乙加牛

（新疆克拉瑪依油田公司，新疆 克拉瑪依 834000）

1 油田配水間遠(yuǎn)程監(jiān)控需求

注水井的注水量是進(jìn)行油氣田分析的一項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。注水井注水量的調(diào)整是油田生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的日常工作。通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和配水裝置的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)注水工藝參數(shù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)配水參數(shù)，有效替代員工現(xiàn)場工作，提高生產(chǎn)效率［1］。

目前，為響應(yīng)油氣生產(chǎn)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型需求，新疆油田公司全面推進(jìn)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)“集中監(jiān)控+故障巡檢+遠(yuǎn)程操控”的運(yùn)行管理模式，推動(dòng)生產(chǎn)組織方式轉(zhuǎn)型升級。遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)和配水間本地自動(dòng)化系統(tǒng)的融合滿足了配水間遠(yuǎn)程監(jiān)控需求。遠(yuǎn)程監(jiān)控基本業(yè)務(wù)需求如下：①管匯流量監(jiān)測和調(diào)節(jié)、管匯壓力遠(yuǎn)程監(jiān)測；②配水裝置參數(shù)配置；③配水裝置狀態(tài)查詢；④配水結(jié)果上報(bào)。

2 配水間遠(yuǎn)程監(jiān)控現(xiàn)狀

新疆油田公司在少數(shù)中心站已架設(shè)光纖網(wǎng)絡(luò)，而配水間設(shè)于中心站周圍，遠(yuǎn)的配水間離中心站有4 km 的直線距離?？紤]到新疆油田特殊的地形條件，光纖或無線網(wǎng)橋只能部署在有限區(qū)域內(nèi)，無法實(shí)現(xiàn)寬帶全覆蓋。低成本、遠(yuǎn)距離的窄帶無線傳輸技術(shù)可以幫助建立二級網(wǎng)絡(luò)，完成最后5 km 的物聯(lián)網(wǎng)覆蓋。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)需要保障配水?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)和可靠性要求。

通過在中心站架設(shè)LoRa-Chirp 基站，寬帶可以覆蓋周邊配水間。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)與PLC/遠(yuǎn)程終端控制（Remote Terminal Unit，RTU）系統(tǒng)現(xiàn)場控制設(shè)備通過LoRa-Chirp 協(xié)議通信，可以完成遠(yuǎn)程測控任務(wù)。典型配水間遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1 所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 RT—Chirp 無線傳輸技術(shù)

目前，比較主流的傳統(tǒng)遠(yuǎn)距離窄帶無線技術(shù)包括LoRaWAN和NB-IoT 兩種，但這兩種技術(shù)各有缺點(diǎn)：LoRaWAN 技術(shù)不支持可靠傳輸，不支持頻繁的下行指令和大數(shù)據(jù)包的上傳，空口資源利用率低，系統(tǒng)容量偏低；NB-IoT 技術(shù)依賴3GPP 核心網(wǎng)和接入網(wǎng)，使用授權(quán)頻段，技術(shù)壁壘高，并且需要運(yùn)營商參與建設(shè)和維護(hù)，成本也高。因此，低成本、快速建網(wǎng)和免維護(hù)的物聯(lián)專網(wǎng)是最終選擇。RT-Chirp 技術(shù)作為新疆油田L(fēng)oRa+協(xié)議體系的一部分，完全能滿足井站的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)需求，并且經(jīng)過多年的艱苦研發(fā)和成功試點(diǎn)，目前該技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模推廣應(yīng)用。

RT-Chirp 是一種全新的面向流程工業(yè)的實(shí)時(shí)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，主要應(yīng)用于電力能源、石油化工、有色冶煉、倉儲(chǔ)物流等行業(yè)。其協(xié)議物理層采用CSS 擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，具備中遠(yuǎn)距離覆蓋、抗干擾能力強(qiáng)和低功耗的特性；MAC 層融合載波偵聽和時(shí)分多址接入技術(shù)，能滿足突發(fā)性和密集性數(shù)據(jù)傳輸需求；空口調(diào)度算法能動(dòng)態(tài)地分配上下行信道帶寬，并且對消息塊大小不敏感。通過和其他物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，RT-Chirp 在信號覆蓋、功耗、時(shí)延、可靠性、調(diào)度能力、成本等指標(biāo)上具有極強(qiáng)的綜合競爭力，能很好地滿足流程工業(yè)在離散監(jiān)控和實(shí)時(shí)響應(yīng)場景中的需求。

