Выбор топологии сетей нижнего уровня для коммунальных

ВЫБОР ТОПОЛОГИИ СЕТЕЙ НИЖНЕГО УРОВНЯ ДЛЯ
КОММУНАЛЬНЫХ СИСТЕМ УЧЕТА ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
A.M. Астапкович, С.В. Дмитриев, А. Востриков, М.Б. Сергеев
(ASK LAB, Государственный Университет Авиаприборостроения ,
Санкт-Петербург )
А.Г.Елисеенко, Суханов И.О. (“ НПО CИММЕТРОН” ,Санкт-Петербург )
Введение
В связи с проводимой в стране реформой жилищно-коммунального хозяйства
началось широкое внедрение современных приборов учета потребления энергоресурсов и
воды нового поколения, а также комплексных бытовых систем учета потребления
энергоресурсов. Некоторые данные, характеризующие масштаб проблемы, динамику
развития и нынешнее состояние дел в коммунальном хозяйстве Санкт-Петербурга
приведены в таблицах В.1.
Таблица В.1
Динамика установки узлов учета в Санкт-Петербурге
(всеми группами потребителей)
1996
1997
1998
Узлы учета тепловой
1200
1527
1756
энергии
Водомерные узлы учета
5311
10220
15419
Счетчики газа
2983
4078
8213
Отметим, что современный прибор учета это специализированная ЭВМ, а
система сбора данных – сеть таких ЭВМ, работающих
практически в
необслуживаемом режиме, что кардинально меняет сложившиеся стереотипы по
созданию и эксплуатации такого рода систем учета
С технической точки зрения такого рода системы можно описать трехуровневой
схемой :
 система сбора информации (интеллектуальные приборы учета и сети нижнего уровня )
 система передачи информации (с комплексных приборов учета на диспетчесрские пульты)

система обработки информации ( зависит от концепции развития таких систем и
может меняться со временм по мере накопления реального опыта использования)
Сложность анализа проблемы - многокомпонентный характер системы и большое
количество
фирм-производителей
элементов
системы
учета,
что
обеспечивает
многовариантность возможных реализаций даже в рамках одной концепции и одних и тех же
технических требований к системе в целом. Подробный анализ проблем, возникающих в этой
связи, проведен в работе [ 1].
. Настоящая работа посвящена проблеме выбора
топологии системы сбора
информации с точки зрения обеспечения удобств их технического обслуживания в процессе
эксплуатации.
Причем во главу угла поставлено требование к обеспечению
автоматизированного контроля целостности каналов сбора данных и возможность
автоматического обнаружения поврежденных участков.
1. Топология сетей сбора информации
В настоящее время во всем мире существует понимание принципиальной важности этого
уровня систем учета и в этом направлении ведется интенсивная работа. Применительно к системе
сбора информации, которая представляет собой локальную информационную сеть нижнего уровня
класса LAN. Принципиально важно отметить, что протяженность таких сетей может доходить до
1 км, а физический канал подвержен неблагоприятным воздействим: короткие замыкания, обрывы и
т.п. С учетом того, что обслуживание таких сетей будет проводить низкоквалифицированный
персонал, проблема обеспечения технического обслуживания таких сетей является одной из
важнейших.
Применительно к
коммунальным системам сбора информации об потреблении
энергоресурсов возможные альтернативы при выборе базовой топологии физического канала сети
нижнего уровня заключается в следующем : звезда, шина, кольцо.
С точки зрения обеспечения возможности контроля целостности канала передачи
информации, конечно, является звезда (физическая и логическая). Единственным серьезным
аргументом против ее применения является ее дороговизна , так как в этом случае требуется иметь
отдельный канал для каждого прибора учета в каждую квартиру.
Рассмотрим две возможные реализации современного подхода к проблеме создания
внутридомовых сетей.
