СИСТЕМА, СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И УПРАВЛЕНИЯ УДАЛЕННЫМИ ПРИБОРАМИ Российский патент 2011 года по МПК H04B7/185 

Предпосылки создания изобретения

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в целом относится к контролю и управлению удаленным оборудованием, более точно к усовершенствованной системе, способу и устройству контроля и управления электрическими скважинными насосами в нефтяных скважинах посредством главной машины-шлюза (хост-машины), которая с помощью полевого прибора, удаленного терминала или других приборов, действующих в инфраструктурах многоканальной связи, осуществляет сопряжение с общей внутренней системой доставки данных.

Уровень техники

Потребность в экономически эффективном контроле и управлении расположенными на удалении нефтяными скважинами всегда являлась сложной задачей для нефтяной отрасли. К счастью, благодаря недавним техническим усовершенствованиям значительно повысилась эффективность таких операций. Например, на фиг.1 показана обычная или базовая установка, включающая графическую систему 11 управления (ГСУ или GCS (на фигурах) - от английского - graphic control system) переключением или приводом двигателя. В проиллюстрированной установке ГСУ 11 является главным элементом управления. Она отвечает за управление компонентами, такими как забойный насос 13, двигатель 15 и сопутствующие приборы 17 (например, датчики колебаний, температуры и т.д.), а также за получение динамической и оперативной информации от этих компонентов.

ГСУ 11 обычно представляет собой контроллер с возможностью обмена данными на основе протокола Modbus и обеспечивает информационный массив, доступ к которому может быть осуществлен через интерфейс на базе протокола Modbus. Modbus является протоколом передачи сообщений прикладного (седьмого уровня) модели OSI (см., например, www.modbus.org). При стандартной настройке ГСУ 11 обеспечивает стандартный протокол 19 Modbus удаленного терминала, поддерживающий, например, разнообразные коды режимов работы. Интерфейс обычно передает информацию со скоростью 9600 бод и может быть реализован в виде физического интерфейса RS-232 или RS-485.

При этой обычной реализации сетевого интерфейса ГСУ 11 способна обеспечивать прямое сопряжение любой точки в многоточечной хост-системе 19 Modbus посредством проводного и/или беспроводного интерфейса 21 ввода-вывода (и т.п.) с резервуарами (баками) 23 и другими пунктами. Хост-система 19 передает опрашивающий запрос Modbus на получение информации от любого из внутренних регистров Modbus ГСУ для последующего отображения или применения. Аналогичным образом по сети передают команды, предназначенные ГСУ 11. Тем не менее, сеть с топологией такого типа не очень хорошо взаимодействует с глобальными (например, спутниковыми) сетями связи и не полностью использует преимущества или выгоды сетевой инфраструктуры на базе семейства протоколов TCP/IP, такой как, например, GEO VSAT (малая наземная станция спутниковой связи через геосинхронный спутник) и т.д. Другими недостатками этой обычной сети Modbus с опросом/ответами являются использование более широкой полосы, чем необходимо, неспособность быть управляемой событиями, использование исключительно сетевой среды и неспособность предоставлять услуги аутентификации или шифрования. Таким образом, несмотря на применимость обычных систем, было бы желательно усовершенствовать их.

Краткое изложение сущности изобретения

В настоящем изобретении предложены обладающие высокой экономической эффективностью система, способ и устройство для глобальной системы управления удаленными приборами и сбора информации. В системе применяется главная машина-шлюз на базе аппаратного и программного обеспечения, которая с помощью полевого прибора, удаленного терминала или других приборов, действующих в инфраструктурах многоканальной связи, осуществляет сопряжение с общей внутренней системой доставки данных. В настоящем изобретении предложены недорогие функциональные возможности по принципу "подключи и работай", позволяющие хост-системам Modbus или аналогичным системам диспетчерского управления и сбора данных (SCADA, от английского - Supervisory Control And Data Acquisition) с периодическим опросом, таким как полевая шина, в которой применяются промышленные протоколы (например, DH-485, DH+, ProfiBus, другие протоколы FieldBus и т.д.), управлять приборами и получать данные измерительных приборов из физически изолированных пунктов. В частности, данное решение применимо для электрических скважинных нефтяных насосов. Данные поступают, например, через спутник на низкой околоземной орбите в главную машину-шлюз, которая имитирует в вычислительной среде хост-машины такие же регистры опроса, из которых были собраны данные в удаленных пунктах. Аналогичным образом в удаленные пункты могут быть переданы команды хост-машины и другие данные.

Краткое описание чертежей

Для обеспечения более полного понимания упомянутых и прочих признаков и преимуществ изобретения кратко изложенное выше изобретение более подробно описано далее со ссылкой на вариант его осуществления, который проиллюстрирован на приложенных чертежах, являющихся частью настоящего описания. Следует отметить, что на чертежах проиллюстрирован лишь один из вариантов осуществления изобретения и, таким образом, их не следует считать ограничивающими объем изобретения, поскольку оно может иметь другие такие же эффективные варианты осуществления.

На фиг.1 схематически проиллюстрировано обычное выполнение сети связи между хост-машиной и удаленными пунктами,

на фиг.2 - схема одного из вариантов осуществления (топологии) сети связи, предложенная в настоящем изобретении,

на фиг.3 - схема другого варианта осуществления сети связи, предложенная в настоящем изобретении,

на фиг.4 - схема еще одного варианта осуществления сети связи, предложенная в настоящем изобретении,

на фиг.5 - схема еще одного варианта осуществления сети связи, предложенная в настоящем изобретении.

Подробное описание изобретения

Рассмотрим фиг.2, на которой показан один из вариантов осуществления системы, способа и устройства для глобальной системы управления удаленными приборами и обратной связи. Настоящее изобретение, в частности, применимо там, где в нефтяных скважинах используют скважинные двигатели, насосы, кабели и сопутствующие приборы. В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения для управления и контроля этих различных компонентов используют микропроцессорную систему 31 управления, такую как удаленный терминал или графическую систему управления (ГСУ), обеспечивающую функции управления и контроля на местах. Эти функции выполняют различные компоненты ГСУ 31, такие как контроллер двигателя, пользовательский интерфейс, такой как ЖК-панель, программируемый или непрограммируемый привод с переменной скоростью, переключатель двигателя и интерфейс на базе протокола Modbus.

В одном из случаев для обеспечения сопряжения с сетью 33 передачи данных через спутник на низкой околоземной орбите используют коммуникационную машину-шлюз для связи между сетями. Доступ к спутниковой сети 33 может быть осуществлен через концентратор 35 поставщика услуг, такой как Iridium. Для получения других эксплуатационных и коммерческих преимуществ машина-шлюз может быть включена в установку, имеющую инфраструктуры связи, отличающиеся от возможностей Iridium. Такая машина-шлюз обеспечивает ряд преимуществ настоящего изобретения, таких как управляемое событиями оповещение об авариях, просмотр данных по запросу, возможность управления работой по запросу, возможность управления работой в порядке очереди, избегание капитального ремонта и простоев скважин с целью увеличения прибылей на капиталовложение и предоставление данных другим пользователям.

Интерфейс приемопередатчика

С помощью спутниковой сети 33 передачи данных осуществляют эффективное сопряжение пунктов ГСУ 31 с приемопередатчиком 37, таким как интерфейс абонентской установки Iridium (ISU, от английского - Iridium Subscriber Unit), через машины-шлюзы. В топологии согласно варианту осуществления, показанному на фиг.2, преобразователь 39 протоколов (например, интеллектуальный межсетевой шлюз (ING, от английского - intelligent network gateway)) осуществляет сопряжение приемопередатчика 37 с ГСУ 31 посредством протокола Modbus. Система осуществляет постоянный опрос для сбора заданной информации. Хотя информация может включать любой или весь информационный регистр Modbus, искомая информация также может передаваться через регулярные интервалы (например, фиксированные периодические интервалы, такие как четыре раза в сутки). Кроме того, система способна немедленно распознавать аварийные сигналы, передаваемые серверным программам.

Драйвер протокола приемопередатчика

Адаптер или драйвер 41 приемопередатчика 37 позволяет преобразователю 39 действовать в этой среде для осуществления сопряжения с базой 43 данных реального времени. В одном из вариантов осуществления в этот адаптер вводят периодические или аварийные события, который затем осуществляет форматирование данных способом, приемлемым, например, для услуги передачи короткого пакета данных (SBD, от английского Short Burst Data) сети Iridium. Для передачи сообщений преобразователя 39 серверу 45 могут использоваться форматы сообщений SBD с мобильным отправителем (МО, от английского - Mobile Originated) и сопутствующие наборы команд приемопередатчика.

В одном из вариантов осуществления с помощью драйвера 41 сообщения могут быть форматированы и переданы ГСУ 31 через преобразователь 39 с использованием службы передачи коротких сообщений (SMS, от английского - Short Messaging Service) или сообщений с мобильным получателем (МТ, от английского - Mobile Terminated). Чтобы преобразователь 39 получал SMS-сообщения от приемопередатчика 37, передают команду SMS "проверить почтовый ящик". Любые команды SMS, передаваемые в определенный пункт с использованием набора команд SMS, не доставляются автоматически. Тем не менее, если передано сообщение МО, передаются ответные сообщения МТ (т.е. одновременно осуществляется проверка почтового ящика). При передаче команды SMS также осуществляет проверку почтового ящика путем фактической проверки памяти на SIM-карте для сообщений, обычно не одновременно с проверкой сообщений МО.

После выбора конфигурации драйвер 41 постоянно проверяет доступность приемопередатчика 37 в настроенном порте последовательного интерфейса. В одном из вариантов осуществления для проверки правильности соединения и работы приемопередатчика 37 используют команду приемопередатчика +АТ (статус SBD), означающую, что приемопередатчик 37 действительно соединен с системой и доступен для использования. Эта информация также доступна в местном режиме для выявления неисправностей. В варианте осуществления с использованием передачи SMS-сообщений приемопередатчик затем передает команду +CMGL для проверки SMS-сообщений и, если они поставлены в очередь, их доставки преобразователю 39. Обнаружение SMS-сообщений осуществляется по мере того, как почтовый ящик SMS проверяет логическую схему преобразователя 39. За счет этого исключается возможность поступления в будущем каких-либо незатребованных SMS-сообщений. Управление системой может осуществляться посредством текстовых SMS-сообщений, например, с ключом кодирования пользователя. Одним из преимуществ текстовых SMS-сообщений является возможность доставки данных непосредственно приемопередатчику 37 без проверки почтового ящика не одновременно с запланированными SBD-транзакциями, их доступность для преобразователя 39 и их высокая экономичность.

Интерфейс драйвера МО

В одном из вариантов осуществления интерфейс драйвера МО обеспечивает связь с базой 43 данных реального времени преобразователя и/или моделью пользовательского приложения. Если установлено, что данные необходимо передать через интерфейс приемопередатчика, в драйвер 41 поступает полезная нагрузка двоичных данных для передачи.

Сначала данные преобразуют (например, указанный информационный регистр Modbus) в формат для присоединения к сообщению электронной почты. Также проверяют размер передаваемой полезной нагрузки, чтобы она не превышала максимальный размер полезной нагрузки, который способен обработать приемопередатчик (например, 1960 байтов). Эту полезную нагрузку данных загружают в приемопередатчик 37.