RT-Chirp 和LoRaWAN 相比，技術(shù)優(yōu)勢明顯；與NB-IoT 比較，成本更低、功耗更低。具體技術(shù)指標(biāo)比較如表1 所示。

表1 RT-Chirp、LoRaWAN 和NB-IoT 對比數(shù)據(jù)

3.2 RT-Chirp 技術(shù)的優(yōu)越性

3.2.1 抗無線干擾和多徑衰落

AIS-Link 優(yōu)先考慮SubG 頻段和抗干擾能力強(qiáng)的物理層技術(shù)，窄帶如LoRa，寬帶如OFDMA。LoRa 是最近幾年炙手可熱的LPWA 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具備良好的抗外部干擾能力，與AISLink 跳頻技術(shù)結(jié)合可以達(dá)到良好的抗多徑衰落效果。OFDM屬于一種更先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，抗多徑衰落表現(xiàn)更為優(yōu)異。AISLink 支持最新的IEEE 802.15.4-2015 OFDM 標(biāo)準(zhǔn)?；谶@一標(biāo)準(zhǔn)，AIS-Link 能實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更強(qiáng)的抗干擾能力。

3.2.2 信號覆蓋與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

典型的2.4G 頻段的網(wǎng)絡(luò)覆蓋一般為室外100 m，室內(nèi)50 m。因此，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展只能依靠級聯(lián)。多跳網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)越多，時(shí)延越大，網(wǎng)絡(luò)越剛性，穩(wěn)定性也越差，如WirelessHART 就是一個(gè)非常剛性的TSCH 多跳網(wǎng)絡(luò)；WIA-PA 采用“星型+網(wǎng)狀”雙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，簇首實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，低功耗無法保證，同時(shí)由于星型子網(wǎng)信號覆蓋區(qū)域小，簇首的數(shù)量較多，WIA-PA 也會(huì)陷入MESH 組網(wǎng)的不利局面。

3.2.3 多樣性數(shù)據(jù)傳輸需求

當(dāng)前，凡工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，除了多媒體寬帶傳輸需求，更多的是中速率（低于400 kpbs）或低速率（低于40 kpbs）的傳輸帶寬需求。RT-Chirp 使用雙通道方案。競爭性信道采用CSMA/CA 技術(shù)，滿足入網(wǎng)、資源請求和報(bào)警數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸需求；非競爭性信道采用TDMA 技術(shù)，滿足周期型和大數(shù)據(jù)的傳輸需求。TDM 時(shí)隙均為亞秒級，保證了低的傳輸時(shí)延。TDM 時(shí)隙的TSCH 特性提高了抗干擾性［2］。

3.2.4 動(dòng)態(tài)的時(shí)隙資源調(diào)度

RT-Chirp 星型組網(wǎng)方便實(shí)現(xiàn)集中式時(shí)隙資源調(diào)度。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)有上傳數(shù)據(jù)需求時(shí)，通過競爭性信道請求時(shí)隙資源，基站會(huì)在每個(gè)調(diào)度周期計(jì)算當(dāng)前周期的時(shí)隙分配，終端節(jié)點(diǎn)通過監(jiān)聽Beacon 信道獲取屬于自己的上下時(shí)隙（包括重傳時(shí)隙）的分配結(jié)果。上下行時(shí)隙動(dòng)態(tài)分配，保證了時(shí)隙利用率最大化。

3.2.5 可靠傳輸和及時(shí)重傳

RT-Chirp 每個(gè)TDM 時(shí)隙的數(shù)據(jù)消息均有確認(rèn)。如果終端或基站沒有收到確認(rèn)，RT-Chirp 有機(jī)會(huì)在指定的重傳信道中重傳。

4 方案設(shè)計(jì)

使用RT-Chirp 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)為扁平化架構(gòu)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模支持2 層或3 層網(wǎng)絡(luò)。在油氣田典型應(yīng)用3 層網(wǎng)絡(luò)，包括終端設(shè)備、基站設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 RT-Chirp 技術(shù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4.1 終端設(shè)備

終端設(shè)備包括支持RT-Chirp 的儀表，如壓力表、溫度表、液位計(jì)、電參、功圖等，或外掛DTU 的設(shè)備，如流量測控設(shè)備、PLC、RTU 等。

4.2 基站設(shè)備

基站設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，支持RT-Chirp 終端的入網(wǎng)和動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)服務(wù)。

