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.

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: