Видеонаблюдение во взрывоопасной среде: как ВОЛС может решить множество проблем

Сначала напомним, что к взрывозащищенному относится не оборудование, способное функционировать в условиях взрыва, а та аппаратура, которая при работе в условиях опасной атмосферной среды (наличие газов и примесей в опасных концентрациях) сама не может инициировать взрыв или возгорание, как в штатном режиме, так и при возможных повреждениях, связанных с условиями эксплуатации.

Зайти с любой системой во взрывоопасную зону – это всегда взвалить на себя множество проблем. От технических до административных, связанных с выполнением жестких нормативных требований и наличием всех необходимых сертификатов. И это всегда не просто дорого, а очень дорого.

Поэтому, самое первое, что необходимо сделать, встретившись со взрывоопасной зоной, всячески попытаться избежать попадания в нее со своей техникой, включая кабельные трассы. Именно для систем видеонаблюдения при условии объекта наблюдения хотя и во взрывоопасной среде, но под открытым небом, задача эта очень часто успешно решается грамотным выбором фокусного расстояния объектива в зависимости от требуемого поля зрения (степени распознаваемости), устанавливая при этом саму камеру и располагая кабельные трассы вне самой зоны. Напомню, что распознаваемость объекта зависит исключительно от ширины поля зрения, отнесенной к размеру площади экрана, на котором это поле отображается. А размеры самих взрывоопасных зон под открытым небом исчисляются единицами метров. Классический пример – типовое оснащение АЗС. Самые обычные, рядовые камеры, установленные вне зон какой-либо опасности. Хотя сами просматриваемые зоны имеют «нулевой» класс взрывоопасности.

Однако, если речь идет о закрытых помещениях, размеры взрывоопасных зон в большинстве случаев соответствуют размерам самих помещений. А это могут быть и целые цеха. Отдельной категорией идут рудники и шахты – тут взрывоопасные зоны могут исчисляться сотнями метров и даже километрами.  Понятно, что для подобных объектов не избежать установки как собственно видеокамер, так нередко и магистрального оборудования непосредственно во взрывоопасных зонах. И перед инсталлятором начинают расти горы возможных проблем.

С повсеместным внедрением IP-видеокамер число проблем с оснащением взрывоопасных объектов выросло в разы. А с учетом изменений требований сертификации последних лет на порядок выросла и стоимость подобных систем.

Самое главное ограничение IP-видеонаблюдения, построенного по «наезженной» схеме витой пары, – предельная дальность передачи в 100 метров. Общий принцип оснащения взрывоопасных объектов – кратчайшим путем выходить кабельными трассами из зоны на «свежий воздух» и переходить на оборудование и кабели общего применения. Казалось бы, 100 метров – вполне приличное расстояние, чтобы решить подобную задачу для большинства возможных объектов. Однако, нередко и сами маршруты кабельных трасс регламентированы для подобных объектов, да, и в принципе понятно, что по прямой от видеокамеры до возможного выхода наружу кабель не прокладывается – как минимум вдоль стен. И оказывается, что 100 метров – это зачастую очень мало. А если говорить о рудниках и шахтах – это и вовсе ни о чем.

С другой стороны, для общей массы взрывозащищенного оборудования на объекте слаботочные системы вообще и видеонаблюдние в частности не представляют каких-то значимых по объему сегментов, чтобы специально для них разрабатывать, сертифицировать и выпускать некие индивидуальные оболочки с каким-то заниженными требованиями, а значит, более дешевые. Касательно видеокамер  рынок ТСБ взял на себя функцию разработчика и производителя. Но для магистрального оборудования используются некие стандартные оболочки. Да, и трудно предсказать наперед состав требуемого оборудования в каждом конкретном случае, чтобы в перспективе представлять, что имеет смысл разрабатывать и выводить на рынок. Используется то, что есть. Хотя бы потому, что потребителю просто некуда деваться –  нет других решений. Для иллюстрации того, что и сколько стоит на этом рынке.

