NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

鄔 建

（中國(guó)石化股份有限公司廣州分公司，廣東廣州 510725）

1 煉油化工裝置UPS 使用現(xiàn)狀

1.1 煉油化工裝置使用UPS 的需求

煉油化工裝置生產(chǎn)特點(diǎn)均為高溫、高壓、連續(xù)性，其中生產(chǎn)介質(zhì)多為易燃、易爆、劇毒危險(xiǎn)物質(zhì)，因此對(duì)儀表生產(chǎn)控制系統(tǒng)高可靠性提出了較高要求，包括為其提供電源的供電裝置。由于大部分儀表控制設(shè)備允許的電源波動(dòng)時(shí)間為5 ms 以下，而電網(wǎng)容易受到負(fù)載或外部因素造成的波動(dòng)時(shí)間可能長(zhǎng)達(dá)100 mS 以上，為保證儀表控制系統(tǒng)負(fù)載供電的連續(xù)性，滿足電源穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的嚴(yán)格要求，一般配備交流不間斷電源系統(tǒng)（Uninterruptible Power System，UPS）。當(dāng)交流電網(wǎng)輸入異常中斷或波動(dòng)時(shí)，UPS 利用所接的后備電源（一般為蓄電池）持續(xù)為儀表負(fù)載提供合乎要求的交流電能，確保裝置連續(xù)生產(chǎn)或安全停車。

1.2 煉油化工裝置使用UPS 的特點(diǎn)

煉油化工每套裝置或聯(lián)合裝置的儀表控制系統(tǒng)都配置一套或多套UPS 供電，隨著煉油化工裝置規(guī)模的不斷大型化和配套化，使用的UPS 呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：

（1）關(guān)鍵性。儀表控制系統(tǒng)是煉化生產(chǎn)裝置的“眼睛”和“大腦”，為其提供電源的UPS 可靠運(yùn)行至關(guān)重要，UPS 成為裝置生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備。

（2）數(shù)量多。由于煉化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各類生產(chǎn)裝置的數(shù)量在不斷擴(kuò)大，使得投用的UPS 電源系統(tǒng)的數(shù)量不斷擴(kuò)大，數(shù)量眾多。

（3）分布廣。煉化裝置由于易燃、易爆等危險(xiǎn)特點(diǎn)，危險(xiǎn)物質(zhì)的貯存罐區(qū)與生產(chǎn)裝置就必須相隔一定的安全距離，整體煉化裝置的廠區(qū)分布會(huì)十分廣闊，因此使用的UPS、自然也分布廣闊。

（4）品牌雜。因?yàn)槭褂玫腢PS 的數(shù)量眾多，由于設(shè)計(jì)、選型、配套、采購(gòu)等因素造成了使用的UPS 來(lái)自不同品牌的生產(chǎn)廠家。

2 UPS 智能監(jiān)控管理需求

儀表控制系統(tǒng)對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的煉化裝置至關(guān)重要，而在影響儀表控制系統(tǒng)可用性的諸多因素中，25%～45%緣于電源問(wèn)題，因而對(duì)使用的UPS 提出了全新的智能監(jiān)控管理要求：

（1）UPS 要具有良好的可用性。智能監(jiān)控、管理與通信功能在提高UPS 系統(tǒng)可用性起著關(guān)鍵的作用，尤其是在無(wú)人值守的情況下自動(dòng)反映和處理各種UPS 系統(tǒng)問(wèn)題，提前預(yù)警，最大限度減少對(duì)負(fù)載儀表控制系統(tǒng)帶來(lái)的不良影響。

（2）提高UPS 的可管理性要求。煉化裝置規(guī)模的不斷擴(kuò)大，UPS 大量的采用，并且分布在較大的地域范圍，現(xiàn)代的設(shè)備集中管理要求在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)對(duì)UPS 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、集中的管理，同時(shí)有效地利用企業(yè)資源，減少浪費(fèi)，作好企業(yè)的資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）。

（3）降低UPS 系統(tǒng)運(yùn)維成本。UPS 的使用、維護(hù)、管理、診斷、維修等工作都要由專業(yè)廠家工程師完成，統(tǒng)一對(duì)所有的UPS做好評(píng)估和運(yùn)維管理安排，可以提高工作效率，控制好各類費(fèi)用的合理使用，大大降低運(yùn)維成本。

（4）對(duì)UPS 的易用性新要求。對(duì)UPS 采用智能監(jiān)控管理，可將UPS 管理與生產(chǎn)系統(tǒng)管理有機(jī)集成，成為整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，這樣傳統(tǒng)上由專業(yè)工程師管理的UPS 就可以納入生產(chǎn)工藝管理員的工作范圍，可以進(jìn)一步節(jié)約了管理成本，而且使UPS 的使用、維護(hù)和管理也變得越來(lái)越容易。

