埕島油田海上自動(dòng)化系統(tǒng)通訊現(xiàn)狀分析與改進(jìn)

李 勇

0 引言

埕島油田海上工藝自動(dòng)化系統(tǒng)1996年開始設(shè)計(jì)建設(shè)，經(jīng)過十幾年的發(fā)展實(shí)現(xiàn)了海上衛(wèi)星平臺(tái)無人值守管理，進(jìn)行了SIS（Safety Instrumented Systems，安全儀表系統(tǒng)）[1]升級(jí)改造。截止到目前建成了包括1 座陸地監(jiān)控中心、3 座海上監(jiān)控中心站和68 座衛(wèi)星平臺(tái)站的大型灘海油田SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）系統(tǒng)[2]，降低了職工勞動(dòng)強(qiáng)度，確保了海上平臺(tái)安全高效生產(chǎn)。

至今整個(gè)埕島海域已建成平臺(tái)超過100 座，年產(chǎn)油能力超過200 萬噸，海底輸油、輸氣、注水管網(wǎng)日趨完善。埕島油田衛(wèi)星平臺(tái)通過工藝自動(dòng)化系統(tǒng)、電力自動(dòng)化系統(tǒng)和電視監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)油井、工藝參數(shù)、電力系統(tǒng)以及平臺(tái)重點(diǎn)部位的監(jiān)控和管理，并將數(shù)據(jù)和圖像傳輸?shù)街行钠脚_(tái)。

目前衛(wèi)星平臺(tái)[3]與中心平臺(tái)之間的通訊方式有數(shù)傳電臺(tái)[4-6]、擴(kuò)頻微波[7-10]和海底光纜[11]等，每座衛(wèi)星平臺(tái)都有三套或三套以上的通訊設(shè)備，而且型號(hào)多種多樣，例如：CB22A 平臺(tái)工藝自動(dòng)化系統(tǒng)使用MDS4710B 型數(shù)傳電臺(tái)、電力自動(dòng)化系統(tǒng)使用MDS4710C 型數(shù)傳電臺(tái)、電視監(jiān)控系統(tǒng)使用奧維通54M 擴(kuò)頻微波，這3 套設(shè)備均采用無線傳輸。埕島油田共有78 座衛(wèi)星平臺(tái)，每座平臺(tái)都有2-3 套無線通訊設(shè)備，在平臺(tái)數(shù)量不斷增加的情況下，編織了一塊無形的無線通訊網(wǎng)。雖然每臺(tái)設(shè)備各自的頻點(diǎn)不同，但是無線通訊設(shè)備之間必然存在著一定的干擾，海上甚高頻、移動(dòng)通訊對(duì)生產(chǎn)通訊設(shè)備也有一定的影響，部分平臺(tái)MDS 數(shù)傳電臺(tái)和擴(kuò)頻微波通信誤碼率較高，通信質(zhì)量差，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)通訊中斷情況，影響了自動(dòng)化系統(tǒng)和電視監(jiān)控系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另一方面，復(fù)雜多樣的無線通訊方式增加了日常維護(hù)管理難度，工藝自動(dòng)化、電力自動(dòng)化和電視監(jiān)控系統(tǒng)作為獨(dú)立的系統(tǒng)，都由不同的維護(hù)管理人員進(jìn)行通訊設(shè)備的維護(hù)和檢修，增加了維護(hù)費(fèi)用，也不利于故障的排查和判斷。

1 通信現(xiàn)狀測(cè)試報(bào)告

1.1 設(shè)備現(xiàn)狀

目前海洋采油廠的衛(wèi)星平臺(tái)遠(yuǎn)程控制終端（RTU）數(shù)據(jù)傳輸和部分視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及電臺(tái)通訊均使用美國(guó)MDS 公司生產(chǎn)的微波數(shù)傳系統(tǒng)GE MDS4710A 及GE MDS4710B，每個(gè)平臺(tái)區(qū)域一個(gè)GE MDS4790 或4720 主站電臺(tái)，30 個(gè)GE MDS4710 遠(yuǎn)端電臺(tái)進(jìn)行語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)備分布，如圖1所示：

