工業PON技術在油氣生產場站組網的應用

黃威皓，鮑自翔，肖逸軍，葉康林

(中國石油西南油氣田公司通信與信息技術中心，四川 成都 610051)

0 引言

通信技術在近年來飛速發展，2017年，國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見中夯實網絡基礎部分提出了要支持企業大力推動工業無源光網絡(PON)的發展。工業PON，作為新一代面向數字化、智能化發展的全新網絡建設模式，是信息化和工業化的深度融合，能提供全光纖、高帶寬、高安全、多業務要求。

在油氣田行業中，伴隨多年的信息化發展以及生產場站的高速增量，傳統以太網交換組網方式在組網的靈活度、傳輸的穩定性以及網絡運維成本等方面跟上油氣場站信息化需求的發展步伐。同時，傳統網絡架構還存在擴容、調整復雜耗時，無法滿足柔性制造需求；網線升級對走線槽空間要求高，成本高，網線生命周期短，帶寬升級需更換介質等問題亟待解決。文章通過利用工業PON技術組網的生產信息化一體化橇為例，論述工業PON的技術特點和在油氣行業中的應用場景，比較傳統組網方式和工業PON組網的優劣勢，為油氣田信息化組網模式提供參考。

1 PON簡介

PON是一種應用于接入網,局端設備(OLT)與多個用戶端設備(ONU/ONT)之間通過無源的光纜、光分/合路器等組成的光分配網(ODN)連接的網絡。如圖1所示。它采用基帶數字傳輸技術傳輸雙向交互式業務。它由OLT(光線路終端)、光配線網ODN、及光網絡單元ONU組成[1]，在OLT和ONU之間的ODN沒有任何有源電子設備。PON使用波分復用(WDM)技術，同時處理雙向信號傳輸，上、下行信號分別用不同的波長，但在同一根光纖中傳送。OLT到ONU/ONT的方向為下行方向，反之為上行方向。下行方向采用1 490 nm，上行方向采用1 310 nm。這種時分多址的接入模式有效杜絕了數據沖突和網絡堵塞。

圖1 PON組網架構

2 工業PON技術特點

工業PON組網具有網絡層級更加扁平，安全更可靠、運維更安全的特性。傳統以太網交換機網絡由接入層、匯聚層、核心層三層架構進行組網，網絡層級多，尤其在大型工廠或場站更加明細。同時傳統組網的網絡信號受電磁干擾較大。而工業PON無源光網絡是純介質網絡，可以有效避免電磁對傳輸數據的影響和干擾。此外，工業PON采用更加扁平結構的進行組網，減少了如：RTN、SDH這類高成本傳輸設備，有效降低了建設成本。在網絡結構上PON是一種扇出的星型結構，可以服務大量用戶且在一定程度上消除各節點處理數據路由產生的延遲，形成高效的網絡傳輸模式，很大程度上降低了運維成本和難度。

工業PON技術具備終端接入認證和數據加密安全性，提供從終端到網絡到數據的三重安全保障，并支持多種ONU終端的認證功能，例如基于物理標識、RFID、邏輯標識等方式，可有效避免非受控終端接進網絡。工業PON的硬件設備具備很強工業穩定性，在超高低溫、高頻振動以及電磁干擾等環境下能保持正常運行。

工業PON在技術標準層面支持Type A-D多種保護倒換方案，可以提供不同等級的網絡自愈能力，在一路ODN網絡或者PON設備端口發生故障導致網絡中斷時，快速進行主備鏈路切換和業務恢復，保證工業場景對于系統高可靠性的要求。面對各類業務對于網絡資源能力需求、分權分域管理、安全隔離等必要的要求，工業PON設備具備切片能力，一個物理OLT可以虛擬為多個OLT分片，分別承載各類業務，實現獨立運維管理，業務和網絡資源互不干擾，可以有效實現可靠性、安全性、網絡資源三者之間的平衡。傳統組網與工業PON組網對比[2]如表1所示。

表1 傳統組網與工業PON組網對比

3 生產場站工業PON組網方案

3.1 傳統生產場站典型網絡介紹

在油氣生產物聯網系統建設中，數據及圖片傳輸是其關鍵部分之一，是系統運行的基礎。生產場站/井站作為終端對數據及圖片完成采集后通過生產網絡層層上傳。生產場站/井站作為數據匯聚的第一層級，匯聚場站生產數據后傳輸至中心站。目前場站采用的是傳統以太網交換機組網模式，局部傳輸網絡由二層匯集交換機以及光傳輸設備構成。如圖2所示。匯聚交換機下連數據采集器、硬盤錄像機、門禁安防主機等設備以此來匯聚工業生產數據、視頻數據以及安防數據，光傳輸設備用于局部網絡出局，通過光纖傳輸上行至中心站核心交換機。整個網絡使用數字電纜進行數據傳輸，帶寬窄、速度慢、數據實時性差。同時通信機房到各個生產設備之間需要添加有源設備和敷設大量電纜，不但提高了成本，而且不易維護，故障率高，穩定性差。

圖2 傳統場站組網模式

3.2 工業PON組網方案

如圖3所示，通過工業PON技術優化生產場站網絡結構，通過ONU替代傳統模式二層匯聚交換機作為新的匯聚設備，OUN具備比傳統交換機更強的工業性，在運行過程中穩定性更強，良好解決了傳統交換機因溫度過高跑死的問題。同時OUN同時具備電口和光口，減少了下聯光信號設備的層級，提升數據傳輸效率和穩定性。視頻數據、生產數據以及機房環境數據通過并在中心站部署OLT用于替代傳統核心交換機，極大扁平了網絡結構。ONU作為新的匯聚設備，通過其優秀的兼容性和協議轉換能力以及傳統交換機不具備的無線模塊，將生產場站所需的視頻圖像、生產數據以及環境信息等關鍵數據不沖突的匯聚到一起，視頻類數據需要高帶寬傳輸通過光纖匯入。站內各類無線傳感器和低帶寬設備則通過網線或無線接入接入。然后通過OUN上行傳輸至中心站OLT，OLT繼續上傳至生產數據平臺。

圖3 PON組網模式

3.3 優化效果

工業PON系統對局端資源占用很少，設備成本投入低，擴展容易且易于升級并能提供非常高的帶寬。同時采用無源光網絡進行數據傳輸，傳輸網絡中沒有任何有源電子設備，因此非常容易鋪設，減少了網絡管理和設備運維的工作量，有效降低運營和維護成本[3]。按照油氣行業生產現場一個中心站及四個下屬場站進行測算，工業PON所需的組網設備遠遠少于傳統以太網交換機組網，同比設備成本降低50%～70%，柜內占用空間降低2U。設備對比如表2所示。

表2 兩種組網模式設備需求對比

同時工業PON作為面向工業場景的傳輸設備，其抗高低溫、振動、電磁干擾的穩定工業特性能在各種惡劣的環境下穩定工作。高兼容度以及多種接入模式，可以滿足不同設備通信接口下的信號數據傳輸，有效保障油氣行業網絡傳輸能力和穩定性。

4 結語

工業PON作為新一代面向數字化、智能化發展的全新網絡建設模式，實踐發現，工業PON無源光網絡在工業環境下能夠較好地替代傳統組網方式，并具有穩定性強、經濟型高、維護管理簡單、擴展容易等優點，有效地減少了工業場景的網絡拓撲層級，提升網絡傳輸穩定性，并極大程度的降低了設備和運維成本，實現光纖替代網線而減少電磁干擾的安全生產目的。