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无线通信
2012/5/30 16:00

McWiLL宽带无线通信系统在油田生产物联网中的应用

C114中国通信网  

近几年来,随着全球能源形势的深刻变化和我国国民经济的快速发展,油田正处于战略机遇期与矛盾凸显期并存的关键时期。对于中国各个石油企业来说,继续保持高产量和一个比较高的增长速度,取决于他们对地质构造的认识有多深,勘探的精度有多高,而这一切都要依靠高性能的计算机系统。

由于油田所在地理位置往往具有特殊的环境,并且受到客观条件的限制,因而实现现场与监测中心之间的通信首要问题就是要克服地理环境所带来的限制,架设一个庞大的通信系统是一个费时耗资金的过程,地形的起伏不平导致铺设电缆后不宜传导,同时电缆穿过油田、山路、湖泊等可能是潜在的危险。这成为了油田物联网必须要逾越的障碍,这些客观条件使得在油田行业中搭建无线通信网络成为一种必然趋势。

根据实际,在光纤传输网、无线公网、WLAN等无线宽带接入网等都不能满足石油开采应用下,McWiLL宽带无线接入系统为油田物联网的建设提供了很好的无线传输技术手段。

McWiLL技术

McWiLL(Multi-carrier Wireless Information Local Loop,多载波无线信息本地环路)系统于2010年被ITU确认为移动宽带无线接入技术国际标准,是继TD-SCDMA之后的又一个完全自主知识产权的国际电信标准,也是目前国内唯一拥有授权频率、建立了完整产业链的宽带无线接入系统。McWiLL技术采用码扩正交频分多址(CS-OFDMA)、智能天线、空间零陷、联合检测4G无线通信技术,不仅无线性能远高于包括WiFi、微波以及WiMAX等在内的其他宽带无线通信技术,而且具有宽窄带兼顾的融合业务提供能力。

McWiLL系统具有广覆盖、高带宽、高保密性、非视距传输、支持高速移动、支持终端漫游切换等优势,已被广泛地应用于公众通信网和电力、水利、油田、铁路、民航等行业领域。McWiLL系统应用于行业领域不但可以弥补行业现有有线网络的不足,延伸IP网络的覆盖范围,借助其灵活的部署能力和移动性,使得行业宽带应用更加丰富,如海量数据采集、移动视频监控、应急通信等。McWiLL系统通过助力行业信息化、生产自动化和办公自动化水平的提升,极大地提高了行业生产效率,得到了众多行业用户的一致认可。

McWiLL系统应用于油田通信网的优势

(1)大带宽数据并发能力和广域覆盖能力。McWiLL系统采用智能天线技术,通过空间波束赋形可有效提高链路预算,从而保证较大的覆盖范围。工作于400MHz频段的McWiLL基站覆盖半径最大可以达到20~30km;工作于1800MHz频段的McWiLL基站最大覆盖半径可超过10km,城区单基站典型覆盖半径可达1~3km。McWiLL系统覆盖范围大的特性更容易组成区域性网络,更加适用于广大油田地区通信网络的建设。

(2)安全、可靠性高。作为自主知识产权的宽带无线通信技术,McWiLL系统具备完善的加密认证策略,通过用户鉴权、业务认证、非法分组过滤、下行波束赋行、设备鉴权、安全数据分配、安全数据存储、安全数据匹配性验证等安全机制可以完全保障油田数据传输的安全可靠。同时McWiLL无线终端为保证在各种恶劣环境下的工业应用,在终端管理能力、端到端业务能力、业务优先级控制能力、以及安全性、可靠性防护等方面明显高于GPRS等公网通信终端,可以满足油田对工业传感器、控制器、机械设备、仪器仪表进行端到端调度、管理及控制需求。

(3)按需定制功能。McWiLL系统可以针对油田业务的实际需求进行相应的业务功能定制,McWiLL系统的建设专门面向油田的生产、生活,所以其所能提供的业务也是围绕油田物联网展开的,能够确保各类数据的传输畅通,并且可以根据油田本身现有的网络特点进行相关的系统网络设计和建设,可以根据油田行业需求定制开发不同的终端和基站乃至核心网产品,可以定制个性化业务,能够根据油田行业的通信需求提供端到端的解决方案。

(4)产品成熟度高。McWiLL宽带无线通信技术作为拥有完全自主知识产权的国家、国际通信标准,在运营商、石油、电力、应急等多个市场领域成功大规模组网,满足油田物联网发展中对通信系统广覆盖、多业务、易操作、安全可靠的要求,能够支撑油田物联网的统一建设。

(5)安装方便、施工简单、易于维护。McWiLL系统具有覆盖范围广、无线传输带宽高、非视距传输能力强、抵抗自然灾害能力、易安装等特点,可以弥补有线光纤网络在油田物联网中的局限性和不足,通过McWiLL系统可以便捷、快速的完成油田物联网信息的传输工作,由于终端与基站之间采用无线方式进行数据传输,节省了大量的线路建设、维护的成本和时间,可以为油田物联网的建设提供切实有效的传输解决手段。

