Оптимизация систем SCADA с помощью агентского шлюза Modbus

Энергоэффективные технологии — это не только политика защиты окружающей среды, но и средство экономии затрат для промышленных предприятий, которые их внедряют. Для превращения их в реальность нужны контроль и мониторинг.

Введение

При ориентации на энергоэффективность установка счетчиков электроэнергии на производственных площадках дает ощутимые результаты. В первую очередь эти счетчики будут собирать данные, необходимые для дальнейшего анализа с целью принятия необходимых бизнес-решений в области энергоэффективности. Для оптимального контроля и мониторинга на производственных площадках необходимо множество разнообразных устройств, например ИБП, интеллектуальные реле, контроллеры системы автоматического переключения и т. д.

Обычно эти устройства поддерживают простой в использовании протокол Modbus.

Однако в областях применения, связанных с мониторингом потребляемой мощности, специалисты по системной интеграции сталкиваются с двумя проблемами: преобразование сетевого протокола передачи данных Modbus RTU/ASCII в протокол Modbus TCP и широкомасштабное развертывание устройств.

Система диспетчерского контроля и сбора данных (SCADA) широко используется в приложениях мониторинга с целью дистанционного контроля электрических параметров. В системах SCADA обычно используются протоколы на базе Ethernet, такие как Modbus TCP. С другой стороны, в процессе мониторинга данные формируются последовательными счетчиками электроэнергии, которые поддерживают протокол Modbus RTU. Желая преодолеть проблемы совместимости, некоторые пользователи полагаются на встроенные компьютеры, способные преобразовывать протоколы. Недостаток этого решения заключается в том, что требуются дополнительные ресурсы для разработки ПО. Поэтому пользователи обращаются к шлюзам, ведь эти устройства легко преобразуют протокол Modbus TCP в Modbus RTU и обратно.

Поскольку необходимо собрать данные об электрических параметрах от многочисленных последовательных устройств, для облегчения управления в идеале нужно было бы приобрести шлюзы Modbus с несколькими последовательными портами (8 или 16).

Не всё, что прозрачно — хорошо

Связь в прозрачном режиме стандартна для шлюзов Modbus.

Шлюзы, выполняющие преобразования в прозрачном режиме, обычно настраиваются легко и быстро. Но в этом, пожалуй, и все их преимущества. Существенным недостатком связи в прозрачном режиме является то, что для каждого последовательного порта в любой момент может выполняться лишь одно действие «запрос-ответ» по протоколу Modbus. Поэтому система SCADA вынуждена ждать каждый ответ друг за другом, что приводит к низкой производительности, особенно в крупномасштабных сетях.

Например, если посмотреть на приведенную далее иллюстрацию, когда система SCADA запрашивает данные у электросчетчика, преобразование протоколов проходит по следующей схеме (рис. 1).

Рис. 1

Если к шлюзу подключено лишь несколько счетчиков, время опроса, возможно, и не будет проблемой. Однако в крупномасштабных сетях история совершенно другая, так как вышеупомянутая настройка может привести к сбою. В этом случае большое количество устройств подключается к каждому последовательному порту шлюза в соответствии с топологией типа «цепочка» через интерфейс RS-485. А шлюз обрабатывает одновременные запросы и ответы только один за другим. Ясно, что выполнение шагов, изображенных на рисунке, сильно замедляет сбор данных в SCADA, что неприемлемо в некоторых критически важных системах. Если, например, подключить 128 устройств к шлюзу, в системе SCADA будет наблюдаться огромный временной интервал между считыванием показаний первого и последнего устройства. Следовательно, сокращение времени опроса — очень востребованное свойство сетей. Сокращения времени опроса можно добиться одним из двух способов: путем создания совершенно новой системы SCADA или путем её переоснащения.

«Спецагент» для SCADA

При этом варианте нужно начинать с нуля.

Для успешной работы вновь созданной системы необходим шлюз, который повысит производительность SCADA, расширит возможности программирования системы и упростит настройку. С этими задачами способны справиться шлюзы, поддерживающие агентский режим связи и обладающие высокой плотностью портов. Агентский режим, предназначенный для преодоления недостатков прозрачного режима, дает возможность каждой стороне шлюза проводить преобразования независимо друг от друга. С одной стороны, каждый последовательный порт шлюза действует как главный абонент Modbus RTU, активно опрашивающий счетчики. С другой стороны, шлюз работает как сервер Modbus TCP, опрашиваемый системой SCADA. Исключительно важным элементом шлюзов, поддерживающим агентский режим, является внутренняя память, которая облегчает получение данных.

Связь в агентском режиме обеспечивает несколько преимуществ.

