Применение технологии IoT для автоматизации диагностики состояния заземлителей
ЕВДОКИМОВА Ольга Геннадьевна, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия
КУЦЕНКО Сергей Михайлович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», доцент, канд. техн, наук, Санкт-Петербург, Россия
МЕШКОВ Баир Александрович, Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, кафедра «Электрическая связь», студент, Санкт-Петербург, Россия
Ключевые слова: интернет вещей, единая система мониторинга и администрирования, автоматическое измерение сопротивления заземления, технологии LoRaWAN, «Стриж», NB-loT
Аннотация. В крупных компаниях, таких как ОАО «РЖД», наблюдается тенденция автоматизации процессов контроля за параметрами технических устройств, оказывающих влияние на качество услуг. С целью снижения трудозатрат эксплуатационного персонала, а также повышения эффективности и качества производственного процесса в инфраструктуре автоматики и связи предлагается применять оригинальный способ организации измерения сопротивления заземлителей и передачи результатов от автоматизированного измерителя в ЕСМА.
Сегодня большое распространение получили диагностические системы и комплексы, позволяющие заблаговременно исключать из работы узлы и агрегаты, выходящие из строя, не допуская тем самым перехода устройств в неработоспособное состояние. Например, контроль состояния стационарных радиостанций (PC) осуществляется посредством системы мониторинга и администрирования средств поездной радиосвязи СМА ПРС, входящей в единую систему мониторинга и администрирования ЕСМА [1]. Здесь неисправные блоки выявляются при помощи встроенных диагностических средств PC. Другой пример: модульные диагностические комплексы МДК производства ООО «КБ Пульсар-Телеком» определяют предотказные состояния кабельных линий связи, датчиков и другого оборудования [2].
Как известно, существенное значение в обеспечении защиты обслуживающего персонала, в ограничении напряжения на корпусе оборудования имеют заземления, сопротивление которых требуется контролировать. На практике сопротивление заземления обычно измеряется либо методом амперметра-вольтметра, либо с помощью токоизмерительных клещей [3]. Этим методам присущи наглядность и простота, тем не менее они имеют и недостатки. Первый метод довольно трудоемкий. Для его выполнения требуется непосредственное участие людей, он сопряжен с существенными затратами при работах на дальних дистанциях. Второй метод может напрямую применяться только в квазиэлектронных системах TN, образованных замыканием нейтрали на землю системы ТТ.
В последнее время разработан метод автоматического мониторинга сопротивления заземления [4], представляющий собой альтернативу традиционным методам измерения, и устройство [5], принцип действия которого основан на измерении тока и напряжения, под которые попадает заземляющее устройство при воздействии молниевых разрядов или переходных процессов, а также возникающих в высоковольтных цепях при различных переключениях.
Использование устройства для автоматического определения сопротивления заземления не только повышает точность измерения и дает возможность исключить фиктивное выполнение работы, но и вывести мониторинг состояния заземлителей в хозяйствах железнодорожной автоматики и связи на принципиально другой уровень. Результаты измерений, полученные с помощью автоматического измерителя, пригодны к цифровой обработке, хранению и передаче в единую сеть мониторинга.
Для съема информации о величине сопротивления заземления и ее трансляции в ЕСМА необходим тракт передачи. Причем интернет вещей значительно превосходит традиционные способы организации связи как проводные, так и беспроводные. Например, в отличие от проводных сетей при применении интернета вещей не нужно проводить кабельные системы к каждому датчику. А в сравнении с радиосвязью обеспечивается значительная автономность при достаточно большой дальности и простой архитектуре. Для передачи информации от измерителя целесообразно применять такие технологии, как LoRaWAN, «Стриж» и NB-loT.
LoRaWAN - технология интернета вещей, использующая протокол связи, системную архитектуру сети и модуляцию LoRa, предварительно стандартизированная в Российской Федерации [6].
Частотные диапазоны, в которых работает сеть, зависят от региона и направления передачи информации (к базовой станции или от нее). К основным диапазонам можно отнести EU868, EU433, US915, AS430 [7]. Дальность связи между базовой станцией и оконечными устройствами составляет 10 км на открытой местности и 1 км в городской черте [8].
Сетевая архитектура этой технологии (рис. 1) подразумевает, что каждое оконечное устройство может находиться в зоне действия нескольких шлюзов. Шлюзы при получении сообщений от узлов передают принятую информацию на сетевой шлюз, который ее обрабатывает и определяет, какой из них будет «общаться» с узлом. Полезная информация передается сетевым сервером на сервер приложений или в сеть по стеку протоколов TCP/IP [7].
Высокая пропускная способность сети достигается за счет применения алгоритмов, регулирующих скорость передачи данных
в зависимости от различных условий передачи, например, таких как мощность сигнала и соотношение сигнал/шум в точке приема. Скорость передачи данных задается коэффициентом расширения SF, значение которого может быть от 7 до 12. Причем при SF = 7 формируется самый помехонезащищенный режим с высокой скоростью передачи 5,5 кбит/с, при SF = 12 -самый защищенный режим со скоростью передачи 0,25 кбит/с [7]. Максимальная чувствительность шлюза составляет 141,9 дБм [8].
В LoRaWAN все конечные узлы разделены на три группы: А, В и С. В группе А после передачи от узла осуществляются два коротких сеанса приема. Прием в другое время не осуществляется, а передача производится по необходимости оконечного устройства. В группе В сеансы связи проходят как в группе А, но формируются дополнительные окна приема узлом. В группе С сеансы приема нисходящих каналов ограничены только сеансами передачи восходящих потоков.
Рекомендуется к применению шлюз LoRa Corecell (сеть малого радиуса, работающая в дуплексе), производимый на плате SX1302CSSXXXGW1, имеющий в диапазоне 868 МГц максимальную выходную мощность 27 дБм, максимальную чувствительность -140 дБм (при SF = 12) и -125 дБм (при SF = 7). Данный шлюз целесообразно использовать в местах, где на небольших расстояниях размещено большое количество датчиков, например, на крупных станциях.
«Стриж» - российская технология интернета вещей, базирующаяся на дифференциальной бинарной фазовой манипуляции DBPSK (Differential BPSK). «Стриж» использует не лицензируемые в РФ диапазоны: Ни868-для передачи на базовую станцию и RU433 - для передачи от базовой станции. При ширине канала 100 Гц возможно использование одновременно до 5000 каналов [9].
Скорость передачи данных варьируется в пределах от 50 бит/с до 25,6 кбит/с, дальность связи до 50 км при мощности передатчика до 25 мВт (14 дБм), предельная чувствительность базовой станции -158 дБм.
На выходе сети, построенной по технологии «Стриж», данные передаются по стеку TCP/IP (Ethernet) [10].
NB-loT (Narrow Band loT) -технология, по сути являющаяся этапом развития сотовых сетей в направлении интернета вещей, получившая разрешение на применение на территории Российской Федерации [11].
Сеть интернета вещей, реализованная с применением технологии NB-loT, может включать в себя уже введенные в эксплуатацию базовые станции LTE и GSM, ширина радиоканала которых соответственно равна 200 и 180 кГц. Возможны три варианта внедрения NB-loT в существующие сети [12]. Способы подключения NB-loT к существующим сетям проиллюстрированы на рис. 2, где частоты указаны в МГц. При этом на рис. 2, а показано, как организовано подключение к LTE вместо одного канала сотовой связи; на рис. 2,6- подключение к LTE в защитной зоне диапазона; на рис. 2, в - подключение к GSM вместо двух каналов сотовой связи.
Сеть NB-loT поддерживает двухнаправленную связь в режиме реального времени. Предельная чувствительность базовой станции достигает -127 дБм. Радиус действия в условиях города ограничивается 3 км, в то время как на открытых площадях может достигать 15 км. Для передачи данных от СПД к конечному потребителю используется протокол Ethernet. Сравнительные характеристики беспроводных систем приведены в таблице.
Из параметров, приведенных в таблице, видно, что технология LoRaWAN превосходит «Стриж» по разнообразию используемых диапазонов частот (4 против 1) и скорости передачи данных. Достоинством технологии LoRaWAN является также то, что она стандартизирована в РФ. Однако она уступает «Стрижу» по таким параметрам, как чувствительность базовой станции, дальность и ширина канала.
Следует отметить, что NB-loT по сравнению с LoRaWAN имеет преимущество в скорости передачи данных и дальности связи, но LoRaWAN обладает такими преимущественными параметрами, как ширина канала и чувствительность базовой станции.
На основании изложенного можно сделать выбор в пользу технологии LoRaWAN для создания сети передачи данных, включающей в себя диагностическую аппаратуру, устройства радиосвязи и оборудование коммутации с ЕСМА.
В роли устройств коммутации могут выступать модульные диагностические комплексы типов МДК-М6, МДК-М9 и мультисервисный мультиплексор СМК-30, производимые ООО «КБ Пульсар-Телеком» и широко применяемые на сети связи ОАО «РЖД». При использовании указанного оборудования сеть передачи данных будет иметь вид, показанный на рис. 3. Визуализация данных, поступающих от диагностических устройств, может быть выполнена в виде графиков, таблиц и др.
С помощью технологии интернета вещей предлагается создание системы диагностики состояния устройств заземления на перегоне. Для передачи в ЕСМА данных о состоянии заземляющих устройств следует использовать уже реализованную систему передачи данных на перегоне с применением пассивных оптических сплиттеров, дополнив ее базовыми станциями стандарта LoRaWAN, сетевым сервером и другим оборудованием.
Передача данных от базовой станции loT на железнодорожную станцию будет осуществляться системой перегонной связи ПДС-1 ООО «КБ Пульсар-Телеком». Данная система реализована на основе технологии пассивной оптической сети PON [13]. В этом случае базовую станцию необходимо подключить к Ethernet-коммутато-ру колонки оптической перегонной связи системы, а сетевой сервер LoRaWAN - к Ethernet-коммутато-ру шлюза.
