無線通信技術(shù)在智能煉化工廠應(yīng)用

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摘要:煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為自動(dòng)化和信息化融合的典型系統(tǒng)，具有“全面感知、可靠傳輸、智能應(yīng)用”的關(guān)鍵特征。為實(shí)現(xiàn)煉化作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，無線傳輸?shù)闹匾允遣谎远鞯?。本文論述了煉化物?lián)網(wǎng)對(duì)無線傳輸?shù)男枨?，?jiǎn)單介紹了第四代移動(dòng)通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及中國(guó)石油天然氣股份有限公司獨(dú)山子石化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目的建設(shè)情況。煉化工廠無線覆蓋環(huán)境復(fù)雜，作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)多系爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境，因此實(shí)現(xiàn)4G無線覆蓋難度較大，且部署到作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的基站設(shè)備需采用防爆產(chǎn)品。為解決這些問題，項(xiàng)目對(duì)無線覆蓋區(qū)域進(jìn)行了詳細(xì)的勘測(cè)，并專門研制了防爆型基站產(chǎn)品，本文對(duì)這些工作進(jìn)行了詳細(xì)的論述。文章最后總結(jié)了研究成果和在獨(dú)山子石化物聯(lián)網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:TD－LTE;煉化;物聯(lián)網(wǎng);無線信號(hào)覆蓋;防爆

1緒論

1.1背景及意義

自中國(guó)石油天然氣股份有限公司(簡(jiǎn)稱中石油)將煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)項(xiàng)目(B8項(xiàng)目)調(diào)整進(jìn)入集團(tuán)公司“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃以來，集團(tuán)多家企業(yè)對(duì)煉化物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了積極深入的探索和廣泛的應(yīng)用，有效提升了企業(yè)全面感知、預(yù)測(cè)預(yù)警、協(xié)同優(yōu)化和科學(xué)決策的能力，推進(jìn)了企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、提質(zhì)增效、可持續(xù)內(nèi)涵式發(fā)展。獨(dú)山子石化是我國(guó)西部大型石化基地和油氣引進(jìn)、儲(chǔ)運(yùn)、加工的戰(zhàn)略樞紐，項(xiàng)目通過對(duì)獨(dú)山子石化的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行分析，提出了煉化企業(yè)基于TD－LTE(分時(shí)長(zhǎng)期演進(jìn))無線通信技術(shù)的智能工廠建設(shè)方案。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的詳細(xì)實(shí)地勘察，設(shè)計(jì)了完善的無線覆蓋方案。針對(duì)爆炸性危險(xiǎn)環(huán)境專門研制了防爆LTE基站，以滿足作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無線覆蓋需求。最終在所有需要進(jìn)行煉化物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的廠區(qū)、辦公室等區(qū)域采用TD－LTE無線專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了無線信號(hào)的無縫覆蓋，并對(duì)專網(wǎng)的傳輸速率、時(shí)延、覆蓋情況等進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在此基礎(chǔ)上以TD－LTE無線專網(wǎng)承載了多種煉化物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，如為煉化企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的裝置、罐區(qū)、設(shè)備、廠區(qū)、周界、物流和人員等現(xiàn)場(chǎng)管控對(duì)象部署各類傳感器、智能分析設(shè)備、RFID射頻標(biāo)簽等數(shù)據(jù)采集感知設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸;建立企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)綜合數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)象與管理者之間的互聯(lián)互通，為上層煉化物聯(lián)應(yīng)用提供了穩(wěn)定、可靠的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支持。

1.2試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目建設(shè)情況

中石油獨(dú)山子石化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用項(xiàng)目，目前已完成4套TD－LTE宏基站和20套防爆一體化基站的物聯(lián)網(wǎng)信息化建設(shè)。項(xiàng)目建設(shè)的TD－LTE無線專網(wǎng)系統(tǒng)已在獨(dú)山子石化得到廣泛的應(yīng)用，使工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化程度得到了進(jìn)一步提高，有效提高了生產(chǎn)效率，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全性也有很大的提升。

2TD－LTE無線通信技術(shù)介紹

2.1TD－LTE關(guān)鍵技術(shù)

TD－LTE無線通信技術(shù)采用了大量新的理論和技術(shù)，主要關(guān)鍵技術(shù)包括正交頻分復(fù)用、智能天線、多輸入輸出等。·正交頻分復(fù)用(OFDM)技術(shù)TD－LTE無線通信系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)，頻譜利用率高、抗衰落能力強(qiáng)、抗碼間干擾(ISI)能力出色，適合高速數(shù)據(jù)傳輸?！ぶ悄芴炀€技術(shù)(SA)智能天線具有抑制信號(hào)干擾、自動(dòng)跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機(jī)來實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)的收發(fā)，同時(shí)，通過基帶數(shù)字信號(hào)處理器，對(duì)各天線鏈路上接收到的信號(hào)按一定算法進(jìn)行合并，實(shí)現(xiàn)上行波束賦形?！ざ噍斎攵噍敵?MIMO)技術(shù)多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)是指在基站和移動(dòng)終端都有多個(gè)天線。MIMO技術(shù)為系統(tǒng)提供空間復(fù)用增益和空間分集增益。MIMO技術(shù)可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍。