После успешной загрузки в приемопередатчик 37 полезной нагрузки двоичных данных приемопередатчику 37 передают команду инициировать сеанс передачи SBD. В ответ приемопередатчик 37 начинает сеанс связи между приемопередатчиком 37 и наземной подсистемой (НПС или ESS, от английского - Earth Subsystem) SBD оконечного контроллера Iridium (см. фиг.3). Драйвер 41 передает команду +SBDI (т.е. инициирует сеанс передачи SBD), которая предусматривает следующее: любую полезную нагрузку, ранее загруженную в буфер приемопередатчика, форматируют и переносят в НПС для последующей доставки конечному приложению (устройству) по электронной почте. Вместе с тем, в другом варианте осуществления в результате инициации сеанса передачи SBD приемопередатчик также загружает любые вывешенные в НПС сообщения МТ с серийным номером (например, IMEI-номером) соответствующего приемопередатчика. В другом варианте осуществления любой сеанс МО включает автоматическую проверку сообщений МТ. В следующем разделе, посвященном сообщениям МТ, описано, что происходит с полезной нагрузкой сообщений МТ. Независимо от фактического размера полезной нагрузки сообщения минимальная нагрузка составляет 30 байт данных в соответствии с требованиями Iridium. Это требование принимается во внимание при указании полезной информационной нагрузки.

Интерфейс драйвера МТ

Другая часть полного интерфейса драйвера отвечает за обработку сообщений МТ. Если данные сообщений МО обычно выводят из информационного регистра ГСУ 11 или другого оборудования на месте, содержание полезной нагрузки сообщений МТ обычно влечет за собой соответствующую команду Modbus, которую передают подключенному местному оборудованию. Если конфигурация системы настроена на проверку сообщений МТ с более короткими периодическими интервалами, чем сообщений МО, драйвер будет осуществлять проверку почты путем передачи приемопередатчику команды +SBDI с пустым буфером сообщений. В результате этого приемопередатчик 37 проверяет сообщения электронной почты с помощью соответствующего IMEI-номера устройства, но не передает исходящие сообщения.

Если в переданной приемопередатчику команде +SBDI указано, что сообщение доступно, с помощью команды +SBDRB осуществляют выборку соответствующей двоичной полезной нагрузки из буфера приемопередатчика (считывание двоичных данных из приемопередатчика). В результате передачи приемопередатчику 37 этой команды приемопередатчик 37 передает двоичную полезную нагрузку из своего внутреннего буфера в преобразователь 39. Драйвер МТ вычисляет соответствующую 2-байтовую контрольную сумму полезной нагрузки данных и сравнивает ее с внутренней контрольной суммой приемопередатчика с целью подтверждения правильности данных до их переноса во внутреннюю базу данных преобразователя.

Действие, которое осуществляют после выборки двоичного сообщения из приемопередатчика 37, зависит от содержания сообщения. Предполагается, что содержание будет диктовать определенное действие, требуемое преобразователем 39. Например, содержание двоичного сообщения может означать, что необходимо осуществить операцию прекращения работы. В содержащейся в сообщении сопутствующей информации на обмотке Modbus указано записываемое значение и нахождение регистра для записи. Затем преобразователь 39 форматирует соответствующую команду Modbus, чтобы привязать положение обмотки к заданному значению. Данный пример также распространяется как на возможности записи на множество обмоток, так и возможности записи в один/множество регистров.

Параметры конфигурации

В соответствующий интерфейс драйвера 41 приемопередатчика Iridium вводят набор параметров конфигурации, входящий в сервисную программу (например, программу изменения конфигурации АСЕ) и позволяющий пользовательскому интерфейсу конфигурировать преобразователь 39 и главную машину-шлюз (ГШ или ГМШ, от английского - Host Communications Gateway) 45. В одном из вариантов осуществления задают следующие параметры конфигурации.

Параметр Значение по умолчанию Определение Выделенный порт связи COM2 Выделенный порт связи, к которому подключен приемопередатчик Скорость передачи в бодах 19200 Выделенная для приемопередатчика скорость передачи в бодах Периодичность передачи 8 часов Периодичность, с которой серверу передают заданные сообщения Периодичность проверки почты 4 часа Если используется передача сообщений МТ, в соответствии с данным определением сообщения МТ будут проверяться с интервалом, соответствующим периодичности передачи. Если требуется более частая проверка сообщений МТ, в данной графе будет указана такая периодичность. Периодичность проверки SMS-сообщений 2 минуты Если используется SMS, почтовый ящик SMS проверяется с указанной периодичностью независимо от запланированных сообщений МТ.

Путем ввода в программу изменения конфигурации объекта конфигурации приемопередатчик в процесс конфигурации включают драйвер 41 протокола приемопередатчика.

Интерфейс наземной подсистемы (НПО) SBD оконечного контроллера Iridium

Для представления объединенной инфраструктуры передачи сообщений может быть разработан серверный компонент, позволяющий прозрачно связывать пункты ГСУ, оснащенные системой Iridium, с пунктами, не оснащенными системой Iridium. Этот интерфейс является преобразующим компонентом между стандартным форматом передачи сообщений (например, из хост-системы Modbus Master или серверной инфраструктуры 49) и уникальными характеристиками передачи, требуемыми системой Iridium. Серверные программы 49 могут включать хост-систему Modbus или другую систему, внутренний или внешний Web-доступ 51 для конечных пользователей 53 и/или внешние приложения 55, такие как Web-уведомление и т.д.

С помощью ГМШ 45 может быть осуществлено базовое усовершенствование непостоянной передачи сообщения на стороне сервера. Несмотря на то, что она рассчитана на провайдеров услуг связи через низкоорбитальные спутники помимо Iridium, может использоваться структура, необходимая для непостоянной подачи данных в унаследованные хост-системы. Функция ГМШ 45 состоит в обеспечении сопряжения между системой обмена сообщениями по электронной почте на стороне Iridium (как сообщениями МО, так и МТ) сети и хост-системой опроса в реальном времени Modbus. Объем может быть также расширен, например, за счет включения системы обмена сообщениями Websphere® (MQ) компании IBM.

