NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術在UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)的應用

鄔 建

（中國石化股份有限公司廣州分公司，廣東廣州 510725）

1 煉油化工裝置UPS 使用現(xiàn)狀

1.1 煉油化工裝置使用UPS 的需求

煉油化工裝置生產(chǎn)特點均為高溫、高壓、連續(xù)性，其中生產(chǎn)介質(zhì)多為易燃、易爆、劇毒危險物質(zhì)，因此對儀表生產(chǎn)控制系統(tǒng)高可靠性提出了較高要求，包括為其提供電源的供電裝置。由于大部分儀表控制設備允許的電源波動時間為5 ms 以下，而電網(wǎng)容易受到負載或外部因素造成的波動時間可能長達100 mS 以上，為保證儀表控制系統(tǒng)負載供電的連續(xù)性，滿足電源穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的嚴格要求，一般配備交流不間斷電源系統(tǒng)（Uninterruptible Power System，UPS）。當交流電網(wǎng)輸入異常中斷或波動時，UPS 利用所接的后備電源（一般為蓄電池）持續(xù)為儀表負載提供合乎要求的交流電能，確保裝置連續(xù)生產(chǎn)或安全停車。

1.2 煉油化工裝置使用UPS 的特點

煉油化工每套裝置或聯(lián)合裝置的儀表控制系統(tǒng)都配置一套或多套UPS 供電，隨著煉油化工裝置規(guī)模的不斷大型化和配套化，使用的UPS 呈現(xiàn)以下特點：

（1）關鍵性。儀表控制系統(tǒng)是煉化生產(chǎn)裝置的“眼睛”和“大腦”，為其提供電源的UPS 可靠運行至關重要，UPS 成為裝置生產(chǎn)的關鍵設備。

（2）數(shù)量多。由于煉化生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，各類生產(chǎn)裝置的數(shù)量在不斷擴大，使得投用的UPS 電源系統(tǒng)的數(shù)量不斷擴大，數(shù)量眾多。

（3）分布廣。煉化裝置由于易燃、易爆等危險特點，危險物質(zhì)的貯存罐區(qū)與生產(chǎn)裝置就必須相隔一定的安全距離，整體煉化裝置的廠區(qū)分布會十分廣闊，因此使用的UPS、自然也分布廣闊。

（4）品牌雜。因為使用的UPS 的數(shù)量眾多，由于設計、選型、配套、采購等因素造成了使用的UPS 來自不同品牌的生產(chǎn)廠家。

2 UPS 智能監(jiān)控管理需求

儀表控制系統(tǒng)對連續(xù)生產(chǎn)的煉化裝置至關重要，而在影響儀表控制系統(tǒng)可用性的諸多因素中，25%～45%緣于電源問題，因而對使用的UPS 提出了全新的智能監(jiān)控管理要求：

（1）UPS 要具有良好的可用性。智能監(jiān)控、管理與通信功能在提高UPS 系統(tǒng)可用性起著關鍵的作用，尤其是在無人值守的情況下自動反映和處理各種UPS 系統(tǒng)問題，提前預警，最大限度減少對負載儀表控制系統(tǒng)帶來的不良影響。

（2）提高UPS 的可管理性要求。煉化裝置規(guī)模的不斷擴大，UPS 大量的采用，并且分布在較大的地域范圍，現(xiàn)代的設備集中管理要求在任何時間、任何地點對UPS 實現(xiàn)遠程、集中的管理，同時有效地利用企業(yè)資源，減少浪費，作好企業(yè)的資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）。

（3）降低UPS 系統(tǒng)運維成本。UPS 的使用、維護、管理、診斷、維修等工作都要由專業(yè)廠家工程師完成，統(tǒng)一對所有的UPS做好評估和運維管理安排，可以提高工作效率，控制好各類費用的合理使用，大大降低運維成本。

（4）對UPS 的易用性新要求。對UPS 采用智能監(jiān)控管理，可將UPS 管理與生產(chǎn)系統(tǒng)管理有機集成，成為整個生產(chǎn)系統(tǒng)的一個組成部分，這樣傳統(tǒng)上由專業(yè)工程師管理的UPS 就可以納入生產(chǎn)工藝管理員的工作范圍，可以進一步節(jié)約了管理成本，而且使UPS 的使用、維護和管理也變得越來越容易。

