Привет, Хабр! Я Ольга Пешина, эксперт по развитию новых технологий. Когда нашему производству — огромной металлургической компании «Северсталь» — требуется поиск, проработка и внедрение инновационных идей или прорывных информационных технологий, обращаются к нам.
Наш свежий кейс — это решение для непростой задачи по сбору информации о состоянии металлургического оборудования. Это данные, без которых нельзя выстроить процесс мониторинга работы агрегатов, оперативно реагировать на проблемы, планировать ТО и загрузку производства… О том, как, что и почему мы выбрали, — под катом.
Как сейчас: сбор данных по оптике
Для сбора информации с наиболее критичного оборудования мы используем оптическую сеть. У такого решения есть масса преимуществ. Это отличная среда передачи для сценария, где важны объёмы транслируемой информации и гарантии доставки с минимальными задержками.
Однако на деле это достаточно дорогое решение, причём и в строительстве, и при эксплуатации. И потому, что у системы должна быть возможность постоянно дооснащаться новыми датчиками, чтобы точнее знать о текущем состоянии каждого узла и агрегата. И потому, что на промышленном предприятии сложные условия окружающей среды, так что сети периодически приходят в негодность: их обрывают в результате работ на оборудовании, расплавляют высокими температурами и т.п.
В общем, кабель порой приходится прокладывать заново, что влечёт как финансовые затраты, так и производственные риски. Ведь ситуационный центр нашей службы мониторинга состояния оборудования (СМСО), который следит за состоянием агрегатов по стационарным системам мониторинга и, соответственно, предотвращает аварии на оборудовании, становится «слепым» на время восстановления.
Ещё одним недостатком коммутируемых решений можно назвать невозможность использовать их повсеместно. Есть узлы, куда проводной датчик поставить невозможно, например вращающиеся ролики.
В попытках снизить стоимость инфраструктуры и повысить оперативность подключения новых датчиков мы начали смотреть на беспроводные решения. В некоторых цехах задействовали промышленный Wi-Fi. Однако сигналы его частотного диапазона уж очень хорошо экранируются металлическими конструкциями внутри цехов, так что требования к бесперебойности сигнала не удовлетворяются. Пришлось искать альтернативу.
Пилот на LoRaWAN
Мы рассматривали несколько вариантов, в том числе Private LTE и NB-IoT. Смотрели и в сторону проприетарных решений. Но в итоге остановились на LoRaWAN, на базе которого и развернули пилотный проект. Он показал неоспоримые плюсы.
Частотный диапазон
Главный плюс, пожалуй, заключается в том, что сеть LoRaWAN, в отличие от Wi-Fi, работает в частотном диапазоне до 1 ГГц (кстати, нелицензируемом) с возможностью изменения параметров передачи. Высокая проницаемость субгигагерцевых сигналов позволяет передавать данные даже из подвала, который находится под металлопрокатным станом. Именно этот результат вдохновил нас больше всего.
Производители оборудования LoRaWAN заявляют дальность связи до 5 км в сложных условиях. В ходе пилотного внедрения в условиях «повсеместного металла» удалось получить устойчивый сигнал в радиусе 2,5 км от базовой станции. Для этого проекта мы ставили условие потери не более 5 % пакетов при передаче, но в течение полугода эксплуатации потери не превышали 1 %. Наши расчёты показывают, что 9 базовыми станциями, установленными на высоких объектах завода (трубах и т. п.), мы покроем сетью всю территорию, при этом будем работать не на предельных расстояниях, а с запасом.
Стоимость технологии
Подсчёты показали, что развертывание сети LoRaWAN для решения нашей задачи более чем в 10 раз дешевле аналогичной оптической.
Оценивая бюджет будущего масштабного проекта, мы учитывали не только стоимость передачи данных, но и затраты на подключение к сети существующих локальных контрольно-измерительных приборов (КИП). На рынке есть LoRaWAN-модемы, которые можно подключить к существующим КИП, не предпринимая серьёзной модернизации. Они избавляют от необходимости дооснащать линии датчиками там, где они уже есть.
Открытый протокол
Но даже получив хорошие результаты в частотном диапазоне LoRaWAN, мы всё ещё смотрели и на проприетарные протоколы того же участка спектра, которые заявляют большую скорость передачи данных. Они действительно работают: передают более серьёзные объёмы информации или значительно уменьшают интервал дискретности передачи. Но зависимость от вендора в условиях нашего «зоопарка» технологий не лучшая идея. Да и с точки зрения конкурентоспособности мы не хотели бы замыкаться на конкретных производителях, когда есть классическая открытая LPWAN-система.
В отличие от проприетарных решений, упомянутые выше модемы для открытого стандарта выпускает большое количество вендоров. Мы можем приобретать их у любого поставщика или даже производить своими силами.
