埕島油田海上自動化系統通訊現狀分析與改進

李 勇

0 引言

埕島油田海上工藝自動化系統1996年開始設計建設，經過十幾年的發展實現了海上衛星平臺無人值守管理，進行了SIS（Safety Instrumented Systems，安全儀表系統）[1]升級改造。截止到目前建成了包括1 座陸地監控中心、3 座海上監控中心站和68 座衛星平臺站的大型灘海油田SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，數據采集與監控系統）系統[2]，降低了職工勞動強度，確保了海上平臺安全高效生產。

至今整個埕島海域已建成平臺超過100 座，年產油能力超過200 萬噸，海底輸油、輸氣、注水管網日趨完善。埕島油田衛星平臺通過工藝自動化系統、電力自動化系統和電視監控系統實現對油井、工藝參數、電力系統以及平臺重點部位的監控和管理，并將數據和圖像傳輸到中心平臺。

目前衛星平臺[3]與中心平臺之間的通訊方式有數傳電臺[4-6]、擴頻微波[7-10]和海底光纜[11]等，每座衛星平臺都有三套或三套以上的通訊設備，而且型號多種多樣，例如：CB22A 平臺工藝自動化系統使用MDS4710B 型數傳電臺、電力自動化系統使用MDS4710C 型數傳電臺、電視監控系統使用奧維通54M 擴頻微波，這3 套設備均采用無線傳輸。埕島油田共有78 座衛星平臺，每座平臺都有2-3 套無線通訊設備，在平臺數量不斷增加的情況下，編織了一塊無形的無線通訊網。雖然每臺設備各自的頻點不同，但是無線通訊設備之間必然存在著一定的干擾，海上甚高頻、移動通訊對生產通訊設備也有一定的影響，部分平臺MDS 數傳電臺和擴頻微波通信誤碼率較高，通信質量差，有時會出現通訊中斷情況，影響了自動化系統和電視監控系統的正常運行。另一方面，復雜多樣的無線通訊方式增加了日常維護管理難度，工藝自動化、電力自動化和電視監控系統作為獨立的系統，都由不同的維護管理人員進行通訊設備的維護和檢修，增加了維護費用，也不利于故障的排查和判斷。

1 通信現狀測試報告

1.1 設備現狀

目前海洋采油廠的衛星平臺遠程控制終端（RTU）數據傳輸和部分視頻監控系統以及電臺通訊均使用美國MDS 公司生產的微波數傳系統GE MDS4710A 及GE MDS4710B，每個平臺區域一個GE MDS4790 或4720 主站電臺，30 個GE MDS4710 遠端電臺進行語音和數據的傳輸。設備分布，如圖1所示：

