工業(yè)PON技術在油氣生產場站組網(wǎng)的應用

黃威皓，鮑自翔，肖逸軍，葉康林

(中國石油西南油氣田公司通信與信息技術中心，四川 成都 610051)

0 引言

通信技術在近年來飛速發(fā)展，2017年，國務院關于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見中夯實網(wǎng)絡基礎部分提出了要支持企業(yè)大力推動工業(yè)無源光網(wǎng)絡(PON)的發(fā)展。工業(yè)PON，作為新一代面向數(shù)字化、智能化發(fā)展的全新網(wǎng)絡建設模式，是信息化和工業(yè)化的深度融合，能提供全光纖、高帶寬、高安全、多業(yè)務要求。

在油氣田行業(yè)中，伴隨多年的信息化發(fā)展以及生產場站的高速增量，傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換組網(wǎng)方式在組網(wǎng)的靈活度、傳輸?shù)姆€(wěn)定性以及網(wǎng)絡運維成本等方面跟上油氣場站信息化需求的發(fā)展步伐。同時，傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構還存在擴容、調整復雜耗時，無法滿足柔性制造需求；網(wǎng)線升級對走線槽空間要求高，成本高，網(wǎng)線生命周期短，帶寬升級需更換介質等問題亟待解決。文章通過利用工業(yè)PON技術組網(wǎng)的生產信息化一體化橇為例，論述工業(yè)PON的技術特點和在油氣行業(yè)中的應用場景，比較傳統(tǒng)組網(wǎng)方式和工業(yè)PON組網(wǎng)的優(yōu)劣勢，為油氣田信息化組網(wǎng)模式提供參考。

1 PON簡介

PON是一種應用于接入網(wǎng),局端設備(OLT)與多個用戶端設備(ONU/ONT)之間通過無源的光纜、光分/合路器等組成的光分配網(wǎng)(ODN)連接的網(wǎng)絡。如圖1所示。它采用基帶數(shù)字傳輸技術傳輸雙向交互式業(yè)務。它由OLT(光線路終端)、光配線網(wǎng)ODN、及光網(wǎng)絡單元ONU組成[1]，在OLT和ONU之間的ODN沒有任何有源電子設備。PON使用波分復用(WDM)技術，同時處理雙向信號傳輸，上、下行信號分別用不同的波長，但在同一根光纖中傳送。OLT到ONU/ONT的方向為下行方向，反之為上行方向。下行方向采用1 490 nm，上行方向采用1 310 nm。這種時分多址的接入模式有效杜絕了數(shù)據(jù)沖突和網(wǎng)絡堵塞。

圖1 PON組網(wǎng)架構

2 工業(yè)PON技術特點

工業(yè)PON組網(wǎng)具有網(wǎng)絡層級更加扁平，安全更可靠、運維更安全的特性。傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機網(wǎng)絡由接入層、匯聚層、核心層三層架構進行組網(wǎng)，網(wǎng)絡層級多，尤其在大型工廠或場站更加明細。同時傳統(tǒng)組網(wǎng)的網(wǎng)絡信號受電磁干擾較大。而工業(yè)PON無源光網(wǎng)絡是純介質網(wǎng)絡，可以有效避免電磁對傳輸數(shù)據(jù)的影響和干擾。此外，工業(yè)PON采用更加扁平結構的進行組網(wǎng)，減少了如：RTN、SDH這類高成本傳輸設備，有效降低了建設成本。在網(wǎng)絡結構上PON是一種扇出的星型結構，可以服務大量用戶且在一定程度上消除各節(jié)點處理數(shù)據(jù)路由產生的延遲，形成高效的網(wǎng)絡傳輸模式，很大程度上降低了運維成本和難度。

工業(yè)PON技術具備終端接入認證和數(shù)據(jù)加密安全性，提供從終端到網(wǎng)絡到數(shù)據(jù)的三重安全保障，并支持多種ONU終端的認證功能，例如基于物理標識、RFID、邏輯標識等方式，可有效避免非受控終端接進網(wǎng)絡。工業(yè)PON的硬件設備具備很強工業(yè)穩(wěn)定性，在超高低溫、高頻振動以及電磁干擾等環(huán)境下能保持正常運行。

工業(yè)PON在技術標準層面支持Type A-D多種保護倒換方案，可以提供不同等級的網(wǎng)絡自愈能力，在一路ODN網(wǎng)絡或者PON設備端口發(fā)生故障導致網(wǎng)絡中斷時，快速進行主備鏈路切換和業(yè)務恢復，保證工業(yè)場景對于系統(tǒng)高可靠性的要求。面對各類業(yè)務對于網(wǎng)絡資源能力需求、分權分域管理、安全隔離等必要的要求，工業(yè)PON設備具備切片能力，一個物理OLT可以虛擬為多個OLT分片，分別承載各類業(yè)務，實現(xiàn)獨立運維管理，業(yè)務和網(wǎng)絡資源互不干擾，可以有效實現(xiàn)可靠性、安全性、網(wǎng)絡資源三者之間的平衡。傳統(tǒng)組網(wǎng)與工業(yè)PON組網(wǎng)對比[2]如表1所示。

