無源光網(wǎng)絡(luò)在智能凈化廠應(yīng)用的可行性分析

黃 杰

中國石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠, 重慶 400021

0 前言

當(dāng)前,信息技術(shù)不但改變了人們的生活,也改變著人們的工作。天然氣凈化行業(yè)作為典型的流程行業(yè)也將經(jīng)歷數(shù)字化、智能化的蛻變。隨著天然氣凈化廠“十四五”產(chǎn)能的穩(wěn)步提升,天然氣凈化處理量也不斷增加,在提質(zhì)增效的整體形勢下,依靠傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式難以支撐上產(chǎn)目標(biāo)和戰(zhàn)略發(fā)展,亟需借助數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展,來保證安全生產(chǎn)、清潔生產(chǎn)、高效生產(chǎn)。天然氣凈化廠的生產(chǎn)運行自動化程度較高,推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展具有重大意義。

要實現(xiàn)智能凈化廠,首先要確保信息基礎(chǔ)設(shè)施的業(yè)務(wù)支撐能力,其中最主要的是園區(qū)網(wǎng)的升級換代，這已通過大量信息化項目得到驗證。例如近年建設(shè)的生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)、智能巡檢、治安防恐、安全管控等項目都集中突顯出園區(qū)網(wǎng)的擴展性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等問題,無法通過簡單改造來解決。鑒于智能化園區(qū)網(wǎng)的重要作用,需要采用更先進(jìn)的光介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)銅介質(zhì)網(wǎng)絡(luò),在簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的同時,還能提高網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

近年來,無源光網(wǎng)絡(luò)[1-6]越來越受到關(guān)注,在“天網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)”“海燕車輛二次分析系統(tǒng)”等大型項目中得到了成功應(yīng)用。天然氣凈化廠的智能化建設(shè)中無源光網(wǎng)絡(luò)還沒有應(yīng)用先例,主要原因是天然氣凈化廠智能化建設(shè)起步較晚,而且沒有業(yè)務(wù)需求的推動。以生產(chǎn)視頻監(jiān)控為例,在數(shù)字化、智能化發(fā)展的大趨勢下,作為物聯(lián)網(wǎng)中很重要的數(shù)據(jù)源,不只是要看得到,還應(yīng)看得清、看得準(zhǔn),過去分析視頻需要人工長時間查看，而現(xiàn)在攝像機能直接對視頻進(jìn)行智能分析、實時告警，并已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)安全管理。例如:人員姿態(tài)分析,當(dāng)有人受傷倒地時智能監(jiān)控會聯(lián)動報警;勞保用品穿戴檢測,對入場人員勞動保護(hù)用品是否規(guī)范穿著進(jìn)行分析等。通過網(wǎng)線連接攝像機的傳統(tǒng)組網(wǎng)方式已無法滿足大范圍生產(chǎn)監(jiān)控需求,而無源光網(wǎng)絡(luò)由于建設(shè)成本低、業(yè)務(wù)承載能力強、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點將成為建設(shè)智能化園區(qū)網(wǎng)的首選。

1 無源光網(wǎng)絡(luò)的概念

無源光網(wǎng)絡(luò)的概念是20世紀(jì)80年代由英國電信公司最早提出,它又被稱為被動式光纖網(wǎng)路,是光纖通信網(wǎng)絡(luò)的一種,其特點是不用電源就可以完成信號傳輸。除了終端設(shè)備需要用電以外,無源光網(wǎng)絡(luò)中間的節(jié)點則以精致小巧的無源器件構(gòu)成,只有信號進(jìn)出網(wǎng)絡(luò)時才進(jìn)行電—光和光—電的轉(zhuǎn)換,網(wǎng)絡(luò)中信號傳輸和交換的過程中始終以光的形式進(jìn)行,以光節(jié)點取代現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的電節(jié)點,構(gòu)成以光纖為介質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)。

