SCADA系統(tǒng)無線通信論文
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1方案設(shè)計(jì)
1.1新建網(wǎng)絡(luò)頻率規(guī)劃
由于工業(yè)級遠(yuǎn)距離無線網(wǎng)橋具有1～3dB的低C／I值，同時(shí)采用GPS時(shí)鐘同步、定向天線等多種技術(shù)手段提高系統(tǒng)的抗干擾能力。設(shè)備的每個(gè)信道帶寬頻率是20MHz，因此頻率間隔不應(yīng)該設(shè)置得比20MHz低。通訊模塊允許運(yùn)營商以5MHz為間隔來選擇頻率。因此在同址安裝其他設(shè)備時(shí)，運(yùn)營者可以根據(jù)互用性來制定頻率規(guī)劃。一般使用6個(gè)不重疊的信道（5.735GHz、5.755GHz、5.775GHz、5.795GHz、5.815GHz、5.840GHz）。這6個(gè)信道也可以在回傳點(diǎn)到點(diǎn)鏈路中使用。在無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，每個(gè)中心基站使用2～3個(gè)AP（接入點(diǎn)）組成一個(gè)接入點(diǎn)集群。扇區(qū)按表1進(jìn)行頻率規(guī)劃和扇區(qū)ID分配。所以在兩個(gè)接入點(diǎn)集群（APCluster）中每個(gè)集群最多只需使用3個(gè)頻點(diǎn)（5.755GHz、5.775GHZ和5.795GHz）。每個(gè)頻點(diǎn)做不同方向的二次復(fù)用就可以正常工作，其余3個(gè)頻點(diǎn)可以用于點(diǎn)對點(diǎn)回傳設(shè)備的工作頻率。工程采用的工業(yè)級遠(yuǎn)距離無線系統(tǒng)支持6個(gè)無干擾的信道，因此對于單個(gè)扇區(qū)可最多架設(shè)6個(gè)點(diǎn)對多點(diǎn)設(shè)備。
1.2氣田原通信系統(tǒng)硬件升級改造
井場的RTU單元在無線網(wǎng)絡(luò)接入前，原有線鏈路通過交換機(jī)的2M中繼與中心站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在加入無線網(wǎng)絡(luò)后，需要無線與有線之間的判斷環(huán)路。中心站除了數(shù)據(jù)上傳外，還需要對井場RTU數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，由此可以判斷環(huán)路主要出現(xiàn)在中心站及井場之間。所以井場與中心站必須同時(shí)安裝CISCO2960后才能使STP（生成樹協(xié)議）生效，參與本地環(huán)路判斷，自動(dòng)辨別環(huán)路的狀態(tài)形成。中心站和井場改造完畢后即可對處理廠的原有線部分的CISCO3845路由器進(jìn)行配置。無線通信在進(jìn)入路由器之前，無線網(wǎng)絡(luò)工作站監(jiān)控站可以通過增加的CISCO2960作為與無線鏈路中的設(shè)備通信接口。在有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為主、無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)為輔的情況下，工作站檢測備用鏈路中各無線設(shè)備的通斷情況，一旦發(fā)生情況即可發(fā)出警告。根據(jù)配置后的CISCO3845接口定義，將有線和無線鏈路分別插入對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口即可實(shí)現(xiàn)正常通訊。
2兩種網(wǎng)絡(luò)互備傳輸存在的問題及解決方法
2.1存在的問題
由于有線網(wǎng)絡(luò)屬于已建成的網(wǎng)絡(luò)，無線備用通道在傳輸過程中會(huì)形成一定的環(huán)路。如果無法解除環(huán)路的產(chǎn)生，那么網(wǎng)絡(luò)的正常通訊會(huì)因?yàn)榄h(huán)路形成網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通訊的擁塞和中斷。M2-8RTU單元、M2-6RTU單元、M2-B1RTU單元等各個(gè)終端信號在本地交換機(jī)與無線設(shè)備和中心站處理交換機(jī)數(shù)據(jù)交換過程中，形成了多處環(huán)路。這些環(huán)路造成了各個(gè)交換機(jī)之間的通信堵塞，大量的重復(fù)信息嚴(yán)重占用了通信帶寬，使正常通信無法進(jìn)行。只有在單獨(dú)使用單一通訊的情況下，環(huán)路線路才可能中斷從而使通信恢復(fù)正常。
2.2環(huán)路的解決方法
1）方案一。需要在中心連接處增加CISCO3層交換設(shè)備，并對末端RTU的地址進(jìn)行重新分配，然后利用VLAN進(jìn)行劃分，還需更換光纖適配器傳輸模塊，使末端設(shè)備鏈路工作在不同的VLAN，在需要中心三層交換機(jī)中進(jìn)行通信的IP數(shù)據(jù)包交換并對各個(gè)線路進(jìn)行隔離。但設(shè)計(jì)及訂貨時(shí)間要求較長，而且需要增更換通信設(shè)備，需要工藝人員堅(jiān)守各個(gè)井場關(guān)鍵控制點(diǎn)，配合更換設(shè)備。
2）方案二。需要對各個(gè)井場交換機(jī)重新進(jìn)行配置，采用混合VLAN的形式進(jìn)行組網(wǎng)配置時(shí)間較長，配置時(shí)通信會(huì)發(fā)生中斷，所有交換設(shè)備處都必須做出修改，中心及井場交換機(jī)組網(wǎng)完畢后，還需對處理廠路由器做出部分修改，需要工藝人員堅(jiān)守各個(gè)井場關(guān)鍵控制點(diǎn)，配合更換設(shè)備。
