無線通信技術在智能煉化工廠應用

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了無線通信技術在智能煉化工廠應用范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要:煉化物聯網系統作為自動化和信息化融合的典型系統，具有“全面感知、可靠傳輸、智能應用”的關鍵特征。為實現煉化作業現場的物聯網業務，無線傳輸的重要性是不言而喻的。本文論述了煉化物聯網對無線傳輸的需求，簡單介紹了第四代移動通信技術的優勢及中國石油天然氣股份有限公司獨山子石化物聯網系統試點應用項目的建設情況。煉化工廠無線覆蓋環境復雜，作業現場多系爆炸性危險環境，因此實現4G無線覆蓋難度較大，且部署到作業現場的基站設備需采用防爆產品。為解決這些問題，項目對無線覆蓋區域進行了詳細的勘測，并專門研制了防爆型基站產品，本文對這些工作進行了詳細的論述。文章最后總結了研究成果和在獨山子石化物聯網試點項目中的應用。

關鍵詞:TD－LTE;煉化;物聯網;無線信號覆蓋;防爆

1緒論

1.1背景及意義

自中國石油天然氣股份有限公司(簡稱中石油)將煉化物聯網系統項目(B8項目)調整進入集團公司“十二五”信息技術總體規劃以來，集團多家企業對煉化物聯網進行了積極深入的探索和廣泛的應用，有效提升了企業全面感知、預測預警、協同優化和科學決策的能力，推進了企業轉型升級、提質增效、可持續內涵式發展。獨山子石化是我國西部大型石化基地和油氣引進、儲運、加工的戰略樞紐，項目通過對獨山子石化的現狀、發展趨勢和業務需求進行分析，提出了煉化企業基于TD－LTE(分時長期演進)無線通信技術的智能工廠建設方案。通過對現場的詳細實地勘察，設計了完善的無線覆蓋方案。針對爆炸性危險環境專門研制了防爆LTE基站，以滿足作業現場的無線覆蓋需求。最終在所有需要進行煉化物聯網業務的廠區、辦公室等區域采用TD－LTE無線專網實現了無線信號的無縫覆蓋，并對專網的傳輸速率、時延、覆蓋情況等進行了現場測試，在此基礎上以TD－LTE無線專網承載了多種煉化物聯網業務，如為煉化企業生產現場的裝置、罐區、設備、廠區、周界、物流和人員等現場管控對象部署各類傳感器、智能分析設備、RFID射頻標簽等數據采集感知設備，實現了對現場設備生產數據的實時采集和傳輸;建立企業現場綜合數據庫，實現了現場對象與管理者之間的互聯互通，為上層煉化物聯應用提供了穩定、可靠的現場數據支持。

1.2試點應用項目建設情況

中石油獨山子石化物聯網系統試點應用項目，目前已完成4套TD－LTE宏基站和20套防爆一體化基站的物聯網信息化建設。項目建設的TD－LTE無線專網系統已在獨山子石化得到廣泛的應用，使工廠生產的自動化程度得到了進一步提高，有效提高了生產效率，對現場作業的安全性也有很大的提升。

2TD－LTE無線通信技術介紹

2.1TD－LTE關鍵技術

TD－LTE無線通信技術采用了大量新的理論和技術，主要關鍵技術包括正交頻分復用、智能天線、多輸入輸出等。·正交頻分復用(OFDM)技術TD－LTE無線通信系統采用OFDM技術，頻譜利用率高、抗衰落能力強、抗碼間干擾(ISI)能力出色，適合高速數據傳輸。·智能天線技術(SA)智能天線具有抑制信號干擾、自動跟蹤及數字波束調節等功能。其基本原理是在無線基站端使用天線陣和相干無線收發信機來實現射頻信號的收發，同時，通過基帶數字信號處理器，對各天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現上行波束賦形。·多輸入多輸出(MIMO)技術多輸入多輸出技術(MIMO)是指在基站和移動終端都有多個天線。MIMO技術為系統提供空間復用增益和空間分集增益。MIMO技術可提供很高的頻譜利用率，且其空間分集可顯著改善無線信道的性能，提高無線系統的容量及覆蓋范圍。

2.2TD－LTE無線通信技術優勢

TD－LTE無線通信技術作為當前無線通信發展的主流技術之一，其主要優勢如下:(1)高傳輸速率。對于大范圍高速移動用戶(250km/h)，數據速率為2Mbit/s:對于中速移動用戶(60km/h)，數據速率為20Mbps;對于低速移動用戶(室內或步行者)，數據速率為100Mbps。(2)低傳輸時延，業務面傳輸時延小于5ms。(3)真正的無縫漫游。實現全球統一的標準，能使各類媒體、通信主機及網絡之間進行“無縫連接”。(4)高度智能化的網絡。采用智能技術的TD－LTE通信系統將是一個高度自治、自適應的網絡。采用智能信號處理技術對信道條件不同的各種復雜環境進行結合的正常發送與接收，有很強的智能性、適應性和靈活性。(5)良好的覆蓋性能?？蓪崿F無縫的無線覆蓋并提供高速可變速率傳輸。(6)基于全IP的網絡，支持IPv4/IPv6。(7)提供多種QoS的傳輸質量，以適應不同類型的業務。(8)系國際技術主流通信技術，兼容性更好。

