сетки радиочастот выполняется программно. Радиомодем поддерживает работу практически всех основных промышленных протоколов, включая ModBus, ModBus-RTU и AB DF1.
Встроенная функция удаленной диагностики позволяет в реальном масштабе времени контролировать состояние устройства (наличие питания, температуру, напряжение питания, мощность сигнала, наличие соединения с антенно-фидерными устройствами). Это позволяет строить на основе радиомодема Guardian технологические радиосети обмена данными повышенной надежности и живучести с контролем технического состояния каждого устройства в составе радиосети в масштабе времени, близком к реальному.
Радиомодем Guardian поддерживает работу в режиме DOX (data-activated transmit), не требующем использования сигналов управления потоком RTS/CTS: передача инициализируется поступлением данных на порт радиомодема. Также поддерживает управление сигналами RTS/CTS, когда скорость передачи данных от терминального устройства превышает скорость обмена данными в радиоканале. Он имеет два последовательных порта, для передачи данных и настройки, и полностью совместим с радиомодемами T-96SR/T-Base.
Радиомодем Guardian выпускается также в дуплексном варианте. Он может использоваться для создания дуплексной базовой станций (БС) или ретранслятора. В этом случае радиомодем оснащается дополнительным антенным портом и может работать на две или одну (с использованием внешнего дуплексера) антенну. Сборка базовых станций и ретрансляторов _-Base (Guardian) освоено ЗАО «НПП «Родник» на собственной технической базе в г.Москве).
Радиомодем Guardian позволяет создавать относительно недорогие, эффективные и гибкие технологические радиосети обмена данными, способные функционировать на протяжении многих лет с минимальным техническим обслуживанием, обеспечивая обмен данными в реальном масштабе времени. Типовая упрощенная схема коммутации технологической радиосети обмена данными представлена на Рис. 1.
Рисунок 1. Типовая упрощенная схема коммутации технологической радиосети обмена данными.
Источником данных на удаленном объекте является счетчик (группа счетчиков) или контроллер. Информация от источника принимается радиомодемом по стандартному интерфейсу RS-232/422/485. Радиомодем преобразует поступающие цифровые данные в радиочастотный сигнал, который посредством радиопередатчика передается в пункт управления (например, диспетчерскую или полевой пункт управления). Здесь процесс обработки происходит в обратном порядке: модем преобразует поступивший радиосигнал в цифровую форму, пригодную для его дальнейшей автоматизированной обработки.
В типовых приложениях обмен данными производится под управлением центрального объекта (топология «звезда»), работающего через базовую станцию по принятым для конкретной радиосети протоколам обмена данными.
Возможные варианты построения технологических радиосетей обмена данными представлены на Рис. 2.
Рисунок 2. Варианты построения технологических радиосетей обмена данными
Таким образом, создается радиосеть обмена данными с полностью детерминированными параметрами, исключающая флуктуации информационного потока, способные привести к сбоям в ее работе, и поддерживающая работу удаленных устройств в реальном режиме времени.
Наиболее высокая надежность работы достигается в системах, в которых обеспечивается прямая радиовидимость между объектами, то есть радиосигнал беспрепятственно распространяется от передающей до приемной антенны. Номинально в создаваемых радиосетях зона радиовидимости с одной позиции имеет радиус 30 км на открытой местности и 10 км в условиях города со средней плотностью застройки. Минимальные и максимальные значения зависят от условий местности и могут отличаться на порядок.
Как правило, типовая технологическая радиосеть обмена данными имеет в своем составе группу базовых станций, подключенных к одному или нескольким центрам диспетчерского управления по выделенным магистральным каналам связи (радиорелейным (РРЛ) либо кабельным медным или волоконно-оптическим). Каждая БС, которая строится на радиомодеме Guardian, напрямую или через промежуточный ретранслятор, в качестве которого также применяется радиомодем Guardian, сопрягается с удаленными контролируемыми пунктами по беспроводному каналу связи УКВ-диапазона.
Упрощенная типовая схема технологической радиосети обмена данными в системе управления телемеханикой продуктопровода представлена на Рис. 3.
