油氣管道項(xiàng)目工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的組網(wǎng)應(yīng)用

王 楓，劉永軍，劉鵬飛

1中國(guó)石油管道局工程有限公司國(guó)際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

長(zhǎng)輸油氣管道常用的通信方式包括光通信、衛(wèi)星、微波、公網(wǎng)專線、GPRS 等。其中光通信是以光波為載波的通信方式，包括PDH，SDH，波分復(fù)用、以太網(wǎng)交換機(jī)等。國(guó)內(nèi)油氣管道項(xiàng)目通常采用SDH光通信系統(tǒng)作為主用通信方式，站場(chǎng)采用高速率SDH 設(shè)備作為骨干層，RTU 閥室采用低速率SDH 設(shè)備作為接入層。相比SDH 光通信設(shè)備，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)在設(shè)備價(jià)格、使用環(huán)境、可靠性等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，已在高速公路、鐵路，城市軌道交通、國(guó)家電網(wǎng)等行業(yè)都有比較廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)外的油氣管道項(xiàng)目以工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為主用通信方式較為常見(jiàn)，在國(guó)內(nèi)的油氣管道項(xiàng)目中則多用于接入層設(shè)備。本文以尼日利亞輸氣管道項(xiàng)目為例，論述工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為主用通信方式所采用的幾種組網(wǎng)方式。

2. 以太網(wǎng)交換機(jī)

2.1. 以太網(wǎng)交換機(jī)簡(jiǎn)介

以太網(wǎng)交換機(jī)出現(xiàn)于1990 年前后，功能上相當(dāng)于集線器，逐漸的從二層交換機(jī)到三層交換機(jī)和多業(yè)務(wù)交換機(jī)，功能越來(lái)越豐富。交換機(jī)承擔(dān)的角色也越來(lái)越多，涵蓋了路由器、防火墻、無(wú)線接入控制器等功能。以太網(wǎng)交換機(jī)具有通信速率高、兼容性好、互聯(lián)擴(kuò)展性好、功耗低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。以太網(wǎng)交換機(jī)作為最主要的、使用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之一，對(duì)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量有這極為重要作用。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求真分析相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，選擇合適的設(shè)備，對(duì)于通信系統(tǒng)的優(yōu)劣意義重大。以太網(wǎng)交換機(jī)的選擇可以主要從應(yīng)用環(huán)境、交換能力、背板帶寬、交換端口數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力、交換方式、路由能力、虛擬局域網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理能力、性價(jià)比等方面綜合考量[1]。

2.2. 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)是應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域的以太網(wǎng)交換機(jī)設(shè)備，其網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放性好、擴(kuò)展性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、抗震性好、溫濕度要求寬、可靠性高。

工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與普通商用以太網(wǎng)交換機(jī)的技術(shù)對(duì)比見(jiàn)表1 [2]。

Table 1. Technical comparison for industrial Ethernet switch and common commercial Ethernet switch表1. 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)和普通商用以太網(wǎng)交換機(jī)技術(shù)對(duì)比

根據(jù)對(duì)比可以看出工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的優(yōu)點(diǎn)明顯。油氣管道偏遠(yuǎn)的無(wú)人站或者管道線路上經(jīng)常需要通信設(shè)備工作在低溫或高溫、高海拔、高濕度、電磁干擾、供電質(zhì)量差等惡劣的環(huán)境中。同時(shí)，管道數(shù)據(jù)又對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能要求苛刻，要求通信網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性、低延遲和零丟包等能力。因此工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)越來(lái)越多的應(yīng)用到了油氣管道的通信系統(tǒng)中[3]。

3. 尼日利亞輸氣管道項(xiàng)目應(yīng)用

3.1. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某尼日利亞輸氣管道項(xiàng)目包括調(diào)控中心、首站、分輸站、壓氣站、末站和8 個(gè)閥室。從首站到末站與管道同溝敷設(shè)1 條光纜，從分輸站到調(diào)控中心與管道同溝敷設(shè)1 條光纜。項(xiàng)目示意圖如圖1 所示。

Figure 1. Schematic diagram of Nigeria gas pipeline圖1. 尼日利亞輸氣管道示意圖

以調(diào)控中心為各系統(tǒng)核心，依托工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成四個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)：主用SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)數(shù)據(jù)網(wǎng)、備用SCADA 數(shù)據(jù)網(wǎng)、話音/辦公網(wǎng)、安防網(wǎng)絡(luò)(包括工業(yè)電視、入侵報(bào)警、門(mén)禁)。各站均與調(diào)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2. 鏈型組網(wǎng)