表1 傳統(tǒng)組網(wǎng)與工業(yè)PON組網(wǎng)對比

3 生產場站工業(yè)PON組網(wǎng)方案

3.1 傳統(tǒng)生產場站典型網(wǎng)絡介紹

在油氣生產物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設中，數(shù)據(jù)及圖片傳輸是其關鍵部分之一，是系統(tǒng)運行的基礎。生產場站/井站作為終端對數(shù)據(jù)及圖片完成采集后通過生產網(wǎng)絡層層上傳。生產場站/井站作為數(shù)據(jù)匯聚的第一層級，匯聚場站生產數(shù)據(jù)后傳輸至中心站。目前場站采用的是傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)模式，局部傳輸網(wǎng)絡由二層匯集交換機以及光傳輸設備構成。如圖2所示。匯聚交換機下連數(shù)據(jù)采集器、硬盤錄像機、門禁安防主機等設備以此來匯聚工業(yè)生產數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)以及安防數(shù)據(jù)，光傳輸設備用于局部網(wǎng)絡出局，通過光纖傳輸上行至中心站核心交換機。整個網(wǎng)絡使用數(shù)字電纜進行數(shù)據(jù)傳輸，帶寬窄、速度慢、數(shù)據(jù)實時性差。同時通信機房到各個生產設備之間需要添加有源設備和敷設大量電纜，不但提高了成本，而且不易維護，故障率高，穩(wěn)定性差。

圖2 傳統(tǒng)場站組網(wǎng)模式

3.2 工業(yè)PON組網(wǎng)方案

如圖3所示，通過工業(yè)PON技術優(yōu)化生產場站網(wǎng)絡結構，通過ONU替代傳統(tǒng)模式二層匯聚交換機作為新的匯聚設備，OUN具備比傳統(tǒng)交換機更強的工業(yè)性，在運行過程中穩(wěn)定性更強，良好解決了傳統(tǒng)交換機因溫度過高跑死的問題。同時OUN同時具備電口和光口，減少了下聯(lián)光信號設備的層級，提升數(shù)據(jù)傳輸效率和穩(wěn)定性。視頻數(shù)據(jù)、生產數(shù)據(jù)以及機房環(huán)境數(shù)據(jù)通過并在中心站部署OLT用于替代傳統(tǒng)核心交換機，極大扁平了網(wǎng)絡結構。ONU作為新的匯聚設備，通過其優(yōu)秀的兼容性和協(xié)議轉換能力以及傳統(tǒng)交換機不具備的無線模塊，將生產場站所需的視頻圖像、生產數(shù)據(jù)以及環(huán)境信息等關鍵數(shù)據(jù)不沖突的匯聚到一起，視頻類數(shù)據(jù)需要高帶寬傳輸通過光纖匯入。站內各類無線傳感器和低帶寬設備則通過網(wǎng)線或無線接入接入。然后通過OUN上行傳輸至中心站OLT，OLT繼續(xù)上傳至生產數(shù)據(jù)平臺。

圖3 PON組網(wǎng)模式

3.3 優(yōu)化效果

工業(yè)PON系統(tǒng)對局端資源占用很少，設備成本投入低，擴展容易且易于升級并能提供非常高的帶寬。同時采用無源光網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，傳輸網(wǎng)絡中沒有任何有源電子設備，因此非常容易鋪設，減少了網(wǎng)絡管理和設備運維的工作量，有效降低運營和維護成本[3]。按照油氣行業(yè)生產現(xiàn)場一個中心站及四個下屬場站進行測算，工業(yè)PON所需的組網(wǎng)設備遠遠少于傳統(tǒng)以太網(wǎng)交換機組網(wǎng)，同比設備成本降低50%～70%，柜內占用空間降低2U。設備對比如表2所示。

表2 兩種組網(wǎng)模式設備需求對比

同時工業(yè)PON作為面向工業(yè)場景的傳輸設備，其抗高低溫、振動、電磁干擾的穩(wěn)定工業(yè)特性能在各種惡劣的環(huán)境下穩(wěn)定工作。高兼容度以及多種接入模式，可以滿足不同設備通信接口下的信號數(shù)據(jù)傳輸，有效保障油氣行業(yè)網(wǎng)絡傳輸能力和穩(wěn)定性。

4 結語

工業(yè)PON作為新一代面向數(shù)字化、智能化發(fā)展的全新網(wǎng)絡建設模式，實踐發(fā)現(xiàn)，工業(yè)PON無源光網(wǎng)絡在工業(yè)環(huán)境下能夠較好地替代傳統(tǒng)組網(wǎng)方式，并具有穩(wěn)定性強、經濟型高、維護管理簡單、擴展容易等優(yōu)點，有效地減少了工業(yè)場景的網(wǎng)絡拓撲層級，提升網(wǎng)絡傳輸穩(wěn)定性，并極大程度的降低了設備和運維成本，實現(xiàn)光纖替代網(wǎng)線而減少電磁干擾的安全生產目的。