CC BY
63
Россия,
СаНЯт-Петербург ул. Ьолтавскэя, д
1пГо@1еЬпо[тк.5рЬ,пг support@technolink.spb.ru
Россия,
Свердловская обл, г. Ревда, ул. Клубная, д.8 +7(34397) 2 11 62 infO@Lltl.ru
Казахстан,
г. Актобе,
ул, Юга-Запад, д.8
+7(7132) 95 55 35 info@tehnoiink.kz
автоматизация
Разработка карты применимости технологий связи для объектов нефтегазовой отрасли
УДК 65.011.56
19
А.Г. Зебзеев
ведущий инженер1 ZebzeevAG@nipineft.tomsk.ru
Е.А. Рыбаков
техник1
evgrvbakov@gmail.com
Д.П. Стариков
техник1
dstarikov@me.com
А.Г. Чернов
учёный секретарь2 ChernovAG@nipineft.tomsk.ru
1ОАО «ТомскНИПИнефть» Отдел Автоматизации Технологических Процессов, Томск, Россия 2ОАО «ТомскНИПИнефть», Томск, Россия
Инфраструктура нефтегазодобывающих предприятий, как правило, является распределенной с территориально отдаленными объектами. При реализации передачи данных с таких объектов могут возникнуть проблемы, связанные с ограничениями в получении радиочастот беспроводной связи. В данной работе рассматривается вопрос возможности применения альтернативных технологий связи для передачи данных, в частности атмосферной оптической линии связи. Для выбора оптимальной технологии связи предложено использование специально разработанной карты применимости технологий связи.
материалы и методы
Алгоритм сравнения показателей технологий связи, основанный на экспертной оценке критериев выбора.
Ключевые слова
технология связи нефтегазодобывающих предприятий, карта применимости, атмосферные оптические линии связи
Введение
(состояние проблемы, задачи)
Современные нефтегазодобывающие предприятия ведут добычу нефти и газа с различных месторождений, как правило, удаленных друг от друга. Для организации передачи данных и голоса используются специализированные системы связи. Данные системы используют разные технологии, имеют различную топологию и структуру в зависимости от условий применения. В настоящее время руководители нефтегазодобывающих предприятий все чаще предъявляют требование к расширению объема передаваемых данных (например, для передачи видеонаблюдения, ip-теле-фонии и т.д.). Данное требование приводит к увеличению загруженности каналов связи, а следовательно к необходимости применения оборудования высокоскоростной передачи данных. В этих условиях удачно показывают себя системы широкополосного беспроводного доступа. Но сложности с получением разрешения на использование радиочастот накладывают существенные ограничения на их использование. При этом значительная удаленность различных объектов, наличие препятствий (широкие водоемы, железнодорожные переезды и т.д.), болотистость территорий не позволяют организовать на всех участках волоконно-оптические линии связи либо делают прокладку кабеля экономически нецелесообразной. В связи с этим, одной из наиболее актуальных проблем передачи данных с удаленных нефтегазовых объектов является выбор оптимальной технологии связи.
Основная часть
Требования к организации передачи данных с удаленных линейных и распределенных объектов добычи и подготовки нефти (узлы запорной арматуры трубопроводов, объекты энергетики, кустовые площадки и т.п.) обусловлены необходимостью дистанционного контроля и управления технологическим оборудованием по системам телемеханики.
Для передачи данных телемеханики на практике зачастую достаточным является организация ультракоротковолновой (УКВ) радиосвязи. При этом в случае большого объема передаваемых данных с целью минимизации задержек времени опроса данных со всех объектов возможно и целесообразно реализовать управление сетевыми трафиками с использованием таких инструментов, как генетические алгоритмы [1]. Тем не менее, в нормативах большинства нефтегазовых компаний все чаще предъявляются требования к организации более скоростных каналов связи, в том числе для передачи данных видеонаблюдения, ip-телефонии и т.п. Стандартным решением в таких случаях является использование систем широкополосного беспроводного доступа (ШБД). Но при этом, некоторые
компании испытывают проблемы с радиочастотами для ШБД на своих месторождениях. Поэтому зачастую принимается решение по организации в качестве основного канала связи волоконно-оптической линии связи (ВОЛС).
