基于防爆CPE的通信系统在煤化工园区的设计应用

2022-11-09连昶锦康守信连龙飞姜玉峰张立亚

煤化工 2022年5期

连昶锦，康守信，连龙飞，姜玉峰，张立亚

（1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤矿应急避险技术装备工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013；4.安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京 100013）

在全球智能化大数据快速发展的背景下，煤化工产业实现现代化、智能化转型是发展的需要，也是安全生产的必然选择[1-2]。由于生产需要，煤化工企业厂房内存在多种化学原料、高浓度的腐蚀性气体以及易爆的气体、粉尘或其他易燃易爆材料，对通信系统有较高的要求[3]。有线通信的线缆易被厂房内腐蚀性气体毁坏，影响通信的质量和稳定性；Wi-Fi无线网络则存在时延较长、易受干扰、QoS（Quality of Service，服务质量）无法保证等劣势；而5G无线通信系统具有高速率、低时延、高可靠性等特点，能够为智能化设备提供数据上传下载、实时监测等服务，在智能煤矿、化工等领域已有广泛应用。

针对5G无线通信系统在煤化工园区场景的应用需求，煤炭科学技术研究院有限公司（以下简称煤科院）设计研究了Ⅱ类防爆CPE(Customer Premise Equipment，用户网络侧终端汇聚设备)。Ⅱ类防爆CPE的防爆设计严格遵循GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》，该设备通过了国家指定检验机构的防爆检验，可实现5G无线通信系统长距离、大数据、多样式传输。目前Ⅱ类防爆CPE已在某煤化工园区应用中取得了良好的效果，现将具体情况介绍如下，可为煤化工园区通信系统建设提供借鉴。

1 煤化工园区5G网络架构及其系统组成

煤化工园区对5G无线通信系统典型的需求为数据安全可靠传输、数据不出园区。园区对数据安全性的要求较高，因此更青睐在园区自己的服务器上储存数据。针对网络安全隔离要求，对特殊场景的生产网络要“专网专用”，必须保证低时延、超大带宽、高稳定性、高可靠性和大连接。基于煤化工园区的生产需求，一般采用基于SA(Stand-Alone，5G独立组网)+MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）的5G组网架构，其示意图如图1所示。

图1 基于SA+MEC的5G组网架构示意图

SA部署核心网切片，通过将UPF（User Plane Function，用户面功能）下沉至园区，实现MEC分流，保障园区内敏感业务的数据安全隔离，同时由于在近端处理业务，进一步降低了业务时延。园区内相关终端设备通过无线网络接入IP RAN（Internet Protocol-Radio Access Network，协议化的传送网），将业务流量汇聚至园区MEC，MEC的控制面接入运营商5G SA核心网（部分企业有自己独立的核心网），MEC的业务通过防火墙接入园区网络，对接业务企业应用平台，实现数据流量不出园区。

5G组网架构有效支撑煤化工智能化发展，但前提是5G系统与智能设备之间有信号作为桥梁。煤化工园区厂房由于生产作业的特殊性，存在内外部厂房结构、内部设备（尤其是金属生产机器）等遮挡以及5G信号传输损耗大等多种因素，导致部分区域5G信号质感差，不能满足智能化需求。

2 Ⅱ类防爆CPE的设计开发

CPE通过天线和通信模块能够将接收的4G、5G信号转换为Wi-Fi信号或有线连接，实现更多终端设备接入，与控制中心的控制系统交互数据。煤化工厂房等场景对设备器件在防爆、高速率、大连接等方面有着更高的要求，为此煤科院设计了Ⅱ类防爆CPE。该CPE采用工业级无线模块，提供更长距离的稳定的传输，同时该设备除了支持Wi-Fi信号或有线连接外，还支持仪表通信接口RS-485协议，为用户提供多样式接入选择，在物联网和智能化方面有着更广泛的应用。在满足上述性能基础上，对CPE进行了防爆化设计处理，处理后的防爆CPE经国家指定的检验机构进行了防爆检验，并取得了防爆合格证。根据GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境第1部分：设备通用要求》设备分类：Ⅱ类设备为除煤矿、井下之外的所有其他爆炸性气体环境用电气设备。

3 Ⅱ类防爆CPE的性能分析

3.1 覆盖范围

CPE的信号覆盖能力是其核心性能，根据表1Ⅱ类防爆CPE无线网络信号技术指标中的参数对该CPE的覆盖半径进行了模拟计算。

表1 Ⅱ类防爆CPE无线网络信号技术指标

电磁波在煤化工厂房内传播受厂房墙壁、挡板、机器的遮挡易产生损耗，同时机器产生的噪音以及生产车间各种气体也会对电磁波传播产生能量损耗。假设在煤化工厂房内产生的附加损耗为La,单位为dB，结合电磁波在自由空间传输损耗分析[4]，电磁波在煤化工厂房内点对点传播中的损耗计算公式见式（1）：

