數(shù)字油田4G網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)通信故障分析及解決方案

陳國(guó)杰

（大慶油田信息技術(shù)公司規(guī)劃設(shè)計(jì)中心，黑龍江 大慶 163000）

在數(shù)字油田架構(gòu)中，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)兩個(gè)層級(jí)。近年來，隨著油田公司公網(wǎng)接入DMZ隔離緩沖區(qū)的建成，4G傳輸網(wǎng)絡(luò)因其傳輸帶寬大、穩(wěn)定性好、覆蓋面廣、時(shí)延小、數(shù)據(jù)防護(hù)安全可靠等優(yōu)勢(shì)，在數(shù)字油田數(shù)據(jù)無線傳輸過程中已被廣泛應(yīng)用。在數(shù)字油田4G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，接入設(shè)備較多，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)通信故障頻發(fā)的情況不可避免，因此，研究制定故障解決方案、改進(jìn)數(shù)據(jù)通信隱患具有重要意義。

1 分析

采集數(shù)據(jù)到達(dá)SCADA服務(wù)器的路徑和方式如下：

井、間傳感器將采集數(shù)據(jù)通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳送到RTU，RTU依托4G（VPDN）網(wǎng)絡(luò)組建的L2TP通道將數(shù)據(jù)上傳至DMZ緩沖隔離區(qū)，并在L2TP通道基礎(chǔ)上建立IPsec加密隧道將數(shù)據(jù)發(fā)送之生產(chǎn)網(wǎng)服務(wù)器，如圖1。

圖1

傳輸過程中出現(xiàn)以下問題和故障：

1.1 RTU采集數(shù)據(jù)無法上傳SCADA服務(wù)器

RTU向組態(tài)服務(wù)器發(fā)送登錄報(bào)文，即同步位SYN=1時(shí)，RTU進(jìn)入SYN-SENT狀態(tài)，表示同步已發(fā)送。組態(tài)服務(wù)器收到RTU發(fā)送的登錄請(qǐng)求后，發(fā)送確認(rèn)數(shù)據(jù)包，確認(rèn)報(bào)文字段，當(dāng)ACK=1，此時(shí)組態(tài)服務(wù)端進(jìn)入SYN-RCVD狀態(tài)，表示同步已接收，RTU接收到組態(tài)服務(wù)器的確認(rèn)報(bào)文后發(fā)送確認(rèn)報(bào)文，此時(shí)雙方TCP連接建立完成，雙方都進(jìn)入ESTAB-LISHED狀態(tài)。遵循A11標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)服務(wù)器每隔10分鐘向RTU發(fā)送上傳數(shù)據(jù)報(bào)文，RTU收到報(bào)文后發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)。組態(tài)服務(wù)器回應(yīng)報(bào)文，即FIN=1確認(rèn)，回復(fù)FIN=0是沒有收到或者是收到錯(cuò)誤報(bào)文，在設(shè)置時(shí)間無響應(yīng)則連接終止。在TIME-WAIT狀態(tài)等待時(shí)間2MSL內(nèi)，組態(tài)服務(wù)器沒收到報(bào)文信息會(huì)發(fā)送關(guān)閉連接報(bào)文，組態(tài)服務(wù)器進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

故障分析：一是由于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性或其他原因造成RTU發(fā)送登錄包超時(shí)；二是RTU發(fā)送數(shù)據(jù)連接報(bào)文超時(shí)，組態(tài)服務(wù)器在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)報(bào)文，會(huì)認(rèn)為RTU不在線，結(jié)果造成連接關(guān)閉，數(shù)據(jù)無法傳輸。

解決辦法：一是增加RTU斷線自動(dòng)連接機(jī)制，在對(duì)方無返回報(bào)文情況下主動(dòng)斷開TPC連接，從新連接TPC發(fā)送同步位報(bào)文，等待組態(tài)服務(wù)器接收。檢查發(fā)送登錄報(bào)文是否屬于無法校驗(yàn)報(bào)文；二是查看組態(tài)服務(wù)器參數(shù)配置如（MAC地址、校驗(yàn)碼、加密配置、信道分配等）。發(fā)送接收數(shù)據(jù)包如圖2。

圖2

1.2 數(shù)據(jù)重復(fù)情況

RTU發(fā)出同步位連接請(qǐng)求，但是在網(wǎng)絡(luò)中長(zhǎng)時(shí)間滯留了而沒有發(fā)送到組態(tài)服務(wù)器，此時(shí)由于RTU沒有接收到組態(tài)服務(wù)器發(fā)送過來的確認(rèn)請(qǐng)求，所以RTU就將連接釋放了，在RTU釋放了連接之后組態(tài)服務(wù)器又接收到了RTU發(fā)送過來遲到的連接請(qǐng)求，由于組態(tài)服務(wù)器不知道此時(shí)RTU已經(jīng)釋放了連接了，所以組態(tài)服務(wù)器認(rèn)為是有效的連接。造成讀取的數(shù)值是上一次數(shù)據(jù)。

故障分析：一是在RTU發(fā)送同步位報(bào)文后，組態(tài)服務(wù)器沒有給出回應(yīng)，組態(tài)服務(wù)器確認(rèn)RTU沒有發(fā)送報(bào)文，或者認(rèn)為這個(gè)報(bào)文異常或丟失，會(huì)繼續(xù)等待接收下一條報(bào)文，RTU發(fā)送一條報(bào)文后寄存器沒有更新下一次需要的數(shù)據(jù)，造成每次發(fā)送的數(shù)據(jù)報(bào)文都是同一條數(shù)據(jù)；二是組態(tài)服務(wù)器對(duì)接收到的報(bào)文進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)不通過會(huì)再ACK返回異常的報(bào)文seq，如果RTU沒收到返回報(bào)文，認(rèn)為組態(tài)服務(wù)器還處于LISTEN狀態(tài)，會(huì)繼續(xù)發(fā)送這條報(bào)文，造成組態(tài)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)都是同一條數(shù)據(jù)。

