近距离海洋平台间无线通讯方案分析

中海石油（中国）有限公司 钱欣，李玉田

海洋石油工程股份有限公司 王晨

中海石油（中国）有限公司 陈丰波

随着石油需求的剧增和勘探开发技术的发展，海洋石油工程也进入了开发的高峰时期，不仅有更多的海上油气田被勘探和开发，已经投产的项目也要进行改造和扩容以扩大生产。

在改造和调整的项目中，经常会在现有平台的周边进行新平台的建造，而且新老平台间经常会有物流的集输和系统交互控制，物流的集输可以通过海管来完成，但是系统间交互控制则需要谨慎考虑。通常调整项目的新建平台和老平台间相距在1～3km内，而新老平台间控制系统传输的信号较少，通常只有几个信号，如果敷设海底光纤，则工期较长，造价较高， 性价比较低。

为了解决该问题，工程中引入了无线通讯技术，对不同用途的控制信号，在控制系统安全等级设计规范[1][2]的要求下，分别采用有线或无线方式传输，在平台间组成控制网络。通过无线微波通讯技术，可以以较低的成本获得较好的结果。

1 无线通讯技术综述

海洋平台常用的无线通讯技术为微波扩频技术和无线仪表通讯技术，微波扩频技术在平台上已经有很多的应用，通常用于平台间的通讯如语音、数据传输。无线仪表通讯技术即使用Emerson、Honeywell等公司开发的无线仪表产品进行无线通讯。无线仪表通讯技术是以遵守无线 HART协议或ISA 100工业无线标准，形成自组织、自愈合拓扑网络，并可通过适配器，将原本不带有无线接口的仪表加入到无线网络中，进行无线数据传输和控制的无线技术。

1.1 微波扩频技术及其特点

微波扩频技术[3]，是一种将信息信号的带宽扩展很多倍进行通信的技术，多用于平台之间的通讯联系，由扩频天线、收发信机、复用器和语音/数字模块组成。其工作频率通常在2.4G/5.8GHz频段，技术上采用数字化处理、结构简洁、连接迅速、适应复杂地形。微波扩频技术与常规的微波传输技术相比，具有抗干扰能力强、抗噪声能力强、保密性好和价格较便宜等特点。微波扩频系统通讯连接如图1所示。

图1 微波扩频系统通讯示意图

微波扩频技术具有的特点：

（a）使用微波扩频技术传输状态信号在海洋平台很多项目中都有应用，因此微波扩频传输信号的技术具有成熟、稳定的特点。

（b）使用微波扩频传输信号成本较低，稳定性较好。微波扩频一般会传输一些音频和视频信号，带宽较大，因此有较大的带宽空间传输状态信号，不会出现信号拥堵的现象。

（c）微波扩频工作频率可选多种频段，避免同频段微波信号的干扰。

1.2 无线仪表通讯技术

目前在业界使用的无线技术主要有两种，即无线HART协议和ISA100标准，支持前者的厂家有Emerson、E+H等，支持后者的厂家有Honeywell、GE、Yokogawa等，目前已经有产品面市的有Emerson、E+H、Honeywell等。

无线HART[4]网络采用Mesh结构，每一台现场设备都是其它邻近设备的路由器，它们接力传递数据，直到这些数据通过无线网关，到达中控室。如果中途遇到障碍，信号会自动选择网络中其它通往网关的路径。无线HART规定了三种主要的网络要素：无线HART现场设备、无线HART网关和无线HART网络管理器。图2完整表现了无线HART的网络结构[5]。

图2 无线HART的网络结构

无线HART技术具有的特点：

（a）现场仪表配置路由功能，即每台无线仪表不仅测量自己的过程参数，而且同时为其它仪表的通信进行路由，并通过配置的网关，实现同DCS的数据集成。

（b）无线变送器由电池供电，避免电缆接线，实施较为简单，而且如果变送器刷新时间较长，则电池可使用较长时间。

（c）使用无线HART仪表节省材料成本和安装人工费用。

ISA100标准[6]是由多功能节点搭建的无线主干Mesh网络，自组织、自愈合；多功能节点之间的通信距离最远可达10公里。多功能节点也可以使用有线Mesh，这种独特的设计支持在屏蔽区域的无线应用。多功能节点可以有线连接第3方Modbus输出或Ethernet网输出的设备，实现无线转接。任何一个多功能节点都可以作为网关，同控制系统通信，实现网关冗余，避免单点故障。其技术网络结构见图3所示。

图3 ISA100标准的网络结构

ISA100标准具有的特点：

（a）无线变送器的刷新速度可以做到很快，典型的是1秒或0.25秒，所以整个网络的通信时间滞后也很短。

（b）电池的寿命很长，常温下1秒刷新的时候就可以达到5年。

（c）无线仪表的无线发射功率就可以相对灵活，即2个无线仪表之问的通信距离可以做到更远，设备之间的通信距离可以做到几公里。

（d）网络的规模灵活，一个网络支持的无线仪表的数量可以达到上千台且支持多种协议的现场仪表和多种无线应用。

2 微波扩频技术和无线仪表通讯技术的对比

2.1 成本比较

一套无线仪表通讯设备包括2套网关、操作软件等大概需要20万元；一套冗余的微波扩频通讯设备大概需要10万元，但由于多数平台上配备了微波扩频通讯系统，所以只需要增加从DCS到微波扩频通讯系统的信号电缆，并增加软件功能即可，成本增加很少。

