中海石油（中國）有限公司 錢欣，李玉田

海洋石油工程股份有限公司 王晨

中海石油（中國）有限公司 陳豐波

隨著石油需求的劇增和勘探開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，海洋石油工程也進入了開發(fā)的高峰時期，不僅有更多的海上油氣田被勘探和開發(fā)，已經(jīng)投產(chǎn)的項目也要進行改造和擴容以擴大生產(chǎn)。

在改造和調(diào)整的項目中，經(jīng)常會在現(xiàn)有平臺的周邊進行新平臺的建造，而且新老平臺間經(jīng)常會有物流的集輸和系統(tǒng)交互控制，物流的集輸可以通過海管來完成，但是系統(tǒng)間交互控制則需要謹(jǐn)慎考慮。通常調(diào)整項目的新建平臺和老平臺間相距在1～3km內(nèi)，而新老平臺間控制系統(tǒng)傳輸?shù)男盘栞^少，通常只有幾個信號，如果敷設(shè)海底光纖，則工期較長，造價較高， 性價比較低。

為了解決該問題，工程中引入了無線通訊技術(shù)，對不同用途的控制信號，在控制系統(tǒng)安全等級設(shè)計規(guī)范[1][2]的要求下，分別采用有線或無線方式傳輸，在平臺間組成控制網(wǎng)絡(luò)。通過無線微波通訊技術(shù)，可以以較低的成本獲得較好的結(jié)果。

1 無線通訊技術(shù)綜述

海洋平臺常用的無線通訊技術(shù)為微波擴頻技術(shù)和無線儀表通訊技術(shù)，微波擴頻技術(shù)在平臺上已經(jīng)有很多的應(yīng)用，通常用于平臺間的通訊如語音、數(shù)據(jù)傳輸。無線儀表通訊技術(shù)即使用Emerson、Honeywell等公司開發(fā)的無線儀表產(chǎn)品進行無線通訊。無線儀表通訊技術(shù)是以遵守?zé)o線 HART協(xié)議或ISA 100工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)，形成自組織、自愈合拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，并可通過適配器，將原本不帶有無線接口的儀表加入到無線網(wǎng)絡(luò)中，進行無線數(shù)據(jù)傳輸和控制的無線技術(shù)。

1.1 微波擴頻技術(shù)及其特點

微波擴頻技術(shù)[3]，是一種將信息信號的帶寬擴展很多倍進行通信的技術(shù)，多用于平臺之間的通訊聯(lián)系，由擴頻天線、收發(fā)信機、復(fù)用器和語音/數(shù)字模塊組成。其工作頻率通常在2.4G/5.8GHz頻段，技術(shù)上采用數(shù)字化處理、結(jié)構(gòu)簡潔、連接迅速、適應(yīng)復(fù)雜地形。微波擴頻技術(shù)與常規(guī)的微波傳輸技術(shù)相比，具有抗干擾能力強、抗噪聲能力強、保密性好和價格較便宜等特點。微波擴頻系統(tǒng)通訊連接如圖1所示。

圖1 微波擴頻系統(tǒng)通訊示意圖

微波擴頻技術(shù)具有的特點：

（a）使用微波擴頻技術(shù)傳輸狀態(tài)信號在海洋平臺很多項目中都有應(yīng)用，因此微波擴頻傳輸信號的技術(shù)具有成熟、穩(wěn)定的特點。

（b）使用微波擴頻傳輸信號成本較低，穩(wěn)定性較好。微波擴頻一般會傳輸一些音頻和視頻信號，帶寬較大，因此有較大的帶寬空間傳輸狀態(tài)信號，不會出現(xiàn)信號擁堵的現(xiàn)象。

（c）微波擴頻工作頻率可選多種頻段，避免同頻段微波信號的干擾。

1.2 無線儀表通訊技術(shù)

目前在業(yè)界使用的無線技術(shù)主要有兩種，即無線HART協(xié)議和ISA100標(biāo)準(zhǔn)，支持前者的廠家有Emerson、E+H等，支持后者的廠家有Honeywell、GE、Yokogawa等，目前已經(jīng)有產(chǎn)品面市的有Emerson、E+H、Honeywell等。

