埕岛油田海上自动化系统通讯现状分析与改进

李 勇

0 引言

埕岛油田海上工艺自动化系统1996年开始设计建设，经过十几年的发展实现了海上卫星平台无人值守管理，进行了SIS（Safety Instrumented Systems，安全仪表系统）[1]升级改造。截止到目前建成了包括1 座陆地监控中心、3 座海上监控中心站和68 座卫星平台站的大型滩海油田SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，数据采集与监控系统）系统[2]，降低了职工劳动强度，确保了海上平台安全高效生产。

至今整个埕岛海域已建成平台超过100 座，年产油能力超过200 万吨，海底输油、输气、注水管网日趋完善。埕岛油田卫星平台通过工艺自动化系统、电力自动化系统和电视监控系统实现对油井、工艺参数、电力系统以及平台重点部位的监控和管理，并将数据和图像传输到中心平台。

目前卫星平台[3]与中心平台之间的通讯方式有数传电台[4-6]、扩频微波[7-10]和海底光缆[11]等，每座卫星平台都有三套或三套以上的通讯设备，而且型号多种多样，例如：CB22A 平台工艺自动化系统使用MDS4710B 型数传电台、电力自动化系统使用MDS4710C 型数传电台、电视监控系统使用奥维通54M 扩频微波，这3 套设备均采用无线传输。埕岛油田共有78 座卫星平台，每座平台都有2-3 套无线通讯设备，在平台数量不断增加的情况下，编织了一块无形的无线通讯网。虽然每台设备各自的频点不同，但是无线通讯设备之间必然存在着一定的干扰，海上甚高频、移动通讯对生产通讯设备也有一定的影响，部分平台MDS 数传电台和扩频微波通信误码率较高，通信质量差，有时会出现通讯中断情况，影响了自动化系统和电视监控系统的正常运行。另一方面，复杂多样的无线通讯方式增加了日常维护管理难度，工艺自动化、电力自动化和电视监控系统作为独立的系统，都由不同的维护管理人员进行通讯设备的维护和检修，增加了维护费用，也不利于故障的排查和判断。

1 通信现状测试报告

1.1 设备现状

目前海洋采油厂的卫星平台远程控制终端（RTU）数据传输和部分视频监控系统以及电台通讯均使用美国MDS 公司生产的微波数传系统GE MDS4710A 及GE MDS4710B，每个平台区域一个GE MDS4790 或4720 主站电台，30 个GE MDS4710 远端电台进行语音和数据的传输。设备分布，如图1所示：

图1 设备分布现场图

在使用中同频干扰较大，同时在雨雾天气衰耗剧增，已严重影响了油田生产的正常调度。

1.2 现场勘查

我们对该套系统进行了测试。首先对设备及反馈系统进行实地测试，如图2-图5所示：

图2 MDS 系统主站

图3 射频单元

图4 全向天线

图5 中心二号平台天线塔

现场勘查发现的主要问题有：

1)中心二号平台机房空间紧凑，接地效果较差，应当进行接地电阻测试并重新做接地系统。

2)通讯机房设备缺少标签，给日常检查带来不便。

3)机房走线不规范，电源线、馈线、信号线未分离，存在一定的安全隐患。

4)室外天馈线系统需要进行整体规划，部分已废弃的天馈线系统未拆除。

5)MDS 系统天馈线系统安置位置存在信号覆盖，自身产生同频干扰。

2 设备测试

经联入HP 公司8593A 频谱仪测试频点及功率，测试结果如下。

2.1 中心二号平台主站

测试时，联入10DBM的负载。测得的接收频点及功率，如表1所示：

表1 中心二号平台主站接收频点及功率

发射频点及功率，表2所示：

表2 中心二号平台主站发射频点及功率

2.2 中心一号平台主站

测试时，联入30DBM的负载。

主用（联入30DBM 负载）：

由于渤海平面的恶劣环境使低频段的窄带无线设备虽然能满足抗多径干扰和长距离传输的要求，但速率非常低，已经满足不了海上平台间图像、话音、数据、互联网等传输的需求。而且由于设备使用年限较长，经实际测试，双极化天线内接收信号已发生较大的频偏，滤波器的检波、滤波功效存在频点自激现象。信道内误码偶尔超出系统自调整范围。

发射频点在测试中处于较为稳定的状态，但数传电台固有的突发脉冲的特点使得发射功率在恶劣的盐雾作用中极易产生较大的功率衰减。同时，中心平台上电磁噪声较为严重，从而导致误码率呈几何级数上升，极大地影响了系统的正常运行。

3 系统改进

经过对MDS的数传微波系统的设备检测，为保证油田的正常生产运行，改进建议如下：

1）彻底整治各平台的设备环境(包括闲置的设备及天馈系统)，改善设备工作的电磁环境，规范三线的布放路径，并建立良好的避雷、接地系统。

2）重新组建一套高效、稳定的无线数传系统，要求：抗干扰能力强；带宽100M 以上；组网方便；便于管理等。

3）原有的系统可作为备用，并对天馈线系统加以完善。

目前使用的各类通信系统如无线短波通信系统、有线通信系统、卫星通信系统、点对多点微波通信等均有各自优缺点。

1）无线短波通信系统，利用天波、地波进行通信，时效性好，机动性强，但单工工作、信息传输以电报为主，通话质量不高，容量较低，且受气候影响较大。

2）以光缆为代表的有线通信系统，可以传输话音、数据、视频。但受地域条件限制，并且通信光缆经受日晒雨淋后通信质量会很快下降，并且维护困难，成本高。

3）卫星通信系统，以卫星为媒介提供信息传输，但卫星资源有限，所需经费较大。

4）点对多点微波通信系统，与短波通信相比容量大、稳定可靠；与有线通信系统相比，无需架设、铺设线缆，线路维护量小；与卫星通信相比，本系统造价低、建设周期短，设备易于维护和管理。

点对多点微波通信系统是现代通信技术中的一个重要概念。它是数字通信的一种，兼有数字通信和微波通信的优点。无线通信中常用的多址方式有TDMA、FDMA、CDMA等。其中FDMA 及CDMA 系统传输时延较小，但FDMA多址方式具有占用频带宽、存在远近效应以及多用户自干扰，系统容量受限等缺点，CDMA 多址方式同样存在远近效应和多用户自干扰问题。TDMA 时分多址占用频带较窄，无远近效应、距离适应性强，易增容，实现简单且传输时延可控。

因此，根据海洋采油厂海上自动化系统应用的现实情况，在本系统中宜采用TDMA 时分多址通信方式。新系统的设计方案为：双工体制采用频分双工与时分多址相结合的方式。从中心平台到卫星平台的信息传输采用实时的广播方式，主要发送各平台时隙分配信息。从卫星平台到中心平台的信息传输采用TDMA 时分多址通信方式，把卫星平台与中心平台的工作时间分割成周期性、互不重叠的时隙，一个周期叫做一帧，一帧中每一个时隙叫做分帧。将每个分帧分配给不同的卫星平台使用，最终实现卫星平台与中心平台间的信息传输。

4 结论

本文针对目前海洋采油厂海上无线通讯系统存在的高误码率、强信号干扰以及部分设备年久失修等问题，找出了影响通讯质量的具体原因并且优选了性能稳定、抗干扰能力强、质量过硬的通讯方案，可以将工艺自动化、电力自动化和电视监控通讯设备的无线通信进行优化整合，提高无线通讯质量、减少无线通讯设备数量、降低通信设备的日常维护费用，切实建立一套适合海洋采油厂海上平台应用的通讯模式。

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