無線通信技術(shù)在智能煉化工廠應用
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摘要:煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作為自動化和信息化融合的典型系統(tǒng)，具有“全面感知、可靠傳輸、智能應用”的關鍵特征。為實現(xiàn)煉化作業(yè)現(xiàn)場的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，無線傳輸?shù)闹匾允遣谎远鞯?。本文論述了煉化物?lián)網(wǎng)對無線傳輸?shù)男枨?，簡單介紹了第四代移動通信技術(shù)的優(yōu)勢及中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)試點應用項目的建設情況。煉化工廠無線覆蓋環(huán)境復雜，作業(yè)現(xiàn)場多系爆炸性危險環(huán)境，因此實現(xiàn)4G無線覆蓋難度較大，且部署到作業(yè)現(xiàn)場的基站設備需采用防爆產(chǎn)品。為解決這些問題，項目對無線覆蓋區(qū)域進行了詳細的勘測，并專門研制了防爆型基站產(chǎn)品，本文對這些工作進行了詳細的論述。文章最后總結(jié)了研究成果和在獨山子石化物聯(lián)網(wǎng)試點項目中的應用。
關鍵詞:TD－LTE;煉化;物聯(lián)網(wǎng);無線信號覆蓋;防爆
1緒論
1.1背景及意義
自中國石油天然氣股份有限公司(簡稱中石油)將煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)項目(B8項目)調(diào)整進入集團公司“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃以來，集團多家企業(yè)對煉化物聯(lián)網(wǎng)進行了積極深入的探索和廣泛的應用，有效提升了企業(yè)全面感知、預測預警、協(xié)同優(yōu)化和科學決策的能力，推進了企業(yè)轉(zhuǎn)型升級、提質(zhì)增效、可持續(xù)內(nèi)涵式發(fā)展。獨山子石化是我國西部大型石化基地和油氣引進、儲運、加工的戰(zhàn)略樞紐，項目通過對獨山子石化的現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢和業(yè)務需求進行分析，提出了煉化企業(yè)基于TD－LTE(分時長期演進)無線通信技術(shù)的智能工廠建設方案。通過對現(xiàn)場的詳細實地勘察，設計了完善的無線覆蓋方案。針對爆炸性危險環(huán)境專門研制了防爆LTE基站，以滿足作業(yè)現(xiàn)場的無線覆蓋需求。最終在所有需要進行煉化物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的廠區(qū)、辦公室等區(qū)域采用TD－LTE無線專網(wǎng)實現(xiàn)了無線信號的無縫覆蓋，并對專網(wǎng)的傳輸速率、時延、覆蓋情況等進行了現(xiàn)場測試，在此基礎上以TD－LTE無線專網(wǎng)承載了多種煉化物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，如為煉化企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的裝置、罐區(qū)、設備、廠區(qū)、周界、物流和人員等現(xiàn)場管控對象部署各類傳感器、智能分析設備、RFID射頻標簽等數(shù)據(jù)采集感知設備，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸;建立企業(yè)現(xiàn)場綜合數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了現(xiàn)場對象與管理者之間的互聯(lián)互通，為上層煉化物聯(lián)應用提供了穩(wěn)定、可靠的現(xiàn)場數(shù)據(jù)支持。
1.2試點應用項目建設情況
中石油獨山子石化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)試點應用項目，目前已完成4套TD－LTE宏基站和20套防爆一體化基站的物聯(lián)網(wǎng)信息化建設。項目建設的TD－LTE無線專網(wǎng)系統(tǒng)已在獨山子石化得到廣泛的應用，使工廠生產(chǎn)的自動化程度得到了進一步提高，有效提高了生產(chǎn)效率，對現(xiàn)場作業(yè)的安全性也有很大的提升。
