Дистанционный сбор результатов измерений с территориально распределённой системы объектов теплоэнергетики

В.Н. Бабенко,

инж.-прогр., babenko@infovira.ru,
Р.С. Кузнецов,

н.с., к.т.н., kuznetsov@dvo.ru,
В.П. Чипулис,

зав. лаб., д.т.н., проф., chipulis@vira.dvo.ru,
ИАПУ ДВО РАН, г. Владивосток

Рассмотрены проблемы организации автоматического сбора измерительной информации с приборов энергоучета по различным каналам связи. Предложена технология быстрого проектирования и разработки систем сбора данных, позволяющая повысить надежность и эффективность функционирования систем подобного вида. Применение технологии продемонстрировано на примере создания программного комплекса СКУТЕР-СБОР.

The problems of automatic meter reading systems are discussed in the heat energy accounting field. The technology of rapid design and develop AMR systems is suggested. It is allowed to increase the reliability and effectiveness of those systems. Application of the technology is demonstrated by the example of "SKYTERRA" AMR system.

В последние годы в связи с принятием федерального закона об энергосбережении наблюдается интенсивный процесс по установке измерительного оборудования для осуществления учета энергоресурсов. Организация учета тепловой энергии и теплоносителя на тепловых пунктах потребителей осуществляется с помощью приборов учета ‑ теплосчетчиков. Теплосчетчики выполняют следующие основные функции: измерение основных параметров теплоносителя (расхода, температуры и давления), вычисление на основе измерений количества потребленной тепловой энергии, накопление и хранение необходимой для учета информации в архивах, предоставление архивных данных по запросу через коммуникационный интерфейс. Масштабное оснащение объектов ЖКХ, муниципальных и промышленных зданий теплосчетчиками приводит к организации центров сбора и обработки данных (ЦСОД) на уровне отдельного дома, ТСЖ или управляющей компании, крупного промышленного объекта, административной единицы и т.д. Прогрессирующее увеличение количества теплосчетчиков и расширение географии объектов теплоэнергетики, на которых выполняется учет энергоресурсов, требует новых подходов к созданию ЦСОД с учетом современных информационных технологий и достижений в области телекоммуникаций.

С 2000 года в Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН совместно с инжиниринговой компанией Инфовира разрабатываются информационно-аналитические системы (ИАС) [1], нацеленные на комплексное решение задач учета энергоресурсов, энергоаудита и энергосбережения, а также решение ряда специфических задач связанных с диагностированием технического состояния [2] и контролем режимов эффективного функционирования исследуемых объектов [3]. Однако, первоочередной задачей ИАС, на рассмотрении которой сделан далее акцент, является получение результатов измерения с приборов учета энергоресурсов. Эта задача в ИАС решается системой сбора данных (рис. 1), которая предназначена для получения телеметрической информации о функционировании узлов учета энергоресурсов, первичной обработки и сохранения результатов измерений в базе данных [4].

рис. 1 Информационно-аналитическая система

Изначально, когда количество теплосчетчиков исчислялось единицами, и они были однотипными, в ИАС применялся сбор данных из архивов приборов учета с использованием ноутбука непосредственным подключением через последовательный порт (RS-232) или оптическую головку. Постепенное увеличение количества теплосчетчиков, а также необходимость получать информацию с приборов, установленных в разных городах, привело к необходимости оснащения тепловых узлов модемами для дистанционного сбора данных. Первоначально разработанный программный модуль индивидуального опроса теплосчетчика позволял пользователю подключиться к прибору по модему, используя коммутируемую телефонную сеть (PSTN). Однако сбор данных по городским телефонным линиям имеет ряд недостатков. Основной заключается в невозможности опрашивать теплосчетчик днем, поскольку в это время телефон используется по основному назначению. В ночные же часы опросить большое количество объектов не удается. Поэтому с повсеместным распространением сотовой связи большинство телефонных модемов заменены на GSM/GPRS терминалы. Создана программа автоматического сбора для мобильных устройств стандарта GSM, которая используется для массового опроса группы приборов по технологии передачи данных CSD на основе расписания конфигурируемого пользователем.

На текущий момент система сбора данных выполняет следующие функции:

- сбор данных с заданного перечня приборов в автоматическом режиме по расписанию;

- сбор данных с индивидуального прибора, выбранного пользователем;

- сохранение полученной информации в базе данных по учету энергоресурсов.

Рассмотрим более подробно архитектуру системы сбора данных (рис. 2). Ядром системы является библиотека драйверов приборов, включающая отдельный драйвер для каждого поддерживаемого прибора. Каждый драйвер реализует функции, которые считывают данные из прибора, производят необходимые преобразования и передают программным слоям более высокого уровня. В качестве канала связи в драйвер передается номер коммуникационного порта, к которому подключен прибор или модем. Одной из важных частей системы также является библиотека экспорта данных, которая осуществляет запись в базу данных. Она состоит из отдельных модулей для каждого драйвера и предназначена для записи данных по параметрам конкретного прибора, учитывая его конфигурацию, а также конфигурацию базы данных. Таким образом, библиотека является промежуточным слоем между базой данных и драйвером прибора.

рис. 2 Архитектура системы сбора

Система сбора данных находится в эксплуатации в течение ряда лет. За это время происходила постоянная модернизация программного обеспечения системы сбора для поддержки различных каналов связи, осуществления опроса еще большего количества разнотипных приборов и из-за перехода на новое коммуникационное оборудование. В ходе развития системы сбора выявлены следующие недостатки:

· монолитность на уровне программ;

· разработка отдельных частей для одного прибора (драйвер - модуль экспорта данных);

· низкая переносимость между различными базами данных;

· различное представление данных на уровне отдельного драйвера;

· отсутствие общих требований для разработчика (спецификации).

Опыт использования показывает, что требуется дальнейшее развитие системы сбора, с учетом появления новых технических возможностей на базе современных телекоммуникационных и информационных технологий. Модернизация системы сбора требуется по ряду причин. Во-первых, появление новых типов приборов учета, в том числе с несколькими тепловыми вводами, приводит к необходимости абстрагирования от конфигурации и параметров оборудования. Во-вторых, увеличение количества обслуживаемых приборов требует распараллеливать их опрос в рамках одного сервера и/или, возможно, нескольких серверов сбора данных. В-третьих, увеличение типов обслуживаемых приборов учета приводит к необходимости быстрого написания драйверов оборудования. В-четвертых, включение уже готовых решений в систему сбора данных, например поддержка технологии OPC. В-пятых, поддержка разных сред передачи данных: коммуникационные порты, модемы, сотовая связь, проводные и беспроводные сети. Однако усовершенствование системы невозможно без пересмотра её архитектуры.

Рассмотрим основные принципы нововведений, на которых базируется новая технология разработки систем сбора данных, на примере программы СКУТЕР-СБОР (рис. 3).

Предлагается новая модель драйвера прибора. Согласно новой технологии в системе сбора каждый драйвер представлен в виде отдельного программного модуля – динамической библиотеки (например, DLL). Следовательно, программа верхнего уровня (автоматический сбор) загружает библиотеку драйвера только при необходимости опроса определенного типа прибора, после этого библиотека должна быть выгружена из памяти. Список функций драйвера прибора «жестко» специфицирован и унифицирован интерфейс обмена данными с программами верхнего уровня за счет использования абстрактных структур данных, создаваемых динамически в процессе работы системы сбора. Для каждого драйвера реализован алгоритм преобразования данных из формата соответствующего прибора в унифицированный формат системы сбора (алгоритм реализован согласно документации на прибор, поставляемой производителем оборудования). Обращение к прибору напрямую из высокоуровневых программ запрещено. Для каждого типа прибора предназначен свой драйвер, что обусловлено отсутствием единого протокола обмена у разных производителей оборудования. Для развития системы в будущем предусмотрена возможность добавления новых функций в модель драйвера прибора. В текущей реализации системы модульность на уровне динамических библиотек не поддерживается.

