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SCADA系統(tǒng)無線通信論文

1方案設計

1.1新建網絡頻率規(guī)劃

由于工業(yè)級遠距離無線網橋具有1～3dB的低C／I值，同時采用GPS時鐘同步、定向天線等多種技術手段提高系統(tǒng)的抗干擾能力。設備的每個信道帶寬頻率是20MHz，因此頻率間隔不應該設置得比20MHz低。通訊模塊允許運營商以5MHz為間隔來選擇頻率。因此在同址安裝其他設備時，運營者可以根據(jù)互用性來制定頻率規(guī)劃。一般使用6個不重疊的信道（5.735GHz、5.755GHz、5.775GHz、5.795GHz、5.815GHz、5.840GHz）。這6個信道也可以在回傳點到點鏈路中使用。在無線網絡建設中，每個中心基站使用2～3個AP（接入點）組成一個接入點集群。扇區(qū)按表1進行頻率規(guī)劃和扇區(qū)ID分配。所以在兩個接入點集群（APCluster）中每個集群最多只需使用3個頻點（5.755GHz、5.775GHZ和5.795GHz）。每個頻點做不同方向的二次復用就可以正常工作，其余3個頻點可以用于點對點回傳設備的工作頻率。工程采用的工業(yè)級遠距離無線系統(tǒng)支持6個無干擾的信道，因此對于單個扇區(qū)可最多架設6個點對多點設備。

1.2氣田原通信系統(tǒng)硬件升級改造

井場的RTU單元在無線網絡接入前，原有線鏈路通過交換機的2M中繼與中心站進行數(shù)據(jù)交換，在加入無線網絡后，需要無線與有線之間的判斷環(huán)路。中心站除了數(shù)據(jù)上傳外，還需要對井場RTU數(shù)據(jù)進行打包處理，由此可以判斷環(huán)路主要出現(xiàn)在中心站及井場之間。所以井場與中心站必須同時安裝CISCO2960后才能使STP（生成樹協(xié)議）生效，參與本地環(huán)路判斷，自動辨別環(huán)路的狀態(tài)形成。中心站和井場改造完畢后即可對處理廠的原有線部分的CISCO3845路由器進行配置。無線通信在進入路由器之前，無線網絡工作站監(jiān)控站可以通過增加的CISCO2960作為與無線鏈路中的設備通信接口。在有線網絡數(shù)據(jù)為主、無線網絡數(shù)據(jù)為輔的情況下，工作站檢測備用鏈路中各無線設備的通斷情況，一旦發(fā)生情況即可發(fā)出警告。根據(jù)配置后的CISCO3845接口定義，將有線和無線鏈路分別插入對應的網絡接口即可實現(xiàn)正常通訊。

2兩種網絡互備傳輸存在的問題及解決方法

2.1存在的問題

由于有線網絡屬于已建成的網絡，無線備用通道在傳輸過程中會形成一定的環(huán)路。如果無法解除環(huán)路的產生，那么網絡的正常通訊會因為環(huán)路形成網絡風暴而導致網絡通訊的擁塞和中斷。M2-8RTU單元、M2-6RTU單元、M2-B1RTU單元等各個終端信號在本地交換機與無線設備和中心站處理交換機數(shù)據(jù)交換過程中，形成了多處環(huán)路。這些環(huán)路造成了各個交換機之間的通信堵塞，大量的重復信息嚴重占用了通信帶寬，使正常通信無法進行。只有在單獨使用單一通訊的情況下，環(huán)路線路才可能中斷從而使通信恢復正常。

2.2環(huán)路的解決方法

1）方案一。需要在中心連接處增加CISCO3層交換設備，并對末端RTU的地址進行重新分配，然后利用VLAN進行劃分，還需更換光纖適配器傳輸模塊，使末端設備鏈路工作在不同的VLAN，在需要中心三層交換機中進行通信的IP數(shù)據(jù)包交換并對各個線路進行隔離。但設計及訂貨時間要求較長，而且需要增更換通信設備，需要工藝人員堅守各個井場關鍵控制點，配合更換設備。

2）方案二。需要對各個井場交換機重新進行配置，采用混合VLAN的形式進行組網配置時間較長，配置時通信會發(fā)生中斷，所有交換設備處都必須做出修改，中心及井場交換機組網完畢后，還需對處理廠路由器做出部分修改，需要工藝人員堅守各個井場關鍵控制點，配合更換設備。

3）方案三。需對原井場普通交換機更換為支持STP協(xié)議交換機（帶路由功能），作業(yè)時間為每站單獨中斷2min，中心站更換設備通信中斷時間為5min，中心站無線設備插接安裝完畢共需20min，安裝前需要保證井場或機柜內電源插口有余，在交換機啟動、配置完畢后可直接進行換插，需要工藝人員堅守各個井場關鍵控制點，配合更換設備。以上3種方案中，方案一耗時長且投資最高，風險最大；方案二耗時較長且風險較大；方案三耗時最短，投資和風險控制較為理想。在復雜的網絡條件下的環(huán)路解決方案為：在環(huán)型鏈路中，采用思科STP協(xié)議（生成樹協(xié)議）可在二層設備數(shù)據(jù)交換時，對行環(huán)型鏈路進行自動識別并快速切換。當某端口通信線路發(fā)生故障口后，CISCO交換機設備可根據(jù)STP協(xié)議使備用的線路在1～2s內轉為主要電路，在原主要線路故障恢復后交換機將自動進行無縫鏈路的切換，使得中心站通信持續(xù)保持正常，網絡環(huán)路所產生的網絡風暴會自動消失。

3M氣田應用成效

M氣田建設的無線數(shù)據(jù)通訊鏈路采用TCP／IP以太網通訊協(xié)議，傳輸過程為透明網橋式傳輸?，F(xiàn)采用摩托羅拉無線寬帶接入系統(tǒng)（canopy系統(tǒng)）建立無線網絡，摩托羅拉無線寬帶系統(tǒng)為標準以太網數(shù)據(jù)設備，提供10BASE-T／100BASE-T（RJ-45）自適應標準以太網接口，遵循TCP／IP標準以太網通訊協(xié)議。單個氣井的數(shù)據(jù)先傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心站，再通過數(shù)據(jù)中心站無線傳回到處理廠scada 系統(tǒng)進行監(jiān)視、控制和聯(lián)鎖，解決了固定光纖數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)遭遇突發(fā)地質、山洪等災害造成通信中斷的問題。以此作為有線光纖網絡的備用通道，也擴展了氣田網絡的覆蓋區(qū)域，提高了其網絡數(shù)字化工作的能力。天上無線（無線網橋）、地上有線（SDH）建成后，對無線與有線網絡進行全線接通，中心通信設備通訊正常。當操作人員拔出主干有線鏈路后，無線連接等立即轉化立即接替有線通訊，整個轉換在1s內全部完成，無線網絡設備通信全部正常。而主電纜恢復連接后，交換機自動進行無縫的主電路切回，各井場RTU—中心站RTU處理—處理廠SCADA系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)傳輸未發(fā)生丟失情況，有線與無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)互備傳輸系統(tǒng)得到了良好地實施。

4結束語

以無線網橋系統(tǒng)作為光纖傳輸系統(tǒng)的熱備系統(tǒng)，在光傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)斷路、光信號衰減過大的情況下，可自動切換至無線網橋系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸工作，通過在M氣田項目上幾年的測試和實際運行，證實了此方案的可行性、通信的可靠性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。

作者：史建華馬向陽周明軍夏顯威袁媛單位：中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司中國石油塔里木油田庫車勘探開發(fā)項目經理部