Tầm quan trọng của truyền thông không dây tin cậy trong nhà máy

Tầm quan trọng của truyền thông không dây tin cậy trong nhà máy Trong lĩnh vực phát điện thì việc đảm bảo sức khỏe, an toàn của nhà máy và nhân viên là rất quan trọng. Và trong môi trường làm việc có tính bảo mật và độ rủi ro cao như vậy thì điều thiết yếu là nhân viên có khả năng thông tin mọi lúc một cách rõ ràng và nhanh chóng. Bài báo thảo luận về một loạt các giải pháp không dây sẵn có trên thị trường hiện nay. Hệ thống không dây thông minh trong nhà máy điện Việc đảm bảo sức khỏe, an toàn của nhà máy điện và người vận hành nhà máy có tầm quan trọng hàng đầu. Chẳng hạn, điều cực kỳ quan trọng là nhà máy điện hạt nhân phải ứng phó được với mọi loại tình trạng khẩn cấp có thể xảy ra tại một nơi bất kỳ của nhà máy, vào bất kỳ lúc nào trong ngày một cách nhanh chóng hiệu quả. Trong môi trường làm việc có tính bảo mật và độ rủi ro cao như vậy, nơi mà nói chung nhân viên phân tán rộng khắp ở đủ mọi nơi trong nhà máy, thì điều thiết yếu là mọi người phải có thể thông tin rõ ràng vào bất cứ lúc nào, ở bất cứ nơi nào họ có thể đến trong phạm vi nhà máy. Không có đâu mà yêu cầu truyền thông liên tục và tin cậy lại quan trọng như ở lĩnh vực phát điện. Đảm bảo phủ sóng tin cậy, rộng khắp Cơ quan chức năng nhà nước các nơi trên thế giới đều đã thiết lập các quy định về an toàn và sức khỏe và các nhà máy điện phải tuân thủ. Tại Mỹ, Bộ Năng lượng qui định phải triển khai mạng viễn thông tin cậy trên toàn bộ cơ sở hạ tầng các nhà máy điện. Hướng dẫn tiêu chuẩn kỹ thuật của Bộ Năng lượng Mỹ quy định rõ nhà máy điện hạt nhân phải được trang bị để hỗ trợ các công nghệ thông tin trong đó có viễn thông, và quan trọng là phải cung cấp tin tức đáng tin cậy cho an ninh công cộng và các dịch vụ khẩn cấp. Trong môi trường năng động này, hàng loạt các dịch vụ vô tuyến thương mại được áp dụng như dịch vụ di động nhiều người vận hành, dịch vụ an toàn công cộng, bộ đàm (PTT), nhắn tin, tự động hoá và Wi-Fi, các dịch vụ này vận hành ở các tần số khác nhau và mức độ khó khăn thâm nhập các toà nhà cũng có sự khác nhau. Ngoài ra còn có các dịch vụ không dây chuyên dụng như theo dõi đo từ xa trên sóng 900 MHz được tối ưu hóa để đo mức độ phóng xạ trong nhà máy điện, một yêu cầu thiết yếu nhằm đảm bảo an toàn cho lực lượng lao động. Nhà máy điện có kích thước lớn, cấu trúc công trình lại đa dạng, đặt ra những thách thức có một không hai đối với việc thiết lập vùng phủ sóng rộng khắp bên trong toàn nhà máy. Sự khác nhau về hình dạng và kích thước toà nhà cộng với sự đa dạng về vật liệu sử dụng như sắt thép và bê tông làm cho tín hiệu tần số rađio (RF) yếu đi đáng kể khi thâm nhập vào trong các toà nhà. Điều này làm cho tốc độ dữ liệu giảm và thậm chí là mất tín hiệu, khiến nhân viên nhà máy không thể liên lạc tại một số khu vực nhà máy. Vấn đề này sẽ trở nên phức tạp hơn trong vài năm tới khi công nghệ 4G mới ra đời đòi hỏi chất lượng tín hiệu cao hơn đáng kể, làm cho các tín hiệu RF dễ bị suy