Телекоммуникационные рецепты для промышленных предприятий

Совместно со специалистами АСУ предприятий и российских деловых партнеров, таких как Гипромез, Гипросвязь, ПромтрансНИИпроект, ЗАО «Мекомп», на основе оборудования ведущих зарубежных фирм (AT&T, Siemens, Nokia, Motorolla, IBM, 3Com, Cisco и др.) создана телекоммуникационная инфраструктура Таганрогского, Оскольского, Челябинского, Златоустовского, Донецкого металлургических заводов, московского завода «Серп и Молот», Михайловского горно-обогатительного комбината, Липецкого государственного технического университета и многих других предприятий. В порядке обмена опытом ниже будут изложены основные принципы, которыми НОК руководствуется при построении телекоммуникационной инфраструктуры промышленных предприятий.

Телекоммуникационная кухня предприятий

Рассмотрим вначале перечень «ингредиентов» телекоммуникационной технологии, присутствующих на большинстве промышленных предприятий в виде набора параллельно действующих сетей:

• телефонная сеть,
• компьютерная сеть,
• сеть промышленного телевидения,
• сеть охранной сигнализации,
• сеть пожарной сигнализации,
• диспетчерская (селекторная) связь,
• сеть управления технологическими процессами.

Радиосеть, громкоговорящую связь и некоторые другие типы сетей (вроде корпоративных интрасетей) оставим пока в стороне.

Для поддержки перечисленных сетей на ныне действующих промышленных (в том числе горно-металлургических) предприятиях России проложены тысячи километров кабельных систем. Самым молодым из них — около 20 лет, основная же масса имеет возраст более 40 лет. Тому есть свои причины.

При проектировании и строительстве любого промышленного здания в нем сразу закладываются телефонные станции, кроссовые залы, линейные сооружения и кабельные трассы (кабельная канализация, кабельростры и т.д.). По мере развития предприятия (строительство новых цехов, запуск производств, создание дополнительных служб) эволюционирует и его система телекоммуникаций: увеличивается абонентская емкость, разветвляется сеть внешних связей (соединение с ГТС, ЦМТС и СПД).

Однако само оборудование систем связи (декадно-шаговые и координатные АТС, аналоговые телефонные аппараты и т.д.) обычно принадлежит к тому же поколению, что и предприятие. Абонентская емкость телефонной сети расширяется за счет прокладки новых соединительных линий типа многопарных медных кабелей и установки дополнительного оборудования. Тем не менее рано или поздно абонентская емкость АТС достигает своего предела: кабельная канализация полностью забита, да и сами кабели, давно проложенные, почти неработоспособны из-за тяжелых условий эксплуатации (в каналах, как правило, присутствуют вода, эмульсия, масла и т. п.).

Кроме того, возникают сложности с организацией внешних связей, поскольку имеющиеся учрежденческие телефонные станции практически не стыкуются с новыми АТС городской и междугородной связи. Приходит пора менять оборудование систем связи предприятий. Причем новые АТС следует вводить так, чтобы не останавливать всю сеть сразу, а модернизировать ее постепенно. Это относится и к кабелям: замене подлежат только межцеховые кабели, а внутренняя разводка по зданиям должна быть сохранена.

С подобными трудностями в свое время столкнулись молодые службы АСУ предприятий, когда компьютерщики пытались решать возникающие задачи собственными силами, часто конфликтуя с телефонистами. Проблемы обострились с началом массовой компьютеризации отрасли.

Как правило, компьютерные сети на предприятиях создавались следующим образом. Если требовалось подсоединить компьютеры, находящиеся в соседней комнате, туда подводился кабель, при необходимости охватить еще одну комнату прокладывался другой кабель и т.д. В результате получалась локальная сеть с довольно запутанной структурой. Тип же сети в основном зависел от симпатий и осведомленности сотрудников отдела АСУ или цеха. Существенно, что описанный подход к развертыванию сети ограничивался пределами одного предприятия, а иногда и одного цеха, подразделения.

Когда же дело касалось подсоединения компьютеров, расположенных в других зданиях или даже в других частях цеха, словом, на расстоянии более 200—300 м, проблемы становились трудноразрешимыми. Чего только не предпринимали руководители АСУ — протягивали выделенные физические линии, пытались работать по коммутируемым соединениям с помощью модемов, пробовали использовать радиомодемы и т.п. Все эти ухищрения в лучшем случае позволяли достичь скорости передачи 64 кбит/с, что худо-бедно поддерживало жизнеспособность действующих систем АСУ, но не обеспечивало работу в режиме реального времени.

