Сети ячеистой топологии (MESH)


Андрей Клименко,

технический директор ТОО «ADVANTEK SYSTEMS»

Применение MESH радиосетей в автоматизированных системах оперативного диспетчерского управления на добывающих предприятиях

Достаточно много публикаций в тематических журналах и специализированной прессе посвящено теме автоматизированных систем управления производственными процессами и в частности АСУ горнотранспортным комплексом на открытых разрезах горнодобывающих предприятий. В настоящей статье рассматривается одно из возможных решений по организации телекоммуникационной составляющей при создании таких систем.

Задачей таких АСУ на предприятиях добычи открытого типа, как правило, являются:

  • сбор информации о работе горно-транспортного оборудования в автоматическом режиме,
  • сокращение простоев и времени работы, что называется, «в холостую», что в свою очередь даст увеличение срока эксплуатации техники,
  • контроль за режимом работы горно-транспортного оборудования, в том числе и контроль по ремонтно-восстановительному состоянию,
  • получение детальной информации о техническом состоянии горно-транспортного оборудования,
  • контроль выполнения технологических карт,
  • повышение безопасности проводимых работ и т.д.

Выполнение этих и многих других задач по повышению эффективности производства позволит внедрить высокоэффективную систему управления предприятием, что в свою очередь обеспечит сохранение конкурентоспособности и доходности предприятия в условиях колебаний конъюнктуры рынка. Это может быть обеспечено только за счет оперативного реагирования на происходящие изменения, в первую очередь, поддержания плановых объемов добычи сырья без кардинального увеличения численности персонала и горно-транспортного оборудования.

Реализация данного принципа просто невозможна без внедрения эффективной системы управления предприятием, использующей объективные данные о ходе и результатах выполнения технологических процессов, связанных с добычей и транспортировкой сырья, которые могут быть получены во многом только при наличии высокотехнологической автоматизированной системы оперативного и диспетчерского управления.

Вариантов и проектов по созданию таких АСОДУ очень много. Компании, поставляющие и внедряющие такие проекты, предлагают на сегодня самые современные и высокоэффективные решения. Одним из важнейших элементов всех таких систем является подсистема телекоммуникаций, которая обеспечивает передачу объективных данных в различных временных режимах (по требованию и поставленной задаче). Если речь идет о достоверности получаемой информации элементами системы, то разумеется именно телекоммуникационная подсистема должна прежде всего соответствовать всем нормативам по готовности к передаче данных. Иначе говоря, система связи в таких комплексах должна быть сверхнадежной, с высокой степенью вероятности безотказной работы.

Часто при проектировании АСОДУ, наряду с требованиями по передаче данных с объектов ГТО (горно-транспортного оборудования), возникают задачи передачи видеоизображений, да еще в реально режиме времени с этих контролируемых объектов.

Не все технологии, на основе которых можно организовать каналы передачи данных, позволяют это осуществить. На сегодня сложно представить возможность построения таких сетей передачи данных по беспроводным каналам (поскольку речь идет о горнодобывающих разрезах) без использования стандартов широкополосной передачи данных. Одно из самых распространенных решений это mesh-сети на базе стандарта IEEE 802.11.s. Что же такое Mesh?

Для простоты понимания обратимся к энциклопедическим данным.

Ячеистая топология (англ. Mesh Topology) — сетевая топология компьютерной сети на принципе ячеек, в которой каждая рабочая станция сети соединяется с несколькими другими рабочими станциями этой же сети с возможным принятием на себя функций коммутатора для других рабочих станций. Характеризуется высокой отказоустойчивостью, сложностью настройки и, для проводных сетей, переизбыточным расходом кабеля. Каждый компьютер имеет множество вероятных путей соединения с другими компьютерами. Обрыв кабеля не приведёт к потере соединения между двумя компьютерами. Получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. Эта топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для крупных сетей. (https://ru.wikipedia.org/wiki)

Применение технологии MESH на базе стандарта IEEE 802.11. в качестве передачи данных в автоматических диспетчерских системах решает проблему оперативности доставки сообщений, позволяет практически без ограничений передавать данные диагностики работы машин и механизмов, в том числе и видео изображений. А сама топология MESH, в которой данные от элемента сети поступают на диспетчерский пункт по нескольким (многочисленным) маршрутам, независимым друг от друга, делает такую систему высокоотказоустойчивой и надежной.

Фирменный усовершенствованный протокол Insta-Mesh, разработанный компанией Rajant, обеспечивает непрерывную и мгновенную маршрутизацию беспроводных и проводных соединений. Благодаря этому протоколу достигается полная мобильность сети, высокая отказоустойчивость, большая пропускная способность и малое время задержки, при нулевых затратах на техническое обслуживание и администрирование. В устройствах BreadCrumb протокол Insta-Mesh сочетается с поддержкой стандартов беспроводного доступа, защиты и безопасности, мониторинга сети, класса качества предоставления сервиса QoS и многого другого. На схеме, показанной выше, ячеистая сеть Rajant адаптируется к изменениям, вызванным перемещением узла E. Новые линии связи создаются в реальном времени, при этом сохраняется доступность, целостность и защита сети.

