CC BY
143
д____________
----- © Н.И. Федунец, С.С. Кубрин,
2010
УДК 662.27:618.5
Н.И. Федунец, С.С. Кубрин
ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ РАДИОТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ В ШАХТАХ И РУДНИКАХ
Современный уровень развития технологий беспроводной связи отражает возрастающие потребности общества в использовании недорогих универсальных телекоммуникационных мобильных устройств нового поколения. Однако внедрение беспроводных технологий в системы управления горного предприятия сдерживается необходимостью создания устройств, применимых к условиям горного производства. На данный момент наблюдается огромный интерес в области разработки новейших нанотехнологий для создания беспроводных телекоммуникационных систем и самоорганизующихся сетей и систем связи для шахт и рудников.
Ключевые слова: беспроводная передача данных, транспортная инфраструктура, пространственная топология, горное производство, самоорганизующиеся сети и системы связи.
Семинар № 14
Ж^еспроводная передача данных активно распространяется Х-#по всей планете. Наиболее часто она используется при подключении пользователей к Интернету. Беспроводная сеть предприятия является одной из важных частей транспортной информационной инфраструктуры, которая обеспечивает передачу данных от их источника к потребителю. Отсутствие проводов, наличие автономного питания повышает мобильность, как потребителей, так и источников информации. Значительно снижаются расходы на создание, модификацию и поддержания ^-транспортной инфраструктуры систем оперативного управления предприятием. Особенно это важно для объектов, имеющих значительную пространственную топологию, которая к тому же все время изменяется. На современном рынке услуг давно уже стали стандартными предложения по организации корпоративной беспроводной сети, общему беспроводному Интернету, беспроводное соединение локальных и корпоративных сетей, резервирование проводных каналов связи на базе релейных линий, решение о подключении - так называемая задача «последняя миля», видеонаблюдение и т.д. Все более активно
технологии беспроводной передачи информации стали проникать в подземное пространство шахты и рудников.
Наиболее явно преимущества беспроводных решений проявляются тогда, когда:
• работникам предприятия необходима свобода передвижения, возможность оперативно реагировать на изменения ситуации на производстве, всегда иметь доступ к важной информации и быть в зоне доступа;
• прокладка сетевого кабеля и кабеля питания устройств затруднена, невозможна или экономически нецелесообразна;
• требуется быстрое развертывание и модификация информационных сетей в местах проведения работ;
• желание снизить эксплуатационные расходы;
• требуется в реальном времени сбор информации с территориально разнесенных датчиков и передача управляющих воздействий на объекты управления.
Перечисленные задачи крайне актуальны для шахт и рудников, характеризующихся сложной пространственной топологией подземных горных выработок и сооружений на поверхности.
Однако распространение беспроводных линий связи под землей сдерживаются объективными условиями подземного способа добычи полезных ископаемых. Во-первых, ограниченное подземное пространство, во-вторых, отсутствия прямой видимости, в-третьих, большой протяженностью и разветвленностью горных выработок, в-четвертых, наличием вмещающих пород с различными проводящими и отражающими свойствами обуславливающие распространение радиоволн, в-пятых, ограничение на мощность сигнала из-за повышенной взрывоопасности шахтной атмосферы, в-шестых, отсутствия разветвленных линий энергопитания.
Рассмотрим основные технологии беспроводной передачи данных и возможность их использования в подземном пространстве. Общеизвестно несколько способов беспроводной передачи данных между устройствами: посредством радиоволнового диапазона, микроволнового диапазона - сверх высоких частот (СВЧ) и в инфракрасном диапазоне. Классифицируют беспроводные сети передачи данных и по дальности передачи сигнала на «короткие», локальные, распределенные и глобальные. Соединения.
Так называемые «короткие» соединения протяженностью в несколько метров используют технологии Bluetooth и Wireless. Пере-
дача данных на основе светового луча в инфракрасном диапазоне с длиной волны 880 нм (Wireless) позволяет соединяться с периферийным оборудованием без кабеля на коротком расстоянии в режиме точка-точка. Стандарт не предусматривает создание локальной сети. Инфракрасная связь полудуплексная, т.к. передаваемый луч неизбежно засвечивает соседний усилитель приемника. Таким образом, применение инфракрасной связи ограничено офисным помещением.
