Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства
Проаналізовані структури і методи функціонування перспективних безпроводових мереж промислового призначення. Запропоновано методи підвищення ефективності процесів збору, обробки та передачі даних у промислових мережах. Проанализированы структуры и методы функционирования перспективных беспроводных с...
Збережено в:
| Дата: | 2009 |
|---|---|
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2009
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6524 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства / В. Резаи // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 90-96. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-6524 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Резаи, В. 2010-03-05T15:10:47Z 2010-03-05T15:10:47Z 2009 Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства / В. Резаи // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 90-96. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6524 681.3/621.74 Проаналізовані структури і методи функціонування перспективних безпроводових мереж промислового призначення. Запропоновано методи підвищення ефективності процесів збору, обробки та передачі даних у промислових мережах. Проанализированы структуры и методы функционирования перспективных беспроводных сетей промышленного назначения. Предложены методы повышения эффективности процессов сбора, обработки и передачи данных в промышленных сетях. The structure and modus operandi of promising wireless networks for industrial use are analyzed, methods to improve the efficiency of data collection, processing and transmission of data in industrial networks are proposed. ru Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства Establishment of wireless networks for monitoring industrial production Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства |
| spellingShingle |
Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства Резаи, В. |
| title_short |
Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства |
| title_full |
Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства |
| title_fullStr |
Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства |
| title_full_unstemmed |
Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства |
| title_sort |
создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства |
| author |
Резаи, В. |
| author_facet |
Резаи, В. |
| publishDate |
2009 |
| language |
Russian |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Establishment of wireless networks for monitoring industrial production |
| description |
Проаналізовані структури і методи функціонування перспективних безпроводових мереж промислового призначення. Запропоновано методи підвищення ефективності процесів збору, обробки та передачі даних у промислових мережах.
Проанализированы структуры и методы функционирования перспективных беспроводных сетей промышленного назначения. Предложены методы повышения эффективности процессов сбора, обработки и передачи данных в промышленных сетях.
The structure and modus operandi of promising wireless networks for industrial use are analyzed, methods to improve the efficiency of data collection, processing and transmission of data in industrial networks are proposed.
|
| issn |
1817-9908 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/6524 |
| citation_txt |
Создание беспроводных сетей мониторинга промышленного производства / В. Резаи // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2009. — № 8. — С. 90-96. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT rezaiv sozdaniebesprovodnyhseteimonitoringapromyšlennogoproizvodstva AT rezaiv establishmentofwirelessnetworksformonitoringindustrialproduction |
| first_indexed |
2025-11-27T06:37:19Z |
| last_indexed |
2025-11-27T06:37:19Z |
| _version_ |
1850805366161408000 |
| fulltext |
90 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8
V. Rezaei
ESTABLISHMENT
OF WIRELESS NETWORKS
FOR MONITORING
INDUSTRIAL PRODUCTION
The structure and modus operandi of
promising wireless net-works for
industrial use are analyzed, methods
to improve the efficiency of data
collection, processing and transmis-
sion of data in industrial networks
are proposed.
Проаналізовані структури і ме-
тоди функціонування перспектив-
них безпроводових мереж про-
мислового призначення. Запропо-
новано методи підвищення ефек-
тивності процесів збору, обробки
та передачі даних у промислових
мережах.
Проанализированы структуры и
методы функционирования пер-
спективных беспроводных сетей
промышленного назначения.
Предложены методы повышения
эффективности процессов сбора,
обработки и передачи данных в
промышленных сетях.
В. Резаи, 2009
УДК 681.3/621.74
В. РЕЗАИ
СОЗДАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ
МОНИТОРИНГА ПРОМЫШЛЕННОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Современное производство сложных техни-
ческих объектов (авиакосмических, транс-
портных и др.) характеризуется большим ко-
личеством покупных материалов, изделий
поставщиков и смежников, деталей и узлов
собственного производства и сборки. При
этом для обеспечения высокого качества
производства и надёжности работы сложных
объектов на начальных этапах производства
необходимо организовать контроль парамет-
ров и характеристик поставляемых материа-
лов и деталей, изготовленных предприятием
деталей и изделий. Также реализовать опера-
тивный мониторинг работоспособности соб-
ранных узлов и механизмов сложных объек-
тов в процессе их испытаний. Производство
сложных изделий характеризуется большим
количеством участков изготовления деталей,
сборки механизмов, узлов и подсистем, на-
личием испытательных стендов и участков.