基于無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的組網(wǎng)方式[7-12]是一種點到多點的光導(dǎo)纖維接入技術(shù),由局側(cè)的光線路終端(Optical Line Terminal,OLT)、用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元(Optical Network Unit,ONU)和光配線網(wǎng)絡(luò)(Optical Distribution Network,ODN)組成,結(jié)構(gòu)見圖1。所謂“無源”是指在光網(wǎng)絡(luò)中不含任何有源電子器件和電子電源,全部由光分路器等無源器件組成。無源光網(wǎng)絡(luò)作為一種純介質(zhì)網(wǎng)絡(luò),避免了外部設(shè)備的電磁干擾和雷電影響,減少了線路和外部設(shè)備的故障率,提高了系統(tǒng)可靠性,節(jié)省了維護(hù)成本,是通信行業(yè)長期使用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。同有源系統(tǒng)比較,無源光網(wǎng)絡(luò)具有大帶寬、高可靠、扁平化、易部署、易管理等顯著優(yōu)點,同時無源光網(wǎng)絡(luò)還優(yōu)化了園區(qū)網(wǎng)的基礎(chǔ)布線和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),讓整體網(wǎng)絡(luò)更加高效和簡潔[13-15],滿足智能凈化廠建設(shè)需求。

圖1 無源光網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)圖

2 無源光網(wǎng)絡(luò)的特點

無源光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)包含內(nèi)容很多,而且在不斷迭代更新。早在20世紀(jì)90年代,國際電信聯(lián)盟就首先提出了基于異步傳輸模式的無源光網(wǎng)絡(luò)(Asynchronous Transfer Mode Passive Optical Network，APON),隨著以太網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展又出現(xiàn)了基于寬帶服務(wù)的無源光網(wǎng)絡(luò)(Broadband Passive Optical Network，BPON)技術(shù)、基于以太網(wǎng)的無源光網(wǎng)絡(luò)(Ethernet Passive Optical Network，EPON)技術(shù),以及基于國際電信聯(lián)盟千兆比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)系列標(biāo)準(zhǔn)(ITU-T G.984.x)的最新一代吉比特以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)(Gigabit Passive Optical Network,GPON)技術(shù)。目前,GPON技術(shù)應(yīng)用最廣泛,10 G的GPON對稱技術(shù)正逐漸成為主流。無源光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)特點可以總結(jié)為單芯雙向,波分復(fù)用;上行時分復(fù)用;下行廣播,ONU選擇性接收。

2.1 單芯雙向,波分復(fù)用

在無源光網(wǎng)絡(luò)中,上下行通信所采用的波長是不一樣的,從ONU到OLT的方向即為上行,從OLT到ONU的方向即為下行。以GPON為例,規(guī)劃下行波長1 490 nm,上行波長1 310 nm,互不影響,在單根光纖上完全可以實現(xiàn)OLT與ONU之間的全雙工數(shù)據(jù)通信,見圖2。

圖2 數(shù)據(jù)通信示意圖

2.2 上行時分復(fù)用

上行方向發(fā)端與收端的數(shù)量對比關(guān)系是“多對一”的關(guān)系。既然是“多對一”的關(guān)系,這種情況就必須要有仲裁機制來保護(hù)上行數(shù)據(jù)傳輸不發(fā)生沖突。這個仲裁機制便是將上行鏈路分成不同的時隙,再將這些時隙根據(jù)需要分給不同的ONU,ONU在屬于自己的時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。由終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、視頻和語音等信號分別通過不同的ONU在各自的時隙里傳輸至OLT,光信號在分光器里進(jìn)行耦合，見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)上行示意圖

2.3 下行廣播,ONU選擇性接收

下行方向發(fā)端與收端的數(shù)量對比關(guān)系是“一對多”的關(guān)系[16-18],OLT將下行數(shù)據(jù)通過廣播的方式發(fā)送到所有的ONU,每個ONU會根據(jù)相應(yīng)的過濾條件主動過濾出屬于自己的數(shù)據(jù),其他數(shù)據(jù)會丟棄掉，見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)下行示意圖

3 無源光網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

無源光網(wǎng)絡(luò)在項目建設(shè)和后期運維中都比傳統(tǒng)以太網(wǎng)更具優(yōu)勢,主要體現(xiàn)在業(yè)務(wù)承載能力、建設(shè)成本、整體帶寬、網(wǎng)絡(luò)安全、使用壽命等諸多方面。無源光網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)對比見表1。

