吳海平

(萬科思自動化(上海)有限公司,上海 200135)

天然氣管網(wǎng)建設(shè)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(qū)的各個角落。根據(jù)工藝的復(fù)雜度和重要性,部分場站會單獨建立本地站控系統(tǒng),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(jiān)控?，F(xiàn)有的通信方式中,光纖價格高容易被挖斷;早期建設(shè)的無線通信帶寬低,不穩(wěn)定。隨著時代的發(fā)展,企業(yè)為了提高管理水平,將進一步加強集中監(jiān)控,為實現(xiàn)現(xiàn)場全面無人值守和控制中心智能監(jiān)控的目標,對通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、及時性、可靠性、安全性的要求也更高了[1]。5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn),可大幅優(yōu)化天然氣數(shù)據(jù)監(jiān)控通信網(wǎng)絡(luò),為企業(yè)實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)采集,建設(shè)智慧燃氣奠定良好的基礎(chǔ)。

1 5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

與前幾代移動通信網(wǎng)絡(luò)相比,5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各方面能力都有了飛躍性的發(fā)展。最直觀的體現(xiàn)是在網(wǎng)速方面,其下行峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可達20 GiBit/s,而上行峰值數(shù)據(jù)傳輸速率可能超過10 GiBit/s;在提高網(wǎng)速的同時,5G網(wǎng)絡(luò)還大幅降低了時延、提高了整體網(wǎng)絡(luò)傳輸效率,為用戶提供小于5 ms的端到端時延?？梢钥吹?5G網(wǎng)絡(luò)能夠帶來超越光纖的傳輸速度,超越工業(yè)總線的實時能力以及全空間的連接,5G網(wǎng)絡(luò)將開啟充滿機遇的時代,滿足人們對萬物互聯(lián)的各種想象[2]。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主要技術(shù)特點有: 更快的網(wǎng)速,滿足大數(shù)據(jù)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(fā)采集的需求。因此,5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的到來,為完善提高天然氣管道智能化監(jiān)控水平提供了更多的可能[3]。

2 數(shù)據(jù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀分析

天然氣管網(wǎng)的工藝數(shù)據(jù)監(jiān)控主要基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)來完成。SCADA是以計算機為基礎(chǔ)的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度自動化系統(tǒng),可以遠程監(jiān)視和控制分布在各地的現(xiàn)場運行設(shè)備,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量、參數(shù)調(diào)節(jié)以及各類信號報警等各項功能[4]。

SCADA采集監(jiān)控城市天然氣管道上的場站和閥室的運行數(shù)據(jù),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(qū),現(xiàn)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(wǎng)規(guī)劃建設(shè)階段就考慮設(shè)計,讓光纖隨管道敷設(shè)。已建成的大部分管線都不具備條件,即使是新建規(guī)劃的管線。該方式成本也很高,一般只在重要的調(diào)度中心,區(qū)控中心或個別重要有人站點才會敷設(shè)。同時,管線周邊的維護性施工,經(jīng)常會挖斷光纖造成通信中斷,并對系統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)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(xiàn)和自建光纖一樣被挖斷的現(xiàn)象。同時,租用專線的費用也不低。

3)2G/3G無線通信。由于國內(nèi)的2G/3G的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和普及率高,因此在不少無法鋪設(shè)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(wǎng)絡(luò)經(jīng)常出現(xiàn)信號不穩(wěn)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(qū),信號弱)等影響較大,經(jīng)常出現(xiàn)掉線,或者需要維護工程師到現(xiàn)場重置設(shè)備才能恢復(fù),給用戶造成了不少困擾。

4)衛(wèi)星通信。少數(shù)的天然氣企業(yè)租用衛(wèi)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(shù)據(jù)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(jīng)不適用現(xiàn)有SCADA對大量數(shù)據(jù)實時采集的可靠性,穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)安全性的要求。

3 在數(shù)據(jù)智能監(jiān)控方面的應(yīng)用

國內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速普及和商用,給天然氣SCADA數(shù)據(jù)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(wǎng)智能化監(jiān)控改造項目為例,具體體現(xiàn)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(wǎng)長度已超800 km,設(shè)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(shù)據(jù)點數(shù)2×104多點。由于各個站點建設(shè)的時期不一樣,之前的通信網(wǎng)絡(luò)受限于早期的技術(shù)條件,有2G/3G接入、租用運營商有線網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星接入等,各不相同,網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不佳,數(shù)據(jù)通信不穩(wěn)定,維護工作量大,已經(jīng)不能滿足現(xiàn)有業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)采集和智能化調(diào)度的需求。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)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(xù)的天然氣管網(wǎng)的智能化調(diào)度打下了堅實的基礎(chǔ),增強了移動寬帶,創(chuàng)造出了更快的網(wǎng)絡(luò)速率,解決了之前帶寬低、數(shù)據(jù)擁堵、刷新慢的問題,滿足了大數(shù)據(jù)的采集需求,為企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

3.2 低時延

改造之前,整個SCADA網(wǎng)絡(luò)通信時延較大,時有發(fā)生丟包的現(xiàn)象。因此,系統(tǒng)的數(shù)據(jù)刷新頻率較低,個別站點每隔一段時間還會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)卡死或假死的現(xiàn)象,導(dǎo)致數(shù)據(jù)不刷新,需要維護人員到現(xiàn)場站點重啟復(fù)位網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。該問題處理起來不僅工作量大,還給整個管網(wǎng)的安全運維帶來隱患。