3煉化TD－LTE無線專網需求和方案

在石化、煉化工廠建設無線網絡，實現無線信號的無縫覆蓋，主要面臨兩個較難解決的問題，第一個問題是生產作業區域均部署各種反應裝置和管道，這些裝置和管道絕大多數是金屬材質，對于無線信號兼有阻擋和吸收的效應，極易引起弱覆蓋甚至沒有無線信號，導致這些區域無法順利進行業務，從而影響生產。一般解決此類問題的方法是在這些弱覆蓋區域增設基站，引入無線信號，而這又引起了第二個問題，即這些區域多位于各種裝置密集的位置，這類位置多為危險區域，只能部署防爆型產品，而市場上基于TD－LTE專網的防爆型產品卻幾乎沒有。為解決復雜環境下的無線覆蓋問題，我們一方面多次仔細勘察煉廠環境，認真規劃，合理部署宏基站以解決大范圍的無線覆蓋;另一方面研制防爆型專網基站產品，以便在危險區域就地部署，解決宏基站無法覆蓋到區域的弱覆蓋問題。本章對解決無線覆蓋的規劃和防爆型基站研制進行了較為詳細的論述。

3.1TD－LTE無線覆蓋需求和規劃

無線覆蓋需求:項目計劃采用1.8G(1785～1805MHz)頻段建設TD－LTE無線專網，專網需覆蓋獨山子石化廠約100km2區域，包括主城區、煉油廠和乙烯廠三個區域，包括作業區、辦公區及各外操間等。專網需要承載的用戶和業務包括200個巡檢業務終端、2000臺人員定位終端、120余臺射頻標簽讀寫設備，以及城市區內部分無線數采儀表的數據回傳、區域內多媒體通信和部分視頻數據回傳。無線網絡規劃:根據無線覆蓋需求，對于辦公區、作業區采用宏基站實現無線覆蓋，宏基站可安裝在安全區域，采用定向天線指向需要覆蓋的區域;對于外操室或因裝置區阻擋而導致弱覆蓋的區域，則可直接在該區域附近位置安裝基站，這一類區域多系危險區域，因此部署的基站需采用防爆型產品?！ず昊疽巹澐桨父鶕S區裝置和設備的分布情況，采用多套宏基站RRU實現4G專網的無線覆蓋，其中核心網、基站BBU、統一網管等安裝在辦公樓內部;RRU部署室外非防爆區架高的抱桿上，采用定向天線實現廠區室外的TD－LTE無線覆蓋。根據獨山子石化業務要求，規劃建設四套宏基站，采用S111站型，即每套宏基站包括一臺基帶處理單元(BBU)和三臺射頻拉遠單元(RRU)，BBU和RRU之間采用光纖連接?；咎炀€方位角初步規劃為0°、120°、240°，天線掛高初步設計為30～40m?！し辣靖采w方案外操間墻壁較為厚重，對無線信號的隔離效應嚴重，因此外操間內一般收不到宏基站發射的無線信號，或信號很弱。另外，部分作業區域裝置密集，這些裝置多為金屬結構，也容易造成無線信號的弱覆蓋和盲區。對于這兩種情況，可以采用現場就近部署防爆型基站，進行無線信號補盲，改善無線覆蓋效果。防爆型基站可采用BBU、RRU合一的防爆一體化基站，該款設備設計防爆標志為ExdIICT4Gb，采用交流200V供電，提供RJ45網口，可利用已有傳輸，只要與核心網之間IP鏈路可達即可工作。防爆一體化基站在裝置區及外操間無線覆蓋效果如圖1。

3.2TD－LTE無線基站防爆需求和產品方案

防爆需求:石油、天然氣及其產品作為石油化工生產的原料，大部分屬于易燃易爆物品，具有相當的危險性。一旦在生產過程中產生火花，就可能引起劇烈的燃燒和爆炸，后果不堪設想。一般來說，電氣設備在運行過程中很容易產生火花，因此在獨山子石化涉及危險區域部署的設備，必須具備嚴格的防爆特性，并經嚴格測試，獲取國內權威機構頒發的防爆合格證書?！し辣驹O計為保證安全，我們防爆基站按照嚴格的防爆標準設計(圖2)，產品設計防爆標志為ExdIICT6Gb，可以適用于絕大部分危險易爆環境。設計要點主要包括:①產品采用隔爆設計，設備主體及電話均放置于防爆箱內，防爆箱符合ExdIICT6Gb的設計要求，材質采用鑄鋁材質。②基站的電氣、數據傳輸、射頻線纜等接口通過不銹鋼格蘭頭與外部線纜連接，接口處均使用防爆膠泥密封。③基站發射閾值功率在2W以內。④防爆箱接口均需使用防爆膠泥密封。⑤使用時嚴禁帶電開啟防爆箱體。

