ДонНТУ Портал магістрів

Реферат за темою "Порівняльний аналіз використанням дротових і бездротових технологій промислового телекомунікації"

Зміст

Вступ

У разі аварії в шахті рятувальній службі важливо знати, хто потрапив в аварію, їх кількість і точне місце знаходження. На 2009 рік в Україні налічується 164 шахти, в яких працює близько 235 тисяч людей. Більшість цих шахт схильне сейсмічним явищам, які призводять до катастроф. Тому важливо не тільки вести облік людей, що знаходяться на небезпечній ділянці, але й відстежувати їх місце знаходження в реальному часі. З технічного боку ідентифікація і відстеження людей у виробці ускладнюється необхідністю відповідності приладів стандартам по вибухо- та іскробезпеці, а так само наявність додаткових перешкод (вугільний пил, спотворення сигналу при проходженні через товщу грунту) [1][8].

1. 1. Актуальність теми

Вугледобувна промисловість, як правило, характеризується великою кількістю капітальних інвестицій, вартістю обслуговування. Для підтримки конкурентоспроможності на світовому ринку необхідно докладати зусилля щодо зниження собівартості продукції, що пробудило вугледобувну промисловість до автоматизації та оптимального використання обладнання за рахунок збільшення його доступності та продуктивності. Таким чином, постійний моніторинг розміщення обладнання, його технічного стану, і визначення місця розташування персоналу дозволить зробити вугледобувні підприємства життєздатними, конкурентоспроможними і прибутковими. У випадку аварійної ситуації дуже складно визначити хто з персоналу опинився "в пастці", їх кількість і точне місце знаходження. Ідентифікація та кодування персоналу є життєво важливими для центру технічного обслуговування телекомунікаційної мережі спеціального призначення в аварійних ситуаціях і нормальних умовах експлуатації [1][4].

2. 2. Мета і завдання дослідження

Метою роботи є поліпшення ефективності пошуку працівників гірничої промисловості в підземній частині шахти.

Завдання роботи:

Об'єктом дослідження є поширення радіосигналів в підземній частині шахти.

Наукова і практична новизна:

3. Обзор джерел

На сьогоднішній день існує декілька систем, що дозволяють відстежувати місце знаходження людей у шахті. Нажаль, вітчизняні системи позиціонування досить закриті та інформацію про них отримати досить важко, але все ж постараємося розглянути існуючі. Кожна система має свої технічні особливості.

3.1 Обзор комплексу "Розумна шахта" - ГОРНАСС

Комплекс Розумна шахта це єдина інформаційно-керуюча інфраструктура, призначена для моніторингу та управління будь-яким технологічним обладнанням в шахті, забезпечення зв'язку та сигналізації, спостереження, оповіщення та пошуку людей, захоплених аварією. Даний комплекс включає в себе системи:

Нас цікавитиме cистема бездротової інформаційної інфраструктури Granch SBGPS. Система зв'язку ГРАНЧ, яка об'єднує всі пристрої, що входять до складу автоматизованої системи оперативно-диспетчерського управління (АСОДУ), являє собою локальну інформаційно-обчислювальну мережу (LAN), що використовує Internet - протокол (IP) на всіх своїх рівнях. Універсальність цього протоколу дозволяє застосовувати стандартизовану апаратуру і програмне забезпечення для доступу до будь-якого вузла системи - від датчика і виконавчого механізму до сервера. До теперішнього часу в якості фізичного середовища передачі сигналу в цій системі використовувалися тільки провідні лінії зв'язку - мідні або оптичні. Причому, швидкість передачі інформації за стандартним підземному телефонному кабелю в системі зв'язку ГРАНЧ майже в тисячу разів вище, ніж у будь-який інший існуючої сьогодні підземної системі, навіть використовує спеціалізовані мідні пари. Це стало можливим завдяки використанню оригінальної технології Granch SBNI - передачі даних по проводах. Такої швидкості передачі інформації більш ніж достатньо для вирішення будь підземної технологічного завдання, що зробило недоцільним застосування складних в обслуговуванні оптичних ліній. Проблемою залишалися тільки самі дроти, які прив'язують пристрій або абонента до певного місця. Сьогодні ми пропонуємо бездротове розширення цієї підземної локальної мережі - Wireless-LAN ("WLAN"). Система заснована на технології WiFi (IEEE 802.11), як найбільш популярною і стрімко розвивається технології бездротового зв'язку.