Стандарт M-BUS
M-BUS
(METER-BUS)
- это новый европейский стандарт [1] для организации
дистанционного опроса теплосчетчиков, и подходящий также для широкого круга других
измерителей потребления энергоресурсов в быту. Стандарт может служить основой построения
домашних (внутридомовых) электронных сетей ( HES - номе electronic system).
При разработке стандарта преследовалась цель создания дешевого интерфейса для
производителей разного рода измерителей и экономии затрат на их монтаж и обслуживание.
Разработку стандарта поддерживала компания производитель электронных компонент TEXAS
INSTRUMENTS, а комитет разработчиков состоял из профессоров немецких университетов.
Особенности интерфейса по стандарту M-BUS:
 возможность дистанционное считывание данных;
 использование обыкновенной двухпроводной линии, в качесве которой стандарт
специфицирует использование широко распространненных телефонных кабелей .
физически - это шина, логически звезда , рис.1.
 индивидуальная адресация для каждого из измерителей;
 возможность построения автоматизированных систем учета за счет подключения до
нескольких сот устройств разнесенных между собой на расстояния 300 -1000 м ;
 низкая стоимость;
 возможность использования в качестве охранных систем.
Slave 1
Master
Slave 2
Slave 3
M-Bus
Рис. 1 Топология шины M-BUS
Внутридоиовые системы, например, поквартироного учета строятся из групп приборов учета,
объединенных шиной M-BUS. Возможность такого объединения определяется принятой в стандарте
сегментацией.
M-BUS может содержать несколько, так называемых, зон, каждая из которых имеет свой
групповой адрес. для подключения к сетям верхнего уровня. Каждая из зон может состоять состоять
из сегментов, хотя при практических применениях все-таки наиболее распространненным является
использование лишь одного сегмента , который через локальный репитор подключается через RS232 к персональному компьютеру. В рамках стандарта специфицируются ряд параметров,
оказвыющих влияние на архитектуру внутридомовой сети и информационный обмен:
 максимальное расстояние между слэйв-устройством и репитером 350 м.
 для стандартных конфигураций сопротивление кабеля составляет 29 ом,
 скорость передачи изменяется от 300 до 9600 бот и
 к шине может быть подключено максимум 255 устройств.
Протоколы информационного обмена по шине M-BUS строятся на основе форматов данных
(telegram format), выбранных в соответствии со стандартом МЭК ( IEC) 870-5 (необходимые детали
возможно получить посредством INTERNET)/
Отметим, что стандарта разработчики M-BUS пошли по пути максимального удешевления
стоимости сетевой компоненты. В силу этого шина M-BUS фактически не защищена от коротких
замыканий
(случайных или преднамереных), что может создать большие проблемы для
эксплуатирующих организаций, особенно в условиях отечественных многоквартирных
многоэтажных домов. Кроме этого, в силу принятого способа представления 1 и 0 для достижения
специфицированных дальностей передачи необходимо использовать достаточно
высокие уровни
напряжений достигающие 42 вольт, что является фактическим ограничением на линейный размер
системы при принятом сопротивлении соединяющего кабеля.
Кольцевые топологии
С 1997 года лаборатория ASK LAB (каф 42, 44 Государственного Университета
Аэрокосмического Приборостроения) ” ведет разработку отечественного стандарта на
микропроцессорные
информационно-управляющие
сети
нижнего
уровня
для
промышленных применений, который получил название ASK BUS. К настоящему
времени накоплен опыт использования ASK BUS в промышленности [1] .
В 1998 году по инициативе, при поддержке и участии «НПО Симметрон» началась
проработка вариантов использования ASK BUS как основы для внутридомовых сетей.
Отличительной особенностью
коммунальных сетей является повышенные
требования к надежности как элементов сети, так и системы в целом в силу того, что такие
сети, фактически должны работать в необслуживаемом режиме. Топология ASK BUS cистема вложенных двунаправленных колец с глубиной вложенности до 5 c числом
контроллеров в каждом кольце до 255. Для внутридомовых сетей представляется
достаточным применение двухранговых сетей, как это показано на рис. 2
подъезд или дом
квартира
этаж
КВАРТИРНЫЙ ПРИБОР УЧЕТА
(СЧЕТЧИК ЭЛЕКТРИЧЕСТВА, ТЕПЛА и т.п.)
