ДонНТУ Портал магистров

Реферат по теме Сравнительный анализ использования беспроводных и проводных технологий для систем промышленной телекоммуникации

Содержание

Введение

В случае аварии в шахте спасательной службе важно знать, кто попал в аварию, их количество и точное местоположение. На 2009 год в Украине насчитывается 164 шахты, в которых работает около 235 тысяч человек. Большинство этих шахт подвержено сейсмическим явлениям, которые приводят к катастрофам. Поэтому важно не только вести учет людей, находящихся на опасном участке, но и отслеживать их местоположение в реальном времени. С технической стороны идентификация и отслеживание людей в выработке усложняется необходимостью соответствия приборов стандартам по взрыво- и искробезопасности, а так же наличием дополнительных помех (угольная пыль, искажение сигнала при прохождении через толщу грунта) [1][8].

1. Актуальность темы

Угледобывающая промышленность, как правило, характеризуется большим количеством капитальных инвестиций, стоимостью обслуживания. Для поддержания конкурентоспособности на мировом рынке необходимо прилагать усилия по снижению себестоимости продукции, что пробудило угледобывающую промышленность к автоматизации и оптимальному использованию оборудования за счет увеличения его доступности и производительности. Таким образом, постоянный мониторинг размещения оборудования, его технического состояния, и определения местоположения персонала позволит сделать угледобывающие предприятия жизнеспособными, конкурентоспособными и прибыльными. В случае аварийной ситуации, очень сложно определить какой персонал оказался «в ловушке», его количество и точное местоположение. Идентификация и кодирования персонала является жизненно важной для центра технического обслуживания телекоммуникационной сети специального назначения в аварийных ситуациях и нормальных условиях эксплуатации [1] [4].

2. Цель и задачи исследования

Целью работы: улучшение эффективности поиска работников горной промышленности в подземной части шахты.

Задачи работы:

Объектом исследования является распространение радиосигналов в подземной части шахты.

Планируемая научная и техническая новизна:

3. Обзор источников

На сегодняшний день существует несколько систем, позволяющих отслеживать местоположение людей в шахте. К сожалению, отечественные системы позиционирования довольно, закрыты и информации по ним, получить довольно трудно, но все же постараемся рассмотреть существующие. Каждая система имеет свои технические особенности.

3.1 Комплекс Умная шахта - ГОРНАСС

Комплекс Умная шахта это единая информационно-управляющая инфраструктура, предназначенная для мониторинга и управления любым технологическим оборудованием в шахте, обеспечения связи и сигнализации, наблюдения, оповещения и поиска людей, застигнутых аварией. Данный комплекс включает в себя системы:

Нас будет интересовать cистема беспроводной информационной инфраструктуры Granch SBGPS. Система связи ГРАНЧ, объединяющая все устройства, входящие в состав автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ), представляет собой локальную информационно-вычислительную сеть (LAN), использующую Internet - протокол (IP) на всех своих уровнях. Универсальность этого протокола позволяет применять стандартизированную аппаратуру и программное обеспечение для доступа к любому узлу системы - от датчика и исполнительного механизма до сервера. До настоящего времени в качестве физической среды передачи сигнала в этой системе использовались только проводные линии связи - медные либо оптические. Причем, скорость передачи информации по стандартному подземному телефонному кабелю в системе связи ГРАНЧ почти в тысячу раз выше, чем в любой другой существующей сегодня подземной системе, даже использующей специализированные медные пары. Это стало возможным благодаря использованию оригинальной технологии Granch SBNI - передачи данных по проводам. Такой скорости передачи информации более чем достаточно для решения любой подземной технологической задачи, что сделало нецелесообразным применение сложных в обслуживании оптических линий. Проблемой оставались только сами провода, привязывающие устройство или абонента к определенному месту. Сегодня мы предлагаем беспроводное расширение этой подземной локальной сети - Wireless-LAN ("WLAN"). Система основана на технологии WiFi (IEEE 802.11), как наиболее популярной и стремительно развивающейся технологии беспроводной связи.

