• Главная
  • Статьи
  • Методы эффективного использования в системах телемеханики протоколов информационного обмена IEC 60870-5-101(104)

Методы эффективного использования в системах телемеханики протоколов информационного обмена IEC 60870-5-101(104)

Современный этап создания и введения в работу систем телемеханики характерен переходом к использованию для информационных обменов между контролируемыми пунктами (КП) и пунктом управления (ПУ) унифицированных протоколов IEC 60870-5-101(104) (далее – УП). Цель применения УП - возможность синтеза единой системы из компонентов различных производителей. Наряду с унификацией структуры информационных сообщений УП должен обеспечить эффективность использования пропускной способности предоставленного канала связи и высокий уровень достоверности информации.

Очевидно, что поставленная цель может быть достигнута при соответствии структуры КП и ПУ потенциальным возможностям УП. Однако на практике использование УП не связывается с разработкой или доработкой систем телемеханики, т.е. с процедурами оптимизации системы для использования УП. Наоборот, УП подгоняется под возможности уже существующей системы вне зависимости от того, насколько оптимально он может быть в ней реализован. В результате УП фактически превращается  в набор специализированных протоколов, которые «поддерживаются» системами телемеханики. Причем такая «поддержка» требует согласования большого числа параметров для реализации УП в конкретной системе телемеханики.
Для эффективной работы ИУТК «Гранит-микро» с УП были рассмотрены проблемы:
- обеспечения «мягкого» перехода от протокола IEC 60870-5-101 к IEC 60870-5-104,
- проведения операций инициализации контролируемых пунктов, использования процедур вызова информации, задания параметров качества, привязки событий к меткам времени,
- построения резервированных систем телемеханики,
- реализации структуры модулей и их связей с источниками и приемниками информации.
Необходимость решения первой проблемы обоснована тем, что уже проявилась и, очевидно, будет все ощутимей тенденция перехода от использования сочетания канального и прикладного уровней, характерного для некоммутируемых каналов связи и IEC 60870-5-101, к сочетанию сетевого и прикладного уровней – основы IEC 60870-5-104. Для «мягкого» перехода от протокола IEC 60870-5-101 к IEC 60870-5-104 необходимо сблизить процедуры инициализации, защиты от повторений и потери информационных сообщений, квитирования переданных сообщений.
Проведенный анализ показал, что наиболее эффективным решением задачи является изменение интерпретации байта управления IEC 60870-5-101. Предлагается разделить байт управления на два полубайта с тем, чтобы в первом полубайте зафиксировать режим работы, а во втором – вид информации или номер информационного сообщения. В число кодовых комбинаций первого полубайта предлагается ввести признаки установки начального состояния и направления передачи, вызова информации и параметров адаптации; передачи квитанции, данных, команд управления, времени и параметров адаптации. Второй полубайт предлагается использовать для указания вида вызываемой или передаваемой информации, а при передаче квитанции - номера информационного сообщения.
Предлагаемая интерпретация байта управления позволяет:
- присваивать передаваемым информационным сообщениям номера в диапазоне от 1 до 16. Благодаря этому информационное сообщение может быть убрано из буфера передачи сразу после однократной передачи данных в канал связи,
- перемещать переданное сообщение в конец стека информационных сообщений, придав переданному сообщению признак повторной передачи,
- погасить ранее переданное сообщение, если за время его перемещения по стеку поступила квитанция, сопровождаемая соответствующим номером информационного сообщения, или повторить передачу (с признаком повторной передачи), если за время перемещения ранее переданного сообщения к началу стека не поступила квитанция, подтверждающая его прием,
- исключить необходимость проведения достаточно сложных и ненадежных операций синхронизации порядка передачи сообщений в направлении управления и контроля.
Так как сетевой уровень IEC 60870-5-104 реализуют процедуры, аналогичные тем, которые предлагается возложить на байт управления, система телемеханики, использующая IEC 60870-5-101, может быть перестроена на работу с IEC 60870-5-104.

