ЛИЧНЫЙ КАБИНЕТ
Ближайшие мероприятия
Новости

М2М-решения в инфраструктурных областях: трубопроводный транспорт, энергетика, ЖКХ

Тихвинский В.О., д.э.н., профессор МТУСИ заместитель генерального директора ООО « АйкомИнвест» по инновационным технологиям, член президиума РАЕН, председатель ИТТ РАЕН 
Бабин А.И., к.т.н., профессор РАЕ советник генерального директора ООО « АйкомИнвест» по техническим вопросам

Введение

В последние три года в России существенно выросло число вертикальных отраслей промышленности, где возник спрос на применение систем управления, объединяющих машины или исполнительные устройства на основе сетей связи для обмена информацией между машинами (англ. machine-to-machine-М2М) без участия человека [1]. Это, в частности, вызвано тем, что кризис заставил многие компании искать пути снижения издержек и повышения эффективности бизнеса за счёт внедрения инновационных технологий.
На данном этапе технология M2M продолжает активно развиваться, системы автоматизированного управления и платформы М2М стали более высокоинтеллектуальными, а сфера их применения быстро расширяется. Возможности реализации различных M2M-решений растут благодаря повышению производительности и функциональности сетей и устройств М2М, а также быстрому снижению стоимости услуг мобильной передачи данных. Способность управлять удаленными М2М-устройствами с помощью сетей беспроводного доступа позволила компаниям-потребителям услуг М2М свести к минимуму зависимость от местонахождения объекта управления и М2М- устройств, минимизировать задержку и время доступа к информации от объекта управления.

Главным стимулом внедрения М2М-решений в ряде инфраструктурных сегментов экономики: трубопроводном транспорте, энергетике и ЖКХ стало принятие Федерального закона № 261-ФЗ [2], который создал правовые, экономические и организационные основы энергосбережения и повышения энергетической эффективности на территории Российской Федерации.
Этот ФЗ стал программным документом для модернизации и инновационного развития ТЭК и ЖКХ. Статья 13 ФЗ обязала всех собственников домов (включая ЖСК и ТСЖ, НСТ) в срок до 1 января 2013 года оснастить приборами учета используемых воды, природного газа, тепловой энергии, электрической энергии и ввести их в эксплуатацию. Статьи 12 и 14 этого ФЗ определили мероприятия по обеспечению энергосбережения и повышения энергетической эффективности в жилищном фонде и системе коммунальной инфраструктуры, оснащению приборами, используемыми для учета энергетических ресурсов ТЭК и объектов ЖКХ, которые в современных условиях уже не возможны без внедрения технологий М2М.

М2М-решения на трубопроводном транспорте

Системы газораспределения включают совокупность газораспределительных станций (ГРС), автоматизированных газораспределительных станций (АГРС), газораспределительных пунктов (ГРП), газорегуляторных пунктов блочного типа (ГРПБ), шкафных регуляторных пунктов (ШРП), станций катодной и дренажной защиты.

Основное направление развития М2М-решений на трубопроводном транспорте – мониторинг различных технических параметров, как: давление в трубопроводах, учета расхода газа в автоматизированных системах коммерческого учета газа (АСКУГ), измерения и обеспечение устойчивости работы системы газоснабжения, посредством установки устройств регулирования подачи газа, генерации предупредительной сигнализации о нарушении режимов потребления газа, о несанкционированном вмешательстве и о нештатной работе оборудования, 
М2М-решения на трубопроводном транспорте реализуются на основе автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами (АСКУ ТП), а также автоматизированных систем газораспределения и коммерческого учета потребления газа (АСКУГ). Они предназначены для обеспечения оперативного дистанционного централизованного контроля и управления параметрами и обеспечивают бесперебойную и безопасную подачу и использование газа, улучшение технико-экономических показателей в системах газоснабжения, выработку и реализацию оптимальных (рациональных) управляющих воздействий на систему распределения газа в режимах нормального ее функционирования.
Пример интеграции использования М2М-сетей, систем АСКУГ и АСКУ ТП ГРП приведен на рис.1. Использование M2M-платформ и сетей М2М позволяет сэкономить на прокладке кабельной инфраструктуры сетей связи, сократить время развертывания и количество персонала, сделать бизнес более эффективным и управляемым. Способность управлять удаленными М2М-устройствами с помощью технологий беспроводной и мобильной связи позволяет пользователям услуг М2М свести к минимуму зависимость от расположения М2М устройств. Основным устройством сетей М2М является интегрированный модуль датчика с модемом, использующим сети LTE/3GPP в качестве сети доступа. Для передачи данных от М2М устройств могут использоваться как SMS IP- сообщения, так и сообщения CSD[3].