С точки зрения технологии передачи данных по ВОЛС этот способ практически не имеет недостатков и удовлетворяет всем необходимым количественным и качественным требованиям для передачи любых видов данных. Однако на практике нефтегазодобывающие компании сталкиваются с проблемами прокладки кабелей в труднопроходимых условиях. Только совместная прокладка ВОЛС с линиями электропередач (ЛЭП) позволяет сократить расходы. Тем не менее, даже в этом случае стоимость ВОЛС остается достаточно высокой. Но предприятия в последнее время все чаще используют данную технологию при организации связи, что связано с наиболее высокой скоростью и надежностью. При этом необходимо учитывать тот факт, что возможны порывы кабелей ВОЛС при эксплуатации. Время на устранение обрыва в некоторых случаях достигает до двух суток и более, что уже уменьшает коэффициент надежности связи до значения 99,5%. А такое значение надежности могут обеспечивать и другие более дешевые технологии связи.
В последнее время в нашей практике мы встречаем интерес некоторых компаний по организации связи также с использованием радиоканала «безлицензионного» диапазона 71-76 ГГц. Подобные системы принадлежат к радиорелейным станциям (РРС) прямой видимости с возможностью передачи данных со скоростью до 1 Гбит/с. Решением ГКРЧ от 15 июля 2010 года радиочастотный диапазон 71-76 ГГц / 81-86 ГГц (E-band) выделен «для применения на территории Российской Федерации РРС прямой видимости юридическими и физическими лицами без оформления отдельных решений ГКРЧ для каждого конкретного юридического или физического лица». При условии выполнения технических требований, эксплуатация РРС прямой видимости носит только уведомительный характер [2]. Пока ввиду малого срока «безлицензионного» использования частот в РФ большой опыт эксплуатации такой связи на предприятиях нефтегазового сектора практически отсутствует. Основными же пользователями РРС на данный момент пока остаются крупные интернет — провайдеры и сотовые операторы связи.
Особенность миллиметровых волн РРС — квазиоптическое распространение сигнала (подобно лучу лазера). Данное решение ограничено по дальности, а также склонно к значительному ухудшению связи либо даже к ее отсутствию в условиях сильных дождей. Имеющиеся на рынке средства связи для большинства регионов РФ позволяют обеспечить дальность связи
порядка 7-10 километров. Капитальные затраты и затраты на обслуживание такого вида связи ниже, чем при реализации ВОЛС (даже с учетом прокладки совместно с ЛЭП), но имеются ограничения по надежности и требования по прямой видимости. Однако последнее требование в большинстве случаев выполняется размещением оборудования на прожекторных мачтах стандартной высотой 25 метров. Стоит отметить и то, что для РРС важна точная фокусировка направления сигнала. Это осложняет работу связи в условиях повышенной сейсмичности, например, на объектах о. Сахалин. В таких условиях осложнена также эксплуатация ВОЛС из-за частых порывов кабеля. В этих случаях может быть целесообразным использование спутниковой связи на некоторых удаленных участках. Стоимость оборудования спутниковой связи постоянно снижается и в настоящее время является достаточно привлекательной, но абонентская плата за каналы связи в долгосрочной перспективе делает накопленную стоимость использования такой связи существенно дороже аналогов.
Наиболее дешевым альтернативным вариантом являются атмосферные оптические линии связи (АОЛС). Оборудование обеспечивает беспроводную передачу цифрового сигнала через атмосферу в нелицензиру-емой инфракрасной (оптической) части электромагнитного спектра. Беспроводные оптические каналы связи, использующие лазерные или светодиодные излучатели, практически не отличаются по параметрам от каналов, организуемых по ВОЛС. Они не требуют согласования частот, не налагают существенных ограничений на оборудование, не требуют разработки дополнительных протоколов связи. Кроме того, чрезвычайно широкая полоса пропускания позволяет увеличивать скорость передачи данных (порядка 1 Гбит/с), причем делать это независимо от числа пользователей или объема передаваемой информации. К недостаткам беспроводной оптики, как известно, относятся необходимость обеспечения прямой видимости между излучателем и приемником, ограниченная дальность связи (в настоящее время можно назвать значение — до 7 километров), зависимость от погодных условий. Причем основной «враг» оптической связи — это, конечно, туман. Так, затухание сигнала в оптическом канале при сильном тумане может доходить до критических 50-100 дБ/км. Вместе с тем опыт эксплуатации различных оптических систем даже при сильном тумане свидетельствует о том, что действительно непреодолимые проблемы со связью возникают лишь при сильном снегопаде с видимостью до 40 метров в сочетании с плотным туманом [3]. Стоит отметить, что в таких условиях плохие результаты показывают и системы видеонаблюдения, все чаще используемые на удаленных объектах. Так тепловизорные камеры, способные справляться с такой проблемой, пока слишком дорогие, а камеры с инфракрасной подсветкой обладают рядом недостатков и почти не используются. Поэтому ухудшение связи АОЛС для передачи видеонаблюдения совпадает с теми случаями, когда передача данных видеонаблюдения не принесет ясности о состоянии
Входной параметр
Скорость передачи
Разрешение на использование особых частот
Характер канала
Срок эксплуатации Погодные условия
ЛЭП между объектами Надежность
Наличие сложно преодолимых препятствий
Прямая видимость
Удаленность объектов
Значения
От 9,6 Кбит/с до 10 Гбит/с
ШБД
УКВ
Основной
Резервный
От 0,1 года до 30 лет
Туман
Дождь
Метель
Сейсмичность
Дней в году Дней в году Дней в году
Максимальная в баллах
Процент от общей длины трассы
Процент, соответствующий желаемой надежности
Процент от общего числа
Процент от общего числа Средняя удаленность объектов, км
Таб. 1 — Входные параметры
Рис. 1 — Статистические данные по климату в нефтегазодобывающих регионах
Рис. 2 — Вид окна программы
объекта. На сегодняшний день АОЛС в РФ находит применение в сетях интернет — провайдеров и сотовых операторов связи, в проектах по безопасности для передачи данных видеонаблюдения, крупных корпоративных структурах. Причем в последних случаях технология пользуется все большей популярностью.
