Опрос счетчиков и контроллеров через GPRS интернет (обзор)

В статье приведен обзор промышленных модемов PROMODEM GSM для организации удаленного беспроводного опроса географически распределенных контроллеров, счетчиков, модулей ввода/вывода, а также любых Modbus-устройств через интернет, доступ в который предоставляют сотовые операторы.

Выбор технологии для беспроводного опроса контроллеров и счетчиков в городской застройке или на больших расстояниях. Спойлер: это GPRS (2G)

Если ваши устройства – контроллеры или счетчики электроэнергии – расположены на компактных территориях (промзона, порт, кусты нефтегазовой и насосной автоматики, коттеджные поселки и т. п.), то для беспроводного доступа к ним используйте радиомодемы PROMODEM ZigBee или WiFi. Эти модемы также идеально подходят для опроса устройств внутри здания: завода, склада, офисного или торгового центров.

В настоящей же статье описаны решения для беспроводного опроса контроллеров или счетчиков, удаленных друг от друга и от диспетчерского центра на километры либо расположенных в условиях плотной городской застройки. Эти решения для автоматизации технологических процессов базируются на промышленных GPRS модемах PROMODEM GSM, обеспечивающих опрос удаленных устройств через GPRS-интернет, доступ в который предоставляют операторы сотовой связи.

Мы рекомендуем применять для опроса устройств, распределенных по плотной городской застройке либо удаленных от диспетчерского центра на большие расстояния, именно GSM модемы или промышленные 3G модемы, использующие готовую сетевую инфраструктуру сотовых операторов. Разумеется, при использовании услуг сотового оператора возникает статья расходов, связанная с оплатой трафика. Однако наличие специализированных недорогих тарифов для промышленного интернета вещей у всех операторов сотовой связи оптимизирует эти затраты.

Объединение устройств в персональные радиосети, архитектура которых подразумевает наличие персональных базовых станций, вроде бы исключает плату за трафик, но приводит к дополнительным издержкам, связанным с установкой, обслуживанием и ремонтом этих базовых станций, находящихся на балансе заказчика. Причем покупка и дальнейшая эксплуатация базовых станций персональной радиосети зачастую выходит более затратной, чем оплата услуг сотовой связи при использовании инфраструктуры GSM-сети.

Также нет особого смысла пытаться построить опрос контроллеров или счетчиков, у которых есть интерфейс rs 485 или интерфейс rs 232, через новые сети NBIoT, во‑первых, из-за неравномерности внедрения этой технологии у разных операторов, а во‑вторых (и это главное), особенности технологии NBIoT не подходят для беспрерывного высокоскоростного опроса контроллера или счетчика через постоянный канал связи. Технология NB-IoT скорее рассчитана на редкую передачу показаний с датчиков или расходомеров на объектах с отсутствующим питанием. NB-IoT идеально подходит для автономных устройств сбора и передачи информации о давлении, расходе или температуре. В нашей номенклатуре устройств беспроводной автоматизации такие устройства есть и расположены в разделе «ПРОДУКТЫ: NB-IoT оборудование».

Подключение на объекте контроллеров и счетчиков с интерфейсом RS‑485 / RS‑232 к модемам PROMODEM GSM для беспроводного опроса через сотовый интернет

Промышленное исполнение и инструменты диагностики позволяют просто и оперативно ввести GSM модем RS 485 или GSM модем RS 232 PROMODEM в эксплуатацию на объекте (табл. 1).