表1 無源光網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)以太網(wǎng)對比表

因為光波的傳輸特性和光纜的物理結(jié)構(gòu)等原因,讓光纖本身具有很強的抗電磁干擾能力,同時又不會對外界環(huán)境產(chǎn)生新的干擾。此優(yōu)勢使無源光網(wǎng)絡(luò)適合在天然氣凈化廠的生產(chǎn)環(huán)境中部署。

4 無源光網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析

4.1 無源光網(wǎng)絡(luò)部署

智能凈化廠建設(shè)的總體要求是將天然氣凈化的生產(chǎn)過程、控制、運行和管理進(jìn)行統(tǒng)一掌控，要實現(xiàn)這一目標(biāo)則對網(wǎng)絡(luò)通信保障能力的要求更高。傳統(tǒng)以太網(wǎng)的局限性會制約智能凈化廠的快速發(fā)展,造成生產(chǎn)水平低下、核心競爭力不足等情況。為防止這種情況發(fā)生,需要采用成熟的無源光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于天然氣凈化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、生產(chǎn)控制等場景,生產(chǎn)自動化，管理智能化。

天然氣凈化廠目前的園區(qū)網(wǎng)都是基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),在信息化建設(shè)的過程中需要新增大量視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集設(shè)備,對網(wǎng)絡(luò)傳輸性能要求越來越高。因為是點到點的部署,需要進(jìn)行大量的綜合布線工作,同時由于網(wǎng)線傳輸距離最大100 m的限制,需要部署大量交換機、光纜、光收發(fā)器等設(shè)施來擴大園區(qū)網(wǎng)范圍,不但增加了項目建設(shè)成本和運維成本,而且后期擴建難度很大。

而無源光網(wǎng)絡(luò)部署簡單,幾乎不受傳輸距離、現(xiàn)場環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)帶寬的影響,不需要交換機、光收發(fā)器等有源設(shè)備就能覆蓋整個生產(chǎn)園區(qū),故障點大大減少,并且可以針對工作應(yīng)用場景的業(yè)務(wù)、接口、安全等需求進(jìn)行定制,是智能凈化廠橫向集成的先進(jìn)、完善、安全的智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無論是視頻監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場智能儀表、數(shù)據(jù)傳感器、移動設(shè)備等各類終端都可以接入。

從傳統(tǒng)的點對點接入網(wǎng)絡(luò)過度到無源光網(wǎng)絡(luò)是個“減法”過程[19]。主要是將以太網(wǎng)中的接入層優(yōu)化為無源光網(wǎng)絡(luò),上行部分更換為OLT,下行部分更換為ONU,而中間的傳輸網(wǎng)絡(luò)則通過光纖組網(wǎng),優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更簡單。無源光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟妶D5。由圖5可以看出,監(jiān)控系統(tǒng)的前端由各種高清網(wǎng)絡(luò)攝像機組成,在PON中通過網(wǎng)線將不同區(qū)域的多個攝像機連接到同1臺ONU,然后匯集成1根光纖連接到分光器,不同區(qū)域的分光器再匯聚成1根光纖連接到OLT,最后由OLT匯聚接入到核心交換機。在核心交換機之上的部分無需改動,與以太網(wǎng)的主要區(qū)別在于OLT和ONU的部分。

圖5 無源光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

OLT是專門負(fù)責(zé)光纖鏈路的局端設(shè)備,和ONU匹配進(jìn)行數(shù)據(jù)流的傳輸。上行接入核心交換機,下行連接多個ONU,可以對ONU進(jìn)行集中管理。類似于以太網(wǎng)的匯聚層設(shè)備。