Реализация резервированных структур системы телемеханики

Весьма важным аспектом является реализация систем телемеханики с резервированными каналами связи или ориентированными на передачу информации в два независимых направления. Особенно актуальна задача при различной производительности каналов связи (основного и резервного или используемых для передачи данных в разные направления).
По «идеологии» стандартного применения IEC 60870-5-101 одно и то же информационное сообщение должно передаваться в оба направления или по двум каналам связи одного направления, так как ответная квитанция не несет признака передаваемого сообщения. Поэтому передача и погашение сообщения принудительно синхронизируется по «худшему» из вариантов, т.е. с максимальными задержками при замене переданного сообщения новым.
В предлагаемом варианте интерпретации байта управления синхронный ввод данных в стеки информационных сообщений для основного и резервного каналов связи и разных направлений передачи  может сочетаться с несинхронной передачей данных по разным каналам связи, в том числе и при существенной разнице производительности каналов связи. Важно лишь следить за тем, чтобы сдвиги номеров передаваемых информационных сообщений не превышали «глубину» стеков, равную 16 при использовании четырехразрядного кода номера сообщения.

Формирование показателя «качества» информации

«Традиционный» формат сообщений в УП дополняется показателями качества информации. Определение качества элементов информации в КП усложняет алгоритм работы и структуру устройств КП и ПУ. Например, при формировании сообщения о состоянии объектов телесигнализации (ТС) традиционное информационное сообщение, содержащее данные о текущем состоянии контролируемых объектов и последовательности изменения их состояния, дополняется параметрами «качества» каждого ТС. Эта информация представляется другими ТС, фиксирующими, например, перевод объекта в режим ручного управления, блокировку фиксации изменений его состояния, а также сведениями о привязке передаваемых ТС к принятым командам ТУ. Важно подчеркнуть, что информационное сообщение должно передаваться как при изменении основного ТС, так и при изменении ТС, характеризующих его «качество», причем каждая передача должна сопровождаться соответствующими метками времени. Таким образом, совмещение в одном сообщении основной информации и описателя его «качества» не приводит к уменьшению числа информационных сообщений, а лишь усложняет формирование сообщения на стороне передачи и расшифровку данных в пункте приема.
Предлагается основное информационное сообщение передавать без показателей качества. Показатели качества представлять в виде ТС данного или другого сообщения.

Формирование признаков причины передачи информации

В УП предлагается использовать широкую номенклатуру команд вызова информации, вплоть до указания номера группы вызываемой информации. В современных системах телемеханики используются три причины передачи информации – по «событию для передачи», по сигналу от встроенного таймера (аналог периодической передачи, например, при отсутствии «обратного» канала связи) и по вызову. При этом методы приема и обработки информации не связаны с причиной ее передачи. Передача информации «по вызову» используется, в основном, для контрольных целей или при начальном формировании базы данных, т.е. является редким событием, поэтому достаточно использовать вызов всей информации, либо всей информации выбранного вида.
Важно подчеркнуть, что УП  используются в «интеллектуальных» устройствах КП и ПУ, которые могут легко определить реальную причину передачи информации баз подсказки со стороны источника.
Предлагается ограничить номенклатуру команд вызова информации и исключить (минимизировать) причину передачи как обязательную часть информационного сообщения.

Структура модулей устройств телемеханики

Важным результатом проведенного анализа структуры устройств телемеханики является вывод о необходимости формирования компонентов информационного сообщения (включая метки времени) модулями – источниками информации, а не общим для всех модулей контроллером, который по результату обработки данных, полученных от всех модулей, формирует информационное сообщение.
Очевидно, что при формировании информационного сообщения и меток времени контроллером необходимо минимизировать временные задержки между появлением события и его привязкой  к метке времени до уровня, не большего заданного предела. Для оценки точности фиксации  времени событий  необходимо определить максимальное время, затрачиваемое на формирование, передачу и квитирование информационного сообщения. По модели, показанной на рис.1, определяется полное время передачи одного информационного сообщения (TИНФ.) при условии, что при первоначальной передаче не поступит подтверждение его приема (квитанция).

Если сформированное и однократно переданное сообщение не принимается приемником ПУ, то

TИНФ.  = T1 + 2 (T2 + 2T3 + T4)                          (1)

Максимальное значение T1 равно TИНФ., так как в самом неблагоприятном случае необходимость в передаче нового сообщения возникает сразу после начала передачи уже  сформированного. Примем усредненное значение:

T1 = 0,5 TИНФ.                                                  (2)

В соответствии со структурой сообщений УП команда разрешения передачи представляется сообщением длиной в 8 байт, поэтому (без учета дополнительных бит при передаче данных одного байта) при скорости передачи сообщения FПЕРЕД

T2 = 64 / FПЕРЕД                                               (3)

Задержка реакции КП на команду от ПУ может быть оценена величиной

T3 = 0,5T2 = 32 / FПЕРЕД                                    (4)

При условии передачи сообщения, включающего данные двух событий, сопровождаемых семибайтными метками времени,