С появлением мощных систем управления производством (например, на базе интегрированных пакетов SAP R/3 и IFS System4) эффективность использования сетей на промышленных предприятиях стала крайне низкой. В этом наша компания убедилась, внедряя в течение десяти лет телекоммуникационные технологии на горнодобывающих и металлургических предприятиях.

Все горно-металлургические предприятия ежегодно пытаются поддержать работоспособность и развитие систем передачи информации, как правило, путем прокладки дополнительных медных кабелей (ежегодно — порядка 10% от уже имеющейся инфраструктуры) или закупки небольших систем радиосвязи. Подобный «заплаточный» подход приводит лишь к увеличению затрат на содержание данных систем, не влияя заметно на эффективность управления.

Сведения о динамике развития производственных процессов поступают из разных источников по каналам разного качества, поэтому часто запаздывают, в результате чего оперативное управление и планирование оказываются оторванными от фактического состояния производственных объектов управления. Диспетчерские службы горно-обогатительных комбинатов работают едва ли не на предельном уровне загрузки, вручную реализуя многие управленческие процедуры, выполняя большой объем рутинных учетных операций и постоянно отвлекаясь на телефонные запросы.

В то же время известно, что многие горно-рудные предприятия США, Канады, Африки, Австралии и т.п. накопили богатый опыт создания и внедрения современных автоматизированных систем диспетчеризации горно-транспортных работ, мощных средств инженерного обеспечения и планирования. За рубежом используются экспертные системы управления процессами измельчения и обогащения руд, развитые специализированные базы данных, современное оптимизированное программное обеспечение. Для определения местонахождения локомотивов, самосвалов и экскаваторов устанавливаются системы спутникового позиционирования. Хорошо развита низовая система автоматизации (автоматического регулирования процессов). Наконец, проблема передачи оперативной, достоверной и защищенной производственной информации решается посредством широкого применения волоконной оптики.

Основные принципы

Необходимость дальнейшего развития информационных систем промышленных предприятий была продиктована, прежде всего, ростом внутренних потребностей различных служб предприятий в информационных услугах. Существовавшая инфраструктура в какой-то момент перестала справляться с возросшими нагрузками, а попытки ее расширения сталкивались с непреодолимыми затруднениями.

В последние годы изменились и внешние условия работы. Происходившие в стране социально-экономические перемены требовали принятия кардинальных решений, обеспечивающих выживание предприятий. Одним из таких решений могла стать коренная реорганизация систем управления и выработка новых принципов их построения.

Из вышесказанного следует, что проблемы службы связи и АСУ предприятий почти одинаковы: и те и другие стремятся модернизировать оборудование, и тем и другим необходимо увеличивать пропускную способность линий передачи информации. Связь между компьютерами осуществляется по телефонным каналам; с другой стороны, компьютеры обеспечивают телефонную связь и управляют ею, предоставляя дополнительные возможности и для факсимильной связи. Телефония все активнее использует цифровую передачу данных (ИКМ, ISDN), а компьютерные сети — речевую и видеоинформацию. В результате компьютерная и телефонная сети оказались тесно интегрированными, если не сказать — неотделимыми друг от друга, по крайней мере в пределах одного здания.

Отсюда напрашивается закономерный вывод: проектирование и монтаж обеих сетей должны осуществляться как единый процесс в рамках одной кабельной системы, общей информационной магистрали. Под информационной магистралью понимается комплекс программно-технических средств, обеспечивающих передачу любой информации, как дискретной, так и аналоговой (речевой, видео, сигналов от систем управления и сигнализации), в любую точку, находящуюся в зоне действия магистрали. Интеграция трафика всех существующих сетей предприятия в единой кабельной системе многократно сокращает затраты на построение, развитие и обслуживание множества сетей. Формирование единой магистрали делает проект дороже всего на 10—15% (по сравнению с затратами на развертывание каждой сети), тогда как строительство всех сетей по отдельности увеличивает общую стоимость во столько раз, сколько таких сетей создается.

При проектировании любой корпоративной сети с точки зрения потенциальных затрат на дальнейшее развитие производства важен вопрос об относительной значимости телекоммуникационной среды (базиса) и программного обеспечения (надстройки). Здесь представляется уместной аналогия с фундаментом и крышей возводимого здания. Фундамент — основа здания, но с дырявой или полуразрушенной крышей жить невозможно. С этих позиций спорить об относительной значимости отдельных компонентов можно очень долго. Между тем дилемма однозначно решается в пользу фундамента, если поставить вопрос иначе: что будет проще расширить, надстроить или модернизировать при возникновении такой необходимости в дальнейшем?