yếu hơn bởi các vật liệu. Điều này khiến cho việc đáp ứng các yêu cầu về sức khỏe và an toàn trở nên cực kỳ khó khăn và có thể dẫn đến nhân viên phải chịu những rủi ro đáng kể. Có nhiều tiến bộ về công nghệ có nghĩa là ngày nay có vô số phương cách cạnh tranh và mâu thuẫn nhau trong việc cải thiện vùng phủ sóng bên trong toà nhà. Tuy nhiên, nhà máy điện là môi trường rõ ràng khó khăn và phức tạp đối với việc triển khai những hệ thống như vậy. Việc sử dụng thiết bị điện áp cao và khoảng cách xa giữa các tòa nhà gây nhiều khó khăn cho việc tích hợp các hệ thống vô tuyến trong tòa nhà. Điều thiết yếu là các giải pháp phủ sóng trong toà nhà phải có thể giảm thiểu nhiễu tín hiệu rađiô do thiết bị điện công suất lớn và vật liệu xây dựng gây ra cũng như đương đầu với khó khăn về khoảng cách lớn giữa các toà nhà khác nhau trong nhà máy. Với vô số sự lựa chọn sẵn có trên thị trường ngày nay, cán bộ phụ trách vấn đề sức khỏe và an toàn đang phải đối mặt với nhiệm vụ khó khăn là xác định được các ưu nhược điểm của từng phương án. Làm thế nào để họ đảm bảo được là đã lựa chọn giải pháp không dây trong toà nhà có khả năng hỗ trợ cả một khối chằng chịt phức tạp các dịch vụ truyền thông không dây yêu cầu, đồng thời đáp ứng tốt các quy định về sức khoẻ và an toàn, hiện nay và sau này? Phủ sóng vô tuyến có thể được yêu cầu cho nhiều mục đích khác nhau, từ các cuộc gọi tới truyền dữ liệu, các hệ thống an ninh và các dịch vụ khẩn cấp, v.v. Có rất nhiều loại nguồn khác nhau đối với các dịch vụ này như trạm gốc, bộ chuyển tiếp, điểm truy cập, rađio hai chiều, v.v., cho mỗi hệ thống với công suất, vùng phủ sóng và khoảng cách khác nhau. Ngày nay, các giải pháp vô tuyến trong toà nhà có thể chia làm hai nhóm khác nhau: Giải pháp dịch vụ đơn và giải pháp đa dịch vụ. Thiết bị dịch vụ đơn Nói một cách đơn giản, giải pháp phủ sóng tòa nhà dịch vụ đơn bao gồm mọi giải pháp công nghệ không dây hỗ trợ chỉ một loại dịch vụ không dây. Nhóm này bao gồm các phương pháp truyền thống như trạm cơ sở điện thoại di động, bộ định tuyến Wi-Fi, hệ thống rađio tầm ngắn bản quyền cùng một số loại mới gia nhập thị trường như femtocell. Hệ thống radio tầm ngắn bản quyền là phương tiện truyền thông rất hiệu quả khi sử dụng cho dịch vụ riêng lẻ. Một ví dụ về công nghệ vô tuyến thuộc nhóm này là Bluetooth, Wi- Fi và Land Mobile Radio Systems (LMRS) được sử dụng nhiều nhất trong nhà máy điện với các dịch vụ an ninh, khẩn cấp, và các ứng dụng an toàn công cộng. LMRS nhiều khi có thể kết nối tới các hệ thống cố định khác như mạng điện thoại di động, tuy nhiên nhược điểm nhỏ của các hệ thống này khi sử dụng riêng lẻ là bảo trì khá tốn kém và có thể khiến khách hàng bị lệ thuộc vào một nhà cung cấp duy nhất để tránh các vấn đề tương tác. Hình ảnh về ý tưởng thiết kế nhà máy điện, tín hiệu radio vô tuyến được phân bố khắp nơi. Như với các công nghệ bản quyền khác, phần mềm và phần cứng đầy rẫy các vấn đề về giấy phép và bằng sáng chế khiến khách hàng bị hạn chế về khả năng kiểm