Технология беспроводной передачи данных Bluetooth разрабатывалась как технология беспроводного соединения мобильных устройств и представляет собой радио-интерфейс малой мощности предназначенный для замены существующих кабельных и инфракрасных соединений офисной и бытовой электронной техники. В отличие от инфракрасной связи технология Bluetooth позволяет организовывать как двухточечные, так и многоточечного соединения, не обязательно в зоне прямой видимости. В спектре радиочастот системе беспроводной связи Bluetooth отведено 79 радиоканалов в диапазоне 2,4465-2,4835 ГГц (примерно по 1 МГц каждый). Диапазон 2,4 ГГц относится к безлицензионному промышленному, научному и медицинскому диапазону ISM (Industrial, Scientific, Medical), что позволяет свободно и бесплатно использовать устройства Bluetooth. Модули Bluetooth способны передавать данные со скоростью до 720 кбит/с на расстояние от 10 до 100 метров. Протокол Bluetooth может поддерживать асинхронный канал передачи данных, до трех синхронных голосовых каналов или канал с одновременной асинхронной передачей данных и синхронной передачей голоса. Скорость голосового канала — 64 кбит/сек в каждом направлении, асинхронного в асимметричном режиме — до
723,2 кбит/сек в прямом и 57,6 кбит/сек в обратном направлениях, в симметричном режиме — до 433,9 кбит/сек в каждом направлении. Каждое устройство имеет уникальный 48-битовый сетевой адрес, совместимый с форматом стандарта локальных сетей IEEE 802. К областям использования Bluetooth-технологии можно отнести передачу цифрового звука на близких расстояниях, замену инфракрасной связи, дистанционное управление с мобильного средства связи; создание малых сетей компьютеров и оргтехники, в офисных помещениях.
Беспроводная технология ZigBee предназначена для использования в системах сбора данных и управления и по назначению подходит для организации сетей автоматических систем диспетчерско-
го управления и аэро-газового контроля. Она обладает малым энергопотреблением, надежностью передачи данных и защиты информации. ZigBee ориентирована на передачу данных в тех системах, где не выдвигается жестких требований к задержкам при передаче данных. Эта технология позволяет охватить единой беспроводной сетью здания и другие крупные объекты с большим числом узлов (по стандарту — до 65 тыс.). Однако для достижения этого необходимо применять сложные механизмы маршрутизации сообщений для передачи информацию через десятки промежуточных узлов сети к конечной точке. Это приводит к увеличению вероятности отказов, к сложности развертывания, настройки и обслуживания.
Стандарт IEEE 802.15.4 содержит описание радиочастотной сети ZigBee, её частотные диапазоны и скорости передачи. Предусматривается передача информации до 75 метров с максимальной скоростью 250 кбит/с. Однако, малая пропускная способность компенсируется сверхнизким энергопотреблением, за счет того, что большую часть времени аппаратура находится в спящем режиме. За стандартом ZigBee закреплены 27 каналов в трех частотных диапазонах - 2,4 ГГц (16 каналов), 915 МГц (10 каналов) и 868 МГц (1 канал). Скорость передачи данных для этих диапазонов составляет, соответственно, 250 кбит/с, 40 кбит/с и 20 кбит/с.
Особенность ZigBee заключается в том, что она предназначена для реализации не только простых соединений "точка-точка" и "звезда", но и сложных сетей с топологиями "дерево" и "ячеистая сеть", способных поддерживать ретрансляцию и поиск эффективного маршрута передачи данных. Сети ZigBee являются самоорганизующимися и самовосстанавливающимися. Благодаря встроенному программному обеспечению их устройства при включении питания умеют сами находить друг друга. В случае выхода из строя какого-либо прибора они способны искать новые маршруты для передачи сообщений.
Энергопотребление устройств сети ZigBee, такое, что, теоретически, одной небольшой батарейки должно хватать для поддержания работоспособности ZigBee-оборудования в течение нескольких месяцев и даже лет. Среди прочих достоинств стандарта следует упомянуть хорошую масштабируемость, возможность самовосстановления в случае сбоев и простоту настройки. Низкая пропускная способность и маленький радиус действия не позволяют применять сети ZigBee для трансляции потокового видео или аудио.
Основной сферой применения ZigBee-устройств в перспективе станут системы автоматизированного диспетчерского управления, аэро-газового контроля, операторского управления технологическими процессами на горном предприятии.
