RT-Chirp 物联网技术在油田配水间的应用

乙加牛

（新疆克拉玛依油田公司，新疆 克拉玛依 834000）

1 油田配水间远程监控需求

注水井的注水量是进行油气田分析的一项基础数据。注水井注水量的调整是油田生产中一项重要的日常工作。通过可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）和配水装置的结合，可实现注水工艺参数实时远程监控，远程调节配水参数，有效替代员工现场工作，提高生产效率［1］。

目前，为响应油气生产数字化和智能化转型需求，新疆油田公司全面推进油气生产物联网建设，实现“集中监控+故障巡检+远程操控”的运行管理模式，推动生产组织方式转型升级。远程监控平台、物联网和配水间本地自动化系统的融合满足了配水间远程监控需求。远程监控基本业务需求如下：①管汇流量监测和调节、管汇压力远程监测；②配水装置参数配置；③配水装置状态查询；④配水结果上报。

2 配水间远程监控现状

新疆油田公司在少数中心站已架设光纤网络，而配水间设于中心站周围，远的配水间离中心站有4 km 的直线距离。考虑到新疆油田特殊的地形条件，光纤或无线网桥只能部署在有限区域内，无法实现宽带全覆盖。低成本、远距离的窄带无线传输技术可以帮助建立二级网络，完成最后5 km 的物联网覆盖。同时，物联网需要保障配水数据传输的实时和可靠性要求。

通过在中心站架设LoRa-Chirp 基站，宽带可以覆盖周边配水间。远程数据采集与监视控制（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）系统与PLC/远程终端控制（Remote Terminal Unit，RTU）系统现场控制设备通过LoRa-Chirp 协议通信，可以完成远程测控任务。典型配水间远程监控系统如图1 所示。

3 关键技术

3.1 RT—Chirp 无线传输技术

目前，比较主流的传统远距离窄带无线技术包括LoRaWAN和NB-IoT 两种，但这两种技术各有缺点：LoRaWAN 技术不支持可靠传输，不支持频繁的下行指令和大数据包的上传，空口资源利用率低，系统容量偏低；NB-IoT 技术依赖3GPP 核心网和接入网，使用授权频段，技术壁垒高，并且需要运营商参与建设和维护，成本也高。因此，低成本、快速建网和免维护的物联专网是最终选择。RT-Chirp 技术作为新疆油田LoRa+协议体系的一部分，完全能满足井站的油气生产物联网需求，并且经过多年的艰苦研发和成功试点，目前该技术已经大规模推广应用。

RT-Chirp 是一种全新的面向流程工业的实时物联网协议，主要应用于电力能源、石油化工、有色冶炼、仓储物流等行业。其协议物理层采用CSS 扩频调制技术，具备中远距离覆盖、抗干扰能力强和低功耗的特性；MAC 层融合载波侦听和时分多址接入技术，能满足突发性和密集性数据传输需求；空口调度算法能动态地分配上下行信道带宽，并且对消息块大小不敏感。通过和其他物联网技术的比较可以发现，RT-Chirp 在信号覆盖、功耗、时延、可靠性、调度能力、成本等指标上具有极强的综合竞争力，能很好地满足流程工业在离散监控和实时响应场景中的需求。

RT-Chirp 和LoRaWAN 相比，技术优势明显；与NB-IoT 比较，成本更低、功耗更低。具体技术指标比较如表1 所示。

表1 RT-Chirp、LoRaWAN 和NB-IoT 对比数据

3.2 RT-Chirp 技术的优越性

3.2.1 抗无线干扰和多径衰落

AIS-Link 优先考虑SubG 频段和抗干扰能力强的物理层技术，窄带如LoRa，宽带如OFDMA。LoRa 是最近几年炙手可热的LPWA 网络技术，具备良好的抗外部干扰能力，与AISLink 跳频技术结合可以达到良好的抗多径衰落效果。OFDM属于一种更先进的调制技术，抗多径衰落表现更为优异。AISLink 支持最新的IEEE 802.15.4-2015 OFDM 标准。基于这一标准，AIS-Link 能实现更高的带宽和更强的抗干扰能力。

3.2.2 信号覆盖与网络拓扑

典型的2.4G 频段的网络覆盖一般为室外100 m，室内50 m。因此，网络扩展只能依靠级联。多跳网络跳数越多，时延越大，网络越刚性，稳定性也越差，如WirelessHART 就是一个非常刚性的TSCH 多跳网络；WIA-PA 采用“星型+网状”双拓扑结构，簇首实现复杂，低功耗无法保证，同时由于星型子网信号覆盖区域小，簇首的数量较多，WIA-PA 也会陷入MESH 组网的不利局面。

