Шахты на связи

В наше время трудно себе представить работу в шахтах без отлаженной системы связи. Внедрение всё более современных коммуникационных решений на горнодобывающих предприятиях началось не просто так.

Информация о том, что происходит под землёй, помогает избежать ошибок при добыче и ускорить спасательные операции в случае аварий. И чем она оперативней, тем лучше.

Когда появились полноценные системы связи в сфере добычи полезных ископаемых, что они из себя представляли и как эволюционировали сегодня?

Связь всему голова

Сегодня многофункциональные системы безопасности (МФСБ) угольных шахт создают именно на основе систем беспроводной связи.

Потому что удобно, не нужны провода….

Ещё с 1970-х годов различные структуры начали активно использовать для связи радиостанции «Walkie-Talkie».

В горнодобывающей промышленности их применение затормозилось из-за того, что длина радиоволны раций ограничивала радиус их действия в закрытых пространствах, отражения от стен выработок приводили к «замиранию» радиосигнала.

Кандидат физико-математических наук и научный консультант ООО НПФ «Гранч» Василий Ваганов рассказал, что это явление и сейчас ограничивает работу беспроводных каналов связи в узких выработках-тоннелях, а на мощность излучения устройств связи влияет режим искрозащиты (ограничения по мощности электропитания).

К тому же, работу электроники ограничивают влажность, запылённость, аварийные и штатные механические повреждения.

«Системы связи обеспечивают, в первую очередь, безопасность жизни человека.

В горнодобывающей отрасли это особенно заметно, ведь технологии, которые замечательно работают на поверхности или в лабораторных условиях, под землёй работать перестают», — отметил г-н Ваганов.

Первой на выручку горнякам пришла система связи на основе излучающего кабеля «Leaky Feeder».

Это был большой приёмопередатчик, который стоял на поверхности, а его антенна в виде специального коаксиального кабеля с большим количеством дырочек протягивалась по всем выработкам шахты.

Для улучшения сигнала через каждые 350 м устанавливался усилитель.

Рации передавали и получали сообщения через приёмопередатчик, а протяжённая антенна обеспечивала радиопокрытие. Впервые в России решения на основе «излучающего кабеля» от канадской компании «Mine Radio Systems» (MRS) появились в 2004 году.

В дополнение к собственно связи эта система осуществляла стационарный аэрогазовый контроль, контроль конвейеров, аварийное оповещение через толщу породы, обеспечивала предотвращения столкновений и другие функции, которые повышали безопасность и эффективность работы рудников и шахт.

Системный инженер «MRS» Екатерина Королькова рассказала, что в первый раз систему Flexcom установили на шахте «Томусинская» (сейчас «Распадская»).

В 2007 году появилось российское подразделение предприятия «Mine Radio Systems», и к настоящему моменту системами Flexcom оборудованы 41 объект в России и 19 в республике Казахстан.

Сейчас общая протяжённость линий излучающего кабеля на всех объектах составляет более 1 500 км.

Такое широкое распространение Екатерина Королькова объяснила тем, что системы на основе излучающего кабеля наряду с простотой и ремонтопригодностью сочетают в себе надёжность, удобство применения и возможность обеспечить связь там, где беспроводные системы ограничены в использовании из-за высокого поглощения радиоволн породой, например, медных рудниках.

Внешнюю оболочку кабеля изготавливают из негорючего влаго-пыленепроницаемого материала, а в случае повреждения кабеля шахтной техникой найти повреждение помогает удалённая система диагностики.

Ещё одним достоинством системы можно назвать питание оборудования через излучающий кабель, чего нельзя добиться при применении условно беспроводных систем (условно беспроводные, так как требуют подвода кабелей питания).

Вообще, системы радиосвязи на основе излучающего кабеля имеют историю в несколько десятков лет и до сих пор являются одним из самых популярных средств коммуникации на рудниках и шахтах.

Это объясняется лёгкостью их монтажа и настройки, возможностью расширения по мере развития шахты и высоким качеством голосовой связи на основе цифрового стандарта DMR (Digital Mobile Radio).

«Существует широко распространённое мнение, что рабочие в шахтах недоброжелательно относятся к нововведениям, отчего нередко возникают случаи саботажа, когда люди целенаправленно нарушают целостность устройств и кабелей связи.

