SCADA系统无线通信论文

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1方案设计

1.1新建网络频率规划

由于工业级远距离无线网桥具有1～3dB的低C／I值，同时采用GPS时钟同步、定向天线等多种技术手段提高系统的抗干扰能力。设备的每个信道带宽频率是20MHz，因此频率间隔不应该设置得比20MHz低。通讯模块允许运营商以5MHz为间隔来选择频率。因此在同址安装其他设备时，运营者可以根据互用性来制定频率规划。一般使用6个不重叠的信道（5.735GHz、5.755GHz、5.775GHz、5.795GHz、5.815GHz、5.840GHz）。这6个信道也可以在回传点到点链路中使用。在无线网络建设中，每个中心基站使用2～3个AP（接入点）组成一个接入点集群。扇区按表1进行频率规划和扇区ID分配。所以在两个接入点集群（APCluster）中每个集群最多只需使用3个频点（5.755GHz、5.775GHZ和5.795GHz）。每个频点做不同方向的二次复用就可以正常工作，其余3个频点可以用于点对点回传设备的工作频率。工程采用的工业级远距离无线系统支持6个无干扰的信道，因此对于单个扇区可最多架设6个点对多点设备。

1.2气田原通信系统硬件升级改造

井场的RTU单元在无线网络接入前，原有线链路通过交换机的2M中继与中心站进行数据交换，在加入无线网络后，需要无线与有线之间的判断环路。中心站除了数据上传外，还需要对井场RTU数据进行打包处理，由此可以判断环路主要出现在中心站及井场之间。所以井场与中心站必须同时安装CISCO2960后才能使STP（生成树协议）生效，参与本地环路判断，自动辨别环路的状态形成。中心站和井场改造完毕后即可对处理厂的原有线部分的CISCO3845路由器进行配置。无线通信在进入路由器之前，无线网络工作站监控站可以通过增加的CISCO2960作为与无线链路中的设备通信接口。在有线网络数据为主、无线网络数据为辅的情况下，工作站检测备用链路中各无线设备的通断情况，一旦发生情况即可发出警告。根据配置后的CISCO3845接口定义，将有线和无线链路分别插入对应的网络接口即可实现正常通讯。

2两种网络互备传输存在的问题及解决方法

2.1存在的问题

由于有线网络属于已建成的网络，无线备用通道在传输过程中会形成一定的环路。如果无法解除环路的产生，那么网络的正常通讯会因为环路形成网络风暴而导致网络通讯的拥塞和中断。M2-8RTU单元、M2-6RTU单元、M2-B1RTU单元等各个终端信号在本地交换机与无线设备和中心站处理交换机数据交换过程中，形成了多处环路。这些环路造成了各个交换机之间的通信堵塞，大量的重复信息严重占用了通信带宽，使正常通信无法进行。只有在单独使用单一通讯的情况下，环路线路才可能中断从而使通信恢复正常。

2.2环路的解决方法

1）方案一。需要在中心连接处增加CISCO3层交换设备，并对末端RTU的地址进行重新分配，然后利用VLAN进行划分，还需更换光纤适配器传输模块，使末端设备链路工作在不同的VLAN，在需要中心三层交换机中进行通信的IP数据包交换并对各个线路进行隔离。但设计及订货时间要求较长，而且需要增更换通信设备，需要工艺人员坚守各个井场关键控制点，配合更换设备。

2）方案二。需要对各个井场交换机重新进行配置，采用混合VLAN的形式进行组网配置时间较长，配置时通信会发生中断，所有交换设备处都必须做出修改，中心及井场交换机组网完毕后，还需对处理厂路由器做出部分修改，需要工艺人员坚守各个井场关键控制点，配合更换设备。

3）方案三。需对原井场普通交换机更换为支持STP协议交换机（带路由功能），作业时间为每站单独中断2min，中心站更换设备通信中断时间为5min，中心站无线设备插接安装完毕共需20min，安装前需要保证井场或机柜内电源插口有余，在交换机启动、配置完毕后可直接进行换插，需要工艺人员坚守各个井场关键控制点，配合更换设备。以上3种方案中，方案一耗时长且投资最高，风险最大；方案二耗时较长且风险较大；方案三耗时最短，投资和风险控制较为理想。在复杂的网络条件下的环路解决方案为：在环型链路中，采用思科STP协议（生成树协议）可在二层设备数据交换时，对行环型链路进行自动识别并快速切换。当某端口通信线路发生故障口后，CISCO交换机设备可根据STP协议使备用的线路在1～2s内转为主要电路，在原主要线路故障恢复后交换机将自动进行无缝链路的切换，使得中心站通信持续保持正常，网络环路所产生的网络风暴会自动消失。

3M气田应用成效

M气田建设的无线数据通讯链路采用TCP／IP以太网通讯协议，传输过程为透明网桥式传输。现采用摩托罗拉无线宽带接入系统（canopy系统）建立无线网络，摩托罗拉无线宽带系统为标准以太网数据设备，提供10BASE-T／100BASE-T（RJ-45）自适应标准以太网接口，遵循TCP／IP标准以太网通讯协议。单个气井的数据先传输到数据中心站，再通过数据中心站无线传回到处理厂scada系统进行监视、控制和联锁，解决了固定光纤数据传输系统遭遇突发地质、山洪等灾害造成通信中断的问题。以此作为有线光纤网络的备用通道，也扩展了气田网络的覆盖区域，提高了其网络数字化工作的能力。天上无线（无线网桥）、地上有线（SDH）建成后，对无线与有线网络进行全线接通，中心通信设备通讯正常。当操作人员拔出主干有线链路后，无线连接等立即转化立即接替有线通讯，整个转换在1s内全部完成，无线网络设备通信全部正常。而主电缆恢复连接后，交换机自动进行无缝的主电路切回，各井场RTU—中心站RTU处理—处理厂SCADA系统之间数据传输未发生丢失情况，有线与无线传输的数据互备传输系统得到了良好地实施。

4结束语

以无线网桥系统作为光纤传输系统的热备系统，在光传输系统出现断路、光信号衰减过大的情况下，可自动切换至无线网桥系统进行数据传输工作，通过在M气田项目上几年的测试和实际运行，证实了此方案的可行性、通信的可靠性和数据传输的准确性。

作者：史建华 马向阳 周明军 夏显威 袁媛 单位：中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司 中国石油塔里木油田库车勘探开发项目经理部