Интернет Газовых Вещей (IoGT): Архитектура телеметрии, битва протоколов LoRaWAN vs GSM и эволюция коммерческого учета

27.01.2026 17:19 | Категория: Общие советы

Современный газорегуляторный пункт (ГРПШ) — это не просто набор «железа», а интеллектуальный узел, интегрированный в цифровую экосистему предприятия или города.

Эпоха «слепых» газораспределительных сетей, когда о падении давления диспетчер узнавал только по звонку от остановленной котельной, уходит в прошлое. Современный газорегуляторный пункт (ГРПШ) — это не просто набор «железа», а интеллектуальный узел, интегрированный в цифровую экосистему предприятия или города.

Внедрение систем телеметрии (удаленного контроля) перешло из разряда имиджевых опций в категорию жесткой производственной необходимости. Это диктуется требованием сведения баланса газа, необходимостью оперативного выявления утечек и минимизацией затрат на выездные бригады. В данном техническом отчете мы разберем архитектуру современных систем IoT (Internet of Things) в газораспределении, проведем детальное сравнение протоколов передачи данных и проанализируем аппаратную часть узлов учета.

1. Архитектура системы: От «сухого контакта» до облака

Для понимания принципов работы телеметрии необходимо рассматривать систему как многоуровневую иерархию. Просто «поставить модем» недостаточно — необходимо обеспечить целостность данных на всех этапах их жизни.

Уровень L1: Полевой (Physical Layer)

Здесь происходит первичное преобразование физических величин в электрические сигналы.

Счетчики газа: Источники данных о расходе (объемный, массовый).
Датчики давления и температуры: Аналоговые сенсоры (4-20 мА) или цифровые, контролирующие параметры газа на входе и выходе.
Датчики состояния: Концевые выключатели дверей шкафа (контроль взлома), датчики перепада давления на фильтре1, датчики положения клапана ПЗК (сработал/взведен).

Уровень L2: Транспортный (Network Layer)

Ключевой уровень, отвечающий за доставку пакетов данных от шкафа ГРПШ на сервер. Именно здесь разворачивается основная конкуренция технологий (LoRaWAN, GSM, NBIoT), которую мы разберем ниже. Оборудованием этого уровня являются контроллеры телеметрии и шлюзы.

Уровень L3: Прикладной (Application Layer)

Серверное программное обеспечение (SCADA, биллинг), которое расшифровывает полученные пакеты, визуализирует их для диспетчера, строит графики потребления и формирует отчеты для поставщика газа.

2. Битва протоколов: GSM/GPRS против LoRaWAN

Выбор канала связи — это главное стратегическое решение при проектировании системы. Ошибка на этом этапе приведет либо к колоссальным счетам за трафик и обслуживание, либо к полной потере связи с объектом.

Технология GSM/GPRS (2G/3G/4G)

Классическое решение, базирующееся на сетях сотовых операторов.

Принцип: В контроллер устанавливается SIM-карта. Передача данных идет через вышки сотовой связи.
Энергопотребление: Высокое2. Модем в режиме поиска сети и передачи потребляет значительные токи (до 2А в пике). Это требует либо внешнего питания (220В), либо частой замены батарей.
Применение: Идеально подходит для крупных городских ГРП и узлов учета, где есть подведенное электричество и требуется передавать большие массивы данных (например, архивы за месяц) с высокой частотой3.
Недостатки: Зависимость от покрытия оператора4, абонентская плата за каждую точку, «слепые зоны» в подвалах и низинах.

Технология LoRaWAN (LPWAN)

Специализированный протокол для Интернета вещей, работающий в нелицензируемом частотном диапазоне (обычно 868 МГц в РФ).

Принцип: Данные передаются небольшими пакетами на базовую станцию (шлюз), которая может обслуживать тысячи устройств в радиусе до 10–15 км5.
Энергопотребление: Экстремально низкое. Устройство просыпается на доли секунды для «выстреливания» пакета данных и снова засыпает. Это позволяет работать от одной батарейки класса АА (Li-SOCl2) годами (до 5–10 лет)6.
Проникающая способность: Высокая. Радиосигнал на низких частотах отлично проходит сквозь стены, бетонные перекрытия и достает из глубоких колодцев и подвалов, где GSM «не ловит»7.
Применение: Удаленные поселки, автономные ГРПШ в полях без электричества, квартирный учет.
Интеграция: Требует развертывания собственной инфраструктуры (установки шлюзов) 8 или подключения к оператору сети IoT.

Технология NB-IoT (Narrow Band IoT)

Гибридное решение от сотовых операторов. Это стандарт сотовой связи, оптимизированный под устройства телеметрии.

Особенности: Использует существующие вышки LTE, но работает в выделенном узком спектре. Энергопотребление ниже, чем у GPRS, но выше, чем у LoRaWAN9. Требует платной SIM-карты (чип-сим).