2TD－LTE無線通信技術(shù)介紹
2.1TD－LTE關鍵技術(shù)
TD－LTE無線通信技術(shù)采用了大量新的理論和技術(shù)，主要關鍵技術(shù)包括正交頻分復用、智能天線、多輸入輸出等?！ふ活l分復用(OFDM)技術(shù)TD－LTE無線通信系統(tǒng)采用OFDM技術(shù)，頻譜利用率高、抗衰落能力強、抗碼間干擾(ISI)能力出色，適合高速數(shù)據(jù)傳輸?！ぶ悄芴炀€技術(shù)(SA)智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數(shù)字波束調(diào)節(jié)等功能。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機來實現(xiàn)射頻信號的收發(fā)，同時，通過基帶數(shù)字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現(xiàn)上行波束賦形?！ざ噍斎攵噍敵?MIMO)技術(shù)多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)是指在基站和移動終端都有多個天線。MIMO技術(shù)為系統(tǒng)提供空間復用增益和空間分集增益。MIMO技術(shù)可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統(tǒng)的容量及覆蓋范圍。
2.2TD－LTE無線通信技術(shù)優(yōu)勢
TD－LTE無線通信技術(shù)作為當前無線通信發(fā)展的主流技術(shù)之一，其主要優(yōu)勢如下:(1)高傳輸速率。對于大范圍高速移動用戶(250km/h)，數(shù)據(jù)速率為2Mbit/s:對于中速移動用戶(60km/h)，數(shù)據(jù)速率為20Mbps;對于低速移動用戶(室內(nèi)或步行者)，數(shù)據(jù)速率為100Mbps。(2)低傳輸時延，業(yè)務面?zhèn)鬏敃r延小于5ms。(3)真正的無縫漫游。實現(xiàn)全球統(tǒng)一的標準，能使各類媒體、通信主機及網(wǎng)絡之間進行“無縫連接”。(4)高度智能化的網(wǎng)絡。采用智能技術(shù)的TD－LTE通信系統(tǒng)將是一個高度自治、自適應的網(wǎng)絡。采用智能信號處理技術(shù)對信道條件不同的各種復雜環(huán)境進行結(jié)合的正常發(fā)送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。(5)良好的覆蓋性能。可實現(xiàn)無縫的無線覆蓋并提供高速可變速率傳輸。(6)基于全IP的網(wǎng)絡，支持IPv4/IPv6。(7)提供多種QoS的傳輸質(zhì)量，以適應不同類型的業(yè)務。(8)系國際技術(shù)主流通信技術(shù)，兼容性更好。
3煉化TD－LTE無線專網(wǎng)需求和方案
在石化、煉化工廠建設無線網(wǎng)絡，實現(xiàn)無線信號的無縫覆蓋，主要面臨兩個較難解決的問題，第一個問題是生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域均部署各種反應裝置和管道，這些裝置和管道絕大多數(shù)是金屬材質(zhì)，對于無線信號兼有阻擋和吸收的效應，極易引起弱覆蓋甚至沒有無線信號，導致這些區(qū)域無法順利進行業(yè)務，從而影響生產(chǎn)。一般解決此類問題的方法是在這些弱覆蓋區(qū)域增設基站，引入無線信號，而這又引起了第二個問題，即這些區(qū)域多位于各種裝置密集的位置，這類位置多為危險區(qū)域，只能部署防爆型產(chǎn)品，而市場上基于TD－LTE專網(wǎng)的防爆型產(chǎn)品卻幾乎沒有。為解決復雜環(huán)境下的無線覆蓋問題，我們一方面多次仔細勘察煉廠環(huán)境，認真規(guī)劃，合理部署宏基站以解決大范圍的無線覆蓋;另一方面研制防爆型專網(wǎng)基站產(chǎn)品，以便在危險區(qū)域就地部署，解決宏基站無法覆蓋到區(qū)域的弱覆蓋問題。本章對解決無線覆蓋的規(guī)劃和防爆型基站研制進行了較為詳細的論述。
3.1TD－LTE無線覆蓋需求和規(guī)劃
