海上油氣田裝置中控?cái)?shù)據(jù)的4G無線搭載應(yīng)用

艾如科 彭可偉 梁云

（中海石油（中國(guó)）有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057）

1 緒論

19-1A平臺(tái)和14-3A平臺(tái)為油田群南、北片區(qū)通訊樞紐，兩平臺(tái)間的海底海纜光纖陸續(xù)故障，使處在下游的中心裝置無法實(shí)現(xiàn)對(duì)北片區(qū)平臺(tái)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和手自動(dòng)關(guān)停，加上部分平臺(tái)無夜班值守人員，給安全生產(chǎn)埋下潛在隱患。南北平臺(tái)間最遠(yuǎn)距離達(dá)60多公里，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)時(shí)延性、穩(wěn)定性有極高要求，因此，距離遠(yuǎn)、要求高成為恢復(fù)南、北片區(qū)中控通訊的技術(shù)障礙。

1.1 技術(shù)方案對(duì)比

在參閱國(guó)內(nèi)外大量相關(guān)文獻(xiàn)后可知，恢復(fù)南、北片區(qū)中控、電話、網(wǎng)絡(luò)通訊一般有以下兩種技術(shù)方案：1、修復(fù)19-1A平臺(tái)和14-3A平臺(tái)間的海底海纜光纖的技術(shù)方案，需要?jiǎng)佑么百Y源和ROV，成本費(fèi)用巨大。2、采用微波通訊，微波通訊技術(shù)較為成熟，成本低廉，較近距離平臺(tái)信號(hào)穩(wěn)定可靠，但遠(yuǎn)距離平臺(tái)之間的信號(hào)會(huì)存在不穩(wěn)定情況。南北平臺(tái)間最遠(yuǎn)距離達(dá)60多公里，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸對(duì)時(shí)延性、穩(wěn)定性有極高要求，所以使用微波技術(shù)方案?jìng)鬏斨锌財(cái)?shù)據(jù)通訊無法滿足要求。

綜上所述，以上兩種方案均不太適合該油田群的實(shí)際情況。

1.2 新技術(shù)的介紹

為尋求突破， 油田現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比業(yè)界各種傳輸技術(shù)，大膽采用了第四代TD-LET無線通訊技術(shù)，搭建4G專網(wǎng)承載南、北片區(qū)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的傳輸，除了實(shí)現(xiàn)中控系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)搭載業(yè)務(wù)，同時(shí)還具備傳輸日常油田群內(nèi)辦公網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、電話系統(tǒng)及視頻會(huì)議的數(shù)據(jù)傳輸功能。

“4 G”是業(yè)界對(duì)第四代移動(dòng)通信的通俗叫法。全稱是“the 4 Generation mobile communication technology。G是generation(一代)的簡(jiǎn)稱。國(guó)際電信聯(lián)盟的官方稱法“IMAdvanced”。4G傳輸速度下載100Mbps,上載速度：20Mbps。類別分為TD-LTE和FDD-LTE兩種。其中該油田群使用的是TD-LTE設(shè)備作為4G核心網(wǎng)絡(luò)。

1.2.1 4G技術(shù)核心的介紹

4G技術(shù)具有網(wǎng)絡(luò)融合的功能，將固定無線接入、WLAN接入、衛(wèi)星通訊系統(tǒng)，GSM等2G通行系統(tǒng)、3G通行系統(tǒng)、藍(lán)牙技術(shù)接入、數(shù)字音頻視頻廣播及其他新的接入系統(tǒng)都將接入全I(xiàn)P核心網(wǎng)?！叭獻(xiàn)P核心網(wǎng)”包括從IP骨干傳輸層到控制層、應(yīng)用層的一個(gè)整體。完全可以滿足油田群各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸需求，在4G通信系統(tǒng)中可能采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括OFDM、軟件無線電、智能天線、MIMO、基于IP的核心網(wǎng)等。