Фундаментом информационной инфраструктуры здания является кабельная система. Прокладка кабеля, особенно в сложных производственных условиях, и его защита от внешних воздействий требуют достаточно больших разовых затрат. В то же время с установленной кабельной системой пользователю приходится работать гораздо дольше, чем с компьютерным оборудованием и ПО. В условиях перманентных изменений самого объекта автоматизации, постоянного появления новых технологий и тенденций важно, чтобы кабельная система обеспечила информационную жизнедеятельность организации на 20—30 лет (по международным и европейским стандартам — не менее чем на 10 лет), не подвергаясь кардинальным изменениям. Столь долгосрочные планы должны находиться в компетенции уже не начальника отдела АСУ, а руководства более высокого уровня, а затраты на саму кабельную систему — перейти в категорию капитальных вложений.

На расширение или модернизацию кабельной системы в эксплуатируемом здании нужно затратить гораздо больше средств, чем на ее первоначальный монтаж. Обеспечить простую модификацию и расширение кабельной системы в сложных производственных условиях, не прерывая жизнедеятельности предприятия, совсем непросто. Чтобы кабельная система была способна работать с непрерывно появляющимися новыми технологиями, ее изначальная пропускная способность должна значительно превышать текущие потребности и предусматривать высокие скорости передачи. Существующую же интенсивность трафика следует принять во внимание только при выборе активного сетевого оборудования, хотя и в этом случае целесообразно предусмотреть некоторый запас по пропускной способности.

Сегодня наиболее распространенной технологией для создания информационной сети здания является структурированная кабельная система (СКС), построенная на медных и оптических проводах, которая совмещает передачу различных видов трафика (речевых сигналов, компьютерных данных, сигналов аварийной и пожарной систем, систем контроля за вентиляцией, кондиционированием, отоплением и т.п.) и позволяет оперативно увеличивать количество пользователей. Как показывает опыт, начальные вложения в разумно спроектированные кабельные системы носят долговременный характер, поскольку сводят к минимуму дальнейшие эксплуатационные расходы и затраты на расширение и модификацию. В то же время приходится констатировать, что многие организации не в состоянии полностью или достаточно эффективно использовать возможности технологии СКС в своих производственных или административных помещениях, которые были спроектированы и оборудованы без учета потребностей автоматизации.

Сама суть кабельной системы — обеспечить доступ к информации с каждого рабочего места — требует охвата всего здания и наличия достаточного числа разветвленных меж- и внутриэтажных коммуникационных каналов. Являясь неотъемлемой частью систем жизнеобеспечения производства, информационная кабельная система должна проектироваться одновременно с самим зданием.

В последнее время в производственном строительстве появилось такое технологическое направление, а вместе с ним и понятие, как «интеллектуальное здание». Оно создается путем реконструкции старых и строительства новых зданий с учетом требования информатизации, которое, прежде всего, предполагает прокладку структурированных кабельных систем, обеспечивающих передачу всех перечисленных выше видов трафика. Концепция интеллектуального здания увязывает вместе строительные и информационные технологии.

Любое строительство должно начинаться с прокладки дорог. Ни один хозяйственник не будет покупать высокоскоростную машину, чтобы использовать ее на лесных тропах. В информационной технологии подобное наблюдается сплошь и рядом — приобретают мощный компьютер и устанавливают на него мощное программное обеспечение, не располагая достаточными производственными средствами обмена. И выглядит этот компьютер подобно болиду «Формулы 1» на лесной просеке. Практика и опыт подсказали концепцию первичности телекоммуникационной среды, в частности кабельной системы, при создании АСУ и построения на основе кабельной системы всех вышерасположенных уровней архитектуры АСУ.

Одна из особенностей промышленного производства, сказывающаяся на средствах автоматизации, — сильные электромагнитные наводки от автоматических подъемников, электропечей, станов, станков и другого цехового оборудования, значительная запыленность помещений и территорий. Специфика производственной среды требует повышенного внимания к средствам защиты коммуникационного и компьютерного оборудования, а также определенных расходов.