ГМШ 45 контролирует конфигурацию каждого приемопередатчика 37 системы Iridium и преобразователя 39, приданного полевому устройству (например, ГСУ 31 в проиллюстрированном варианте осуществления). После выбора конфигурации эти устройства доступны в качестве "виртуальных" устройств ГСУ или других полевых устройств с точки зрения обычной хост-системы Modbus. ГМШ 45 через основанную на интернет-технологиях виртуальную частную сеть (VPN, от английского - virtual private network) 47 принимает сообщения МО, передаваемые из удаленных пунктов 31 ГСУ, которые поступают в концентратор 35 Iridium. После получения и проверки достоверности содержание двоичных вложений включают в постоянную базу данных в формате Modbus. Затем опрашивающая хост-система Modbus может осуществить опрос виртуальной базы данных, как и любое другое обычное устройство Modbus. ГМШ форматирует команды, поступающие от хост-системы Modbus, в SMS-сообщения с соответствующими МТ и передает их через НПС для последующей выборки удаленным преобразователем. Информация о конфигурации обеспечивает правильное преобразование адреса RTU Modbus и соответствующих IMEI-номеров (например, серийного номера приемопередатчика 37).

Встроенные в ГМШ 45 средства включают диагностические возможности, необходимые для сопряжения хост-систем, предполагающих постоянный ввод данных (т.е. хост-систем Modbus), и методологию соединения на непостоянной основе, как предложено в сети Iridium. Они включает средства диагностики данных, указание широты и долготы, временную метку последней транзакции и проверку правильности порядкового номера транзакции. Порядковые номера транзакций обеспечивают целостность данных за счет предотвращения потери последовательных сообщений МО.

Только Modbus

В одном из вариантов осуществления (фиг.3) предложена топология сети, в которой ГМШ 61 реализована только в виде Modbus. Функция ГМШ 61 состоит в обеспечении сопряжения между системой обмена сообщениями по электронной почте на стороне НПС 63 и одной или несколькими хост-системами 65 Modbus. Основные компоненты могут включать адаптер 67 НПС Iridium, виртуальную базу 69 данных ГМШ, подключения интерфейса 71 ГМШ Modbus (например, Localhost, ГВС, ЛВС и т.д.) и средства конфигурации и диагностики системы. Начальное развертывание системы может включать создание конфигурации системы для ГМШ 61. Пункты ГСУ 73 конфигурируют как связанные с виртуальным средством ввода данных в хост Modbus. Средство ввода данных в хост группирует множество виртуальных баз данных непосредственно после получения от преобразователя в ТСР/IР-разъеме (т.е. разъеме, указанном в качестве IP-адреса сервера в сочетании с заданным пользователем номером порта).

После выбора конфигурации исходной системы ее вводят в действие посредством соответствующего сетевого соединения как с НПС, так и хост-системой Modbus. На стадии установления соединения хост-системой(-ами) Modbus и начала опроса получаемым результатом первоначально является "не отвечает", поскольку во всех виртуальных базах данных хоста отсутствуют исходные данные. По мере поступления сообщений из удаленных пунктов каждая непостоянная база данных становится действительной. При последующих опросах хостом Modbus соответствующих удаленных устройств ГМШ формирует полезный ответ Modbus и отвечает на опрос. ГМШ продолжает отвечать с использованием "последних заведомо достоверных" данных до тех пор, пока не будет установлено, что удаленный пункт превысил длительность периода для ответа или обнаружен недействительный порядковый номер транзакции.

С другой стороны, приданные хосты Modbus также могут подавать команды записи устройству, которое придано настроенному средству ввода данных в хост. Если считается, что устройство находится в подключенном состоянии (т.е. оно имеет действительные данные за последний период отчета с соответствующими порядковыми номерами транзакций), команду преобразуют в формат, понимаемый преобразователем, и передают по электронной почте сообщение с вложенными данными в виде двоичного вложения. Вместе с тем, в случае SMS данные заложены в тело SMS-сообщения в соответствии со стандартным SMS-протоколом. В дальнейшем ГМШ отвечает хосту Modbus соответствующей реакцией на команду таким образом, что с операционной точки зрения функциональные возможности Modbus не меняются. Если приданное устройство находится в не подключенном состоянии, ГМШ отвечает хосту и сообщает действительный код исключительного условия Modbus, указывающий, что команда не будет передана.

Команды, передаваемые таким способом, поступают в удаленный пункт в виде форматированного сообщения МТ или текстового SMS-сообщения при очередной проверке почты преобразователем или при ее регулярном периодическом обновлении. В качестве альтернативы, команды могут передаваться посредством зашифрованных текстовых SMS-сообщений, которые немедленно поступают в удаленный пункт. Преобразователь извлекает команды из полезной нагрузки непосредственно после их получения приемопередатчиком и преобразует их, чтобы получить первоначальную командную структуру для передачи ГСУ.

Итак, при использовании ГМШ в режиме только Modbus создают сервер, который "эмулирует" истинную многопунктовую сеть Modbus, уменьшая или исключая какие-либо изменения, вносимые клиентом в хост-машины Modbus. За счет этой способности эмуляции ГМШ также может работать во взаимодействии с другими истинными многопунктовыми линиями Modbus, что обеспечивает общее системное решение.

Посредник обмена сообщениями

Хотя способности эмуляции Modbus, которыми обладает ГМШ, обеспечивают прозрачное соединение через сеть Iridium, могут существовать дополнительные задачи, требующие решения. С учетом широкомасштабного развертывания подобного проекта могут быть приняты во внимание другие факторы, такие как пользователи многокомпонентных данных, масштабируемость системы, избыточность, высокая готовность, преобразование данных и т.д. Также принимаются во внимание будущие требования пользователей данных, которые могут быть не полностью выявлены, но неизменно становятся требованиями по мере развития системы и осознания полного влияния доступности данных. С этой целью в одном из вариантов осуществления настоящего изобретения (фиг.4) предложено сопряжение, например, с компонентом обмена сообщениями промежуточного программного обеспечения "WebSphere® Business Integrator Message Broker" (WBIMB), который в дальнейшем именуется посредником.

Хотя это и необязательно, возможность соединения с посредником реализована параллельно, чтобы обеспечить возможность соединения Modbus с существующими унаследованными хостами 85. НПС-адаптер 87 ГМШ 81 отвечает за обеспечение двух уровней преобразования любых сообщений МО, принимаемых от НПС (наземная подсистема) 83. Во-первых, он помещает данные (если они конфигурированы таким образом) в соответствующую виртуальную базу 89 данных ГСУ. Во-вторых, он осуществляет последующую обработку сообщения и затем "публикует" получаемые данные для посредника 95.