McWiLL系统油田物联网解决方案

油田生产物联网McWiLL系统网络拓扑图如图 1所示。

图1 油田物联网拓扑图

1、数据采集

在石油行业中需要大量的数据传送到监控中心对数据进行处理。这类数据的特点是数据量不大,但是并发量较大。McWiLL空口能提供满足高业务量的并发信道,信道粒度为8kbps~24kbps。采集的数据通过McWiLL终端设备以无线的方式传到监控中心,对数据进行处理。此外McWiLL系统提供MEM模块,通过第三方的二次开发成自己的终端,进行数据采集应用。

(1)、油井无线数据回传

油井无线数据回传业务示意如图2所示。

图2 油井无线数据回传

油井是油田作业区中数量最多的生产场站,分布最为零散。油井无线数据回传有效地解决了分布广泛、位置偏远、环境特殊的抽油机设备运行的数据采集和传输问题,大大提高了油井生产设备运行维护的自动化、网络化和可视化的管理水平,实现了无线组网、实时监控、自动采集数据、联网报警、快速联动处理、设备集中管理以及事件统计分析、最优化分析与处理为一体的油田生产管理新局面,是油田生产企业增加产量,减少停机时间,及时发现和排除故障,提高企业效益和工作效率的有效手段。

针对本业务数据量不大的特点,通过McWiLL终端+RTU+传感器方式把每个油井的指定参数通过McWiLL无线网络传输到监控系统平台。

(2)、计量间无线数据回传与远程控制

计量间承担着把数口油井生产的油气产品集中在一起,轮流对各单井的产油气量分别进行计量的任务。每个计量间大约可以对7~15口油井进行计量,分布也同样较为零散,无线数据回传十分必要,如图3所示。

图3 计量间无线数据回传与远程控制

通过McWiLL终端+PLC(RTU)+传感器方式把每个油井的指定参数通过McWiLL无线网络传输到监控系统平台。除数据无线回传,还可以实现远程控制,可大幅度提高生产效率。

(3)、中转站无线数据回传

中转站是把数座计量(接转)站来油集中在一起,进行油气分离、油气计量、加热沉降和油气转输等作业的中型油站。

图4 中转站无线数据回传

如图4所示,通过McWiLL终端+PLC(RTU)+传感器方式把每个油井的指定参数通过McWiLL无线网络传输到监控系统平台。除数据无线回传,还可以实现远程控制,可大幅度提高生产效率。

(4)、配注间无线数据回传与远程控制

配注间的作用是把供水系统送来或经过处理符合注水水质要求的各种低压水通过水泵加压变成油田开发需要的高压水,经过高压阀组分别送到注水干线,再经配水间送往注水井,注入油层。配注间主要由储水罐,供水管网、注水泵房、泵机组、高、低压水阀及供配电、润滑系统、冷却水系统组成。

图5 配注间无线数据回传与远程控制

如图5所示,通过McWiLL终端+PLC(RTU)+传感器方式把每个油井的指定参数通过McWiLL无线网络传输到监控系统平台。

(5)、注水井无线数据回传与远程控制

注水井是水进入地层经过的最后装置,数量多分布零散。无线数据回传+远程控制的方式更能使生产效率最大化。

图6注水井无线数据回传与远程控制

如图6所所示,通过McWiLL终端+PLC(RTU)+传感器方式把每个油井的指定参数通过McWiLL无线网络传输到监控系统平台。

2、油井视频监控

在油田行业中,不法分子偷油、破坏现象时有发生,以提高生产效率、促进安全生产为内容的石油信息化工作已成为油田急需开展的一项工作。

针对油井安装视频监控,图像格式一般为CIF模式,图像带宽需要满足512K或768K,上行带宽1M左右。可以采用两种终端之一:1、一体化无线摄像机;2、监控摄像机+视频压缩编码器+McWiLL终端。
McWiLL视频监控系统可分为监控前端、传输网络、监控中心三个主要部分。

油井视频监控业务示意如图7所示。

图7 油井视频监控

监控前端:也即远程监控终端单元,一体化无线摄像机或者监控摄像机+视频压缩编码器+McWiLL终端,还可以增加告警探头,一旦发生了灾害,会立即发出报警信号给监控系统以及联动报警系统,同时监控摄像机会自动地抓拍图片或视频录像,还可增加云台设施对监控摄像机进行全方位俯仰、左右操作和镜头变焦、变倍控制。