Призначення системи:

Структура системи

Підземна інфраструктура SBGPS являє собою структуровану систему базових станцій (БС, Access Points), пов'язані між собою як по проводах, так і за технологією Mesh-Net. Мережа враховує безперервні підключення та зміни конфігурації мережі при виникненні проблем (несправний вузол або блокований шлях), вибираючи оптимальний шлях ("стрибаючи" від вузла до вузла, поки не буде досягнутий адресу призначення). У Мережі Mesh вузли пов'язані один з одним, це полносвязанная мережу. Робота мереж Mesh - це підклас мобільної мережі, що використовує принцип доступу до вузлів залежно від ситуації, що склалася. Таким чином, при пропажі сигналу по провідної лінії зв'язку БС включає режим Ad-Hoc, і зв'язується з найближчій працездатною БС по бездротовому каналу.

Клієнтська частина SBGPS може бути обладнана як стандартними пристроями зв'язку в стандарті WiFi, так і спеціалізованими пристроями оповіщення SBGPS Light, що представляє собою індивідуальні шахтний світильник, обладнаний голосовим процесором, датчиком метану і мережевим модулем WiFi, що забезпечує постійний зв'язок з інфраструктурою. Для визначення положення використовується технологія RTLS (Real Time Location Service) - визначення координат в реальному часі.

Структурна схема системи "Розумна Шахта"

Рисунок 1 - Структурна схема системи "Розумна Шахта"

Основою системи є інфраструктура базових станцій (БС), що забезпечує безперервну зону радіопокриття уздовж всіх виробок. На прямих ділянках базові станції розташовуються через кожні 200 ... 500 м. Базові станції по дротових з'єднанням підключаються до контролерів базових станцій, утворюючи кластер. Максимальне видалення базових станцій від контролера кластера становить до 2,5 км при живленні від контролера і до 10 км при підключенні базових станцій до додаткових джерел живлення. Система може мати довільну кількість кластерів, а також використовувати гібридний спосіб з'єднання (чергування дротового і бездротового з'єднань), тобто покривати будь-яку кількість гірських виробок.

Електроживлення базових станцій здійснюється іскробезпечним напругою від контролерів кластера БС. БС також оснащені резервними акумуляторами, які забезпечують автономну роботу не менше 24 годин. Виконання базових станцій РВ. Видалення БС від контролера кластера до 2000 метрів.

Можливе застосування бездротових базових станцій-ретрансляторів з автономним електроживленням. Це дозволяє розгорнути або відновити зв'язок після аварії в найкоротші терміни, наприклад, при виконанні рятувальних операцій. Робота в цьому напрямку ведеться спільно з ЦШ ДВГРС [9].

3.2 Обзор комплексу позиціонування "Талнах"

Апаратно-програмний комплекс "Талнах" призначений для побудови систем гірничо-підземного радіозв'язку та автоматизації на шахтахта рудниках, а так само для модернізації застарілих систем зв'язку на діючих виробництвах. Комплекс забезпечує надійний голосовий радіозв'язок на поверхні і в підземній частині шахт і копалень з виходом абонентів у виробничо-технологічну мережу зв'язку підприємства, а так само передачу даних від систем автоматизованого управління, відеоспостереження та позиціонування персоналу та техніки.