soát để thích ứng và thiết kế mạng vô tuyến cho riêng họ. Dải các công nghệ này nằm ngay trong tên của nó. Nhưng thậm chí khi được nối với những hệ thống có dải rộng hơn như điện thoại di động, thì kết cục LMRS vẫn bị ảnh hưởng bởi các vật liệu làm suy giảm tín hiệu trong cơ sở hạ tầng của nhà máy. Công nghệ Wi-Fi ngày càng trở nên phổ biến đối với các mạng không dây bởi nó hiệu quả về chi phí và dễ cài đặt. Trong phạm vi nhà máy điện, Wi-Fi đem lại nhiều lợi thế, từ truy cập máy dịch vụ mạng, Internet, cũng như các công nghệ VoIP như Skype, cho phép truyền giọng nói qua Internet, không phải là qua mạng điện thoại. Trong phạm vi nhà máy điện, người quản lý công nghệ thông tin có thể cài đặt nhiều bộ định tuyến phát Wi- Fi tích hợp một môđem DSL hay môđem cáp và một điểm truy cập Wi-Fi để kết nối với Internet thông qua mạng điện thoại cố định, thu thập và chuyển tiếp dữ liệu từ các nơi khác nhau trên toàn nhà máy. Mặc dù thiết kế rất đơn giản và dễ thực hiện, nhưng các bộ định tuyến Wi-Fi cuối cùng vẫn bị hạn chế ở chỗ chúng chỉ có thể phân phối đầu ra rađio ở tầm ngắn, điều đó có nghĩa là cần nhiều bộ định tuyến ở khắp nhà máy. Điều đó làm cho việc bảo dưỡng tốn nhiều thời gian và khó khăn, bởi vì thực tế khó định vị được những bộ định tuyến hỏng hoặc lỗi trong một mạng phức tạp các điểm truy cập như vậy. Nhìn một cách khái quát các mạng điện thoại di động, có bốn giải pháp dịch vụ đơn giải quyết các vấn đề tín hiệu thâm nhập kém – tăng công suất trạm cơ sở chính gần đó, các bộ lặp, các picocell và các femtocell. Giải pháp hiển nhiên nhất có thể là tăng công suất của trạm cơ sở gần đó. Tuy nhiên, với công nghệ 3G thì không hiệu quả về chi phí hoặc thuận tiện về kỹ thuật bởi vì tăng phạm vi phát sóng thì tất yếu phải giảm lưu lượng tối đa và mật độ người thuê bao. Trong khi đó, các bộ lặp có thể mở rộng khu vực phủ sóng của trạm cơ sở ngoài trời vào trong tòa nhà mà không cần thay đổi dung lượng của mạng. Bộ lặp được cung cấp từ trạm cơ sở chính thông qua ăngten phát cho phép giảm bớt chi phí về thiết bị mạng bổ sung. Tuy thế, các bộ lặp có dải thông giới hạn và thông thường chỉ có thể hỗ trợ một hoặc hai dải tần. Để đảm bảo phủ sóng cho nhiều dịch vụ thì cần phải lắp đặt một số bộ lặp và đối với những môi trường có lưu lượng dữ liệu cao thì các bộ lặp tỏ ra kém hiệu quả bởi vì chúng không thể cung cấp thêm dung lượng cho tòa nhà. Picocells thường rất phù hợp cho việc cung cấp dung lượng bổ sung cho mạng điện thoại di động trong những tòa nhà nhỏ hơn. Khi triển khai trong những tòa nhà lớn, yêu cầu dung lượng lớn thì cần có một số lượng lớn picocell. Bởi mỗi dịch vụ vô tuyến yêu cầu cơ sở hạ tầng riêng, điều này dẫn đến phải đầu tư rất lớn cho thiết bị. Thiết bị mới nhất trong thị trường dịch vụ đơn là femtocell. Về cơ bản, femtocell hoạt động như một trạm cơ sở nhỏ kết nối tới một mạng điện thoại di động thông qua băng thông rộng để cải thiện phủ sóng trong nhà. Femtocell giống như bộ định tuyến Wi-Fi, tương đối dễ triển