Поскольку компания Rajant использует в основном уровень Layer 2 и не использует корневой узел или контроллер LAN, мобильность и полоса пропускания близки к максимально возможным. Также поддерживаются множественные шлюзы, защищенная аутентификация на каждый межсегментный переход и/или сетевой пакет.

Скорость передачи данных с устройства сети, построенной на оборудовании Rajant может достигать до 54 Мбит/с, что позволяет организовать передачу потокового видео в радиоканале. То есть диспетчер на своем автоматизированном рабочем месте сможет не только получать телеметрическую и графическую информацию с датчиков и контроллеров, установленных на горно-транспортном оборудовании, но и даже видеть изображение с камер, установленных на объектах горнотранспортного оборудования.

Все устройства Rajant BreadCrumb поддерживают стандарты открытых систем IEEE 802.11a/b/g/n для совместимости с миллионами готовых коммерческих клиентских устройств «прямо из коробки», такими как ноутбуки, смартфоны, IP-камеры, датчики, телефоны VoIP и другими IP-устройствами. Т.е непосредственно к BreadCrumb, установленных на горно-транспортной технике можно подключать IP-видеокамеры, телефоны, датчики. Это позволит организовать передачу не только телеметрических данных с самосвалов, экскаваторов, бульдозеров и другой специальной горной техники, но и видеосигналов с камер, организовать голосовую связь между диспетчером и оператором этих машин и устройств (при необходимости).

Все вышеперечисленное оборудование предназначено для эксплуатации на открытых производственных площадках, в карьерах, шахтах и работает в самых экстремальных условиях, имея Защиту класса IP-67 (6: герметичность от пыли, 7:)

Rajant BC|Commander® Программный инструмент управления сетью устройств BreadCrumb®

Программное средство BC|Commander фирмы Rajant является инструментом для управления и мониторинга беспроводных ячеистых сетей, построенных на основе устройств Rajant. Этот программный комплекс можно использовать на рабочих станциях под управлением операционных систем Microsoft Windows и Linux. Благодаря удобному графическому интерфейсу пользователя, BC|Commander обеспечивает наглядное и полное представление сети.

Защищенная зашифрованная линия связи к каждому устройству BreadCrumb в сети.

  • Конфигурирование множества устройств BreadCrumb одновременно при помощи простого наведения указателя и щелчок кнопкой компьютерной мыши.
  • Дистанционное обновление встроенного программного обеспечения, выполняемое одновременно для множества устройств BreadCrumb.
  • Таблица сети и графические представления топологии сети в реальном времени.
  • Отображение беспроводных клиентов.
  • Конфигурирование безопасности клиентского беспроводного соединения вплоть до уровня стандартов WPA/WPA2 Enterprise (802.11i Enterprise).
  • Отображение состояния (статуса) РЧ для всех ячеек сети и клиентских соединений.
  • Отображение устройств BreadCrumb в реальном времени вместе с картографическими изображениями, настраиваемыми пользователем (при использовании опционального приемника GPS).
  • Анализ работы сети и отчеты о конфигурации.
  • Трассировка протокола InstaMesh® для проверки путей, выбранных для прохождения сигнала через ячеистую сеть.
  • Загрузка ранее сделанных и сохраненных снимков с данными сети для анализа.
  • Контроль и управление всеми остальными функциями устройств BreadCrumb, в том числе установками трансиверов, шифрованием сети и аутентификацией, виртуальными сетями (VLAN) и установками InstaMesh.

Поскольку вопрос безопасности для беспроводных сетей стоит гораздо острей, чем для проводных, так как весь обмен трафиком в сети производится в радиоканале, и для его перехвата достаточно недорогого стандартного оборудования, разработчики компании Rajant включили в оборудование множество опций криптографии, в том числе алгоритмы из набора NSA Suite B, а именно:

  • Раздельно конфигурируемое шифрование данных и MAC-адресов по технологии AES256-GCM, AES192-GCM, AES128-GCM, AES256-CTR, AES192-CTR и AES128-CTR.
  • Конфигурируемая аутентификация на каждый межсегментный переход между устройствами BreadCrumb, на каждый пакет с использованием AES256-GMAC, AES192-GMAC, AES128-GMAC,
  • HMAC-SHA512, HMAC-SHA384, HMAC-SHA256, HMAC-SHA224 и HMAC-SHA1.
  • Поддержка 802.11i: шифрование AES-CCMP и TKIP, WPA-Personal/ Enterprise, WPA2-Personal/ Enterprise, 802.1x; WEP 64/128 бит; списки для управления доступом; совместимость с конфигурацией «клиент/сервер» на уровне Layer-2 и Layer-3, и с решениями по безопасности для одноранговых (peer-to-peer) сетей;

Пример Rajant сети в действии:

 
Оборудование Rajant, установленное на экскаваторе Передвижная станция – ретранслятор для связи с диспетчерским центром

Ниже снимок экрана реальной сети Rajant, охватывающей 145 квадратных километров с более чем 200 узлов мульти- радио, почти все из которых находятся постоянно в движении. Большое количество оперативных приложений одновременно работают в этой сети.