3 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)特點(diǎn)

物聯(lián)網(wǎng)是近年來(lái)社會(huì)產(chǎn)業(yè)信息化、工業(yè)化發(fā)展到一定程度的新興技術(shù)，就是使用無(wú)處不在的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接，把人、物、信息進(jìn)行有效的連接，實(shí)現(xiàn)更加有效的社會(huì)聯(lián)運(yùn)效應(yīng)。早期使用的是傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)技術(shù)及藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave 等短距離傳輸技術(shù)網(wǎng)絡(luò)，物與物連接的距離和能力有限，而移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在接入能力上有無(wú)法比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但事實(shí)真正承載到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上的物與物聯(lián)接只占到聯(lián)接總數(shù)的10%。為此，產(chǎn)業(yè)鏈開(kāi)始出現(xiàn)利用窄帶LTE 技術(shù)來(lái)承載IoT 聯(lián)接。2015 年9 月，NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）應(yīng)運(yùn)而生（3GPP正式命名）。

NB-IoT 技術(shù)是萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)新興的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)基于全新的蜂窩網(wǎng)絡(luò)，一般180 kHz 帶寬，聚焦于低耗廣域網(wǎng)（LPWAN），基于授權(quán)的頻譜運(yùn)營(yíng)，可直接布置在GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或LTE 網(wǎng)絡(luò)，以便降低布置成本和實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。NB-IoT 具有以下五大特點(diǎn)：

（1）廣覆蓋。NB-IoT 與GPRS 或LTE 相比，最大鏈路提升了20 dB，相當(dāng)于提升了100 倍，即使在地下車庫(kù)、地下室、地下管道等普通無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)難以到達(dá)的地方也容易覆蓋到。

（2）低成本。低速率、低功耗、低帶寬可以帶來(lái)終端的低復(fù)雜度，便于終端做到低成本。同時(shí)，NB-IoT 基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可直接部署于現(xiàn)有的LTE 網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營(yíng)商部署成本也比較低。

（3）大容量。NB-IoT 基站的單扇區(qū)可支持超過(guò)5 萬(wàn)個(gè)UE于核心網(wǎng)的連接，比現(xiàn)有2G、3G、4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有50～100 倍的用戶容量提升。

（4）授權(quán)頻譜。NB-IoT 可直接部署于LTE 網(wǎng)絡(luò)，也可以利用2G、3G 的頻譜重來(lái)部署，無(wú)論是數(shù)據(jù)安全和建網(wǎng)成本，還是在產(chǎn)業(yè)鏈和網(wǎng)絡(luò)覆蓋，相對(duì)于非授權(quán)頻譜都具有很強(qiáng)的優(yōu)越性。

（5）安全性。繼承4G 網(wǎng)絡(luò)安全的能力，支持雙向鑒權(quán)和空口嚴(yán)格的加密機(jī)制，確保用戶終端在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的空口安全性。

簡(jiǎn)單而言，NB-IoT 提供了一個(gè)工業(yè)應(yīng)用的相對(duì)低速無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，使之聚焦于傳輸間隔大、小數(shù)據(jù)量、小速率、時(shí)延不敏感等多種垂直行業(yè)，如遠(yuǎn)程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)等。

4 UPS 智能監(jiān)控管理解決方案

4.1 UPS 智能監(jiān)控管理目標(biāo)

根據(jù)煉油化工裝置中使用UPS 做為關(guān)鍵設(shè)備這一特性，需要能夠?qū)崟r(shí)掌握在運(yùn)行的UPS 參數(shù)和狀態(tài)，能夠?qū)Ξ?dāng)前可能存在的故障隱患發(fā)出預(yù)警，以便及時(shí)將故障處理在萌芽中，最大限度降低UPS 自身故障對(duì)裝置正常生產(chǎn)的影響。通過(guò)對(duì)UPS 的智能監(jiān)控，提高UPS 供電可靠性和自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)可靠、安全、先進(jìn)、高效的供電管理目標(biāo)。

4.2 NB-IoT 構(gòu)建UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的可行性

某煉化企業(yè)裝置共有180 套UPS，分布在方圓445 萬(wàn)平方米范圍內(nèi)，其中化工區(qū)與煉油區(qū)相隔3 km。根據(jù)在運(yùn)的UPS 分布廣、使用年限長(zhǎng)短不一、品牌雜的實(shí)際情況，采用NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建智能管理系統(tǒng)的解決方案比較容易實(shí)施。