Таблица 1. Промышленное исполнение модемов PROMODEM GSM

Промышленное исполнение	Комментарий
Рабочая температура, °C	От -40 до +70
Монтаж	Удобный монтаж модема благодаря встроенному креплению на DIN-рейку
Подключение питания	встроенный блок питания (БП) с гальваноразвязкой для прямого подключения модема к сети ~220 В; защита от скачков напряжений обеспечивается широким диапазоном БП: 85…264 В AC; удобное и надежное подключение питания через клеммники под винт; доступны варианты модемов со встроенным БП 18…36 В DC с гальваноразвязкой для прямого подключения к шине питания 24 В внутри шкафа автоматики АСУ ТП
Бесперебойное питание модема	Доступны варианты модемов со встроенным источником бесперебойного питания (ИБП) на 45 минут автономной работы, СМС-информированием при изменении типа питания и выдачей аварийного сигнала для автоматики на объекте
Подключение устройств	подключение устройств и датчиков через клеммники под винт; выход 12 В DC модема обеспечивает питание подключенных датчиков и интерфейсов устройств; поддерживается подключение к одному модему до 32 устройств по шине RS‑485; внутри модема установлен подключаемый резистор (терминатор) 120 Ом для согласования линии RS‑485
Антенны на все случаи монтажа	В номенклатуре поставляемых антенн есть комнатные, врезные или на магните для крепления на шкаф автоматики, а также антенны на кронштейне для выноса из подвалов
Декларации соответствия	Соответствие техническим регламентам Таможенного союза «О безопасности…» и «ЭМС»
Гарантийный срок, лет	5

GSM модем RS 485 или 3G RS 485 PROMODEM подключается к вашему контроллеру или счетчику через комплектные винтовые клеммники. К модему с двойным интерфейсом RS‑485 + RS‑232 можно подключить сразу два разных устройства (например, счетчик электроэнергии и тепловычислитель) для их одновременного независимого опроса из диспетчерского центра. При этом к RS‑485 интерфейсу GSM модема или 3G терминала PROMODEM можно подключить до 32 однотипных устройств.

Встроенный внутрь модема блок питания (БП) ~220 В не только удобен (не требуется внешний БП), но и исключает вероятность вывода модема из строя при невнимательном монтаже (на вход =12 В модемов без встроенного БП часто не думая подают ~220 В).

Также есть варианты модемов PROMODEM GSM со встроенным источником бесперебойного питания (ИБП) на 45 минут автономной работы (рис. 1). При пропадании и восстановлении первичного питания модем отправляет аварийные СМС на мобильные телефоны сотрудников, а также выдает информационный/управляющий сигнал для автоматики на объекте.

 

Рис. 1. Промышленный модем PROMODEM GSM с двумя независимыми портами RS‑485 + RS‑232 и встроенным ИБП на 45 минут автономной работы, температура эксплуатации – от –40 до +60 °C, крепление на DIN-рейку

К дискретному входу GSM модема или 3G терминала PROMODEM можно подключить датчик сигнализации, например датчик открытия шкафа автоматики для оперативного СМС-информирования диспетчера и сотрудников служб эксплуатации (до 4 номеров телефонов) о проникновении на объект.

Внешняя антенна для GSM модема выбирается исходя из особенностей монтажа (табл. 2):

• при размещении модема в металлическом шкафу требуется выносная антенна GSM на шкаф с плоским дном для установки на крышку шкафа;

• в подвальных помещениях с низким уровнем сигнала рекомендуется выносить GPRS антенну наружу и крепить на кронштейне к внешней стене здания.

Оперативная диагностика этапов соединения модема с диспетчерским центром осуществляется на объекте по информативной светодиодной индикации. Подробную же диагностику этапов соединения модема можно вывести в текстовом виде через интерфейс RS 485 или интерфейс RS 232 модема на компьютер или ноутбук. Это позволит понять, по какой причине модем не соединяется с диспетчерским центром:

• заблокирована сим-карта;

• низкий уровень GSM-сигнала на объекте (требуется перенос 2G антенны или антенны GSM 3G);

• закончились деньги на счете;

• не настроены TCP-порты на сервере.