Рисунок 1.

Рис.1 – самая простейшая клеммная коробка всего-то на 6 пар контактов. Но во взрывозащищенной оболочке, имеющей два взрывозащищенных гермоввода. Цена более 40 000 р.                                                              

А вот более сложное изделие – узел коммутации, содержащий сетевой коммутатор, устройства защиты, преобразователь питания. Именно такой потребуется, если дальности в 100 метров не хватит для выхода из взрывоопасной зоны.

Рисунок 2.

Общий объем оборудования потребует и оболочку соответствующих размеров. И неважно, что вес такой оболочки раз в 10-15 превосходит вес оборудования, в ней размещаемого. Другой просто нет. Цена подобного модуля окажется в районе 250 000 р. При том, что цена собственно взрывозащищенной камеры, даже в корпусе из нержавеющей стали, раза в три меньше. Из алюминия еще меньше. Но потребителю деваться ненкуда – либо оснащаться и платить, либо отказаться от системы вовсе. Поэтому, рынок особо и не проявлял инициативу по снижению стоимости своих решений – все равно заплатят.

Свою лепту в повышение цены любых системных решений для взрывоопасных зон внесли и правила сертификации. Мало того, что для размещения какого-либо оборудования во взрывозащищенной оболочке необходимо взять саму оболочку, имеющую сертификат взрывозащиты требуемого класса, но и сам законченный магистральный модуль должен получить свой собственный сертификат. Вопросы такой конечной сертификации решаются уже непосредственно рынком видеонаблюдения, что, конечно, добавляет дополнительную стоимость к конечному изделию, не ограничившись просто суммой цен всех его составляющих.

Но IP-видеонаблюдение во взрывоопасной среде, построенное на витой паре, как оказалось, добавило проблем и самому рынку производителей оборудования.

Помимо оборудования, все кабели, прокладываемые во взрывоопасной зоне, также должны иметь сертификат взрывозащиты. И именно с кабелями UTP/FTP во взрывозащищенном исполнении возникли на рынке серьезные проблемы. Их просто не найти в оперативном доступе. То, что есть, своими габаритами способны просто свернуть видеокамеру со штатного места. Да и с вариантами ввода их в кожух возникает масса вопросов. Какие-то производители готовы делать их под заказ, при этом не имея готового сертификата, оставляя вопросы его получения за потребителем. Кто-то из производителей все-таки получил необходимые документы, но в любом случае оперативно получить такой кабель пока не получается. Не такой по объему рынок, чтобы производителям кабельной продукции держать постоянный складской запас, а дополнительных расходов на производство такой кабель требует. Стоит добавить, что  кабель для взрывоопасной среды должен быть бронированным или, как минимум, прокладываться в металлорукаве.

Я не верю, что решение, которое буквально лежит на поверхности, до сих пор никому из производителю взрывозащищенных камер не пришло в голову. Скорее всего, жадность рынка, основанная на доводе безвыходности ситуации для конечного потребителя, а, значит, возможности получать дополнительные прибыли, всему причиной.

Вот и давайте поумерим рыночные аппетиты. Главное – сделать товар максимально доступным конечному пользователю, завоевать потребительские предпочтения и занять лидирующие позиции в конкурентной борьбе.

Наш рынок с каким-то непонятным упрямством не хочет смотреть в сторону оптоволоконной передачи сигнала. Да, лет 20 назад эти технологии были не столь популярны в силу совершено объективных обстоятельств для рынка ТСБ. Но сегодня наши китайские друзья максимально постарались, чтобы сделать их доступными самым широким слоям потребителей. И даже, если в целом система IP-видеонаблюдения строится на витой паре, если в ней есть взрывозащищенный сегмент, не замечать все очевидные преимущества  ВОЛС просто глупо.

