Беспроводное управление объектами: примеры реализации и практика использования

Авторы: В. Г. Беззуб, А. В. Лавшонок
Источник: ХVIII Международная научно – техническая конференция Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых 2018 г.

Повышение эффективности производства и снижение количества несчастных случаев в горнодобывающей отрасли во многом определяется возможностями и состоянием используемых систем добычи и подземных коммуникаций, в первую очередь систем беспроводной связи [3]. Подземные системы беспроводной связи должны обеспечивать передачу голосового трафика и информации, циркулирующей в автоматизированных системах дистанционного контроля и управления. Это требует внедрения в подземное пространство шахт самых современных технологий беспроводной связи, характеризующихся возможностью качественной передачи значительного объема оперативной информации с высокой надежностью системы. Своевременная и гарантированная передача технологической информации, а также сигналов аварийного оповещения каждому шахтеру, независимо от его положения в подземном пространстве шахты, возможна только в том случае, если в подземных механизмах создается единое радиопространство (радиопокрытие) для при условии, что у каждого шахтера есть персональная портативная радиостанция. Размеры зоны покрытия одной базовой станции при подземной разработке определяются комбинацией нескольких факторов, основными из которых являются: гипсометрия пласта, геометрия добычи, параметры устройства подачи антенны, но в любом случае они не превышают 300-350 м.

Рассмотрим основные типы беспроводных сетей:

• Wi-Fi (англ. Wireless Fidelity - «беспроводная точность») используется для создания стационарных компьютерных сетей высокой пропускной способности. Позволяет создавать сети в местах, где нельзя проложить кабель. Работает на частоте 2.4 ГГц, на расстояниях до 250 м.
• WiMAX (англ. Worldwide Interoperability for Microwave Access) - стандарт беспроводной связи, обеспечивающий широкополосную связь на значительные расстояния со скоростью, сравнимой с кабельными соединениями. Применяется для предоставления высокоскоростных сервисов передачи данных (до 70Мб / с) и телекоммуникационных услуг, использует высокочастотный диапазон радиоволн от 1,5 до 11 ГГц, максимальное расстояние - 48 км.
• ZigBee (название происходит от ячеистой структуры, которая похожа на структуру сот пчел) - название набора протоколов, применяемых в устройствах, где требуется большое время автономной работы и большая защищенность при низких скоростях передачи данных. Работает на частотах 800, 900 МГц, 2.4 ГГц, расстояние - до 1350 м. [1]
• Bluetooth (название произошло от фамилии средневекового короля Дании Харальда I Синезубого) - технология для обеспечения относительно экономного и дешевого радиосвязи между различными типами электронных устройств, таких как мобильные телефоны и аксессуары к ним, портативные и настольные компьютеры, принтеры. Используется частота 2,4 ГГц, максимальное расстояние составляет 100 м.
• Одним из возможных подходов к обеспечению необходимого радиопокрытия в подземной части шахты является использование систем микросотовой связи со стандартами Wi-Fi и WiMAX. Управление технологическими процессами в шахте не может основываться на системах связи общего пользования (таких как GSM или DECT), так как они имеют недостаточную безопасность.

Основные изготовители Wi-Fi оборудования: CiscoSystems, Intel, TexasInstruments и Рroxim. Решения по созданию многофункциональной информационной сети в рудничных условиях на основе технологии Wi-Fi предлагают компании НПФ «ГРАНЧ» (Россия) и BeckerMiningSystems (Германия). Достоинства: обеспечивают простое подключение абонентов, не требующее кабелей, а также мобильность, гибкость и масштабируемость сети, не требует знания сетевых технологий. Недостатки: незащищенность среды передачи. Дальность охвата является существенным показателем системы радиосвязи. На данный момент большинство беспроводных технологий широкополосной передачи данных требуют наличия прямой видимости между объектами сети. Обойти требование наличия «прямой видимости» (Line-of-Sight, LOS) позволяет использование метода модуляции с несколькими несущими, известного как мультиплексирование с ортогональным разделением частот.