khai. Nhưng femtocell có nhược điểm là tầm ngắn và dung lượng nhỏ, thông thường chỉ hỗ trợ hai đến bốn người sử dụng điện thoại di động. Tăng thêm số femtocell trong một tòa nhà không những tốn kém mà việc triển khai nhiều điểm có thể gây ra các vấn đề nhiễu giữa các điện thoại di động. Chính vì lý do này mà femtocells thích hợp hơn cho các môi trường gia đình. Nhiều cải tiến về tổng dung lượng hỗ trợ đã được thực hiện với việc đưa vào áp dụng femtocell doanh nghiệp nhưng cho đến nay, các hệ thống này vẫn là giải pháp rất tốn kém. Thiết bị đa dịch vụ Hệ thống ăngten phân tán (Distributed Antenna System - DAS) thường được ưa chọn đối với những cơ sở hạ tầng từ trung bình đến lớn bởi vì nó có khả năng phủ sóng trong nhà tốt hơn và đồng nhất, với chi phí đầu tư và chi phí vận hành thấp hơn. Hệ thống DAS thông thường gồm một mạng ăngten phân bố khắp tòa nhà để tạo ra vùng phủ sóng riêng trong toà nhà. Theo truyền thống có hai loại hệ thống DAS sẵn có trên thị trường, loại thụ động và loại chủ động. Các giải pháp kết hợp cũng thường được sử dụng: Các hệ thống DAS chủ động được phân bố khắp tòa nhà và mỗi hệ thống này nuôi một mạng ăngten nhỏ thụ động. Các hệ thống DAS chủ động cũng như thụ động đều có thể hỗ trợ việc kết nối đa dịch vụ, có nghĩa là chúng có thể được sử dụng để thực hiện đồng thời các giải pháp nhiều người vận hành và đa dịch vụ. Các hệ thống chủ động/kết hợp truyền thống thực hiện hỗ trợ đa dịch vụ bằng cách triển khai các lớp phần cứng riêng cho dịch vụ rồi sau đó kết hợp trong một ăngten chung. Một trong những hạn chế của giải pháp truyền thống là không phải tất cả các tần số làm việc đều được hỗ trợ trong dải phần cứng riêng cho dịch vụ; điều này đặc biệt đúng với những dịch vụ chuyên gia như phép đo mức độ phóng xạ. Gần đây, phương án DAS thứ 3 đã được đưa vào áp dụng, và được coi là phương pháp chủ động, thực sự là băng rộng. Giải pháp DAS thay thế này hỗ trợ số lượng bất kỳ hoặc cách kết hợp bất kỳ các dịch vụ không dây, giao thức hay tần số mà không cần các lớp phủ riêng cho dịch vụ. Về mặt này, có thể yên tâm với hệ thống sau này bởi vì có thể tăng các dịch vụ mà không cần chi phí thêm. Các hệ thống DAS thụ động bao gồm một mạng lưới cáp đồng trục, các bộ nối và bộ chia nguồn để phân phối các tín hiệu vô tuyến khắp các tòa nhà. Trong khi đó, các hệ thống DAS chủ động cấp các tín hiệu điện thoại di động từ trạm cơ sở hay bộ lặp và phân phối các tín hiệu sóng vô tuyến đã được khuếch đại ở bên trong các tòa nhà thông qua cáp quang và cáp RF, cáp này kết nối với rất nhiều ăngten ở xa được đặt ở các nơi khác nhau của toà nhà. Cảnh bên trong nhà máy điện. Có thể thấy môi trường kết cấu hạ tầng rất phức tạp. Hệ thống DAS thụ động được cho là rẻ hơn DAS chủ động và có thể vẫn là loại được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Nhược điểm của các giải pháp này là tín hiệu RF không thể truyền qua cáp đi thật xa. Điều đó có nghĩa là các hệ thống này có thể mất tín hiệu khi truyền qua khoảng cách lớn hay