基于5G网络技术的天然气管网智能监控系统的设计

吴海平

(万科思自动化(上海)有限公司,上海 200135)

天然气管网建设具有广域分布的特点,因此其管线上的场站和阀室均散落在城市郊区的各个角落。根据工艺的复杂度和重要性,部分场站会单独建立本地站控系统,安排有人值守;而大部分无人值守的场站则需要远传到控制中心集中监控。现有的通信方式中,光纤价格高容易被挖断;早期建设的无线通信带宽低,不稳定。随着时代的发展,企业为了提高管理水平,将进一步加强集中监控,为实现现场全面无人值守和控制中心智能监控的目标,对通信网络的稳定性、及时性、可靠性、安全性的要求也更高了[1]。5G网络技术的出现,可大幅优化天然气数据监控通信网络,为企业实现高效数据采集,建设智慧燃气奠定良好的基础。

1 5G网络技术

与前几代移动通信网络相比,5G网络技术的各方面能力都有了飞跃性的发展。最直观的体现是在网速方面,其下行峰值数据传输速率可达20 GiBit/s,而上行峰值数据传输速率可能超过10 GiBit/s;在提高网速的同时,5G网络还大幅降低了时延、提高了整体网络传输效率,为用户提供小于5 ms的端到端时延。可以看到,5G网络能够带来超越光纤的传输速度,超越工业总线的实时能力以及全空间的连接,5G网络将开启充满机遇的时代,满足人们对万物互联的各种想象[2]。

5G网络技术的主要技术特点有: 更快的网速,满足大数据量的快速传输;更低的时延,满足实时性的需求;更广的连接,满足多站点并发采集的需求。因此,5G网络技术的到来,为完善提高天然气管道智能化监控水平提供了更多的可能[3]。

2 数据监控网络现状分析

天然气管网的工艺数据监控主要基于数据采集与监视控制系统(SCADA)来完成。SCADA是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统,可以远程监视和控制分布在各地的现场运行设备,以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能[4]。

SCADA采集监控城市天然气管道上的场站和阀室的运行数据,尤其是高中压管线的场站和阀室基本上都是分布在城市郊区,现有的通信方式主要有以下几种:

1)自建光纤。该方式需要在管网规划建设阶段就考虑设计,让光纤随管道敷设。已建成的大部分管线都不具备条件,即使是新建规划的管线。该方式成本也很高,一般只在重要的调度中心,区控中心或个别重要有人站点才会敷设。同时,管线周边的维护性施工,经常会挖断光纤造成通信中断,并对系统监控产生重大影响。

2)租用运营商专线。租用运营商的专线,可以就近从运营商的机房中引光纤到站点,但往往站点周边第三方施工也比较多,也会出现和自建光纤一样被挖断的现象。同时,租用专线的费用也不低。

3)2G/3G无线通信。由于国内的2G/3G的无线网络覆盖和普及率高,因此在不少无法铺设光纤或附近没有运营商资源的站点采用该方式。但2G/3G的无线网络经常出现信号不稳定,受天气影响、周围建筑或植物生长的影响、站点地理位置因素(站点多在郊区,信号弱)等影响较大,经常出现掉线,或者需要维护工程师到现场重置设备才能恢复,给用户造成了不少困扰。

4)卫星通信。少数的天然气企业租用卫星进行无线通信。因为使用的用户少,该方式的使用成本和维护成本都比较高,数据时延长,也受天气、周围建筑或植物生长的影响较大。

上述几种通信方式目前已经不适用现有SCADA对大量数据实时采集的可靠性,稳定性和网络安全性的要求。

3 在数据智能监控方面的应用

国内5G网络技术的快速普及和商用,给天然气SCADA数据通信和采集提供了一种很好的解决方案。以某城市天然气管网智能化监控改造项目为例,具体体现在以下几个方面。

3.1 高带宽

目前,该城市的天然气中高压管网长度已超800 km,设有各种首站、门站、计量站点70多座,阀室上百个,总计接入实时数据点数2×104多点。由于各个站点建设的时期不一样,之前的通信网络受限于早期的技术条件,有2G/3G接入、租用运营商有线网络、卫星接入等,各不相同,网络状态不佳,数据通信不稳定,维护工作量大,已经不能满足现有业务对数据采集和智能化调度的需求。

5G网络技术改造方案的提出和实施,很好地解决了上述问题,同时为后续的天然气管网的智能化调度打下了坚实的基础,增强了移动宽带,创造出了更快的网络速率,解决了之前带宽低、数据拥堵、刷新慢的问题,满足了大数据的采集需求,为企业的数字化转型提供了基础数据支撑。

3.2 低时延

改造之前,整个SCADA网络通信时延较大,时有发生丢包的现象。因此,系统的数据刷新频率较低,个别站点每隔一段时间还会出现网络卡死或假死的现象,导致数据不刷新,需要维护人员到现场站点重启复位网络设备。该问题处理起来不仅工作量大,还给整个管网的安全运维带来隐患。

该项目采用5G技术并结合SCADA软件DNP协议的主动上报功能,不仅让数据达到毫秒级的实时上传,数据传输的稳定性和可靠性也得到质的提升。调度人员能更加及时地了解到管线上各个节点压力的变化情况,关键阀门的变位情况,结合管网的智能仿真系统,可及时有效地对管网的危险情况做出预警。整个SCADA的监控调度更加流畅,数据刷新频率更快,实时性更高,天然气站点的远程监控命令更加高效和可靠,为今后有人站点的无人值守,减员增效打下了很好的基础,提升天然气管网自动化控制的整体水平。

