RT-Chirp 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(jiān)控需求

注水井的注水量是進行油氣田分析的一項基礎數(shù)據(jù)。注水井注水量的調(diào)整是油田生產(chǎn)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(jié)合，可實現(xiàn)注水工藝參數(shù)實時遠程監(jiān)控，遠程調(diào)節(jié)配水參數(shù)，有效替代員工現(xiàn)場工作，提高生產(chǎn)效率［1］。

目前，為響應油氣生產(chǎn)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型需求，新疆油田公司全面推進油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)建設，實現(xiàn)“集中監(jiān)控+故障巡檢+遠程操控”的運行管理模式，推動生產(chǎn)組織方式轉(zhuǎn)型升級。遠程監(jiān)控平臺、物聯(lián)網(wǎng)和配水間本地自動化系統(tǒng)的融合滿足了配水間遠程監(jiān)控需求。遠程監(jiān)控基本業(yè)務需求如下：①管匯流量監(jiān)測和調(diào)節(jié)、管匯壓力遠程監(jiān)測；②配水裝置參數(shù)配置；③配水裝置狀態(tài)查詢；④配水結(jié)果上報。

2 配水間遠程監(jiān)控現(xiàn)狀

新疆油田公司在少數(shù)中心站已架設光纖網(wǎng)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?？紤]到新疆油田特殊的地形條件，光纖或無線網(wǎng)橋只能部署在有限區(qū)域內(nèi)，無法實現(xiàn)寬帶全覆蓋。低成本、遠距離的窄帶無線傳輸技術(shù)可以幫助建立二級網(wǎng)絡，完成最后5 km 的物聯(lián)網(wǎng)覆蓋。同時，物聯(lián)網(wǎng)需要保障配水數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r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(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系統(tǒng)與PLC/遠程終端控制（Remote Terminal Unit，RTU）系統(tǒng)現(xiàn)場控制設備通過LoRa-Chirp 協(xié)議通信，可以完成遠程測控任務。典型配水間遠程監(jiān)控系統(tǒng)如圖1 所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 RT—Chirp 無線傳輸技術(shù)

目前，比較主流的傳統(tǒng)遠距離窄帶無線技術(shù)包括LoRaWAN和NB-IoT 兩種，但這兩種技術(shù)各有缺點：LoRaWAN 技術(shù)不支持可靠傳輸，不支持頻繁的下行指令和大數(shù)據(jù)包的上傳，空口資源利用率低，系統(tǒng)容量偏低；NB-IoT 技術(shù)依賴3GPP 核心網(wǎng)和接入網(wǎng)，使用授權(quán)頻段，技術(shù)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(wǎng)和免維護的物聯(lián)專網(wǎng)是最終選擇。RT-Chirp 技術(shù)作為新疆油田LoRa+協(xié)議體系的一部分，完全能滿足井站的油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)需求，并且經(jīng)過多年的艱苦研發(fā)和成功試點，目前該技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模推廣應用。

RT-Chirp 是一種全新的面向流程工業(yè)的實時物聯(lián)網(wǎng)協(xié)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(yè)。其協(xié)議物理層采用CSS 擴頻調(diào)制技術(shù)，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(shù)，能滿足突發(fā)性和密集性數(shù)據(jù)傳輸需求；空口調(diào)度算法能動態(tài)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的比較可以發(fā)現(xiàn)，RT-Chirp 在信號覆蓋、功耗、時延、可靠性、調(diào)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(yè)在離散監(jiān)控和實時響應場景中的需求。

RT-Chirp 和LoRaWAN 相比，技術(shù)優(yōu)勢明顯；與NB-IoT 比較，成本更低、功耗更低。具體技術(shù)指標比較如表1 所示。

表1 RT-Chirp、LoRaWAN 和NB-IoT 對比數(shù)據(jù)

3.2 RT-Chirp 技術(shù)的優(yōu)越性

3.2.1 抗無線干擾和多徑衰落

AIS-Link 優(yōu)先考慮SubG 頻段和抗干擾能力強的物理層技術(shù)，窄帶如LoRa，寬帶如OFDMA。LoRa 是最近幾年炙手可熱的LPWA 網(wǎng)絡技術(shù)，具備良好的抗外部干擾能力，與AISLink 跳頻技術(shù)結(jié)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(diào)制技術(shù)，抗多徑衰落表現(xiàn)更為優(yōu)異。AISLink 支持最新的IEEE 802.15.4-2015 OFDM 標準?；谶@一標準，AIS-Link 能實現(xiàn)更高的帶寬和更強的抗干擾能力。