圖1 設(shè)備分布現(xiàn)場(chǎng)圖

在使用中同頻干擾較大，同時(shí)在雨霧天氣衰耗劇增，已嚴(yán)重影響了油田生產(chǎn)的正常調(diào)度。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)勘查

我們對(duì)該套系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。首先對(duì)設(shè)備及反饋系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，如圖2-圖5所示：

圖2 MDS 系統(tǒng)主站

圖3 射頻單元

圖4 全向天線

圖5 中心二號(hào)平臺(tái)天線塔

現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)的主要問題有：

1)中心二號(hào)平臺(tái)機(jī)房空間緊湊，接地效果較差，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行接地電阻測(cè)試并重新做接地系統(tǒng)。

2)通訊機(jī)房設(shè)備缺少標(biāo)簽，給日常檢查帶來不便。

3)機(jī)房走線不規(guī)范，電源線、饋線、信號(hào)線未分離，存在一定的安全隱患。

4)室外天饋線系統(tǒng)需要進(jìn)行整體規(guī)劃，部分已廢棄的天饋線系統(tǒng)未拆除。

5)MDS 系統(tǒng)天饋線系統(tǒng)安置位置存在信號(hào)覆蓋，自身產(chǎn)生同頻干擾。

2 設(shè)備測(cè)試

經(jīng)聯(lián)入HP 公司8593A 頻譜儀測(cè)試頻點(diǎn)及功率，測(cè)試結(jié)果如下。

2.1 中心二號(hào)平臺(tái)主站

測(cè)試時(shí)，聯(lián)入10DBM的負(fù)載。測(cè)得的接收頻點(diǎn)及功率，如表1所示：

表1 中心二號(hào)平臺(tái)主站接收頻點(diǎn)及功率

發(fā)射頻點(diǎn)及功率，表2所示：

表2 中心二號(hào)平臺(tái)主站發(fā)射頻點(diǎn)及功率

2.2 中心一號(hào)平臺(tái)主站

測(cè)試時(shí)，聯(lián)入30DBM的負(fù)載。

主用（聯(lián)入30DBM 負(fù)載）：

由于渤海平面的惡劣環(huán)境使低頻段的窄帶無線設(shè)備雖然能滿足抗多徑干擾和長(zhǎng)距離傳輸?shù)囊螅俾史浅５停呀?jīng)滿足不了海上平臺(tái)間圖像、話音、數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)等傳輸?shù)男枨蟆６矣捎谠O(shè)備使用年限較長(zhǎng)，經(jīng)實(shí)際測(cè)試，雙極化天線內(nèi)接收信號(hào)已發(fā)生較大的頻偏，濾波器的檢波、濾波功效存在頻點(diǎn)自激現(xiàn)象。信道內(nèi)誤碼偶爾超出系統(tǒng)自調(diào)整范圍。

發(fā)射頻點(diǎn)在測(cè)試中處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但數(shù)傳電臺(tái)固有的突發(fā)脈沖的特點(diǎn)使得發(fā)射功率在惡劣的鹽霧作用中極易產(chǎn)生較大的功率衰減。同時(shí)，中心平臺(tái)上電磁噪聲較為嚴(yán)重，從而導(dǎo)致誤碼率呈幾何級(jí)數(shù)上升，極大地影響了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 系統(tǒng)改進(jìn)

經(jīng)過對(duì)MDS的數(shù)傳微波系統(tǒng)的設(shè)備檢測(cè)，為保證油田的正常生產(chǎn)運(yùn)行，改進(jìn)建議如下：

1）徹底整治各平臺(tái)的設(shè)備環(huán)境(包括閑置的設(shè)備及天饋系統(tǒng))，改善設(shè)備工作的電磁環(huán)境，規(guī)范三線的布放路徑，并建立良好的避雷、接地系統(tǒng)。

2）重新組建一套高效、穩(wěn)定的無線數(shù)傳系統(tǒng)，要求：抗干擾能力強(qiáng)；帶寬100M 以上；組網(wǎng)方便；便于管理等。