2.2TD－LTE無線通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)

TD－LTE無線通信技術(shù)作為當(dāng)前無線通信發(fā)展的主流技術(shù)之一，其主要優(yōu)勢(shì)如下:(1)高傳輸速率。對(duì)于大范圍高速移動(dòng)用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s:對(duì)于中速移動(dòng)用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mbps;對(duì)于低速移動(dòng)用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mbps。(2)低傳輸時(shí)延，業(yè)務(wù)面?zhèn)鬏敃r(shí)延小于5ms。(3)真正的無縫漫游。實(shí)現(xiàn)全球統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，能使各類媒體、通信主機(jī)及網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行“無縫連接”。(4)高度智能化的網(wǎng)絡(luò)。采用智能技術(shù)的TD－LTE通信系統(tǒng)將是一個(gè)高度自治、自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。采用智能信號(hào)處理技術(shù)對(duì)信道條件不同的各種復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行結(jié)合的正常發(fā)送與接收，有很強(qiáng)的智能性、適應(yīng)性和靈活性。(5)良好的覆蓋性能?？蓪?shí)現(xiàn)無縫的無線覆蓋并提供高速可變速率傳輸。(6)基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)，支持IPv4/IPv6。(7)提供多種QoS的傳輸質(zhì)量，以適應(yīng)不同類型的業(yè)務(wù)。(8)系國(guó)際技術(shù)主流通信技術(shù)，兼容性更好。

3煉化TD－LTE無線專網(wǎng)需求和方案

在石化、煉化工廠建設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)的無縫覆蓋，主要面臨兩個(gè)較難解決的問題，第一個(gè)問題是生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域均部署各種反應(yīng)裝置和管道，這些裝置和管道絕大多數(shù)是金屬材質(zhì)，對(duì)于無線信號(hào)兼有阻擋和吸收的效應(yīng)，極易引起弱覆蓋甚至沒有無線信號(hào)，導(dǎo)致這些區(qū)域無法順利進(jìn)行業(yè)務(wù)，從而影響生產(chǎn)。一般解決此類問題的方法是在這些弱覆蓋區(qū)域增設(shè)基站，引入無線信號(hào)，而這又引起了第二個(gè)問題，即這些區(qū)域多位于各種裝置密集的位置，這類位置多為危險(xiǎn)區(qū)域，只能部署防爆型產(chǎn)品，而市場(chǎng)上基于TD－LTE專網(wǎng)的防爆型產(chǎn)品卻幾乎沒有。為解決復(fù)雜環(huán)境下的無線覆蓋問題，我們一方面多次仔細(xì)勘察煉廠環(huán)境，認(rèn)真規(guī)劃，合理部署宏基站以解決大范圍的無線覆蓋;另一方面研制防爆型專網(wǎng)基站產(chǎn)品，以便在危險(xiǎn)區(qū)域就地部署，解決宏基站無法覆蓋到區(qū)域的弱覆蓋問題。本章對(duì)解決無線覆蓋的規(guī)劃和防爆型基站研制進(jìn)行了較為詳細(xì)的論述。