Основные устройства — компонентами Rajant BreadCrumb
Rajant BreadCrumb® JR2 Беспроводный трансивер BreadCrumb JR2 фирмы Rajant при использовании с другими устройствами семейства BreadCrumb позволяет сформировать ячеистую сеть. Этот портативный узел беспроводной ячеистой сети имеет в своем составе одно радиоустройство и поддерживает протоколы открытого стандарта IEEE 802.11a/b/g/n для передачи данных, голоса и видео. Устройство предназначено для всесезонной эксплуатации снаружи помещений, имеет защиту от атмосферных воздействий и множество различных опций для монтажа

Конфигурации для работы в диапазонах 2,4 ГГц и 5 ГГц поддерживают широкий ряд различных вариантов применения и условий развертывания.

Rajant BreadCrumb® LX4 Беспроводный трансивер Rajant BreadCrumb LX4 с несколькими радиоустройствами в прочном корпусе при использовании с другим оборудованием семейства BreadCrumb позволяет сформировать ячеистую сеть. Этот портативный узел беспроводной ячеистой сети имеет в своем составе от двух до четырех радиоустройств и поддерживает протоколы открытого стандарта IEEE 802.11a/b/g/n для передачи данных, голоса и видео. Это полнофункциональное устройство может работать в экстремальных условиях и имеет несколько различных опций монтажа.

Конфигурации с несколькими радиоустройствами поддерживают широкий ряд различных вариантов применения и условий развертывания – диапазоны частот 900 МГц, 2,4 ГГц, 4,9 ГГц, 5 ГГц и другие

Rajant BreadCrumb® LX5 Беспроводный трансивер BreadCrumb LX5 фирмы Rajant при использовании с другими устройствами семейства BreadCrumb позволяет сформировать ячеистую сеть. Этот портативный узел беспроводной ячеистой сети имеет в своем составе до четырех трансиверов, шесть портов внешней антенны и поддерживает протоколы открытого стандарта IEEE 802.11a/b/g/n для передачи данных, голоса и видео. Устройство может работать в экстремальных условиях и имеет несколько различных опций для монтажа.

Множество конфигураций трансивера поддерживают широкий ряд различных вариантов применения и условий развертывания для работы в диапазонах 900 МГц, 2,4 ГГц, 4,9 ГГц, 5 ГГц.

BreadCrumb® ME3 Беспроводный трансивер Rajant BreadCrumb ME3 в прочном корпусе при использовании с другим оборудованием семейства BreadCrumb позволяет сформировать ячеистую сеть (работающую по протоколу Insta-Mesh®). Этот портативный узел беспроводной ячеистой сети, у которого может быть до двух антенн, поддерживает протоколы открытого стандарта IEEE 802.11 b/g для передачи данных, голоса и видео. Для работы требуется всего один переключатель. Модель ME3-24 соответствует требованиям FIPS 140-2 Level 2.
Rajant BreadCrumb® ME4 Беспроводный трансивер в прочном корпусе BreadCrumb ME4 фирмы Rajant при использовании с другими устройствами семейства BreadCrumb позволяет сформировать ячеистую сеть. Этот портативный узел беспроводной ячеистой сети имеет в своем составе два радио-устройстваи поддерживает протоколы открытого стандарта IEEE 802.11a/b/g/n для передачи данных, голоса и видео. Данное полнофункциональное устройство может работать в экстремальных условиях и имеет несколько различных опций для монтажа.

Множество конфигураций трансивера поддерживают широкий ряд различных вариантов применения и условий развертывания для работы в диапазонах 900 МГц, 2,4 ГГц, 4,9 ГГц, 5 ГГц и других.

Rajant BOA24005
Rajant BOA48006
Rajant BOA58006
2.4–2.5 GHz (4.8–5.0 GHz; 5.7–5.9 GHz) всенаправленные антенны. Прочная конструкция позволяет антеннам выдерживать суровые условия окружающей среды и идеально подходит для эксплуатации в экстремальных промышленных условиях.
Rajant VHDC Rajant VHDC–преобразователь DC/DC Power over Ethernet (PoE), изготовленный специально для использования в самых жестких условиях эксплуатации на промышленных площадках.

Компания «ADVANTEK SYSTEMS» работает в Казахстане на рынке беспроводных технологий уже 13 лет, и мы предлагаем надежные высокотехнологичные системы радиосвязи по передачи данных для индустриального сектора.

Если Вы решили строить АСУТП, АСУ, АСОДУ, АСКУЭ — задумайтесь над правильностью и эффективностью предлагаемого Вам проекта телекоммуникационной части этих систем.

Обращайтесь к профессионалам, мы построим Вам сеть связи по передаче данных для любых систем «под ключ», если разумеется в компонентах системы предусмотрены открытые интерфейсы.

А если интерфейсы закрыты производителем контроллеров и УСПД — делайте выводы о дальнейшей эксплуатации предлагаемого Вам решения по автоматизации. Но это совсем другая тема для следующих публикаций. Уважаемые читатели! Звоните, пишите…

E-mail: sales@as.kz