Таблица 2. Антенны 900 1800 МГц и антенны GSM 3G и для различных типов монтажа модемов PROMODEM GSM

	Антенны для GSM-модема
Внешний вид
Особенности конструкции, применения	GSM антенна магнитная для  крепления на металлическую крышку шкафа, в котором установлен модем; антенна GSM на магнитном основании не требует сверления крышки	Антенна GSM врезная для надежного винтового крепления на металлическую крышку шкафа, в котором установлен модем	Вандалоустойчивая антенна GSM 2G для проектов с соответствующими требованиями	Антенна GSM 3G выносная с комплектным кронштейном для выноса на внешнюю сторону стены здания из подвала или комнаты с плохой радиообстановкой	Антенна GSM 3G выносная направленная для малонаселенных территорий: «видит» только одну вышку, но со значительно лучшим уровнем приема

Автоматическое установление соединения модема PROMODEM GSM с диспетчерским центром, механизмы резервирования и контроль канала связи

АСУ ТП GSM модем PROMODEM автоматически подключается к IP-адресу диспетчерского центра, не требуя для этого внешнего управления AT-командами со стороны подключенного счетчика или контроллера. Процесс подключения стартует сразу после подачи питания на модем с установленной сим-картой.

При возникновении сложностей на различных этапах подключения модем автоматически задействует встроенные механизмы резервирования (рис. 2):

• GSM модем все равно выйдет в интернет, переключившись на вторую сим-карту резервного оператора, если не получается зарегистрироваться в сети сотового оператора основной сим-карты;

• GSM модем все равно подключится к диспетчерскому центру по IP-адресу резервного интернет-провайдера, если случилась авария у основного (обрыв кабеля или проблемы со счетом);

• при восстановлении основного канала (сим-карта или IP-адрес) GPRS модем автоматически переключится на него обратно.

Рис. 2. Автоматический переход на резервного GSM-оператора или на IP-адрес резервного интернет-провайдера для гарантированного подключения модема к серверу

 

Чтобы не перенастраивать модемы для счетчиков из-за возможной смены интернет-провайдера диспетчерского центра, можно прописать в настройках модема PROMODEM доменное имя вместо IP-адреса (рис. 3).

 

Рис. 3. Пример настройки подключения модема к диспетчерскому центру: статический публичный IP-адрес основного интернет-провайдера и доменное имя в качестве резервного подключения (можно также указать IP-адрес)

После установки соединения модем PROMODEM GSM постоянно контролирует целостность канала связи и при обнаружении обрыва автоматически переподключается к диспетчерскому центру, обеспечивая постоянный доступ к счетчику или контроллеру со стороны вашей программы опроса и стабильную передачу показаний счетчиков. При возникновении нештатных ситуаций модем автоматически перезагружается благодаря независимым сторожевым таймерам, защищающим его от зависаний.

Для подключения модема к диспетчерскому центру достаточно любой сим-карты с возможностью выхода в интернет. Тем не менее, мы рекомендуем использовать в системах удаленной диспетчеризации специализированные тарифы для промышленных модемов:

• такие тарифы имеются у всех сотовых операторов и называются, как правило, «М2М», «Интернет вещей» или «Телематика»;

• тарификация в них осуществляется с округлением до 1 КБ, что позволяет не переплачивать за небольшие по объему сессии, характерные для опроса в системах диспетчеризации (АСКУЭ) и дистанционного управления АСУ ТП (технологическими процессами);

• округление интернет-сессий в обычных пользовательских тарифах может достигать 1024 КБ в большую сторону (передача показаний электроэнергии составила 1 кБ, а заплатили, как за 1 МБ).

Для более надежного резервирования на уровне оператора сотовой связи мы можем доукомплектовать модемы PROMODEM GSM универсальными мультисим-картами:

• мультисим-карта автоматически выбирает сотового оператора с наилучшим уровнем сигнала: МТС, «Билайн», «МегаФон», Tele2;

• переключается на другого оператора при ухудшении радиообстановки;

• переключение производится в рамках единого тарифного плана «М2М» и не влияет на стоимость трафика;

• бесплатный роуминг внутри России.

Использование мультисим-карт особенно актуально и удобно в беспроводных системах диспетчеризации с географически разнесенными или подвижными объектами.