（1）遠(yuǎn)程通信。由于煉油化工廠區(qū)內(nèi)UPS 分布較廣，要將眾多UPS 系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控管理，首先要解決遠(yuǎn)程通信問(wèn)題。構(gòu)建的智能監(jiān)控平臺(tái)如與UPS 終端使用傳統(tǒng)的串口或網(wǎng)線通信，顯然要進(jìn)行大規(guī)模的通信電纜敷設(shè)，對(duì)于在用的UPS 進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)改造工程量太大。如使用傳統(tǒng)的Wi-Fi 短距離射頻等通信手段，使用的中繼器數(shù)量眾多，而且信號(hào)受裝置建筑的影響較大?；诔墒鞈?yīng)用的蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)NB-IoT 技術(shù)，且較之傳統(tǒng)蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提升了20 dB，覆蓋面更廣，顯然適用此種長(zhǎng)距離通信場(chǎng)景。

（2）實(shí)效性。對(duì)UPS 智能監(jiān)控的主要內(nèi)容是運(yùn)行參數(shù)和預(yù)警，數(shù)據(jù)變化率不大，數(shù)據(jù)上傳的時(shí)間間隔可以適當(dāng)拉長(zhǎng)，NBIoT 的傳輸時(shí)延略大也能滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳送。

（3）數(shù)據(jù)量。UPS 狀態(tài)通信數(shù)據(jù)報(bào)文只有幾十字節(jié)，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)上行最低3.75 kHz 的傳輸載波完全勝任。

（4）安全性。NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)為運(yùn)營(yíng)商經(jīng)營(yíng)的專用網(wǎng)絡(luò)，有完備的安全機(jī)制，確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的準(zhǔn)確和安全。

（5）成本性。無(wú)論是使用傳統(tǒng)的Wi-Fi 短距離射頻通信手段，還是使用串口或網(wǎng)線通信都需要購(gòu)置設(shè)備和施工成本，NBIoT 網(wǎng)絡(luò)為運(yùn)營(yíng)商的專用網(wǎng)絡(luò)，使用NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)只須給網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商交納通信費(fèi)，組網(wǎng)成本相對(duì)低廉。

4.3 UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)整體架構(gòu)

UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)由NB-IoT 網(wǎng)關(guān)、NB-IoT 專網(wǎng)、物聯(lián)通信管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、監(jiān)控管理平臺(tái)構(gòu)成（圖1）。

圖1 UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)

首先UPS 運(yùn)行參數(shù)等數(shù)據(jù)通過(guò)就近設(shè)置的NB-IoT 網(wǎng)關(guān)使用串口或網(wǎng)線通信方式采集上來(lái)，NB-IoT 網(wǎng)關(guān)將采集上來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，通過(guò)NB-IoT 專網(wǎng)上傳至物聯(lián)通信管理機(jī)，物聯(lián)通信管理機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)方式上傳數(shù)據(jù)服務(wù)器，監(jiān)控管理平臺(tái)利用服務(wù)器的大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)各級(jí)UPS 的智能監(jiān)控管理。

當(dāng)然，也可以在NB-IoT 專網(wǎng)上設(shè)置物聯(lián)云服務(wù)器，管理平臺(tái)直接通過(guò)NB-IoT 專網(wǎng)在云服務(wù)器上獲取信息數(shù)據(jù)，適用于大型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)，也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的典型場(chǎng)景。

4.4 UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備配置

（1）UPS 系統(tǒng)通信方式。大部分UPS 自帶RS485 通信口，如果無(wú)485 通信口則通過(guò)232 口轉(zhuǎn)換成485 通信，采用MODBUS通信規(guī)約。使用RJ-45 網(wǎng)口通信的UPS 采用IEC101 或IEC103通信規(guī)約。

（2）NB-IoT 網(wǎng)關(guān)。其主要功能是支持COAP、TCP/ICP、MODBUS、IEC101、IEC103 等多種通信協(xié)議與UPS 通信，并具備一定數(shù)量的遙信和遙測(cè)數(shù)據(jù)接入和開(kāi)關(guān)量輸出功能，采集UPS運(yùn)行參數(shù)和預(yù)警等信息，將信息數(shù)據(jù)打包。其次是實(shí)現(xiàn)與物聯(lián)通信管理機(jī)通信，將打包的信息數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT 專網(wǎng)上傳至物聯(lián)通信管理機(jī)。每臺(tái)UPS 與一臺(tái)BST3004H 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS485（或RJ-45）通信口連接，所有UPS 數(shù)據(jù)通過(guò)NB-IoT 無(wú)線專網(wǎng)匯聚到上級(jí)物聯(lián)通信管理機(jī)。