解決方法：一是RTU設(shè)置重傳機(jī)制解決報(bào)文連接請(qǐng)求，設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器在有效時(shí)間內(nèi)繼續(xù)發(fā)送同步位報(bào)文。確認(rèn)服務(wù)器登陸信息后開始建立連接，在RTU發(fā)送同步位報(bào)文后，RTU2分鐘內(nèi)還未得到確認(rèn)信息，自動(dòng)斷開現(xiàn)有IP地址，從新?lián)芴?hào)建立與組態(tài)服務(wù)器的連接，并確認(rèn)組態(tài)服務(wù)器接收到信息后下發(fā)另一條數(shù)據(jù)報(bào)文；二是組態(tài)服務(wù)器設(shè)置響應(yīng)時(shí)間，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)返回報(bào)文沒有確認(rèn)，重新發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求包，建立新的連接。

1.3 組態(tài)服務(wù)器無數(shù)據(jù)顯示

故障分析：由于網(wǎng)絡(luò)中斷引起RTU發(fā)送發(fā)出同步位連接請(qǐng)求后組態(tài)服務(wù)器沒有接受到RTU發(fā)送的報(bào)文，無法給出下一次連接請(qǐng)求，造成RTU認(rèn)為組態(tài)服務(wù)器一直在線，認(rèn)為組態(tài)服務(wù)器收到登錄信息，但沒有下發(fā)報(bào)文請(qǐng)求，一直等待組態(tài)確認(rèn)信息。導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送超時(shí)后，組態(tài)服務(wù)器關(guān)閉連接報(bào)文，進(jìn)入CLOSED狀態(tài)。

解決方法：一是查看附近是否有干擾源，造成同步失敗；二是查看4G信號(hào)覆蓋率和LTE RSRQ信號(hào)接收質(zhì)量；三是RTU發(fā)送登錄報(bào)文后，在設(shè)定時(shí)間內(nèi)確認(rèn)組態(tài)服務(wù)器是否返回報(bào)文信息，查看組態(tài)服務(wù)器返回報(bào)文信息是否對(duì)應(yīng)；四是超時(shí)沒有回復(fù)報(bào)文情況下RTU自動(dòng)重啟設(shè)備重新連接TCP，發(fā)送登錄報(bào)文即可解決。

1.4 組態(tài)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)不全（服務(wù)器數(shù)據(jù)整體丟失，單組數(shù)據(jù)丟失）

故障分析及解決方法：組態(tài)服務(wù)器數(shù)據(jù)排序機(jī)制把每條報(bào)文都包含一個(gè)SEQ序列號(hào)，這個(gè)序列號(hào)會(huì)從初始的值上進(jìn)

行遞增，如果發(fā)送方發(fā)送seq=x，則接收方的ACK=x+1，如果丟了某一條報(bào)文，或者接收非法報(bào)文，則無法進(jìn)行數(shù)值傳遞，下一組報(bào)文會(huì)空值，由于有停等協(xié)議每次只可發(fā)送一個(gè)報(bào)文，等確認(rèn)之后才可發(fā)送下一個(gè)報(bào)文，在窗口占滿的情況下無法向組態(tài)服務(wù)器進(jìn)行發(fā)送報(bào)文。

解決方法:一是由于網(wǎng)絡(luò)擁堵或達(dá)到最大用戶數(shù)造成掉線可以通過擴(kuò)容的方法解決；二是RTU重啟后更新同步位報(bào)文同時(shí)激活網(wǎng)絡(luò)；三是RTU寄存器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)使時(shí)間小于上傳時(shí)間，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)密集的傳輸修改上傳報(bào)文時(shí)間。

在符合油田A11協(xié)議下，通過改變RTU傳輸機(jī)制，打造智能化RTU。它可以自動(dòng)判斷獲取的數(shù)據(jù)是否立即上報(bào)中心控制站，或者中心控制站要求時(shí)再傳送數(shù)據(jù)。會(huì)自動(dòng)檢測(cè)通信的中斷，支持自動(dòng)重連、自動(dòng)撥號(hào)。保證同步為報(bào)文正常發(fā)送，可以改變報(bào)文在網(wǎng)絡(luò)的存儲(chǔ)時(shí)間而不會(huì)當(dāng)作錯(cuò)誤報(bào)文刪除。通過更加合理的RTU與組態(tài)服務(wù)器的設(shè)置優(yōu)化，更好的保證數(shù)據(jù)的傳輸。

2 結(jié)語

上述解決辦法不僅適用于4G網(wǎng)絡(luò)，同樣可以解決網(wǎng)橋、WLAN等無線組網(wǎng)方式下的數(shù)據(jù)通信故障。分析過程和結(jié)論可以幫助數(shù)字油田運(yùn)維人員精準(zhǔn)定位問題、快速排除故障、縮短排障歷時(shí)、提高工作效率。以前處理上述故障需要1～2天甚至更久，現(xiàn)在基本在幾個(gè)小時(shí)甚至更短時(shí)間就能定位問題并完成障礙處理。同時(shí)文中列舉的相關(guān)方法，在公司乃至油田范圍內(nèi)，具有一定推廣價(jià)值，對(duì)提升公司數(shù)字油田運(yùn)維能力和服務(wù)質(zhì)量具有積極作用，通過進(jìn)一步總結(jié)、提煉可以在今后形成公司數(shù)字油田數(shù)據(jù)通信方面的維護(hù)指導(dǎo)手冊(cè)。