3.2.2 信號覆蓋與網(wǎng)絡拓撲

典型的2.4G 頻段的網(wǎng)絡覆蓋一般為室外100 m，室內(nèi)50 m。因此，網(wǎng)絡擴展只能依靠級聯(lián)。多跳網(wǎng)絡跳數(shù)越多，時延越大，網(wǎng)絡越剛性，穩(wěn)定性也越差，如WirelessHART 就是一個非常剛性的TSCH 多跳網(wǎng)絡；WIA-PA 采用“星型+網(wǎng)狀”雙拓撲結(jié)構(gòu)，簇首實現(xiàn)復雜，低功耗無法保證，同時由于星型子網(wǎng)信號覆蓋區(qū)域小，簇首的數(shù)量較多，WIA-PA 也會陷入MESH 組網(wǎng)的不利局面。

3.2.3 多樣性數(shù)據(jù)傳輸需求

當前，凡工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)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(shù)，滿足入網(wǎng)、資源請求和報警數(shù)據(jù)的實時傳輸需求；非競爭性信道采用TDMA 技術(shù)，滿足周期型和大數(shù)據(jù)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(tài)的時隙資源調(diào)度

RT-Chirp 星型組網(wǎng)方便實現(xiàn)集中式時隙資源調(diào)度。當終端節(jié)點有上傳數(shù)據(jù)需求時，通過競爭性信道請求時隙資源，基站會在每個調(diào)度周期計算當前周期的時隙分配，終端節(jié)點通過監(jiān)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(jié)果。上下行時隙動態(tài)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(shù)據(jù)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(shù)的網(wǎng)絡為扁平化架構(gòu)，根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)模支持2 層或3 層網(wǎng)絡。在油氣田典型應用3 層網(wǎng)絡，包括終端設備、基站設備和網(wǎng)絡服務器。架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 RT-Chirp 技術(shù)網(wǎng)絡架構(gòu)

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(wǎng)絡熱點，支持RT-Chirp 終端的入網(wǎng)和動態(tài)的數(shù)據(jù)服務。

4.3 網(wǎng)絡服務器

網(wǎng)絡服務器是網(wǎng)絡管理和網(wǎng)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(tǒng)SCADA 通過Modbus TCP 直接訪問PLC/RTU 相比，RTChirp 網(wǎng)絡實現(xiàn)了Modbus TCP 訪問適配。因此，SCADA 無需修改代碼即可對接RT-Chirp 網(wǎng)絡，節(jié)約了開發(fā)成本。

5 應 用

在LoRAWAN 可以進行數(shù)據(jù)回傳卻無法進行遠程調(diào)控的應用場景中，RT-Chirp 成為很好的解決方案。目前，RT-Chirp物聯(lián)網(wǎng)已成功應用于新疆油田公司的各油氣田作業(yè)區(qū)，實現(xiàn)了邊遠分散配水間、配水井的數(shù)據(jù)回傳及遠程調(diào)控。SCADA 系統(tǒng)通過RT-Chirp 網(wǎng)絡直接訪問PLC，可以控制整個配水過程，從而獲取實時動態(tài)配水結(jié)果。

典型遠程自動配水業(yè)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(nèi)部署RT-Chirp DTU，與RT-Chirp 基站組成RT-Chirp 傳輸網(wǎng)絡，負責整個網(wǎng)絡Modbus 協(xié)議的調(diào)制與解調(diào)，實現(xiàn)中控室SCADA 系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸；整個作業(yè)區(qū)共享一個網(wǎng)絡服務器；網(wǎng)絡服務器負責中轉(zhuǎn)和翻譯Modbus 讀寫指令；RT-Chirp網(wǎng)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(shù)量多達10 個。網(wǎng)絡服務器和SCADA 均和井區(qū)共享，不需要單獨部署。

目前，百口泉配水間聯(lián)網(wǎng)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(lián)網(wǎng)后，SCADA 的運行情況如圖5所示。

圖5 配水間PLC/RTU 設備聯(lián)網(wǎng)后SCADA 的運行情況

在應用RT-Chirp 技術(shù)進行配注水系統(tǒng)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(xiàn)場抄錄配注水數(shù)據(jù)，并根據(jù)配注水要求對每口井配注量進行手動控制。在RT-Chirp 網(wǎng)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(jiān)控室只需安排一名員工負責監(jiān)控。這不僅實現(xiàn)了全廠配水間的遠程自動控制，而且成功實現(xiàn)了配注水模式由人工向自動化方向轉(zhuǎn)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(diào)水更準確，還緩解了用工矛盾，真正實現(xiàn)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(wǎng)絡，進一步降低組網(wǎng)成本。

6 結(jié)語

RT-Chirp 協(xié)議可以滿足配水間頻繁下發(fā)指令和配水結(jié)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(jiān)控需求。RT-Chirp 網(wǎng)絡部署不但簡便，而且成本極低，是油氣生產(chǎn)、物聯(lián)網(wǎng)在場站監(jiān)控和場景自組網(wǎng)的理想選擇。采油廠以極低成本引入RT-Chirp 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品后，解決了作業(yè)區(qū)所有配水間無法聯(lián)網(wǎng)和遠程監(jiān)控的難題，使生產(chǎn)效率提升了10%、生產(chǎn)成本下降了10%。