传输网络:基于宽带无线网络McWiLL的图像传输方式,给客户提供了高速稳定的网络系统。

监控中心:中心控制室完成对各个监控点的信息采集、储存、分析、诊断,可即时控制和监测所有各防控现场或区域,一般由视频服务器,电视墙等组成,如图8所示。

图8 油井视频监控

摄像机和视频编码器之间可通过同轴线缆进行连接,视频编码器和McWiLL终端之间可通过网线进行连接,McWiLL终端和McWiLL基站间通过信威公司自主开发的SWAP+空口协议连接。McWiLL®终端把采集的信号通过空口传给McWiLL基站,基站通过标准以太口连接到IP网。通过视频服务器可以对采集的图像进行处理、存储及控制摄像头转动方向,焦距等。

3、语音调度

图9 语音调度

对于宽带无线接入网络来说,空口的带宽资源是非常宝贵的。为了提高空口会话的并发数、提高空口资源的利用率,McWiLL在空口采用特有的压缩技术,压缩话音业务在空口的带宽开销,使得基于该压缩技术的话音可以在占用少至8kbps的空口带宽中,达到接近固话的话音质量。这种基于McWiLL技术并经过高效压缩的话音解决方案称为高效话音解决方案。

如图9所示,McWiLL多媒体集群系统基于空中接口的下行共享信道实现组呼功能,支持话权抢占、强插、强拆、动态重组等等一系列传统集群功能,并具备优异的集群性能指标,在语音调度的功能和性能两方面均不逊色于传统数字集群系统。

通过McWiLL网络,可以给提供标准完善的多媒体集群调度业务,主要包括以下几部分功能:

(1)语音调度

通过McWiLL系统内的调度机,支持以下语音调度功能:

a单呼:用户之间的全双工单呼。

b组呼:一个用户与预先约定的小组内多个成员间的呼叫。

c广播:调度员对一个或多个组进行广播。

d强插强拆:调度员可以插入监视中组呼用户的通话;调度员可以对目前通话的用户进行拆线。

e监听:调度员从调度台上根据用户状态选择一个用户,在用户不知情的情况下,指示用户终端打开发射机,监听用户周围的环境信息。

f禁话、代接、会议

g通播、组播

(2)指令调度

a调度中心可以给调度终端下达调度指令

b调度终端将在LCD屏幕上显示该指令,并用声音、指示灯等提示

c现场人员根据实际结果对该指令进行回复

(3)可视化调度

a通过可视化终端,调度员或是视频话机可以看到监控的现场图象,同时进行双向的语音通话

b通过可视话机的数字键可控制监控头的转向和摄像头的焦距

c手机、普通电话等都可以与监控设备进行双向的语音通话

4、油田信息化与应急通信

(1)、油田信息化

通过无线的延伸,可以将企业信息化的终端由传统的仅能到办公室延伸到操作现场,从而解决原始信息直接实时进入企业管理系统,提升企业管理系统的准确性和实时性,提升企业管理系统的效率。无线宽带技术以其移动性,特别是在有线宽带无法架设和无法覆盖的区域,无线宽带通信给企业带来了立竿见影的效率和竞争力提升,并对整个企业信息化进程带来了积极的推动作用。企业通过宽带无线信息服务和应用推动信息化的深入,借助无线宽带技术来提高生产、运营和管理效率,更高效地拓展业务、完善服务、增强自身的竞争力。

McWiLL基站通过10/100M的以太网接口接入IP以太传输承载网,提供15Mbps的净吞吐量的宽带无线接入。McWiLL支持VLAN,可以通过VLAN区分用户数据以及流向网管的数据。

无线终端CPE通过空中接口实现向BTS的接入,向下提供10/100M的以太网接口与数据业务终端相连接。这些终端可以是PC、笔记本电脑、视频编码器、数据采集终端等支持RJ45接口的IP设备。外围数据设备也可以通过McWiLL终端模块的RS232接口接入McWiLL宽带无线接入网,实现宽带数据业务。

对于McWiLL宽带无线接入网络的数据,可以通过BAS进行汇聚,并分发到Internet或城域其它IP节点。RADIUS/AAA服务器承担无线用户的宽带接入拨号鉴权/认证/计费功能。

(2)、应急通信

应急通信系统是油田无线集群调度系统和指挥管理系统的补充,能够解决局部地区通信基础网络损坏或无网络信号覆盖区域的局部网络快速恢复和建立问题,为应急抢险提供支撑保障,如图10所示。

图10 应急通信

McWiLL宽带无线通信系统是中石油油气田生产物联网项目建设首选无线通信系统,并已在大庆油田、华北油田大规模商用。主要应用领域包括控油机、计量间、中转站及联合站的自动化测控;油井设备、输油管线、各作业小队以及重要生产现场的视频监控;采油厂、采油队、作业组的生产指挥调度等。

McWiLL系统的建设有利于油田现有信息货轮手段的融合统一,从生产运维、经营管理、政务服务、惠及民生等方面去挖油田信息化水平全面提高,大幅提升油田资源优化配置水平和劳动生产率,实现“基础设施案例畅通、节能高效、资源融合、应用平台优化升级、有效集成、信息共享”的中石油集团“十二五”信息化工作主要目标。

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