Однако многолетняя практика показывает, что системы радиосвязи делают процесс работы удобнее из-за возможности оперативной коммуникации между всеми участниками производственного процесса.

Таким образом, сотрудники, наоборот, предпочитают иметь на смене работоспособную персональную радиостанцию», — рассказала г–жа Королькова.

Большой плюс данной технологии состоит ещё и в том, что излучающий кабель можно протянуть в любой отдалённый участок забоя.

Таким образом, горнодобывающую отрасль обеспечили устойчивой двусторонней связью в полудуплексном режиме.

Однако, существует и недостаток — быстрое затухание сигнала в условиях подземных выработок.

Частоты мегагерцового (а тем более гигагерцового) диапазона поглощаются породой с высокой электропроводностью, поэтому радиостанции функционируют только в областях с прямой видимостью от излучающего кабеля.

К примеру, специалисты «Mine Radio Systems» для решения этой проблемы используют направленные антенны для покрытия радиосвязью определённых выработок или применяет систему низкочастотного оповещения сквозь толщу породы FlexAlert.

Так, частоты порядка 1 кГц позволяют волнам проникать глубоко в породу и обеспечивать оповещение и персональный вызов персонала даже в самых отдалённых областях рудников и шахт.

Однако, по словам г-на Ваганова, излучающий кабель имеет свои недостатки. Например, кабель набирал влагу, пыль и приходил в негодность, а искать неисправный сегмент в кабеле — очень долгий процесс.

Из-за особенностей архитектуры системы даже разовый обрыв линии приводил к потере связи и возможности оповещения во всех нижеследующих выработках. Проще говоря, система целиком переставала работать при нарушении хотя бы одного из сегментов кабеля.

Эксперт

«Для магистральных каналов мы рекомендуем использовать оптические линии связи, а для повышения отказоустойчивости — кольцевую топологию. Подобная передача данных по сетям имеет свои достоинства в сравнении с передачей информации по медному кабелю.

Полоса пропускания 100 Мб/с и выше имеет больше преимуществ перед другими средами передачи данных.

Защита от помех в оптическом кабеле весьма высокая, потому что волокно изготавливают из диэлектрического материала, который не воспринимает электромагнитные помехи от различных возможных источников, способных индуцировать электромагнитное излучение. И в кабелях со множеством волокон нет перекрёстного влияния электромагнитного излучения, свойственного медным многопарным кабелям.

У волоконно-оптических систем тоже есть свои недостатки.

Главный минус работы такой системы связи в шахте — сложность поиска и устранения неисправности. Поэтому «Последнюю милю» (канал, соединяющий конечное оборудование с оптическим узлом связи) мы организовываем с помощью медных линий связи и коммутационного оборудования: xDSL-модемов (ИПИ), преобразователей интерфейсов (ИПИ.М) и др.

С таким способом организации системы передачи данных можно значительно повысить пропускную способность, создать высокую отказоустойчивость, возможность диагностирования канала связи, а также увеличить скорость опроса конечного оборудования».

Кроме этого, кабели «не держат» механических воздействий и взрывов и поэтому совершенно непригодны для работы в аварийных условиях.

Система хоть и была более управляемой и надёжной, но все задачи выполнить не смогла.

Технический директор направления радиосвязи ООО «ЦТВС КУЗБАССТЕХНОСПОРТ» Артём Ветров рассказал ещё об одном минусе излучающего кабеля — его высокой стоимости.

Для покрытия радиосвязью всей территории в среднестатистической шахте надо проложить несколько км излучающего кабеля. Вдобавок к этому, через каждые 300-400 м нужно ставить промежуточные усилители сигнала, а их может набраться не один десяток. По итогу, для того, чтобы проложить такой кабель, потребуется значительная сумма.

Далеко не все предприятия могут себе это позволить, поэтому в сфере систем связи начали появляться альтернативные решения.

Без радио не обойтись

Следующей попыткой улучшения надёжности системы связи стали «транкинговые» технологии.

Эти системы радиосвязи устроены по принципу обычных телефонных сетей: у них было ограниченное число радиоканалов, которые выделялись центральным контроллером только по мере необходимости. В случае с горнодобывающей отраслью к большому приёмопередатчику на поверхности добавлялись маленькие «транки» внутри шахты — SRD-устройства.

