NB-IoT 物联网技术在UPS 智能监控系统的应用

邬 建

（中国石化股份有限公司广州分公司，广东广州 510725）

1 炼油化工装置UPS 使用现状

1.1 炼油化工装置使用UPS 的需求

炼油化工装置生产特点均为高温、高压、连续性，其中生产介质多为易燃、易爆、剧毒危险物质，因此对仪表生产控制系统高可靠性提出了较高要求，包括为其提供电源的供电装置。由于大部分仪表控制设备允许的电源波动时间为5 ms 以下，而电网容易受到负载或外部因素造成的波动时间可能长达100 mS 以上，为保证仪表控制系统负载供电的连续性，满足电源稳压、稳频的严格要求，一般配备交流不间断电源系统（Uninterruptible Power System，UPS）。当交流电网输入异常中断或波动时，UPS 利用所接的后备电源（一般为蓄电池）持续为仪表负载提供合乎要求的交流电能，确保装置连续生产或安全停车。

1.2 炼油化工装置使用UPS 的特点

炼油化工每套装置或联合装置的仪表控制系统都配置一套或多套UPS 供电，随着炼油化工装置规模的不断大型化和配套化，使用的UPS 呈现以下特点：

（1）关键性。仪表控制系统是炼化生产装置的“眼睛”和“大脑”，为其提供电源的UPS 可靠运行至关重要，UPS 成为装置生产的关键设备。

（2）数量多。由于炼化生产规模的不断扩大，各类生产装置的数量在不断扩大，使得投用的UPS 电源系统的数量不断扩大，数量众多。

（3）分布广。炼化装置由于易燃、易爆等危险特点，危险物质的贮存罐区与生产装置就必须相隔一定的安全距离，整体炼化装置的厂区分布会十分广阔，因此使用的UPS、自然也分布广阔。

（4）品牌杂。因为使用的UPS 的数量众多，由于设计、选型、配套、采购等因素造成了使用的UPS 来自不同品牌的生产厂家。

2 UPS 智能监控管理需求

仪表控制系统对连续生产的炼化装置至关重要，而在影响仪表控制系统可用性的诸多因素中，25%～45%缘于电源问题，因而对使用的UPS 提出了全新的智能监控管理要求：

（1）UPS 要具有良好的可用性。智能监控、管理与通信功能在提高UPS 系统可用性起着关键的作用，尤其是在无人值守的情况下自动反映和处理各种UPS 系统问题，提前预警，最大限度减少对负载仪表控制系统带来的不良影响。

（2）提高UPS 的可管理性要求。炼化装置规模的不断扩大，UPS 大量的采用，并且分布在较大的地域范围，现代的设备集中管理要求在任何时间、任何地点对UPS 实现远程、集中的管理，同时有效地利用企业资源，减少浪费，作好企业的资源规划（Enterprise Resource Planning，ERP）。

（3）降低UPS 系统运维成本。UPS 的使用、维护、管理、诊断、维修等工作都要由专业厂家工程师完成，统一对所有的UPS做好评估和运维管理安排，可以提高工作效率，控制好各类费用的合理使用，大大降低运维成本。

（4）对UPS 的易用性新要求。对UPS 采用智能监控管理，可将UPS 管理与生产系统管理有机集成，成为整个生产系统的一个组成部分，这样传统上由专业工程师管理的UPS 就可以纳入生产工艺管理员的工作范围，可以进一步节约了管理成本，而且使UPS 的使用、维护和管理也变得越来越容易。

3 NB-IoT 物联网技术特点

物联网是近年来社会产业信息化、工业化发展到一定程度的新兴技术，就是使用无处不在的无线网络联接，把人、物、信息进行有效的连接，实现更加有效的社会联运效应。早期使用的是传统蜂窝网技术及蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave 等短距离传输技术网络，物与物连接的距离和能力有限，而移动网络在接入能力上有无法比拟的独特优势。但事实真正承载到移动网络上的物与物联接只占到联接总数的10%。为此，产业链开始出现利用窄带LTE 技术来承载IoT 联接。2015 年9 月，NB-IoT（Narrow Band Internet of Things，窄带物联网）应运而生（3GPP正式命名）。

