В процессе промышленной эксплуатации ТМС нефтегазодобывающие организации (НГДО) сталкиваются с рядом проблем, обусловленных несовместимостью и отсутствием стандартизации между наземным и подземным оборудованием различных производителей. В первую очередь это связано с высокими затратами на поддержку различных типов функционально аналогичного, но конструктивно и интерфейсно несовместимого оборудования. Один из способов преодоления данной проблемы – внедрение единого протокола взаимодействия между погружным и наземным оборудованием ТМС.

В предлагаемой Вашему вниманию статье изложены основные принципы построения такого прокола, учитывающие не только сегодняшние задачи, но и перспективы дальнейшего развития протокола. 

12.02.2017 Инженерная практика №10-11/2016

Смыслов Андрей Юрьевич Старший менеджер отдела технического обеспечения АСУ ТП Управления обеспечения деятельности АСУ ТП и производств ООО «ЛУКОЙЛ-ИНФОРМ»

В настоящее время на рынке ТМС сложилась ситуация, когда практически каждый производитель оборудования для связи между погружным (ТМСП) и наземным (ТМСН) блоками, а также между ТМСН и станцией управления (СУ) использует свой собственный протокол передачи данных. Отсутствие совместимости между оборудованием различных производителей, а иногда и одного производителя, становится причиной множества дополнительных затрат для НГДО. Например, это приводит к необходимости хранения на складах запасов ЗИП, обучения персонала и приобретения сервисного оборудования под все типы используемых ТМС. Помимо этого, обслуживающий персонал постоянно должен держать в голове, где и какое оборудование используется, с каким оборудованием оно совместимо, какими настройками можно обеспечить его совместимость. Стоит отметить, что со стороны производителей ТМС делаются попытки осуществить поддержку различных протоколов с целью обеспечения совместимости, но в целом данная задача пока не решена. Все это обуславливает необходимость разработки единого протокола для ТМС.

ЕДИНЫЙ ПРОТОКОЛ ТМС

При разработке единого протокола ставятся следующие цели:

• обеспечить совместную работу погружного и наземного оборудования независимо от его типа и производителя;
• реализовать возможность автоматического определения конфигурации оборудования, входящего в состав ТМС;
• создать механизм включения в состав ТМС как существующих, так и новых типов устройств;
•  обеспечить максимально возможную совместимость с существующими системами;
•  заложить в протокол базовые функции для последующей бесшовной интеграции ТМС в состав АСУТП и АСУ П.

Помимо этого, при разработке протокола необходимо помнить о развитии перспективных технологий, которые в обозримом будущем могут прийти на смену текущим решениям, и протокол должен обеспечить возможность их интеграции без потери совместимости.

БАЗОВЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРОТОКОЛА. РАЗДЕЛЕНИЕ
НА ДВА ПРОТОКОЛА

Исходя из поставленных целей целесообразно разделить реализацию единого протокола ТМС на две части: протокол передачи данных ТМСП/ТМСН и протокол передачи данных ТМСН/СУ, которые на прикладном уровне (рис.1) объединятся в единый протокол ТМС. Разбиение протокола на две части обусловлено в первую очередь принципиальными различиями в среде передачи данных. Так, для передачи данных между ТМСП и ТМСН используется погружной силовой кабель, а для передачи данных между ТМСН и СУв большинстве случаев используется витая пара и интерфейс RS-485.

Для реализации протокола ТМСП ТМСН предлагается:

• применить код Манчестер для передачи данных через погружной силовой кабель;
• использовать самокорректирующийся код Хэмминга с целью автоматического исправления одиночных ошибок передачи данных и контроля качества канала связи.

В качестве основы для построения протокола передачи данных ТМСН/СУ предлагается использовать протокол Modbus, как один из наиболее распространенных протоколов, используемых производителями ТМС.

УРОВНЕВАЯ МОДЕЛЬ

С целью упрощения разработки, отладки и обслуживания оборудования, а также для обеспечения дальнейшего развития протокола и возможности его адаптации под новые технологии передачи данных предлагается реализовать его на основе уровневой модели (рис.1).

В рамках предложенной модели используются следующие уровни:

• физический уровень, определяющий среду передачи данных, уровни нуля и единицы, виды модуляции, наборы символов для передачи информации;
• канальный уровень, на котором задаются форматы кадров, осуществляются контроль и исправление ошибок при передаче, оценка качества канала связи;
• прикладной уровень, описывающий сообщения с информацией о работе погружного оборудования.

Такое разбиение на законченные четко формализованные задачи дает возможность независимой разработки и отладки каждого уровня протокола, что в конечном счете, приведет к снижению затрат на разработку и обслуживание ТМС. Помимо этого, необходимости дальнейшего развития протокола, например, в случае применения для передачи данных не силового, а оптического кабеля, возможно изменить реализацию только одного уровня протокола, не затрагивая остальные.

ИДЕНТИФИКАЦИЯ И КОНФИГУРАЦИЯ

Для интеграции устройств в единую систему необходимо уникально идентифицировать каждый ее элемент. Иными словами, каждое устройство, входящие в состав ТМС, должно обладать своим уникальным номером (именем). Для решения этой задачи предлагается использовать механизм UUID (universally unique identifier, универсальный уникальный идентификатор), который в определенной мере стал мировым стандартом. Применение UUID для идентификации позволяет уйти от ведения единого реестра используемых идентификаторов и позволит каждому производителю ТМС всегда оперативно генерировать их (с использованием стандартных утилит) для производимого оборудования. Аналогичный подход широко применяется сегодня при программировании COM, Active X и OPC.

Соответственно, в рамках протокола должен быть реализован механизм получения UUID всех устройств, входящих в состав ТМС. Получив такой идентификатор, ТМСН или СУ сможет обратиться (рис. 2) к флеш-накопителю, внутренней памяти устройства, а в перспективе и на сервер оборудования для загрузки настроек конфигурации оборудования из файла формата XML.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Использование при построении протокола вышеназванных принципов даст возможность связать ТМСН, ТМСП, СУ и АСУ ТП в единую информационную среду, так называемое «интеллектуальное месторождение». Это в свою очередь позволит обеспечить прозрачную интеграцию с системами управления верхнего уровня, перейти от вопроса обеспечения совместимости оборудования к вопросу оптимального использования оборудования для повышения эффективности разработки месторождения и снизить стоимость владения ТМС.