Работая на очень маленькой мощности (25 мВт), они ещё имели свободный, не требующий собственной частоты, диапазон портов.

Генеральный директор ООО «Радиотехника» Андрей Лексин рассказал, что сегодня данная технология представляет собой полностью цифровую систему, построенную по принципу равнодоступной сети.

«Каждая радиостанция является ретранслятором, который прокладывает в эфире свою радиолинию.

Эта цепочка выходит на поверхность организованной системой наземной связи с горно-обогатительными комбинатами, с транспортом и службами, охватывая всю поверхность и всю внутреннюю часть шахты.

Таким образом, она «накрывается» постоянно действующей системой связи в любом отсеке», — объяснил г-н Лексин.

По его словам, сегодня серьёзных технических трудностей в использовании транкинговых систем нет.

Тем более, что за последние полтора года их существенно доработали: сделали специальные чехлы из высокопрочного материала, который может выдерживать ударную волну, а также усилили крепление ретрансляторов, чтобы при взрывных работах не было отрывов.

Ещё одно преимущество данной системы связи — быстрый монтаж. Небольшую шахту можно «накрыть» ретрансляторами за одни сутки.

Но и транкинговые системы имеют ограниченную функциональность: главное для чего они придуманы — голосовая телефонная связь. А современные МФСБ требуют многих функций.

По словам Василия Ваганова, сегодня, самой современной технологией построения МФСБ в шахте стали системы связи на базе компьютерных сетей.

«Каждый узел связи — полноценный компьютер, имеющий несколько каналов проводной и беспроводной связи, способный анализировать и хранить получаемые данные.

У каждого узла связи есть автономное питание, которое обеспечивает его работу в случае аварии в течение 36 часов.

Такая система способна работать даже при полном разрушении кабелей питания и передачи данных.

Пропускная способность таких сетей обеспечивает все функции, предъявляемые к многофункциональным системам безопасности шахт», — объяснил г-н Ваганов.

Компьютерные сети могут передавать большие объёмы данных, цифровые технологии меньше подвержены воздействию электромагнитных полей.

С учётом возможности применения различных топологий сети, такая связь позволяет обеспечивать полноценное резервирование работы системы безопасности в целом.

Компьютерная сеть может масштабироваться (расширяться) на промышленный объект любой протяжённости, а за счет резервов производительности (до 1 Гбит/с для сверхкатегорных шахт) наращивать дополнительные функции.

Ещё один из существенных недостатков радиосвязи — быстрое затухание сигнала в условиях подземных выработок.

Частоты мегагерцового диапазона не могут проникать в породы с высокой электропроводностью, поэтому радиостанции функционируют только в областях с прямой видимостью от источника излучения.

К примеру, компании «Гранч», «Инортех», «MRS» для решения этой проблемы использует направленные антенны для покрытия радиосвязью определённых выработок или применяет систему низкочастотного оповещения сквозь толщу породы. Так, радиоволны частотой около 1…10 кГц могут проникать глубоко в породу и обеспечивать оповещение и персональный вызов персонала даже в самых отдалённых областях рудников и шахт.

Низкочастотные беспроводные технологии связи для аварийного оповещения и поиска в России используют также компании «Ингортех», «НИЦ Радиус», «ИТ-Индустрия».

К слову

Научно-внедренческий инженерный центр «Радиус» разработал одну из систем связи, построенную на базе промышленного WiFi. Особых проблем при реализации данного проекта не было.

«Наша система нашла широкое применение в менее опасных рудниках – там, где нет сильного запыления и загазованности. Эту технологию используют такие предприятия, как АО «Кольская ГМК» (рудник «Северный», шахта «Каула-Котсельваара»), предприятия международной золотодобывающей компании Nortdgold (рудники «Ирокинда», «Холбинский», «Березитовый») и многие другие», — рассказал заместитель директора по развитию центра Руслан Смирнов.

Екатерина Королькова из «Mine Radio Systems» рассказала, что компании удалось объединить радиосвязь и передачу данных при помощи применения технологии CMTS в рамках системы Centrian.

Она использует классический излучающий кабель и предоставляет пользователям как цифровую радиосвязь, так и пакетную передачу данных со скоростью до 48 Мбит/с через единую линию.