3.2.3 多样性数据传输需求

当前，凡工业物联网领域，除了多媒体宽带传输需求，更多的是中速率（低于400 kpbs）或低速率（低于40 kpbs）的传输带宽需求。RT-Chirp 使用双通道方案。竞争性信道采用CSMA/CA 技术，满足入网、资源请求和报警数据的实时传输需求；非竞争性信道采用TDMA 技术，满足周期型和大数据的传输需求。TDM 时隙均为亚秒级，保证了低的传输时延。TDM 时隙的TSCH 特性提高了抗干扰性［2］。

3.2.4 动态的时隙资源调度

RT-Chirp 星型组网方便实现集中式时隙资源调度。当终端节点有上传数据需求时，通过竞争性信道请求时隙资源，基站会在每个调度周期计算当前周期的时隙分配，终端节点通过监听Beacon 信道获取属于自己的上下时隙（包括重传时隙）的分配结果。上下行时隙动态分配，保证了时隙利用率最大化。

3.2.5 可靠传输和及时重传

RT-Chirp 每个TDM 时隙的数据消息均有确认。如果终端或基站没有收到确认，RT-Chirp 有机会在指定的重传信道中重传。

4 方案设计

使用RT-Chirp 技术的网络为扁平化架构，根据网络规模支持2 层或3 层网络。在油气田典型应用3 层网络，包括终端设备、基站设备和网络服务器。架构如图2 所示。

图2 RT-Chirp 技术网络架构

4.1 终端设备

终端设备包括支持RT-Chirp 的仪表，如压力表、温度表、液位计、电参、功图等，或外挂DTU 的设备，如流量测控设备、PLC、RTU 等。

4.2 基站设备

基站设备作为网络热点，支持RT-Chirp 终端的入网和动态的数据服务。

4.3 网络服务器

网络服务器是网络管理和网络入口设备，提供终端和基站的远程管理服务，也为SCADA 提供Modbus TCP 访问接口。与传统SCADA 通过Modbus TCP 直接访问PLC/RTU 相比，RTChirp 网络实现了Modbus TCP 访问适配。因此，SCADA 无需修改代码即可对接RT-Chirp 网络，节约了开发成本。

5 应 用

在LoRAWAN 可以进行数据回传却无法进行远程调控的应用场景中，RT-Chirp 成为很好的解决方案。目前，RT-Chirp物联网已成功应用于新疆油田公司的各油气田作业区，实现了边远分散配水间、配水井的数据回传及远程调控。SCADA 系统通过RT-Chirp 网络直接访问PLC，可以控制整个配水过程，从而获取实时动态配水结果。

典型远程自动配水业务描述如图3 所示。

典型的配水间功能实体连接如图4 所示。

图4 配水间功能实体连接图

如图4 所示，每个配水间PLC/RTU 箱内部署RT-Chirp DTU，与RT-Chirp 基站组成RT-Chirp 传输网络，负责整个网络Modbus 协议的调制与解调，实现中控室SCADA 系统直接与PLC/RTU 进行通信；单基站信号可覆盖多个配水间，支持配水间所有终端设备的数据传输；整个作业区共享一个网络服务器；网络服务器负责中转和翻译Modbus 读写指令；RT-Chirp网络部署简便，成本低廉。单基站信号覆盖范围达5 km，接入配水间的数量多达10 个。网络服务器和SCADA 均和井区共享，不需要单独部署。

目前，百口泉配水间联网设备清单如下：①配水间63个；②RTU 63 个；③独立恒流配水装置36 套；④RT-Chirp 基站9 个。

配水间PLC/RTU 设备联网后，SCADA 的运行情况如图5所示。

图5 配水间PLC/RTU 设备联网后SCADA 的运行情况

在应用RT-Chirp 技术进行配注水系统改造之前，全厂共设有12 名专门的配注水管理人员，每天定点到现场抄录配注水数据，并根据配注水要求对每口井配注量进行手动控制。在RT-Chirp 网络搭建以后，SCADA 可以实时采集并远程控制每口井的注入量，监控室只需安排一名员工负责监控。这不仅实现了全厂配水间的远程自动控制，而且成功实现了配注水模式由人工向自动化方向转变，报表也可以自动生成。这种应用不仅使自动化采集、控制调水更准确，还缓解了用工矛盾，真正实现了减员增效。在后期计量站的远程采集控制中，也可采用已建的RT-Chirp 网络，进一步降低组网成本。

6 结语

RT-Chirp 协议可以满足配水间频繁下发指令和配水结果可靠上报的要求。同时，部署少量基站即可满足采油厂配水间的远程监控需求。RT-Chirp 网络部署不但简便，而且成本极低，是油气生产、物联网在场站监控和场景自组网的理想选择。采油厂以极低成本引入RT-Chirp 物联网技术和产品后，解决了作业区所有配水间无法联网和远程监控的难题，使生产效率提升了10%、生产成本下降了10%。