王 楓，劉永軍，劉鵬飛

1中國石油管道局工程有限公司國際事業(yè)部，河北 廊坊

2中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊

1. 引言

長輸油氣管道常用的通信方式包括光通信、衛(wèi)星、微波、公網專線、GPRS 等。其中光通信是以光波為載波的通信方式，包括PDH，SDH，波分復用、以太網交換機等。國內油氣管道項目通常采用SDH光通信系統作為主用通信方式，站場采用高速率SDH 設備作為骨干層，RTU 閥室采用低速率SDH 設備作為接入層。相比SDH 光通信設備，工業(yè)以太網交換機在設備價格、使用環(huán)境、可靠性等方面具有較大優(yōu)勢，已在高速公路、鐵路，城市軌道交通、國家電網等行業(yè)都有比較廣泛的應用。目前國外的油氣管道項目以工業(yè)以太網交換機作為主用通信方式較為常見，在國內的油氣管道項目中則多用于接入層設備。本文以尼日利亞輸氣管道項目為例，論述工業(yè)以太網交換機作為主用通信方式所采用的幾種組網方式。

2. 以太網交換機

2.1. 以太網交換機簡介

以太網交換機出現于1990 年前后，功能上相當于集線器，逐漸的從二層交換機到三層交換機和多業(yè)務交換機，功能越來越豐富。交換機承擔的角色也越來越多，涵蓋了路由器、防火墻、無線接入控制器等功能。以太網交換機具有通信速率高、兼容性好、互聯擴展性好、功耗低、安裝方便等優(yōu)點。以太網交換機作為最主要的、使用最廣泛的網絡設備之一，對數據網絡通信的質量有這極為重要作用。

根據網絡需求真分析相關技術指標，選擇合適的設備，對于通信系統的優(yōu)劣意義重大。以太網交換機的選擇可以主要從應用環(huán)境、交換能力、背板帶寬、交換端口數量、網絡擴展能力、交換方式、路由能力、虛擬局域網技術、網絡管理能力、性價比等方面綜合考量[1]。

2.2. 工業(yè)以太網交換機

工業(yè)以太網交換機是應用于工業(yè)控制領域的以太網交換機設備，其網絡開放性好、擴展性好、抗電磁干擾能力強、抗震性好、溫濕度要求寬、可靠性高。

工業(yè)以太網交換機與普通商用以太網交換機的技術對比見表1 [2]。

Table 1. Technical comparison for industrial Ethernet switch and common commercial Ethernet switch表1. 工業(yè)以太網交換機和普通商用以太網交換機技術對比

根據對比可以看出工業(yè)以太網交換機的優(yōu)點明顯。油氣管道偏遠的無人站或者管道線路上經常需要通信設備工作在低溫或高溫、高海拔、高濕度、電磁干擾、供電質量差等惡劣的環(huán)境中。同時，管道數據又對網絡性能要求苛刻，要求通信網絡具有高可靠性、低延遲和零丟包等能力。因此工業(yè)以太網交換機越來越多的應用到了油氣管道的通信系統中[3]。

3. 尼日利亞輸氣管道項目應用

3.1. 項目簡介

某尼日利亞輸氣管道項目包括調控中心、首站、分輸站、壓氣站、末站和8 個閥室。從首站到末站與管道同溝敷設1 條光纜，從分輸站到調控中心與管道同溝敷設1 條光纜。項目示意圖如圖1 所示。

Figure 1. Schematic diagram of Nigeria gas pipeline圖1. 尼日利亞輸氣管道示意圖

以調控中心為各系統核心，依托工業(yè)以太網交換機組成四個傳輸網絡：主用SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition)數據網、備用SCADA 數據網、話音/辦公網、安防網絡(包括工業(yè)電視、入侵報警、門禁)。各站均與調控中心進行數據傳輸。

