RT-Chirp 物聯網技術在油田配水間的應用

乙加牛

（新疆克拉瑪依油田公司，新疆 克拉瑪依 834000）

1 油田配水間遠程監控需求

注水井的注水量是進行油氣田分析的一項基礎數據。注水井注水量的調整是油田生產中一項重要的日常工作。通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和配水裝置的結合，可實現注水工藝參數實時遠程監控，遠程調節配水參數，有效替代員工現場工作，提高生產效率［1］。

目前，為響應油氣生產數字化和智能化轉型需求，新疆油田公司全面推進油氣生產物聯網建設，實現“集中監控+故障巡檢+遠程操控”的運行管理模式，推動生產組織方式轉型升級。遠程監控平臺、物聯網和配水間本地自動化系統的融合滿足了配水間遠程監控需求。遠程監控基本業務需求如下：①管匯流量監測和調節、管匯壓力遠程監測；②配水裝置參數配置；③配水裝置狀態查詢；④配水結果上報。

2 配水間遠程監控現狀

新疆油田公司在少數中心站已架設光纖網絡，而配水間設于中心站周圍，遠的配水間離中心站有4 km 的直線距離。考慮到新疆油田特殊的地形條件，光纖或無線網橋只能部署在有限區域內，無法實現寬帶全覆蓋。低成本、遠距離的窄帶無線傳輸技術可以幫助建立二級網絡，完成最后5 km 的物聯網覆蓋。同時，物聯網需要保障配水數據傳輸的實時和可靠性要求。

通過在中心站架設LoRa-Chirp 基站，寬帶可以覆蓋周邊配水間。遠程數據采集與監視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統與PLC/遠程終端控制（Remote Terminal Unit，RTU）系統現場控制設備通過LoRa-Chirp 協議通信，可以完成遠程測控任務。典型配水間遠程監控系統如圖1 所示。

3 關鍵技術

3.1 RT—Chirp 無線傳輸技術

目前，比較主流的傳統遠距離窄帶無線技術包括LoRaWAN和NB-IoT 兩種，但這兩種技術各有缺點：LoRaWAN 技術不支持可靠傳輸，不支持頻繁的下行指令和大數據包的上傳，空口資源利用率低，系統容量偏低；NB-IoT 技術依賴3GPP 核心網和接入網，使用授權頻段，技術壁壘高，并且需要運營商參與建設和維護，成本也高。因此，低成本、快速建網和免維護的物聯專網是最終選擇。RT-Chirp 技術作為新疆油田LoRa+協議體系的一部分，完全能滿足井站的油氣生產物聯網需求，并且經過多年的艱苦研發和成功試點，目前該技術已經大規模推廣應用。

RT-Chirp 是一種全新的面向流程工業的實時物聯網協議，主要應用于電力能源、石油化工、有色冶煉、倉儲物流等行業。其協議物理層采用CSS 擴頻調制技術，具備中遠距離覆蓋、抗干擾能力強和低功耗的特性；MAC 層融合載波偵聽和時分多址接入技術，能滿足突發性和密集性數據傳輸需求；空口調度算法能動態地分配上下行信道帶寬，并且對消息塊大小不敏感。通過和其他物聯網技術的比較可以發現，RT-Chirp 在信號覆蓋、功耗、時延、可靠性、調度能力、成本等指標上具有極強的綜合競爭力，能很好地滿足流程工業在離散監控和實時響應場景中的需求。

RT-Chirp 和LoRaWAN 相比，技術優勢明顯；與NB-IoT 比較，成本更低、功耗更低。具體技術指標比較如表1 所示。

表1 RT-Chirp、LoRaWAN 和NB-IoT 對比數據

3.2 RT-Chirp 技術的優越性

3.2.1 抗無線干擾和多徑衰落

AIS-Link 優先考慮SubG 頻段和抗干擾能力強的物理層技術，窄帶如LoRa，寬帶如OFDMA。LoRa 是最近幾年炙手可熱的LPWA 網絡技術，具備良好的抗外部干擾能力，與AISLink 跳頻技術結合可以達到良好的抗多徑衰落效果。OFDM屬于一種更先進的調制技術，抗多徑衰落表現更為優異。AISLink 支持最新的IEEE 802.15.4-2015 OFDM 標準。基于這一標準，AIS-Link 能實現更高的帶寬和更強的抗干擾能力。

3.2.2 信號覆蓋與網絡拓撲

典型的2.4G 頻段的網絡覆蓋一般為室外100 m，室內50 m。因此，網絡擴展只能依靠級聯。多跳網絡跳數越多，時延越大，網絡越剛性，穩定性也越差，如WirelessHART 就是一個非常剛性的TSCH 多跳網絡；WIA-PA 采用“星型+網狀”雙拓撲結構，簇首實現復雜，低功耗無法保證，同時由于星型子網信號覆蓋區域小，簇首的數量較多，WIA-PA 也會陷入MESH 組網的不利局面。

