Сергей Гужов, к.т.н., руководитель отд. электротехнического направления, ООО «Берегун» |
Введение
На протяжении всего ХХ-го в. наблюдалась чёткая тенденция развития и расширения систем, заменяющих рутинные действия человека на труд машин. Разумная автоматизация позволяет управлять техническими комплексами, затрачивая при этом минимум усилий. При управлении достаточно большими или распределёнными по территории техническими комплексами и системами на помощь человеку приходят различные системы дистанционного контроля и управления.
Примечательно, что одно из первых устройств для дистанционного управления было запатентовано Николой Теслой в 1893 г.
В настоящее время дистанционно можно управлять самыми различными приборами: от телевизора и DVD-проигрывателя до космических станций. Тема эта слишком широка и многогранна. В данной статье будет освещена только одна часть этой темы — беспроводные системы управления установками уличного и тоннельного освещения.
Беспроводное решение определяется как возможность инициировать действия или осуществлять связь с источником света при помощи радиочастотных (РЧ) или инфракрасных волн. Для выполнения какого-либо действия необходимы, по меньшей мере, два устройства: передатчик и приемник сигнала. При этом одно из них или они оба могут работать как приемопередатчики. Началом появления РЧ-технологии можно считать изобретение радио, но вплоть до недавнего времени эта технология не применялась при автоматизации установок освещения улиц. Как отмечают некоторые специалисты, несмотря на значительные изменения, происходящие во многих отраслях промышленности, в индустрии средств управления уличным и тоннельным освещением беспроводные устройства пока еще не находят заметного применения. Однако даже пробные внедрения производят впечатляющий эффект как по экономическому критерию, так и по функциональным возможностям.
Практические примеры беспроводных решений
Одно из заметных пробных решений было осуществлено в Осло (Норвегия), когда заменили 55 тыс. уличных светильников (см. рис. 1). Старые электромагнитные дроссели были заменены электронными ПРА с применением технологии передачи данных по линям электросети (Power Line Communications — PLC). Технология PLC позволила использовать уже имеющуюся в наличии электропроводку, снизив расходы на модернизацию. Управление всеми сегментами системы и регулирование уличных светильников осуществлялось через ретрансляторы с единого контрольного поста. В процессе работы фиксировалось энергопотребление каждого источника света, информация о плотности дорожного движения и о погодных условиях.
Благодаря новой технологии город снизил энергопотребление уличных осветительных установок (УОУ) на 62%, из которых две трети экономии энергии было получено за счет применения передовых на тот момент источников света и одна треть — за счет сокращения времени использования ламп. Ожидается, что варьирование уровня освещения в зависимости от погодных условий позволит городу экономить дополнительно 10—15% энергии.
Система уличного освещения на базе такой технологии освещает также улицы исторического квартала Квебека (Канада). Особенностью данного проекта является возможность обеспечивать сокращение энергопотребления в часы пиковой нагрузки по запросу энергетических компаний. Выключая декоративное освещение, диммируя уличные светильники или отключая на время неответственное освещение, управление электрических сетей эффективно снижает уровень энергопотребления в целом по городу (см. рис. 2). Сэкономленная таким образом энергия предоставляется в распоряжение энергетических компаний. Метод особенно эффективен в зимнее время при низких температурах и коротком световом дне, когда энергопотребление достигает своего максимума. Новая система позволила сэкономить 30% энергии.
В июне 2007 г. в г. Милтон Кейнес (Англия) осуществили первый пробный запуск системы на 400 источников света. Каждый уличный светильник снабжен современным электрическим дросселем, в который интегрирован PLC-трансивер (см. рис. 3). Трансивер сообщается с ретрансляторами, которые, в свою очередь, управляют отдельными секторами системы и связаны с центром контроля, собирающим данные о каждом отдельном светильнике относительно энергопотребления, состояния и сообщения об ошибках. Новая система уже сейчас позволила сократить энергопотребление на 40%. Заметно повысился уровень общественной безопасности и снизились расходы на техобслуживание.
В Китае планируется установить управляющие системы не в городах, а для освещения нескольких основных транспортных линий в дельте Янцзы. Это будет первое в мире применение открытой системы на базе IP для автомагистралей и мостов. Для контроля сегментов трансиверами оснащены более 1500 контрольных точек системы.
Перечисленные примеры далеко не единственные в мире. Многие города во Франции, Германии, Ирландии, Италии, Нидерландах, Норвегии, Испании уже используют подобные технологии в системах уличного освещения. В среднем, сокращение энергопотребления городов составляет около 40%.
Рис.1.Схема простейшего подключения «один к одному» |
Рис. 2. Схема подключения «один ко многим» |
Рис. 3. Схема соединения светильников «многие к одному» |
Преимущества беспроводных систем
Исходя из приведенных примеров, очевиден экономический эффект от применения даже систем управления на основе проводных систем. Каковы же принципиальные отличия беспроводных систем управления уличным освещением, и какие выгоды сулит использование новых технологий?
Название говорит само за себя: сигнал от передающего устройства к принимающему идет по радиоканалу. Отсутствие необходимости прокладки дополнительных проводов чрезвычайно важно для больших открытых территорий: сотни метров проложенного кабеля — это значительные капиталовложения, некрасивый дизайн при прокладке по воздуху. Прокладка электропроводки требует больших усилий и средств, поскольку провод должен быть заключен в специальную стальную трубу, под которую в земле сооружается траншея. Это длительный и дорогостоящий процесс.
Радиоканал, в отличие от провода, подвержен только точечным помехам. Первоначально это препятствовало значительному распространению радиоканала. Однако в настоящее время современные цифровые технологии позволяют успешно противостоять подобным воздействиям и обеспечивать надежную и бесперебойную связь между устройствами системы.
При использовании РЧ-технологий отпадает необходимость в достаточно дорогом приёмо-передающем устройстве на 220 В. Кроме того, количество источников света, управляемых по системе PLC, ограничено длиной самой 220-В линии, которая в среднем составляет около 1 км (35 светильников). Для управления следующим каскадом светильников необходимо ещё одно приёмо-передающее устройство. При управлении посредством РЧ-технологий такие проблемы полностью исключаются.
Топология и стандарты беспроводных сетей
До недавнего времени иерархия большинства беспроводных систем делилась на три типа в зависимости от характера подключения: «один к одному», «один ко многим» и «многие к одному» (см. рис. 1—3, соответственно). При подключении «один к одному» беспроводной датчик сигнализирует одному контроллеру; при подключении «один ко многим» один датчик передает информацию многим контроллерам; при подключении «многие к одному» несколько беспроводных датчиков пересылают информацию одному контроллеру.
Тип и значение передаваемой информации различны: освещённость, наличие и интенсивность движения на дороге, влажность, температура и другие параметры. При этом в обычной системе УОУ появляются дополнительные возможности. В некоторых случаях такие устройства могут обеспечивать беспроводное подключение устройств системы автоматизированного контроля и управления, сопряжённой с системой видеонаблюдения.
Беспроводная РЧ-связь и методы организации беспроводных сетей опираются на такие технологии как цифровая коммутация пакетов, рассеянная передача по полосе частот (шумоподобная передача), сотовая телефония и т.д. Широко известны два основных стандарта локальных беспроводных сетей.
Первый, существующий уже 12 лет стандарт беспроводной связи 802.11b, определенный Институтом инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), предусматривает работу на частоте 2,4 ГГц со скоростью передачи 11 Мбит/с на расстояния до 100 м. Второму стандарту (IEEE 802.11a) всего два года. Он определяет функционирование устройств на частоте 5 ГГц при скорости передачи 54 Мбит/с и дальности подключения опять-таки до 100 м.
Стандарт Bluetooth, получивший обозначение IEEE 802.15, был разработан группой Bluetooth Special Interest Group. Он также определяет передачу данных на скорости 721 Кбит/с на частоте 2,4 ГГц и расстоянии до 10 м.
Помимо этих двух основных стандартов, в разработке находятся несколько других спецификаций семейства 802.
Ограничения на применение беспроводных сетей
Многие предприятия, имеющие уличное освещение, были бы не прочь использовать радиосвязь для его автоматизации. Однако большая часть используемых в таких системах светильников заключена в металлические корпуса, разнесена на большие расстояния, частично находится в тоннелях или за металлическими и железобетонными сооружениями, что создает сильные радиопомехи или затрудняет эксплуатацию.
С ростом числа устройств, объемов передаваемых данных и с появлением дополнительных источников помех происходит снижение уровня сигнала и пропускной способности как в проводных, так и в беспроводных сетях. Однако нередко беспроводное оборудование позволяет преодолеть эти и другие физические препятствия.