無線HART[4]網(wǎng)絡(luò)采用Mesh結(jié)構(gòu)，每一臺現(xiàn)場設(shè)備都是其它鄰近設(shè)備的路由器，它們接力傳遞數(shù)據(jù)，直到這些數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)，到達(dá)中控室。如果中途遇到障礙，信號會自動選擇網(wǎng)絡(luò)中其它通往網(wǎng)關(guān)的路徑。無線HART規(guī)定了三種主要的網(wǎng)絡(luò)要素：無線HART現(xiàn)場設(shè)備、無線HART網(wǎng)關(guān)和無線HART網(wǎng)絡(luò)管理器。圖2完整表現(xiàn)了無線HART的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[5]。

圖2 無線HART的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

無線HART技術(shù)具有的特點：

（a）現(xiàn)場儀表配置路由功能，即每臺無線儀表不僅測量自己的過程參數(shù)，而且同時為其它儀表的通信進行路由，并通過配置的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)同DCS的數(shù)據(jù)集成。

（b）無線變送器由電池供電，避免電纜接線，實施較為簡單，而且如果變送器刷新時間較長，則電池可使用較長時間。

（c）使用無線HART儀表節(jié)省材料成本和安裝人工費用。

ISA100標(biāo)準(zhǔn)[6]是由多功能節(jié)點搭建的無線主干Mesh網(wǎng)絡(luò)，自組織、自愈合；多功能節(jié)點之間的通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10公里。多功能節(jié)點也可以使用有線Mesh，這種獨特的設(shè)計支持在屏蔽區(qū)域的無線應(yīng)用。多功能節(jié)點可以有線連接第3方Modbus輸出或Ethernet網(wǎng)輸出的設(shè)備，實現(xiàn)無線轉(zhuǎn)接。任何一個多功能節(jié)點都可以作為網(wǎng)關(guān)，同控制系統(tǒng)通信，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)冗余，避免單點故障。其技術(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖3所示。

圖3 ISA100標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ISA100標(biāo)準(zhǔn)具有的特點：

（a）無線變送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒，所以整個網(wǎng)絡(luò)的通信時間滯后也很短。

（b）電池的壽命很長，常溫下1秒刷新的時候就可以達(dá)到5年。

（c）無線儀表的無線發(fā)射功率就可以相對靈活，即2個無線儀表之問的通信距離可以做到更遠(yuǎn)，設(shè)備之間的通信距離可以做到幾公里。

（d）網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模靈活，一個網(wǎng)絡(luò)支持的無線儀表的數(shù)量可以達(dá)到上千臺且支持多種協(xié)議的現(xiàn)場儀表和多種無線應(yīng)用。

2 微波擴頻技術(shù)和無線儀表通訊技術(shù)的對比

2.1 成本比較

一套無線儀表通訊設(shè)備包括2套網(wǎng)關(guān)、操作軟件等大概需要20萬元；一套冗余的微波擴頻通訊設(shè)備大概需要10萬元，但由于多數(shù)平臺上配備了微波擴頻通訊系統(tǒng)，所以只需要增加從DCS到微波擴頻通訊系統(tǒng)的信號電纜，并增加軟件功能即可，成本增加很少。

2.2 頻段選擇

無線儀表通訊技術(shù)采用2.4GHz跳頻通訊，無線設(shè)備可以自動選擇2.4GHz頻段中16個頻道的最優(yōu)頻道進行通訊，確保通訊可靠、安全；微波擴頻技術(shù)可采用2.4GHz/5.8GHz或者更高頻率的頻段進行通訊，在無線設(shè)備使用密集的地區(qū)使用專用的頻段顯然更具有優(yōu)勢。

2.3 冗余通訊

無線儀表通訊技術(shù)中無線通訊設(shè)備自動選擇最優(yōu)的路徑進行通訊，多路徑冗余，確保無線通訊可靠、安全；微波擴頻技術(shù)中微波通訊只支持兩個設(shè)備之間的點對點通訊，但可以配備兩套通訊設(shè)備其中一套作為熱備份，并具有自動主備切換功能。

2.4 同DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成

無線儀表通訊同DCS控制系統(tǒng)一體化集成，同第三方控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成采用標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議；微波擴頻技術(shù)中微波通訊沒有同DCS一體化集成的功能，但是通過RS-485或者Ethernet可實現(xiàn)同DCS的同步通訊 。