T4 = 32 • 8 / FПЕРЕД                                            (5)

Тогда:

TИНФ. = 1024 / FПЕРЕД                                          (6)

Если полученное время оказывается больше допустимой погрешности привязки событий к меткам времени, в контроллере необходимо формировать очередь буферов передачи формируемых сообщений. В противном случае - при организации только одного буфера передачи, точность привязки событий к меткам времени будет равна TИНФ. В этом случае при скорости передачи 9600 Бод  точность окажется не лучше 100 мсек. Для повышения точности до 10 мсек в контроллер необходимо ввести не менее десяти буферов, что создает опасность удаления сообщений из очереди в нештатных ситуациях, когда интенсивность заявок на передачу информации резко возрастает.
Важно, также отметить, что контроллер КП должен одновременно проводить две операции – прием команд (сообщений), периодически поступающих от ПУ, и циклический ввод сообщений от модулей устройства. В УП паузы между рабочими циклами «заполняются» командами от ПУ - «опрос», «тестирование», «синхронизация времени», которые вызывают прерывание текущей работы контроллера КП.
Рассмотрим влияние команд, циклически поступающих от ПУ в КП,  на оперативность системы телемеханики для радиальных каналов связи (point-to-point).
По процедурам УП команда опроса информации (ТОПРИ) представляется сообщением длиной в восемь байт. После паузы длиной в три байта (ТП) устройство КП должно ответить либо информационным сообщением, либо сообщением с признаком «отсутствие информации для передачи» (ТОИ). Длина сообщения ТОИ также равна восьми байт. Так как информационные сообщения передаются значительно реже, чем сообщения с признаком «отсутствие информации», можно предположить, что паузы между рабочими циклами возникают циклически, причем время передачи циклических сообщений и реакции на них контроллера КП (ТПРЦ) равно:

ТПРЦ = ТОПРИ. + ТП + ТОИ                                 (7)

Вполне допустимо предположить, что время обработки контроллером КП одного байта информационных сообщений, передаваемых или принимаемых из канала связи КП – ПУ, равно времени обработки информационного байта, поступающего в тот же контроллер при вводе информации от функциональных модулей.
С достаточной степенью точности можно принять среднее число байт, поступающих в контроллер при опросе данных одного модуля, равным 8. Тогда для рассмотренного выше примера при вводе данных «n» модулей коэффициент снижения потенциальной производительности системы (КСНИЖ ):

КСНИЖ = n • 8 + (8 + 3 + 8) / n • 8 = 1+  19 / 8n                            (8)

Видно, что производительность системы телемеханики снижается в 2-3 раза.
Приведенные недостатки можно устранить, если формировать информационное сообщение, содержащее основные компоненты УП, не общим для всех модулей контроллером, а непосредственно модулем – источником информации
Рассмотрены риски и преимущества при использовании такого метода формирования информационного сообщения по следующим критериям:
- увеличение сложности функциональных модулей,
- формирование меток времени,
- оценка оперативности системы телемеханики в целом,
- сравнительная оценка достоверности информации.
Предложенный алгоритм построения и работы модулей приводит к их усложнению по сравнению с модулями, функции которых ограничиваются считыванием и ретрансляцией данных в контроллер, который занимается обработкой данных и формированием информационных сообщений. Однако во всех современных системах телемеханики в состав модулей включаются микро ЭВМ, а большую часть аппаратуры модуля составляют узлы сопряжения с датчиками или приемниками информации. Поэтому усложнение аппаратной части модуля при использовании предложенного алгоритма практически не ощущается, а усложнение программы работы модуля весьма слабо коррелированно с его ценой и другими определяющими параметрами.
Формирование всех компонентов информационного сообщения модулем - источником информации предполагает реализацию модулем привязки событий к меткам времени.
Предлагается формировать «полную» метку времени как сочетание системного (абсолютного) времени, зафиксированного в центральном контроллере (по данным от ПУ или GPS), и двух относительных меток времени, которые формируются модулем-источником информационного сообщения.
Первая относительная метка времени (Т1) определяет временной сдвиг любого события, включенного в сообщение, относительно первого. Метка времени формируется таймером, который запускается в момент фиксации первого события и отсчитывает интервалы времени между моментом запуска таймера и фиксацией любого последующего события. Указанные интервалы времени определяют дискретность моментов фиксации событий.
Минимальное значение дискретности не может быть меньше вероятного значения «дребезга» сигнала от датчика.
Предположим, что принимается значение дискретности 1 мсек, причем для повышения достоверности информации применяется двукратное сканирование входных сигналов для формирования биимпульсного кода. Реальное время ввода и обработки данных при принятом значении дискретности равно 2 мсек. Так как событие может произойти в любой момент в пределах установленного времени дискретности, среднестатистической погрешностью (ПД) фиксации времени события можно считать величину ПД=±1 мсек.
Кроме первой относительной метки времени, фиксирующей временные сдвиги между первым и каждым следующим событием, модуль – источник информации формирует вторую относительную метку времени (Т2), соответствующую временному сдвигу между моментами фиксации первого события и вывода сформированного сообщения из модуля, т.е. его ввода в контроллер. Таймер, формирующий вторую метку времени, продолжает работать и после вывода сформированного сообщения и останавливается при получении «квитанции» от приемника.
Сформированные относительные метки времени, точность которых равна ПД, вводятся в состав информационного сообщения модуля-источника. Контроллер при формировании реального времени события из зафиксированного системного или астрономического времени вычитает сумму Т1 и Т2 .
Таким образом, все события привязываются к единому времени с погрешностью, не большей установленного значения дискретности. Важно, что точность привязки событий не зависит от числа модулей в устройстве и поддерживается на одном уровне для событий, зафиксированных разными КП.
Предложенный метод предполагает формирование информационного сообщения модулем – источником и его трансляцию в контроллер при фиксации «события для передачи», благодаря чему циклический режим информационных обменов модулей с центральным контроллером заменяется спорадическим. Задержка вывода информации из модуля перестает быть критической, так как возможные временные сдвиги между событиями и их фиксацией контроллером учитываются сформированной модулем относительной меткой времени. Следовательно, частота коммутации сигналов, передаваемых по внутреннему интерфейсу устройства КП, может быть значительно снижена, что приведет к повышению достоверности и помехозащищенности информации. Перестает быть критичной и скорость обработки информации в контроллере, так как основной функцией контроллера в данном варианте является не обработка, а ретрансляция в канал связи уже подготовленного сообщения. Таким образом, контроллер практически не влияет на общую оперативность системы. Важно подчеркнуть, что требуемая оперативность контроллера перестает зависеть от суммарного объема данных всех модулей, введенных в состав КП.
При формировании модулем относительных меток времени можно увеличить время обработки вводимой в модуль информации без увеличения погрешности привязки событий к системному времени. Наиболее эффективно использовать образовавшийся резерв времени для повышения интегральной достоверности информации.
Предлагается «интегральную достоверность» определять вероятностью не обнаруживаемого приемником искажения информации на любом участке трассы ее доставки от датчика (источника) до приемника (включая канал связи) при условии, что временной сдвиг между моментами возникновения «события для передачи» и фиксации данных приемником не превышает установленный предел.
В «обычном» варианте построения модулей помехозащитный код формируется контроллером, а вся трасса от датчика до контроллера оказывается вне защиты от помех. В то же время воздействие «мешающих» факторов, находящихся вне канала связи КП – ПУ, в современных устройствах увеличивается по ряду причин:
- переходу к использованию микропроцессорных элементов, у которых чувствительность к внешнему воздействию несравнимо выше, чем у релейных или полупроводниковых элементов,
- увеличению скорости ввода информации от датчиков и снижению соотношения энергии рабочих сигналов и помех,
- переходу к цифровым каналам связи, в которых воздействие помех ниже, чем у традиционных аналоговых, например, ВЧ уплотненных каналов связи.
Предлагаемый метод построения модулей обеспечивает максимальное приближение узлов повышения помехоустойчивости к реальным источникам помех, а использование при формировании сообщений биимпульсного условно корреляционного кода позволяет сочетать защиту от помех с динамическим контролем работоспособности всех узлов модуля. Благодаря этому повышается интегральная достоверность информации. Для предлагаемых структур модулей выполнены расчеты интегральной достоверности (включающей параметры надежности и помехоустойчивости) каналов сигнализации, управления и измерения. Получены значения вероятности не обнаруживаемых искажений: команд управления не более 10-16, телесигнализации – не более 10-13, телеизмерений – не более 10-12.
Применение описанных методов в ИУТК «Гранит-микро» позволило эффективно использовать УП в ряде практических применений, в том числе протокола IEC 60870-5-104.
Более подробные сведения по методам реализации УП в ИУТК «Гранит-микро» можно получить в ВТД «Гранит-микро».