3）原有的系統(tǒng)可作為備用，并對(duì)天饋線系統(tǒng)加以完善。

目前使用的各類通信系統(tǒng)如無線短波通信系統(tǒng)、有線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信等均有各自優(yōu)缺點(diǎn)。

1）無線短波通信系統(tǒng)，利用天波、地波進(jìn)行通信，時(shí)效性好，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，但單工工作、信息傳輸以電報(bào)為主，通話質(zhì)量不高，容量較低，且受氣候影響較大。

2）以光纜為代表的有線通信系統(tǒng)，可以傳輸話音、數(shù)據(jù)、視頻。但受地域條件限制，并且通信光纜經(jīng)受日曬雨淋后通信質(zhì)量會(huì)很快下降，并且維護(hù)困難，成本高。

3）衛(wèi)星通信系統(tǒng)，以衛(wèi)星為媒介提供信息傳輸，但衛(wèi)星資源有限，所需經(jīng)費(fèi)較大。

4）點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信系統(tǒng)，與短波通信相比容量大、穩(wěn)定可靠；與有線通信系統(tǒng)相比，無需架設(shè)、鋪設(shè)線纜，線路維護(hù)量小；與衛(wèi)星通信相比，本系統(tǒng)造價(jià)低、建設(shè)周期短，設(shè)備易于維護(hù)和管理。

點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波通信系統(tǒng)是現(xiàn)代通信技術(shù)中的一個(gè)重要概念。它是數(shù)字通信的一種，兼有數(shù)字通信和微波通信的優(yōu)點(diǎn)。無線通信中常用的多址方式有TDMA、FDMA、CDMA等。其中FDMA 及CDMA 系統(tǒng)傳輸時(shí)延較小，但FDMA多址方式具有占用頻帶寬、存在遠(yuǎn)近效應(yīng)以及多用戶自干擾，系統(tǒng)容量受限等缺點(diǎn)，CDMA 多址方式同樣存在遠(yuǎn)近效應(yīng)和多用戶自干擾問題。TDMA 時(shí)分多址占用頻帶較窄，無遠(yuǎn)近效應(yīng)、距離適應(yīng)性強(qiáng)，易增容，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且傳輸時(shí)延可控。

因此，根據(jù)海洋采油廠海上自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)情況，在本系統(tǒng)中宜采用TDMA 時(shí)分多址通信方式。新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案為：雙工體制采用頻分雙工與時(shí)分多址相結(jié)合的方式。從中心平臺(tái)到衛(wèi)星平臺(tái)的信息傳輸采用實(shí)時(shí)的廣播方式，主要發(fā)送各平臺(tái)時(shí)隙分配信息。從衛(wèi)星平臺(tái)到中心平臺(tái)的信息傳輸采用TDMA 時(shí)分多址通信方式，把衛(wèi)星平臺(tái)與中心平臺(tái)的工作時(shí)間分割成周期性、互不重疊的時(shí)隙，一個(gè)周期叫做一幀，一幀中每一個(gè)時(shí)隙叫做分幀。將每個(gè)分幀分配給不同的衛(wèi)星平臺(tái)使用，最終實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺(tái)與中心平臺(tái)間的信息傳輸。

4 結(jié)論

本文針對(duì)目前海洋采油廠海上無線通訊系統(tǒng)存在的高誤碼率、強(qiáng)信號(hào)干擾以及部分設(shè)備年久失修等問題，找出了影響通訊質(zhì)量的具體原因并且優(yōu)選了性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、質(zhì)量過硬的通訊方案，可以將工藝自動(dòng)化、電力自動(dòng)化和電視監(jiān)控通訊設(shè)備的無線通信進(jìn)行優(yōu)化整合，提高無線通訊質(zhì)量、減少無線通訊設(shè)備數(shù)量、降低通信設(shè)備的日常維護(hù)費(fèi)用，切實(shí)建立一套適合海洋采油廠海上平臺(tái)應(yīng)用的通訊模式。

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