Для всех видов передачи данных проблемы, связанные с надежностью связи, так или иначе требуют резервирования каналов. И в этом смысле хорошо показывает себя резервирование АОЛС каналом РРС диапазона 71-76 ГГц. Для каждого из данных видов связи плохими климатическими факторами являются туман со снегом или дождь, которые не встречаются одновременно. Поэтому в таком сочетании резервирование показывает достаточно устойчивую связь, а эксплуатация таких систем является экономически более доступной, нежели ВОЛС.
При должном моделировании каналов связи с учетом местных погодных условий реально выбрать оптимальный вариант связи и исключить неприятные неожиданности. Поэтому необходимо учитывать природные факторы регионов. На рис. 1 приведены статистические данные по количеству дней с наиболее неблагоприятными климатическими явлениями в некоторых нефтегазодобывающих регионах [4].
Входной параметр
Скорость передачи
Разрешение на использование особых частот
Характер канала
Срок эксплуатации Погодные условия
Наличие ЛЭП между объектами
Надежность
Наличие сложно
преодолимых
препятствий
Прямая видимость
Удаленность объектов
Рис. 3 — Взаимосвязи в программе Атрибут
0 — не удовлетворяет заданной скорости
1 — удовлетворяет заданной скорости
УКВ 0 — разрешение на
частоту отсутствует
1 — разрешение на частоту присутствует
ШБД 0 — разрешение на
частоту отсутствует
1 — разрешение на частоту присутствует
0 — используется как резервный
1 — используется как основной 0-30
Туман 0-365
Дождь 0-365
Метель 0-365
Сейсмичность 0-10 0-100
0-100 0-100
0-100 0-999
Тип данных
BIN
BIN BIN
BIN
BIN BIN
BIN
BIN
FLOAT
INTEGER
INTEGER
INTEGER
FLOAT
FLOAT
FLOAT FLOAT
FLOAT FLOAT
Таб. 2 — Набор атрибутов для каждого из средств связи
Описание карты применимости
Для выбора оптимальной технологии связи авторами статьи разработана карта применимости на базе Microsoft Excel 2010 с помощью макросов Visual Basic и формул преобразования. Основная цель программы — это оценка входных данных (таб. 1). Анализируя исходные данные, вносимые пользователем, программа принимает решение об оптимальности применения средств связи для конкретного набора входных параметров (конкретной ситуации). После внесения всех параметров, система выдает результат в виде столбчатой диаграммы, по которой можно оценить пригодность конкретного вида связи. На рис. 2 приведен вид окна программы.
В качестве оцениваемых технологий связи выступают:
1. Атмосферные оптические линии связи;
2. Системы широкополосного беспроводного доступа;
3. Волоконно-оптические линии связи;
4. Радиосвязь диапазона 71-76 ГГц;
5. Системы ультракоротковолновой радиосвязи;
6. Спутниковая связь.
Итоговая оценка каждого из средств связи оценивается в баллах относительно друг друга. У каждого из средств связи свой набор атрибутов, свойства которых сведены в таб. 2. Итоговое количество баллов для выходных переменных подсчитывается путем перемножения каждой ячейки массива с учетом поправочных коэффициентов, учитываемых индивидуально для каждой из технологий. После того, как все параметры внесены, программа автоматически подсчитывает выходной массив и формирует результат в виде графиков.
Помимо глобальных переменных, в программе предусмотрены внутренние, такие как «Пересчет надежности» и «Экономический