Автономность устройств
Автономность LoRa-устройств закрывает проблему невозможности монтажа проводных решений на некоторых узлах. Но при этом мы упираемся в энергопотребление. Если нет проводной сети, то, как правило, нет и электрического кабеля. Поэтому новый вопрос — замена батарей, которые обеспечивают эту автономность. Обидно будет, если дешёвая технология сбора информации с датчиков существенно поднимет затраты на обслуживание, например на штат сотрудников, которые целыми днями будут ходить по предприятию и менять, менять, менять батарейки.
Устройства LoRaWAN, которые мы тестировали в рамках пилота, при передаче раз в 5 минут продержали заряд более 3 месяцев. А это как раз минимальный срок, который нас устраивает.
Конечно, кому бы не хотелось, чтобы батареи работали год? Но тут многое зависит от условий работы. Очевидно, что при частой отправке данных или при минусовых температурах (если датчики находятся на улице зимой) длительность автономной работы будет меньше. Но мы не оставляем надежд найти партнёров, которые будут производить более энергоэффективные устройства или использовать новые типы батарей.
Безопасность
Когда мы говорим про LoRaWAN и сбор телеметрии, мы обсуждаем стык технологической и корпоративной сетей передачи данных. В технологической сети максимально высокие требования к защите информации. Но тут мы не нашли противоречий — в сети LoRaWAN сигналы отлично шифруются. Предварительно мы уже проработали этот вопрос со своей информационной безопасностью для некритичных данных. Критичные данные, которые мы обязаны защищать не только в соответствии с нашими внутренними регламентами, но и по законодательству, например коммерческий учёт электроэнергии, пока останутся без LoRaWAN.
Ложка дегтя
Безусловно, у LoRaWAN есть недостатки. Главный заключается в невозможности передавать большие объёмы информации — у стандарта очень низкая пропускная способность. К тому же сигнал дискретен, то есть данные не «льются» онлайн. Сейчас устройства отправляют информацию раз в 5 минут — минимально возможный промежуток времени между пакетами на нашем пилотном стенде. Это ограничивает сферу применения LoRa, но не заставляет нас полностью отказываться от дешёвого и удобного по многим показателям стандарта.
Проанализировав результаты пилота, мы решили использовать LoRaWAN для некритичного оборудования, где можно допустить контроль параметров (температуры, уровней жидкостей, тока, вибраций и т. п.) не чаще чем раз в 5 минут, и не надо передавать гигабайты данных.
«Боевой» проект
Масштабное внедрение на промплощадке в Череповце только стартует. Активная фаза проекта запланирована на 2021 год.
Пока вопросов много, в том числе по помехам и ёмкости сети. Имея только теоретические расчёты на основе радиоразведки, мы не знаем, с чем столкнёмся на практике. Удастся ли нам разместить датчики так, как мы планируем? Будут ли они мешать работе оборудования? Не снесёт ли их первый же проезжающий мимо погрузчик? Не окажется ли потребность в передаче информации выше, чем мы проектировали, и не придётся ли нам срочно увеличивать запланированное количество базовых станций?
Тот факт, что LoRaWAN работает в нелицензируемом диапазоне, может добавить нам неожиданностей в радиоэфире, когда мы начнём устанавливать устройства повсеместно. Вполне ожидаемо, что на территории найдутся слепые зоны, где мы не сможем по каким-то причинам собирать информацию. Будем решать по месту — ставить ретрансляторы, добавлять базовые станции или искать иные решения.
Также нам предстоит выстроить процессы замены батарей в автономных датчиках. Пока не представляем, как нам правильно (с точки зрения организации работ) следить за расходом батарей, как их менять, чтобы модемы не отправлялись в кабинеты обслуживающего персонала на 2 недели, а работали по возможности непрерывно. Но я думаю, мы с этим справимся, и LoRaWAN займёт свою нишу сбора телеметрии с некритичного оборудования, дополняя описанную выше оптическую сеть для критичных данных.
Не исключаю, что со временем у нас появятся и другие беспроводные промышленные решения, например Private LTE. Он может пригодиться там, где мы, с одной стороны, не можем протянуть провода, а с другой, всё же вынуждены передавать большие объёмы данных. Например, видеоданные с камер на удалённых площадках. Такой «зоопарк» решений — это неплохо, когда каждое из них используется там, где это наиболее целесообразно.
Проект с LoRaWAN наверняка будет тиражироваться на других площадках «Северстали». Уже сейчас нам поступает много запросов от коллег. А некоторые предприятия, оценив пилот, не стали дожидаться результатов нашего полномасштабного внедрения и запустили собственные проекты. Коллегам понравилась экономичность и уровень надёжности передачи данных с использованием этой технологии. Если мы в своих задачах отталкиваемся от мониторинга, то они решают с помощью LoRaWAN иные задачи, например контроль расходов электроэнергии и воды.
Хабравчане, а вы работали с LPWAN-решениями? Расскажите про свой опыт и кейсы применения.