Препятствия и находящиеся вблизи некоторые материалы, например металлические или железобетонные стены, воздушные ЛЭП, работающие электродвигатели, движущиеся металлические и другие объекты инфраструктуры города создают помехи, ослабляют, отражают, а иногда и блокируют передаваемые сигналы. Например, при установке беспроводного датчика на стене, содержащей крупную балку из конструкционной стали, расстояние уверенной связи устройства может сократиться на 50% . Беспроводные устройства могут быть также чувствительными к радиопомехам от других беспроводных сетей, работающих в той же полосе частот: от беспроводных телефонов, широкополосных передатчиков, радиопереговорных устройств и др.
Нередко для решения этих и других нетривиальных проблем приглашаются специалисты по беспроводной связи, которые выполняют обследование условий эксплуатации, определяют точки доступа, места установки вспомогательных антенн и прочих компонентов, необходимых для работы данной системы.
Ячеистые и другие типы беспроводных сетей в сфере управления
Несмотря на то, что беспроводная технология, организованная по схеме «датчик-ретранслятор-приёмник», является очень перспективной, она не может решить всех проблем управления системами УОУ в силу достаточно сложной иерархической структуры. Одним из последних решений в области упрощения структуры систем беспроводной связи являются т.н. «ячеистые сети».
Ячеистые сети обеспечивают большую надежность, чем сети другого типа, т.к. при выходе из строя одного из узлов другие узлы остаются работоспособными.
Суть функционирования беспроводных ячеистых сетей заключается в отсутствии центрального управляющего устройства (см. рис. 4). Вместо него каждый узел наделен возможностями радиосвязи и действует как передающая точка или маршрутизатор для других узлов, а также может работать как маршрутизатор и передавать сообщения своим «соседям». При ретрансляции пакет беспроводных данных находит свой путь к месту назначения, проходя через несколько промежуточных узлов по надежным каналам связи.
В основе большинства методов беспроводной связи, рассматриваемых как вероятные кандидаты на применение в сфере управления, лежат насчитывающие уже не один десяток лет технологии рассеянной передачи и цифровой коммутации пакетов. Рассеянная (шумоподобная) передача — это передача сигнала сразу по множеству каналов в пределах выделенной полосы пропускания, что способствует устранению перекрестных помех и помех при приеме, а также предотвращает перегрузку каналов. На приемном конце происходит восстановление исходного сигнала из одинаковых шумоподобных порций. Коммутация пакетов тоже позволяет организовать более эффективную связь, обеспечивая увеличение скорости передачи и объемов передаваемых данных.
Использование широкополосных технологий, обеспечивающих повышенную степень защиты, может значительно повысить надежность связи. Например, рассеянная (шумоподобная) передача с перескоком частоты надежнее, чем традиционная модулированная передача: в образовании каждого пакета участвует несколько частот, и потому любой перехваченный сигнал звучит как шум.
В настоящее время рассеянная передача осуществляется на частотах 2,4 ГГц, и ей не страшны ни микроволновые устройства, ни двигатели с переменной частотой вращения, ни сварочное оборудование, ни двигатели переменного тока, поскольку генерируемые таким оборудованием помехи лежат в килогерцовом и мегагерцовом диапазонах.
Концепция беспроводной связи и управления определенно привлекательна, но сама по себе не может служить стимулом для принятия и широкого распространения этой технологии — по крайней мере, среди специалистов, устанавливающих требования для инженерных решений. Стимулом распространения беспроводных устройств могут быть экономические преимущества и возможность тонкой настройки освещённости улиц и дорог не только в соответствии с техническими нормами, но и с учётом общегородских нужд.
Высокий уровень эффективности и функциональности беспроводных систем управления УОУ с применением центрального сервера обеспечивает снижение энергопотребления на 40% и сокращение эксплуатационных издержек на 30%. При этом неисправности распознаются мгновенно, что сокращает время простоя светильников на 75%.
По оценкам специалистов, при внедрении и грамотной эксплуатации беспроводных систем управления УОУ можно экономить до 40% от общего энергопотребления при освещении города. При длине дорог Москвы равной около 4800 км суммарная мощность уличных осветительных установок составляет 40 МВт. При переводе всей Москвы на интеллектуальные системы беспроводного освещения высвободится не менее 64,5 тыс. МВт∙ч/год, или 190 млн руб./год. Для начала — вполне серьёзный стимул.
Рис. 4. Схема взаимодействия датчиков светильников при работе в ячеистой сети |