4.3 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)入口設(shè)備，提供終端和基站的遠(yuǎn)程管理服務(wù)，也為SCADA 提供Modbus TCP 訪問接口。與傳統(tǒng)SCADA 通過Modbus TCP 直接訪問PLC/RTU 相比，RTChirp 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了Modbus TCP 訪問適配。因此，SCADA 無需修改代碼即可對接RT-Chirp 網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約了開發(fā)成本。

5 應(yīng) 用

在LoRAWAN 可以進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳卻無法進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控的應(yīng)用場景中，RT-Chirp 成為很好的解決方案。目前，RT-Chirp物聯(lián)網(wǎng)已成功應(yīng)用于新疆油田公司的各油氣田作業(yè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)了邊遠(yuǎn)分散配水間、配水井的數(shù)據(jù)回傳及遠(yuǎn)程調(diào)控。SCADA 系統(tǒng)通過RT-Chirp 網(wǎng)絡(luò)直接訪問PLC，可以控制整個(gè)配水過程，從而獲取實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)配水結(jié)果。

典型遠(yuǎn)程自動(dòng)配水業(yè)務(wù)描述如圖3 所示。

典型的配水間功能實(shí)體連接如圖4 所示。

圖4 配水間功能實(shí)體連接圖

如圖4 所示，每個(gè)配水間PLC/RTU 箱內(nèi)部署RT-Chirp DTU，與RT-Chirp 基站組成RT-Chirp 傳輸網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)Modbus 協(xié)議的調(diào)制與解調(diào)，實(shí)現(xiàn)中控室SCADA 系統(tǒng)直接與PLC/RTU 進(jìn)行通信；單基站信號可覆蓋多個(gè)配水間，支持配水間所有終端設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸；整個(gè)作業(yè)區(qū)共享一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器負(fù)責(zé)中轉(zhuǎn)和翻譯Modbus 讀寫指令；RT-Chirp網(wǎng)絡(luò)部署簡便，成本低廉。單基站信號覆蓋范圍達(dá)5 km，接入配水間的數(shù)量多達(dá)10 個(gè)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和SCADA 均和井區(qū)共享，不需要單獨(dú)部署。

目前，百口泉配水間聯(lián)網(wǎng)設(shè)備清單如下：①配水間63個(gè)；②RTU 63 個(gè)；③獨(dú)立恒流配水裝置36 套；④RT-Chirp 基站9 個(gè)。

配水間PLC/RTU 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后，SCADA 的運(yùn)行情況如圖5所示。

圖5 配水間PLC/RTU 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)后SCADA 的運(yùn)行情況

在應(yīng)用RT-Chirp 技術(shù)進(jìn)行配注水系統(tǒng)改造之前，全廠共設(shè)有12 名專門的配注水管理人員，每天定點(diǎn)到現(xiàn)場抄錄配注水?dāng)?shù)據(jù)，并根據(jù)配注水要求對每口井配注量進(jìn)行手動(dòng)控制。在RT-Chirp 網(wǎng)絡(luò)搭建以后，SCADA 可以實(shí)時(shí)采集并遠(yuǎn)程控制每口井的注入量，監(jiān)控室只需安排一名員工負(fù)責(zé)監(jiān)控。這不僅實(shí)現(xiàn)了全廠配水間的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，而且成功實(shí)現(xiàn)了配注水模式由人工向自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)變，報(bào)表也可以自動(dòng)生成。這種應(yīng)用不僅使自動(dòng)化采集、控制調(diào)水更準(zhǔn)確，還緩解了用工矛盾，真正實(shí)現(xiàn)了減員增效。在后期計(jì)量站的遠(yuǎn)程采集控制中，也可采用已建的RT-Chirp 網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步降低組網(wǎng)成本。

6 結(jié)語

RT-Chirp 協(xié)議可以滿足配水間頻繁下發(fā)指令和配水結(jié)果可靠上報(bào)的要求。同時(shí)，部署少量基站即可滿足采油廠配水間的遠(yuǎn)程監(jiān)控需求。RT-Chirp 網(wǎng)絡(luò)部署不但簡便，而且成本極低，是油氣生產(chǎn)、物聯(lián)網(wǎng)在場站監(jiān)控和場景自組網(wǎng)的理想選擇。采油廠以極低成本引入RT-Chirp 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品后，解決了作業(yè)區(qū)所有配水間無法聯(lián)網(wǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控的難題，使生產(chǎn)效率提升了10%、生產(chǎn)成本下降了10%。