Анализ многочисленные проектов сетей в различных регионах России показывают, что внедрение услуг М2М на основе передачи телематических данных в системы контроля и управления позволяет сократить операционные затраты компаний в среднем на 20-25%, снизить аварийность и повысить качество предоставляемых услуг. Такие М2М проекты особо важны в сфере трубопроводного транспорта газо- и нефтедобычи, так как во многом снижают аварийность и повышают качество услуг М2М.

Многоуровневая структура управления с использованием М2М решений
Рис.1. Многоуровневая структура управления с использованием М2М решений

Системы автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами можно разделить на три уровня управления. Рассмотрим эти уровни и роль инфраструктуры сетей М2М, их интеграцию с технологиями радиодоступа, системами управления и приложениями М2М.

Нижний уровень управления определен как уровень средств измерений и контроля и учета: датчики давления, датчики температуры, расходомеры и счетчики, уровнемеры, регистраторы и анализаторы газа, запорная арматура. На этом же уровне размещено оборудование М2М-устройств беспроводной связи: GSM-терминалы, GSM-роутеры, SMART-терминалы М2М, интегрированные с контрольно-измерительными датчиками.

Средний уровень управления определяется совокупностью контролируемых газораспределительных пунктов и станций (ГРП и ГРС), которые комплектуются устройствами сбора и передачи данных (УСПД) на базе микропроцессорных контроллеров и устройств связи с объектом (УСО), включая промышленные М2М-маршрутизаторы и М2М-контроллеры с устройствами беспроводного доступа, осуществляющих измерение, сбор и обработку аналоговых и цифровых сигналов с контрольно-измерительных преобразователей (датчиков) и интеллектуальных устройств сбора и обработки информации и передача данных на верхний уровень.

Верхний уровень управления включает диспетчерский пункт энергоучёта (узел учета природного газа) ГРП, который в базовом варианте состоит из:

  • выделенных серверов базы данных ГРП (основной и резервный сервера);
  • автоматизированных рабочих мест (АРМ) оперативно-диспетчерского персонала ГРП с архитектурой «клиент-сервер»;
  • АРМ инженера АСКУГ;
  • Web-сервер.

Платформа М2М, оказывающая услуги Saas, также размещена на верхнем уровне и имеет соединение со всеми элементами сети М2М, расположенными на среднем и нижнем уровне управления. Платформа М2М в данном примере реализована на базе сети виртуального оператора MVNO.

М2М-решения в энергетике

М2М-решения применяемые в энергетике служат для создания надежной транспортной среды передачи и распределения электроэнергии и используются в следующих системах управления:

  • автоматизированных системах управления технологическими процессами (АСУТП);
  • автоматизированных системах дистанционного управления (АСДУ),
  • интегрированных системах учета и управления электропотреблением (ИСУУЭ);
  • автоматизированных системах коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ);
  • системах мониторинга потерь электрической энергии (СМПЭЭ);
  • автоматизированных системах управления наружным освещением (АСУНО) и других энергетических систем.

Под автоматизированной системой коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ) понимается комплекс специализированных, метрологически аттестованных технических и программных средств, позволяющих производить измерение и вычисление сальдированной величины потребления - генерации электроэнергии субъекта оптового рынка. Основу измерительного канала системы коммерческого учёта составляют измерительные трансформаторы, их вторичные цепи, счетчики электрической энергии. Эти счетчики являются источниками первичной информации для АСКУЭ. Автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии, реализующая М2М-решения на основе технологий беспроводного доступа 3GPP, показана на рис.2.

Одним из проектов, реализуемых ОАО «ФСК ЕЭС», в рамках концепции  по созданию интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью[4], является проект цифровой подстанции, которая позволит существенно повысить надежность электроснабжения потребителей, а также снизить расход электроэнергии на потери при ее транспортировке и распределении.