Решение на базе посредника предусматривает широкий набор адаптеров и средств 97 управления потоками операций и данных (где JMS - Java API для доступа к службам сообщений; SAP - протокол извещения об услугах; XML - расширяемый язык разметки). Данная архитектура обеспечивает гибкость и средства преобразования данных для доставки непосредственно от ГСУ 93 приложениям 97, которым требуются данные. Во многих ситуациях для этого можно манипулировать архитектурами типа Modbus, но с течением времени по мере роста числа адаптеров и требований пользователей данных использование обычной технологии типа SCADA может становиться проблематичным с точки зрения поддержки и развертывания.

Общее системное решение

Рассмотрим фиг.5, на которой представлен вариант осуществления общего решения (схемы) для сетевой инфраструктуры, в котором учтены не только средства ГСУ, действующие в сети Iridium (верхний преобразователь на фиг.2), но все сетевые инфраструктуры принимаются за общие решения для всей "структуры". Другие возможные системы включают, например, систему 101 геосинхронных спутников, телефонную систему 103 и/или систему 105 ретрансляции кадров на базе выделенной линии. За счет расширения функциональных возможностей ГСУ и другого совместно размещенного оборудования, становящегося частью центрической сети TCP/IP, архитектура значительно улучшает доступ и повышает точность полевых данных, вводит аутентификацию и шифрование данных (если потребуется) и на порядок величины расширяет применение в различных пользовательских программах.

Функциональные возможности основного преобразователя

Преобразователь является ведущим устройством дистанционного опроса, поддерживающим связь с большим числом оконечных устройств. Хотя основное внимание в настоящем изобретении уделено протоколу Modbus, может использоваться множество других типов и разновидностей протоколов полевых устройств. Являясь ведущим устройством опроса, преобразователь в основном распределяет процесс опроса полевых устройств в реальный пункт, а не осуществляет его в сетевой инфраструктуре. Эта способность в сочетании с концепцией технологий "отчета путем исключения" и глубоко вложенных средств TCP/IP делает инфраструктуру преобразователя высоко гибким и мощным решением. С учетом того, что топологии TCP/IP в действительности являются более эффективными в управляемом событиями режиме, модель распределенного опроса увеличивает число полевых устройств в любой заданной сети и на порядок величины по сравнению с системой опроса увеличивает "фактическое" время реакции с момента наступления какого-либо события в условиях эксплуатации до доставки сообщения о таком событии.

Широкое применение TCP/IP в сочетании с информированностью о парадигмах SCADA позволяет пользователям полностью использовать соединение TCP/IP без дополнительных непроизводительных затрат на дополнительное оборудование, которое может быть неприменимым в неблагоприятных условиях. Например, помимо обеспечения интеллектуального интерфейса со всем полевым оборудованием, преобразователь способен решать многие из задач, которые способны решать маршрутизатор и/или терминальный сервер. Помимо описанных конкретных компонентов Iridium, предусмотрены следующие стандартные функциональные возможности.

Центрическое проектирование TCP/IP

Хотя преобразователи рассчитаны на применение в условиях обычных парадигм SCADA, они основаны на постоянных возможностях TCP/IP. Следующие функции TCP/IP доступны в качестве стандартных: SLIP (от английского - Serial Line Internet Protocol) - межсетевой протокол для последовательного канала, РРР (от английского - Point to Point Protocol) - протокол двухточечного соединения (вытесняет SLIP в большинстве областей применения), PING (от английского - Packet Internet Groper, отправитель пакетов Интернета) - система проверки возможности установления соединения, Telnet (сетевой теледоступ) - не требующая высокой производительности текстовая оконечная утилита (SSH для безопасного режима), FTP (от английского - File Transfer Protocol) - протокол передачи файла (SFTP для безопасного режима), маршрутизатор, механизм посредника MTQQ Pub/Sub (протокол публикации и подписки) компании IBM, и безопасность. В зависимости от выбранной аппаратной платформы (или дополнительной платы выбора подключений) также доступна поддержка протокола Ethernet 10/100BaseT (один, два или три NIC-интерфейса в зависимости от области применения) и интерфейса ретрансляции кадров модуля обслуживания канала и данных (CSU/DSU, от английского - Channel Service Unit/Data Service Unit).

Определение множества маршрутов

Как описано выше, преобразователь поддерживает множество адаптеров TCP/IP и протоколы физического интерфейса (SLIP, PPP, Ethernet, ретрансляции кадров). За счет этого пользователь имеет множество маршрутов до серверных приложений. Таблица маршрутов в сочетании с таблицей соответствующих серверов-адресатов позволяет выбирать "матричную конфигурацию" серверов/сетей.

Например, первичным физическим маршрутом TCP/IP может быть выбран 10BaseT с использованием интерфейсного блока данных (IDU, от английского - interface data unit) малой наземной станции спутниковой связи (VSAT, от английского - very small aperture terminal) через геосинхронный спутник (резерв - телефонная сеть общего пользования (PSTN)), а вспомогательным физическим маршрутом TCP/IP может быть выбран коммутируемый РРР с использованием модема. С этой конфигурацией могут взаимодействовать два сервера-адресата (например, серверы ГМШ или посредника). При наличии этой матрицы могут возникнуть следующие случаи определения схемы соединений сети: №1 - первичная сеть с первичным сервером, №2 - первичная сеть с вспомогательным сервером, №3 - вспомогательная сеть с первичным сервером, №4 - вспомогательная сеть с вспомогательным сервером. В данном примере наиболее вероятным сценарием является тот, в котором, когда в месте нахождения интерфейса VSAT происходит замирание сигнала при дожде, преобразователь автоматически переключается на вспомогательную сеть через модем/РРР. Если установлено, что возможность подключения к первичной сети восстановлена, восстанавливают подключение к первичной сети через VSAT, а соединение через модем разрывают.

