基于5G網絡技術的天然氣管網智能監控系統的設計

吳海平

(萬科思自動化(上海)有限公司,上海 200135)

天然氣管網建設具有廣域分布的特點,因此其管線上的場站和閥室均散落在城市郊區的各個角落。根據工藝的復雜度和重要性,部分場站會單獨建立本地站控系統,安排有人值守;而大部分無人值守的場站則需要遠傳到控制中心集中監控。現有的通信方式中,光纖價格高容易被挖斷;早期建設的無線通信帶寬低,不穩定。隨著時代的發展,企業為了提高管理水平,將進一步加強集中監控,為實現現場全面無人值守和控制中心智能監控的目標,對通信網絡的穩定性、及時性、可靠性、安全性的要求也更高了[1]。5G網絡技術的出現,可大幅優化天然氣數據監控通信網絡,為企業實現高效數據采集,建設智慧燃氣奠定良好的基礎。

1 5G網絡技術

與前幾代移動通信網絡相比,5G網絡技術的各方面能力都有了飛躍性的發展。最直觀的體現是在網速方面,其下行峰值數據傳輸速率可達20 GiBit/s,而上行峰值數據傳輸速率可能超過10 GiBit/s;在提高網速的同時,5G網絡還大幅降低了時延、提高了整體網絡傳輸效率,為用戶提供小于5 ms的端到端時延。可以看到,5G網絡能夠帶來超越光纖的傳輸速度,超越工業總線的實時能力以及全空間的連接,5G網絡將開啟充滿機遇的時代,滿足人們對萬物互聯的各種想象[2]。

5G網絡技術的主要技術特點有: 更快的網速,滿足大數據量的快速傳輸;更低的時延,滿足實時性的需求;更廣的連接,滿足多站點并發采集的需求。因此,5G網絡技術的到來,為完善提高天然氣管道智能化監控水平提供了更多的可能[3]。

2 數據監控網絡現狀分析

天然氣管網的工藝數據監控主要基于數據采集與監視控制系統(SCADA)來完成。SCADA是以計算機為基礎的生產過程控制與調度自動化系統,可以遠程監視和控制分布在各地的現場運行設備,以實現數據采集、設備控制、測量、參數調節以及各類信號報警等各項功能[4]。

SCADA采集監控城市天然氣管道上的場站和閥室的運行數據,尤其是高中壓管線的場站和閥室基本上都是分布在城市郊區,現有的通信方式主要有以下幾種:

1)自建光纖。該方式需要在管網規劃建設階段就考慮設計,讓光纖隨管道敷設。已建成的大部分管線都不具備條件,即使是新建規劃的管線。該方式成本也很高,一般只在重要的調度中心,區控中心或個別重要有人站點才會敷設。同時,管線周邊的維護性施工,經常會挖斷光纖造成通信中斷,并對系統監控產生重大影響。

2)租用運營商專線。租用運營商的專線,可以就近從運營商的機房中引光纖到站點,但往往站點周邊第三方施工也比較多,也會出現和自建光纖一樣被挖斷的現象。同時,租用專線的費用也不低。

3)2G/3G無線通信。由于國內的2G/3G的無線網絡覆蓋和普及率高,因此在不少無法鋪設光纖或附近沒有運營商資源的站點采用該方式。但2G/3G的無線網絡經常出現信號不穩定,受天氣影響、周圍建筑或植物生長的影響、站點地理位置因素(站點多在郊區,信號弱)等影響較大,經常出現掉線,或者需要維護工程師到現場重置設備才能恢復,給用戶造成了不少困擾。

4)衛星通信。少數的天然氣企業租用衛星進行無線通信。因為使用的用戶少,該方式的使用成本和維護成本都比較高,數據時延長,也受天氣、周圍建筑或植物生長的影響較大。

上述幾種通信方式目前已經不適用現有SCADA對大量數據實時采集的可靠性,穩定性和網絡安全性的要求。

3 在數據智能監控方面的應用

國內5G網絡技術的快速普及和商用,給天然氣SCADA數據通信和采集提供了一種很好的解決方案。以某城市天然氣管網智能化監控改造項目為例,具體體現在以下幾個方面。

3.1 高帶寬

目前,該城市的天然氣中高壓管網長度已超800 km,設有各種首站、門站、計量站點70多座,閥室上百個,總計接入實時數據點數2×104多點。由于各個站點建設的時期不一樣,之前的通信網絡受限于早期的技術條件,有2G/3G接入、租用運營商有線網絡、衛星接入等,各不相同,網絡狀態不佳,數據通信不穩定,維護工作量大,已經不能滿足現有業務對數據采集和智能化調度的需求。

5G網絡技術改造方案的提出和實施,很好地解決了上述問題,同時為后續的天然氣管網的智能化調度打下了堅實的基礎,增強了移動寬帶,創造出了更快的網絡速率,解決了之前帶寬低、數據擁堵、刷新慢的問題,滿足了大數據的采集需求,為企業的數字化轉型提供了基礎數據支撐。

3.2 低時延

改造之前,整個SCADA網絡通信時延較大,時有發生丟包的現象。因此,系統的數據刷新頻率較低,個別站點每隔一段時間還會出現網絡卡死或假死的現象,導致數據不刷新,需要維護人員到現場站點重啟復位網絡設備。該問題處理起來不僅工作量大,還給整個管網的安全運維帶來隱患。