До складу комплексу "Талнах" входять:

Структурна схема комплексу "Талнах"

Рисунок 2 – Структурна схема комплексу "Талнах"

На структурній схемі вказані такі скорочення:

В основі комплексу обладнання "Талнах" лежить випромінюючий кабель. Випромінюючий кабель являє собою коаксіальний високочастотний кабель, що має в зовнішньому провіднику спеціальні отвори, які забезпечують можливість радіохвилям "виходити" за кордон зовнішнього провідника. Такий кабель поєднує в собі властивості фідерної лінії і протяжної приймально-передавальної антени. Це технічне рішення надає унікальну можливість забезпечити основу для побудови мереж зв'язку різного призначення: систем конвенційної радіозв'язку, персонального радіовиклику, промислового телебачення, передачі даних, SCADA та ін [2].

3.3 Обзор комплексу позиціонування "Радіус-2"

Розглянемо іншу систему "Радіус-2", яка відрізняється технічним рішенням від попереднього комплексу. Дана система бездротового підземного оповіщення, персонального виклику, спостереження і пошуку людей, захоплених аварією, призначена для забезпечення виконання вимог правил промислової безпеки на підземних рудниках і шахтах, у тому числі небезпечних по газу і пилу.

Система "Радіус-2" є комплексом, інтегруючим без значних витрат в єдиній системі бездротового підземного аварійного оповіщення та персонального виклику нові додаткові функції пошуку людей, захоплених аварією - підсистема "РадіусПоіск" спостереження місцезнаходження людей у шахті і автоматичний табельний облік - підсистема "РадіуСкан" .

Радіомітки, вбудовані в "Radius Mine Radio Locator", випромінюють спеціальні сигнали, що дозволяють визначити місцезнаходження шахтарів в аварійній ситуації через гірську масу від 5 до 15 метрів. Максимальна дальність виявлення - до 50 метрів за прямої видимості. Точність виявлення 1м.

Підсистема "РадіуСкан", що входить до складу багатофункціональної системи "Радіус-2", є апаратно-програмним комплексом, призначеним для спостереження і визначення місця розташування персоналу в підземних виробках в реальному часі з точністю до ділянки гірських виробок, для контролю доступу та обліку робочого часу, а так само для побудови єдиної багатофункціональної системи безпеки на базі єдиної цифрової підземної мережі зв'язку.

Cтруктурна схема комплексу "Радіус-2"

Рисунок 3 – Структурна схема комплексу "Радіус-2"

Підсистема "РадіуСкан" призначена для застосування в підземних виробках шахт і копалень, у тому числі небезпечних по газу і пилу.

Для спостереження місця розташування підземного персоналу шахти, контролю доступу та обліку робочого часу застосовується технологія радіочастотної ідентифікації з використанням активних і пасивних RFID-тегів.

Система датчиків пов'язана між собою в повнозв'язну мережу через технологію ZigBee, що дозволяє в разі виходу з ладу одного з датчиків, охопити його зону покриття сусідніми датчиками. В основу мереж ZigBee покладений стандарт бездротового зв'язку малого радіусу дії IEEE 802.15.4. Так само пристроям на технології ZigBee потрібно низьке енергоспоживання, що у випадку з шахтою є великим плюсом.

У підсистемі застосована волоконно-оптична лінія зв'язку. Використання волокна забезпечує зв'язок між зчитувальними терміналами на значній відстані (до 20 км) один від одного без повторюючих пристроїв. Волоконно-оптичну лінію зв'язку підсистеми "РадіуСкан" можна використовувати для передачі даних, телефонного, мобільного зв'язку в шахті і на поверхні [3].

4. Застосування спільного використання Zigbee технології з RFID мітками

Анімація відстеження пересування шахтаря в підземній частині шахти"<br> (анімація: 9 кадрів, затримка між кадрами 0,5 с, кількість циклів відтворення 9, розмір 43 Кбайт, Easy GIF Animator)

Анімація відстеження пересування шахтаря в підземній частині шахти
(анімація: 9 кадрів, затримка між кадрами 0,5 с, кількість циклів відтворення 9, розмір 43 Кбайт, Easy GIF Animator)

Принцип роботи телекомунікаційної мережі в підземній частині шахти полягає в наступному. При вході в ліфт для спускання у виробку, шахтар одягає обладнання, у в тому числі каску з лампою (назвемо це приміщення "ламповою"). У цій касці знаходиться активна RFID мітка. При виході з лампової стоять RFID сканери (датчики), які зчитують, що така-то людина спустилася в шахту, а також час, у який вона спустилася. До речі так само можна обладнати всі інструменти, такими ж мітками, щоб відслідковувати їх експлуатацію.

Диспетчерська завдяки цим зчитувачам знає, хто спустився в шахту, так само ведеться табельний облік, що також спрощує роботу. По всій виробки розставлені датчики (на відстані один від одного від 30 до 50м). Ці датчики підключені через оптичний кабель до промислового комутатора. Після промислового комутатора датчики підключається до сервера баз даних, де зберігається архіви даних. І вже потім підключається до диспетчерської. Незаперечною перевагою оптоволоконної лінії зв'язку є іскробезопастності, поміхостійкість і якість зв'язку.

Всі датчики з'єднані між собою через ZigBee-з'єднання, яке дозволяє організовувати повнозв'язну мережу. У нашому випадку це дуже важливий момент, оскільки виход з ладу однієї ділянки мережі, не повинен впливати на всю мережу в цілому. Шахтар, пересуваючись по шахті, буде постійно перепідключатись до різних датчиків. У разі обвалу, датчик передає дані про те, що трапився обвал, а так само безліч інших даних, таких як стан навколишнього середовища та стан шахтарів [6].

Висновки

Всі датчики з'єднані між собою через ZigBee-з'єднання, яке дозволяє організовувати повнозв'язну мережу. У нашому випадку це дуже важливий момент, оскільки виход з ладу однієї ділянки мережі, не повинен впливати на всю мережу в цілому. Шахтар, пересуваючись по шахті, буде постійно перепідключатись до різних датчиків. У разі обвалу, датчик передає дані про те, що трапився обвал, а так само безліч інших даних, таких як стан навколишнього середовища та стан шахтарів.

Запропонована ідея спільного використання таких технологій як RFID та ZigBee в підземній частині шахти, для ідентифікування працівників гірничої промисловості у разі обвалів, а також ведення табельного обліку персоналу та обладнання.

Список джерел

  1. Про затвердження Правил безпеки у вугільних шахтах: Закон Украіни від 07.09.2011 N 960 // Офіційний вісник України. – 2011. – № 62 – Режим доступу: http://zakon2.rada.gov.ua/свободный. — Загл. с экрана.
  2. Статья о подземном комплексе "Талнах" / Запорощенко Д.В. Режим доступу: http://www.tek-ua.com/ свободный. — Загл. с экрана.
  3. Научно-внедренческий инженерный центр "Радиус" [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.radius-nvic.ru свободный. — Загл. с экрана.
  4. Статья о "Применение технологии ZigBee для идентификации персонала горнодобывающих предприятий" / В.Я. Воропаева (канд. техн. наук, доц.), Р.Ш. Абрамов Режим доступу: http://masters.donntu.ru/ свободный. — Загл. с экрана.
  5. Статья о "Исследование процесса распространения радиоволн в телекоммуникационных сетях специального назначения" / В.В. Турупалов (канд. техн. наук, проф.), И.А. Молоковский (асп.), Р.Ш. Абрамов Режим доступу: http://masters.donntu.ru/ свободный. — Загл. с экрана.
  6. Преимущества и ограничения RFID технологии [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.itproject.ru свободный. — Загл. с экрана.
  7. Правила безопасности в угольных шахтах: Постановление Госгортехнадзора России № 50 / Начальник Госгортехнадзора России В.М. Кульечев. – М.: Москва – 2004. – 134 с.
  8. Краткий теоретический курс по технологии беспроводных сетей ZigBee [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://indemsys.ru/ свободный. — Загл. с экрана.
  9. Сайт компании НПФ Гранч [Электронный ресурс]. Режим доступа: Система Умная шахта свободный. — Загл. с экрана.

Важливе зауваження

На момент написання даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: січень 2014 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора роботи або його наукового керівника після зазначеного терміну.