工业PON技术在油气生产场站组网的应用

黄威皓，鲍自翔，肖逸军，叶康林

(中国石油西南油气田公司通信与信息技术中心，四川 成都 610051)

0 引言

通信技术在近年来飞速发展，2017年，国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见中夯实网络基础部分提出了要支持企业大力推动工业无源光网络(PON)的发展。工业PON，作为新一代面向数字化、智能化发展的全新网络建设模式，是信息化和工业化的深度融合，能提供全光纤、高带宽、高安全、多业务要求。

在油气田行业中，伴随多年的信息化发展以及生产场站的高速增量，传统以太网交换组网方式在组网的灵活度、传输的稳定性以及网络运维成本等方面跟上油气场站信息化需求的发展步伐。同时，传统网络架构还存在扩容、调整复杂耗时，无法满足柔性制造需求；网线升级对走线槽空间要求高，成本高，网线生命周期短，带宽升级需更换介质等问题亟待解决。文章通过利用工业PON技术组网的生产信息化一体化橇为例，论述工业PON的技术特点和在油气行业中的应用场景，比较传统组网方式和工业PON组网的优劣势，为油气田信息化组网模式提供参考。

1 PON简介

PON是一种应用于接入网,局端设备(OLT)与多个用户端设备(ONU/ONT)之间通过无源的光缆、光分/合路器等组成的光分配网(ODN)连接的网络。如图1所示。它采用基带数字传输技术传输双向交互式业务。它由OLT(光线路终端)、光配线网ODN、及光网络单元ONU组成[1]，在OLT和ONU之间的ODN没有任何有源电子设备。PON使用波分复用(WDM)技术，同时处理双向信号传输，上、下行信号分别用不同的波长，但在同一根光纤中传送。OLT到ONU/ONT的方向为下行方向，反之为上行方向。下行方向采用1 490 nm，上行方向采用1 310 nm。这种时分多址的接入模式有效杜绝了数据冲突和网络堵塞。

图1 PON组网架构

2 工业PON技术特点

工业PON组网具有网络层级更加扁平，安全更可靠、运维更安全的特性。传统以太网交换机网络由接入层、汇聚层、核心层三层架构进行组网，网络层级多，尤其在大型工厂或场站更加明细。同时传统组网的网络信号受电磁干扰较大。而工业PON无源光网络是纯介质网络，可以有效避免电磁对传输数据的影响和干扰。此外，工业PON采用更加扁平结构的进行组网，减少了如：RTN、SDH这类高成本传输设备，有效降低了建设成本。在网络结构上PON是一种扇出的星型结构，可以服务大量用户且在一定程度上消除各节点处理数据路由产生的延迟，形成高效的网络传输模式，很大程度上降低了运维成本和难度。

工业PON技术具备终端接入认证和数据加密安全性，提供从终端到网络到数据的三重安全保障，并支持多种ONU终端的认证功能，例如基于物理标识、RFID、逻辑标识等方式，可有效避免非受控终端接进网络。工业PON的硬件设备具备很强工业稳定性，在超高低温、高频振动以及电磁干扰等环境下能保持正常运行。

工业PON在技术标准层面支持Type A-D多种保护倒换方案，可以提供不同等级的网络自愈能力，在一路ODN网络或者PON设备端口发生故障导致网络中断时，快速进行主备链路切换和业务恢复，保证工业场景对于系统高可靠性的要求。面对各类业务对于网络资源能力需求、分权分域管理、安全隔离等必要的要求，工业PON设备具备切片能力，一个物理OLT可以虚拟为多个OLT分片，分别承载各类业务，实现独立运维管理，业务和网络资源互不干扰，可以有效实现可靠性、安全性、网络资源三者之间的平衡。传统组网与工业PON组网对比[2]如表1所示。

表1 传统组网与工业PON组网对比

3 生产场站工业PON组网方案

3.1 传统生产场站典型网络介绍

在油气生产物联网系统建设中，数据及图片传输是其关键部分之一，是系统运行的基础。生产场站/井站作为终端对数据及图片完成采集后通过生产网络层层上传。生产场站/井站作为数据汇聚的第一层级，汇聚场站生产数据后传输至中心站。目前场站采用的是传统以太网交换机组网模式，局部传输网络由二层汇集交换机以及光传输设备构成。如图2所示。汇聚交换机下连数据采集器、硬盘录像机、门禁安防主机等设备以此来汇聚工业生产数据、视频数据以及安防数据，光传输设备用于局部网络出局，通过光纤传输上行至中心站核心交换机。整个网络使用数字电缆进行数据传输，带宽窄、速度慢、数据实时性差。同时通信机房到各个生产设备之间需要添加有源设备和敷设大量电缆，不但提高了成本，而且不易维护，故障率高，稳定性差。

图2 传统场站组网模式

3.2 工业PON组网方案

如图3所示，通过工业PON技术优化生产场站网络结构，通过ONU替代传统模式二层汇聚交换机作为新的汇聚设备，OUN具备比传统交换机更强的工业性，在运行过程中稳定性更强，良好解决了传统交换机因温度过高跑死的问题。同时OUN同时具备电口和光口，减少了下联光信号设备的层级，提升数据传输效率和稳定性。视频数据、生产数据以及机房环境数据通过并在中心站部署OLT用于替代传统核心交换机，极大扁平了网络结构。ONU作为新的汇聚设备，通过其优秀的兼容性和协议转换能力以及传统交换机不具备的无线模块，将生产场站所需的视频图像、生产数据以及环境信息等关键数据不冲突的汇聚到一起，视频类数据需要高带宽传输通过光纤汇入。站内各类无线传感器和低带宽设备则通过网线或无线接入接入。然后通过OUN上行传输至中心站OLT，OLT继续上传至生产数据平台。

图3 PON组网模式

3.3 优化效果

工业PON系统对局端资源占用很少，设备成本投入低，扩展容易且易于升级并能提供非常高的带宽。同时采用无源光网络进行数据传输，传输网络中没有任何有源电子设备，因此非常容易铺设，减少了网络管理和设备运维的工作量，有效降低运营和维护成本[3]。按照油气行业生产现场一个中心站及四个下属场站进行测算，工业PON所需的组网设备远远少于传统以太网交换机组网，同比设备成本降低50%～70%，柜内占用空间降低2U。设备对比如表2所示。

表2 两种组网模式设备需求对比

同时工业PON作为面向工业场景的传输设备，其抗高低温、振动、电磁干扰的稳定工业特性能在各种恶劣的环境下稳定工作。高兼容度以及多种接入模式，可以满足不同设备通信接口下的信号数据传输，有效保障油气行业网络传输能力和稳定性。

4 结语

工业PON作为新一代面向数字化、智能化发展的全新网络建设模式，实践发现，工业PON无源光网络在工业环境下能够较好地替代传统组网方式，并具有稳定性强、经济型高、维护管理简单、扩展容易等优点，有效地减少了工业场景的网络拓扑层级，提升网络传输稳定性，并极大程度的降低了设备和运维成本，实现光纤替代网线而减少电磁干扰的安全生产目的。