將各個(gè)站場(chǎng)按照順序手拉手連接起來(lái)就組成了鏈型組網(wǎng)方式，如圖2 所示。

Figure 2. Chain networking圖2. 鏈型組網(wǎng)方式

由于各個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)核心設(shè)備都設(shè)置在調(diào)控中心，所有站場(chǎng)都經(jīng)過(guò)分輸站與調(diào)控中心連接。分輸站處再T 型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的交叉點(diǎn)，一旦分輸站設(shè)備出現(xiàn)故障，其它所有站點(diǎn)都會(huì)與調(diào)控中心中斷通信。在分輸站處的光配線架上將上游4#閥室方向的光纖與調(diào)控中心方向的光纖跳接，使4#閥室與調(diào)控中心直接連接，將調(diào)控中心作為系統(tǒng)的中心點(diǎn)，如圖3 所示。這樣調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)后，如果分輸站設(shè)備故障，只會(huì)影響到下游5#閥室至末站的通信，首站到4#閥室仍能夠與調(diào)控中心進(jìn)行通信。圖3 所示的組網(wǎng)方式與圖2 的組網(wǎng)方式相比的缺點(diǎn)是在調(diào)控中心和分輸站之間多用了2 芯光纖。

Figure 3. Improved chain networking圖3. 改進(jìn)的鏈型組網(wǎng)

由于SCADA 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為主用和備用兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此，其中一個(gè)線型的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，仍然有另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)做備用，從而保證系統(tǒng)可靠性。因此，尼日利亞輸氣管道項(xiàng)目的SCADA 系統(tǒng)使用了這種線型組網(wǎng)方式，組成了兩個(gè)獨(dú)立的SCADA 網(wǎng)絡(luò)。

該方式簡(jiǎn)單實(shí)用，相鄰節(jié)點(diǎn)之間只占用2 芯光纖，只是對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性依賴性強(qiáng)，任何一點(diǎn)出問(wèn)題都會(huì)影響兩邊的節(jié)點(diǎn)相互通信。

3.3. 環(huán)型組網(wǎng)

環(huán)形組網(wǎng)方式能夠更好地克服線型組網(wǎng)的缺點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。將管道的三段分別組成三個(gè)環(huán)，即首站-分輸站、分輸站-末站、分輸站-調(diào)控中心，如圖4 所示。

Figure 4. Ring networking圖4. 環(huán)型組網(wǎng)方式

管道站多線長(zhǎng)，通常采用越站成環(huán)的方式，而不是收尾相接成環(huán)。越站成環(huán)即可以避免相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離超出光模塊傳輸最大范圍，又可避免過(guò)長(zhǎng)的距離導(dǎo)致的光纖頻繁中斷。但是環(huán)型組網(wǎng)需要使用的光纖數(shù)量比線型組網(wǎng)多一倍，并且需要交換機(jī)具有環(huán)網(wǎng)協(xié)議以避免網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

分輸站是三個(gè)環(huán)的交點(diǎn)，與線型連接一樣，分輸站設(shè)備出現(xiàn)故障，其它所有站點(diǎn)也會(huì)與核心設(shè)備所在的調(diào)控中心中斷通信。通過(guò)在分輸站處的光配線架上將光纖進(jìn)行跳接后，可以將環(huán)型網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成圖5所示的兩個(gè)環(huán)型結(jié)構(gòu)。分輸站只作為右側(cè)環(huán)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)故障不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)與調(diào)控中心的通信。這種連接的缺點(diǎn)是在調(diào)控中心和分輸站之間使用了8 芯光纖，而圖4 的連接方式只使用4 芯光纖。

Figure 5. Improved ring networking圖5. 改進(jìn)的環(huán)型組網(wǎng)

尼日利亞輸氣管道項(xiàng)目的話音/辦公網(wǎng)、安防網(wǎng)絡(luò)都使用了這種環(huán)型組網(wǎng)方式。該方式可以避免單一節(jié)點(diǎn)或者單一光纖中斷點(diǎn)對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)造成的影響。兩個(gè)環(huán)網(wǎng)以調(diào)控中心為相切點(diǎn)，兩側(cè)的站場(chǎng)和閥室都直接與調(diào)控中心組成環(huán)網(wǎng)，可直接與各系統(tǒng)的核心設(shè)備進(jìn)行通信，因此大大提高了通信系統(tǒng)的可靠性。

4. 結(jié)語(yǔ)

大型的油氣管道建設(shè)一般主要以SDH 光通信作為通信方式，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)多用于將閥室或者其它特殊站點(diǎn)的數(shù)據(jù)接入。工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、可靠性高、成本低、安裝簡(jiǎn)單、維修方便，隨著油氣管道業(yè)務(wù)和接口的IP 化，在很多國(guó)外的管道項(xiàng)目采用了工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)作為管道數(shù)據(jù)的主用通信方式。油氣管道站場(chǎng)呈線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，點(diǎn)多線長(zhǎng)，可采用鏈型或環(huán)型的組網(wǎng)方式[4]。而環(huán)型組網(wǎng)可靠性更高，是目前油氣管道項(xiàng)目最常用的組網(wǎng)方式。