摘要:炼化物联网系统作为自动化和信息化融合的典型系统，具有“全面感知、可靠传输、智能应用”的关键特征。为实现炼化作业现场的物联网业务，无线传输的重要性是不言而喻的。本文论述了炼化物联网对无线传输的需求，简单介绍了第四代移动通信技术的优势及中国石油天然气股份有限公司独山子石化物联网系统试点应用项目的建设情况。炼化工厂无线覆盖环境复杂，作业现场多系爆炸性危险环境，因此实现4G无线覆盖难度较大，且部署到作业现场的基站设备需采用防爆产品。为解决这些问题，项目对无线覆盖区域进行了详细的勘测，并专门研制了防爆型基站产品，本文对这些工作进行了详细的论述。文章最后总结了研究成果和在独山子石化物联网试点项目中的应用。
关键词:TD-LTE;炼化;物联网;无线信号覆盖;防爆
1绪论
1.1背景及意义
自中国石油天然气股份有限公司(简称中石油)将炼化物联网系统项目(B8项目)调整进入集团公司“十二五”信息技术总体规划以来，集团多家企业对炼化物联网进行了积极深入的探索和广泛的应用，有效提升了企业全面感知、预测预警、协同优化和科学决策的能力，推进了企业转型升级、提质增效、可持续内涵式发展。独山子石化是我国西部大型石化基地和油气引进、储运、加工的战略枢纽，项目通过对独山子石化的现状、发展趋势和业务需求进行分析，提出了炼化企业基于TD-LTE(分时长期演进)无线通信技术的智能工厂建设方案。通过对现场的详细实地勘察，设计了完善的无线覆盖方案。针对爆炸性危险环境专门研制了防爆LTE基站，以满足作业现场的无线覆盖需求。最终在所有需要进行炼化物联网业务的厂区、办公室等区域采用TD-LTE无线专网实现了无线信号的无缝覆盖，并对专网的传输速率、时延、覆盖情况等进行了现场测试，在此基础上以TD-LTE无线专网承载了多种炼化物联网业务，如为炼化企业生产现场的装置、罐区、设备、厂区、周界、物流和人员等现场管控对象部署各类传感器、智能分析设备、RFID射频标签等数据采集感知设备，实现了对现场设备生产数据的实时采集和传输;建立企业现场综合数据库，实现了现场对象与管理者之间的互联互通，为上层炼化物联应用提供了稳定、可靠的现场数据支持。
1.2试点应用项目建设情况
中石油独山子石化物联网系统试点应用项目，目前已完成4套TD-LTE宏基站和20套防爆一体化基站的物联网信息化建设。项目建设的TD-LTE无线专网系统已在独山子石化得到广泛的应用，使工厂生产的自动化程度得到了进一步提高，有效提高了生产效率，对现场作业的安全性也有很大的提升。
2TD-LTE无线通信技术介绍
2.1TD-LTE关键技术
TD-LTE无线通信技术采用了大量新的理论和技术，主要关键技术包括正交频分复用、智能天线、多输入输出等。·正交频分复用(OFDM)技术TD-LTE无线通信系统采用OFDM技术，频谱利用率高、抗衰落能力强、抗码间干扰(ISI)能力出色，适合高速数据传输。·智能天线技术(SA)智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪及数字波束调节等功能。其基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的收发，同时，通过基带数字信号处理器，对各天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。·多输入多输出(MIMO)技术多输入多输出技术(MIMO)是指在基站和移动终端都有多个天线。MIMO技术为系统提供空间复用增益和空间分集增益。MIMO技术可提供很高的频谱利用率，且其空间分集可显著改善无线信道的性能，提高无线系统的容量及覆盖范围。
2.2TD-LTE无线通信技术优势