Система Centrian была успешно внедрена и испытана в апреле 2018 года на руднике Долинный (АО «Казцинк») в республике Казахстан.

Системы, использующие оптическую магистраль и классические точки доступа Wi-Fi, также применяются, но с фирменной «изюминкой» — для расширения зоны покрытия за пределы прямой видимости «MRS» использует полюбившийся всем излучающий кабель: это позволяет существенно снизить стоимость системы за счёт сокращения числа точек доступа без потери в площади покрытия.

Питание точек доступа в этом случае также осуществляется через излучающий кабель.

Система позиционирования — главный компонент МФСБ

Система определения местонахождения персонала — важный компонент современной системы промышленной безопасности.

Достаточно сказать, что в США и Канаде для открытия шахты нужно иметь систему, обеспечивающую позиционирование горняков с точностью 60 м и связь с персоналом.

В России, условия в шахтах более суровые и требования Ростехнадзора более значимые: точность позиционирования не хуже 20 м.

Василий Ваганов поясняет, что системы позиционирования бывают периодические «с точностью до выработки» (зональные) или непрерывные с заданной точностью (реального времени). В первом случае определение места происходит при считывании метки горняка специальным считывателем (транспондером).

Радиус действия транспондера ограничен — до 60 м, а точность делится на три уровня (далеко, средне и близко).

Во втором случае определение расстояния происходит при помощи «якорных точек» (не менее 2-х узлов), которые постоянно «прощупывают» метку. Здесь могут использоваться различные технологии определения расстояния (DTOA, TOF, RSSI и пр.)

Очень важным параметром является частота с которой проводятся эти измерения. Дело в том, что шахтёр двигается, и если определение расстояния делать нечасто, то он просто уйдёт дальше регламентированного расстояния ошибки в 20 м.

Так, например, при скорости движения в 1 м/с (3,6 км/ч) за 20 секунд он наберёт 20 м, а система будет думать, что он находится на «старом» месте.

Частота определения локаций в данный момент не регламентирована, и этой уловкой часто пользуются производители оборудования. В системе позиционирования Strata, по их собственным утверждениям, точность определения координат при локации — абсолютная (0 м), чего, по мнению экспертов, быть не может, а частота локаций 1 раз в 30 сек или 30 м.

Дискуссия о принципиальной необходимости точного позиционирования в реальном времени на опасных промышленных объектах завершилась полной победой.

В рамках конференций Ростехнадзора продолжается разговор о его точности и частоте локаций, но и это решится в ближайшее время.

Технология геопозиционирования актуальна не только для подземных горных выработок и шахт, но и для карьеров, рудников, обогатительных фабрик, химических и металлургических производств, нефтяных промыслов, железной дороги, энергетических сетей и объектов атомной промышленности, всего, что называется опасными производственными объектами (ОПО).

На сегодня существует несколько бесспорных лидеров по применению технологий позиционирования.

При этом, компании — отечественные, что немаловажно в свете политических и экономических факторов.

Все имеют собственную производственную базу, хотя, конечно же, используют зарубежные электронные компоненты. Тем не менее, успехи этих предприятий официально признают уже и зарубежные горнодобывающие компании.

Наличие системы позиционирования реального времени спасает жизни горняков и бойцов ВГСЧ при авариях потому что такая система фиксирует «последнее» местоположение человека и значительно ускоряет поиск пострадавших и оказание первой помощи, а спасатели меньше находятся в зоне возможного повторного взрыва.

Итак, для позиционирования нужна опорная сеть. От неё данные о местонахождении персонала передаются на поверхность и доступны диспетчеру шахты.

Стоимость внедрения системы позиционирования зависит от размеров и сложности рудника или шахты, а также от того, есть ли подземная сеть передачи данных.

Ещё важно учесть число сотрудников на объекте, которых нужно обеспечить персональными транспондерами. Кроме этого, стоимость внедрения подсистемы точного позиционирования значительно снижается из-за того, что есть возможность модернизировать существующую сеть.

К использованию беспроводных устройств нужно подходить тщательно поскольку, по мнению г-на Ваганова, изобилие беспроводных устройств и меток может сыграть дурную службу: устройства начнут создавать помехи друг другу.