Время опроса в системе SCADA гораздо меньше, чем при связи в прозрачном режиме. Время опроса складывается только из продолжительности запроса Modbus TCP и ответа Modbus TCP, поскольку системе SCADA не нужно ждать преобразования протоколов на участке маршрута RTU.

Другое преимущество заключается в том, что агентский режим позволяет передавать все данные, сформированные устройствами, в виде нескольких пакетов. С точки зрения SCADA шлюз представляет собой банк данных, предоставляющий запрашиваемую информацию. В качестве главного абонента Modbus RTU каждый последовательный порт шлюза активно опрашивает счетчики для получения данных. Собранные данные постоянно хранятся во внутренней памяти шлюза. Нужен только канал TCP для передачи запрашиваемых данных в виде нескольких пакетов. Более того, внутреннюю память шлюза можно настроить так, чтобы расширить возможности программирования SCADA.

Рис. 2

Для любого специалиста по системной интеграции простая настройка имеет первостепенное значение. В агентском режиме шлюз в роли главного абонента RTU может направлять множество команд по протоколу Modbus. Для экономии времени настройки некоторые производители шлюзов предусмотрели поддержку файлов со значениями, разделенными запятой (CSV). Это упрощает настройку шлюза и импорт конфигурации с использованием Excel.

Иллюстрация нового подхода

Если вы используете прозрачные шлюзы и недовольны временем опроса, тогда лучшим решением будет переоснащение вашей системы. Хотя рынок переполнен шлюзами разных марок, только один обладает возможностью сокращения времени опроса путем переоснащения.

Рис. 3

Moxa MGate MB3660, работающий в интеллектуальном режиме, запоминает команды Modbus, которые он получает из системы SCADA. Запомнив команду, шлюз будет действовать так, как если бы работа шла в агентском режиме, и будет активно направлять запросы Modbus соответствующим устройствам Modbus. Поскольку данные хранятся в памяти шлюза, система SCADA может получать ответные данные по протоколу Modbus непосредственно из его памяти. При этом не придется ждать прохождения данных через устройства Modbus, что резко увеличивает скорость обмена данными. Всё, что вам нужно сделать — это включить инновационную функцию запоминания команд одним щелчком на веб-консоли. В системе SCADA время опроса будет гораздо меньше, поскольку шлюз тратит время только для обмена данными с сетью Ethernet. Пользователи почувствуют резкое сокращение времени доступа к устройству Modbus.

Пока не попробуешь — не поймешь

Было выполнено тестирование скорости преобразования протоколов на 16-портовом шлюзе Moxa MGate MB3660-16, который поддерживает прозрачный, агентский и интеллектуальный режим. Каждый из 16 последовательных портов MGate подключали к восьми счетчикам, при этом каждый электросчетчик передавал 16 байт данных. Итого в каждом тесте в сумме нужно было собрать 2 048 байт.

Результаты тестов показали, что самая большая производительность была достигнута в агентском режиме.

Для получения всех параметров потребовалась всего 41 мс. В интеллектуальном и прозрачном режимах понадобилось 312 и 7 502 мс соответственно. Это хорошие результаты в сравнении с результатами традиционных прозрачных шлюзов, в которых выгрузки данных нужно ждать семь секунд. Только представьте, насколько увеличится время, если нужно выгрузить больший объем данных. При этом данные, полученные через традиционные прозрачные шлюзы, могут быть не такими же точными, как данные, полученные в результате опроса шлюзами в агентском или интеллектуальном режиме.

Рис. 4

Как показано на рис. 4, в прозрачном режиме шлюзы могут опросить меньше источников данных из-за продолжительного времени опроса. А в агентском и интеллектуальном режиме собирают данные от гораздо большего количества устройств благодаря ускорению опроса. Таким образом, кривая агентского/интеллектуального режима (справа) показывает, что в этих режимах повышается точность данных, получаемых системой SCADA от последовательных устройств.

Рис. 5

В крупномасштабных сетях результаты четко демонстрируют, что прозрачный режим — неидеальный вариант из-за продолжительного времени опроса. В новой системе лучшим выбором будет агентский режим. Его явные преимущества — малое время опроса и сбор всего лишь нескольких пакетов данных. Для варианта переоснащения существующих систем SCADA, требующего меньше затрат и усилий, доказано, что интеллектуальный режим будет оптимальным выбором.

По всем вопросам относительно устройств, производимых компанией Moxa, обращайтесь по электронному адресу Ivan.Lopukhov@moxa.com.

Цифровая подстанция

(close)

 

Цифровая подстанция

(close)

Имя пользователя должно состоять по меньшей мере из 4 символов

Внимательно проверьте адрес электронной почты

Пароль должен состоять по меньшей мере из 6 символов

 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: