Выпуск 36-01

В настоящей статье представлена краткая информация о радиосетях управления и сбора данных, используемых в интересах обеспечения функционирования автоматизированных систем управления технологическим процессами различного назначения в жилищно-коммунальном хозяйстве в целом и в системах водоснабжения и водоотведения, в частности. Статья предназначена для технических специалистов, связанных с созданием и эксплуатацией автоматизированных систем управления технологическими процессами водо-, тепло-, газо- и электроснабжения, канализации и наружного освещения.

1 Общая информация

Работа большинства автоматизированных систем управления технологическими процессами в жилищно-коммунальном хозяйстве (АСУ ТП ЖКХ) обеспечивается кабельными сетями связи и обмена данными. Такое решение представляется вполне обоснованным как с технической, так и с финансовой точек зрения, является хорошо отработанным на практике и, в большинстве случаев, вполне надежным. Сетевые кабели могут прокладываться в траншеях под землей, в потернах[1] или по воздуху. Однако, постоянное поддержание работоспособности такой инфраструктуры требует определенных усилий, а ее восстановление после аварий может потребовать значительных временных и финансовых затрат.

Тб 36 01 Рисунок1

АСУ ТП реагентного хозяйства водоканала

(ООО «НПФ «КРУГ» www.krug2000.ru)

Подсистема связи в АСУ ТП должна обеспечивать надежный, оперативный и безопасный обмен данными между различными компонентами системы. Основные требования к подсистеме связи относятся к:

А)   надежности и отказоустойчивости;

Б)    пропускной способности;

В)    поддержке промышленных протоколов обмена данными;

Г)    безопасности;

Д)    простоте эксплуатации и обслуживания.

АСУ ТП ЖКХ представляет собой распределенную информационно-управляющую систему (ИУС) с узлами, разнесенными на значительные расстояния, которые могут достигать десятков километров. Львиная доля предприятий ЖКХ использует для связи между объектами арендованные кабельные сети связи общего пользования, получая доступ к ним у профильных компаний-операторов. При этом значительная часть таких сетей связи строилась и продолжает расширяться с ориентацией на массового индивидуального абонента, основным требованием которого является высокая пропускная способность, обеспечиваемая применением волоконно-оптических кабелей. В таких условиях надежность, которая является основным требованием в промышленных системах, уходит на второй план. Поэтому значительные перерывы в предоставлении связи, даже при наличии соглашения об уровне обслуживания, в результате обрывов кабеля или сбоев в работе оборудования компании-оператора проводной сети связи, не являются редкостью. Ситуация с надежностью сетей связи общего пользования существенно осложняется в предпраздничные и праздничные дни в связи увеличением нагрузки на сеть, связанным с ростом объемов передаваемой информации. Нередко возникают ситуации, схожие с описанной ниже (по состоянию на начало мая 2025 года): «Предпраздничные и праздничные дни для «Водоканала» оказались очередной непростой проверкой готовности к отключениям операторских услуг связи. Прежде всего - Интернета, на «плечи» которого успели перевести существенную часть задач передачи технологических данных и задач оперативного управления. Некоторые узлы учета, опрашиваемые по GSM, отключились. Некоторые толком не работают и по сей день. Пришлось сходу решать массу задач, в т. ч. «на бегу» строить объекты связи (ставить мачты, вешать антенны и мн. др). Далеко не всё удалось решить. Но сеть аварийной цифровой радиосвязи работала бесперебойно. Хотя и небезупречно».

Кабельная система является искусственным сооружением, предназначенным для длительной эксплуатации. В связи с этим она постоянно подвергается воздействию окружающей среды. А природа всегда берет свое: сезонные подтопления часто приводят к снижению характеристик кабеля или нарушениям связи, проложенные под землей и в потернах кабели могут быть легко повреждены при проведении земляных работ и часто подвергаются атакам грызунов, воздушные линии связи рвутся в результате обледенения и сильного ветра. Даже пожаробезопасные кабели поддерживают распространение огня между помещениями и закрытыми зонами. Использование кабельных средств связи в районах вечной мерзлоты, ставшая весьма актуальной в связи с промышленным и военным освоением Арктики и обеспечением жизнедеятельности в этом регионе, – это вообще отдельная тема. Со временем кабель теряет свои характеристики в результате старения материалов, из которых он изготовлен. Поиск и устранение неисправностей в распределенной кабельной сети связаны с серьезными трудностями и затратами усилий и времени, поскольку при этом недостаточно просто определить место аварии, но необходимо получить доступ к нему.

К сожалению, в настоящее время угроза возникновения природных катастроф[1] и техногенных аварий[2] существенно возросла. В таких случаях кабельная система оказываются наиболее уязвимой. Так во время землетрясения в Новой Зеландии в 2016 году первыми были полностью выведены из строя волоконно-оптические линии связи. Это обусловлено особенностями, связанными с требованиями к их прокладке, обеспечивающими минимальные потери при передаче информации. Линии связи на медных кабелях пострадали в меньшей степени, но нанесенный ущерб не позволил продолжить их дальнейшую эксплуатацию без проведения серьезных ремонтно-восстановительных работ.

Серьезные вызовы устойчивой работе предприятий ЖКХ возникают в зоне боевых действий и даже в районах, находящихся на значительном удалении от таких зон. Достаточно вспомнить о воздушных атаках с использованием беспилотных летательных аппаратов (БЛА) по нефтеперерабатывающим заводам, предприятиям энергетики и критической инфраструктуры, а также попытках диверсий на объектах промышленности и транспорта. Ликвидация последствий такого внешнего воздействия и восстановление нормальной работы производственных объектов становится важным фактором обеспечения стабильности всей экономики.

Урон предприятиям ЖКХ в зоне проведения боевых действий еще предстоит оценить, но восстанавливать их работу придется на современной технологической базе и с учетом обеспечения надежности функционирования новой инфраструктуры, в том числе, в условиях внешнего воздействия.

В соответствии с требованиями ст. 10 Федерального закона №116-ФЗ, организация, деятельность которой связана с эксплуатацией опасных производственных объектов I, II, III классов опасности, обязана разработать и утвердить План мероприятий по локализации и ликвидации последствий аварий[3]. Водоканалы, как правило, относят к четвертому классу опасности. Это связано с тем, что жидкие бытовые отходы, с которыми работают водоканалы, считаются малоопасными для окружающей среды. Однако, несмотря на это, важно соблюдать правила обращения с такими отходами для предотвращения потенциальных рисков, связанных с их накоплением и возможным загрязнением окружающей среды. А аварии на объектах водоснабжения могут повлечь за собой серьезные последствия, план ликвидации которых должен быть предусмотрен заранее. ПЛА предполагает восстановление утраченного в результате аварии контроля над производственными процессами, включая восстановление работы АСУ ТП.

Вышеуказанные работы могут быть существенно упрощены и ускорены, если при создании АСУ ТП ЖКХ изначально были использованы беспроводные средства обмена данными или заранее предусмотрены варианты ее функционирования с использованием резервной беспроводной сети связи и обмена данными в качестве дополнения к проводной. Такая резервная сеть должна функционировать через отличную от основной сети среду передачи данных, что позволяет не только оперативно восстанавливать работу АСУ ТП ЖКХ, но и организовывать ее надежную эксплуатацию при проведении регламентных работ на основной сети. Такое техническое решение нельзя назвать новым, поскольку оно уже давно применяется на важных и ответственных сетях связи. Например, на наземных магистральных[4] кабельных сетях связи в случае аварии или при временном отключении предусматривается использование радиорелейных[5] «вставок», а на подводных кабельных сетях – потоки информации переводятся в спутниковые каналы связи.

В настоящее время в промышленности и на транспорте применяются различные беспроводные средства обмена данными, включая:

- радиосеть сотовой связи общего пользования;

- радиосеть с использованием устройств малого радиуса действия (УМРД);

- широкополосная радиосеть обмена данными общего пользования стандарта 802.11 (WiFi);

- узкополосная технологическая радиосеть[6] обмена данными УКВ[7] диапазона.

Сравнительные данные о возможностях различных радиосетей обмена данными по обслуживанию работы АСУ ТП представлена в Таблице 1.

Таблица 1. Сравнительные данные о возможностях различных радиосетей обмена данными по обслуживанию работы АСУ ТП.