3 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術特點

物聯(lián)網(wǎng)是近年來社會產(chǎn)業(yè)信息化、工業(yè)化發(fā)展到一定程度的新興技術，就是使用無處不在的無線網(wǎng)絡聯(lián)接，把人、物、信息進行有效的連接，實現(xiàn)更加有效的社會聯(lián)運效應。早期使用的是傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)技術及藍牙、Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave 等短距離傳輸技術網(wǎng)絡，物與物連接的距離和能力有限，而移動網(wǎng)絡在接入能力上有無法比擬的獨特優(yōu)勢。但事實真正承載到移動網(wǎng)絡上的物與物聯(lián)接只占到聯(lián)接總數(shù)的10%。為此，產(chǎn)業(yè)鏈開始出現(xiàn)利用窄帶LTE 技術來承載IoT 聯(lián)接。2015 年9 月，NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)）應運而生（3GPP正式命名）。

NB-IoT 技術是萬物互聯(lián)網(wǎng)絡的一個新興的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術，NB-IoT 網(wǎng)絡基于全新的蜂窩網(wǎng)絡，一般180 kHz 帶寬，聚焦于低耗廣域網(wǎng)（LPWAN），基于授權的頻譜運營，可直接布置在GSM 網(wǎng)絡、UMTS 網(wǎng)絡或LTE 網(wǎng)絡，以便降低布置成本和實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT 具有以下五大特點：

（1）廣覆蓋。NB-IoT 與GPRS 或LTE 相比，最大鏈路提升了20 dB，相當于提升了100 倍，即使在地下車庫、地下室、地下管道等普通無線網(wǎng)絡信號難以到達的地方也容易覆蓋到。

（2）低成本。低速率、低功耗、低帶寬可以帶來終端的低復雜度，便于終端做到低成本。同時，NB-IoT 基于蜂窩網(wǎng)絡，可直接部署于現(xiàn)有的LTE 網(wǎng)絡，運營商部署成本也比較低。

（3）大容量。NB-IoT 基站的單扇區(qū)可支持超過5 萬個UE于核心網(wǎng)的連接，比現(xiàn)有2G、3G、4G 移動網(wǎng)絡有50～100 倍的用戶容量提升。

（4）授權頻譜。NB-IoT 可直接部署于LTE 網(wǎng)絡，也可以利用2G、3G 的頻譜重來部署，無論是數(shù)據(jù)安全和建網(wǎng)成本，還是在產(chǎn)業(yè)鏈和網(wǎng)絡覆蓋，相對于非授權頻譜都具有很強的優(yōu)越性。

（5）安全性。繼承4G 網(wǎng)絡安全的能力，支持雙向鑒權和空口嚴格的加密機制，確保用戶終端在發(fā)送數(shù)據(jù)時的空口安全性。

簡單而言，NB-IoT 提供了一個工業(yè)應用的相對低速無線通信網(wǎng)絡，其技術優(yōu)勢和特點，使之聚焦于傳輸間隔大、小數(shù)據(jù)量、小速率、時延不敏感等多種垂直行業(yè)，如遠程抄表、資產(chǎn)跟蹤、智能停車、智慧農(nóng)業(yè)等。

4 UPS 智能監(jiān)控管理解決方案

4.1 UPS 智能監(jiān)控管理目標

根據(jù)煉油化工裝置中使用UPS 做為關鍵設備這一特性，需要能夠實時掌握在運行的UPS 參數(shù)和狀態(tài)，能夠對當前可能存在的故障隱患發(fā)出預警，以便及時將故障處理在萌芽中，最大限度降低UPS 自身故障對裝置正常生產(chǎn)的影響。通過對UPS 的智能監(jiān)控，提高UPS 供電可靠性和自動化水平，實現(xiàn)可靠、安全、先進、高效的供電管理目標。

4.2 NB-IoT 構建UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的可行性

某煉化企業(yè)裝置共有180 套UPS，分布在方圓445 萬平方米范圍內(nèi)，其中化工區(qū)與煉油區(qū)相隔3 km。根據(jù)在運的UPS 分布廣、使用年限長短不一、品牌雜的實際情況，采用NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)構建智能管理系統(tǒng)的解決方案比較容易實施。

