Оптическое волокно в системах мониторинга инженерных конструкций и сооружений

Реализация автоматизированного комплекса для мониторинга на мостовом переходе в Московской области. Около двух сотен точек контроля и десять контролируемых параметров. Перспективы развития таких комплексов.

Почему это важно

Промышленная автоматизация несколько десятков лет имеет высокую значимость, как часть проектного решения для уникальных объектов и решает одну крайне важную задачу — сбор данных для анализа и обеспечения безопасности в ходе эксплуатации. С недавних пор стал важен фактор цифровизации систем автоматизации.

Автоматизация и цифровизация — это закономерные тенденции развития в промышленной эксплуатации объектов, сопутствующие развитию и экономических факторов. И это не просто сопровождающие факторы увеличения бюджета проекта, а реальная необходимость в связи с растущей сложностью и объёмами задач.

Плюсы автоматизация и цифровизация

• Повышение надёжности сооружений, объектов, оборудования;
• Повышение эффективности труда;
• Снижение факторов риска;
• Повышение общего уровня информатизации.

Современные системы мониторинга — автоматизированные комплексы, которые собирают данные в режиме реального времени, они используются для оценки текущего состояния, интегральной оценки и прогнозирования последующих событий на объекте. В большинстве своём решения реализуются на базе классических (струнных, цифровых) волоконно-оптических датчиков (Волоконные Решётки Брэгга — ВБР, системы термометрии Рамана, системы мониторинга деформации на эффекте Мандельштамма-Бриллюэна, Вибро-акустические системы и прочие) и других систем (метеорологические станции, цифровые тахеометры).

Датчики могут находиться на поверхности, быть встроены в структуру объекта на этапах строительства, находиться во влажной среде и иных (даже агрессивных) условиях.

Датчики также называют первичными преобразователями, которые преобразуют измеряемые физические параметры в форму сигнала (оптического, частотного или электрического), которая передаётся по информационному каналу на удалённый диспетчерский центр и рабочее место.

Системы собирают сигналы с множества датчиков, обрабатывают и хранят данные. Системы верхнего и нижнего уровня, которые включают в себя измерительные приборы, могут называться по-разному, они классифицируются по решаемым задачам и их масштабу.

Основные встречающиеся определения:

• Системы мониторинга;
• Системы контроля физических параметров и процессов;
• Контрольно-измерительные приборы и аппаратура (КИПИА);
• Автоматизированная система диагностического контроля (АСДК)
• Система мониторинга инженерных конструкций (СМИК);
• Система структурированного мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений (СМИС);
• SCADA системы — диспетчерское управление и сбор данных.

Становится легко понять, что задачи решаются от локальных до самых масштабных. Верхний уровень может находиться в другом районе города или даже в другом городе, например, в едином диспетчерском центре, который находится в 10 или 100 км от начала контролируемого линейного объекта.

Но большинство этих систем закрыты и имеют собственные алгоритмы, протоколы, программное обеспечение. Таким образом объединение нескольких программно-технических комплексов, систем автоматизации и цифровизации требует ещё одного решения более высокого уровня. В России с каждым годом растёт число автоматизированных объектов, однако из-за разрозненности вводимых систем, попытки унификации систем ещё на этапе производства и подготовки к монтажу предпринимались крайне редко.

С развитием таких систем и ростом их количества актуальным становится поиск решений для унифицированной организации систем любой сложности, масштаба и протяжённости.

В связи с этим для одного из крупных объектов в Московской области (мостовой переход через реку Волга в г. Дубна — рис. 1) были запроектирован и произведен уникальный комплекс автоматизации «In20 SSDA» (сокращение от англ. — smart system of digitalization and automatization). Комплекс реализован из сотен датчиков в 4 шкафах в 19’ исполнении, где коммутируются различные системы, далее все сигналы конвертируются в оптический сигнал через медиаконвертеры отечественного производства. Использование современных элементов преобразования и передачи информации немаловажно, так как это вопрос безопасности и защиты информации в долгосрочной перспективе. Поэтому для реализации всего комплекса, по возможности, были использованы комплектующие ведущих отечественных производителей. Коммутирующее оборудование выбиралось с учётом наличия сертификатов безопасности.

Реализованный комплекс позволяет организовать коммутацию и сбор данных с четырех подсистем. Унифицированное программное обеспечение собирает данные и оцифровывает их в едином интерфейсе.

