Организация технологической сети на основе Ethernet-оборудования

Преимущества Ethernet-оборудования

В технологических сетях канал тональной частоты (ТЧ) используется:

• для организации голосовой связи (служебная, диспетчерская, радиокабельная и др.);
• для передачи данных поверх ТЧ (различные низкоскоростные модемы в аппаратуре телемеханики и телеметрии).

Канал ТЧ (2- или 4-проводной) применялся в качестве среды передачи первых технологических контроллеров. Он довольно прост в эксплуатации, не требует высокой квалификации персонала, легко передается на десятки километров по медному кабелю, на нем несложно организовать режим «точка-многоточка». Основным его недостатком является накопление шума на длинных участках, чувствительность к внешним помехам.

Развитие технологии Ethernet в различных системах связи предоставило много преимуществ по сравнению с традиционными технологиями, что вызвало большой интерес ведомственных операторов связи, построивших свои сети с применением таких решений. Классически канал ТЧ использовался в малоканальных аналоговых системах передачи, позднее довольно легко была реализована его оцифровка и он был массово внедрен в канальный интервал потока Е1 в мультиплексорах, а также в цифровые системы передачи данных. Вместе с распространением IP-технологий и применением оптических систем передачи на скоростях 100 Мбит/с — 100 Гбит/с появилась возможность использования IP-пакетов для передачи голоса.

В оборудовании Megatrans-4 компании «Натекс» реализована новая концепция построения технологической связи на основе стыка Ethernet и виртуальных сетей VLAN. Согласно этой концепции, на каждом регенераторе организуется стык Ethernet. Таким образом, вся система работает как распределенный Ethernet-коммутатор, что делает более удобным построение технологических сетей.

Для организации технологических каналов ТЧ в системах диспетчерской и радиосвязи вдоль промышленных объектов значительной протяженности ГК «Натекс» предлагает в качестве транспорта использовать канал Ethernet, реализованный на оборудовании FlexCON-VF-Eth. Пакетная коммутация значительно удобнее с точки зрения сложности настроек сети связи, отпадает необходимость переконфигурирования аппаратуры при аварии сегмента кабельного участка или части оборудования. Живучесть подобным сетям придает любой альтернативный маршрут между конечными узлами связи.

Увеличивающиеся требования к объему передаваемой информации на магистральном кабеле определяют необходимость применения оптической среды для передачи данных. Использование существующих проложенных медных кабелей позволяет организовывать дистанционное питание регенераторов. Наиболее перспективным представляется решение построения гибридных медно-оптических сетей, где магистральный кабель постепенно заменяется оптическим, а ответвления на ГРС остаются медными.

Условия внедрения

Интенсивное развитие и стабильная работа газовой промышленности предполагают четкое взаимодействие подразделений и служб, занимающихся организацией движения, эксплуатацией устройств электро- и газоснабжения и других технических средств. Значительная роль в организации такого сотрудничества принадлежит технологической связи. Особенно велика роль технологической связи в непосредственном контроле параметров в газораспределительных станциях.

Различают два вида сети технологической связи: общетехнологическую и оперативно-технологическую (ОТС). Первая сеть предназначена для общего руководства работой подразделений, служб и предприятий Газпрома, вторая — для непосредственной организации технологического процесса и регулирования параметров контролируемых объектов, для обеспечения работы технических устройств на газовых участках, а также для эксплуатации и ремонта технических сооружений.

Для перевода с тональной частоты используется сетевой конвертер FlexCON-VF-Eth, предназначенный для передачи одного или двух каналов ТЧ по каналу Ethernet в топологиях «точка-точка» и «точка-многоточка». Для передачи оцифрованного голосового сигнала применяется собственный протокол сетевого уровня, не совместимый с IP-протоколом. На канальном уровне применяются широковещательные пакеты Ethernet, на сетевом уровне — протокол RTP. Для эффективной эксплуатации Ethernet-сети оборудование поддерживает VLAN и QoS. Управление оборудованием производится через порт RS-232, Telnet, HTTP или по протоколу SNMP.

Актуальность работы

В настоящее время в Заволжском ЛПУМГ для организации каналов технологической связи используется цифровая система передачи ИКМ-7ТМ.

Проблемы, с которыми столкнулись в процессе эксплуатации ИКМ-7ТМ:

• устаревший протокол передачи данных PCM32;
• низкая скорость;
• ограниченное число подключаемых абонентов.

