石油化工企业基于融合通信的电信系统设计

张 卓

(中海油石化工程有限公司,山东 济南 250001)

0 引言

石油化工企业为了实现降本增效及本质安全的目的,不断提高企业的自动化、信息化和智能化水平。为了满足新的需求,在进行电信设计时,须将融合通信纳入考虑。

融合通信的目标是实现各个系统中信息的有效利用,也是在各个系统的支撑下实现的。本文对企业的通信需求进行分析,给出了一个基于融合通信的典型电信设计方案,并探讨了融合通信的发展方向。

1 常规电信系统设计

根据《石油化工电信设计规范》(SH/T 3153—2021)[1],结合有关文件对电信系统的要求和实际建设情况,石油化工企业常规设计所包含的电信系统有以下系统。

1.1 电话系统

语音通信是石油化工企业正常运行的基本通信需求之一,早年的电话系统常采用“行调一体”的数字程控交换系统,兼顾了用于经营、管理的行政电话与用于生产调度的调度电话。近年来,一方面由于诸如电视、电话会议等需求的提升,另一方面由于《石油化工电信设计规范》(SH/T 3153—2021)实施后,要求调度电话系统不得采用软交换技术,因此新建项目一般会分别建设行政电话系统与调度电话系统,行政电话系统一般采用软交换和IP电话技术;调度电话系统采用数字程控交换系统。

1.2 无线通信系统

石油化工厂区一般占地面积较大,有线语音通信的覆盖范围有限,为了满足平时的巡检、检修和调度等沟通需求,一般会设置无线通信系统。

常规无线通信系统根据通信距离长、短,可以架设中继台,采用异频半双工方式通信,或不设中继台,使用对讲机的直通方式,采用同频半双工方式通信;窄带数字集群通信系统有多种不同制式的产品,石化行业常用的有TETRA、DMR和PDT;宽带无线通信系统通常采用4 G、5G无线网络,可以通过利用公网、租用服务、自建专网等方式实现。

1.3 扩音对讲系统

为了弥补无线通信系统的信号盲区、电磁干扰和高噪声环境的扩音问题,石化企业通常建设扩音对讲系统,一般可以分为无主机系统与有主机系统。无主机系统拓扑结构灵活,适用于小型厂区;有主机系统又可以分为数字程控系统与IP系统,适合中大型厂区。

1.4 局域网系统

为了满足企业日常办公和管理的需求,石化企业通常建设局域网系统,一般采用2层或3层架构、环型或星型拓扑结构,核心层设置于厂前区机房内,汇聚层设置于各个控制室,接入层设置于现场机柜间及有网络需求的建筑内。

1.5 有线电视系统

在石化企业内,宿舍、食堂、会议室和休息室等场所一般会有电视需求,通常采用IPTV,由光猫、机顶盒、服务器、光缆、网线等组成。

1.6 视频会议系统

在石化企业内,报告厅、会议室和控制室等场所一般会有视频会议需求,包括互联网会议系统和集团公司私有会议系统。互联网会议系统借助互联网和客户端软件实现;私有会议系统由MCU、服务器、网关、显示系统、摄像机、麦克风等组成,通过专网实现会议。

1.7 信息发布系统

在石化企业内,门卫、行政楼和综合楼等场所一般会有信息发布需求,由LED屏幕、服务器等组成。

1.8 电视监视系统

石化企业中电视监视系统可分为3个部分。安防监控的内容一般为厂前区各建筑的出入口、道路、停车场和其他有安防需求的场所;工业电视监控的内容一般是各类设备、储罐和手动阀门等;政府监控系统是相关政府监管部门为监管企业合规、安全运营而设置的监控系统,通常与企业自身的监控系统相独立,包括“一关两检”,即海关、边防检查站和检验检疫局所设置的监控系统及应急管理局对重大危险源的监控系统。

1.9 火灾报警系统

火灾自动报警系统由火灾报警控制器、图形显示装置、手动触发装置、探测器、报警器等组成,控制器间常组成环形或星形拓扑结构[2]。

火灾电话报警系统具备2种功能,一是直通联系,二是专用号报警。一般采用消防电话系统实现直通联系,由消防电话主机、消防电话分机、电话插孔等组成;通过消防电话与电话系统联网实现专用号报警功能[2]。