Автоматизация современного производства
привела к тому, что качество и надежность
автоматизированных линий, станков и ком-
плексов существенно влияет на конечный
результат производства, также на качество
производства влияет человеческий фактор.
Все это требует организации обеспечения
контроля и управления параметрами и пока-
зателями технологических и производствен-
ных процессов на различных уровнях. На
сегодняшний день в промышленности только
на самых нижних уровнях производства
осуществляется непосредственная перера-
ботка материалов, энергии, информации, а на
более высоких уровнях производства требу-
ется получение и обработка оперативной
СОЗДАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ МОНИТОРИНГА ПРОМЫШЛЕННОГО...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 91
информации [1]. Высший уровень системы контроля качества на производстве
(уровень руководства предприятия) требует интеграции и взаимодействия всех
автоматизированных систем, включая доступ к базам данных и экспертным сис-
темам [1]. Необходимость мониторинга технологических и производственных
процессов продиктована целесообразностью систематического сбора и обработ-
ки информации, которая используется во время принятия решений. Ценность
производственной информации определяется ее достоверностью и оперативно-
стью, а также возможностью получить доступ к ней и провести необходимый
анализ данных. Поэтому актуальной задачей является построение компьютер-
ных сетей дистанционного мониторинга технологических и производственных
процессов с целью своевременного выявления отклонений от нормы показате-
лей и параметров технологических процессов, а также результатов испытаний
работы узлов и агрегатов сложных изделий. Для построения производственных
сетей широкое распространение получили беспроводные сенсорные и локаль-
ные сети [2, 3], позволяющие быстро и без существенных капитальных затрат
разворачиваться на участках производственных цехов, организовать централи-
зованное управление сбором и обработкой мониторинговых данных.
Цель работы − разработка методологии повышения эффективности работы
беспроводных сетей мониторинга промышленного производства за счет кон-
троля ввода достоверных данных и повышения помехоустойчивости передачи
пакетов данных.
Анализ структур беспроводных сетей промышленного назначения.
Производство сложных объектов состоит из рабочих мест специализированных
участков, являющихся основными подразделениями цехов предприятия. Поэто-
му на каждом рабочем месте изготовления деталей, сборки и испытания узлов
необходимо организовать контроль нахождения в данных переделах теплофизи-
ческих, механических, весовых, габаритных и других характеристик деталей,
узлов и механизмов. Основой такого контроля является ввод и анализ выходных
сигналов датчиков, сенсоров и видеосенсоров. Это низкочастотные аналоговые
сигналы (температура, давление и др.), высокочастотные сигналы (вибросигна-
лы, выходные сигналы акселерометров, звуковые сигналы и др.), дискретные
сигналы типа «включено/выключено», «да/нет», а также видеосигналы (анало-
говые, цифровые). Для ввода мониторинговых данных на каждом рабочем месте
производства устанавливаются терминалы (абонентские системы) беспроводных
сенсорных сетей, осуществляющих ввод, предварительную обработку выходных
сигналов термодатчиков, тензодатчиков, систем виброиспытаний, видеосенсо-
ров и др. Измерительные данные программно-аппаратными средствами терми-
налов (абонентских систем) сенсорных сетей передаются на верхние уровни ин-
тегрированной сети контроля и управления качеством производства в виде ком-
пактных и защищенных (от доступа к информации несанкционированных поль-
зователей, а также от действия различных помех) пакетов данных.