3.2.3 多樣性數據傳輸需求

當前，凡工業物聯網領域，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，滿足入網、資源請求和報警數據的實時傳輸需求；非競爭性信道采用TDMA 技術，滿足周期型和大數據的傳輸需求。TDM 時隙均為亞秒級，保證了低的傳輸時延。TDM 時隙的TSCH 特性提高了抗干擾性［2］。

3.2.4 動態的時隙資源調度

RT-Chirp 星型組網方便實現集中式時隙資源調度。當終端節點有上傳數據需求時，通過競爭性信道請求時隙資源，基站會在每個調度周期計算當前周期的時隙分配，終端節點通過監聽Beacon 信道獲取屬于自己的上下時隙（包括重傳時隙）的分配結果。上下行時隙動態分配，保證了時隙利用率最大化。

3.2.5 可靠傳輸和及時重傳

RT-Chirp 每個TDM 時隙的數據消息均有確認。如果終端或基站沒有收到確認，RT-Chirp 有機會在指定的重傳信道中重傳。

4 方案設計

使用RT-Chirp 技術的網絡為扁平化架構，根據網絡規模支持2 層或3 層網絡。在油氣田典型應用3 層網絡，包括終端設備、基站設備和網絡服務器。架構如圖2 所示。

圖2 RT-Chirp 技術網絡架構

4.1 終端設備

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

4.2 基站設備

基站設備作為網絡熱點，支持RT-Chirp 終端的入網和動態的數據服務。

4.3 網絡服務器

網絡服務器是網絡管理和網絡入口設備，提供終端和基站的遠程管理服務，也為SCADA 提供Modbus TCP 訪問接口。與傳統SCADA 通過Modbus TCP 直接訪問PLC/RTU 相比，RTChirp 網絡實現了Modbus TCP 訪問適配。因此，SCADA 無需修改代碼即可對接RT-Chirp 網絡，節約了開發成本。

5 應 用

在LoRAWAN 可以進行數據回傳卻無法進行遠程調控的應用場景中，RT-Chirp 成為很好的解決方案。目前，RT-Chirp物聯網已成功應用于新疆油田公司的各油氣田作業區，實現了邊遠分散配水間、配水井的數據回傳及遠程調控。SCADA 系統通過RT-Chirp 網絡直接訪問PLC，可以控制整個配水過程，從而獲取實時動態配水結果。

典型遠程自動配水業務描述如圖3 所示。

典型的配水間功能實體連接如圖4 所示。

圖4 配水間功能實體連接圖

如圖4 所示，每個配水間PLC/RTU 箱內部署RT-Chirp DTU，與RT-Chirp 基站組成RT-Chirp 傳輸網絡，負責整個網絡Modbus 協議的調制與解調，實現中控室SCADA 系統直接與PLC/RTU 進行通信；單基站信號可覆蓋多個配水間，支持配水間所有終端設備的數據傳輸；整個作業區共享一個網絡服務器；網絡服務器負責中轉和翻譯Modbus 讀寫指令；RT-Chirp網絡部署簡便，成本低廉。單基站信號覆蓋范圍達5 km，接入配水間的數量多達10 個。網絡服務器和SCADA 均和井區共享，不需要單獨部署。

目前，百口泉配水間聯網設備清單如下：①配水間63個；②RTU 63 個；③獨立恒流配水裝置36 套；④RT-Chirp 基站9 個。

配水間PLC/RTU 設備聯網后，SCADA 的運行情況如圖5所示。

圖5 配水間PLC/RTU 設備聯網后SCADA 的運行情況

在應用RT-Chirp 技術進行配注水系統改造之前，全廠共設有12 名專門的配注水管理人員，每天定點到現場抄錄配注水數據，并根據配注水要求對每口井配注量進行手動控制。在RT-Chirp 網絡搭建以后，SCADA 可以實時采集并遠程控制每口井的注入量，監控室只需安排一名員工負責監控。這不僅實現了全廠配水間的遠程自動控制，而且成功實現了配注水模式由人工向自動化方向轉變，報表也可以自動生成。這種應用不僅使自動化采集、控制調水更準確，還緩解了用工矛盾，真正實現了減員增效。在后期計量站的遠程采集控制中，也可采用已建的RT-Chirp 網絡，進一步降低組網成本。

6 結語

RT-Chirp 協議可以滿足配水間頻繁下發指令和配水結果可靠上報的要求。同時，部署少量基站即可滿足采油廠配水間的遠程監控需求。RT-Chirp 網絡部署不但簡便，而且成本極低，是油氣生產、物聯網在場站監控和場景自組網的理想選擇。采油廠以極低成本引入RT-Chirp 物聯網技術和產品后，解決了作業區所有配水間無法聯網和遠程監控的難題，使生產效率提升了10%、生產成本下降了10%。