2.2 频段选择

无线仪表通讯技术采用2.4GHz跳频通讯，无线设备可以自动选择2.4GHz频段中16个频道的最优频道进行通讯，确保通讯可靠、安全；微波扩频技术可采用2.4GHz/5.8GHz或者更高频率的频段进行通讯，在无线设备使用密集的地区使用专用的频段显然更具有优势。

2.3 冗余通讯

无线仪表通讯技术中无线通讯设备自动选择最优的路径进行通讯，多路径冗余，确保无线通讯可靠、安全；微波扩频技术中微波通讯只支持两个设备之间的点对点通讯，但可以配备两套通讯设备其中一套作为热备份，并具有自动主备切换功能。

2.4 同DCS系统的数据集成

无线仪表通讯同DCS控制系统一体化集成，同第三方控制系统数据集成采用标准通讯协议；微波扩频技术中微波通讯没有同DCS一体化集成的功能，但是通过RS-485或者Ethernet可实现同DCS的同步通讯 。

2.5 状态监控

无线仪表通讯可通过DCS控制系统对无线设备进行组态、诊断和调试，支持实时监控无线网络的状态、诊断信息和安全管理；微波扩频通讯没有集成到DCS的诊断和监控管理平台，需要单独的工作站，但DCS系统通过微波通讯系统自带的监控软件获得监控结果。

2.6 可靠性

无线仪表通讯技术中无线通讯产品和微波扩频技术中微波通讯产品均能满足工业标准和项目应用。

2.7 供电

无线仪表设备一般由电池供电，网关可由电池或电缆供电；微波扩频通讯设备由UPS供电，并可在平台主电断电后持续供电1小时。

3 近距离海洋平台间无线通讯应用案例

PY4-2/5-1调整项目位于南海，此调整项目包括两个新建平台，PY4-2DPPA和PY5-1DPPB，分别距原有的平台D42和D51有935m和915m的距离。新老平台间有三级关断的信号传输，在工期紧项目多的情况下，如何安全可靠的传输关断信号，是本项目的关键点所在。

根据项目描述可知，新老平台间的距离在1km左右，且新老平台都各自有发电机，因此无需敷设海缆供电，如果只为传输几个信号而敷设海底光缆，则造价较高，工期较长，因此本项目采用无线通讯系统来传输信号。

通过对比两种无线通讯技术，可以发现无线仪表通讯技术和微波扩频技术相比，在安全性、可靠性等重要参数上是相同的，在与中控系统的兼容性上优于微波技术，但是价格要远贵于扩频微波方案。而且无线仪表通讯技术采用的也是微波，尽管采用的频率不同，但波的传播方式等完全相同。因此在此项目平台间的控制系统通讯中，最终采用微波扩频技术进行通讯。通讯系统结构图如图4所示。

图4 PY4-2/5-1平台间通讯系统结构图

除PY4-2/5-1项目外，使用微波扩频技术进行无线通讯在SZ36-1二期调整项目和QHD32-6调整项目等项目中也有应用，随着中海油改造和调整项目的增加，微波扩频技术必将拥有广泛的应用前景。

4 结束语

在海洋工程改造和调整项目中，无线通讯技术能够为相距1～3km内的平台间的控制系统互联提供可靠地服务。海洋平台常用无线通讯技术为微波扩频技术和无线仪表通讯技术两种。微波扩频技术和无线仪表通讯技术在性能、可靠性等方面基本相同，但是购买一套微波扩频通讯系统，可以同时实现仪表控制通讯和语音、视频等通讯，且成本较低，性价比较高。因此在平台间的控制系统通讯中，微波扩频通讯系统具有很大的应用优势。

[1] 冯晓升. 安全相关系统SIL设计的要求[J]. 仪器仪表标准化与计量, 2007, (4) : 3-5.

[2] 冯晓升. 安全相关系统SIL设计的要求[J]. 仪器仪表标准化与计量, 2007, (5) : 14-16.

[3]《海洋石油工程设计指南》编委会. 海洋石油工程电气、仪控、通信设计 [M]. 北京: 石油工业出版社, 2007.

[4] HCF中国. 无线HART (WirelessHARTTM) 的应用[J]. 中国仪器仪表, 2009, (4) : 40-43.

[5] Smart Wireless Design. Wireless Training. http://www.emersonprocess.com/.

[6] 江天生. 一个无线平台支持多种应用和多种通讯协议的现场仪表[J]. 中国仪器仪表, 2009, (4) : 44-48.