NB-IoT 技术是万物互联网络的一个新兴的工业互联网技术，NB-IoT 网络基于全新的蜂窝网络，一般180 kHz 带宽，聚焦于低耗广域网（LPWAN），基于授权的频谱运营，可直接布置在GSM 网络、UMTS 网络或LTE 网络，以便降低布置成本和实现平滑升级。NB-IoT 具有以下五大特点：

（1）广覆盖。NB-IoT 与GPRS 或LTE 相比，最大链路提升了20 dB，相当于提升了100 倍，即使在地下车库、地下室、地下管道等普通无线网络信号难以到达的地方也容易覆盖到。

（2）低成本。低速率、低功耗、低带宽可以带来终端的低复杂度，便于终端做到低成本。同时，NB-IoT 基于蜂窝网络，可直接部署于现有的LTE 网络，运营商部署成本也比较低。

（3）大容量。NB-IoT 基站的单扇区可支持超过5 万个UE于核心网的连接，比现有2G、3G、4G 移动网络有50～100 倍的用户容量提升。

（4）授权频谱。NB-IoT 可直接部署于LTE 网络，也可以利用2G、3G 的频谱重来部署，无论是数据安全和建网成本，还是在产业链和网络覆盖，相对于非授权频谱都具有很强的优越性。

（5）安全性。继承4G 网络安全的能力，支持双向鉴权和空口严格的加密机制，确保用户终端在发送数据时的空口安全性。

简单而言，NB-IoT 提供了一个工业应用的相对低速无线通信网络，其技术优势和特点，使之聚焦于传输间隔大、小数据量、小速率、时延不敏感等多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。

4 UPS 智能监控管理解决方案

4.1 UPS 智能监控管理目标

根据炼油化工装置中使用UPS 做为关键设备这一特性，需要能够实时掌握在运行的UPS 参数和状态，能够对当前可能存在的故障隐患发出预警，以便及时将故障处理在萌芽中，最大限度降低UPS 自身故障对装置正常生产的影响。通过对UPS 的智能监控，提高UPS 供电可靠性和自动化水平，实现可靠、安全、先进、高效的供电管理目标。

4.2 NB-IoT 构建UPS 智能监控系统通信网络的可行性

某炼化企业装置共有180 套UPS，分布在方圆445 万平方米范围内，其中化工区与炼油区相隔3 km。根据在运的UPS 分布广、使用年限长短不一、品牌杂的实际情况，采用NB-IoT 物联网构建智能管理系统的解决方案比较容易实施。

（1）远程通信。由于炼油化工厂区内UPS 分布较广，要将众多UPS 系统进行统一监控管理，首先要解决远程通信问题。构建的智能监控平台如与UPS 终端使用传统的串口或网线通信，显然要进行大规模的通信电缆敷设，对于在用的UPS 进行联网改造工程量太大。如使用传统的Wi-Fi 短距离射频等通信手段，使用的中继器数量众多，而且信号受装置建筑的影响较大。基于成熟应用的蜂窝无线网络NB-IoT 技术，且较之传统蜂窝无线网络提升了20 dB，覆盖面更广，显然适用此种长距离通信场景。

（2）实效性。对UPS 智能监控的主要内容是运行参数和预警，数据变化率不大，数据上传的时间间隔可以适当拉长，NBIoT 的传输时延略大也能满足数据的实时传送。

（3）数据量。UPS 状态通信数据报文只有几十字节，NB-IoT网络上行最低3.75 kHz 的传输载波完全胜任。

（4）安全性。NB-IoT 网络为运营商经营的专用网络，有完备的安全机制，确保传输的数据的准确和安全。

（5）成本性。无论是使用传统的Wi-Fi 短距离射频通信手段，还是使用串口或网线通信都需要购置设备和施工成本，NBIoT 网络为运营商的专用网络，使用NB-IoT 网络只须给网络运营商交纳通信费，组网成本相对低廉。

4.3 UPS 智能监控系统整体架构

UPS 智能监控系统由NB-IoT 网关、NB-IoT 专网、物联通信管理系统、网络交换设备、监控管理平台构成（图1）。

图1 UPS 智能监控系统

首先UPS 运行参数等数据通过就近设置的NB-IoT 网关使用串口或网线通信方式采集上来，NB-IoT 网关将采集上来的数据进行打包处理，通过NB-IoT 专网上传至物联通信管理机，物联通信管理机将数据转换为以太网方式上传数据服务器，监控管理平台利用服务器的大数据实现对各级UPS 的智能监控管理。