（1）遠程通信。由于煉油化工廠區(qū)內(nèi)UPS 分布較廣，要將眾多UPS 系統(tǒng)進行統(tǒng)一監(jiān)控管理，首先要解決遠程通信問題。構建的智能監(jiān)控平臺如與UPS 終端使用傳統(tǒng)的串口或網(wǎng)線通信，顯然要進行大規(guī)模的通信電纜敷設，對于在用的UPS 進行聯(lián)網(wǎng)改造工程量太大。如使用傳統(tǒng)的Wi-Fi 短距離射頻等通信手段，使用的中繼器數(shù)量眾多，而且信號受裝置建筑的影響較大。基于成熟應用的蜂窩無線網(wǎng)絡NB-IoT 技術，且較之傳統(tǒng)蜂窩無線網(wǎng)絡提升了20 dB，覆蓋面更廣，顯然適用此種長距離通信場景。

（2）實效性。對UPS 智能監(jiān)控的主要內(nèi)容是運行參數(shù)和預警，數(shù)據(jù)變化率不大，數(shù)據(jù)上傳的時間間隔可以適當拉長，NBIoT 的傳輸時延略大也能滿足數(shù)據(jù)的實時傳送。

（3）數(shù)據(jù)量。UPS 狀態(tài)通信數(shù)據(jù)報文只有幾十字節(jié)，NB-IoT網(wǎng)絡上行最低3.75 kHz 的傳輸載波完全勝任。

（4）安全性。NB-IoT 網(wǎng)絡為運營商經(jīng)營的專用網(wǎng)絡，有完備的安全機制，確保傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的準確和安全。

（5）成本性。無論是使用傳統(tǒng)的Wi-Fi 短距離射頻通信手段，還是使用串口或網(wǎng)線通信都需要購置設備和施工成本，NBIoT 網(wǎng)絡為運營商的專用網(wǎng)絡，使用NB-IoT 網(wǎng)絡只須給網(wǎng)絡運營商交納通信費，組網(wǎng)成本相對低廉。

4.3 UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)整體架構

UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)由NB-IoT 網(wǎng)關、NB-IoT 專網(wǎng)、物聯(lián)通信管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡交換設備、監(jiān)控管理平臺構成（圖1）。

圖1 UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)

首先UPS 運行參數(shù)等數(shù)據(jù)通過就近設置的NB-IoT 網(wǎng)關使用串口或網(wǎng)線通信方式采集上來，NB-IoT 網(wǎng)關將采集上來的數(shù)據(jù)進行打包處理，通過NB-IoT 專網(wǎng)上傳至物聯(lián)通信管理機，物聯(lián)通信管理機將數(shù)據(jù)轉換為以太網(wǎng)方式上傳數(shù)據(jù)服務器，監(jiān)控管理平臺利用服務器的大數(shù)據(jù)實現(xiàn)對各級UPS 的智能監(jiān)控管理。

當然，也可以在NB-IoT 專網(wǎng)上設置物聯(lián)云服務器，管理平臺直接通過NB-IoT 專網(wǎng)在云服務器上獲取信息數(shù)據(jù)，適用于大型的物聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)，也是物聯(lián)網(wǎng)應用的典型場景。

4.4 UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)設備配置

（1）UPS 系統(tǒng)通信方式。大部分UPS 自帶RS485 通信口，如果無485 通信口則通過232 口轉換成485 通信，采用MODBUS通信規(guī)約。使用RJ-45 網(wǎng)口通信的UPS 采用IEC101 或IEC103通信規(guī)約。

（2）NB-IoT 網(wǎng)關。其主要功能是支持COAP、TCP/ICP、MODBUS、IEC101、IEC103 等多種通信協(xié)議與UPS 通信，并具備一定數(shù)量的遙信和遙測數(shù)據(jù)接入和開關量輸出功能，采集UPS運行參數(shù)和預警等信息，將信息數(shù)據(jù)打包。其次是實現(xiàn)與物聯(lián)通信管理機通信，將打包的信息數(shù)據(jù)通過NB-IoT 專網(wǎng)上傳至物聯(lián)通信管理機。每臺UPS 與一臺BST3004H 物聯(lián)網(wǎng)關通過RS485（或RJ-45）通信口連接，所有UPS 數(shù)據(jù)通過NB-IoT 無線專網(wǎng)匯聚到上級物聯(lián)通信管理機。