КОНТРОЛЛЕР СЕТИ ASK BUS
ИНТЕРФЕЙСНАЯ КАРТА ASK BUS
КОНТРОЛЛЕР ВЕРХНЕГО УРОВНЯ
ДВУНАПРАВЛЕННОЕ КОЛЬЦО СО СХЕМОЙ
ПЕРЕТРАНСЛЯЦИИ В КАЖДОМ УЗЛЕ С
ФИЗИЧЕСКИМ КАНАЛОМ СТАНДАРТА RS-485
Рис. 2 Топологи я
ASK BUS (2-х ранговая сеть)
Каждый котроллер сети имеет свой уникальный заводской номер в целях обеспечения
возможности создания сетей с переменным количеством узлов. Скорость передачи информации по
кольцу верхнего уровня до 1 Мбит/ек.
В качестве физического уровня сети ASK BUS
использует интерфейс RS-485. В качестве линии связи между узлами используется витая пара.
Максимальное расстояние между узлами порядка 1 км ( общая протяженность десятки километров
за счет использования перетрансляции).
2. Организация технического обслуживания в топологии ASK Bus
Использование топологии “двунапрвленное кольцо” с перетрансляцией в каждом узле,
стандарт ASK Bus, открывает целый ряд новых возможностей по обеспечению надежности
системы и организации ее технического обслуживания.
RS- 485
1
2
RS-485
Автоматический
ретранслятор
Контроль
Контроль
Сброс
3
Контроль
Микроконтроллер
SPI
Сброс
+5В
DC
Источник
питания
Рис.3 Структурная схема контроллера
2
Однократное
повреждение
1
3
4
Двухкратное
повреждение
Рис. . Обнаружение места обрыва (замыкания) физического канала.
Стрелками показаны пути прохождения запросных и ответных кадров от управляющей ЭВМ
при выполнении процедуры обнаружения поврежденного сегмента.
- однократное повреждение, есть обмен с контроллерами 2 и 3 по разным дугам;
- двухкратное повреждение (выпадение сегмента), есть обмен с контроллерами 2 и 4
по разным дугам.
В нормальном режиме функционирования сети опрос каждого контроллера
производиться контроллером верхнего уровня поочередным опросом каждого узла
(логическая звезда). При выпадании одного или нескольких контроллеров (контроллер не
отвечает на запрос) идентификация и локализация поврежденных сегментов (закорачивание,
обрыв) осуществляется за
За счет применения двунапрвленных колец имеется возможность идентификации мест обрыва
и закорачивания линии связи. За счет применения аппаратно реализованных схем перетрансляции в
каждом контроллере (рис. 3) умышленное закорачивание линии связи в одном месте не влияет на
работоспособность сети.
Закорачивание в несккольких точках приведет к выпадению из работы сегмента сети, что будет
идентифицировано верхним уровнем системы за счет определения крайних контроллеров с которых
приходит информация. счет возможности опроса каждого контроллера по двум дублирующим друг
друга плечам : левому и правому, как это показано на рис.4.
Предлагвемая методика обнаружения поврежденных сегментов была опробована на
действующем макете сети и демонстрировалась на выставке ""Энергетика -98" ( Ленэкспо, СанктПетербург) на стенде "НПО Симметрон".
Литераnура
1. Проблемы и перспективы создания интегрированных коммунальных систем учета потребления
энергоресурсов.
А.Л. Анисимов, А.М. Астапкович, С.В.Дмитриев, А.А.Востриков, Д.А.Кравченко, М.Б.Сергеев,
А.Г.Елисеенко, И.О.Суханов
Сборник
"Информационно-управляющие
системы
и
сети.
Структуры.Моделирование.Алгоритмы" ,Политехника. 1999, Санкт-Петербург