Wireless USB - это один стандарт из целой серии беспроводных интерфейсов, основанных на использовании технологии сверхширокополосной UWB (Ultra-Wideband) модуляции в частотном диапазоне шириной 7,5 ГГц. Все беспроводные интерфейсы на основе UWB имеют единую организацию протоколов канального и физического уровней на базе спецификаций IEEE802.15.3. UWB -это беспроводная технология, предназначенная для передачи данных на короткие - до 10 метров, расстояния, с высокой пропускной способностью (до 480 Мбит/с) и низкой потребляемой мощностью.
В период с 1990 по 1997 годы в результате работы рабочей группы Institute Electrical Equipment Engineering (IEEE) была создана спецификация стандарта беспроводных локальных соединений 802.11. IEEE 802.11 стал группой стандартов, определившей основные протоколы, необходимые для организации беспроводных локальных сетей (Wireless Local Area Network - WLAN). Для передачи данных стандарты 802.11 используют безлицензионные частотные диапазоны 2,4 ГГц и 5 ГГц. Связь обеспечивается в радиусе 100-300 метров от стандартной точки доступа на открытой местности. На сегодняшний день основными стандартами являются 802.11a, 802.11b и 802.11g.
IEEE 802.11a. В 1999 году был принят стандарт IEEE 802.11а. Он ориентирован на работу в диапазоне 5 ГГц и способен обеспечить скорость передачи данных до 54 Мбит/с. В России оборудование стандарта использовать не разрешено, поскольку в нем работает оборудование государственных служб.
IEEE 802.11b. Данный стандарт известен по наименованию -Wi-Fi (Wireless Fidelity). Для работы сетей Wi-Fi стандартом предусмотрено использование безлицензионного частотного диапазона от 2,4 до 2,4835 ГГц.
IEEE 802.11g. Этот стандарт принят в середине 2003 года, как развитие стандарта 802.11b. В нем используется тот же частотный диапазон. Использование алгоритма псевдослучайной скачкообразной перестройки рабочей частоты (Frequency Hopping Spread Spectrum - FHSS), обеспечивает достижение скорости передачи данных до 54 Мбит/с.
Во всех стандартах 802.11 предусмотрено два основных типа архитектуры сетей: Ad-hoc и Infrastructure. Вариант Ad-hoc называют также IBSS (Independent Basic Service Set) или режим Peer-to-Peer ("точка-точка"). В этом режиме связь устанавливается непосредственно между рабочими станциями пользователей по принципу "каждый с каждым" и создание какой-либо общей сетевой инфраструктуры не требуется. Основу сети в режиме Infrastructure составляет сотовая архитектура, подобная той, что используется в мобильной связи. При этом такие сети могут состоять как из одной, так и из множества ячеек. Каждая ячейка управляется базовой станцией, называемой точкой доступа (Access Point), которая взаимодействует с находящимися в пределах ее радиуса действия пользовательскими устройствами. В этом режиме устройства пользователей напрямую друг с другом не связываются, а действуют через точку доступа. Сами же точки доступа соединяются между собой с помощью кабельной сети.
Другой беспроводной технологией, которая использует безлицензионный ISM диапазон 2.4 ГГц, является стандарт HomeRF 2.0. Его спецификация основана на протоколе совместного беспроводного доступа (Shared Wireless Access Protocol — SWAP), который интерфейс, поддерживающий беспроводные сети передачи аудио информации и данных в пределах здания.
Основанная на стандарте беспроводной связи IEEE 802.162004 технология WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) на сегодняшний день развивается стремительными темпами и, вероятно, будет играть ключевую роль в создании региональных сетей в ближайшем будущем. Она стандартизирована институтом IEEE как широкополосная беспроводная связь, дополняющая линии DSL и кабельные технологии в качестве альтернативного решения проблемы "последней мили" на больших расстояниях.
296
Основные технические параметры беспроводной передачи данных
Тип связи Инфракрасное излучение Bluetooth ZigBee Wireless USB IEEE 802.11Ь IEEE 802.1^ HomeRF 2.0
Диапазон частот Оптический 2,44652,4835 ГГц 868, 902, 2400 МГц 3,1-10,6 ГГц 2,4-2,4835 ГГц 2,4-2,4835 ГГц 2,4-2,4835 ГГц
Мощность передачи 100 мВт 100 мВт 1 мВт 1-100 мВт 100-500 мВт 10-100 мВт 100 мВт
Скорость передачи данных 4-16 Мбит/с 0,721-3 Мбит/с 250 Кбит/с 53,3-480 Мбит/с 11 Мбит/сек 54 Мбит/сек 20 Мбит/сек
Дальность 1 м 100 м 70 м 10 м 100 м 100-300 м 100-300 м
Количество устройств 2 8-256 65 536 127 255 255 127
Голосовые каналы 1 3 синхронных нет нет Передача голоса по Интернет-протоколу Передача голоса по Интернет-протоколу 6
Технология WiMAX обеспечивает широкий диапазон вариантов построения сети - от стационарных систем беспроводного доступа до двухточечных систем передачи масштаба предприятия.
