От бабушки-инспектора до полной автоматизации: эволюция и вызовы промышленного IoT в России

Промышленный IoT принципиально отличается от домашнего — как масштабом, так и задачами. В быту его главная функция — создавать комфорт, а в промышленности на первом месте контроль и управляемость удаленных технологических процессов.

Объясню на примере из собственной практики. В Подмосковье мы устанавливаем термоманометры — приборы, которые контролируют давление и температуру теплоносителя в прямом и обратном контуре. Эти данные позволяют Министерству энергетики Московской области наблюдать полную картину расходования теплового ресурса.

Поставщик видит: теплоноситель покинул ТЭЦ при 95 °C, дошел до дома потребителя уже при температуре 85 °C, а в домашней системе остыл до 70-ти. Зная эту динамику, легко заметить, если что-то пошло не так. Если давление в трубе резко упало, скорее всего, появилась трещина и нужно обнаружить ее до того, как где-нибудь промоет асфальт и затопит подвалы.

Для меня всё началось в 2005 году, когда в мире, страшно сказать, еще не было ни айфонов, ни планшетов. В метро не ловился вай-фай, в автомобиле нельзя было включить навигатор. Но мобильный телефон уже перестал быть роскошью и сотовая связь бурно развивалась. В этот период я пришел работать в направление M2M — Machine to Machine Communications.

Про «интернет вещей» тогда еще не говорили, но похожие технологии уже испытывали в реальных проектах. Одной из таких была WSN — Wireless Sensor Network. Множество маленьких датчиков в беспроводной сети работали по mesh-принципу: каждый был одновременно источником данных и ретранслятором. Информация передавалась от узла к узлу, как раньше сообщения по телеграфным станциям, и в итоге достигала центрального устройства.

В отличие от телеграфной сети, WSN перестраивала маршруты на ходу и продолжала работать даже при отказе части датчиков.

Мы строили такие сети для компаний, собирающих показания электросчетчиков. Делали их на базе ZigBee и GSM-контроллеров, привязывая устройства к сотовой сети и организуя передачу данных по ее каналам. Такие решения казались вершиной технологического прогресса, но продавать их было непросто.

Характерный пример: в Москве еще в начале нулевых функционировал участок водопровода из дерева — выдолбленное бревно лиственницы XVIII века. Знали бы столяры екатерининской эпохи, что на их конструкцию несколько веков спустя будут устанавливать контроллеры, обменивающиеся информацией «по воздуху».

Сейчас для развертывания IIoT используют самые разные технологии. Среди них привычные всем 2G-5G, Wi-Fi и популярный в умных домах за счет простоты внедрения Zigbee.

Иначе устроены специализированные стандарты класса LPWAN, например NB-IoT, LTE-M или LoRaWAN. Общее у них — высокая дальность радиосвязи, низкое энергопотребление и топология сети в виде звезды: каждый датчик связывается с базовой станцией напрямую, и сигналы сходятся в одну точку, как лучи.

NB-IoT работает медленнее, но его сигнал уверенно проходит сквозь стены — идеально для стационарных датчиков. LTE-M быстрее и подходит для мобильных устройств, которым нужна стабильная связь в движении, но требует более плотного покрытия сети и расходует больше энергии.

Мы применяем энергоэффективную технологию LoRaWAN, которую одними из первых принесли в Россию. В отличие от LTE или 5G, это не сотовая связь, а радиосигнал субгигагерцового диапазона — 863−870 МГц. Устройства напрямую обращаются к базовой станции, не нуждаясь в дополнительной инфраструктуре на маршруте.

Наш главный источник клиентов — электроэнергетика. Поставщикам важно отслеживать путь электричества от трансформаторных подстанций до конечного потребителя. Точные данные позволяют выставлять счета по факту потребленной энергии, а не по усредненным расчетам. Любой дисбаланс в таких данных сразу указывает на проблемные зоны.

Скажем, в сеть пришел мегаватт, а приборы учета фиксируют только триста киловатт. Куда исчезли семьсот? Чаще всего — классическая врезка, самовольное подключение к сети в обход приборов учета.

Второй по объемам использования IIoT сегмент — теплоснабжение. Здесь задачи другие, но логика та же: нужно отслеживать показатели и расход. Если давление падает, при этом расход на одном участке растет, а на соседнем нет, то почти наверняка где-то появилась утечка в грунт.

На третьем месте по внедрению IIoT — нефтегазовый сектор. Здесь интернет вещей работает на огромных дистанциях и в непростых условиях: от сибирских трубопроводов до морских платформ. У одной только «Роснефти» около 80 тысяч км трубопроводов. Для управления инфраструктурой компания внедрила систему «РН-СМТ». Сначала с ее помощью только диагностировали оборудование и собирали данные о транспортируемой продукции, а затем расширили ее до полноценного цифрового двойника.

Транспортная система тоже активно модернизирует инфраструктуру. Например, РЖД мониторит сотни железнодорожных переправ через реки. Многие оборудованы инклинометрами, которые следят за расположением опоры — не отклонилась ли она из-за движения льда или перепадов температур.