無線覆蓋需求:項目計劃采用1.8G(1785～1805MHz)頻段建設TD－LTE無線專網(wǎng)，專網(wǎng)需覆蓋獨山子石化廠約100km2區(qū)域，包括主城區(qū)、煉油廠和乙烯廠三個區(qū)域，包括作業(yè)區(qū)、辦公區(qū)及各外操間等。專網(wǎng)需要承載的用戶和業(yè)務包括200個巡檢業(yè)務終端、2000臺人員定位終端、120余臺射頻標簽讀寫設備，以及城市區(qū)內(nèi)部分無線數(shù)采儀表的數(shù)據(jù)回傳、區(qū)域內(nèi)多媒體通信和部分視頻數(shù)據(jù)回傳。無線網(wǎng)絡規(guī)劃:根據(jù)無線覆蓋需求，對于辦公區(qū)、作業(yè)區(qū)采用宏基站實現(xiàn)無線覆蓋，宏基站可安裝在安全區(qū)域，采用定向天線指向需要覆蓋的區(qū)域;對于外操室或因裝置區(qū)阻擋而導致弱覆蓋的區(qū)域，則可直接在該區(qū)域附近位置安裝基站，這一類區(qū)域多系危險區(qū)域，因此部署的基站需采用防爆型產(chǎn)品?！ず昊疽?guī)劃方案根據(jù)廠區(qū)裝置和設備的分布情況，采用多套宏基站RRU實現(xiàn)4G專網(wǎng)的無線覆蓋，其中核心網(wǎng)、基站BBU、統(tǒng)一網(wǎng)管等安裝在辦公樓內(nèi)部;RRU部署室外非防爆區(qū)架高的抱桿上，采用定向天線實現(xiàn)廠區(qū)室外的TD－LTE無線覆蓋。根據(jù)獨山子石化業(yè)務要求，規(guī)劃建設四套宏基站，采用S111站型，即每套宏基站包括一臺基帶處理單元(BBU)和三臺射頻拉遠單元(RRU)，BBU和RRU之間采用光纖連接?；咎炀€方位角初步規(guī)劃為0°、120°、240°，天線掛高初步設計為30～40m?！し辣靖采w方案外操間墻壁較為厚重，對無線信號的隔離效應嚴重，因此外操間內(nèi)一般收不到宏基站發(fā)射的無線信號，或信號很弱。另外，部分作業(yè)區(qū)域裝置密集，這些裝置多為金屬結(jié)構(gòu)，也容易造成無線信號的弱覆蓋和盲區(qū)。對于這兩種情況，可以采用現(xiàn)場就近部署防爆型基站，進行無線信號補盲，改善無線覆蓋效果。防爆型基站可采用BBU、RRU合一的防爆一體化基站，該款設備設計防爆標志為ExdIICT4Gb，采用交流200V供電，提供RJ45網(wǎng)口，可利用已有傳輸，只要與核心網(wǎng)之間IP鏈路可達即可工作。防爆一體化基站在裝置區(qū)及外操間無線覆蓋效果如圖1。
3.2TD－LTE無線基站防爆需求和產(chǎn)品方案
防爆需求:石油、天然氣及其產(chǎn)品作為石油化工生產(chǎn)的原料，大部分屬于易燃易爆物品，具有相當?shù)奈ｋU性。一旦在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生火花，就可能引起劇烈的燃燒和爆炸，后果不堪設想。一般來說，電氣設備在運行過程中很容易產(chǎn)生火花，因此在獨山子石化涉及危險區(qū)域部署的設備，必須具備嚴格的防爆特性，并經(jīng)嚴格測試，獲取國內(nèi)權(quán)威機構(gòu)頒發(fā)的防爆合格證書?！し辣驹O計為保證安全，我們防爆基站按照嚴格的防爆標準設計(圖2)，產(chǎn)品設計防爆標志為ExdIICT6Gb，可以適用于絕大部分危險易爆環(huán)境。設計要點主要包括:①產(chǎn)品采用隔爆設計，設備主體及電話均放置于防爆箱內(nèi)，防爆箱符合ExdIICT6Gb的設計要求，材質(zhì)采用鑄鋁材質(zhì)。②基站的電氣、數(shù)據(jù)傳輸、射頻線纜等接口通過不銹鋼格蘭頭與外部線纜連接，接口處均使用防爆膠泥密封。③基站發(fā)射閾值功率在2W以內(nèi)。④防爆箱接口均需使用防爆膠泥密封。⑤使用時嚴禁帶電開啟防爆箱體。
4項目成果
4.1無線網(wǎng)絡仿真及結(jié)果
通過反復的模型校正和網(wǎng)絡仿真驗證基站站址、基站數(shù)量、天線掛高、方位角等相關參數(shù)。本次參與仿真基站站點4個;天線掛高采用40～45m;天線采用15dBi高增益定向天線;采用農(nóng)村、草原、荒漠、郊區(qū)地貌;采用專業(yè)仿真軟件進行無線網(wǎng)絡信號模擬覆蓋計算。根據(jù)網(wǎng)絡仿真數(shù)據(jù)分析，結(jié)合TD－LTE基站的覆蓋能力，本次網(wǎng)絡仿真效果達到了預期設計，與現(xiàn)場網(wǎng)絡規(guī)劃設計相吻合。分析獨山子地區(qū)信號場覆蓋分布仿真效果，無線信號覆蓋效果良好，可以滿足獨山子石化的專網(wǎng)覆蓋要求。
4.2防爆一體化基站