Рисунок 3. Типовая схема технологической радиосети обмена данными в системе управления телемеханикой продуктопровода.
Работа радиосети организуется по опросу, при котором пункт диспетчерского управления направляет запрос в адрес удаленного контроллера конкретного КП телемеханики. Данный запрос передается по магистральному каналу связи на порт ввода-вывода БС, которая транслирует запрос в эфир на присвоенной ей рабочей радиочастоте. Запрос принимается всеми находящимися в зоне электромагнитной доступности и настроенными на рабочую частоту БС удаленными КП, однако ответ на данный запрос дает только тот КП телемеханики, которому этот запрос адресован (остальные КП запрос игнорируют). Ответ на запрос передается в обратном порядке: КП – БС – пункт диспетчерского управления. Каждая БС в составе радиосети имеет собственный номинал рабочей частоты, что обеспечивает их одновременную работу без взаимных помех. Поскольку передача запросов инициируется центром диспетчерского управления, «коллизии» данных в радиосети полностью исключены.
Технологическая радиосеть обслуживает работу системы управления телемеханикой, которая представляет собой автоматизированную систему управления технологическим процессом (АСУ ТП). Функционирование АСУ ТП предполагает соблюдение заданных задержек при обмене информацией, которые должны быть минимальными и предсказуемыми – чем меньше время, затрачиваемое на получение ответа на запрос, тем больше времени остается у АСУ ТП и диспетчера для реагирования на полученную от КП информацию, а отсутствие необходимого ответа на запрос в отведенный период времени является событием, по которому автоматически генерируется сигнал тревоги.
Обмен данными в рассматриваемой типовой технологической радиосети складывается из набора нижеперечисленных последовательных микроопераций, формирующих транзакцию «запрос – ответ»:
- генерация запроса АСУ ТП;
- передача запроса по магистральному каналу связи в адрес БС;
- получение БС запроса от АСУ ТП;
- установление связи между БС и КП;
- передача запроса от БС к КП;
- обработка запроса на КП и генерация ответа;
- установление связи между КП и БС;
- передача ответа от КП к БС;
- передача ответа от БС в адрес АСУ ТП по магистральному каналу связи.
Информация о типовых задержках, возникающих при обмене данными в технологической радиосети, построенной на радиомодемах Guardian, представлена в Таблице 22.
- Типовые задержки при обмене данными в технологической радиосети УКВ-диапазона третьего поколения3.
|
Наименование микрооперации |
Время выполнения, с |
Время выполнения, % |
Примечание |
|
Установление связи между БС и КП |
0,016 |
0,77% |
Складывается из времени атаки передатчика радиомодема – 1 мс, и времени синхронизации – 15 мс в режиме DOX (25 мс в режиме RTS/CTS) |
|
Передача запроса от БС к КП |
0,00104 |
0,05% |
|
|
Обработка запроса контроллером телемеханики и генерация ответа |
2 |
96,40% |
|
|
Установление связи между КП и БС |
0,016 |
0,77% |
|
|
Передача ответа от КП к БС |
0,04167 |
2,01% |
|
|
ИТОГО: |
2,07471 |
100,00% |
Таким образом, продолжительность транзакции в технологической радиосети обмена данными при использовании радиомодема Guardian может составлять 2,07 с, а в течение минуты может быть выполнено около 29 таких транзакций. Учитывая, что в типовой радиосети в случае ухудшения условий приема может потребоваться повторная передача до 10% всех сообщений, одна базовая станция такой радиосети способна обслужить около 25 контролируемых пунктов в минуту.
Поскольку в радиосетях на базе радиомодема Guardian вышеуказанные задержки являются детерминированными (неизменными), по данному параметру они удовлетворяют требованиям большинства приложений, реализуемых в топливной и электроэнергетике, а расчет пропускной способности таких радиосетей выполняется относительно просто.
Таким образом, технические и функциональные возможности радиомодемов Guardian/T-Base (Guardian) позволяют использовать его для создания современных узкополосных технологических радиосетей обмена данными в топливно-энергетическом комплексе совместно или для замены применяемых в настоящее время радиомодемов Dataradio T-96SR/T-Base.