Механизм опроса

Как указано выше, преобразователи поддерживают модель механизм опроса и по существу становятся ведущим устройством распределенного опроса. При этом подразумевается, что этим механизмом является хост Modbus, но инфраструктура является достаточно гибкой для поддержки почти любого протокола опроса/ответов. Механизм опроса может достаточно жестко управляться через средство изменения конфигурации на базе графического интерфейса пользователя (GUI, от английского - Graphical User Interface) или может быть расширен за счет записанных в него программ пользователя, например IsaGraf. Получаемые с помощью механизма опроса данные затем вводят в модель базы данных реального времени. Затем драйверы базы данных на основании изменения состояния или отклонения мертвой зоны при необходимости генерируют события.

Терминальный сервер/терминальный клиент

После того, как в каком-либо удаленном пункте телеметрии становится доступным соединение TCP/IP, поддержка терминального сервера и терминального клиента становятся важными инструментальными средствами пользователя. Услуга терминального сервера по существу является концепцией связывания порта последовательного интерфейса (например, RS-232 или RS-485/422) с "логическим" разъемом TCP/IP (например, разъемом, указанным в качестве ТСР/IP-адреса в преобразователе, и номером порта). В следующих примерах показано, где могут использоваться функциональные возможности терминального сервера.

В одном из примеров (для заданного пункта) механизм опроса настраивают на передачу определенного набора данных регистра Modbus в реальном времени (или с заданной скоростью). Вместе с тем, раз в сутки другая главная компьютерная система извлекает особый набор регистров. В этой ситуации терминальный сервер настраивают на работу с портом TCP/IP с произвольным номером (например, 8080) с указанием последовательного порта устройства. При желании хост-компьютер, желающий извлечь эту "особую" информацию, установит соединение между разъемом TCP/IP и адресом соответствующего преобразователя. После установления соединения хост-компьютер передает команды, которые соответствующим образом чередуются с процессом опроса, а ответы направляются в обратном направлении через терминальный сервер.

В другом примере удаленное полевое оборудование имеет порт программирования или диагностики, доступный для использования во многих ситуациях. Поскольку этот порт обычно недоступен для главной компьютерной системы SCADA, он доступен только для программирования/диагностики на месте. В этом случае порт терминального сервера может быть настроен на подключение удаленного хоста через разъем TCP/IP к порту программирования/диагностики оборудования. После настройки инженер или техник получает доступ ко всем полевым устройствам через сетевое соединение, и ему не требуется посещать объект для выполнения той же задачи на месте.

Удаленный анализатор протоколов

Диагностика является важным средством развертывания и технического обслуживания сети SCADA. Для этого каждую протокольную реализацию ведущего устройства опроса сопрягают с Telnet с целью осуществления удаленной диагностики протоколов. Это позволяет инженерам и техникам подсоединяться к преобразователю и через стандартный Telnet изучать данные в шестнадцатиричном представлении, поступающие в и из любого заданного последовательного порта в системе, связанного с функцией ведущего устройства опроса.

Разделение портов среди множества ведущих устройств

Хотя выше в разделе, посвященном терминальному серверу, подробно рассмотрен сценарий при наличии множества ведущих устройств, множество ведущих устройств опроса могут быть сопряжены с одной единицей полевого оборудования при установленных в сети преобразователях, несмотря на то, что протокол опроса/ответов рассчитан на реализацию в одном ведущем устройстве. За счет этого обеспечивается простая операционная настройка, такая опрос ГСУ локальным портативным ведущим устройством параллельно опросам, осуществляемым с целью передачи информации через систему Iridium. Более сложные сценарии возможны при доступности соединений с TCP/IP с более высокой пропускной способностью, когда одно или несколько ведущих устройств Modbus опрашивают соответствующую ГСУ параллельно преобразователю.

Многопротокольный последовательный порт

Другой важной особенностью преобразователей (в особенности, в системах с ограниченной топологией) является возможность объединения множества ведущих устройств опроса в одном последовательном интерфейсе. Например, согласно ограничениям полевой сети в одной сети должны сосуществовать две единицы оборудования, при этом одна использует протокол Modbus удаленного терминала, а другая - протокол Modbus ASCII. В этой ситуации два логических механизма опроса могут быть настроены на использование одного последовательного порта, в результате чего будет происходить круговой опрос через один последовательный порт, но с динамической коммутацией протоколов.

Маршрутизатор

При полном комплекте услуг TCP/IP доступны присущие маршрутизатору функциональные возможности. Помимо средств межсетевой защиты/безопасности, которые используют преобразователь в качестве заменителя маршрутизатора во множестве стандартных топологий и программах, также поддерживаются протоколы физического уровня Ethernet/PPP/SLIP.

Услуги аутентификации/шифрования

С учетом роли безопасности в современной вычислительной среде большое значение имеет способность введения в существующие инфраструктуры аутентификации и шифрования. Используя открытые стандарты SSH (безопасная оболочка, от английского - secure shell), преобразователь способен обеспечивать множество задаваемых пользователем уровней аутентификации и шифрования для любых или всех соединений в преобразователе. Если требуется обеспечить безопасность, стандартные средства Telnet и FTP заменяют их безопасными эквивалентами SSH и SFTP (безопасный FTP).

Модель программы пользователя

Стандарт IEC1131 является стандартной программной моделью, которую поддерживают множество ведущих производителей компьютеров для управления производственным процессом. В одном из вариантов осуществления преобразователь включает механизм IEC1131 в качестве "инструмента" управления потоком данных в заданной топологии. С помощью средств на базе IEC1131 могут быть реализованы такие параметры, как мертвые зоны данных, периодичность передачи данных, преобразование данных и функции управления.

Поддержка функций публикации и подписки посредника

Одним из собственных адаптеров, доступных в преобразователе, является поддержка упрощенного протокола публикации и подписки (Pub/Sub) компании IBM Websphere® MQ Agent telemetry transport (MQTT). Протокол MQTT является управляемой событиями парадигмой обмена сообщениями, обеспечивающей три уровня качества услуг и гарантированную доставку данных. Во многих случаях это обеспечивает истинную управляемую событиями парадигму обмена сообщениями в программах для обработки документации при сохранении многих характеристик, относящихся к обычным унаследованным инфраструктурам опроса/ответов SCADA.