該項目采用5G技術并結合SCADA軟件DNP協議的主動上報功能,不僅讓數據達到毫秒級的實時上傳,數據傳輸的穩定性和可靠性也得到質的提升。調度人員能更加及時地了解到管線上各個節點壓力的變化情況,關鍵閥門的變位情況,結合管網的智能仿真系統,可及時有效地對管網的危險情況做出預警。整個SCADA的監控調度更加流暢,數據刷新頻率更快,實時性更高,天然氣站點的遠程監控命令更加高效和可靠,為今后有人站點的無人值守,減員增效打下了很好的基礎,提升天然氣管網自動化控制的整體水平。

3.3 多站點接入

天然氣管網SCADA面臨的最大問題就是站點多,分布廣。改造之前不同通信方式接入的時間缺乏統一的規劃,IP資源分配不合理,面臨IP資源枯竭的問題。另外,2G/3G無線通信卡撥號時候一般都是動態IP的方式,每次重啟后重新撥號IP都會發生變化,因此,網絡中配置了1臺通信服務器用來做數據轉發。通信服務器上有固定IP,每個場站無線設備撥號后作為TCP client,連接到通信服務器的固定IP上,SCADA軟件再和通信服務器進行通信,完成數據采集和遠程監控。站點增多后,通信服務器IP資源就出現了瓶頸,影響了后續新建站點的接入。改造前系統結構如圖1所示。

圖1 改造前的系統結構示意

圖1中通信方式未考慮到網絡安全,數據在公網上明文傳輸,有較大的風險。因此,改造方案考慮了5G+虛擬私有撥號網絡(VPDN)接入的方式。VPDN是指以撥號接入方式上網,通過對網絡數據的封包和加密在公網上傳輸私有數據,達到私有網絡的安全級別。基于該項業務,企業可在公共網絡上構建1條虛擬的、不受外界干擾的專用通道,從而安全訪問企業網內部的數據資源。改造后的系統結構如圖2所示。

圖2 改造后的系統結構示意

VPDN的網絡部署,通過GRE隧道的加密方式不僅給數據在公網上傳輸帶來安全性的保證,同時可以給每個站點映射并分配一個固定的內網IP,如192.168.XXX.XXX網段,這樣SCADA就可以不需要通信服務器的轉發,直接訪問到各個站點的IP。

5G網絡技術信號好、覆蓋范圍廣的特點可方便實現多用戶多站點的協同組網,再配合VPDN帶來的公網傳輸的安全性的保證,很好地解決了天然氣管網站點多、分布廣帶來的接入問題。

3.4 雙鏈路冗余配置

天然氣供應關系到千家萬戶以及市內重點企業的能源使用,因此,對天然氣管網各站點的監控和智能調度的重要性不言而喻。除了利用5G網絡技術提高數據通信的穩定性和可靠性,同時升級方案還考慮引入了雙運營商雙鏈路冗余的通信機制,來確保通信的萬無一失。即每個接入站點都配置了“一主一備”2條5G通信鏈路,2條鏈路采用不同的運營商(如聯通和電信),確保某一個運營商的網絡出現故障時,可自動地從主鏈路切換到備用鏈路,保證SCADA數據采集的連續性。

為了實現雙鏈路冗余切換,站點的RTU設備自帶2個以上的網口,分別鏈接2個不同運營商的5G無線路由器,并完成雙網關配置,從而實現冗余自動切換的功能。

具體的雙網關配置為: 第一個網口設置為通過默認網關192.168.1.1訪問目標IP,即設備中除其他網關有設定的目標IP外的其他IP;第二個網口設置通過網關192.168.2.1訪問目標地址為192.168.101.XXX和192.168.102.XXX網段的IP;第三個網口為本地IP,用于連接CP通信卡。

4 在天然氣其他場景的應用

5G網絡技術的高帶寬、低時延、廣連接的優勢使其在天然氣行業有著較為廣泛的應用場景。目前,天然氣的SCADA,主要采集的是現場的工藝數據,如溫度、壓力、流量和設備的開關狀態等。但受限于之前的通信能力,大量的設備診斷數據并沒有采集,比如流量計零點漂移,關鍵參數的報警等信息。以往情況都是在設備出現問題后,維護人員才到現場去采集、分析、調校。結合5G網絡技術,可以方便將大量的設備診斷數據進行遠傳,利用云計算、大數據分析等技術手段,建立設備遠程智能診斷系統,對設備的運行狀態進行事前預警和維護。

天然氣管網幾百公里的管線,目前采用的大多是車輛巡檢的方式。5G無人機巡檢技術,可通過無人機沿著管線低空飛行,拍攝高清視頻,捕獲得到信息通過5G網絡技術實時傳回到調度中心,工作人員可以足不出戶完成繁重的巡檢工作。傳回的圖像信息可以和后臺數據進行AI智能比對,對違章搭建、異物闖入、不規范施工等進行報警,并通知工作人員,及時處置問題,從而保證管網的安全運行[5]。

天然氣站點的泄漏檢測一直是個難題,有了5G網絡技術,再結合紅外檢測技術和視頻檢測技術,可以實現快速的泄漏檢測報警和定位。通過紅外檢測技術掃描燃氣設備,當發現有泄漏產生時,將附近的視頻數據和紅外掃描的定位數據一起通過5G網絡傳回云端進行智能比對,算出準確的泄漏點,并及時報警通知應急處置人員。

5 結束語

該項目通過5G網絡技術的成功應用后,通信質量有了很大的改善,網絡安全方面達到了國家安全等保“2.0”的第三級標準要求,大幅減輕了維護人員的工作量,為后續管網擴容建設接入更多站點打下了堅實的基礎。

隨著物聯網的發展以及天然氣行業數字化轉型的訴求,基于5G通信技術,并結合自動化、信息化和智能化等先進技術,可實現天然氣行業各生產要素之間的協同配合,進而使生產效率得到有效提升,并且更好地保障生產的安全。