Система управления наружным освещением автомобильных дорог Имеретинской низменности

Спортивные мероприятия крупного масштаба, подобные Олимпийским играм, требуют обновления инфраструктуры места их проведения, строительства современных стадионов и спортивных сооружений, гостиниц и т.д. Подготовка к таким событиям сопровождается бурным развитием строительства, промышленности, реального сектора экономики. Так, сотрудники компании «НОРВИКС-ТЕХНОЛОДЖИ» принимали участие в проектировании автоматизированной системы управления наружным освещением (АСУНО) автомобильных дорог в рамках подготовки инфраструктуры Олимпийского парка в Имеретинской низменности для проведения XXII Олимпийских зимних игр 2014 г. в Сочи (рис. 1).

Объект автоматизации

Если обратить внимание на историю развития наружного освещения, то станет ясно, что суть процесса освещения остаётся неизменной с момента его появления в начале XV века: в определённый момент времени светильник нужно включить, в другой – выключить. Вследствие совершенствования применяемых технологий изменились подход, инструменты, возможности управления освещением, источники света, уровень освещённости, виды опор и др. Например, современное освещение должно обеспечивать хорошую видимость (нормальные зрительные условия), безопасность (освещение снижает аварийность на дорогах), эстетику и быть при этом экономичным. В рамках реализованного проекта система была спроектирована с учётом указанных критериев.

Итак, практически вся территория Имеретинской низменности поделена на 9 зон освещения. За каждой зоной закреплён свой пункт освещения, в задачи которого входит управление исполнительным механизмом. Наличие обратной связи от исполнительного механизма позволяет отслеживать соответствие его текущего состояния заданной команде. Мониторинг и управление освещением производятся под наблюдением оператора из диспетчерского пункта (ДП). Из-за того, что пункты управления разбросаны по всей территории низменности и удалены от ДП, передача данных между ними возможна только через нестационарные каналы связи, а именно через сотовую связь. С учётом характера сотовой связи применено решение с децентрализованной архитектурой, где часть операций по обработке «сырых» данных выполняется до передачи их в ДП через сотовую связь. В ДП данные обрабатываются и воспроизводятся на экране монитора в удобном для человека виде.

Как видно из изложенного, ситуация во многом совпадает с возможностями применения программно-аппаратного комплекса автоматизации освещения «Модуль С», описанного в [1].

Режимы управления освещением

АСУНО предусматривает несколько режимов управления освещением, реализующих сценарии с различными уровнями автоматизации.

Для экономии электроэнергии предусмотрена возможность частичного отключения наружного освещения в ночное время суток в тех случаях, когда, согласно ГОСТ Р 50597-93, интенсивность движения транспорта уменьшается.

Структура и состав АСУНО

Аппаратная часть

С учётом того, что город Сочи располагается в субтропиках, где зимы достаточно тёплые, нет необходимости в использовании оборудования для обогрева шкафа либо в поиске оборудования с расширенным диапазоном рабочих температур. Проектированием шкафа и монтажом исполнительных механизмов (контакторов) и др. электротехнических компонентов занималась другая компания. Отметим, что установка однофазного контактора после трёхфазного по­зволяет в пределах одной зоны освещения выключить любую из трёх фаз и тем самым обеспечить режим экономного освещения в ночное время суток и сократить расходы на электроэнергию. Показания энергопотребления и характеристики электропитания отслеживаются электросчётчиком «Меркурий 230». Далее основное внимание будет уделено оборудованию автоматизации.

В качестве центрального устройства автоматизации освещения выступает программируемый логический контроллер (ПЛК) S7-1200 CPU 1211С AC/DC/Relay производства фирмы Sie­mens, который имеет несколько конкурентных преимуществ в рамках проекта.

В целом контроллер (рис. 2) приятно удивляет большим набором функций.

В качестве недостатка можно отметить неполный набор языков программирования: отсутствуют языки ST и SFC, часто являющиеся наиболее эффективными в написании программ.

Связующим звеном между ПЛК и ДП выступают безвентиляторный промышленный компьютер Advantech UNO-2173A (рис. 3) и резервированная пара 3G-модемов. 

Компьютер выступает в роли устройства сбора и передачи данных (УСПД) и аппаратной платформы ОРС-серверов для связи с ПЛК и электросчётчиком. Необходимость применения компьютера вызвана следующими моментами:

Для обеспечения резервированного канала связи реализуется подход с использованием услуг передачи данных двух независимых операторов сотовой связи.

Аппаратная часть автоматизированного рабочего места (АРМ), установленного в ДП, представлена стандартным набором из системного блока, монитора, компьютерной мыши и клавиатуры.

АСУНО построена по принципу трёхуровневой архитектуры, где к полевому уровню можно отнести контакторы и электросчётчик, к среднему уровню – контроллер, УСПД и модемы, к верхнему уровню – SCADA-систему в составе АРМ оператора (рис. 4).

Программная часть

Сегодня очень востребовано управление освещением по восходу/закату солнца, привлекательное тем, что оно совершенно не зависит от оператора и не требует его присутствия, так как все необходимые настройки предустановлены в момент написания программы для ПЛК. Это географические координаты места работы системы и текущие время и дата. По этой причине необходимо наличие встроенных часов реального времени и NTP-клиента для синхронизации времени.