3.3 多站点接入

天然气管网SCADA面临的最大问题就是站点多,分布广。改造之前不同通信方式接入的时间缺乏统一的规划,IP资源分配不合理,面临IP资源枯竭的问题。另外,2G/3G无线通信卡拨号时候一般都是动态IP的方式,每次重启后重新拨号IP都会发生变化,因此,网络中配置了1台通信服务器用来做数据转发。通信服务器上有固定IP,每个场站无线设备拨号后作为TCP client,连接到通信服务器的固定IP上,SCADA软件再和通信服务器进行通信,完成数据采集和远程监控。站点增多后,通信服务器IP资源就出现了瓶颈,影响了后续新建站点的接入。改造前系统结构如图1所示。

图1 改造前的系统结构示意

图1中通信方式未考虑到网络安全,数据在公网上明文传输,有较大的风险。因此,改造方案考虑了5G+虚拟私有拨号网络(VPDN)接入的方式。VPDN是指以拨号接入方式上网,通过对网络数据的封包和加密在公网上传输私有数据,达到私有网络的安全级别。基于该项业务,企业可在公共网络上构建1条虚拟的、不受外界干扰的专用通道,从而安全访问企业网内部的数据资源。改造后的系统结构如图2所示。

图2 改造后的系统结构示意

VPDN的网络部署,通过GRE隧道的加密方式不仅给数据在公网上传输带来安全性的保证,同时可以给每个站点映射并分配一个固定的内网IP,如192.168.XXX.XXX网段,这样SCADA就可以不需要通信服务器的转发,直接访问到各个站点的IP。

5G网络技术信号好、覆盖范围广的特点可方便实现多用户多站点的协同组网,再配合VPDN带来的公网传输的安全性的保证,很好地解决了天然气管网站点多、分布广带来的接入问题。

3.4 双链路冗余配置

天然气供应关系到千家万户以及市内重点企业的能源使用,因此,对天然气管网各站点的监控和智能调度的重要性不言而喻。除了利用5G网络技术提高数据通信的稳定性和可靠性,同时升级方案还考虑引入了双运营商双链路冗余的通信机制,来确保通信的万无一失。即每个接入站点都配置了“一主一备”2条5G通信链路,2条链路采用不同的运营商(如联通和电信),确保某一个运营商的网络出现故障时,可自动地从主链路切换到备用链路,保证SCADA数据采集的连续性。

为了实现双链路冗余切换,站点的RTU设备自带2个以上的网口,分别链接2个不同运营商的5G无线路由器,并完成双网关配置,从而实现冗余自动切换的功能。

具体的双网关配置为: 第一个网口设置为通过默认网关192.168.1.1访问目标IP,即设备中除其他网关有设定的目标IP外的其他IP;第二个网口设置通过网关192.168.2.1访问目标地址为192.168.101.XXX和192.168.102.XXX网段的IP;第三个网口为本地IP,用于连接CP通信卡。

4 在天然气其他场景的应用

5G网络技术的高带宽、低时延、广连接的优势使其在天然气行业有着较为广泛的应用场景。目前,天然气的SCADA,主要采集的是现场的工艺数据,如温度、压力、流量和设备的开关状态等。但受限于之前的通信能力,大量的设备诊断数据并没有采集,比如流量计零点漂移,关键参数的报警等信息。以往情况都是在设备出现问题后,维护人员才到现场去采集、分析、调校。结合5G网络技术,可以方便将大量的设备诊断数据进行远传,利用云计算、大数据分析等技术手段,建立设备远程智能诊断系统,对设备的运行状态进行事前预警和维护。

天然气管网几百公里的管线,目前采用的大多是车辆巡检的方式。5G无人机巡检技术,可通过无人机沿着管线低空飞行,拍摄高清视频,捕获得到信息通过5G网络技术实时传回到调度中心,工作人员可以足不出户完成繁重的巡检工作。传回的图像信息可以和后台数据进行AI智能比对,对违章搭建、异物闯入、不规范施工等进行报警,并通知工作人员,及时处置问题,从而保证管网的安全运行[5]。

天然气站点的泄漏检测一直是个难题,有了5G网络技术,再结合红外检测技术和视频检测技术,可以实现快速的泄漏检测报警和定位。通过红外检测技术扫描燃气设备,当发现有泄漏产生时,将附近的视频数据和红外扫描的定位数据一起通过5G网络传回云端进行智能比对,算出准确的泄漏点,并及时报警通知应急处置人员。

5 结束语

该项目通过5G网络技术的成功应用后,通信质量有了很大的改善,网络安全方面达到了国家安全等保“2.0”的第三级标准要求,大幅减轻了维护人员的工作量,为后续管网扩容建设接入更多站点打下了坚实的基础。

随着物联网的发展以及天然气行业数字化转型的诉求,基于5G通信技术,并结合自动化、信息化和智能化等先进技术,可实现天然气行业各生产要素之间的协同配合,进而使生产效率得到有效提升,并且更好地保障生产的安全。