3. Оборудование для умного учета: Эволюция счетчиков

Как «оцифровать» поток газа? Существует два основных подхода: модернизация существующего парка и установка интеллектуальных приборов нового поколения.

Метод 1: Дооснащение механических счетчиков (Retrofitting)

Самый массовый сценарий. Берется обычный ротационный или диафрагменный счетчик.

Счетчики с импульсным выходом: Механическая «голова» счетчика оснащается низкочастотным генератором импульсов (НЧ). Обычно это геркон (герметичный контакт) и магнит на младшем разряде счетного механизма10.
Принцип: Один оборот = один импульс = 0.1 или 1 кубометр газа (в зависимости от «веса» импульса).
Модули телеметрии (СИБ): Внешнее устройство, которое подключается к импульсному выходу, считает замыкания цепи, накапливает архив и отправляет его в облако11.
Риски: Проблема «дребезга» контактов, возможность влияния внешним мощным магнитом (остановка счета), риск обрыва кабеля.

Метод 2: Интеллектуальные счетчики (Smart Meters)

Современные ультразвуковые или струйные приборы, изначально спроектированные как IoT-устройства.

Конструкция: Не имеют движущихся частей (роторов, мембран), что повышает надежность.
Встроенная телеметрия: Радиомодуль (GSM или LoRa) интегрирован в плату счетчика12. Нет лишних проводов и внешних коробок.
Преимущества: Высокая точность, наличие встроенных архивов, температурная коррекция объема (приведение к стандартным условиям) «на борту», фиксация попыток взлома или воздействия магнитом.

4. Экономическая эффективность и Предиктивная аналитика

Внедрение телеметрии окупается не за счет экономии бензина на объездах (хотя и это важно), а за счет предотвращения потерь и аварий.

Сведение баланса и борьба с потерями

Система позволяет в режиме реального времени сводить баланс: «Сколько газа вошло в поселок (Головной ГРП)» минус «Сумма показаний всех абонентов». Разница (небаланс) четко указывает на наличие утечки в сети или несанкционированного отбора (воровства)13.

Удаленная диагностика состояния ГРПШ

Телеметрия превращает обслуживание из «реактивного» (чиним, когда сломалось) в «предиктивное» (чиним, пока не сломалось).

Контроль фильтра: Установка датчиков давления до и после фильтра позволяет мониторить перепад ($\Delta P$). Плавный рост перепада сигнализирует диспетчеру: «Фильтр засоряется, запланируйте выезд на чистку через неделю». Это предотвращает аварийную остановку подачи газа14.
Контроль ПЗК/ПСК: Датчики фиксируют факт срабатывания отсечного клапана. Диспетчер узнает об аварии мгновенно, а не после звонка разгневанных жителей.

5. Проблемы внедрения и пути решения

При реализации проектов телеметрии инженеры сталкиваются с рядом специфических проблем.

Эффект клетки Фарадея

ГРПШ — это наглухо закрытый металлический шкаф. Металл экранирует радиосигналы.

Решение: Обязательный вынос антенн наружу. Использование антивандальных антенн («шайб») на крыше шкафа. Размещение антенны внутри металлического корпуса — грубейшая ошибка монтажа, приводящая к нестабильной связи.

Питание на холоде

При температурах ниже -20°C емкость обычных батареек падает практически до нуля.

Решение: Использование специализированных литий-тионилхлоридных (Li-SOCl2) элементов питания. Они способны работать при температурах до -55°C и имеют низкий ток саморазряда.

FAQ: Технические вопросы по телеметрии

Вопрос: Можно ли передавать данные телеметрии через Wi-Fi?

Ответ: Технически можно, но на практике это применяется крайне редко. Wi-Fi имеет малый радиус действия, высокое энергопотребление и низкую надежность соединения. Для промышленных объектов стандартом являются сотовые сети или LPWAN.

Вопрос: Что такое «вес импульса»?

Ответ: Это значение объема газа, соответствующее одному замыканию контактов счетчика (одному импульсу). Например, 1 импульс = 0.1 $м^3$ или 1 $м^3$. Этот параметр критически важно правильно настроить в контроллере телеметрии, иначе показания в диспетчерской будут отличаться от показаний на циферблате в 10 или 100 раз.

Вопрос: Требуется ли проект на установку телеметрии на действующий ГРПШ?

Ответ: Да. Внедрение телеметрии является техническим перевооружением или реконструкцией сети газораспределения. Требуется внесение изменений в исполнительную документацию, согласование с поставщиком газа (регионгазом) и соблюдение требований взрывобезопасности (искробезопасные цепи) при монтаже датчиков во взрывоопасной зоне.

Вопрос: Как часто контроллер отправляет данные по LoRaWAN?

Ответ: Частота настраивается, но ограничена регламентом сети и экономией батареи. Типовой сценарий для коммерческого учета — отправка пакета раз в сутки (текущие показания + почасовой архив за прошедшие сутки). Аварийные сообщения (срабатывание ПЗК, открытие двери) отправляются мгновенно вне очереди.