（3）NB-IoT 專網(wǎng)。是由蜂窩無(wú)線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商提供的物聯(lián)通信專網(wǎng)，目前主要的運(yùn)營(yíng)商有中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信三家。根據(jù)當(dāng)?shù)豊B-IoT 專網(wǎng)配置情況，選擇電信NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商服務(wù)，按200 個(gè)終端號(hào)配置，一年的通信費(fèi)用大概5000 元左右。

（4）物聯(lián)通信管理機(jī)。其主要功能是通過(guò)NB-IoT 專網(wǎng)與NB-IoT 網(wǎng)關(guān)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，同時(shí)支持COAP、TCP/ICP、MODBUS、IEC101、IEC103 等多種通信協(xié)議與監(jiān)控管理平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行通信。監(jiān)控中心設(shè)置BOT200 物聯(lián)通信管理機(jī)2 臺(tái)，采取冗余配置，通過(guò)RJ-45 以太網(wǎng)口（或RS485 串口）將UPS 終端數(shù)據(jù)通過(guò)IEC103（或MODBUS）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議送至數(shù)據(jù)服務(wù)器。

（5）網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。主要功能是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備的物理連接和數(shù)據(jù)交換。

（6）數(shù)據(jù)服務(wù)器。主要功能是將物聯(lián)通信管理機(jī)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔存貯和提供數(shù)據(jù)搜索引擎功能，供監(jiān)控管理平臺(tái)或遠(yuǎn)程調(diào)用。

（7）監(jiān)控終端。具有人機(jī)交互界面的計(jì)算機(jī)操作終端，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控的各項(xiàng)管理功能。在監(jiān)控中心和有人值班點(diǎn)設(shè)置監(jiān)控客戶端工控機(jī)，在局域網(wǎng)的各級(jí)管理部門設(shè)置局域網(wǎng)客戶端工控機(jī)，按不同的管理權(quán)限執(zhí)行相應(yīng)的管理功能。

4.5 UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺(tái)功能

（1）智能監(jiān)控后臺(tái)基于LINUX 系統(tǒng)，采用分層、分布式架構(gòu)，按運(yùn)行、報(bào)警等不同功能設(shè)置人機(jī)界面，使用柱狀圖、數(shù)字框、接線圖等方式，全面、連續(xù)、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)并保存運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)時(shí)判斷UPS 是否發(fā)生報(bào)警，當(dāng)UPS 的某部件發(fā)生故障或越限時(shí)，智能監(jiān)控主系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。

（2）夠?qū)崟r(shí)顯示UPS 的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。包括輸入輸出電壓、輸入輸出電流、輸出頻率、蓄電池充電電流、整流器工作狀態(tài)、逆變器工作狀態(tài)、旁路開(kāi)關(guān)狀態(tài)等。

（3）能夠?qū)PS 運(yùn)行時(shí)間、負(fù)載率和故障信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS 設(shè)備的全壽命過(guò)程管理。

（4）也可以配備專業(yè)的電源監(jiān)控管理軟件，如PowerChute系列軟件，在一個(gè)管理界面上對(duì)多臺(tái)UPS 進(jìn)行集中管理；設(shè)置UPS 向?qū)?；UPS 預(yù)警事件處理；UPS 故障排除操作建議；UPS 及電源問(wèn)題E-mail/尋呼通知；UPS 及電源問(wèn)題廣播通知；電源質(zhì)量分析工具等功能。

5 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用前景

物聯(lián)網(wǎng)對(duì)無(wú)線通信的需求一直在變化，NB-IoT 面向低速率、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)端，其技術(shù)特性非常適合于物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分業(yè)務(wù)的發(fā)展場(chǎng)景，大規(guī)模的發(fā)展還要通信模塊成本和終端功耗必須進(jìn)一步下降等問(wèn)題進(jìn)一步解決。在以智能抄表、智能停車、物品追蹤、獨(dú)立可穿戴智能設(shè)備、智能家居、智慧城市、智能制造等領(lǐng)域的應(yīng)用場(chǎng)景將會(huì)大放異彩。萬(wàn)物互聯(lián)是必然趨勢(shì)，NB-IoT的技術(shù)也將會(huì)向5G 網(wǎng)絡(luò)升級(jí)過(guò)渡，具有更高的峰值速率，意味著基于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的更多連接數(shù)，將助推高清視頻、VoLTE 以及物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用快速普及，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)正在開(kāi)啟一個(gè)前所未有的廣闊市場(chǎng)。