4項目成果

4.1無線網絡仿真及結果

通過反復的模型校正和網絡仿真驗證基站站址、基站數量、天線掛高、方位角等相關參數。本次參與仿真基站站點4個;天線掛高采用40～45m;天線采用15dBi高增益定向天線;采用農村、草原、荒漠、郊區地貌;采用專業仿真軟件進行無線網絡信號模擬覆蓋計算。根據網絡仿真數據分析，結合TD－LTE基站的覆蓋能力，本次網絡仿真效果達到了預期設計，與現場網絡規劃設計相吻合。分析獨山子地區信號場覆蓋分布仿真效果，無線信號覆蓋效果良好，可以滿足獨山子石化的專網覆蓋要求。

4.2防爆一體化基站

成功研制防爆一體化TD－LTE基站，基站型號為TLU220T。該產品集成了基帶處理單元和射頻拉遠單元，支持1.8GHz頻寬，支持通過有線回傳方式接入骨干網，可與核心網一起組建TD－LTE無線網絡，為終端提供TD－LTE接入，完成語音和數據業務傳輸。產品外觀及其安裝效果如圖3所示，現場防爆基站采用了外接定向天線。TLU220T支持利用現有傳輸資源，可減少投資，實現低成本快速建設LTE網絡，增強無線覆蓋效果。產品設計支持防爆，防爆標志ExdIICT6Gb(圖4)，防爆等級很高，可廣泛應用于石油、煉化、電力、軌交等各個行業領域。

4.3分析和結論

項目按照采集層、傳輸層和應用層三層架構搭建煉化物聯網系統，其中傳輸層作為系統中連接采集層設備和上層應用的中間橋梁，需要具備安全、穩定、可靠的傳輸能力，能夠覆蓋企業各業務區域。在項目建設過程中，我們通過對現場全面細致的勘測、高水平的規劃，在采用宏基站完成了大部分區域無線覆蓋的同時，在外操間及其他無線信號弱覆蓋區域大量部署防爆一體化基站，完美解決了獨山子石化TD－LTE專網的無線覆蓋問題。專網完成建設后，經大量測試和試用，在整體區域內無線信號覆蓋良好，完全可以滿足系統的巡檢、定位和儀表等各類業務數據，以及視頻、語音等多媒體數據的無線傳輸要求。煉化物聯網項目的建成，不僅為公司贏得了比較可觀的經濟效益，而且對公司的生產經營管理也產生了積極的促進作用。5總結與展望根據煉化物聯網系統項目建設的現狀和長期目標，建設和推廣基于先進無線通信技術的智慧化工廠系統和產品，對煉化企業的安全和高效生產具有十分重要的意義。在煉化物聯網項目建設的過程中遇到了一些困擾業界多年的問題和困難，在解決這些問題的過程中，對TD－LTE技術的無線特性進行了深入的研究，對TD－LTE基站適用于煉化作業現場的防爆要求進行了大量的了解，在此基礎上成功研制了防爆型基站產品，以滿足項目要求。通過無線網絡的優化和防爆基站的部署，使獨山子石化無線專網的性能和指標有了很大地提高，為獨山子石化成功構建了一個技術領先、功能專業、性能優良、高度集成、面向行業應用的基于TD－LTE無線通信技術煉化物聯網系統。通過煉化物聯網系統的應用，大大提高了煉化企業的安全監控水平和智能管控水平，為智能煉化工廠物聯網系統的建設奠定了堅實的基礎，積累了寶貴的經驗。煉化物聯網系統的成功構建，對于其它的石化、煉化企業，都產生了良好的示范效果，并對系統在相關行業的推廣起到很大的推動作用。

參考文獻

［1］王映民，孫韶輝.TD－LTE技術原理與系統設計［M］．北京:人民郵電出版社，2010

［2］GB3836.1－2010．爆炸性環境第1部分:通用要求［S］．2010

作者:趙玉虎 楊靖 褚明軍 韓繼信 殷搏峰 張金濤 牛玉軍 崔濤 馬紅欣 單位:中國鐵塔股份有限公司 克拉瑪依市分公司中信科移動通信技術股份有限公司 中國石油天然氣股份有限公司新疆油田分公司