Базовые характеристики стандарта 802.16 предусматривают дальность действия радиосвязи до 50 километров, покрытие с возможностью работы вне прямой зоны видимости и пиковую скорость обмена данными до 100 Мбит/с на сектор одной базовой станции и поддерживает динамически изменяемый канала - от 1.25 до 20 МГц. В отличие от рассмотренных выше методик организации беспроводных сетей, зона охвата которых в лучшем случае составляет сотни метров относительно точки доступа, WiMAX позволяет значительно увеличить расстояние между передатчиками и повысить мобильность соединения.
Технология, основанная на стандарте IEEE 802.20, описывает системы мобильного беспроводного широкополосного доступа которые можно использовать для развертывания сетей большого масштаба работает в диапазонах частот не выше 3.5 ГГц. Данная технология определяет сеть персонального асимметричного широкополосного доступа, способную обеспечить пропускную способность в канале по направлению к абоненту до 1-4 Мбит/с, и до 0.3-
1.2 Мбит/с от абонента при перемещении абонентских терминалов со скоростью до 250 км/ч, в том числе и вне зоны прямой видимости. Однако, использование её в условиях шахты и рудника ограничивает требуемая большая мощность.
Наибольшее распространение в мире получила сотовая сеть. Её развитие прошло несколько ступеней. Вначале она была аналоговой - поколение 1G: NMT (Nordic Mobile Telephone) и AMPS (Advanced Mobile Phone Service). Потом с 1985 года началась эра развития цифровой сотовой связи Поколение 2G: GSM (Global System for Mobile Communications). Далее, появились сотовые сети поколения 2G (GPRS - General Packet Radio Service),. поколение 2,75 G (EDGE - Enhanced data rates for GSM and TDMA/136 evolution), поколение 3G: (UMTS - Universal Mobile Telecommunications System), поколение 3,5G: (HSDPA - High Speed Downlink Packet Access), поколение 3,75G: (HSUPA - High Speed Uplink Packet Access), поколения 4G: (HSOPA - High Speed OFDM Packet Access). Однако, использование сотовой связи под землей невоз-
можно из-за большой стоимости, диапазона требуемых мощностей и необходимости.
В настоящее время на рынке имеются системы профессиональной цифровой мобильной радиосвязи стандарт TETRA, DECT. Наилучшие перспективы в цифровой транкинговой связи имеет стандарт TETRA. В России пока действуют и аналоговые решения
- оборудование SmarTrnnk II (Selectone), MPT 1327 и др, в связи с огромным парком установленных систем, относительно низкой стоимостью, простотой в обращении и обслуживании. Основная проблема цифровой транкинговой связи в России заключается в проблемах получения разрешений на использование соответствующих диапазонов частот. Системы технологической связи стандарта DECT, широко используются в промышленности. Их отличает высокая пропускная способность по абонентской нагрузке и отсутствие проблем электромагнитной совместимости со средствами автоматизированных систем управления на предприятии. В отличие от TETRA для установки и эксплуатации системы DECT не требуется предварительного выделения частот, а необходима лишь регистрация системы по упрощенной процедуре. Кроме того, системы DECT отличает простота монтажа, настройки и эксплуатации.
Остальные существующие технологии беспроводной передачи данных (оптической атмосферной, радиорелейной спутниковой связи) принципиально не могут быть использованы в подземном пространстве.
Современный уровень развития технологий беспроводной связи отражает возрастающие потребности общества в использовании недорогих универсальных телекоммуникационных мобильных устройств нового поколения. Однако, для внедрения беспроводных технологий в системы управления горного предприятия сдерживается необходимостью создания устройств, применимых к условиям горного производства и учитывающих особенность топологии выработанного пространства. На данный момент наблюдается огромный интерес в области разработки новейших беспроводных телекоммуникационных систем и создания самоорганизующихся сетей и систем связи для шахт и рудников.