№

Вид связи

А

Б

В

Г

Д

1

Радиосеть сотовой связи общего пользования

удовлетво­рительно

отлично

хорошо

удовлетво­рительно

отлично

2

Радиосеть малого рад­и­уса действия

плохо

хорошо

хорошо

плохо

хорошо

3

Широкополосная радио­сеть обмена данными общего пользования стандарта 802.11 (WiFi)

хорошо

отлично

хорошо

удовлетво­рительно

отлично

4

Узкополосная техноло­ги­ческая радиосеть обмена данными

отлично

хорошо

отлично

отлично

отлично

Условные обозначения:

А) надежность и отказоустойчивость;

Б) пропускная способность;

В) поддержка промышленных протоколов обмена данными;

Г) безопасность;

Д) простота эксплуатации и обслуживания.

Дополнительно можно упомянуть радиосети спутниковой связи, использующие ретрансляторы на полярной, наклонной или геостационарной орбитах, однако, в настоящей статье они не рассматриваются, поскольку рентабельность их применения появляется при организации обмена данными на дальность более тысячи километров, что, в большинстве случаев, не актуально для предприятий ЖКХ.

2 Радиосеть сотовой связи общего пользования

Использование радиосетей сотовой связи на территории Российской Федерации регулируется Федеральным законом «О связи», который, определяет полномочия органов государственной власти и права/обязанности участников этой деятельности. Кроме того, существуют подзаконные нормативные акты, такие как постановления правительства и приказы министерств, которые детализируют требования к сетям связи. Услуги сотовой связи предоставляются группой компаний-операторов, которые обеспечивают функционирование находящихся в их распоряжении радиосетей и подключение к ним абонентов различных категорий, включая предприятия ЖКХ.  

Несомненными преимуществами сетей связи общего пользования (по оценке самих пользователей) являются:

- мобильность, то есть возможность оперативного перемещения во всей зоне действия радиосети практически без ограничений;

- возможность обмена большими объемами мультимедийной информации. Кроме обмена речевыми сообщениями, радиосеть позволяет транслировать видео информацию и быстро пересылать фотографии;

- подключение к информационной сети Интернет, позволяющее оперативно получать доступ к имеющейся в этой сети информации, размещать и хранить огромные объемы собственных данных, в том числе, с использованием облачных хранилищ информации;

- наличие роуминга между радиосетями различных операторов, позволяющего существенно расширить зону действия радиосети и даже перенести ее на территорию других государств;

- независимость от промышленного электропитания при возможности подзарядки встроенных аккумуляторов сотовых терминалов;

- возможность подключать дополнительные услуги.

Однако, все эти преимущества имеют весьма опосредованное отношение к производственной деятельности, то есть к работе промышленных автоматизированных систем управления в целом и автоматизированных систем управления технологическими процессами, в частности.

И эти преимущества сильно обесцениваются принципиальными ограничениями и недостатками, ключевыми для промышленных приложений:

- невозможность обеспечения гарантированного детерминированного[8] времени доставки сообщения (без реализации комплекса специальных мероприятий);

- отсутствие возможности организации работы в реальном масштабе времени;

- относительно низкая безопасность данных, обусловленная свободным доступом к сети «посторонних» пользователей.

Кроме того, ресурсы радиосети сотовой связи доступны только в зоне ее действия, а по состоянию на 2020 год общее покрытие сотовой связью территории Российской Федерации выглядело примерно так:

Тб 36 01 Рисунок2

Или, применительно в Московскому региону (4G LTE и 3G компании «Мегафон»), вот так:

Тб 36 01 Рисунок3
 

Зеленым цветом показана зона работы 4G LTE и 3G Интернета, которая занимает почти 100% Москвы и 75-80% Московской области, причем LTE покрытие в разы меньше, чем 3G, все остальное - это зона, где нет покрытия, т.е. даже устройство способное работать без специальных внешних 4G LTE и 3G антенн и усилителей будет функционировать в лучшем случае в стандарте 2G.

Представляется важным остановиться на одной теме, которая незаслуженно редко рассматривается разработчиками в настоящее время – устойчивость работы системы в чрезвычайных ситуациях[1], а также в особый период[2] и во время военных действий. Водоснабжение, а в отдельных климатических зонах и отопление, являются жизненно необходимыми для проживания и жизнедеятельности. В связи с этим системы водо- и теплоснабжения относятся к критически важным и должны надежно функционировать в любых условиях.

В соответствии с законодательством Российской Федерации, национальными стандартами, техническими нормами и правилами, лицензиями, а также договором об оказании услуг связи, оператор сети сотовой связи оказывает услуги связи круглосуточно. Если иной срок не установлен законодательством Российской Федерации, оператор устраняет неисправности, препятствующие пользованию услугами связи, в течение семи рабочих дней с даты регистрации обращения абонента. Неисправности, вызванные действиями третьих лиц, подлежат устранению в течение 30 (тридцати) рабочих дней с момента, когда оператору стало об этом известно. В отдельных случаях (обстоятельства непреодолимой силы, крупные аварии и т. п.) сроки устранения неисправностей определяются оператором индивидуально и доводятся до сведения абонентов путем размещения информации на сайте оператора в информационно-телекоммуникационной сети Интернет[3].

То есть, в случае серьезной аварии использующая каналы сотовой связи АСУ ТП ЖКХ от семи суток до месяца вынуждена будет функционировать в «ручном» режиме. Значит в штате компании-оператора такой АСУ ТП необходимо, как минимум, иметь специалистов, которые знают как нужно и умеют работать (постоянно поддерживают профессиональные навыки работы) в таком режиме.

Базовые станции сотовой связи монтируются на открытых (не охраняемых) и не защищенных от внешнего воздействия площадках. Доступ к оборудованию ограничивается только блок-боксом, в котором оно смонтировано. Сотовая связь, как система общего пользования и достаточно дорогостоящая инфраструктура, требующая длительных сроков на восстановление, является привлекательным объектом для террористических атак. Кроме того, в случае таких атак сети сотовой связи оказываются перегруженными, и их надежная работа становится невозможной.

Так, атака террористов на Всемирный торговый центр 11 сентября 2001 года повлекла за собой не только многочисленные человеческие жертвы, но и нанесла серьезный материальный ущерб. Врезавшиеся в здания самолеты нарушили работу кабельных и беспроводных сетей связи, привели к сильной перегрузке тех из них, которые все же сохранили работоспособность.

В результате атаки один из крупнейших операторов связи США компания Verizon одномоментно потеряла 200 тыс. телефонных линий, 150 тыс. магистралей частных АТС, 3,7 млн. каналов передачи данных и 10 ретрансляционных сотовых сайтов. В результате была нарушена связь у 14 тыс. частных и 20 тыс. корпоративных клиентов.

В первые сутки после теракта оказались сильно перегружены коммутационные центры другого оператора мобильной связи – компании Sprint. Попытка решить проблему за счет развертывания дополнительных мобильных базовых станций, которые должны были увеличить пропускную способность сети, существенного эффекта не дала в связи с особенностями организации беспроводной связи в городских условиях[4].

Во время аварии в энергосистеме в США и Канаде в 2003 году, когда без электричества остались около 40 млн. человек, мобильная сотовая связь «работала очень плохо» и с большими перебоями.

Аналогичная ситуация с восстановлением работоспособности сотовой связи возникла в Москве после взрыва газопровода в мае 2009 года. Сотовая связь в зоне аварии отсутствовала или функционировала с ограничениями не менее трех суток.

В результате ледяного дождя в Приморье в ноябре 2020 года массовые отключения электроэнергии обесточили базовые станции операторов сотовой связи. Больше всего аварий произошло 22 ноября − на тот момент не работали около 600 станций.

К вечеру 25 ноября удалось восстановить только половину из них. Однако некоторые станции не смогли работать даже после подачи электроэнергии по причине имевшихся повреждений из-за обледенения оборудования радиорелейных линий и антенн на мачтовых сооружениях. Дополнительная сложность заключалась в необходимости вести высотные работы на обледеневших неустойчивых конструкциях. Сроки ремонта на самых сложных объектах сотовые операторы оценили в одну-две недели[5].

Сотовая связь относится к средствам связи общего пользования. Однако в настоящее время ее инфраструктура активно задействуется в интересах вооруженных сил, а во время ведения военных действий интенсивность такого использования только возрастет. Поскольку этот вид связи де-факто стал элементом государственной системы управления, инфраструктура сотовой связи подлежит подавлению и уничтожению в военное время. Так, во время конфликта в Абхазии в 2008 году с помощью РЛС, развернутой в районе г. Гори, вооруженные силы Грузии отслеживали работу всех объектов сотовой связи в зоне конфликта и наносили по ним огневые удары[6].    