該項目采用5G技術(shù)并結(jié)合SCADA軟件DNP協(xié)議的主動上報功能,不僅讓數(shù)據(jù)達到毫秒級的實時上傳,數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性也得到質(zhì)的提升。調(diào)度人員能更加及時地了解到管線上各個節(jié)點壓力的變化情況,關(guān)鍵閥門的變位情況,結(jié)合管網(wǎng)的智能仿真系統(tǒng),可及時有效地對管網(wǎng)的危險情況做出預(yù)警。整個SCADA的監(jiān)控調(diào)度更加流暢,數(shù)據(jù)刷新頻率更快,實時性更高,天然氣站點的遠程監(jiān)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(chǔ),提升天然氣管網(wǎng)自動化控制的整體水平。

3.3 多站點接入

天然氣管網(wǎng)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(tǒng)一的規(guī)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(tài)IP的方式,每次重啟后重新?lián)芴朓P都會發(fā)生變化,因此,網(wǎng)絡(luò)中配置了1臺通信服務(wù)器用來做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。通信服務(wù)器上有固定IP,每個場站無線設(shè)備撥號后作為TCP client,連接到通信服務(wù)器的固定IP上,SCADA軟件再和通信服務(wù)器進行通信,完成數(shù)據(jù)采集和遠程監(jiān)控。站點增多后,通信服務(wù)器IP資源就出現(xiàn)了瓶頸,影響了后續(xù)新建站點的接入。改造前系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 改造前的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

圖1中通信方式未考慮到網(wǎng)絡(luò)安全,數(shù)據(jù)在公網(wǎng)上明文傳輸,有較大的風(fēng)險。因此,改造方案考慮了5G+虛擬私有撥號網(wǎng)絡(luò)(VPDN)接入的方式。VPDN是指以撥號接入方式上網(wǎng),通過對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的封包和加密在公網(wǎng)上傳輸私有數(shù)據(jù),達到私有網(wǎng)絡(luò)的安全級別?；谠擁棙I(yè)務(wù),企業(yè)可在公共網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)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(yè)網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)資源。改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

VPDN的網(wǎng)絡(luò)部署,通過GRE隧道的加密方式不僅給數(shù)據(jù)在公網(wǎng)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(nèi)網(wǎng)IP,如192.168.XXX.XXX網(wǎng)段,這樣SCADA就可以不需要通信服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā),直接訪問到各個站點的IP。

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信號好、覆蓋范圍廣的特點可方便實現(xiàn)多用戶多站點的協(xié)同組網(wǎng),再配合VPDN帶來的公網(wǎng)傳輸?shù)陌踩缘谋ＷC,很好地解決了天然氣管網(wǎng)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(yīng)關(guān)系到千家萬戶以及市內(nèi)重點企業(yè)的能源使用,因此,對天然氣管網(wǎng)各站點的監(jiān)控和智能調(diào)度的重要性不言而喻。除了利用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)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(lián)通和電信),確保某一個運營商的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時,可自動地從主鏈路切換到備用鏈路,保證SCADA數(shù)據(jù)采集的連續(xù)性。

為了實現(xiàn)雙鏈路冗余切換,站點的RTU設(shè)備自帶2個以上的網(wǎng)口,分別鏈接2個不同運營商的5G無線路由器,并完成雙網(wǎng)關(guān)配置,從而實現(xiàn)冗余自動切換的功能。

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

4 在天然氣其他場景的應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高帶寬、低時延、廣連接的優(yōu)勢使其在天然氣行業(yè)有著較為廣泛的應(yīng)用場景。目前,天然氣的SCADA,主要采集的是現(xiàn)場的工藝數(shù)據(jù),如溫度、壓力、流量和設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)等。但受限于之前的通信能力,大量的設(shè)備診斷數(shù)據(jù)并沒有采集,比如流量計零點漂移,關(guān)鍵參數(shù)的報警等信息。以往情況都是在設(shè)備出現(xiàn)問題后,維護人員才到現(xiàn)場去采集、分析、調(diào)校。結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可以方便將大量的設(shè)備診斷數(shù)據(jù)進行遠傳,利用云計算、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)手段,建立設(shè)備遠程智能診斷系統(tǒng),對設(shè)備的運行狀態(tài)進行事前預(yù)警和維護。

天然氣管網(wǎng)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(shù),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(wǎng)絡(luò)技術(shù)實時傳回到調(diào)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(shù)據(jù)進行AI智能比對,對違章搭建、異物闖入、不規(guī)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(wǎng)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(wǎng)絡(luò)技術(shù),再結(jié)合紅外檢測技術(shù)和視頻檢測技術(shù),可以實現(xiàn)快速的泄漏檢測報警和定位。通過紅外檢測技術(shù)掃描燃氣設(shè)備,當(dāng)發(fā)現(xiàn)有泄漏產(chǎn)生時,將附近的視頻數(shù)據(jù)和紅外掃描的定位數(shù)據(jù)一起通過5G網(wǎng)絡(luò)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(yīng)急處置人員。

5 結(jié)束語

該項目通過5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成功應(yīng)用后,通信質(zhì)量有了很大的改善,網(wǎng)絡(luò)安全方面達到了國家安全等?！?.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(xù)管網(wǎng)擴容建設(shè)接入更多站點打下了堅實的基礎(chǔ)。

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展以及天然氣行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的訴求,基于5G通信技術(shù),并結(jié)合自動化、信息化和智能化等先進技術(shù),可實現(xiàn)天然氣行業(yè)各生產(chǎn)要素之間的協(xié)同配合,進而使生產(chǎn)效率得到有效提升,并且更好地保障生產(chǎn)的安全。