Назначение системы:

Структура системы

Подземная инфраструктура SBGPS представляет собой структурированную систему базовых станций (БС, Access Points), связанные между собой как по проводам, так и по технологии Mesh-Net. Сеть учитывает непрерывные подключения и изменения конфигурации сети при возникновении проблем (неисправный узел или блокированный путь), выбирая оптимальный путь ("прыгая" от узла до узла, пока не будет достигнут адрес назначения). В Сети Mesh узлы связаны друг с другом, это полносвязанная сеть. Работа сетей Mesh - это подкласс мобильной сети, использующий принцип доступа к узлам в зависимости от сложившейся ситуации. Таким образом, при пропадании сигнала по проводной линии связи БС включает режим Ad-Hoc, и связывается с ближайшей работоспособной БС по беспроводному каналу.

Клиентская часть SBGPS может быть оборудована как стандартными устройствами связи в стандарте WiFi, так и специализированными устройствами оповещения SBGPS Light, представляющий собой индивидуальны шахтовый светильник, оборудованный голосовым процессором, датчиком метана и сетевым модулем WiFi, обеспечивающим постоянную связь с инфраструктурой. Для определения положения используется технология RTLS (Real Time Location Service) - определение координат в реальном времени.

Структурная схема системы «Умная Шахта»

Рисунок 1 – Структурная схема системы «Умная Шахта»

Основой системы является инфраструктура базовых станций (БС), обеспечивающая непрерывную зону радиопокрытия вдоль всех выработок. На прямых участках базовые станции располагаются через каждые 200...500 м. Базовые станции по проводным соединениям подключаются к контроллерам базовых станций, образуя кластер. Максимальное удаление базовых станций от контроллера кластера составляет до 2,5 км при питании от контроллера и до 10 км при подключении базовых станций к дополнительным источникам питания. Система может иметь произвольное количество кластеров, а также использовать гибридный способ соединения (чередование проводного и беспроводного соединений), то есть покрывать любое количество горных выработок.

Электропитание базовых станций осуществляется искробезопасным напряжением от контроллеров кластера БС. БС также оснащены резервными аккумуляторами, обеспечивающими автономную работу не менее 24 часов. Исполнение базовых станций РО. Удаление БС от контроллера кластера до 2000 метров.

Возможно применение беспроводных базовых станций-ретрансляторов с автономным электропитанием. Это позволяет развернуть или восстановить связь после аварии в кратчайшие сроки, например, при выполнении спасательных операций. Работа в этом направлении ведется совместно с ЦШ ВГСЧ [9].

3.2 Обзор комплекса позиционирования «Талнах»

Аппаратно-программный комплекс «Талнах» предназначен для построения систем горно-подземной радиосвязи и автоматизации на строящихся шахтах и рудниках, а так же для модернизации устаревших систем связи на действующих производствах. Комплекс обеспечивает надежную голосовую радиосвязь на поверхности и в подземной части шахт и рудников с выходом абонентов в производственно-технологическую сеть связи предприятия, а так же передачу данных от систем автоматизированного управления, видеонаблюдения и позиционирования персонала и техники.

В состав комплекса «Талнах» входят:

Структурная схема комплекса «Талнах»

Рисунок 2 – Структурная схема комплекса «Талнах»

На структурной схеме указаны следующие сокращения:

В основе комплекса оборудования «Талнах» лежит излучающий кабель. Излучающий кабель представляет собой коаксиальный высокочастотный кабель, имеющий во внешнем проводнике специальные отверстия, которые обеспечивают возможность радиоволнам «выходить» за границу внешнего проводника. Такой кабель сочетает в себе свойства фидерной линии и протяженной приемо-передающей антенны. Это техническое решение предоставляет уникальную возможность обеспечить основу для построения сетей связи различного назначения: систем конвенциональной радиосвязи, персонального радиовызова, промышленного телевидения, передачи данных, SCADA и др. [2]

3.3 Обзор комплекса позиционирования «Радиус – 2»

Рассмотрим другую систему «Радиус-2», которая отличается техническим решением от предыдущего комплекса. Данная система беспроводного подземного оповещения, персонального вызова, наблюдения и поиска людей, застигнутых аварией предназначена для обеспечения выполнения требований правил промышленной безопасности на подземных рудниках и шахтах, в том числе опасных по газу и пыли.

Система «Радиус-2» является комплексом, интегрирующим без значительных затрат в единой системе беспроводного подземного аварийного оповещения и персонального вызова новые дополнительные функции поиска людей, застигнутых аварией - подсистема «РадиусПоиск» наблюдения местонахождения людей в шахте и автоматический табельный учет - подсистема «РадиуСкан».