3.1TD－LTE無線覆蓋需求和規(guī)劃

無線覆蓋需求:項(xiàng)目計(jì)劃采用1.8G(1785～1805MHz)頻段建設(shè)TD－LTE無線專網(wǎng)，專網(wǎng)需覆蓋獨(dú)山子石化廠約100km2區(qū)域，包括主城區(qū)、煉油廠和乙烯廠三個(gè)區(qū)域，包括作業(yè)區(qū)、辦公區(qū)及各外操間等。專網(wǎng)需要承載的用戶和業(yè)務(wù)包括200個(gè)巡檢業(yè)務(wù)終端、2000臺(tái)人員定位終端、120余臺(tái)射頻標(biāo)簽讀寫設(shè)備，以及城市區(qū)內(nèi)部分無線數(shù)采儀表的數(shù)據(jù)回傳、區(qū)域內(nèi)多媒體通信和部分視頻數(shù)據(jù)回傳。無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃:根據(jù)無線覆蓋需求，對(duì)于辦公區(qū)、作業(yè)區(qū)采用宏基站實(shí)現(xiàn)無線覆蓋，宏基站可安裝在安全區(qū)域，采用定向天線指向需要覆蓋的區(qū)域;對(duì)于外操室或因裝置區(qū)阻擋而導(dǎo)致弱覆蓋的區(qū)域，則可直接在該區(qū)域附近位置安裝基站，這一類區(qū)域多系危險(xiǎn)區(qū)域，因此部署的基站需采用防爆型產(chǎn)品?！ず昊疽?guī)劃方案根據(jù)廠區(qū)裝置和設(shè)備的分布情況，采用多套宏基站RRU實(shí)現(xiàn)4G專網(wǎng)的無線覆蓋，其中核心網(wǎng)、基站BBU、統(tǒng)一網(wǎng)管等安裝在辦公樓內(nèi)部;RRU部署室外非防爆區(qū)架高的抱桿上，采用定向天線實(shí)現(xiàn)廠區(qū)室外的TD－LTE無線覆蓋。根據(jù)獨(dú)山子石化業(yè)務(wù)要求，規(guī)劃建設(shè)四套宏基站，采用S111站型，即每套宏基站包括一臺(tái)基帶處理單元(BBU)和三臺(tái)射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)，BBU和RRU之間采用光纖連接?；咎炀€方位角初步規(guī)劃為0°、120°、240°，天線掛高初步設(shè)計(jì)為30～40m?！し辣靖采w方案外操間墻壁較為厚重，對(duì)無線信號(hào)的隔離效應(yīng)嚴(yán)重，因此外操間內(nèi)一般收不到宏基站發(fā)射的無線信號(hào)，或信號(hào)很弱。另外，部分作業(yè)區(qū)域裝置密集，這些裝置多為金屬結(jié)構(gòu)，也容易造成無線信號(hào)的弱覆蓋和盲區(qū)。對(duì)于這兩種情況，可以采用現(xiàn)場(chǎng)就近部署防爆型基站，進(jìn)行無線信號(hào)補(bǔ)盲，改善無線覆蓋效果。防爆型基站可采用BBU、RRU合一的防爆一體化基站，該款設(shè)備設(shè)計(jì)防爆標(biāo)志為ExdIICT4Gb，采用交流200V供電，提供RJ45網(wǎng)口，可利用已有傳輸，只要與核心網(wǎng)之間IP鏈路可達(dá)即可工作。防爆一體化基站在裝置區(qū)及外操間無線覆蓋效果如圖1。

3.2TD－LTE無線基站防爆需求和產(chǎn)品方案

防爆需求:石油、天然氣及其產(chǎn)品作為石油化工生產(chǎn)的原料，大部分屬于易燃易爆物品，具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性。一旦在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生火花，就可能引起劇烈的燃燒和爆炸，后果不堪設(shè)想。一般來說，電氣設(shè)備在運(yùn)行過程中很容易產(chǎn)生火花，因此在獨(dú)山子石化涉及危險(xiǎn)區(qū)域部署的設(shè)備，必須具備嚴(yán)格的防爆特性，并經(jīng)嚴(yán)格測(cè)試，獲取國(guó)內(nèi)權(quán)威機(jī)構(gòu)頒發(fā)的防爆合格證書。·防爆基站設(shè)計(jì)為保證安全，我們防爆基站按照嚴(yán)格的防爆標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)(圖2)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)防爆標(biāo)志為ExdIICT6Gb，可以適用于絕大部分危險(xiǎn)易爆環(huán)境。設(shè)計(jì)要點(diǎn)主要包括:①產(chǎn)品采用隔爆設(shè)計(jì)，設(shè)備主體及電話均放置于防爆箱內(nèi)，防爆箱符合ExdIICT6Gb的設(shè)計(jì)要求，材質(zhì)采用鑄鋁材質(zhì)。②基站的電氣、數(shù)據(jù)傳輸、射頻線纜等接口通過不銹鋼格蘭頭與外部線纜連接，接口處均使用防爆膠泥密封。③基站發(fā)射閾值功率在2W以內(nèi)。④防爆箱接口均需使用防爆膠泥密封。⑤使用時(shí)嚴(yán)禁帶電開啟防爆箱體。

4項(xiàng)目成果

4.1無線網(wǎng)絡(luò)仿真及結(jié)果

通過反復(fù)的模型校正和網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證基站站址、基站數(shù)量、天線掛高、方位角等相關(guān)參數(shù)。本次參與仿真基站站點(diǎn)4個(gè);天線掛高采用40～45m;天線采用15dBi高增益定向天線;采用農(nóng)村、草原、荒漠、郊區(qū)地貌;采用專業(yè)仿真軟件進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)模擬覆蓋計(jì)算。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)仿真數(shù)據(jù)分析，結(jié)合TD－LTE基站的覆蓋能力，本次網(wǎng)絡(luò)仿真效果達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)，與現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)相吻合。分析獨(dú)山子地區(qū)信號(hào)場(chǎng)覆蓋分布仿真效果，無線信號(hào)覆蓋效果良好，可以滿足獨(dú)山子石化的專網(wǎng)覆蓋要求。