Цель решения задачи, описанной в данной статье, — снижение эксплуатационных затрат и повышение уровня надежности, безопасности путем перевода диспетчерской связи с устаревшего стандарта передачи связи (оборудования ИКМ7-ТМ, TDM) на современный стандарт (оборудования FlexCON-VF-Eth, Ethernet).

Поставленные задачи:

• перевод с устаревшего протокола обмена данными;
• увеличение скорости и надежности соединения;
• внедрение: монтаж, подключение и настройка оборудования.
• Положительным эффектом внедрения данного решения является:
• организация конференций с большим количеством участников;
• сокращение количества выездов персонала и, соответственно, затрат на заказ спецтехники;
• повышение эксплуатационной надежности оборудования;
• возможность проведения диагностики оборудования.

Аппаратура цифровой радиокабельной системы связи ИКМ-7ТМ

Аппаратура ИКМ-7ТМ (рис. 1) предназнaчена для организации каналов диспетчерской, радиокабельной, технологической (для систем телемеханики) связи и дополнительных каналов с аналоговыми или цифровыми окончаниями различного типа по симметричным высокочастотным одно- и многочетверочным кабелям типа ЗКП или МКС по одно- или двухкабельной схеме связи.

Рис. 1. Аппаратура ИКМ-7ТМ

Сравнительный анализ аналогов метода

Использование в Заволжском ЛПУ оборудования от российского производителя «Натекс» и применение им собственного сетевого протокола с оригинальным форматом пакетов (разработано ЗАО НТЦ «Натекс») обеспечивают эффективность полосы пропускания канала и делают его совместимым с большинством стандартов IP. Можно считать, что это уникальное решение на российском рынке.

Основное преимущество описанного решения — переход с протокола передачи данных TDM в ИКМ-7ТМ на Ethernet (табл. 1). Такие изменения позволят увеличить скорость передачи данных с 64 до 240 кбит/с — 100 Мбит/с, то есть скорость передачи данных увеличивается минимум в четыре раза по сравнению с ИКМ-7ТМ. В FlexCON предусмотрена организация разветвленной системы диспетчерской связи с возможностью конференции неограниченного числа абонентов с суммированием голосов, тогда как в ИКМ-7ТМ предусмотрено до 60 абонентов. В FlexCON также возможна передача информации в одном широковещательном домене и через маршрутизаторы и коммутаторы третьего уровня с применением IP-маршрутизации (дополнительная функциональность), то есть оборудование FlexCON является универсальным. Кроме того, габариты оборудования уменьшаются до размеров небольшой платы.

Принцип работы

Технологический конвертер FlexCON-VF-Eth представляет собой оборудование, предназначенное для передачи до двух каналов ТЧ по цифровым сетям с коммутацией пакетов. Модуль осуществляет преобразование четырехпроводного аналогового сигнала тональной частоты в Ethernet-пакеты данных и обратно для организации разветвленной системы диспетчерской связи с возможностью конференции неограниченного числа абонентов с суммированием голосов до четырех абонентов. Передача по сети Ethernet осуществляется с оригинальным форматом пакетов (разработанным ЗАО НТЦ «Натекс»), обеспечивающим эффективное использование полосы пропускания канала. Гибкая система регулирования номинальных входных и выходных уровней каналов ТЧ позволяет использовать модуль с широкой номенклатурой оборудования, а также избежать использования дополнительных аттенюаторов для согласования оборудования. В модуле реализован регулируемый шумо­подавитель для каждого из каналов ТЧ, который позволяет вести передачу данных только при наличии полезного сигнала и оптимально использовать полосу пропускания канала Ethernet.

Структурная схема организации связи представлена на рис. 2.

Рис. 2. Система передачи FlexCON-VF-Eth:
ТЧ1 и ТЧ2 — аналоговые окончания;
FlexCON — аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи (FlexCON-VF-Eth);
S — цифровой сумматор голосовых каналов;
Ethernet-канал передачи данных

FlexCON-VF-Eth может применяться:

• для организации диспетчерской связи топологии «точка — многоточка» как в обычных, так и в радиокабельных системах связи;
• в системах технологической связи для создания разветвленных каналов телемеханики, использующих каналы тональной частоты.