Основное назначение экспериментальной цифровой подстанции – отработка различных инновационных технологий перед их внедрением в работу на действующих энергообъектах, в том числе определение основных технических решений и требований, которым должны удовлетворять создаваемые сегодня подстанции. В отличие от традиционных энергообъектов, на подстанции нового поколения организация потоков информации при решении задач мониторинга, анализа и управления осуществляется в цифровой форме. Планируется, что к концу 2012 года будет завершен третий – последний – этап строительства экспериментальной подстанции.

Тенденция перехода на цифровые технологии в системах сбора и обработки информации, управления и автоматизации подстанций наметилась более 15 лет назад и в настоящее время стремительно развивается. Это обеспечивает высокую точность и единообразие всех измерений.

Автоматизация технологических процессов на базе М2М-решений позволяет снизить влияние человеческого фактора на работу сети, повысить ее надежность и, в целом, повысить устойчивость работы энергосистемы. В настоящее время проводятся:

  • Испытания цифровых устройств контроля, защиты и управления нового поколения на базе современных протоколов IEC 61850-9.2[5] и IEC 61850-8.1[6]
  • Испытания устройств (модулей) связи, обеспечивающих для различных видов силового электрооборудования цифровой интерфейс на базе протоколов IEC 61850-9.2 и IEC 61850-8.1
  • Формирование единой системы диагностики. Переход к выполнению удаленной функциональной диагностики с применением технологий М2М
  • Переход к необслуживаемым подстанциям ФСК ЕЭС

Благодаря М2М-решениям будет автоматизирована информационно-измерительная система энергопотребления (ИИСЭ) областей и краев.

Автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии, реализующая М2М-решения
Рис.2. Автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии, реализующая М2М-решения

Использование ИИСЭ на основе М2М-решений позволяет удаленно получать с приборов учета (счетчики электрической энергии) параметры энергопотребления (показания, профиль мощности и т. д.). Использование этой системы на предприятии дает возможность в реальном времени получить баланс энергопотребления. Данные можно использовать для выписки счетов потребителям, а значит, нет необходимости сотруднику выезжать на место установки прибора учета для съема показаний, что в свою очередь позволяет экономить горюче-смазочные материалы, снизить затраты на работу персонала, а также повысить безопасность работ и оперативность.

М2М-решения в ЖКХ

М2М-решения в ЖКХ нашли широкое применение при автоматизации систем контроля и учета ЖКХ: узлов учёта тепловой энергии, горячей воды, холодной воды, вентиляции и системы канализации, систем управления насосами, задвижками, затворами, шаровыми кранами и тому подобное, регуляторов температуры и давления, организации узлов учёта воды, пара, газа, тепловой энергии и других энергоносителей, создания систем комплексного управления работой водогрейных и паровых котлов с целью оптимизации потребления воды, газа, мазута и т. д.
Автоматизированный коммерческий учет тепловой энергии, горячей и холодной воды, электрической энергии, природного газа, потребляемых объектами жилищно-коммунальной и бюджетной сферы, выполняется посредством измерения количественных, качественных и режимных параметров энергоносителей с тарификацией потребления.

Топологии автоматизированных систем сбора и учета данных ЖКХ М2М-решений технологии SmartGrid ("Умная сеть") приведены на рис.3. Варианты топологий этих автоматизированных систем сбора и учета данных ЖКХ отражают особенности использования интерфейсов М2М и архитектуры сетей. Пример типовой комплексной автоматизированной системы учета и управления потреблением энергоресурсов ЖКХ установленной на центральном диспетчерском пункте (ЦДП) города на базе М2М-решений и сети доступа LTE/3GPP показана на рис.4.
Нижний, «домовой» уровень включает совокупность подомовых и поквартирных приборов учета (счетчиков, датчиков, вычислителей).

Средний уровень представлен интеллектуальными контроллерами и маршрутизаторами М2М системы сбора данных (КСД), которые предназначены для автоматизированного группового сбора данных с подомовых и поквартирных приборов учета и круглосуточного контроля аварийных ситуаций в энергосистеме зданий.