当然，也可以在NB-IoT 专网上设置物联云服务器，管理平台直接通过NB-IoT 专网在云服务器上获取信息数据，适用于大型的物联网应用系统，也是物联网应用的典型场景。

4.4 UPS 智能监控系统设备配置

（1）UPS 系统通信方式。大部分UPS 自带RS485 通信口，如果无485 通信口则通过232 口转换成485 通信，采用MODBUS通信规约。使用RJ-45 网口通信的UPS 采用IEC101 或IEC103通信规约。

（2）NB-IoT 网关。其主要功能是支持COAP、TCP/ICP、MODBUS、IEC101、IEC103 等多种通信协议与UPS 通信，并具备一定数量的遥信和遥测数据接入和开关量输出功能，采集UPS运行参数和预警等信息，将信息数据打包。其次是实现与物联通信管理机通信，将打包的信息数据通过NB-IoT 专网上传至物联通信管理机。每台UPS 与一台BST3004H 物联网关通过RS485（或RJ-45）通信口连接，所有UPS 数据通过NB-IoT 无线专网汇聚到上级物联通信管理机。

（3）NB-IoT 专网。是由蜂窝无线网络运营商提供的物联通信专网，目前主要的运营商有中国移动、中国联通和中国电信三家。根据当地NB-IoT 专网配置情况，选择电信NB-IoT 网络运营商服务，按200 个终端号配置，一年的通信费用大概5000 元左右。

（4）物联通信管理机。其主要功能是通过NB-IoT 专网与NB-IoT 网关进行实时通信，同时支持COAP、TCP/ICP、MODBUS、IEC101、IEC103 等多种通信协议与监控管理平台设备进行通信。监控中心设置BOT200 物联通信管理机2 台，采取冗余配置，通过RJ-45 以太网口（或RS485 串口）将UPS 终端数据通过IEC103（或MODBUS）标准协议送至数据服务器。

（5）网络交换机。主要功能是实现以太网络中各个设备的物理连接和数据交换。

（6）数据服务器。主要功能是将物联通信管理机上传的数据进行归档存贮和提供数据搜索引擎功能，供监控管理平台或远程调用。

（7）监控终端。具有人机交互界面的计算机操作终端，实现智能监控的各项管理功能。在监控中心和有人值班点设置监控客户端工控机，在局域网的各级管理部门设置局域网客户端工控机，按不同的管理权限执行相应的管理功能。

4.5 UPS 智能监控系统管理平台功能

（1）智能监控后台基于LINUX 系统，采用分层、分布式架构，按运行、报警等不同功能设置人机界面，使用柱状图、数字框、接线图等方式，全面、连续、动态、实时在线监测并保存运行参数和运行状态。实时判断UPS 是否发生报警，当UPS 的某部件发生故障或越限时，智能监控主系统发出报警。

（2）够实时显示UPS 的运行状态数据。包括输入输出电压、输入输出电流、输出频率、蓄电池充电电流、整流器工作状态、逆变器工作状态、旁路开关状态等。

（3）能够对UPS 运行时间、负载率和故障信息等数据进行汇总统计，实现对UPS 设备的全寿命过程管理。

（4）也可以配备专业的电源监控管理软件，如PowerChute系列软件，在一个管理界面上对多台UPS 进行集中管理；设置UPS 向导；UPS 预警事件处理；UPS 故障排除操作建议；UPS 及电源问题E-mail/寻呼通知；UPS 及电源问题广播通知；电源质量分析工具等功能。

5 NB-IoT 物联网技术应用前景

物联网对无线通信的需求一直在变化，NB-IoT 面向低速率、低功耗的物联网络端，其技术特性非常适合于物联网细分业务的发展场景，大规模的发展还要通信模块成本和终端功耗必须进一步下降等问题进一步解决。在以智能抄表、智能停车、物品追踪、独立可穿戴智能设备、智能家居、智慧城市、智能制造等领域的应用场景将会大放异彩。万物互联是必然趋势，NB-IoT的技术也将会向5G 网络升级过渡，具有更高的峰值速率，意味着基于蜂窝物联网的更多连接数，将助推高清视频、VoLTE 以及物联网等应用快速普及，蜂窝物联网正在开启一个前所未有的广阔市场。