1.10 安全防范系统

石化企业有着较高的安全防范和反恐要求,由多个子系统组成。

门禁控制系统指在建筑物内房间的门禁控制,一般在堆放有毒及放射性物料的仓库、机柜间和财务室等有受控管理需求的房间设置门禁控制器;出入口控制系统一般在厂区大门设置人行闸机和车辆道闸,在建筑大门处设置人行闸机;访客系统一般设置于厂区大门门卫,实现对访客的登记、“人证合一”验证及授权;入侵和紧急报警系统设置于有治安防范及危化品重大危险源管控要求的场所,由红外探测器、微波探测器、振动光缆和电子围栏等各种探测器,报警主机和报警器等组成;人员定位系统根据系统建设指南对定位精度的要求和考虑建设成本,通常在建筑物内采用蓝牙或UWB技术方案,在室外采用北斗差分加蓝牙技术方案;反恐系统覆盖陆域、空域和海域,陆域通常设置升降式阻车器、扇面式路障机及车底扫描设备,空域设置无人机侦测及干扰设备,海域设置船舶自动识别AIS系统、雷达探测系统、探照灯系统和声波驱散系统等子系统。

1.11 时钟同步系统

石化企业中各部门、各专业所建设的众多控制、管理及业务系统,需要统一的时钟确保信息记录的准确性和互联互通的可靠性,通常采用卫星授时、母钟分发方式,由一台GPS/北斗始终服务器向不同的网络、系统和设备提供统一的时钟服务。

2 需求分析与系统描述

在不同的行业和场景下,有不同的业务与服务,对通信有不同的需求[3-5],针对石化企业,可分为如下几类:(1)经营管理与生产调度的语音沟通需求;(2)即时消息与文档的传输需求;(3)生产控制系统、业务管理系统与各种辅助系统的数据采集、上传、分发与展示的需求。

在这些业务与服务的开展过程中,需要一种广泛感知、高效协同与友好交互的通信手段,为了实现此目标,提出了石化企业融合通信的概念,其应具备以下特征与内容。(1)广泛感知:将企业中各种异构网络联通、融合,使数据访问畅通无碍。其内容包含工控网、安防网、办公网、通信网等不同网络的融合,企业内网与外网融合,有线网络与无线网络融合,宽带通信与窄带通信融合等。(2)高效协同:将企业中各种系统的软、硬件设施融合,形成基于场景的应用模块。其内容包含不同系统中同类设备融合,业务、服务、功能融合等。(3)友好交互:将企业中各种信息化平台融合,提供统一的基础服务与交互接口。其内容包含开放数据接口、二次开发接口,采用工业互联网平台架构等。

3 典型电信设计方案

为了达到融合通信的目标,在设计时须考虑网络融合、系统融合和平台融合3个层面配置。

3.1 网络融合

自控、电气等不同专业在进行设计时,通常会设置多个通信网,网络融合的目标即是实现网络的共享,有以下几类情况。(1)带宽共享:数据直接接入共享网络,不再单独建网。(2)设备共享:通过VLAN等技术共享通信设备。(3)线路共享:利用骨干光缆、大对数电缆中的线芯单独组网,不再重新敷设通信线路,网络通过网关设备对接。

石化企业可设置4张网,分别为工控网、办公网、通信网与安防网,由各类子网独立建网,通过网关实现数据访问。

3.2 系统融合

企业员工或自动化程序在完成某一项工作任务时,通常会包含多项业务、服务、功能和多个对象,对所涉及的操作、流程和信息进行整合及综合呈现可以提高协同效率。这些融合虽然是针对具体场景的,但软、硬件层面的融合是必要前提,有以下几类情况。

(1)接口互联。系统间通过通信方式或IO方式实现数据和信号的互联互通,例如电话系统、无线通信系统与扩音对讲系统间通过不同制式的语音网关实现语音通信。

(2)硬件共享。不同系统共享硬件资源,例如采用一套数据库为多个系统提供数据存储服务。

(3)软件共享。合并功能近似的系统软件,例如针对安防系统的各个子系统,采用一套软件进行运维。

3.3 平台融合

平台既完成对各系统的支撑与功能提升,又是人与机器、机器与机器间交互的门户。选用工业互联网PaaS平台对各系统进行融合,可以将系统软件的各项功能拆解为可以调用的微服务,进而组成各项业务模块,最终组成针对不同场景的企业应用,通过统一的门户与用户进行交互。得益于微服务架构与容器化技术,PaaS/DaaS层的数据、服务与模块可被不同应用复用,实现应用的快速开发与部署,同时避免了同质化功能的重复建设。

一套典型完整的石化企业融合通信软、硬件架构如图1所示,该方案实现了从硬件到软件,从数据到业务,从系统到平台不同层面的融合,可为石化企业智能工厂建设提供良好的通信基础。

图1 系统融合架构

4 结语

该设计方案在智能工厂、电信系统集成平台及“工业互联网+危化品安全生产”平台等相关建设项目中获得应用,取得了较好的效果。在相关项目的运行过程中,反馈较多的一个问题是设备、系统与平台的操作具有一定的专业性与复杂度,学习成本较高。随着人工智能技术的发展,如何融合大数据模型,提高融合通信的智能化,简化人员操作流程,将是下阶段研究的重点。