式中：Lf表示两点之间传播损耗，dB；f表示电磁波的频率，GHz；d表示两点间的距离，km。

以网络制式2.4 GHz、输出功率16 dBm、天线增益5 dBi为例进行CPE覆盖半径的模拟计算，按照终端设备信号灵敏度较严格的标准强度-100 dBm为参考，使用Origin软件对信号传播距离与附加损耗之间的关系进行了计算模拟，结果如图2所示。

图2 附加损耗与传播距离间的模拟计算结果

根据文献报道，穿透一楼层的电磁损耗是25.73 dB[5]。以穿透一楼层的附加损耗为例进行信号传播距离的理论计算,传输距离半径是576.62 m；之后进一步计算了在半径200 m范围内满足终端设备灵敏度的强度，得到的附加损耗应在34.93 dB以内。遇到金属设备遮挡以及通信设备的插入损耗等多种因素都会增大电磁波的附加损耗，所以在实际应用中，要充分考虑煤化工园区内装置、设备等分布情况，减少遮挡等传输损耗。

3.2 CPE电磁干扰分析

电磁干扰是一种电磁现象，影响设备或系统的性能[6]。在煤化工园区内存在大量的电子设备，尤其是智能精密仪表设备。有研究表明，部分储存器件在场强15 V/m时会受到影响[7]。

3.2.1 单CPE无线发射源

根据电磁场理论可知，电磁波在自由空间中传播时，在距离天线d处的单位面积上的功率密度PD[8]计算式见式（2）：

式中：PD为功率密度，W/m2；Pt为天线的发射功率，W；Gt为天线的发射增益，dBi。

PD与电场强度E(V/m)之间的关系见式（3）：

根据公式（2）、（3）可得到，距离天线d处电场强度与天线的发射功率和发射增益之间的关系见式（4）：

根据表1中参数，同样以网络制式2.4 GHz、输出功率16 dBm、天线增益5 dBi为例进行模拟计算，得到单CPE发射源电场强度与距离之间的关系如图3所示。

图3 单CPE发射源电场强度与距离之间的关系

由图3可知，随着距离增加，单CPE产生的电场强度不断减小，以1 m为单位距离时的电场强度为1.94 V/m。实际布放时，CPE与电子设备的距离远大于1 m，因此单CPE无线发射源在电子设备处产生的电场强度远小于距离1 m时产生的电场强度。

3.2.2 多CPE无线发射源

为满足5G通信的需求，煤化工园区内一般采用多个CPE覆盖方式。采用叠加矢量运算的方法，对存在多个CPE发射源的空间某点的电场强度进行模拟分析。

多个CPE沿直线均匀布置示意图见图4。

图4 多个CPE沿直线均匀布置示意图

假定多个CPE间隔l米，均匀分布在一条直线上，则同一直线x米处电场强度Ex的计算公式见式（5）：

式中：E1为单个CPE在单位距离1 m处产生的电场强度，V/m,由3.2.1节可知为1.94 V/m。

假定CPE是均匀布置，源点O垂直方向y米处水平方向的电场强度相互抵消，只进行各CPE在y米处垂直方向电场强度的矢量运算，其计算公式见式（6）：

分别以l为5 m、10 m、15 m为例，对垂直方向y米处的电场强度进行模拟计算，结果如图5所示。

图5 多个CPE平面内均匀布置垂直方向的距离与电场强度的关系

由图5可知，随着垂直距离的增大，电场强度逐渐减小；在垂直距离不变的情况下，随着CPE之间的间距变大，电场强度也随之减小。在垂直距离2 m、l为5 m时，电场强度小于2 V/m。实际CPE布放的间距大于5 m，与终端设备的间距远大于2 m，因此此场景下CPE在终端设备处产生的电场强度远小于2 V/m。

3.2.3 多个CPE平面内均匀布置

CPE平面均匀布置时，按照矢量运算，对称的CPE产生的电场强度方向相反，抵消为零，因此平面内部电场强度不会超过单点CPE源电场强度。

综合3.2.1～3.2.3小节分析计算情况，实际CPE产生的电磁干扰小于2 V/m，比有关文献[6]报道造成电磁干扰损耗的电场强度约低一个数量级。

3.3 防爆裕量分析

当设备最大放电能量低于可燃性材料MIE（Minimum Ignition Energy，最小点火能，即引起可燃气体燃烧或爆炸的最小能量）时，点燃危险将会有效降低。以电场强度2 V/m为例，根据公式（3）可以对应的功率密度PD=1.06 μW/cm2。若以火花面积1 cm2、时间100 ms计算，则可以计算出对应的能量是0.106 μW·s，满足国标Ⅱ类最高标准600 μW·s[9]，也远低于氢气的MIE 17 μW·s、甲烷470 μW·s、乙烷285 μW·s。而实际中火花面积也远小于1 cm2，因此Ⅱ类防爆CPE具有充足的防爆裕量。