При этом следует учитывать, что характер производства предполагает бесперебойную работу удаленных от заводоуправления основных служб (экспедиции цехов, склады, ОТК цехов, отдел кадров и т. п.). Разрыв связи этих служб с основными информационными базами предприятия более чем на 5 мин недопустим. Это обусловливает необходимость введения в основных подсетях режима реального времени, а значит, и высоких скоростей передачи (100—150 Мбит/c и выше). К сказанному надо добавить, что в современных условиях очень важно обеспечить конфиденциальность и сохранность коммерческой информации предприятия.

Требования надежной защиты и высокой скорости передачи данных диктуют необходимость в использовании волоконно-оптических кабелей в качестве линий связи. Помимо всего прочего оптическая среда позволяет поднять скорость передачи на 3—4 порядка, по сравнению с медными линиями, при очень высоком качестве.

Существует мнение, что решения на основе оптоволокна дороги и к тому же предназначены для специальных приложений. Что касается второго тезиса, представления об экзотичности волоконной оптики лишены каких бы то ни было оснований. Достаточно сказать, что в армии США оптоволокно применяется для оперативной связи низшего звена (до уровня взвода) в боевых условиях, а в Японии — висит на столбах, как у нас в сельской местности электропровода.

Если же говорить об экономической стороне дела, то начальные затраты на волоконную оптику действительно выше, чем на медные системы, но эта разница очень быстро и многократно окупается. Во-первых, расходы на обслуживание волоконно-оптических систем гораздо ниже, чем в случае многожильного медного кабеля. Во-вторых, более высокая пропускная способность пропорционально уменьшает стоимость передачи единицы информации. И в-третьих, появляется возможность транспортировки в едином потоке различных видов трафика — речевого, видео, сигнального, технических файлов и т.п.

По своей физической природе сами оптоволоконные кабели не излучают (что позволяет обеспечить полную защищенность передаваемой информации), невосприимчивы к любым видам электромагнитных помех, мало подвержены воздействию влаги, кислот, солей и нефтехимических загрязнений, которые характерны для условий эксплуатации на горно-металлургических (и, видимо, не только) предприятиях.

Передавать информацию без ретрансляции можно на расстояния до 2—5 км на многомодовом и до 70 км на одномодовом волокне. Это позволяет построить всю коммуникационную инфраструктуру предприятия без единой станции ретрансляции. Возможности мультиплексирования в оптоволокне в сотни раз выше, чем на медном кабеле. Созданная оптическая сеть будет служить до морального старения лет 25, практически не требуя затрат на обслуживание; другими словами, произведенные инвестиции останутся актуальны в течение минимум 20 лет.

Однако в условиях большого разнообразия кабельных систем и сетевого оборудования, порой плохо между собой стыкуемого, всегда остается проблема выбора конкретного решения из представленных на рынке. В сложных условиях промышленного производства прокладка и монтаж кабеля сопряжены с рядом проблем. Построение сети на основе волоконно-оптического кабеля требует высокой квалификации, если не сказать — искусства. Так, для получения оптимальной структуры кабельной системы необходимо варьировать десятки параметров (таких как дисперсия, апертура, длина волны излучения, полоса пропускания, модальность оптического волокна, типы оконечных разъемов, излучателей и приемников, количество и типы соединительных муфт, диаметры волокон и метод их сращивания, допустимый энергетический потенциал активного оборудования защиты и т.п.) и специально подбирать кабели и оборудование для передачи на нужное расстояние (особенно если оно превышает 2 км). Кроме того, аппаратура передачи должна быть согласована с кабельной сетью.

Вывод очевиден: проектировать и устанавливать подобную систему должен высококвалифицированный работник, хорошо разбирающийся в тонкостях волоконно-оптических сетей. Насколько профессионально будет построена кабельная система, настолько гибкими и надежными окажутся информационные связи и коммуникации.

Топология и конфигурация сети

Выбирая топологию сети конкретного предприятия, прежде всего следует определить необходимую скорость передачи информации. Как уже указывалось, в магистральной кабельной системе следует ориентироваться на максимально возможную в обозримом будущем скорость — независимо от текущих потребностей. Как правило, эта скорость должна быть не ниже 100 Мбит/с. Такую полосу пропускания обеспечивают сегодня технологии ATM (OC-3,OC-12), FDDI, Fast Ethernet (100Base-X), Gigabit Ethernet (1000Base-X) и High-Speed Token Ring.

Протокол FDDI использует кольцевую топологию с возможностью последовательного подключения большого числа узлов. Это один из самых надежных и отработанных протоколов высокоскоростной передачи данных. К сожалению, он не получил дальнейшего развития, остановившись на отметке 100 Мбит/с, хотя до сих пор широко применяется в корпоративных сетях (особенно в США).