Беспроводные сенсорные сети промышленного назначения строятся на ос-
нове технологий ZigBee, MeshLogic, Wireless HART [3–6]. Технология ZigBee
(стандарт IEEE 802.15.4) предусматривает работу сенсорных сетей в ISM-ди-
В. РЕЗАИ
92 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8
апазоне радиочастот (ISM – industrial, scientific, medical) [2, 3]: один канал в диа-
пазоне 868,0 – 868,6 МГц (для Европы); 10 каналов в диапазоне 902–928 МГц
с шагом центральных частот 2 МГц; 16 каналов в диапазоне 2450 МГц с шагом
центральных частот 5 МГц. Скорость передачи в каналах составляет 20 Кбит/с
(в диапазоне 868МГц), 40 Кбит/с (915 МГц) и 250 Кбит/с (2450 МГц). Топология
сетей ZigBee (рис. 1) предусматривает взаимодействие двух типов устройств
(устройство с уменьшенной функциональностью (RFD) и полнофункциональное
устройство (FFD), выполняющее функцию координатора (К) сети) при соедине-
нии абонентов типа «звезда» и «равный с равным». Сеть (пикосеть), состоящая
из одного FFD-устройства и нескольких RFD-устройств образует топологию ти-
па «звезда». Если в пикосети несколько FFD-устройств – то сеть может быть од-
норанговой (сеть равноправных устройств с соединением «каждый с каждым»)
или сложной сетью, состоящей из объединения нескольких звездообразных кла-
стеров [2].
Топология «Звезда» Топология «Каждый с каждым»
РИС. 1. Топология сетей ZigBee
Преимуществом платформы ZigBee является ее открытость. Она широко
используется в проектах «Интеллектуальный дом», «Индустрия будущего» [4].
Однако, в области построения автоматизированных систем технологических
процессов (АСУТП), использование технологии ZigBee ограничено в силу ряда
причин [4]: технология ZigBee имеет свой собственный стек протоколов верхне-
го уровня, который существенно отличается от протоколов промышленного на-
значения; ZigBee основана на базе стандарта IEEE 802.15.4_2003 (метод доступа
к среде CSMA/CA на канальном уровне модели OSI), который не удовлетворяет
повышенным требованиям по надежности передачи данных для сетей промыш-
ленной автоматики. Поэтому сенсорные сети на основе технологии ZigBee
больше пригодны для мониторинга технологических процессов, а для управле-
RFD
FFD
FFD FFD
FFD
RFD
FFD K
FFD
RFD
RFD
СОЗДАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ МОНИТОРИНГА ПРОМЫШЛЕННОГО...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 93
ния процессами в АСУТП необходимо повышение надежности связи сетей
ZigBee, например, путем повышения их помехоустойчивости.
Аппаратно-программная платформа MeshLogic [5] предназначена для созда-
ния беспроводных сенсорных сетей под различные прикладные задачи.
В платформе MeshLogic на физическом уровне используется стандарт IEEE
802.15.4. Отличие от других технологий построения сенсорных сетей заключа-
ется в собственном стеке сетевых протоколов, который обеспечивает: полно-
стью многоячейковую топологию сети; делает все узлы равноправными с функ-
циями маршрутизатора; самоорганизацию и автоматический поиск маршрутов;
устойчивость к соканальной интерференции; высокую масштабируемость и на-
дежность доставки данных; возможность работы всех узлов от автономных ис-
точников питания. Однако, платформа MeshLogic, несмотря на ее преимущества
в сравнении с ZigBee, малоприменима в промышленности, поскольку представ-
ляет собой частное решение [4].
Одна из перспективных беспроводных сенсорных технологий – технология
Wireless HART [4], созданная на базе стандарта 802.15.4_2006 (в диапазоне 2400
– 2483,5 МГц). Эта технология имеет стек протоколов верхнего уровня, который
совместим с промышленными протоколами HART, ModBus-RTU и Industrial
Ethernet. За счет использования множественного доступа с временным разделе-
нием каналов, а также механизма быстрого переключения между 16 частотными
каналами технология Wireless HART гарантирует надежность по обмену ин-
формацией, связанной непосредственно с управлением технологическим про-
цессом АСУТП.