khi được sử dụng với các công nghệ tần số cao hơn. Do chính bản chất của nó, các linh kiện đầu cuối của hệ thống là thụ động nên không thể báo lỗi, điều này dẫn đến thời gian và chi phí bảo trì tăng cao. Do vậy trong khu vực nhà máy điện, hệ thống DAS chủ động có nhiều lợi thế so với các hệ thống thụ động với những hạn chế về khoảng cách. Hơn nữa, bởi vì các linh kiện là chủ động nên nếu có vấn đề gì với một trong các ăngten thì có thể dễ dàng tìm ra, điều này tạo ra khả năng quản lý và kết nối tin cậy hơn. Phân biệt các kỹ thuật thực hiện Sau khi quyết định thực tế cần hỗ trợ các công nghệ không dây nào bên trong nhà máy, nhà quản lý công nghệ thông tin cần phải quyết định là triển khai nhiều giải pháp dịch vụ đơn xung quanh nhà máy điện hạt nhân tại những khu vực yêu cầu liệu có lợi hơn hay không so với triển khai một hệ thống kết hợp tất cả các đầu ra sóng rađio trên một nền tảng duy nhất để truyền tín hiệu RF qua toàn bộ kiến trúc hạ tầng của nhà máy. Cho dù chọn công nghệ không dây trong toà nhà loại nào thì trong lĩnh vực kỹ thuật điện vẫn có nhiều vấn đề then chốt cần xem xét. Do kích thước quá lớn của các nhà máy điện hạt nhân, thêm nữa là hình dạng và khoảng cách giữa các tòa nhà cũng khác nhau, nên yêu cầu linh hoạt trong lắp đặt là rất quan trọng. Chọn phương pháp bằng tần rộng Với việc chọn phương pháp băng tần rộng cho cơ sở hạ tầng không dây trong toà nhà, tất cả các yêu cầu kỹ thuật đối với môi trường làm việc cụ thể này đều có thể dễ dàng đáp ứng. Hệ thống DAS “băng tần rộng” chủ động có thể mang lại cho ngành sản xuất điện một giải pháp toàn diện về phủ sóng trong nhà bởi vì nó có khả năng hỗ trợ số lượng bất kỳ hoặc cách kết hợp bất kỳ các dịch vụ không dây, giao thức hoặc tần số mà không cần các lớp phủ riêng cho dịch vụ. Điều này có nghĩa là các dịch vụ chuyên gia/đặc biệt cũng được hỗ trợ. Điều này sẽ đảm bảo an toàn cho nhà máy cùng đội ngũ nhân viên, cho dù họ đang ở đâu hay đang sử dụng dịch vụ gì vào thời điểm đó. Với khả năng của dải tần rộng, không cần đến các thiết bị riêng cho dịch vụ, giảm chi phí cho phần cứng và cài đặt hệ thống. Do tính chất không phụ thuộc vào dịch vụ, hệ thống DAS chủ động dải tần rộng đem lại sự yên tâm cho cán bộ phụ trách sức khoẻ và an toàn bằng cách đầu tư mới cho cơ sở hạ tầng không dây trong nhà, vì nó không bị ảnh hưởng bởi sự phát triển sau này, khả năng lớn về mở rộng qui mô, cho phép thêm vào các dịch vụ mới mà không cần có thêm linh kiện hoặc nâng cấp tốn kém. Rõ ràng là phải áp dụng ngay việc phủ sóng trong nhà kiểu tiên tiến để các nhà máy điện có thể đáp ứng tốt hơn các qui định hiện nay về sức khoẻ và an toàn. Nhà quản lý nhà máy điện hạt nhân cần hành động ngay và tự cập nhật thêm các công nghệ không dây hiện có nếu họ muốn đảm bảo bảo vệ khu vực nhà máy và sự an toàn của nhân viên. Hệ thống DAS chủ động dải tần rộng là giải pháp có một không hai về đảm bảo phủ sóng rộng khắp các dịch vụ thiết yếu cho nhân viên hiện nay và ngày mai, ở mức độ tài chính hợp lý.