Итак, имеем совершенно иную среду передачи. Никакого электрического сигнала, а значит, никакого искрения, что и определяет взрывоопасность кабельных линий, быть в ней не может. Никаких коротких замыканий при любых возможных повреждениях и обрывах. Материал ВОЛС совершенно нейтрален для любой загазованной среды. Есть условия, запрещающие даже использование ручного стального инструмента, например, танкеры и газовозы, чтобы исключить появление искры при падении его на стальные поверхности. Но никто и никогда не регламентировал использование в таких средах стекла и пластика.

И в дополнение к такому ключевому для взрывоопасной среды свойству имеем еще многокилометровые дальности передачи без промежуточного магистрального оборудования, а также полную невосприимчивость сигнальной линии к электромагнитным наводкам любой природы и энергии, а, значит, нет необходимости в защитных устройствах от подобных угроз, крайне актуальных для проводных линий связи.

Главное, для радикального решения на рынке есть абсолютно все и в оперативном доступе.

Решение элементарное. Надо просто взять и сделать.

У любого производителя взрывозащищенных видеокамер есть некое универсальное решение для кожуха, предусматривающее помимо установки собственно камеры еще и некоего дополнительного оборудования, чтобы обойтись одной взрывозащищенной оболочкой для всего того, что устанавливается в непосредственной близости от камеры. 

Рисунок 3. 

В первую очередь в кожухах взрывозащищенных IP-камер устанавливается УЗИП линии Ethernet или РоЕ. Для олптоволокна это устройство не понадобится. Его убираем. И собираем внутреннюю начинку согласно схемы (рис.4)

Рисунок 4. 

Преобразователь питания в кожухе есть всегда в том или ином виде. Возможно, его придется заменить или доработать, чтобы с него можно было снять питание для медиа-конвертера. Если есть система обогрева и термостабилизации, она остается в неизменном виде.  В кожух устанавливаем медиа конвертер. Медиа конвертеры продаются, как правило, парой – каждое устройство устанавливается на конце оптоволоконной линии. Возможно, для кого-то окажется откровением, но пара медиа конвертеров, которые успешно справятся с задачами километровых передач IP-видеосигнала, стоит меньше одного устройства защиты линии Ethernet, не говоря уже о РоЕ.

По линии Ethernet медиа конвертер соединяется с камерой перемычкой кабеля FTP (или UTP) посредством разъемов RG-45. Питание на медиа конвертер подается с внутреннего преобразователя питания. Посредством разъема SC к медиа конвертеру подключается оптоволоконная линия. Линия внешнего питания заходит в кожух через взрывозащищенный гермоввод без каких-либо изменений. Относительно волоконно-оптической линии возможны варианты ввода ее в кожух. Вынуждать потребителя самому устанавливать оптический разъем на волокно будет в общем случае неправильно. Во-первых, для этого пользователю понадобится приобрести, как минимум, скалыватель оптоволокна и освоить саму технологию установки. Выводить ответную часть на стенку кожуха будет крайне нетехнологично. Крышка должна сниматься и для подключения линии питания, и для возможной настройки самой камеры или ремонта. Внутри кожуха пришлось бы укладывать петлю оптоволокна радиусом изгиба, не меньше допустимого, а в случае вскрытия кожуха мог произойти недопустимый залом. Гермоввод, имеющий максимальный проходной диаметр 10 мм, позволяющий пройти через него разъему SC, и в то же время обеспечивающий надежный обжим самого кабеля диаметром 3 мм (оптоволокно с несущим тросом, обеспечивающим в данном случае необходимую жесткость в месте ввода) в любом случае потребовал бы каких-то дополнительных доработок уплотнения, которые не факт, что будут удовлетворять требованиям испытаний на избыточное давление.

Оптимальным вариантом представляется подключение линии к выведенному наружу кожуха патч-корду. Для этого сам патч корд изготавливается (устанавливаются SC разъемы на отрезок кабеля) после ввода оптоволокна в гермоввод оптимального диаметра обжима. А установка гермоввода на крышку кожуха производится уже со вставленным в него патч-кордом нужной длины (рис.5).

Рисунок 5.

Кожух в своем законченном виде будет иметь гермоввод подключения линии с заведомо установленным, но не обжатым оптоволоконным патч-кордом.

Можно при заказе (закупке) некоей партии патч-кордов просто дать их поставщику необходимое количество гермовводов. Все равно они устанавливают на отрезки оптоволокна разъемы в условиях промышленного производства, и предварительно продеть отрезок кабеля в гермоввод им труда не составит. Думаю, и денег за подобную операцию они взять просто постесняются. А можно освоить установку разъема самостоятельно. Цена за скалыватель не представляется хоть сколько-нибудь значимой для любой производственной или монтажной компании; любой приличный шуруповерт стоит в разы дороже. А сама технология ничего сложного не представляет, в интернете можно найти массу практических уроков на эту тему. Пусть не с первого раза, но все получится.

В конечном итоге взрывозащищенный кожух будет иметь внешний на патч-корде разъем SC для подключения ВОЛС и гермоввод для линии питания.

Физика процесса передачи сигнала по ВОЛС позволяет устанавливать разъемные соединения непосредственно во взрывоопасной зоне без какой-либо дополнительной защиты, что категорически недопустимо для проводных линий, поскольку именно разъемные соединения являют собой места максимальной опасности с точки зрения возможности возникновения искр. Искрение в проводных линиях почти всегда возникают и при обрыве кабельной трассы, если по ней в этот момент проходит ток. Отсюда и специальные требования к проводным линиям, прокладываемым во взрывоопасных зонах – бронирование кабеля, прокладка в металлорукавах, обеспечивающих защиту от возможных вешних повреждений. Для оптоволокна любые повреждения никак не повлияют на взрыво и/или пожаробезопасность, и никакой дополнительной защиты они не требуют.

Далее можно непосредственно к кронштейну камеры или ином месте вблизи камеры установить пластиковый анкерный зажим (чтобы снять механическую нагрузку с разъема), закрепить в нем конец магистрального оптоволоконного кабеля и соединить разъемы патч-корда и линии.

Прокладка оптоволокна с несущим тросом продумана на сегодня во всех нюансах – и по стенам зданий и помещений, и по воздушным линиям. Весь возможный набор крепежа на рынке имеется. Более того, при прокладке оптоволокна с несущим тросом весь процесс оказывается даже проще, чем для проводных линий. Наличие троса автоматически позволит избежать каких-то заломов, критичных для оптоволокна.

Сама магистральная линия может быть выполнена как единым оптоволоконным кабелем, так и отдельными отрезками фиксированной длины с установленными разъемами по обоим их концам. Рынок предлагает в качестве готового товара отрезки ВОЛС всевозможных видов с установленными по концам разъемами длиной, как правило, 10, 50, 100 и 200 метров, Но можно приобрести под заказ и любую длину единым отрезком любой длины, хотя в случае обрыва  восстановление единой линии может оказаться затратней и длительней, нежели простая замена короткого участка на имеющийся в ЗИПе отрезок с разъемами, пусть и большей длины. Напомню, что возможная дальность передачи измеряется километрами, и излишек даже в сотню метров роли не сыграет – его можно просто сбухтовать и разместить в приемлемом месте.

Выйдя кабелем из взрывоопасной зоны, пройдя ее границы в наиболее удобном для монтажа месте (возможно, чтобы избежать необходимости климатической защиты, наличия электропитания) устанавливается второй медиа конвертер из пары. К оптоволоконному входу подключается разъем SC линии, подается питание с устанавливаемого здесь же адаптера, а к гнезду RG-45 подключается  линия Ethernet уже по витой паре, если в дальнейшем вся система построена на этой технологии. Излишек оптоволокна сворачивается бухтой и размещается в удобном месте.

Остается только подключить линию питания.

Питание подается по проводным линиям, поэтому к ней предъявляются все требования пожаробезопасности – как к самим кабелям, так и технологиям монтажа. Собственно, как и было всегда. Но в отличие от кабелей FTP/UTP кабели эти на рынке присутствуют постоянно во всем возможном многообразии. Двужильный кабель всегда стоял на самой первой позиции в списке применяемости на любых объектах.

Что касается источника самого питания и его расположения при оснащении взрывоопасных объектов, при классической схеме в отличие от РоЕ все намного проще.

Вполне возможно, что в самой зоне уже имеется источник питания, совершенно законно установленный, имеющий требуемый класс защиты, тогда можно попытаться подключить линию питания к нему, если мощность самого источника это позволяет. Он может иметь номинал подаваемого напряжения, отличный от требуемого. Тогда в термокожух необходимо установить преобразователь напряжения, имеющий тот же входной номинал, что и выходной от источника питания. Но такой вариант – скорее исключение. Не любят (и вполне обоснованно) установщики каких-то систем пускать в свое оборудование потребителей со стороны.

Проще, когда «все свое».

В любом случае источник питания должен находиться вне взрывоопасной зоны. В зависимости от удаленности камеры от источника питания надо просто выбрать кабель нужного сечение.

Если камера расположена за несколько сотен метров от ближайшего выхода из взрывоопасной зоны, разумным представляется выбрать саму взрывозащищенную камеру с внешним питанием 220 В (по новому ГОСТу 230 В). А точнее, взрывозащищенный кожух со встроенным блоком питания (блок питания находится внутри взрывозащищенной оболочки). Это ситуация, которая реально может возникнуть при оснащении рудников и шахт. 1-й и ниже класс защиты это допускает. Нулевой класс не допускает – только низковольтное питание.

Порядок выбора одинаковый для всех вариантов. Необходимо обеспечить падение напряжение в линии питания не выше допустимого (чтобы того напряжения, которое дойдет до камеры, хватило для ее работы).

Падение напряжения определяется по формуле:

Где I –  максимальный ток потребления (если камера имеет режим обогрева, то в режиме обогрева); R – сопротивление кабеля питания (удвоенное сопротивление  проводника от источника до камеры).

В свою очередь

Где Р-мощность потребления.

При заданной мощности потребление взрывозащищенной камеры (паспортная величина) чем больше напряжение питания, тем меньше ток потребления. То есть, при питании напряжением 230В ток потребления будет почти в 10 раз меньше, чем при питании напряжением 24 В (наиболее массовый вариант на рынке). Соответственно, в 10 раз будет меньше и падение напряжения в линии. Но оно будет в любом случае, что влияет на выбор сечения кабеля. Однако, для подобного оборудования это будет вполне обычный и массовый кабель.

При низковольтном питании падение напряжения при больших дальностях будет ощутимым, и кабель, который подошел бы при удаленности блока питания за 100 метров, может оказаться непригодным по сечению для дальности 200 метров (наоборот – подойдет, но выйдет существенно дороже).

Имея допустимое падение напряжения и максимальный ток потребления, определяется максимальное допустимое сопротивление линии:

С другой стороны, имеем главную формулу сопротивления:

Или

 S=(ρ×L)/R

Где  – p — удельное сопротивление проводника, зависящее от материала. Справочная величина.

L – длина проводника – удвоенное расстояние по кабелю от камеры до источника питания. Величина известная.

S – сечение проводника. Искомая величина.

Можно вычислить минимально допустимое сечение, а можно определить из справочных таблиц. Проводник выбирается сечением, не менее необходимого.

Таким образом, вопрос установки источника питания за пределами взрывоопасной зоны сводится исключительно к выбору необходимого сечения питающего кабеля.