Модули FlexCON-VF-Eth имеют светодиодную индикацию для визуального контроля работоспособности. Настройка и мониторинг осуществляются через порт RS-232, Telnet, HTTP или по протоколу SNMP. На передней панели находятся светодиодная сигнализация, разъемы для подключения Ethernet (RJ-45), датчиков аварийной сигнализации (DB-9) и аналоговых интерфейсов каналов ТЧ (DHS-26).

В Починковском ЛПУМГ для передачи данных технологической и диспетчерской связи используется FlexCON-VF-Eth (рис. 3, 4), который соединен с программно-аппаратным комплексом SCADA «КАСКАД» для обработки данных по телемеханике и с пультами ППДС и АССБР для осуществления диспетчерской связи. Оборудование передает данные по тональной частоте, преобразуя сигнал в Ethernet-пакет и далее через необслуживаемые регенерационные пункты до узла связи КС-25, где сведения распределяются по соответствующим направлениям. Технологическая связь обрабатывается сервером ТМ, а диспетчерская поступает на диспетчерский пульт. Это инновационное предложение увеличивает скорость передачи данных, поскольку они передаются по каналу Ethernet, используя существующую сеть ЛПУ с участием оптоволоконной линии и повышая надежность благодаря стандарту Ethernet.

Рис. 3. Схема применения аппаратуры FlexCON-VF-Eth

Рис. 4. Установленный FlexCON-VF-Eth в Починковском ЛПУМГ

Уникальность решения

Развитие технологии Ethernet в различных системах связи дало много преимуществ по сравнению с традиционными технологиями. Классически канал ТЧ передавался в малоканальных аналоговых системах передачи, позднее довольно легко реализовали его оцифровку по протоколу TC-PAM в ИКМ-7ТМ. Но с развитием IP-решений встал вопрос: как же быть с этим интерфейсом?

Вместе с распространением IP-технологий появилась возможность использования IP-пакетов для передачи голоса. Но здесь мы сталкиваемся с рядом проблем:

• голосовые шлюзы используются в режиме «точка-точка», в то время как для технологических сетей требуется режим «точка-многоточка»;
• для технологических сетей нужен режим суммирования;
• необходим режим 4-проводного окончания, который в традиционных VoIP-шлюзах не реализован;
• весьма желательно минимизировать задержку в голосовом канале;
• необходим расширенный спектр сигнала для внутриканальной сигнализации.

Для этих целей «Натекс» разработала решение, позволяющее сразу перей­ти с ТЧ на Ethernet, минуя морально устаревшие RS-232 и т. п.

Модуль FlexCON-VF-Eth осуществляет преобразование аналогового сигнала тональной частоты в пакеты данных Ethernet и обратно, обеспечивая передачу двух четырехпроводных аналоговых каналов. При этом преобразователь использует собственный формат данных, чтобы эффективно применять полосу пропускания канала. Для универсальности канал ТЧ может настраиваться как в приложении «точка-точка», так и в схемах «точка-многоточка» под приложения диспетчерской групповой связи в любых топологиях построения сети.

Данное решение используется на 31 объекте в службе связи Заволжского ЛПМУГ (рис. 5) и показало свою эффективность в работе, увеличив скорость передачи данных и повысив надежность соединения.

Рис. 5. Использование платы FlexCON-VF-Eth в Заволжском ЛПУМГ

С уменьшением количества оборудования и его легким удаленным администрированием количество выездов бригады для устранения неисправностей по сравнению с ИКМ-7ТМ сократилось в 1,5–2 раза, что демонстрирует существенную экономическую выгоду данного проекта (табл. 2). При одинаковом использовании ИКМ и «Натекс» экономия получается в пользу «Натекса».

Факторы, способствующие выбору Ethernet-оборудования:

• широкое применение протокола Ethernet;
• простота монтажа и конфигурации плат.

Фактор, препятствующий такому решению, — использование на объектах связи устаревшего оборудования, не совместимого с Ethernet-протоколом.

Применение данного решения дает больше возможностей в организации и использовании сети благодаря стандарту Ethernet. Проект позволяет мониторить и удаленно конфигурировать объекты связи, что в итоге приводит к сокращению количества ремонтных бригад. А это в свою очередь уменьшает количество задействованного транспорта, людей и часов, потраченных на поиск и ремонт поврежденного участка кабельной линии связи.