Опрос подключенных к модемам PROMODEM GSM счетчиков и контроллеров вашей диспетчерской программой через бесплатный TCP-мост GSMService

Как правило, программы опроса в системах удаленной диспетчеризации являются TCP-клиентами, то есть в настройках подключения к удаленному счетчику или контроллеру в них требуется указать IP-адрес и TCP-порт устройства (программа-«клиент» подключается к устройству, а не наоборот). Модемы для счетчиков также в большинстве случаев настраиваются в режим «клиент», то есть подключаются к заданному IP-адресу и TCP-порту диспетчерского центра. Такой режим для GPRS модемов является наиболее популярным, надежным и позволяет использовать в модемах недорогие сим-карты с обычным динамическим IP-адресом (для режима модема «сервер» требуется подключение на сим-карте опции «статический IP-адрес» с отдельной абонентской платой).

Получается, надо состыковать между собой подключение двух TCP-клиентов: GSM модема и диспетчерской программы, а это невозможно сделать напрямую. «Клиент» всегда должен подключаться к IP-адресу и TCP-порту какого-то «сервера», который в свою очередь «слушает» этот TCP-порт. Для наших модемов PROMODEM GSM, а также модемов PROMODEM 3G RS232 и 3G RS485 мы предоставляем бесплатный программный TCP-мост – службу данных PROMODEM  GSMService, которая в режиме двухстороннего «сервера» обеспечивает стыковку подключений модемов‑«клиентов» со стороны объектов и программы-«клиента» со стороны диспетчерского компьютера (табл. 3).

Служба данных PROMODEM GSMService устанавливается на диспетчерский компьютер и является службой Windows, что позволяет ей  запускаться автоматически при старте операционной системы и работать в фоновом режиме. При этом все GPRS модемы или 3G терминалы системы подключаются на единый TCP-порт службы данных PROMODEM GSMService, то есть в роутере диспетчерской вам требуется открыть только один внешний порт для приема модемных подключений (рис. 4). Это значительно упрощает жизнь системному администратору: ему не приходится настраивать пробросы маршрутов для десятков или сотен внешних TCP-портов роутера предприятия на ваш диспетчерский компьютер. К тому же множество открытых в интернете TCP-портов – не самая здоровая с точки зрения сетевой безопасности ситуация. Служба данных PROMODEM GSMService также осуществляет контроль внешних подключений на уровне ID-модемов: все посторонние немодемные попытки подключения к открытому внешнему порту отбиваются.

Рис. 4. Модемы PROMODEM GSM в режиме «клиент» автоматически подключаются к единому TCP-порту диспетчерского центра. Подключенные к модемам счетчики и контроллеры постоянно доступны для опроса диспетчерской программой по отдельным TCP-порам службы данных PROMODEM GSMService

Каждый подключенный к модему PROMODEM GSM счетчик или контроллер представлен в службе данных PROMODEM GSMService отдельным локальным TCP-портом (например, 10001, 10002 и т. д.). Именно через эти TCP-порты ваша диспетчерская программа будет одновременно опрашивать удаленные счетчики или контроллеры.

Таблица 3. Возможности бесплатной службы данных PROMODEM GSMService

Функциональность	Комментарий
TCP-мост – двухсторонний программный «сервер» для стыковки «клиентских» подключений модемов PROMODEM GSM и диспетчерской программы опроса	Служба данных PROMODEM GSMService поддерживает различные режимы работы модемов и диспетчерской программы и может быть для них как «сервером», так и «клиентом»
Единый TCP-порт для подключения всех модемов с обязательной аутентификацией (контроль ID)	Обеспечивает простоту настройки роутера диспетчерской и сетевую безопасность
Каждое подключенное к модему устройство опрашивается через отдельный TCP-порт службы	Одновременный опрос вашей диспетчерской программой всех счетчиков или контроллеров системы в любой момент времени
Одновременный опрос обоих устройств, подключенных к модему с двойным интерфейсом RS‑485 + RS‑232	2‑интерфейсные модемы PROMODEM GSM‑485-232 представлены службой как два отдельных TCP-порта для независимого одновременного (а не по очереди) опроса диспетчерской программой (или двумя разными программами) подключенных к модему устройств, например счетчика электроэнергии и тепловычислителя
Модемы и служба данных PROMODEM организуют прозрачные протоколонезависимые каналы связи RS – TCP	Ваша диспетчерская программа опрашивает удаленные счетчики или контроллеры так, как будто те подключены к компьютеру отдельными кабелями напрямую; поддержка любых устройств и протоколов опроса
Контроль целостности канала связи и его автоматическое восстановление	Служба отвечает на PING модемов; используется PING прикладного, а не сетевого уровня для исключения ложноположительного ответа
Склейка Modbus-пакетов, рвущихся в сотовом канале	При обрыве Modbus-пакета во время передачи по сотовой сети служба склеит его перед выдачей в диспетчерскую программу, исключив тем самым ошибку опроса
Автоматический запуск службы при включении диспетчерского компьютера	Работает в фоновом режиме как служба Windows