2.5 狀態(tài)監(jiān)控

無線儀表通訊可通過DCS控制系統(tǒng)對無線設(shè)備進行組態(tài)、診斷和調(diào)試，支持實時監(jiān)控?zé)o線網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)、診斷信息和安全管理；微波擴頻通訊沒有集成到DCS的診斷和監(jiān)控管理平臺，需要單獨的工作站，但DCS系統(tǒng)通過微波通訊系統(tǒng)自帶的監(jiān)控軟件獲得監(jiān)控結(jié)果。

2.6 可靠性

無線儀表通訊技術(shù)中無線通訊產(chǎn)品和微波擴頻技術(shù)中微波通訊產(chǎn)品均能滿足工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和項目應(yīng)用。

2.7 供電

無線儀表設(shè)備一般由電池供電，網(wǎng)關(guān)可由電池或電纜供電；微波擴頻通訊設(shè)備由UPS供電，并可在平臺主電斷電后持續(xù)供電1小時。

3 近距離海洋平臺間無線通訊應(yīng)用案例

PY4-2/5-1調(diào)整項目位于南海，此調(diào)整項目包括兩個新建平臺，PY4-2DPPA和PY5-1DPPB，分別距原有的平臺D42和D51有935m和915m的距離。新老平臺間有三級關(guān)斷的信號傳輸，在工期緊項目多的情況下，如何安全可靠的傳輸關(guān)斷信號，是本項目的關(guān)鍵點所在。

根據(jù)項目描述可知，新老平臺間的距離在1km左右，且新老平臺都各自有發(fā)電機，因此無需敷設(shè)海纜供電，如果只為傳輸幾個信號而敷設(shè)海底光纜，則造價較高，工期較長，因此本項目采用無線通訊系統(tǒng)來傳輸信號。

通過對比兩種無線通訊技術(shù)，可以發(fā)現(xiàn)無線儀表通訊技術(shù)和微波擴頻技術(shù)相比，在安全性、可靠性等重要參數(shù)上是相同的，在與中控系統(tǒng)的兼容性上優(yōu)于微波技術(shù)，但是價格要遠(yuǎn)貴于擴頻微波方案。而且無線儀表通訊技術(shù)采用的也是微波，盡管采用的頻率不同，但波的傳播方式等完全相同。因此在此項目平臺間的控制系統(tǒng)通訊中，最終采用微波擴頻技術(shù)進行通訊。通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 PY4-2/5-1平臺間通訊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

除PY4-2/5-1項目外，使用微波擴頻技術(shù)進行無線通訊在SZ36-1二期調(diào)整項目和QHD32-6調(diào)整項目等項目中也有應(yīng)用，隨著中海油改造和調(diào)整項目的增加，微波擴頻技術(shù)必將擁有廣泛的應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

在海洋工程改造和調(diào)整項目中，無線通訊技術(shù)能夠為相距1～3km內(nèi)的平臺間的控制系統(tǒng)互聯(lián)提供可靠地服務(wù)。海洋平臺常用無線通訊技術(shù)為微波擴頻技術(shù)和無線儀表通訊技術(shù)兩種。微波擴頻技術(shù)和無線儀表通訊技術(shù)在性能、可靠性等方面基本相同，但是購買一套微波擴頻通訊系統(tǒng)，可以同時實現(xiàn)儀表控制通訊和語音、視頻等通訊，且成本較低，性價比較高。因此在平臺間的控制系統(tǒng)通訊中，微波擴頻通訊系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。

[1] 馮曉升. 安全相關(guān)系統(tǒng)SIL設(shè)計的要求[J]. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量, 2007, (4) : 3-5.

[2] 馮曉升. 安全相關(guān)系統(tǒng)SIL設(shè)計的要求[J]. 儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計量, 2007, (5) : 14-16.

[3]《海洋石油工程設(shè)計指南》編委會. 海洋石油工程電氣、儀控、通信設(shè)計 [M]. 北京: 石油工業(yè)出版社, 2007.

[4] HCF中國. 無線HART (WirelessHARTTM) 的應(yīng)用[J]. 中國儀器儀表, 2009, (4) : 40-43.

[5] Smart Wireless Design. Wireless Training. http://www.emersonprocess.com/.

[6] 江天生. 一個無線平臺支持多種應(yīng)用和多種通訊協(xié)議的現(xiàn)場儀表[J]. 中國儀器儀表, 2009, (4) : 44-48.