Учитывая внедрение мультимедийных услуг для АСУТП и АСУ предпри-
ятий, требующих больших скоростей обмена данными, а также для объединения
разнородных сегментов проводных и беспроводных сетей промышленного при-
менения перспективным является стандарт 802.11s. Совместное использование
стандартов 802.11s и 802.15.4 позволит организовать различную топологию се-
тей («точка-точка», «звезда», mesh) и объединить различные модули сбора кон-
тролируемых данных, управляющие контроллеры, интеллектуальные сенсоры
и камеры видеонаблюдения в единую сеть. Для построения локальных беспро-
водных сетей предприятий широкое распространение получили сети стандарта
IEEE 802.11b (рабочее название стандарта Wi-Fi). Данный стандарт предусмат-
ривает два основных способа организации локальной сети (рис. 2): ad-hoc сеть
(«равный с равным»); структурированная сеть.
В первом случае связь устанавливается между двумя станциями и никакого
администрирования не предусмотрено. В случае структурированной сети (это
основной способ построения сетей Wi-Fi) связь между станциями осуществляет-
ся через точку доступа (ТД), которая является стационарным устройством и ра-
ботает на фиксированном канале. Через ТД возможен выход на внешние кабель-
ные сети. В сети Wi-Fi может быть несколько ТД, соединенных кабельной сетью
Ethernet. В диапазоне 2.4 ГГц скорость передачи данных ограничивается вели-
чиной 11 Мбит/с, однако, из-за большого количества избыточной служебной
информации в пакетах, реальная скорость составляет 6 Мбит/с [2]. В новых
В. РЕЗАИ
94 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8
версиях устройств стандарта IEEE 802.11 скорость выросла до 54 Мбит/с,
а перспективный стандарт IEEE 802.11n предусматривает скорость обмена
100−300 Мбит/с [2].
Режим «ad-hoc» сети Режим структурированной сети
РИС. 2. Схема подключения пользователей в сетях Wi-Fi: ПК − персональный компьютер;
ТД − точка доступа; М − модем
Оптимизация процессов сбора, обработки и передачи данных в про-
мышленных сетях. Нижние уровни интегрированной сети промышленного на-
значения образуют сенсорные сети, работающие в условиях многих ограниче-
ний, включая ограничения на производительность процессоров, время обработ-
ки данных в условиях шумов и промышленных помех. Входные потоки данных
определяются частотой дискретизации сигналов, которая пропорциональна ко-
личеству каналов n и для j-го измерительного канала, j = 1, … , n частота дис-
кретизации д
jf является функцией многих переменных, т. е.
д max max вх( , ,[с / ш] , , )j j j j jf f f q p m= , (1)
где jfmax – максимальная частота сигнала j-го канала; ]/[log minmax2max
jjj AAq = –
максимальное количество бит для кодирования j-го сигнала; jAmax и jAmin – мак-
симальное и минимальное амплитудное значение j-го сигнала; [с/ш]вх – величина
ПК1
ПКn
ПКj
ПКm
M
ПК 2
Internet
ПК1 ПКj
ПКn
М
ПК2
Internet
ТД
СОЗДАНИЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ МОНИТОРИНГА ПРОМЫШЛЕННОГО...
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8 95
входного соотношения сигнал/шум; jp – тип фильтра нижних частот (ФНЧ),
который устанавливается перед аналого-цифровым преобразователем (АЦП);
jm – порядок ФНЧ.
Для повышения достоверности ввода данных частота дискретизации
n-канального АЦП выбирается в соответствии с выражением д max2 .n lf nk f= , где
1>k – коэффициент повышения частоты дискретизации по сравнению с часто-
той дискретизации по теореме Котельникова д max max2 ,l lf k f f= − максимальная
частота наиболее высокочастотного l -го сигнала, nl ≤ . На практике
вх([с / ш] )k f= выбирается адаптивно в переделах 101 ≤≤ k в зависимости от
уровня входных шумов в тракте ввода данных.
С целью компактного кодирования данных на первом этапе по каждому из-
мерительному каналу осуществляется адаптивная медианная фильтрация. Вели-
чина окна усреднения данных выбирается в соответствии с выражением:
опт ( , ),F
il f k X= ∆ (2)
где ,1
F
i
F
i
F
i XXX −−=∆ F
iX – значение профильтрованного отсчета i -го сигнала.
Для оперативного и косвенного определения качества ввода данных необхо-
димо определять величину || F
ii
N
i XXX −=∆ , где iX – текущий отсчет входно-
го сигнала. Величина N
iX∆ косвенно отражает входное соотношение вх[с/ш] .
Сравнивая текущие величины N
iX∆ и F
iX в темпе ввода данных косвенным
образом, возможно определить чистые и зашумленные участки сигналов. На
чистых участках частота дискретизации и количество бит выбираются макси-
мальными max( 8 10, )k q q≥ − = , а на зашумленных − минимальными ( 1,k →
min )q q= .
По результатам фильтрации на кривой определяются существенные отсче-
ты, к которым относятся экстремумы и точки перегиба. Компактное кодирова-
ние данных осуществляется следующим образом [6]:
кодируются данные существенных и несущественных отсчетов, при этом
служебные данные в компактной форме записываются после соответствующих
битов экстремумов;
на зашумленных участках осуществляется прореживание отсчетов, опре-
деляются и кодируются экстремальные значения сигналов;
после выполнения операции сжатия данных с допустимыми потерями
осуществляется сжатие данных без потерь.
Для криптоустойчивой защиты данных формируются проверочные биты,
которые согласно секретному коду абонента случайным (псевдослучайным) об-
разом размещаются в массиве данных информационных кадров пакетов данных.
В дальнейшем осуществляется гамирование полученных массивов данных с би-
тами псевдослучайных последовательностей в соответствии с процедурой шиф-
В. РЕЗАИ
96 Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2009, № 8
рования данных с одноразовым шифром. Полученные данные подлежат помехо-
устойчивому кодированию [7].
Выводы. Для эффективной организации мониторинга промышленного про-
изводства целесообразно использовать абонентские системы сенсорных сетей,
построенные по технологии ZigBee, Wireless HART, при этом на каждой або-
нентской системе необходимо организовать многофункциональную обработку и
кодирование данных с учетом косвенного определения уровня шумов в измери-
тельном тракте. Для компактного кодирования данных необходимо соединить
кодирование отсчетов сигналов с допустимыми потерями и сжатие данных без
потерь. Криптоустойчивое кодирование базируется на псевдослучайном разме-
щении проверочных битов в массиве данных, а также на кодировании с исполь-
зованием одноразового шифра. Полученные данные подлежат помехоустойчи-
вому кодированию.
1. Лисецкий Ю.М., Бобров А.И. Пример построения корпоративной интегрированной ин-
формационной системы // УСиМ. – 2007. – № 6. – С. 9–16.
2. Шахнович Н.В. Современные технологии беспроводной связи, 2-е изд. – М.: Техно-
сфера, 2006. – 288 с.
3. Ільченко М.Ю., Кравчук С.О. Сучасні телекомунікаційні системи. – К.: Наук. думка,
2008. – 3. – 328 с.
4. Вишневський В., Гайкович Г. Беспроводные сенсорные сети в системах промыщленной
автоматики // Электроника: наука, технология, бизнес. – 2008. – № 1. – С. 106–110.
5. Баскаков С., Оганов В. Беспроводные сенсорные сети на базе платформы MeshLogic //
Электронные компоненты. – 2006. – № 8. – С. 65 – 69.
6. Резаі В. Обробка, кодування та передача інформації в процесі моніторингу якості вироб-
ництва // Матеріали проблемно-наукової міжгалузевої конф. «Інформаційні проблеми
комп’ютерних систем, юриспруденції, економіки та моделювання». 19−22 травня 2009 р.
(ПНМК-2009). – Бучач: Бучачський інститут менеджменту і аудиту, 2009. – Вип. 5. –
Том. 1. – С. 42–46.
7. Зинченко В.П., Буров В.А., Зинченко С.В. Разработка систем передачи телеметрической
информации для космических объектов // Системні дослідження та інформаційні
технології. – 2005. – № 3. – С. 57–72.
Получено 19.08.2009
|