299
Перспективные технологии беспроводной передачи данных и связи, подходящие для организации промышленной информационной сети под землей
Категория/ Технология/ Стандарт Дальность Скорость Назначение Достоинства Недостатки
Сети (WPAN): Bluetooth (802.15.1), ZigBee (802.15.4), NFC, Wibree, UWB, WiHD и др. 10-100 м 106 Кбит/с -5 Гбит/с Соединение электронных устройств, организация сетей, создание малых сетей и др. Не требуют частотных разрешений и сложных устройств Технологии не совместимы
Локальные сети (WLAN)/Wi-Fi/ /802.11 a, b, g 100-300 м 11 Мбит/c -54 Мбит/c ( Сети предприятий Широкое распространение, наличие стандартов, недорогие устройства Малый радиус действия, Мобильность ограничена невысокое качество телефонии и видео
Корпоративные сети (FBWA)/WiMax/802.16 До 20 км 23 Мбит/c Организация широкополосного радиоканала, «последней» мили Единый стандарт, возможность работы на отражениях при непрямой видимости, высокие скорости, мобильность Высокая стоимость оборудования ТОЛЬКО НА ПОВЕРХНОСТИ.
DECT 50-200 м 144 Кбит/c Телефония, организация радиодоступа систем микросото-вой связи Не требует частотных разрешений Низкая скорость передачи данных, ограничен радиус действия
В соответствии с системно-синергетической концепцией любую сложную открытую информационно-телекоммуника-ционную систему можно определить как самоорганизующуюся коммуникативную структуру. Такое определение и проведенные исследования в области синергетики и самоорганизации информационных и телекоммуникационных систем и сред подтверждаются в настоящее время резким ростом научного и прикладного практического интереса в следующих направлениях:
1. Построение гетерогенных многоячеистых самоорганизующихся сетей производственной направленности на основе беспроводных технологий передачи данных;
2. Создание новых методов и технологий беспроводной передачи мультимедийной информации и ее представления в системах обработки информации и управления;
3. Разработка новых методов персональной информационной поддержки специалистов и руководителей предприятия на базе современных мобильных средств коммуникации;
4. Разработка технологий мониторинга промышленной безопасности и оперативного управления в горной промышленности на базе беспроводных технологий.
В качестве примера рассмотрим некоторые перспективные возможности, которые открываются при широком распространении дешевой, надежной и безлицензионной технологии ZigBee связи (серия экспериментов проведенных в 2006 году институтом Г ипро-углеавтоматизация подтвердила, что частоты от 2 до 11 ГГц обеспечивают наилучшее распространение сигнала в условиях горных выработок угольной шахты.). Прежде всего - это использование стационарных автономных радиомодулей с низким энергопотреблением и интеллектуальными функциями в беспроводной самоорганизующейся сети для обмена информацией о перемещающихся мобильных устройствах в зонах доступа. В общем случае можно определить следующие перспективные направления научных исследований в области использования технологий беспроводной связи для организации и синтеза гетерогенных многоячеистых самоорганизующихся сетей, систем мониторинга безопасности, систем диспетчерского управления и систем оперативного управления горным производством. 1КШ
N.I. Fedunec, S.S. Kubrin
PROSPECTS AND PROBLEMS OF CONSTRUCTION OF THE AUTOMATED RADIO TELEMETERING CONTROL SYSTEMS OF TECHNOLOGICAL PROCESSES IN MINES AND MINES
Wireless data transmission actively extends on all planet. Most often it is used at connection of users to the Internet. Absence of wires, presence of an independent food raises mobility, both consumers, and information sources. Expenses on creation, updating and maintenance of an IT transport infrastructure of systems of an operational administration by the enterprise are considerably cut. Especially it is important for the objects having considerable spatial topology.
The modern level of development of technologies of a wireless communication reflects increasing requirements of a society for use of inexpensive universal telecommunication mobile devices of new generation. However introduction of wireless technologies in control systems of the mountain enterprise restrains necessity of creation of devices, applicable to conditions of mountain manufacture. Huge interest in the field of working out of the newest nanotechnology for creation of wireless telecommunication systems and self-organizing networks and communication systems for mines and mines is at present observed.
Key words: wireless data transmission, transport infrastructure, spatial topology, mountain manufacture, self-organizing networks and communication systems.
— Коротко об авторах -------------------------
Федунец Н.И. - доктор технических наук, профессор, Кубрин С.С. - доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, Moscow State Mining University, Russia, [email protected]
