近距離海洋平臺間無線通訊方案分析

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技術的發展，海洋石油工程也進入了開發的高峰時期，不僅有更多的海上油氣田被勘探和開發，已經投產的項目也要進行改造和擴容以擴大生產。

在改造和調整的項目中，經常會在現有平臺的周邊進行新平臺的建造，而且新老平臺間經常會有物流的集輸和系統交互控制，物流的集輸可以通過海管來完成，但是系統間交互控制則需要謹慎考慮。通常調整項目的新建平臺和老平臺間相距在1～3km內，而新老平臺間控制系統傳輸的信號較少，通常只有幾個信號，如果敷設海底光纖，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，對不同用途的控制信號，在控制系統安全等級設計規范[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絡。通過無線微波通訊技術，可以以較低的成本獲得較好的結果。

1 無線通訊技術綜述

海洋平臺常用的無線通訊技術為微波擴頻技術和無線儀表通訊技術，微波擴頻技術在平臺上已經有很多的應用，通常用于平臺間的通訊如語音、數據傳輸。無線儀表通訊技術即使用Emerson、Honeywell等公司開發的無線儀表產品進行無線通訊。無線儀表通訊技術是以遵守無線 HART協議或ISA 100工業無線標準，形成自組織、自愈合拓撲網絡，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絡中，進行無線數據傳輸和控制的無線技術。

1.1 微波擴頻技術及其特點

微波擴頻技術[3]，是一種將信息信號的帶寬擴展很多倍進行通信的技術，多用于平臺之間的通訊聯系，由擴頻天線、收發信機、復用器和語音/數字模塊組成。其工作頻率通常在2.4G/5.8GHz頻段，技術上采用數字化處理、結構簡潔、連接迅速、適應復雜地形。微波擴頻技術與常規的微波傳輸技術相比，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。微波擴頻系統通訊連接如圖1所示。

圖1 微波擴頻系統通訊示意圖

微波擴頻技術具有的特點：

（a）使用微波擴頻技術傳輸狀態信號在海洋平臺很多項目中都有應用，因此微波擴頻傳輸信號的技術具有成熟、穩定的特點。

（b）使用微波擴頻傳輸信號成本較低，穩定性較好。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信號，不會出現信號擁堵的現象。

（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

目前在業界使用的無線技術主要有兩種，即無線HART協議和ISA100標準，支持前者的廠家有Emerson、E+H等，支持后者的廠家有Honeywell、GE、Yokogawa等，目前已經有產品面市的有Emerson、E+H、Honeywell等。

無線HART[4]網絡采用Mesh結構，每一臺現場設備都是其它鄰近設備的路由器，它們接力傳遞數據，直到這些數據通過無線網關，到達中控室。如果中途遇到障礙，信號會自動選擇網絡中其它通往網關的路徑。無線HART規定了三種主要的網絡要素：無線HART現場設備、無線HART網關和無線HART網絡管理器。圖2完整表現了無線HART的網絡結構[5]。

圖2 無線HART的網絡結構

無線HART技術具有的特點：

（a）現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，而且同時為其它儀表的通信進行路由，并通過配置的網關，實現同DCS的數據集成。

（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儀表節省材料成本和安裝人工費用。

ISA100標準[6]是由多功能節點搭建的無線主干Mesh網絡，自組織、自愈合；多功能節點之間的通信距離最遠可達10公里。多功能節點也可以使用有線Mesh，這種獨特的設計支持在屏蔽區域的無線應用。多功能節點可以有線連接第3方Modbus輸出或Ethernet網輸出的設備，實現無線轉接。任何一個多功能節點都可以作為網關，同控制系統通信，實現網關冗余，避免單點故障。其技術網絡結構見圖3所示。

圖3 ISA100標準的網絡結構

ISA100標準具有的特點：

（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，所以整個網絡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到5年。

（c）無線儀表的無線發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，設備之間的通信距離可以做到幾公里。

（d）網絡的規模靈活，一個網絡支持的無線儀表的數量可以達到上千臺且支持多種協議的現場儀表和多種無線應用。

2 微波擴頻技術和無線儀表通訊技術的對比

2.1 成本比較

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

2.2 頻段選擇

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

2.3 冗余通訊

無線儀表通訊技術中無線通訊設備自動選擇最優的路徑進行通訊，多路徑冗余，確保無線通訊可靠、安全；微波擴頻技術中微波通訊只支持兩個設備之間的點對點通訊，但可以配備兩套通訊設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系統的數據集成

無線儀表通訊同DCS控制系統一體化集成，同第三方控制系統數據集成采用標準通訊協議；微波擴頻技術中微波通訊沒有同DCS一體化集成的功能，但是通過RS-485或者Ethernet可實現同DCS的同步通訊 。

2.5 狀態監控

無線儀表通訊可通過DCS控制系統對無線設備進行組態、診斷和調試，支持實時監控無線網絡的狀態、診斷信息和安全管理；微波擴頻通訊沒有集成到DCS的診斷和監控管理平臺，需要單獨的工作站，但DCS系統通過微波通訊系統自帶的監控軟件獲得監控結果。

2.6 可靠性

無線儀表通訊技術中無線通訊產品和微波擴頻技術中微波通訊產品均能滿足工業標準和項目應用。

2.7 供電

無線儀表設備一般由電池供電，網關可由電池或電纜供電；微波擴頻通訊設備由UPS供電，并可在平臺主電斷電后持續供電1小時。

3 近距離海洋平臺間無線通訊應用案例

PY4-2/5-1調整項目位于南海，此調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斷信號，是本項目的關鍵點所在。

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

通過對比兩種無線通訊技術，可以發現無線儀表通訊技術和微波擴頻技術相比，在安全性、可靠性等重要參數上是相同的，在與中控系統的兼容性上優于微波技術，但是價格要遠貴于擴頻微波方案。而且無線儀表通訊技術采用的也是微波，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通訊中，最終采用微波擴頻技術進行通訊。通訊系統結構圖如圖4所示。

圖4 PY4-2/5-1平臺間通訊系統結構圖

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

4 結束語

在海洋工程改造和調整項目中，無線通訊技術能夠為相距1～3km內的平臺間的控制系統互聯提供可靠地服務。海洋平臺常用無線通訊技術為微波擴頻技術和無線儀表通訊技術兩種。微波擴頻技術和無線儀表通訊技術在性能、可靠性等方面基本相同，但是購買一套微波擴頻通訊系統，可以同時實現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通訊中，微波擴頻通訊系統具有很大的應用優勢。

[1] 馮曉升. 安全相關系統SIL設計的要求[J]. 儀器儀表標準化與計量, 2007, (4) : 3-5.

[2] 馮曉升. 安全相關系統SIL設計的要求[J]. 儀器儀表標準化與計量, 2007, (5) : 14-16.

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

[4] HCF中國. 無線HART (WirelessHARTTM) 的應用[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用和多種通訊協議的現場儀表[J]. 中國儀器儀表, 2009, (4) : 44-48.