Протоколы Fast Ethernet и Gigabit Ethernet базируются на топологии «звезда» с подключением к центральному сетевому устройству. Такие устройства могут объединяться в древовидную структуру. Протоколы группы Ethernet достаточно надежны и, что самое главное, затраты на их реализацию оказываются весьма умеренными. Протокол Fast Ethernet можно рассматривать как переходный этап на пути к режиму асинхронной передачи.

Наиболее перспективной является технология АТМ, использующая высокоскоростной протокол транспортировки ячеек данных, который позволяет передавать специализированный трафик (речь, данные, видео, изображения). В связи с незавершенностью процесса стандартизации этот протокол пока не прошел необходимую апробацию для применения в горно-металлургической промышленности. Тем не менее при проектировании сетей уже сейчас целесообразно предусмотреть возможность перехода на АТМ.

Выбор топологии сети предприятия начинается с изучения его генплана. На чертеж генплана накладывается сетка информационных магистралей c размером ячейки 2х2 км (2 км — расстояние, определяемое полосой пропускания и затуханием сигналов многомодового кабеля). Сетку следует разместить таким образом, чтобы наибольшее число ее узлов оказалось в местах расположения объектов автоматизации — административно-бытовых корпусов (АБК), цехов и производств, заводоуправления, зданий АТС, оперативно-производственных центров и т. п. При этом сетка должна покрывать всю территорию предприятия. Таким образом определяются информационные узлы коммуникационной сети и основные направления информационных магистралей.

Для подключения к узлам корпоративной сети тех объектов, которые не попали в узлы сетки информационных магистралей, используется такое понятие, как зона притяжения узла. Оно определяет ту часть территории предприятия, объекты которой целесообразнее подключать к данному узлу. В большинстве случаев это ближайший информационный узел, хотя возможны подключения к более мощному или менее нагруженному узлу, расположенному на большем расстоянии от объекта. В таких случаях зоны притяжения информационных узлов могут перекрываться. Совокупность зон притяжения, охватывающих всю территорию предприятия, создает информационное поле предприятия.

Принцип наложения сетки информационных магистралей на территорию предприятия и используемые при этом понятия поясняет рис. 1.

Нанесение информационной сетки на территорию предприятия

Рассмотрим, как создается сеть Fast Ethernet. Прежде всего зададим местоположение узлов методом наложения информационной сетки. Затем определим функциональность узла в системе завода. Например, несмотря на существование административно-бытового корпуса цеха, в котором сосредоточены все основные службы (плановое бюро, начальник цеха и т.д.), многие вспомогательные службы (ОТК, адъюстаж и др.) находятся в самом цехе или в рядом стоящих зданиях (рис. 2).

Пример простейшей сети с топологией «звезда»

В нашем примере возникает инфраструктура, имеющая топологию «звезда» с узлом в АБК, который является одним из основных информационных узлов сети завода. Активное оборудование (коммутатор или маршрутизатор) данного узла будет следить за всеми запросами служб цеха и не пропустит их в остальную сеть завода (если это специально не предусмотрено), что значительно разгрузит информационные магистрали.

Соединение узлов сети информационной магистралью

Следующий шаг — привязка узла к существующим коммуникациям завода (кабельная канализация, эстакады). Покажем, как выбирается трасса основной магистрали. Соединим узлы трассой основной магистрали на плане-карте местности предприятия, добиваясь того, чтобы каждый узел имел не менее двух соединений с другими узлами (рис. 3). Чем больше соединений, тем жизнеспособнее сеть при отказе оборудования или повреждении магистрали. Кроме того, большое количество связей между узлами при переходе на протокол ATM позволит резко увеличить производительность сети за счет организации альтернативных путей передачи данных.

Вариант применения изложенных концепций к развертыванию телекоммуникационной инфраструктуры на Таганрогском металлургическом заводе иллюстрирует рис. 4.

Телекоммуникационная инфраструктура на Таганрогском металлургическом заводе

В эффективности предлагаемых вам «рецептов» наша фирма убедилась на практике, построив телекоммуникационную инфраструктуру на десятках металлургических и горно-обогатительных предприятий. Созданные на этих предприятиях системы можно развивать в течение 10—15 лет, в частности увеличивая существующую скорость передачи данных еще на порядок.

ОБ АВТОРАХ