Беспроводные сенсорные сети (WSN), обладают такими преимуществами:

1. простая конфигурация;
2. гибкость для сокращения или расширения диапазона мониторинга;
3. высокой отказоустойчивости и мобильности.

Они играют важную роль в мониторинге и анализе динамических, статических параметров окружающей среды. Однако, среда мониторинга в угольной шахте очень сложна и постоянно меняется, и простые скалярные данные, собираемые традиционными WSN, не отвечают требованиям комплексного мониторинга среды угольной шахты, что приводит к острой необходимости во внедрении информационного мультимедийного контента, в виде видео и аудио потоков и неподвижных изображений на основе сенсорной сети в угольных шахтах. На основе WSN были созданы беспроводные мультимедийные сенсорные сети (WMSN). Это новые типы сенсорных сетей, которые решают эту проблему. Узлы датчиков WMSN обычно включают в себя недорогие устройства, такие как камеры CMOS, микрофоны и другие дополнительные датчики, которые можно использовать для извлечения простых данных об окружающей среде. По сравнению с WSN, WMSN позволяет извлекать мультимедийные потоки, которые обычно информативны и могут использоваться для реализации подробного и точного мониторинга окружающей среды. Поэтому это идеальное и эффективное средство для обеспечения мультимедийного наблюдения в таких условиях, как подземные угольные шахты. За последние три десятилетия в горнодобывающей промышленности произошло несколько достижений, которые в основном были направлены на усовершенствование тяжелой техники, систем поддержки и оборудования для обеспечения безопасности. В последнее время акцент сместился в сторону разработки систем связи для повышения безопасности и возможности соединения. В этом контексте беспроводная сенсорная сеть (WSN) благодаря своей эффективности, скорости и применимости в чрезвычайных ситуациях вышла на первое место [1]. Актуальной задачей является создание надежной беспроводной системы в суровых условиях подземных шахт, в которой модели распространения радиоволн могут быть спрогнозированы. Недавние исследования показали, что подземный рудник представляет собой гибрид обычной и суровой среды, и показал, что модели распространения сигнала и критические параметры распространения беспроводного сигнала для помещения аналогичны сценарию подземного рудника на частоте 900 МГц, что указывает на то, что беспроводные точки, используемые в помещении могут быть модифицированы для использования в шахтах [2]. Сетевая структура системы мониторинга подземных угольных шахт показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Сетевая структура системы мониторинга подземных угольных шахт

С развитием микроэлектромеханических систем (MEMS), в настоящее время приемопередатчики, работающие на частоте 2,4 ГГц, доступны по разумной цене. Наилучшие характеристики таких приемопередатчиков при локализации в небольшом диапазоне обусловлены антенной высокой направленности и очень высокой рабочей частотой, что приводит к наличию относительно меньшего дополнительного шума.

Применение видеоконтрольных панелей, контроллеров и регулируемых электроприводов позволит значительно увеличить объем информации, поступающий автоматически из забоя горному диспетчеру, что существенно сократит объем телефонных переговоров диспетчера как в штатных, так и в нештатных ситуациях, переведя его работу на новый уровень. Дальнейшее развитие этого направления в перспективе даст возможность создания удаленного рабочего места машиниста комбайна. Появятся добычные и проходческие комплексы с удаленным управлением, что значительно повысит безопасность ведения горных работ.

Перечень ссылок

1. Fiscor, S.: Miners Quickly Adopt New Communication Systems, Coal Age- The Magazine for Mining and Processing Professionals, January 2011, pp. 2-6.
2. Qaraqea, K.A., Yarkanb, S., Guzelgozc, S., Arslan, H.: Statistical wireless channel propagation characteristics in underground mines at 900 MHz: A comparative analysis with indoor channels, Journal of Ad Hoc Networks, 2013, 11, (4), pp. 1472-1483.
3. Пахомов Г. И., Головин С. И., Калашников А. Д., Каширина Е. С., Тонких М. Ю. Технологии Wi-Fi и WiMAX в горной промышленности // Вестник ПНИПУ. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2011. №5.