Из личного опыта – при удаленности источника питания от камеры с максимальным потреблением 18 Вт за 200 метров от источника, сечения питающего кабеля в 1 мм² вполне достаточно. Но при километровых дальностях, возможно, что при передаче вторичного питания 24В потребуется сварочный кабель очень большого сечения. Это и дорого (тем более для кабеля с сертификатом взрывозащиты), и проблематично с точки зрения его прокладки. Поэтому, в таких случаях целесообразно устанавливать видеокамеру со встроенным источником питания и вести к ней линию первичного питания 230 В, если это допускается классом взрывозащищенности объекта или искать уже имеющиеся источники вторичного питания непосредственно вблизи камеры.

Попутно для справки. Неизбежное падение напряжения в линии питания – это та причина, по которой большинство всепогодных видеокамер и камер для специальных условий эксплуатации имеют входное питающее напряжение 24В, хотя сама камера, установленная внутри кожуха, питается стабилизированным напряжением 12В. На камеру будет подано напряжение с установленного в кожухе преобразователя, который сформирует его из того напряжение, которое на него поступило по линии 24В — ∆U. При питании по линии напряжением 12 В допустимое падение напряжение окажется слишком мало, а, значит, источник питания должен быть установлен вблизи самой камеры.

Как видим, ничего технически сложного вопрос организации передачи сигнала по оптоволоконной линии со взрывозащищенной камеры не представляет, и мог бы быть реализован даже силами инсталлятора. Главное, что абсолютно все, что для этого необходимо есть на рынке во всем возможном многообразии, причем в широком доступе.

Тем не менее, этот вопрос технически регламентируется на законодательном уровне, и для его реализации помимо собственно техники необходимы и все разрешительные документы.

Более того, построение систем по ВОЛС во взрывоопасной зоне регламентируется отдельным ГОСТом –

 ГОСТ 31610.28-2017 – Взрывоопасные среды. Часть 28. Защита обоудования и передающих систем, использующих оптическое излучение.

ГОСТ, в частности, ограничивает по мощности излучение, которое при обрыве линии, отсоединении разъема при работающей аппаратуре в его тепловом виде может представлять угрозу с точки зрения воспламенения газов в атмосфере. Но в реальности это относится в первую очередь к лазерным излучателям при огромных дальностях передачи сигнала, исчисляемой десятками километров по одномодовому волокну. Рассмотренный нами вариант с медиа конвертером, позволяющим передать сигнал по многомодовому волокну на 4 км по крайней мере в три раза слабее по мощности излучения той, что заявлена, как «без ограничения зоны».

Но разрешительные документы надо все равно получить.

Теоретически, имея сертификат от поставщика на оболочку, никто не запрещает потребителю получить разрешительные документы на готовое изделие самостоятельно. Однако с точки зрения реального рынка такой вариант представляется маловероятным. Хотя бы потому, что потребитель не в курсе самой процедуры и не имеет необходимых контактов. К тому же, расходы на сертификацию, отнесенные на единицы продукции, приведут к неоправданному ее вздорожанию.

Но для производителя оборудования, имеющего сертификаты взрывозащиты на всю номенклатуру выпускаемых изделий, не представляет никакой технической сложности пополнить линейку своих предложений решением, которое позволит их клиентам на порядки снизить стоимость решения задач оснащения видеонаблюдением взрывоопасных объектов с большими размерами зон взрывоопасности. А, значит, гарантировать рыночный успех такого решения.

Кто будет первым, тот и станет лидером не просто поставки взрывозащищенных видеокамер с передачей сигнала по ВОЛС, а в принципе взрывозащищенного оборудования для слаботочных систем, как минимум.

Почему рынок до сих пор не предложил ничего подобного? Большой вопрос!

 В качестве послесловия. Когда в прошлом году на выставке мы показали всего лишь макетный вариант подобного решения, еще не имеющий никакого официального сертификата, один из представителей проектной организации из числа посетителей после ознакомления с предложенным вариантом сказал своему товарищу дословно:

«Поторопились мы с проектом!»

Вот и делайте выводы, как среагирует потребитель.