4.2防爆一體化基站

成功研制防爆一體化TD－LTE基站，基站型號(hào)為TLU220T。該產(chǎn)品集成了基帶處理單元和射頻拉遠(yuǎn)單元，支持1.8GHz頻寬，支持通過有線回傳方式接入骨干網(wǎng)，可與核心網(wǎng)一起組建TD－LTE無線網(wǎng)絡(luò)，為終端提供TD－LTE接入，完成語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。產(chǎn)品外觀及其安裝效果如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)防爆基站采用了外接定向天線。TLU220T支持利用現(xiàn)有傳輸資源，可減少投資，實(shí)現(xiàn)低成本快速建設(shè)LTE網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)無線覆蓋效果。產(chǎn)品設(shè)計(jì)支持防爆，防爆標(biāo)志ExdIICT6Gb(圖4)，防爆等級(jí)很高，可廣泛應(yīng)用于石油、煉化、電力、軌交等各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域。

4.3分析和結(jié)論

項(xiàng)目按照采集層、傳輸層和應(yīng)用層三層架構(gòu)搭建煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其中傳輸層作為系統(tǒng)中連接采集層設(shè)備和上層應(yīng)用的中間橋梁，需要具備安全、穩(wěn)定、可靠的傳輸能力，能夠覆蓋企業(yè)各業(yè)務(wù)區(qū)域。在項(xiàng)目建設(shè)過程中，我們通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)全面細(xì)致的勘測(cè)、高水平的規(guī)劃，在采用宏基站完成了大部分區(qū)域無線覆蓋的同時(shí)，在外操間及其他無線信號(hào)弱覆蓋區(qū)域大量部署防爆一體化基站，完美解決了獨(dú)山子石化TD－LTE專網(wǎng)的無線覆蓋問題。專網(wǎng)完成建設(shè)后，經(jīng)大量測(cè)試和試用，在整體區(qū)域內(nèi)無線信號(hào)覆蓋良好，完全可以滿足系統(tǒng)的巡檢、定位和儀表等各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，以及視頻、語音等多媒體數(shù)據(jù)的無線傳輸要求。煉化物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的建成，不僅為公司贏得了比較可觀的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)公司的生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理也產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。5總結(jié)與展望根據(jù)煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)項(xiàng)目建設(shè)的現(xiàn)狀和長(zhǎng)期目標(biāo)，建設(shè)和推廣基于先進(jìn)無線通信技術(shù)的智慧化工廠系統(tǒng)和產(chǎn)品，對(duì)煉化企業(yè)的安全和高效生產(chǎn)具有十分重要的意義。在煉化物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目建設(shè)的過程中遇到了一些困擾業(yè)界多年的問題和困難，在解決這些問題的過程中，對(duì)TD－LTE技術(shù)的無線特性進(jìn)行了深入的研究，對(duì)TD－LTE基站適用于煉化作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的防爆要求進(jìn)行了大量的了解，在此基礎(chǔ)上成功研制了防爆型基站產(chǎn)品，以滿足項(xiàng)目要求。通過無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和防爆基站的部署，使獨(dú)山子石化無線專網(wǎng)的性能和指標(biāo)有了很大地提高，為獨(dú)山子石化成功構(gòu)建了一個(gè)技術(shù)領(lǐng)先、功能專業(yè)、性能優(yōu)良、高度集成、面向行業(yè)應(yīng)用的基于TD－LTE無線通信技術(shù)煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用，大大提高了煉化企業(yè)的安全監(jiān)控水平和智能管控水平，為智能煉化工廠物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成功構(gòu)建，對(duì)于其它的石化、煉化企業(yè)，都產(chǎn)生了良好的示范效果，并對(duì)系統(tǒng)在相關(guān)行業(yè)的推廣起到很大的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

［1］王映民，孫韶輝.TD－LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］．北京:人民郵電出版社，2010

［2］GB3836.1－2010．爆炸性環(huán)境第1部分:通用要求［S］．2010

作者:趙玉虎 楊靖 褚明軍 韓繼信 殷搏峰 張金濤 牛玉軍 崔濤 馬紅欣 單位:中國(guó)鐵塔股份有限公司 克拉瑪依市分公司中信科移動(dòng)通信技術(shù)股份有限公司 中國(guó)石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司