При невозможности установки службы данных PROMODEM GSMService по техническим причинам (UNIX-сервер) или из-за политики отдела безопасности компании от нее можно отказаться с незначительной потерей функциональности системы.

При редком опросе объектов в системах удаленной диспетчеризации, например, при ежемесячном считывании архивов со счетчиков электроэнергии, можно организовывать временные каналы связи с приборами учета только в момент опроса. При этом модемы для счетчиков настраиваются в режим «сервер» со статическими IP-адреса-ми сим-карт:

• с глобальной статикой – в диспетчерском центре достаточно доступа в сеть интернет;

• с локальной статикой – в диспетчерском центре необходимо заказать у сотового оператора VPN-туннель, проброшенный от вашего предприятия до выделенного пула сим-карт.

Большую часть времени модемы в режиме «сервер» ожидают подключения со стороны диспетчерской программы и не расходуют трафик. Стоимость статических IP-адресов сим-карт компенсируется за счет отсутствия потребления трафика в режиме ожидания подключений.

Опрос одного устройства (парка устройств) из двух диспетчерских центров

С помощью всего одного GSM модема или  3G RS 485 / 3G RS 232 модема PROMODEM на объекте можно открыть доступ к подключенному устройству сразу из двух независимых организаций (рис. 5):

• например, обеспечить опрос одних и тех же электросчетчиков из двух разных диспетчерских центров: из офиса правления ТСЖ и энергосбытовой компании;

• в каждом диспетчерском центре своя служба данных PROMODEM GSMService и своя диспетчерская программа опроса;

• GPRS модем PROMODEM GSM подключается одновременно к двум разным IP-адресам обоих диспетчерских центров, позволяя опросить прибор учета двумя разными программами;

• это могут быть как географически разнесенные независимые диспетчерские центры, так и просто две разные программы опроса на одном сервере, которым требуется постоянный доступ к парку ваших устройств.

Рис. 5. Опрос устройства или парка устройств из двух независимых диспетчерских центров с помощью установки всего одного модема PROMODEM GSM на каждом объекте

Таким образом, для решения задачи опроса устройства из двух независимых диспетчерских центров достаточно подключить к нему всего один модем вместо двух.

Программа настройки и мониторинга подключений PROMODEM GSMConfig

Для удобства, оперативности и минимизации ошибок пусконаладки модемов PROMODEM GSM используется программа настройки GSMConfig (рис. 6, табл. 4), которая осуществляет взаимоувязанную настройку: одновременно и модемов, и службы данных PROMODEM GSMService. Процедура настройки подробно описана в руководстве по эксплуатации, а также представлена в виде видеоинструкции на канале YouTube.

Рис. 6. Программа GSMConfig для локальной и удаленной взаимоувязанной настройки модемов PROMODEM GSM и службы данных PROMODEM GSMService

Локальная настройка модемов производится через технологический USB-порт. Также доступна удаленная настройка GPRS модемов и 3G терминалов PROMODEM через интернет-подключение.

В программе GSMConfig формируется удобная таблица соответствия (рис. 7):

• уникального ID модема;

• адреса объекта;

• номеров телефонов основной и резервной сим-карт;

• а также TCP-порта службы данных, который требуется указать в диспетчерской программе для опроса соответствующего счетчика или контроллера, подключенного к RS-порту этого модема.