（3）NB-IoT 專網(wǎng)。是由蜂窩無線網(wǎng)絡運營商提供的物聯(lián)通信專網(wǎng)，目前主要的運營商有中國移動、中國聯(lián)通和中國電信三家。根據(jù)當?shù)豊B-IoT 專網(wǎng)配置情況，選擇電信NB-IoT 網(wǎng)絡運營商服務，按200 個終端號配置，一年的通信費用大概5000 元左右。

（4）物聯(lián)通信管理機。其主要功能是通過NB-IoT 專網(wǎng)與NB-IoT 網(wǎng)關進行實時通信，同時支持COAP、TCP/ICP、MODBUS、IEC101、IEC103 等多種通信協(xié)議與監(jiān)控管理平臺設備進行通信。監(jiān)控中心設置BOT200 物聯(lián)通信管理機2 臺，采取冗余配置，通過RJ-45 以太網(wǎng)口（或RS485 串口）將UPS 終端數(shù)據(jù)通過IEC103（或MODBUS）標準協(xié)議送至數(shù)據(jù)服務器。

（5）網(wǎng)絡交換機。主要功能是實現(xiàn)以太網(wǎng)絡中各個設備的物理連接和數(shù)據(jù)交換。

（6）數(shù)據(jù)服務器。主要功能是將物聯(lián)通信管理機上傳的數(shù)據(jù)進行歸檔存貯和提供數(shù)據(jù)搜索引擎功能，供監(jiān)控管理平臺或遠程調(diào)用。

（7）監(jiān)控終端。具有人機交互界面的計算機操作終端，實現(xiàn)智能監(jiān)控的各項管理功能。在監(jiān)控中心和有人值班點設置監(jiān)控客戶端工控機，在局域網(wǎng)的各級管理部門設置局域網(wǎng)客戶端工控機，按不同的管理權限執(zhí)行相應的管理功能。

4.5 UPS 智能監(jiān)控系統(tǒng)管理平臺功能

（1）智能監(jiān)控后臺基于LINUX 系統(tǒng)，采用分層、分布式架構，按運行、報警等不同功能設置人機界面，使用柱狀圖、數(shù)字框、接線圖等方式，全面、連續(xù)、動態(tài)、實時在線監(jiān)測并保存運行參數(shù)和運行狀態(tài)。實時判斷UPS 是否發(fā)生報警，當UPS 的某部件發(fā)生故障或越限時，智能監(jiān)控主系統(tǒng)發(fā)出報警。

（2）夠實時顯示UPS 的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。包括輸入輸出電壓、輸入輸出電流、輸出頻率、蓄電池充電電流、整流器工作狀態(tài)、逆變器工作狀態(tài)、旁路開關狀態(tài)等。

（3）能夠對UPS 運行時間、負載率和故障信息等數(shù)據(jù)進行匯總統(tǒng)計，實現(xiàn)對UPS 設備的全壽命過程管理。

（4）也可以配備專業(yè)的電源監(jiān)控管理軟件，如PowerChute系列軟件，在一個管理界面上對多臺UPS 進行集中管理；設置UPS 向導；UPS 預警事件處理；UPS 故障排除操作建議；UPS 及電源問題E-mail/尋呼通知；UPS 及電源問題廣播通知；電源質(zhì)量分析工具等功能。

5 NB-IoT 物聯(lián)網(wǎng)技術應用前景

物聯(lián)網(wǎng)對無線通信的需求一直在變化，NB-IoT 面向低速率、低功耗的物聯(lián)網(wǎng)絡端，其技術特性非常適合于物聯(lián)網(wǎng)細分業(yè)務的發(fā)展場景，大規(guī)模的發(fā)展還要通信模塊成本和終端功耗必須進一步下降等問題進一步解決。在以智能抄表、智能停車、物品追蹤、獨立可穿戴智能設備、智能家居、智慧城市、智能制造等領域的應用場景將會大放異彩。萬物互聯(lián)是必然趨勢，NB-IoT的技術也將會向5G 網(wǎng)絡升級過渡，具有更高的峰值速率，意味著基于蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的更多連接數(shù)，將助推高清視頻、VoLTE 以及物聯(lián)網(wǎng)等應用快速普及，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)正在開啟一個前所未有的廣闊市場。