Топологии автоматизированных систем сбора и учета данных ЖКХ на основе М2М-решений
Рис.3. Топологии автоматизированных систем сбора и учета данных ЖКХ на основе М2М-решений

Верхний уровень (уровень ЦДП) включает сервер СУБД, сервер АИИС КУЭ, WEB-сервер, коммуникационные серверы и другие серверные средства размещены в ЦДП. Платформа М2М может размещаться отдельно, обеспечивая выдачу данные на ЦДП по запросу.

Интегрированные автоматизированные системы учета, диспетчеризации и управления потреблением энергоресурсов в ЖКХ на базе М2М-решений в масштабах современного города позволят обеспечить:

  • выполнение требований федерального закона № 261-ФЗ;
  • снижение потерь до 25 %;
  • снижение потребления на 10-30 %;
  • повышение сборов по оплате на 10-20 %;
  • снижение расходов на оплату на 5-20 %;
  • сокращение времени устранения аварийных ситуаций на 30 %.

С технологической точки зрения, очевидно, что в ближайшее время будут внедрятся всё более совершенные устройства М2М, реализующие услуги телематики. Соответственно лидирующее положение на данном рынке услуг займут те компании-операторы М2М, которые сведут большинство телематических услуг воедино и будут предоставлять их, используя новейшие технологии передачи данных. Совершенствование функциональной архитектуры сетей и устройств М2М, потребует от производителей минимизации элементов сети и устройств, заставляя интегрировать несколько типов датчиков и сенсоров в одно устройство М2М

Комплексная автоматизированная система учета и управления потреблением энергоресурсов ЖКХ
Рис.4. Комплексная автоматизированная система учета и управления потреблением энергоресурсов ЖКХ


Обобщенный перечень используемого беспроводного оборудования М2М-решений:

  • GSM-терминалы, GSM/GPRS (класс10) терминалы, оснащённые TCP/IP стеком, AT командами, обладающие уникально низкими показателями энергопотребления и ультра компактными размерами;
  • GSM-маршрутизаторы, для передачи данных по сетям GSM/GPRS/EDGE на скоростях до 236,8 Кбит/с;
  • SMART-терминалы, обеспечивающие подключение к сети через интерфейсы RS-232/RS-485 модема, модемы со встроенным контроллером или модемы GSM/GPRS с поддержкой Java-платформы;
  • 3G/UMTS - маршрутизаторы, подключающие пользователей сети М2М к сети 3G UMTS/HSDPA, 3G/3.5G USB-модемы с радиодоступом на основе стандартов 802.11b/g/n;
  • 3G-маршрутизаторы с поддержкой безопасных виртуальных частных сетей (VPN) и с динамической маршрутизацией RIP и OSPF, передачи данных: HSDPA/HSUPA, EDGE (класс 12) и GPRS (класс 10);
  • 4G-маршрутизаторы, модемы HSPA+ для 32-х WiFi-устройств одновременно подключаемые по принципу “Plug-and-Play”, Bluetooth™-устройств с USB- и LAN-интерфейсами;
  • Универсальные модемы GPRS/EDGE/HSPA/LTE с USB интерфейсом для работы в мультистандартных сетях мобильных операторов;
  • LTE USB-донглы и USB-модемы, LTE-модули типа Mini PCIE с интерфейсом USB2.0, CPE/SOHO;
  • GSM/LTE-модемы HSPA+/4G (42 Мбит/с) с модулями Wi-Fi и Bluetooth™- и портами 10/100 Ethernet;
  • LTE-модемы с интерфейсом USB2.0 и антеннами MIMO;
  • LTE-маршрутизаторы, до 4 портов Ethernet + USB2.0, Ethernet WAN порта 100Mbps, опциональными портами MBUS, со встроенным блоком Wi-Fi 802.11n/g/b и антеннами MIMO;
  • M2M/LTE-терминалы Evolution с портами 10/100к Ethernet и интерфейсом ввода/вывода (I/O), по заказу могут оснащаться серийными интерфейсами RS232/RS485/RS422/MBUS;
  • нетбуки и ноутбуки с модулями LTE, телефоны/смарфоны и планшеты LTE/LTE-Advanced;
  • Сети GPRS/EDGE/HSPA/EV-DO/LTE, интегрирующие внутри базовых сетей M2M-приложения;
  • Телеметрические модули-рекордеры с сигнальной шиной и конвертером в одном устройстве и встроенным модемом GPRS/EDGE, как инновационное решение для систем телеметрии и автоматики М2М;
  • GSM/VoIP шлюзы, предназначенные для эффективного соединения сетей GPRS/CDMA/HSPA с VoIP-сетями, с платой PRI для подключения к сетям ТфОП;
  • Удлинители последовательного порта, работающие в сотовой сети с поддержкой технологий GPRS/EDGE. Эти устройства работают в сети передачи данных с надёжными, гибкими и эффективными функциями для соединения терминальных устройств М2М с автоматизированными системами типа SCADA, системами энергоучета топливная промышленности на расстоянии;
  • Промышленные М2М 3G/GPRS маршрутизаторы, позволяющие передавать данные на основе интерфейса RS-232 через беспроводные TCP/IP-соединения на М2М-сервер (например, сервер Центра обработки данных);
  •  Устройства малого радиуса действия SRD (ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi).