ONU是信息點的接入設(shè)備,接入業(yè)務(wù)類型多樣,如辦公電腦、移動設(shè)備、視頻和語音等,并且支持GE/FE、POTS、WIFI、POE和CATV等多種接口,安裝方式靈活。無源光網(wǎng)絡(luò)的帶寬設(shè)計,主要從兩方面來考慮:一是設(shè)備規(guī)格,OLT板卡和ONU根據(jù)實際需求來選擇千兆GPON或是萬兆GPON;二是OLT單個PON口下掛ONU數(shù)量,即由分光比來確定。同時部署方式也非常靈活,完全滿足天然氣凈化廠智能化園區(qū)網(wǎng)實際需要。例如對于辦公區(qū)域可選擇光纖到桌面(Fiber To The Desk,FTTD),實驗室可選擇光纖到房間(Fiber To The Room,FTTR),倉庫可選擇光纖到樓宇(Fiber To The Building,FTTB)。

4.2 智能語音解決方案

在無源光網(wǎng)絡(luò)中,語音業(yè)務(wù)采用基于軟交換的解決方案[20]。在工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)絡(luò)等語音需求場景,采用支持語音業(yè)務(wù)的ONU,通過OLT直接接入到中心運營平臺,由中心運營平臺提供各種語音業(yè)務(wù)。語音業(yè)務(wù)匯入到內(nèi)部軟交換網(wǎng)絡(luò)中,采用SIP、H.248等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,通過VoIP方式進(jìn)行傳輸。ONU承載的各種業(yè)務(wù)原則上都是基于TCP/IP模式承載的,與智能化園區(qū)網(wǎng)的主要協(xié)議全面兼容。

網(wǎng)絡(luò)電話發(fā)起的語音請求,由VoIP數(shù)據(jù)報文通過OLT進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),由OLT的上行接口上聯(lián)到內(nèi)部軟交換平臺。由于采用TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù),主要的工作量只有ONU與軟交換平臺之間SIP協(xié)議和H.248協(xié)議的交互,完成后可將終端注冊到內(nèi)部軟交換網(wǎng)絡(luò)中。

4.3 智能數(shù)據(jù)回傳解決方案

在生產(chǎn)現(xiàn)場采用工業(yè)級的ONU設(shè)備,可根據(jù)實際情況為各類數(shù)據(jù)采集設(shè)備提供FE、RS232、RS485等接口用于完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸。在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集時工業(yè)級ONU也能連接數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)或者與開關(guān)量數(shù)據(jù)采集設(shè)備連接,通過無源光網(wǎng)絡(luò)快速傳送到DCS系統(tǒng),進(jìn)而完成各類數(shù)據(jù)分析和決策輔助。

對現(xiàn)場射頻識別和智能終端等應(yīng)用場景下的WIFI、Zigbee、LTE等各種無線網(wǎng)絡(luò)提供數(shù)據(jù)承載。工業(yè)ONU設(shè)備通過10 GE等高速接口實現(xiàn)現(xiàn)場海量數(shù)據(jù)的回傳,支持NTP、POE等功能,同時還支持4 G/5 G蜂窩網(wǎng)絡(luò)承載物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。

由于無源光網(wǎng)絡(luò)的大帶寬特性,在各工位的工業(yè)級ONU設(shè)備上通過下聯(lián)支持以太網(wǎng)供電的交換機連接高清攝像機進(jìn)行高清視頻監(jiān)控,數(shù)據(jù)與電源共用1條鏈路,方便綜合布線也減少后期運維工作量。

5 結(jié)論

1)無源光網(wǎng)絡(luò)作為一種部署成本低而且靈活性高的大帶寬傳輸手段,完全適合智能凈化廠的應(yīng)用場景。

2)無源光網(wǎng)絡(luò)可明顯降低智能凈化廠的建設(shè)成本,并提高建設(shè)效率、縮短項目周期、提升企業(yè)效益,是智能化園區(qū)網(wǎng)理想和經(jīng)濟的接入方式。

3)由于OLT的設(shè)備特性,很容易實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的集中管理、維護(hù),而且升級成本較低、可擴展性較強。

4)無源光網(wǎng)絡(luò)具有多業(yè)務(wù)承載能力,并且有很強的抗電磁干擾能力,可以大幅簡化天然氣凈化廠智能化園區(qū)網(wǎng)的結(jié)構(gòu),同時提高安全性。