Также развивается спутниковый IoT. Компания «Бюро 1440» реализует проект «Марафон IoT» — спутниковую группировку для сбора данных с наземных LoRa-устройств. Это откроет возможности для мониторинга природных процессов и явлений. Например, поможет отслеживать миграции редких животных или таяние льда на Северном морском пути.

Один из наших ключевых продуктов — портативные виброметры для ТЭЦ. Прибор точно фиксирует вибрацию подшипников в насосах, вентиляторах и генераторах — везде, где есть вращающиеся элементы.

Если параметры выходят за норму, ремонт можно сделать заранее, до разрушения подшипника. И это критично: авария на ТЭЦ означает остановку генерации и проблемы для целого района.

Раньше всё выглядело так: у главного метролога в сейфе лежал дорогой измерительный прибор стоимостью сотни тысяч рублей. Он берёг его как зеницу ока, поэтому обходчики оценивали состояние оборудования на ощупь, прикладывая руку к насосам и вентиляторам. Вибрирует не слишком сильно — значит, всё в порядке.

Наш носимый виброметр в полтора-два раза дешевле. Теперь ТЭЦ может закупить несколько десятков устройств и выдать их каждому обходчику.

Сейчас мы заканчиваем разработку системы искусственного интеллекта для предиктивной аналитики. Она анализирует паттерны поведения оборудования и предупреждает: формально всё в порядке, но есть подозрительные признаки — проверьте и почините заранее.

Система уже внедряется в пищевой промышленности, где тоже критически важно не допустить простоя дорогого оборудования.

Каждый из них определяет, какие технологии станут основой проекта и как система будет работать в реальных условиях.

В точке установки датчика часто нет электричества. Или оно есть поблизости, но провод туда протянешь. С развитием технологий эта задача постепенно решается. Если в 2010-х нормой считались год-полтора автономной работы, то сегодня простые IIoT-устройства работают уже по шесть-восемь лет.

И прогресс достигнут не за счет революции в батарейках — мы все ждем прорыва в твердотельных аккумуляторах, но пока его нет. Секрет в оптимизации. Эффективное устройство не просто уходит в сон, а физически разрывает контакты цепей, чтобы исключить любые утечки тока.

Это целая инженерная работа. Мы, к примеру, сначала создаем прототип платы, потом вместе с программистами проводим профилирование потребления энергии. Смотрим, сколько энергии тратится на инициализацию прошивки, опрос датчиков, передачу данных.

Иногда выигрыш дает, казалось бы, простое решение: включать системы не сразу, а по очереди — и к каждому следующему этапу переходить только при необходимости.

Технология LoRa позволяет передавать сигнал на несколько километров в городе и на десятки за его пределами. Но потребности заказчиков год от года возрастают. Наш рекорд — связь между двумя берегами Финского залива в районе Сестрорецка, где из-за отсутствия преград над поверхностью воды приборы пробивают на 40 км.

Показательная в этом плане история произошла на Кавказе, где мы внедряли систему зимой, и всё работало отлично. Но наступило лето, расцвел орешник, и выяснилось: его листья содержат много железа и создают естественную клетку Фарадея, блокируя радиосигнал. Пришлось поднимать антенны выше уровня деревьев.

Для России — особенно актуально. На собственном опыте я ощутил это в Якутии, где на сорокоградусном морозе у нас замерзли кварцевые генераторы, задающие тактовую частоту процессора. А при -50 °C обычный кварц просто перестает функционировать — никакого сигнала нет.

Есть специальные морозостойкие компоненты, но они дорогие, а IoT должен быть массовым и дешевым. Поэтому в нашем якутском проекте по сбору показаний счетчиков воды мы решили проблему подогревом. Сами счетчики поставили в теплые помещения, а базовую станцию на улице оснастили отдельным узлом подогрева, чтобы процессор мог запуститься.

У каждого свои потребности и ожидания. Скажу про себя: за двадцать лет я ни разу не пожалел, что выбрал эту отрасль. И вот почему.

Когда к нам приходят инженеры с больших заводов, они часто говорят: «Я два года делал одно изделие». Бывает, что так и не сделал. А в интернете вещей от идеи до серийного производства можно дойти за полгода и увидеть, как устройство работает в реальных условиях.

Да, здесь много ограничений. Нужно думать о весе, энергопотреблении, климатической устойчивости — и всё это одновременно. Зато работа динамичная и скучать не приходится. Отдельная история — синергия между аппаратчиками и программистами.

Когда нужно выпускать тысячи устройств, то приходится думать о конвейерной сборке, быстром контроле качества и прошивке. У нас есть стенды с множеством контактов, которые прошивают пятьдесят устройств за минуту — ровно столько, сколько нужно до прихода следующей партии плат с конвейера.

Многозадачность, динамичность, видимый результат. Этим IIoT и привлекает инженеров. Здесь нет готовых рецептов и типовых задач: каждый проект — новая комбинация ограничений. Где-то нужно победить жару, где-то мороз, а где-то обеспечить максимальную дальность сигнала. Но когда система начинает работать в реальных условиях — на ТЭЦ, в тундре или на мосту посреди тайги — это ощущается как маленькое инженерное чудо.