4G通訊具有通信速度更快、距離更遠(yuǎn)、更高的傳輸帶寬、更高的相容性、高度智慧化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、頻率使用效率更高和整合性的便利服務(wù)等一系列優(yōu)勢(shì)。特別是基于IP核心網(wǎng)，能提供端到端的IP業(yè)務(wù)，這正是該油田群中控系統(tǒng)使用以太網(wǎng)IP技術(shù)的一致性。油田群使用4G通訊可以完全可以滿足中控系統(tǒng)數(shù)據(jù)使用需要。

圖1.1 4G通信系統(tǒng)網(wǎng)路組成示意圖

1.2.2 油田群現(xiàn)有中控網(wǎng)絡(luò)介紹

油田群現(xiàn)有共計(jì)9個(gè)生產(chǎn)裝置，其中某油輪作為生產(chǎn)處理儲(chǔ)存裝置，是各平臺(tái)的生產(chǎn)中心，平臺(tái)生產(chǎn)的原油都要匯輸?shù)接洼唩硖幚韮?chǔ)存，既要求在日常生產(chǎn)中做到對(duì)各平臺(tái)生產(chǎn)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，又必須做到在應(yīng)急情況下，能夠遠(yuǎn)程手動(dòng)或自動(dòng)關(guān)停各平臺(tái)。

油田群共有三種品牌廠家的中控系統(tǒng)，分別是霍尼韋爾、ABB、AB，三套不同的系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)庫建立各有自己的機(jī)制和特點(diǎn)，只能在油輪中控室分別獨(dú)立監(jiān)視，又要將三套系統(tǒng)的關(guān)停信號(hào)整合到一起，做到關(guān)停動(dòng)作統(tǒng)一執(zhí)行，無論關(guān)斷信號(hào)還是監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)都需要通過較為復(fù)雜的中控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。三個(gè)廠家的控制系統(tǒng)由于廠家設(shè)計(jì)原因，系統(tǒng)見相互直接無法進(jìn)行通訊，除了廠家原因外，各裝置中控系統(tǒng)網(wǎng)段不一致、各平臺(tái)都有不同的二級(jí)、三級(jí)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)冗余要求高。給4G通訊系統(tǒng)的應(yīng)用帶來了諸多困難。除了跨網(wǎng)段外，各個(gè)裝置相互通訊還應(yīng)用了通訊的一些重要媒介。

SDH(Synchronous Digital Hierarchy)同步數(shù)字體系

SDH是由一些基本網(wǎng)絡(luò)單元(NE)組成，在光纖上可以進(jìn)行同步信息傳輸、復(fù)用、分／插和交叉連接的傳送網(wǎng)絡(luò)，它具有全世界統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接口(NNI)，從而簡(jiǎn)化了信號(hào)的互通以及信號(hào)的傳輸、復(fù)用、交叉連接和交換過程：有一套標(biāo)準(zhǔn)化的信息結(jié)構(gòu)等級(jí)，稱為同步傳送模塊STM-N(N=l，4，16……)。用于油田群通訊的主干網(wǎng)絡(luò)，支持透?jìng)骱陀成洌?可以將某一節(jié)點(diǎn)直接指向網(wǎng)絡(luò)中的任一節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

H3C三層交換機(jī)

在19-1A平臺(tái)有一臺(tái)H3C的三層交換機(jī)，它作為中心裝置油輪及油田群其他井口平臺(tái)裝置各點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)。SDH將各平臺(tái)數(shù)據(jù)透?jìng)鞯?9-1A平臺(tái)后，通過這個(gè)三層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享。

二層交換機(jī)

在各個(gè)平臺(tái)都有冗余的二層交換機(jī)，二層交換機(jī)屬數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)備，可以識(shí)別數(shù)據(jù)包中的MAC地址信息，根據(jù)MAC地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，并將這些MAC地址與對(duì)應(yīng)的端口記錄在自己內(nèi)部的一個(gè)地址表中。各平臺(tái)的二層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)把同一地址段的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。通過二層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和PLC硬件的數(shù)據(jù)交換和共享。