成功研制防爆一體化TD－LTE基站，基站型號為TLU220T。該產(chǎn)品集成了基帶處理單元和射頻拉遠單元，支持1.8GHz頻寬，支持通過有線回傳方式接入骨干網(wǎng)，可與核心網(wǎng)一起組建TD－LTE無線網(wǎng)絡，為終端提供TD－LTE接入，完成語音和數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸。產(chǎn)品外觀及其安裝效果如圖3所示，現(xiàn)場防爆基站采用了外接定向天線。TLU220T支持利用現(xiàn)有傳輸資源，可減少投資，實現(xiàn)低成本快速建設LTE網(wǎng)絡，增強無線覆蓋效果。產(chǎn)品設計支持防爆，防爆標志ExdIICT6Gb(圖4)，防爆等級很高，可廣泛應用于石油、煉化、電力、軌交等各個行業(yè)領域。
4.3分析和結(jié)論
項目按照采集層、傳輸層和應用層三層架構(gòu)搭建煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，其中傳輸層作為系統(tǒng)中連接采集層設備和上層應用的中間橋梁，需要具備安全、穩(wěn)定、可靠的傳輸能力，能夠覆蓋企業(yè)各業(yè)務區(qū)域。在項目建設過程中，我們通過對現(xiàn)場全面細致的勘測、高水平的規(guī)劃，在采用宏基站完成了大部分區(qū)域無線覆蓋的同時，在外操間及其他無線信號弱覆蓋區(qū)域大量部署防爆一體化基站，完美解決了獨山子石化TD－LTE專網(wǎng)的無線覆蓋問題。專網(wǎng)完成建設后，經(jīng)大量測試和試用，在整體區(qū)域內(nèi)無線信號覆蓋良好，完全可以滿足系統(tǒng)的巡檢、定位和儀表等各類業(yè)務數(shù)據(jù)，以及視頻、語音等多媒體數(shù)據(jù)的無線傳輸要求。煉化物聯(lián)網(wǎng)項目的建成，不僅為公司贏得了比較可觀的經(jīng)濟效益，而且對公司的生產(chǎn)經(jīng)營管理也產(chǎn)生了積極的促進作用。5總結(jié)與展望根據(jù)煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)項目建設的現(xiàn)狀和長期目標，建設和推廣基于先進無線通信技術(shù)的智慧化工廠系統(tǒng)和產(chǎn)品，對煉化企業(yè)的安全和高效生產(chǎn)具有十分重要的意義。在煉化物聯(lián)網(wǎng)項目建設的過程中遇到了一些困擾業(yè)界多年的問題和困難，在解決這些問題的過程中，對TD－LTE技術(shù)的無線特性進行了深入的研究，對TD－LTE基站適用于煉化作業(yè)現(xiàn)場的防爆要求進行了大量的了解，在此基礎上成功研制了防爆型基站產(chǎn)品，以滿足項目要求。通過無線網(wǎng)絡的優(yōu)化和防爆基站的部署，使獨山子石化無線專網(wǎng)的性能和指標有了很大地提高，為獨山子石化成功構(gòu)建了一個技術(shù)領先、功能專業(yè)、性能優(yōu)良、高度集成、面向行業(yè)應用的基于TD－LTE無線通信技術(shù)煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。通過煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應用，大大提高了煉化企業(yè)的安全監(jiān)控水平和智能管控水平，為智能煉化工廠物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建設奠定了堅實的基礎，積累了寶貴的經(jīng)驗。煉化物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的成功構(gòu)建，對于其它的石化、煉化企業(yè)，都產(chǎn)生了良好的示范效果，并對系統(tǒng)在相關行業(yè)的推廣起到很大的推動作用。
參考文獻
［1］王映民，孫韶輝.TD－LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設計［M］．北京:人民郵電出版社，2010
［2］GB3836.1－2010．爆炸性環(huán)境第1部分:通用要求［S］．2010
作者:趙玉虎 楊靖 褚明軍 韓繼信 殷搏峰 張金濤 牛玉軍 崔濤 馬紅欣 單位:中國鐵塔股份有限公司 克拉瑪依市分公司中信科移動通信技術(shù)股份有限公司 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司