TD-LTE无线通信技术作为当前无线通信发展的主流技术之一，其主要优势如下:(1)高传输速率。对于大范围高速移动用户(250km/h)，数据速率为2Mbit/s:对于中速移动用户(60km/h)，数据速率为20Mbps;对于低速移动用户(室内或步行者)，数据速率为100Mbps。(2)低传输时延，业务面传输时延小于5ms。(3)真正的无缝漫游。实现全球统一的标准，能使各类媒体、通信主机及网络之间进行“无缝连接”。(4)高度智能化的网络。采用智能技术的TD-LTE通信系统将是一个高度自治、自适应的网络。采用智能信号处理技术对信道条件不同的各种复杂环境进行结合的正常发送与接收，有很强的智能性、适应性和灵活性。(5)良好的覆盖性能。可实现无缝的无线覆盖并提供高速可变速率传输。(6)基于全IP的网络，支持IPv4/IPv6。(7)提供多种QoS的传输质量，以适应不同类型的业务。(8)系国际技术主流通信技术，兼容性更好。
3炼化TD-LTE无线专网需求和方案
在石化、炼化工厂建设无线网络，实现无线信号的无缝覆盖，主要面临两个较难解决的问题，第一个问题是生产作业区域均部署各种反应装置和管道，这些装置和管道绝大多数是金属材质，对于无线信号兼有阻挡和吸收的效应，极易引起弱覆盖甚至没有无线信号，导致这些区域无法顺利进行业务，从而影响生产。一般解决此类问题的方法是在这些弱覆盖区域增设基站，引入无线信号，而这又引起了第二个问题，即这些区域多位于各种装置密集的位置，这类位置多为危险区域，只能部署防爆型产品，而市场上基于TD-LTE专网的防爆型产品却几乎没有。为解决复杂环境下的无线覆盖问题，我们一方面多次仔细勘察炼厂环境，认真规划，合理部署宏基站以解决大范围的无线覆盖;另一方面研制防爆型专网基站产品，以便在危险区域就地部署，解决宏基站无法覆盖到区域的弱覆盖问题。本章对解决无线覆盖的规划和防爆型基站研制进行了较为详细的论述。
3.1TD-LTE无线覆盖需求和规划
无线覆盖需求:项目计划采用1.8G(1785～1805MHz)频段建设TD-LTE无线专网，专网需覆盖独山子石化厂约100km2区域，包括主城区、炼油厂和乙烯厂三个区域，包括作业区、办公区及各外操间等。专网需要承载的用户和业务包括200个巡检业务终端、2000台人员定位终端、120余台射频标签读写设备，以及城市区内部分无线数采仪表的数据回传、区域内多媒体通信和部分视频数据回传。无线网络规划:根据无线覆盖需求，对于办公区、作业区采用宏基站实现无线覆盖，宏基站可安装在安全区域，采用定向天线指向需要覆盖的区域;对于外操室或因装置区阻挡而导致弱覆盖的区域，则可直接在该区域附近位置安装基站，这一类区域多系危险区域，因此部署的基站需采用防爆型产品。·宏基站规划方案根据厂区装置和设备的分布情况，采用多套宏基站RRU实现4G专网的无线覆盖，其中核心网、基站BBU、统一网管等安装在办公楼内部;RRU部署室外非防爆区架高的抱杆上，采用定向天线实现厂区室外的TD-LTE无线覆盖。根据独山子石化业务要求，规划建设四套宏基站，采用S111站型，即每套宏基站包括一台基带处理单元(BBU)和三台射频拉远单元(RRU)，BBU和RRU之间采用光纤连接。基站天线方位角初步规划为0°、120°、240°，天线挂高初步设计为30～40m。·防爆基站覆盖方案外操间墙壁较为厚重，对无线信号的隔离效应严重，因此外操间内一般收不到宏基站发射的无线信号，或信号很弱。另外，部分作业区域装置密集，这些装置多为金属结构，也容易造成无线信号的弱覆盖和盲区。对于这两种情况，可以采用现场就近部署防爆型基站，进行无线信号补盲，改善无线覆盖效果。防爆型基站可采用BBU、RRU合一的防爆一体化基站，该款设备设计防爆标志为ExdIICT4Gb，采用交流200V供电，提供RJ45网口，可利用已有传输，只要与核心网之间IP链路可达即可工作。防爆一体化基站在装置区及外操间无线覆盖效果如图1。
3.2TD-LTE无线基站防爆需求和产品方案