Заключение

Динамичное развитие М2М-технологий формирует у компаний эксплуатирующих трубопроводные сети топливной отрасли, энергосистемы и сети ЖКХ, операторов сетей связи и сервис – провайдеров услуг М2М следующие потребности:

  1. Необходимость проектирования и интеграции М2М-систем в индивидуальные уникальные решения. Сложность таких проектов заключается в новизне решаемых задач и необходимости учета требований телекоммуникационных сетей и специфических требований энергетики, трубопроводного транспорта, ЖКХ. Решением этих проблем является создание и внедрение универсальных масштабируемых М2М-платформ на основе технологий LTE/3GPP.
  2. Разработка на основе стандартов ETSI единых национальных стандартов интерфейсов обмена между устройствами и объектами, обладающими М2М-функциональностью, то есть универсального машинного «языка», который примут все национальные производители товаров и услуг. Эта потребность подразумевает и решение вопросов разработки нормативно-правовой базы для М2М-решений (Правил пользования М2М сетей и т.п.).
  3. Обеспечение надежной, защищенной передачи данных в сетях операторов мобильной связи и мобильного беспроводного доступа. Разнообразие М2М-устройств предполагает, что для связи используются самые разные технологии и стандарты 3GPP, так и не-3GPP, а также передачи данных по проводным и спутниковым каналам, и заканчивая каналами устройств малого радиуса действия (ZigBee, Bluetooth, WiFi). Компании - пользователи услуг М2М-сетей уже сегодня требуют обеспечения предоставления единой, унифицированной М2М-услуги на огромных территориях России (включая роуминг).

Развитие М2М-услуг через 5-7 лет приведет к объединению различных устройств М2М, и не только мобильных, в единые сети М2М на стандартизованных платформах М2М и сетях доступа LTE/3GPP. Это обстоятельство перестроит структуру доходов мобильных операторов и повысит эффективность бизнеса, потребителей услуг М2М. Пока же мультистандартность мобильных и беспроводных сетей создает сложности для поставщиков М2М-услуг, в связи с чем, М2М-решения провайдеров М2М-услуг должны работать в мультистандартных сетях 2G/3G/4G и только тогда федеральные клиенты – энергетические компании, ТЭК могут рассчитывать на обеспечение услугами М2М на принципах 24х7 в любом месте России.

Литература

1. Тихвинский В.О. Перспективные бизнес модели и сферы применения М2М. Оценка эффективности. // Ж-л «Connect! Мир связи» № 6, 2012
2. Федеральный закон от 23.11.2009 N 261-ФЗ (ред. от 10.07.2012) «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
3. Тихвинский В.О., Терентьев С.В. Использование инфраструктуры сетей LTE при построении сетей М2М.// Ж-л «Электросвязь» №9, 2012.
4. Концепция интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью// ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», 2012 г.
5. IEC 61850-9-2: Описание специфического сервиса связи (SCSM) - Выборочные значения в соответствии с ИСО/МЭК 8802-3.
6. IEC 61850-8-1: Описание специфического сервиса связи (SCSM) - Описание передачи данных по протоколу MMS (ИСО/МЭК 9506 - Часть 1 и Часть 2) и по протоколу ИСО/МЭК 8802-3.