Рис. 7. Вкладка «Таблица соответствия» программы GSMConfig: список модемов, TCP-портов для опроса удаленных устройств, а также индикация и статистика подключений модемов к службе данных PROMODEM GSMService

Так, для опроса счетчика электроэнергии, подключенного к модему на ул. Свободы, 19, требуется подключиться диспетчерской программой АСКУЭ к TCP-порту № 5001 службы данных PROMODEM GSMService.

Дополнительно доступна фильтрация по адресу объекта (например, показать все модемы на ул. Свободы) или по ID (для поиска модема по серийному номеру).

Также в таблице соответствия отображается индикация TCP-подключений:

• модемов к службе данных – в ячейках «Имя модема»;

• диспетчерской программы к службе данных – в ячейках «RS1» и «RS2»;

• программа позволяет выводить список всех модемов системы, а также только подключенных или только неподключенных.

Программа GSMConfig ведет сбор статистики:

• подсчет числа переподключений и времени без связи для каждого модема;

• отображение статистики за текущий день и предыдущие три дня;

• суммарной статистики за все время работы программы GSMConfig;

• ведение файла логов статистики и подключений.

Количество переподключений показывает, сколько раз GPRS модем или промышленный 3G модем отключался от службы данных, и позволяет оценить качество радиообстановки на объекте. Параметр «Время без связи» дает возможность выявить GSM модемы, которые подолгу не могут подключиться к диспетчерскому центру. Наиболее проблемные модемы подсвечиваются дополнительно.

Программу GSMConfig можно запускать лишь эпизодически – для настройки модемов и службы данных, а также для мониторинга подключений и сбора статистики с проблемных объектов или при пусконаладке.

Таблица 4. Возможности программы настройки и мониторинга PROMODEM GSMConfig

Функциональность	Комментарий
Единая программа настройки	Исключает ошибки расхождения значений одинаковых параметров в модеме и службе данных
Простая и удобная настройка минимального числа параметров	Ускоряет и упрощает процесс настройки больших групп модемов
Легкое освоение процедуры настройки	Подробное описание в руководстве по эксплуатации сопровождается простой видеоинструкцией на YouTube
Упрощение процедуры настройки вашей диспетчерской программы	Удобная таблица соответствия ID-модема = адреса объекта = номера сим-карты = TCP-порта для указания в диспетчерской программе опроса
Индикация TCP-подключений	Отображаются статусы TCP-подключений модемов и диспетчерской программы (есть/нет) к службе данных PROMODEM GSMService
Оперативный поиск модема в таблице	Поиск модема по ID или адресу объекта, а также фильтрация модемов по статусу подключения (есть/нет)
Отображение статистики по числу переподключений модема и времени без связи	Функция для выявления проблемных объектов и возможных причин нестабильной работы модема
Ведение txt-файлов логов	С временными метками подключений и статисткой по каждому дню
Оперативная настройка и обновление прошивки через USB	Не требует USB-конвертеров RS-портов
Удаленная настройка и обновление прошивки	Настройка из диспетчерского центра по сети интернет без выезда на объекты

Бесплатный DEMO KIT: модемы PROMODEM GSM в опытную эксплуатацию

Все модемы линейки PROMODEM можно бесплатно взять на тестирование или в опытную эксплуатацию: GSM модем RS 485, GSM модем RS 232, 3G RS 485, 3G RS 232. Мы также поможем вам настроить модем для опроса счетчика или контроллера вашей диспетчерской программой.

Для оперативного развертывания тестового стенда мы предлагаем готовый plug-and-play-комплект DEMO KIT PROMODEM (рис. 8):

• любая модель модема PROMODEM GSM;

• USB-кабель для настройки и конвертер USB-RS для вывода диагностики;

• кабель питания и антенна;

• универсальная мультисим-карта с бесплатным тестовым пакетом на интернет и СМС.

Рис. 8. Бесплатный plug-and-play-комплект DEMO KIT PROMODEM для тестирования или опытной эксплуатации модема PROMODEM GSM