防爆需求:石油、天然气及其产品作为石油化工生产的原料，大部分属于易燃易爆物品，具有相当的危险性。一旦在生产过程中产生火花，就可能引起剧烈的燃烧和爆炸，后果不堪设想。一般来说，电气设备在运行过程中很容易产生火花，因此在独山子石化涉及危险区域部署的设备，必须具备严格的防爆特性，并经严格测试，获取国内权威机构颁发的防爆合格证书。·防爆基站设计为保证安全，我们防爆基站按照严格的防爆标准设计(图2)，产品设计防爆标志为ExdIICT6Gb，可以适用于绝大部分危险易爆环境。设计要点主要包括:①产品采用隔爆设计，设备主体及电话均放置于防爆箱内，防爆箱符合ExdIICT6Gb的设计要求，材质采用铸铝材质。②基站的电气、数据传输、射频线缆等接口通过不锈钢格兰头与外部线缆连接，接口处均使用防爆胶泥密封。③基站发射阈值功率在2W以内。④防爆箱接口均需使用防爆胶泥密封。⑤使用时严禁带电开启防爆箱体。
4项目成果
4.1无线网络仿真及结果
通过反复的模型校正和网络仿真验证基站站址、基站数量、天线挂高、方位角等相关参数。本次参与仿真基站站点4个;天线挂高采用40～45m;天线采用15dBi高增益定向天线;采用农村、草原、荒漠、郊区地貌;采用专业仿真软件进行无线网络信号模拟覆盖计算。根据网络仿真数据分析，结合TD-LTE基站的覆盖能力，本次网络仿真效果达到了预期设计，与现场网络规划设计相吻合。分析独山子地区信号场覆盖分布仿真效果，无线信号覆盖效果良好，可以满足独山子石化的专网覆盖要求。
4.2防爆一体化基站
成功研制防爆一体化TD-LTE基站，基站型号为TLU220T。该产品集成了基带处理单元和射频拉远单元，支持1.8GHz频宽，支持通过有线回传方式接入骨干网，可与核心网一起组建TD-LTE无线网络，为终端提供TD-LTE接入，完成语音和数据业务传输。产品外观及其安装效果如图3所示，现场防爆基站采用了外接定向天线。TLU220T支持利用现有传输资源，可减少投资，实现低成本快速建设LTE网络，增强无线覆盖效果。产品设计支持防爆，防爆标志ExdIICT6Gb(图4)，防爆等级很高，可广泛应用于石油、炼化、电力、轨交等各个行业领域。
4.3分析和结论
项目按照采集层、传输层和应用层三层架构搭建炼化物联网系统，其中传输层作为系统中连接采集层设备和上层应用的中间桥梁，需要具备安全、稳定、可靠的传输能力，能够覆盖企业各业务区域。在项目建设过程中，我们通过对现场全面细致的勘测、高水平的规划，在采用宏基站完成了大部分区域无线覆盖的同时，在外操间及其他无线信号弱覆盖区域大量部署防爆一体化基站，完美解决了独山子石化TD-LTE专网的无线覆盖问题。专网完成建设后，经大量测试和试用，在整体区域内无线信号覆盖良好，完全可以满足系统的巡检、定位和仪表等各类业务数据，以及视频、语音等多媒体数据的无线传输要求。炼化物联网项目的建成，不仅为公司赢得了比较可观的经济效益，而且对公司的生产经营管理也产生了积极的促进作用。5总结与展望根据炼化物联网系统项目建设的现状和长期目标，建设和推广基于先进无线通信技术的智慧化工厂系统和产品，对炼化企业的安全和高效生产具有十分重要的意义。在炼化物联网项目建设的过程中遇到了一些困扰业界多年的问题和困难，在解决这些问题的过程中，对TD-LTE技术的无线特性进行了深入的研究，对TD-LTE基站适用于炼化作业现场的防爆要求进行了大量的了解，在此基础上成功研制了防爆型基站产品，以满足项目要求。通过无线网络的优化和防爆基站的部署，使独山子石化无线专网的性能和指标有了很大地提高，为独山子石化成功构建了一个技术领先、功能专业、性能优良、高度集成、面向行业应用的基于TD-LTE无线通信技术炼化物联网系统。通过炼化物联网系统的应用，大大提高了炼化企业的安全监控水平和智能管控水平，为智能炼化工厂物联网系统的建设奠定了坚实的基础，积累了宝贵的经验。炼化物联网系统的成功构建，对于其它的石化、炼化企业，都产生了良好的示范效果，并对系统在相关行业的推广起到很大的推动作用。
参考文献
[1]王映民，孙韶辉.TD-LTE技术原理与系统设计[M].北京:人民邮电出版社，2010
[2]GB3836.1-2010.爆炸性环境第1部分:通用要求[S].2010
《TD-LTE无线通信技术在智能炼化工厂的应用》来源：《数据通信. 2022,(03)》，作者:赵玉虎 杨靖 褚明军 韩继信 殷搏峰 张金涛 牛玉军 崔涛 马红欣