Радио метки, встроенные в «Radius Mine Radio Locator», излучают специальные сигналы, позволяющие определить местонахождение шахтеров в аварийной ситуации через горную массу от 5 до 15 метров. Максимальная дальность обнаружения - до 50 метров при прямой видимости. Точность обнаружения 1м.

Подсистема «РадиуСкан», входящая в состав многофункциональной системы «Радиус-2», является аппаратно-программным комплексом, предназначенным для наблюдения и определения местоположения персонала в подземных выработках в реальном времени с точностью до участка горных выработок, для контроля доступа и учета рабочего времени, а так же для построения единой многофункциональной системы безопасности на базе единой цифровой подземной сети связи.

Структурная схема комплекса «Радиус-2»

Рисунок 3 – Структурная схема комплекса «Радиус-2»

Подсистема «РадиуСкан» предназначена для применения в подземных выработках шахт и рудников, в том числе опасных по газу и пыли.

Для наблюдения местоположения подземного персонала шахты, контроля доступа и учета рабочего времени применяется технология радиочастотной идентификации с использованием активных и пассивных RFID-меток.

Система датчиков связана между собой в полносвязную сеть через технологию ZigBee, что позволяет в случае выхода из строя одного из датчиков, охватить его зону покрытия соседствующими датчиками. В основу сетей ZigBee положен стандарт беспроводной связи малого радиуса действия IEEE 802.15.4. Так же устройствам на технологии ZigBee требуется низкое энергопотребление, что в случае с шахтой является большим плюсом.

В составе подсистемы применена волоконно-оптическая линия связи. Использование волокна обеспечивает связь между считывающими терминалами на значительном удалении (до 20 км) друг от друга без повторительных устройств. Волоконно-оптическую линию связи подсистемы «РадиуСкан» можно использовать для передачи данных, телефонной, мобильной связи в шахте и на поверхности [3].

4. Применение совместного использования Zigbee технологии с RFID метками

Анимация отслеживания передвижения шахтера в подземной части шахты»<br>(анимация: 9 кадров, задержка между кадрами 0,5 с, количество циклов воспроизведения 9, размер 43 Кбайт, Easy GIF Animator)

Анимация отслеживания передвижения шахтера в подземной части шахты
(анимация: 9 кадров, задержка между кадрами 0,5 с, количество циклов воспроизведения 9, размер 43 Кбайт, Easy GIF Animator)

Принцип работы телекоммуникационной сети в подземной части шахты заключается в следующем. При входе в лифт для спускания в выработку, шахтер одевает оборудование и в том числе каску в ламповой. В этой каске находится активная RFID метка. При выходе из ламповой стоят RFID сканеры (датчики), которые считывают, что такой-то человек спустился в шахту, а так же время, в которое он спустился. Кстати так же можно оборудовать все инструменты такими же метками, чтобы отслеживать их эксплуатацию.

Диспетчерская благодаря этим считывателям знает, кто спустился в шахту, а так же ведется табельный учет, что так же упрощает работу. По всей выработке расставлены датчики (на расстоянии друг от друга от 30 до 50м). Эти датчики подключены через оптический кабель к промышленному коммутатору. После промышленного коммутатора, датчики подключаются к серверу баз данных, где хранятся архивы данных. И уже потом подключаются к диспетчерской. Неоспоримым преимуществом оптоволоконной линии связи является искробезопастность, помехоустойчивость и качество связи.

Все датчики соединены между собой через ZigBee соединение, которое позволяет организовывать полносвязную сеть. В нашем случае это очень важный момент, так как выход из строя одного участка сети, не должен влиять на всю сеть в целом. Шахтер, передвигаясь по шахте, будет постоянно переподключаться к разным датчикам. В случае обвала, датчик передает данные о том, что случился обвал, а так же множество других данных, таких как состояние окружающей среды и состояние шахтеров [6].

Выводы

В ходе выполнения работы были рассмотрены несколько основных систем позиционирования людей в подземной части шахты, в странах СНГ с указанием преимуществ и недостатков каждого из них. Так же были сформулированы цели и задачи на магистерскую работу.

И предложена идея совместного использования таких технологий как RFID и ZigBee в подземной части шахты для идентифицирования работников горной промышленности в случае обвалов, а так же ведение табельного учета персонала и оборудования.

Список источников

  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.

Важное замечание

На момент написания данного реферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: январь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанного срока.