圖1 設備分布現場圖

在使用中同頻干擾較大，同時在雨霧天氣衰耗劇增，已嚴重影響了油田生產的正常調度。

1.2 現場勘查

我們對該套系統進行了測試。首先對設備及反饋系統進行實地測試，如圖2-圖5所示：

圖2 MDS 系統主站

圖3 射頻單元

圖4 全向天線

圖5 中心二號平臺天線塔

現場勘查發現的主要問題有：

1)中心二號平臺機房空間緊湊，接地效果較差，應當進行接地電阻測試并重新做接地系統。

2)通訊機房設備缺少標簽，給日常檢查帶來不便。

3)機房走線不規范，電源線、饋線、信號線未分離，存在一定的安全隱患。

4)室外天饋線系統需要進行整體規劃，部分已廢棄的天饋線系統未拆除。

5)MDS 系統天饋線系統安置位置存在信號覆蓋，自身產生同頻干擾。

2 設備測試

經聯入HP 公司8593A 頻譜儀測試頻點及功率，測試結果如下。

2.1 中心二號平臺主站

測試時，聯入10DBM的負載。測得的接收頻點及功率，如表1所示：

表1 中心二號平臺主站接收頻點及功率

發射頻點及功率，表2所示：

表2 中心二號平臺主站發射頻點及功率

2.2 中心一號平臺主站

測試時，聯入30DBM的負載。

主用（聯入30DBM 負載）：

由于渤海平面的惡劣環境使低頻段的窄帶無線設備雖然能滿足抗多徑干擾和長距離傳輸的要求，但速率非常低，已經滿足不了海上平臺間圖像、話音、數據、互聯網等傳輸的需求。而且由于設備使用年限較長，經實際測試，雙極化天線內接收信號已發生較大的頻偏，濾波器的檢波、濾波功效存在頻點自激現象。信道內誤碼偶爾超出系統自調整范圍。

發射頻點在測試中處于較為穩定的狀態，但數傳電臺固有的突發脈沖的特點使得發射功率在惡劣的鹽霧作用中極易產生較大的功率衰減。同時，中心平臺上電磁噪聲較為嚴重，從而導致誤碼率呈幾何級數上升，極大地影響了系統的正常運行。

3 系統改進

經過對MDS的數傳微波系統的設備檢測，為保證油田的正常生產運行，改進建議如下：

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

2）重新組建一套高效、穩定的無線數傳系統，要求：抗干擾能力強；帶寬100M 以上；組網方便；便于管理等。

3）原有的系統可作為備用，并對天饋線系統加以完善。

目前使用的各類通信系統如無線短波通信系統、有線通信系統、衛星通信系統、點對多點微波通信等均有各自優缺點。

1）無線短波通信系統，利用天波、地波進行通信，時效性好，機動性強，但單工工作、信息傳輸以電報為主，通話質量不高，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，可以傳輸話音、數據、視頻。但受地域條件限制，并且通信光纜經受日曬雨淋后通信質量會很快下降，并且維護困難，成本高。

3）衛星通信系統，以衛星為媒介提供信息傳輸，但衛星資源有限，所需經費較大。

4）點對多點微波通信系統，與短波通信相比容量大、穩定可靠；與有線通信系統相比，無需架設、鋪設線纜，線路維護量小；與衛星通信相比，本系統造價低、建設周期短，設備易于維護和管理。

點對多點微波通信系統是現代通信技術中的一個重要概念。它是數字通信的一種，兼有數字通信和微波通信的優點。無線通信中常用的多址方式有TDMA、FDMA、CDMA等。其中FDMA 及CDMA 系統傳輸時延較小，但FDMA多址方式具有占用頻帶寬、存在遠近效應以及多用戶自干擾，系統容量受限等缺點，CDMA 多址方式同樣存在遠近效應和多用戶自干擾問題。TDMA 時分多址占用頻帶較窄，無遠近效應、距離適應性強，易增容，實現簡單且傳輸時延可控。

因此，根據海洋采油廠海上自動化系統應用的現實情況，在本系統中宜采用TDMA 時分多址通信方式。新系統的設計方案為：雙工體制采用頻分雙工與時分多址相結合的方式。從中心平臺到衛星平臺的信息傳輸采用實時的廣播方式，主要發送各平臺時隙分配信息。從衛星平臺到中心平臺的信息傳輸采用TDMA 時分多址通信方式，把衛星平臺與中心平臺的工作時間分割成周期性、互不重疊的時隙，一個周期叫做一幀，一幀中每一個時隙叫做分幀。將每個分幀分配給不同的衛星平臺使用，最終實現衛星平臺與中心平臺間的信息傳輸。

4 結論

本文針對目前海洋采油廠海上無線通訊系統存在的高誤碼率、強信號干擾以及部分設備年久失修等問題，找出了影響通訊質量的具體原因并且優選了性能穩定、抗干擾能力強、質量過硬的通訊方案，可以將工藝自動化、電力自動化和電視監控通訊設備的無線通信進行優化整合，提高無線通訊質量、減少無線通訊設備數量、降低通信設備的日常維護費用，切實建立一套適合海洋采油廠海上平臺應用的通訊模式。

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