Основной состав реализованной системы (рис. 2):

• Система волоконно-оптических датчиков (180 сигналов);
• Цифровая система акселерометров и инклинометров (20 сигналов);
• Метеорологическая станция (6 параметров);
• Система струнных датчиков (16 сигналов);
• Удалённый диспетчерский сервер;
• Удалённый сервер для экстренных служб.

Эта система измеряет деформации несущих конструкций, угловое ускорение, углы наклона, собирает данные. В описываемом проекте и в последующих, основной технологией становится технология ВБР, которая составляет значительный объём решения СМИК. Оптический сигнал от датчиков может передаваться на несколько километров, что в условиях эксплуатации протяженных линейных объектов — является крайне важным.

Сбор данных на мосту ведётся с оптических каналов и с витой пары, но возможна и передача данных по беспроводным каналам. После коммутации все данные оцифровываются и конвертируются в оптический сигнал. Затем данные передаются по федеральным каналам связи, которые были зарезервированы при проектировании для систем СМИС и подобных.

Весь комплекс автоматизации включает в себя более тысячи элементов. Компоновка такого комплекса затруднительна, но ещё труднее создать универсальное программное обеспечение.

Основная задача автоматизации и цифровизации, после введения комплекса в эксплуатацию, это выстраивание эффективных порогов срабатывания и оповещения при возникновении ЧС. Как указано выше, в данном проекте реализована система, включающая в себя всего четыре подсистемы, но в перспективе это 7–8 типов систем на каждом объекте, обладающих полной автоматизацией сбора данных.

Среди дополнительных систем:

• Цифровое и аналоговое видеонаблюдение с функциями распознавания объектов;
• Распределённая система контроля температуры для мониторинга грунта, фильтрационных процессов. Например, применение подобных систем крайне актуально в условиях вечной мерзлоты, где процессы термических изменений и переходов в грунте могут причинить урон конструкции;
• Системы пожарной сигнализации;
• Пожарная сигнализация и линейные тепловые датчики;
• Системы вантовых датчиков с токовым сигналом.

С помощью специальных математических алгоритмов и применяемых систем можно будет не только собирать данные в реальном времени, но и анализировать надёжность конструкций в перспективе при дальнейшей эксплуатации, в том числе через расчёт декремента затухания.

Системы будут делиться на проводные и беспроводные, в зависимости от задач и условий. Например, при надвижке пролётов возможно использовать только беспроводные модули с технологией LoRa (технология существует с 2015 года, разработана Semtech Corporation и исследовательским центром IBM Research) — это новый открытый энергоэффективный сетевой протокол LoRaWAN (Long Range Wide Area Networks). Технология является беспроводным промышленным стандартом

В глобальном плане мы получим аналог интернета вещей (AIOT), но на более серьёзном и ответственном уровне, нежели бытовые решения и с большим диапазоном передачи данных.

Перспективы систем

Ранее системы делились по типу, стоимость их интеграции и обслуживания выходит из-за этого значительной. Универсальные контролируемые, программируемые и автоматизированные системы цифровизации («In20 SSDA») предоставят возможность более простой интеграции и сбора, передачи данных, а также позволят анализировать всё в единой программной среде. Многофункциональные универсальные комплексы коммутации, автоматизации и цифровизации будут применяться для различных мостовых переходов и климатических условий, на разных этапах строительства. Комплексы можно будет использовать не только на одном объекте, но и на группах сооружений или при сложных архитектурных решениях, где необходимо контролировать и прилегающие объекты.

Список использованной литературы:

1. Быкадоров, В. А. Техническое регулирование и обеспечение безопасности: учебное пособие / В. А. Быкадоров, Ф. П. Васильев, Казюлин Владимир Александрович; под ред. Ф. П. Васильева. — М.: Юнити-Дана: Закон и право, 2015. — 639 с.
2. Network interoperability, process digitalization. MARK T. HOSKE, CONTROL ENGINEERING, Aug 10, 2018, www.controleng.com
3. Understanding fiber-optic network technology for SCADA. TONY LEFEBVRE, Feb 25, 2016, www.controleng.com.
4. ГОСТ Р 22.1.12-2005 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений».
5. Digitization, Digitalization, And Digital Transformation: Confuse Them At Your Peril. Jason Bloomberg, Apr 29, 2018, FORBES.COM.