圖1.2 油田群基于光纖中控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

1.2.3 方案設(shè)計(jì)

油田群各平臺(tái)中控系統(tǒng)由SDH設(shè)備及海纜進(jìn)行連接。分為北部片區(qū)和南部片區(qū)，北部片區(qū)通信中轉(zhuǎn)平臺(tái)14-3A，南部片區(qū)通信中轉(zhuǎn)平臺(tái)為19-1A。北部片區(qū)各平臺(tái)與14-3A之間通過海纜連接；南部片區(qū)各平臺(tái)與19-1A之間通過海纜連接。北部片區(qū)與南部片區(qū)之間各平臺(tái)通信均需經(jīng)過14-3A與19-1A之間的海底光纜。因此，對(duì)于跨過14-3A與19-1A之間海纜的平臺(tái)之間的中控業(yè)務(wù)，需要首先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?4-3A或19-1A平臺(tái)，再經(jīng)由4G專網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

圖1.3 油田群基于4G專網(wǎng)中控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

根據(jù)油田群各裝置中控系統(tǒng)IP組網(wǎng)方式得知，各個(gè)平臺(tái)中控系統(tǒng)均采用不同的IP網(wǎng)段，所以在19-1A平臺(tái)上可利用已有中控系統(tǒng)專用的三層交換機(jī)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)中心裝置油輪與各平臺(tái)之間的跨網(wǎng)段通信。

2 實(shí)施過程

2.1 設(shè)備安裝

分別在13-6A平臺(tái)、19-1A平臺(tái)和14-3A平臺(tái)安裝相關(guān)的4G通訊設(shè)備，主要設(shè)備有：室外安裝2面智能天線，2臺(tái)室外RRU，1個(gè)GPS天線，室內(nèi)安裝：室內(nèi)設(shè)備安裝有：1臺(tái)EPC，1臺(tái)BBU，1臺(tái)H3C路由器，1臺(tái)OMC服務(wù)器，2臺(tái)AC-DC電源轉(zhuǎn)換器。

2.2 設(shè)備調(diào)試

油田群由于各平臺(tái)建設(shè)投產(chǎn)時(shí)間不一致，分三個(gè)階段實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致各通訊設(shè)備及中控系統(tǒng)采用廠家的不同，平臺(tái)中控網(wǎng)絡(luò)異常復(fù)雜，接入節(jié)點(diǎn)多，除了各平臺(tái)多個(gè)光纖SDH轉(zhuǎn)換、多臺(tái)二級(jí)交換機(jī)和三級(jí)交換機(jī)相互級(jí)聯(lián)及接入，使得網(wǎng)絡(luò)通訊的網(wǎng)絡(luò)相互間影響，產(chǎn)生了包括跨網(wǎng)段通訊無法訪問、中控冗余交換機(jī)接入不當(dāng)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴影響油田中控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)葒?yán)重問題，通過新增三層交換機(jī)、二層交換機(jī)實(shí)現(xiàn)跨網(wǎng)段通訊，通過設(shè)置虛擬網(wǎng)絡(luò)和透?jìng)鞣绞浇鉀Q中控冗余交換機(jī)接入問題。逐步實(shí)現(xiàn)中控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊的搭載。

3 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

通過引進(jìn)新技術(shù)手段，海上油氣田生產(chǎn)裝置成功采用4G無線專網(wǎng)搭載中控通訊數(shù)據(jù)，克服了遠(yuǎn)距離傳輸對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸帶來的時(shí)延性和穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)已得到實(shí)際應(yīng)用，這也是中國(guó)海油首次實(shí)現(xiàn)中控生產(chǎn)數(shù)據(jù)通訊的4G無線搭載應(yīng)用，保證中控?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性，保障油氣田安全生產(chǎn)的同時(shí)也對(duì)超遠(yuǎn)距離平臺(tái)間通過LTE無線技術(shù)承載中控?cái)?shù)據(jù)傳輸提供了很好的借鑒范例。