Рассмотрим фиг.6, на которой показан один из вариантов осуществления способа глобального управления удаленными приборами и обратной связи. Способ, который начинают осуществлять на шаге 601, заключается в том, что на шаге 603 ГМШ через низкоорбитальные спутники (LEO) осуществляет эффективно использующее полосу частот сопряжение с сетью передачи данных, на шаге 605 осуществляют доступ к спутниковой сети передачи данных через концентратор поставщика услуг, на шаге 607 микропроцессорная ГСУ обеспечивает управление оборудованием на месте и функции контроля оборудования, расположенного в пункте, удаленном относительно ГМШ, на шаге 609 приемопередатчик посредством спутниковой сети передачи данных осуществляет сопряжение ГСУ с ГМШ, на шаге 611 преобразователь протоколов осуществляет сопряжение приемопередатчика с ГСУ, на шаге 613 осуществляют опрос с целью получения заданной информации, на шаге 615 ГМШ получает заданную информацию от приемопередатчика через спутниковую сеть передачи данных для последующей доставки конечному устройству, на шаге 617 передают данные приемопередатчику через спутниковую сеть передачи данных и на шаге 619 завершают осуществление способа.

Несмотря на то, что описаны только некоторые из форм изобретения, для специалиста в данной области техники должно быть очевидным, что изобретение не ограничено ими, и в него могут быть внесены различные изменения, не выходящие за объем изобретения.

Изобретение относится к контролю и управлению удаленным оборудованием, а более точно к усовершенствованной системе, способу и устройству контроля и управления электрическими скважинными насосами в нефтяных скважинах посредством главной машины-шлюза (хост-машины). Технический результат заключается в экономически эффективном контроле и управлении расположенным на удалении оборудованием нефтяных скважин. Для этого система содержит главную машину-шлюз (ГМШ), имеющую сопряжение с сетью передачи данных через низкоорбитальные спутники, микропроцессорную систему управления, обеспечивающую управление оборудованием нефтяной скважины, приемопередатчик для сопряжения системы управления со спутниковой сетью передачи данных, а также преобразователь протоколов для сопряжения приемопередатчика с системой управления. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система глобального управления удаленными приборами и обратной связи, включающая:
главную машину-шлюз (ГМШ), имеющую сопряжение с сетью передачи данных через низкоорбитальные спутники, при этом доступ к этой спутниковой сети передачи данных осуществляется через концентратор поставщика услуг,
микропроцессорную систему управления, обеспечивающую управление оборудованием нефтяной скважины на месте и функции контроля оборудования нефтяной скважины, расположенного по месту нефтяной скважины, удаленном относительно ГМШ,
приемопередатчик для сопряжения системы управления со спутниковой сетью передачи данных, имеющий выделенную для него скорость передачи данных около 19200 бод, и
преобразователь протоколов для сопряжения приемопередатчика с системой управления, причем
ГМШ способен получать заданную информацию от системы управления с использованием приемопередатчика через спутниковую сеть передачи данных для создания базы данных,
система управления способна обновлять заданную информацию в базе данных в управляемом событиями режиме связи,
ГМШ обеспечивает возможность постоянного опроса базы данных посредством конечного устройства через интерфейсное соединение глобальной (WAN) или локальной (LAN) сети,
обеспечивается последовательная доставка конечному устройству "последних заведомо достоверных" данных для заданной информации для обеспечения постоянного опроса, и
ГМШ способен осуществлять передачу данных приемопередатчику через спутниковую сеть передачи данных.

2. Система по п.1, в которой оборудование включает скважинные двигатели, насосы, кабели и сопутствующие приборы, используемые в нефтяных скважинах.

3. Система по п.1, в которой функции системы управления выполняют компоненты, включающие контроллер двигателя, графический интерфейс, привод с переменной скоростью, переключатель двигателя и интерфейс на базе протокола Modbus.

4. Система по п.1, в которой система управления предоставляет ГМШ просмотр данных по каждому запросу и возможность управления работой по запросу.

5. Система по п.1, в которой приемопередатчиком является интерфейс абонентской установки Iridium (ISU).

6. Система по п.1, в которой преобразователь протоколов включает интеллектуальный межсетевой шлюз (ING), осуществляющий передачу данных посредством протокола Modbus, а заданная информация включает информационный регистр Modbus.

7. Система по п.1, в которой заданную информацию передают через фиксированные периодические временные интервалы к ГМШ от системы управления в ответ на событие системы управления, причем эти фиксированные периодические временные интервалы дольше, чем интервалы опросов конечных устройств.

8. Система по п.1, в которой приемопередатчик включает драйвер протокола, позволяющий преобразователю осуществлять сопряжение с базой данных реального времени, обеспеченной в ГМШ.

9. Система по п.1, в которой заданная информация сформатирована в виде короткого пакета данных (SBD) и выбрана из группы, включающей службу передачи коротких сообщений (SMS), сообщения с мобильным получателем (МТ), при этом заданная информация присоединена к электронной почте, а ее размер ограничен максимальным размером полезной нагрузки, который способен обработать приемопередатчик.

10. Система по п.9, в которой максимальный размер полезной нагрузки составляет 1960 байтов.

11. Система по п.1, в которой концентратор поставщика услуг связан через основанную на Интернет-технологиях виртуальную частную сеть с хост-системой и внутренней инфраструктурой, включающей внутренний или внешний Web-доступ для конечных пользователей и внешние приложения.

12. Система по п.11, в которой ГМШ способна формировать виртуальную базу данных заданной информации и опрашивать виртуальную базу данных для имитации информации в реальном времени для внутренней инфраструктуры.