3.2. 鏈型組網

將各個站場按照順序手拉手連接起來就組成了鏈型組網方式，如圖2 所示。

Figure 2. Chain networking圖2. 鏈型組網方式

由于各個系統的網絡核心設備都設置在調控中心，所有站場都經過分輸站與調控中心連接。分輸站處再T 型拓撲結構的交叉點，一旦分輸站設備出現故障，其它所有站點都會與調控中心中斷通信。在分輸站處的光配線架上將上游4#閥室方向的光纖與調控中心方向的光纖跳接，使4#閥室與調控中心直接連接，將調控中心作為系統的中心點，如圖3 所示。這樣調整網絡結構后，如果分輸站設備故障，只會影響到下游5#閥室至末站的通信，首站到4#閥室仍能夠與調控中心進行通信。圖3 所示的組網方式與圖2 的組網方式相比的缺點是在調控中心和分輸站之間多用了2 芯光纖。

Figure 3. Improved chain networking圖3. 改進的鏈型組網

由于SCADA 系統網絡分為主用和備用兩個網絡，因此，其中一個線型的網絡出現故障，仍然有另一個網絡做備用，從而保證系統可靠性。因此，尼日利亞輸氣管道項目的SCADA 系統使用了這種線型組網方式，組成了兩個獨立的SCADA 網絡。

該方式簡單實用，相鄰節(jié)點之間只占用2 芯光纖，只是對單個節(jié)點的穩(wěn)定性依賴性強，任何一點出問題都會影響兩邊的節(jié)點相互通信。

3.3. 環(huán)型組網

環(huán)形組網方式能夠更好地克服線型組網的缺點，提高網絡的穩(wěn)定性。將管道的三段分別組成三個環(huán)，即首站-分輸站、分輸站-末站、分輸站-調控中心，如圖4 所示。

Figure 4. Ring networking圖4. 環(huán)型組網方式

管道站多線長，通常采用越站成環(huán)的方式，而不是收尾相接成環(huán)。越站成環(huán)即可以避免相鄰節(jié)點之間的距離超出光模塊傳輸最大范圍，又可避免過長的距離導致的光纖頻繁中斷。但是環(huán)型組網需要使用的光纖數量比線型組網多一倍，并且需要交換機具有環(huán)網協議以避免網絡風暴。

分輸站是三個環(huán)的交點，與線型連接一樣，分輸站設備出現故障，其它所有站點也會與核心設備所在的調控中心中斷通信。通過在分輸站處的光配線架上將光纖進行跳接后，可以將環(huán)型網絡優(yōu)化成圖5所示的兩個環(huán)型結構。分輸站只作為右側環(huán)的一個節(jié)點，該節(jié)點故障不會影響其他節(jié)點與調控中心的通信。這種連接的缺點是在調控中心和分輸站之間使用了8 芯光纖，而圖4 的連接方式只使用4 芯光纖。

Figure 5. Improved ring networking圖5. 改進的環(huán)型組網

尼日利亞輸氣管道項目的話音/辦公網、安防網絡都使用了這種環(huán)型組網方式。該方式可以避免單一節(jié)點或者單一光纖中斷點對整個通信系統造成的影響。兩個環(huán)網以調控中心為相切點，兩側的站場和閥室都直接與調控中心組成環(huán)網，可直接與各系統的核心設備進行通信，因此大大提高了通信系統的可靠性。

4. 結語

大型的油氣管道建設一般主要以SDH 光通信作為通信方式，工業(yè)以太網交換機多用于將閥室或者其它特殊站點的數據接入。工業(yè)以太網交換機的環(huán)境適應能力強、可靠性高、成本低、安裝簡單、維修方便，隨著油氣管道業(yè)務和接口的IP 化，在很多國外的管道項目采用了工業(yè)以太網交換機作為管道數據的主用通信方式。油氣管道站場呈線型拓撲結構的特點，點多線長，可采用鏈型或環(huán)型的組網方式[4]。而環(huán)型組網可靠性更高，是目前油氣管道項目最常用的組網方式。