Общий вид системы диагностики заземляющих устройств на перегоне представлен на рис. 4. Здесь приняты следующие обозначения: У1, У2, Уп - узлы связи, БС - базовая станция LoRaWAN, КПСС - колонка оптической перегонной связи, SPF - трансивер, Е-К - Ethernet-коммутатор.
В этой системе мониторинга измерители напряжения и тока (включены в состав автоматического измерителя) при возникновении блуждающих токов, воздействующих на заземлитель, определяют их величину в цифровом виде.
Следующим этапом является передача данных от измерителя сопротивления на узел сети интернета вещей. Приемопередатчик узла транслирует сообщение с использованием модуляции LoRaRF по радиоканалу на базовую станцию, реализованную, например, на микросхеме SX1257 [14].
После приема и детектирования сообщения базовая станция перекодирует его и передает на колонку оптической перегонной связи КПСО. С колонки данные передаются через трансивер и оптическое волокно на Ethernet-ком-мутатор ШПСО-14 и далее по FTP-кабелю - на сетевой сервер, обрабатываются и через коммутатор, например СМК-30, поступают в ЕСМА.
Сдерживающим фактором применения такой схемы может быть ограничение зоны покрытия базовых станций LoRaWAN, что может не позволить перекрыть смежные зоны между двумя точками (например, точками 1 и 2 на рис. 4).
В заключение отметим, что автоматизация диагностических мероприятий имеет крайне важное практическое значение. Применение устройств для автоматического измерения сопротивления заземлителя и современных технологий передачи данных в цифровую среду даст возможность реализовать непрерывный мониторинг состояния заземляющих устройств, способствующий более адекватной (реальной) оценке их
состояния и инфраструктуры автоматики и связи в целом, а также позволит сократить ручные операции персонала при измерениях.
СПИСОК источников
1. Васюк Д.С., Андрушко О.С. Мониторинг радиосвязи на Московской дороге // Автоматика, связь, информатика. 2007. № 12. С. 26-28.
2. КБ ПУЛЬСАР-ТЕЛЕКОМ: сайт. URL: https://www.pulsar-telecom.ru/ (дата обращения 08.09.2023).
3. Евдокимова О.Г., Шишигин С.Л., Куценко С.М., Мешков Б.А. Анализ методов измерения сопротивления заземлителей устройств автоматики и связи // Автоматика, связь, информатика. 2023. № 4. С. 27-30. DOI: 10.34649/АТ.2023.4.4.002
4. Борисова Н.С., Костроминов А.А., Ложкин P.O. Метод и устройство автоматического мониторинга сопротивления заземления // Научно-техническая конференция Санкт-Петербургского НТО РЭС им. А.С. Попова, посвященная Дню радио. 2021. Ns 1 (76). С. 214-216.
5. Пат. № 2736073 РФ G01R 27/20 Устройство для измерения сопротивления заземления / Костроминов А.М., Костроминов А.А., Ложкин P.O., Шишигин С.Л.; патентообладатель
ПГУПС. № 2020110420; заявл. 11.03.2020; опубл. 11.11.2020; Бюл. № 32.
6. ПНСТ 516-2021. Информационные технологии (ИТ). Интернет вещей. Спецификация LORAWAN RU. Действует с 01.07.2021 до 01.07.2024. М.: Стандартинформ, 2021.
7. LoRaWAN™ What is it? A technical overview of LoRa® and Lo
RaWAN™ / LoRa Aliance. 2015. 20 p. URL: https://www.tuv.com/content-me-dia-files/master-content/services/ products/1555-tuv-rheinland-lora-alli-ance-certification/tuv-rheinland-lora-alli-ance-certification-overview-lora-and-lo-rawan-en.pdf.
8. ETSITR 103 526 V1.1.1 (2018-04). System reference document (SRdoc); Technical characteristics for Low Power Wide Area Networks Chirp Spread Spectrum (LPWAN-CSS) operating in the UHF spectrum below 1 GHz: technical report. Valbonne -Sophia Antipolis, 2018. 54 p.
9. Роенков Д.Н., Яронова H.B. Технология «Стриж» и перспективы ее применения // Автоматика, связь, информатика. 2017. Ns 9. С. 9-12.
10. Стриж: официальный сайт. URL: https://strij.tech/ (дата обращения 09.09.2023).
11. ГОСТ Р 59026-2020. Информационные технологии (ИТ). Интернет вещей. Протокол беспроводной передачи данных на основе стандарта LTE в режиме NB-loT. Основные параметры. Введ. 01.01.2021. М.: Стандартинформ, 2020. 65 с.
12. LTE Evolutionfor loT Connectivity: Nokia white paper. Espoo, Finland: Nokia, 2017. 18 p. URL: https:// halberdbastion. сот/sites/ default/files/2017-06/ Nokia_LTE_Evolution_forJoT_Connec-tivity_White_ Paper.pdf.
13. Системы доступа объектов на перегоне на основе пассивных оптических сетей / С.И. Лапунов, И.Д. Блиндер, Д.В. Ананьев, Л.С. Левин // Автоматика, связь, информатика. 2020. № 4. С. 27-33.
14. Semtech : официальный сайт. URL: https://Semtech.com/ (дата обращения 10.09.2023).