3）方案三。需對原井場普通交換機(jī)更換為支持STP協(xié)議交換機(jī)（帶路由功能），作業(yè)時(shí)間為每站單獨(dú)中斷2min，中心站更換設(shè)備通信中斷時(shí)間為5min，中心站無線設(shè)備插接安裝完畢共需20min，安裝前需要保證井場或機(jī)柜內(nèi)電源插口有余，在交換機(jī)啟動(dòng)、配置完畢后可直接進(jìn)行換插，需要工藝人員堅(jiān)守各個(gè)井場關(guān)鍵控制點(diǎn)，配合更換設(shè)備。以上3種方案中，方案一耗時(shí)長且投資最高，風(fēng)險(xiǎn)最大；方案二耗時(shí)較長且風(fēng)險(xiǎn)較大；方案三耗時(shí)最短，投資和風(fēng)險(xiǎn)控制較為理想。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)條件下的環(huán)路解決方案為：在環(huán)型鏈路中，采用思科STP協(xié)議（生成樹協(xié)議）可在二層設(shè)備數(shù)據(jù)交換時(shí)，對行環(huán)型鏈路進(jìn)行自動(dòng)識別并快速切換。當(dāng)某端口通信線路發(fā)生故障口后，CISCO交換機(jī)設(shè)備可根據(jù)STP協(xié)議使備用的線路在1～2s內(nèi)轉(zhuǎn)為主要電路，在原主要線路故障恢復(fù)后交換機(jī)將自動(dòng)進(jìn)行無縫鏈路的切換，使得中心站通信持續(xù)保持正常，網(wǎng)絡(luò)環(huán)路所產(chǎn)生的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴會(huì)自動(dòng)消失。
3M氣田應(yīng)用成效
M氣田建設(shè)的無線數(shù)據(jù)通訊鏈路采用TCP／IP以太網(wǎng)通訊協(xié)議，傳輸過程為透明網(wǎng)橋式傳輸?，F(xiàn)采用摩托羅拉無線寬帶接入系統(tǒng)（canopy系統(tǒng)）建立無線網(wǎng)絡(luò)，摩托羅拉無線寬帶系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)設(shè)備，提供10BASE-T／100BASE-T（RJ-45）自適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，遵循TCP／IP標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通訊協(xié)議。單個(gè)氣井的數(shù)據(jù)先傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心站，再通過數(shù)據(jù)中心站無線傳回到處理廠scada系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視、控制和聯(lián)鎖，解決了固定光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)遭遇突發(fā)地質(zhì)、山洪等災(zāi)害造成通信中斷的問題。以此作為有線光纖網(wǎng)絡(luò)的備用通道，也擴(kuò)展了氣田網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域，提高了其網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化工作的能力。天上無線（無線網(wǎng)橋）、地上有線（SDH）建成后，對無線與有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全線接通，中心通信設(shè)備通訊正常。當(dāng)操作人員拔出主干有線鏈路后，無線連接等立即轉(zhuǎn)化立即接替有線通訊，整個(gè)轉(zhuǎn)換在1s內(nèi)全部完成，無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通信全部正常。而主電纜恢復(fù)連接后，交換機(jī)自動(dòng)進(jìn)行無縫的主電路切回，各井場RTU—中心站RTU處理—處理廠SCADA系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸未發(fā)生丟失情況，有線與無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)互備傳輸系統(tǒng)得到了良好地實(shí)施。
4結(jié)束語
以無線網(wǎng)橋系統(tǒng)作為光纖傳輸系統(tǒng)的熱備系統(tǒng)，在光傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)斷路、光信號衰減過大的情況下，可自動(dòng)切換至無線網(wǎng)橋系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸工作，通過在M氣田項(xiàng)目上幾年的測試和實(shí)際運(yùn)行，證實(shí)了此方案的可行性、通信的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
作者：史建華 馬向陽 周明軍 夏顯威 袁媛 單位：中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司 中國石油塔里木油田庫車勘探開發(fā)項(xiàng)目經(jīng)理部