Программное обеспечение УСПД и АРМ оператора базируется на операционной системе (ОС) Windows Em­bed­ded Standard 7. Большинство пользователей придерживаются устоявшихся взглядов на ОС компании Microsoft, сомневаясь в её безопасности во время эксплуатации. Но немногие знают о семействе встраиваемых ОС и ряде интересных технических решений, используемых в них. Встраиваемые ОС с большим успехом применяются в некоторых нишах, таких как кассовые аппараты, терминалы самообслуживания, банкоматы и др. В сво­их проектах мы тоже стали использовать встраиваемую ОС Windows Em­bedded Stan­dard 7, образ которой можно собрать только из необходимых модулей, исключив лишние. ОС имеет набор фильтров записи, которые позволяют защитить дисковый накопитель от записи данных, а операционную систему от вредоносного ПО и недопустимых действий оператора (например, от установки игр).

УСПД осуществляет сбор данных с электросчётчиков посредством ОРС-сервера Norvix OPC Data Servers. Информация передаётся по интерфейсу RS-485. Обмен данными с ПЛК осуществляется через ОРС-сервер S7-200 PC Access. Следует учитывать, что последний поддерживает только булевые и целочисленные типы данных.

Обмен информацией между ДП и пунктом освещения осуществляется через сеть Интернет, доступ к которой ничем не защищён и не ограничен, за исключением механизма преобразования сетевых адресов (NAT), суть которого заключается в преобразовании локальных IP-адресов множества устройств, находящихся в сети мобильного оператора, в ограниченный объём реальных IP-адресов оператора в сети Интернет. С другой стороны, АРМ в роли клиента обращается к серверам – пунктам управления (применяется клиент–серверная архитектура), находящимся в локальной сети сотового оператора. Но сервер должен быть доступен из сети Интернет, поэтому ему необходимо иметь реальный IP-адрес. Как вариант можно заказать у сотового оператора услугу статического IP-адреса, что сразу значительно увеличит расходы на эксплуатацию системы. Нами был выбран вариант использования реального IP-адреса только на АРМ и применения VPN-туннеля поверх мобильного интернета, который позволяет установить соединение между узлами, находящимися за NAT, а также увеличить надёжность обмена информацией, так как для обеспечения безопасности управляющего канала и потока данных используется библиотека OpenSSL с набором алгоритмов шифрования. Дальнейший обмен информацией осуществляется полностью прозрачно через VPN-туннель.

Очень важный и зачастую малоприятный процесс настройки DCOM для беспрепятственного прохождения ОРС-тегов решается применением сетевой утилиты, входящей в состав SCADA-системы. Утилита использует стек протоколов TCP/IP для увеличения скорости и надёжности передачи данных и механизмы контроля соединения и его восстановления в случае разрыва.

SCADA-система создана на базе пакета GENESIS64 компании ICONICS и решает следующий круг задач:

Основной компонент взаимодействия оператора с системой управления – мнемосхема (рис. 5).

GENESIS64 позволяет интегрировать в мнемосхему карту Земли, которая используется в качестве подложки. На карту выведена Имеретинская низменность в режиме «Спутник», поверх неё нанесены линии освещения. Карта загружается с картографического сервера из сети Интернет. Преимущество подобного подхода в том, что спутниковые снимки обновляются с определённой периодичностью, и мы постоянно имеем актуальные карты местности.

Следующий интересный элемент управления – динамический объект “smartpin”. Каждый из девяти таких объектов на мнемосхеме соответствует реальному пункту управления на местности. Объект состоит из набора цветовых элементов, которые несут в себе информацию о состоянии того или иного пункта управления и позволяют выполнить запрограммированное действие. Известно, что графическая информация (картинки и цветовая сигнализация) обрабатывается человеческим мозгом на порядки быстрее и эффективнее текстовой и числовой информации, поэтому используемый интерфейс позволяет оператору беглым взглядом оценить состояние сразу всей системы и при этом не загружает его лишней информацией: не нужно пристально смотреть на экран и судорожно водить мышью. На первом этапе получения информации о системе не требуется даже передвижения курсора по экрану монитора, достаточно обратить внимание на цвет элемента “smartpin”. Считывание информации происходит движением глаз и фокусировкой взгляда на деталях.

Результаты внедрения системы

Стоит отметить, что реализованная система отвечает основным существующим запросам и пожеланиям заказчиков, связанным с процессом управления освещением. Здесь стоит отметить такие моменты, как использование централизованного автоматизированного управления уличным освещением с применением компьютерных технологий, диагностика силового оборудования, учёт потребляемой электроэнергии, а также разнообразие сценариев работы освещения и своевременное оповещение оператора о нештатных ситуациях. Автоматизация процесса освещения позволяет снизить затраты на электроэнергию и обслуживание сети в будущем. При проектировании использованы новые инструменты программирования SCADA-систем, технология создания прозрачного и защищённого канала передачи данных через сеть Интернет, задействованы, без преувеличения, космические технологии. ●

Литература