Следует отметить, что радиосеть сотовой связи, как и любая радиосеть связи общего пользования, по своим техническим характеристикам не полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым АСУ ТП ЖКХ. Так, коэффициент оперативной готовности сети сотовой связи[7] для обмена данными, который является основным показателем надежности ее функционирования, составляет 0,99[8], в то время как аналогичный коэффициент для АСУ ТП − 0,999[9], то есть, на порядок выше.

Таким образом, радиосеть сотовой связи общего пользования может ограниченно использоваться в интересах обеспечения работы АСУ ТП ЖКХ в приложениях, нечувствительных к задержкам в доставке данных (не требующих работы в реальном масштабе времени) и не предъявляющих требований к безопасности.

(Продолжение следует)

[1] Поте́рна (фр. poterne) - подземный коридор (галерея) для сообщения между фортификационными сооружениями, фортами крепости или опорными пунктами укреплённых районов.

[2] Природная катастрофа – это разрушительное стихийное бедствие, вызванное природными причинами, которое приводит к значительным человеческим жертвам, крупному материальному ущербу и разрушениям в окружающей среде.

[3] Угроза техногенная – возможное вредное физическое, химическое и механическое воздействие на население и среду обитания в результате производственной деятельности человека, а также аварий (катастроф) на предприятиях.

[4] План ликвидации аварий (ПЛА) – документ, устанавливающий основные требования по организации локализации и ликвидации аварий. Разрабатывается на объектах, возможные аварии на которых могут причинить вред здоровью и жизни людей, нанести ущерб производственному оборудованию и помещению, а также привести к экологическим катастрофам.

[5] Магистральная сеть связи – транспортная телекоммуникационная инфраструктура, объединяющая отдельные станции, узлы и сегменты, к которой подключена распределительная сеть с абонентским оборудованием.

[6] Радиореле́йная свя́зь – один из видов наземной радиосвязи, основанный на многократной ретрансляции радиосигналов.

[7]Технологическая сеть связи (англ. private network) – предназначена для обеспечения производственной деятельности организаций, управления технологическими процессами в производстве. Технологии и средства связи, применяемые для создания технологических сетей связи, а также принципы их построения устанавливаются собственниками или иными владельцами этих сетей. [Федеральный закон «О связи» от 07.07.2003 N 126-ФЗ].

[8] Ультракоротковолновый диапазон (УКВ), охватывает частоты от 30 МГц до 3000 МГц (0,1 мм - 10 м). В этом диапазоне обычно преобладает распространение радиоволн в пределах прямой видимости, в отличие от более длинных волн, которые могут распространяться на бо́льшие расстояния за счет отражения от ионосферы.

[9] Детерминированность (от лат. determinans — определяющий) — определяемость. Процесс, исход которого полностью определен алгоритмом, значениями входных переменных и начальным состоянием системы.

[10] Чрезвычайная ситуация (ЧС) – это обстановка на определенной территории, возникшая в результате аварии, опасного природного явления, катастрофы или стихийного бедствия, которая может повлечь за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей среде, а также значительные материальные потери. В более широком смысле ЧС – это опасная ситуация, угрожающая жизни и здоровью людей, имуществу и окружающей среде. 

[11] Особый период – период от начала перевода экономики на военное положение до перехода всей экономики государства на военный режим. Может объявляться и в условиях мирного времени накануне войны (военного конфликта) в связи с напряженной внешней и внутренней обстановкой и возможностью военных столкновений. Является первым этапом мобилизационного военно-хозяйственного плана государства.

[13] https://www.sagatelecom.ru/encyclopedia/protocol/problemy-ispolzovaniya-sistem-sotovoy-svyazi-v-chrezvychaynykh-situatsiyakh

[15] https://nvo.ng.ru/wars/2019-09-20/6_1062_reb.html

[16] Коэффициент оперативной готовности сети сотовой связи - это вероятность того, что сеть будет в рабочем состоянии в любой момент времени, когда она требуется, и будет продолжать работать безотказно в течение заданного интервала времени.

[17] ГОСТ Р 53111-2008 Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки

[18] РД 34.35.120-90 Основные положения по созданию автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) подстанций напряжением 35-1150 кВ.