Конечно, системы точного позиционирования бывают как российского, так и иностранного производства. Но и те, и другие вынуждены использовать импортные комплектующие в оборудовании, а это тоже сказывается на цене.

«В глобальном мире, который живёт по законам рыночной конкуренции, главную роль играет эффективность процессов и технологий, и международная кооперация позволяет достигать высоких совместных результатов.

Системы позиционирования используют общепризнанные технические решения и интерфейсы, которые непрерывно развиваются, чтобы отвечать растущим потребностям пользователей, а за счёт массового использования себестоимость продукта для конечного пользователя снижается», — выразила своё мнение Екатерина Королькова.

Трудности передела

Перейти со старого оборудование на новое — задача, которая требует много времени и сил. Многие предприятия неизбежно сталкивались с проблемами внедрения новых систем связи в подземных сооружениях.

Как отмечает гендиректор «КАС» Александр Алексеев, в практике предприятия было несколько проектов по разработке, проектированию и внедрению системы подземной связи и позиционирования. По его мнению, основная трудность заключается в выборе оборудования, которое бы не только подошло под требования правил безопасности, но и отвечало пожеланиям заказчика.

«Наряду с этим, также необходимо правильно оценивать условия эксплуатации, учёт гипсометрии выработок, эксплуатируемого в выработках оборудования, а также ряд других немаловажных моментов.

Все эти вопросы обязательно учитываются в рамках предпроектного обследования предприятия (шахты/рудника) и во время непосредственной разработки проектной документации», — сказал г-н Алексеев.

Для того, чтобы горняки могли легко сравнивать системы разных производителей, было предложено три важных критерия, при помощи которых можно легко сравнить между собой МФСБ на различных физических принципах: надёжность, доступность и выживаемость.

Эти критерии можно посчитать численно для каждой системы, а потом сравнить их между собой: получится независимая математическая оценка.

Критерий надежности описывает общую характеристику обеспечения функций системы в штатном режиме, критерий доступности удобство и скорость обслуживания, а выживаемость — работу системы в аварийном режиме.

У ООО «ЦТВС КУЗБАССТЕХНОСПОРТ» большой опыт реализации проектов по радиосвязи. Артём Ветров рассказал, что в основном современные системы связи внедряли на карьерах.

«Основная задача при построении систем радиосвязи — это обеспечение необходимой зоны покрытия.

Чтобы наладить качественную радиосвязь в самой глубокой точке карьера, необходимо расположить базовую станцию (ретранслятор) достаточно близко к борту.

И в этом заключается одна из трудностей реализации, так как борта карьеров не стационарны, их постоянно копают, отсыпают и так далее. Именно поэтому там нет возможности расположить стационарное радиооборудование.

Приходится выбирать более удалённые от края карьера точки. И чтобы обеспечить достаточную зону покрытия в забое, мы были вынуждены разместить антенны базовых станций на более высоких опорах, чтобы «заглянуть» за край карьера», — поделился г-н Ветров.

Он отмечает, что проблему расширения зоны покрытия на территории крупных предприятий сегодня достаточно просто решить установкой нескольких базовых станций (ретрансляторов).

Но отсюда вытекают ещё как минимум две проблемы.

Первая — это отсутствие стационарных проводных сетей передачи данных во многих точках на территории карьеров, которые необходимы для соединения базовых станций (ретрансляторов) между собой. И в таких случаях приходится строить радиорелейные линии передачи данных для объединения базовых станций (ретрансляторов) в единую сеть.

А вторая проблема — финансовая, ведь строительство нескольких базовых станций кратно увеличивает стоимость проекта. В свою очередь, руководители, которые отвечают за связь на предприятии, не всегда могут получить финансирование.

Системы связи стали неотъемлемой частью эксплуатации шахт, карьеров и рудников.

То и дело появляется всё более совершенное оборудование, но в силу разных причин многие устаревшие системы связи до сих пор имеют широкое распространение.

Какую выбрать — дело каждого, но нужно помнить, что каждая система создавалась не только для эксплуатации шахт, но и для работы во время чрезвычайных ситуаций.

Более подробно о применении в горнорудной отрасли систем промышленного WiFi и сотовой связи мы расскажем в следующем номере.

Текст: Валентина Лескина