13. Система по п.1, дополнительно включающая посредника сообщений, обеспечивающего возможность соединения Modbus с существующими унаследованными хостами, при этом ГМШ обеспечивает по меньшей мере два уровня преобразования любого сообщения с мобильным отправителем (МО), принимаемого от подсистемы контроллера терминалов (ESS), включая помещение данных в соответствующую виртуальную базу данных ГСУ, обработку сообщений и публикацию получаемых данных для посредника сообщений, за счет чего обеспечивается набор адаптеров и средств управления потоками операций и данных.

14. Система по п.1, содержащая общую схему сетевой инфраструктуры, включающую, без ограничения, систему геосинхронных спутников, телефонную систему и систему ретрансляции кадров на базе выделенной линии, обеспечивающую улучшение доступа и повышение точности данных, введение аутентификации и шифрование данных и расширение применения в различных пользовательских программах.

15. Способ глобального управления удаленными приборами и обратной связью, включающий:
а) осуществление сопряжения с сетью передачи данных через низкоорбитальные спутники посредством главной машины-шлюза (ГМШ),
б) осуществление доступа к спутниковой сети передачи данных через концентратор поставщика услуг,
в) посредством микропроцессорной графической системы управления (ГСУ) обеспечение управления оборудованием на месте и функции контроля оборудования, расположенного в пункте, удаленном относительно ГМШ,
г) осуществление сопряжения ГСУ с ГМШ посредством спутниковой сети передачи данных и сети с приемопередатчиком, имеющим выделенную для него скорость передачи данных около 19200 бод,
д) осуществление сопряжения сетевого приемопередатчика с ГСУ посредством преобразователя протоколов,
е) получение ГМШ заданной информации от приемопередатчика через спутниковую сеть передачи данных для создания базы данных,
ж) обновление заданной информации в базе данных от системы управления в управляемом событиями режиме связи,
з) постоянный опрос базы данных для заданной информации посредством конечного устройства через интерфейс глобальной (WAN) или локальной (LAN) сети,
и) последовательную доставку "последних заведомо достоверных" данных для заданной информации посредством ГМШ к конечному устройству для обеспечения постоянного опроса, и
к) передачу данных приемопередатчику через спутниковую сеть передачи данных.

16. Способ по п.15, в котором на стадии (в) осуществляют управление и контроль скважинных двигателей, насосов, кабелей и сопутствующих приборов, используемых в нефтяных скважинах.

17. Способ по п.15, в котором на стадии (в) функции ГСУ выполняет контроллер двигателя, графический интерфейс, привод с переменной скоростью, переключатель двигателя и интерфейс на базе протокола Modbus.

18. Способ по п.15, в котором дополнительно предоставляют ГМШ немедленное управляемое событиями оповещение об авариях, просмотр данных по запросу, возможность управления работой по запросу, возможность управления работой в порядке очереди, возможность избегания капитального ремонта и простоев и данные для других пользователей.

19. Способ по п.15, в котором на стадии (г) для связи используют радиотелефон с интерфейсом абонентской установки Indium (ISU).

20. Способ по п.15, в котором на стадии (д) для связи используют интеллектуальный межсетевой шлюз (ING), осуществляющий передачу данных посредством протокола Modbus, а заданная информация включает информационный регистр Modbus.

21. Способ по п.15, в котором заданную информацию передают конечному устройству через фиксированные периодические временные интервалы.

22. Способ по п.15, в котором позволяют преобразователю осуществлять сопряжение с базой данных реального времени, обеспеченной в ГМШ.

23. Способ по п.22, в котором заданную информацию форматируют в виде короткого пакета данных (SBD) и выбирают из группы, включающей службу передачи коротких сообщений (SMS), сообщения с мобильным получателем (МТ), присоединяют заданную информацию к электронной почте и ограничивают ее размер максимальным размером полезной нагрузки, который способен обработать приемопередатчик.

24. Способ по п.15, в котором посредством концентратора поставщика услуг через основанную на Интернет-технологиях виртуальную частную сеть поддерживается связь с хост-системой и внутренней инфраструктурой, включающей внутренний или внешний Web-доступ для конечных пользователей и внешние приложения.

25. Способ по п.24, в котором посредством ГМШ формируется виртуальная база данных заданной информации и эта виртуальная база данных опрашивается с целью имитации информации в реальном времени для внутренней инфраструктуры.

26. Способ по п.15, в котором для обеспечения возможности соединения Modbus с существующими унаследованными хостами используется посредник сообщений, при этом ГМШ обеспечивает по меньшей мере два уровня преобразования любого сообщения с мобильным отправителем (МО), принимаемого от подсистемы контроллера терминалов (ESS), включая помещение данных в соответствующую виртуальную базу данных ГСУ и обработку сообщений и публикацию получаемых данных для посредника сообщений, за счет чего обеспечивают набор адаптеров и средств управления потоками операций и данных.

27. Способ по п.15, в котором используется общая схема для сетевой инфраструктуры, включающая, без ограничения систему геосинхронных спутников, телефонную систему и систему ретрансляции кадров на базе выделенной линии, с целью улучшения доступа и повышения точности данных, введения аутентификации и шифрования данных и расширения применения в различных пользовательских программах.

28. Способ глобального управления удаленными приборами и обратной связью, включающий:
а) обеспечение на месте функций управления и контроля оборудования, расположенного по месту нефтяной скважины, посредством системы управления,
б) осуществление сопряжения системы управления со спутниковой сетью передачи данных посредством приемопередатчика, имеющего выделенную для него скорость передачи данных около 19200 бод,
в) осуществление сопряжения удаленной главной машины-шлюза (ГМШ) со спутниковой сетью передачи данных,
е) получение ГМШ заданной информации от системы управления через спутниковую сеть передачи данных для создания виртуальной базы данных заданной информации, относящейся к упомянутому оборудованию,
ж) обновление заданной информации в упомянутой виртуальной базе данных от системы управления в управляемом событиями режиме связи,
з) постоянный опрос виртуальной базы данных для заданной информации посредством конечного устройства через интерфейс глобальной (WAN) или локальной (LAN) сети,
и) последовательную доставку "последних заведомо достоверных" данных для заданной информации посредством ГМШ к конечному устройству для выполнения постоянного опроса.