Приборы должны опрашиваться одновременно по всем доступным каналам связи – многопоточный сбор данных. Для работы с оборудованием через различные каналы связи используется промежуточный слой - слой работы со средами передачи данных. Конфигурация канала связи настраивается в программе верхнего уровня и передается в драйвер. Поскольку настройки каждой среды передачи данных уникальны, слой реализован в виде набора динамических библиотек с фиксированными интерфейсами. В текущей реализации используется только модемный опрос по CSD. Так же существенным недостатком текущей реализации является однопоточный опрос. Запуск драйвера прибора в отдельном процессе позволяет избежать влияния критических ошибок, возникающих в нем, на работу программы автоматического сбора в целом. При этом следует предусмотреть контроль над временем выполнения процесса, на случай его зависания. В текущей версии из-за критических ошибок в драйвере прибора происходит перезагрузка всей программы с начальной инициализацией расписания опроса, что негативно сказывается на эффективности работы системы сбора данных.

По новой технологии предусмотрена возможность резервирования или дублирования в системе сбора данных. Основная идея в том, чтобы устанавливать программу автоматического сбора на несколько серверов – кластер по сбору данных. При этом должна быть обеспечена возможность составления отдельного расписания по каждому серверу, но с поддержкой единой информационной базы данных. Тем самым повышается не только производительность системы сбора данных, но и ее надежность за счет дублирования на аппаратном уровне. На текущий момент поддерживается расписание только для одного сервера сбора данных.

Процесс формирования расписания также улучшен. Возможность определения временного интервала для опроса прибора в течение суток, например, с 01:10 до 02:55. Опрос прибора по определенным дням недели и дням месяца. Например, только в рабочие дни или в дни формирования месячного отчета о теплоснабжении. Ограничение количества неудачных попыток по каждому прибору. Временное отключение опроса прибора без удаления информации из общего расписания. Загрузка изменений расписания в программу автоматического сбора без прекращения её работы один (или более) раз в сутки. Настройки расписания позволят снять излишнюю нагрузку с системы сбора данных, и более эффективно производить опрос большого количества приборов.

Экспорт данных реализован как отдельный слой. Полученные с приборов учета данные передаются драйвером в специальную библиотеку, которая осуществляет запись в базу данных или сохранение измерительной информации в требуемом общедоступном формате для дальнейшей работы пользователя. Интерфейс между драйверами приборов и библиотеками экспорта данных стандартизирован, что позволяет исключить привязку реализации драйвера к хранилищу данных. Данный подход удобен для экспорта данных в различные СУБД и файловые форматы, поскольку не требует разработки библиотеки для каждого драйвера.

Новая технология разработки систем сбора данных имеет ряд преимуществ:

· более быстрое создание драйверов с возможностью параллельной работы нескольких разработчиков;

· возможность разработки драйверов сторонними разработчиками по спецификации;

· легкость расширения функциональных возможностей программ сбора;

· обеспечение поддержки различных сред передачи данных различное;

· расширение номенклатуры поддерживаемого оборудования;

· простая компоновка под потребности пользователя за счет включения или исключения из системы отдельных модулей (динамических библиотек);

· обеспечение высокой надежности системы сбора за счет работы драйверов приборов в отдельных процессах;

· повышение производительности за счет распараллеливания опроса приборов по разным каналам связи.

рис. 3 Архитектура системы сбора данных с учетом новой технологии разработки

Апробирование нововведений произведено в рамках создания программ диспетчеризации для крупных объектов теплоснабжения. В целом, благодаря новой технологии создания систем сбора данных, улучшены качественные показатели информационных систем внедряемых на объектах теплоэнергетики.

Литература

1. Кузнецов P.C., Раздобудько В.В., Чипулис В.П. Информационно-аналитические системы объектов теплоэнергетики // Информатика и системы управления. ‑ №2(28). ‑ 2011. ‑ С. 41-49.

2. Kuznetsov R.S. Diagnostic application in the heat-power engineering // First Russia and Pacific Conference on Computer Technology and Applications. – Vladivostok, Russia, 6 - 9 September, 2010. – P. 291-293.

3. Чипулис В.П. Оценка достоверности результатов измерений в теплоэнергетике // Измерительная техника. – М.: Издательский дом «Технологии». – 2005. – №5. – С. 53 – 58.

4. Свидетельство «О государственной регистрации базы данных» № 2008620273 от 16 июля 2008 г. Бабенко В.Н., Кузнецов Р.С., Раздобудько В.В. База данных учета тепловой энергии для объектов теплопотребления Приморского края // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.