无源光网络在智能净化厂应用的可行性分析

黄 杰

中国石油西南油气田公司天然气净化总厂, 重庆 400021

0 前言

当前,信息技术不但改变了人们的生活,也改变着人们的工作。天然气净化行业作为典型的流程行业也将经历数字化、智能化的蜕变。随着天然气净化厂“十四五”产能的稳步提升,天然气净化处理量也不断增加,在提质增效的整体形势下,依靠传统生产管理模式难以支撑上产目标和战略发展,亟需借助数字化转型和智能化发展,来保证安全生产、清洁生产、高效生产。天然气净化厂的生产运行自动化程度较高,推进数字化转型、智能化发展具有重大意义。

要实现智能净化厂,首先要确保信息基础设施的业务支撑能力,其中最主要的是园区网的升级换代，这已通过大量信息化项目得到验证。例如近年建设的生产物联网、智能巡检、治安防恐、安全管控等项目都集中突显出园区网的扩展性差、结构复杂、成本较高等问题,无法通过简单改造来解决。鉴于智能化园区网的重要作用,需要采用更先进的光介质网络替代传统铜介质网络,在简化网络结构的同时,还能提高网络的整体性能。

近年来,无源光网络[1-6]越来越受到关注,在“天网监控系统”“海燕车辆二次分析系统”等大型项目中得到了成功应用。天然气净化厂的智能化建设中无源光网络还没有应用先例,主要原因是天然气净化厂智能化建设起步较晚,而且没有业务需求的推动。以生产视频监控为例,在数字化、智能化发展的大趋势下,作为物联网中很重要的数据源,不只是要看得到,还应看得清、看得准,过去分析视频需要人工长时间查看，而现在摄像机能直接对视频进行智能分析、实时告警，并已广泛应用于生产安全管理。例如:人员姿态分析,当有人受伤倒地时智能监控会联动报警;劳保用品穿戴检测,对入场人员劳动保护用品是否规范穿着进行分析等。通过网线连接摄像机的传统组网方式已无法满足大范围生产监控需求,而无源光网络由于建设成本低、业务承载能力强、抗干扰能力强等诸多优点将成为建设智能化园区网的首选。

1 无源光网络的概念

无源光网络的概念是20世纪80年代由英国电信公司最早提出,它又被称为被动式光纤网路,是光纤通信网络的一种,其特点是不用电源就可以完成信号传输。除了终端设备需要用电以外,无源光网络中间的节点则以精致小巧的无源器件构成,只有信号进出网络时才进行电—光和光—电的转换,网络中信号传输和交换的过程中始终以光的形式进行,以光节点取代现有网络的电节点,构成以光纤为介质的通信网络。

基于无源光网络技术的组网方式[7-12]是一种点到多点的光导纤维接入技术,由局侧的光线路终端(Optical Line Terminal,OLT)、用户侧的光网络单元(Optical Network Unit,ONU)和光配线网络(Optical Distribution Network,ODN)组成,结构见图1。所谓“无源”是指在光网络中不含任何有源电子器件和电子电源,全部由光分路器等无源器件组成。无源光网络作为一种纯介质网络,避免了外部设备的电磁干扰和雷电影响,减少了线路和外部设备的故障率,提高了系统可靠性,节省了维护成本,是通信行业长期使用的网络技术。同有源系统比较,无源光网络具有大带宽、高可靠、扁平化、易部署、易管理等显著优点,同时无源光网络还优化了园区网的基础布线和网络结构,让整体网络更加高效和简洁[13-15],满足智能净化厂建设需求。

图1 无源光网络典型结构图

2 无源光网络的特点

无源光网络技术包含内容很多,而且在不断迭代更新。早在20世纪90年代,国际电信联盟就首先提出了基于异步传输模式的无源光网络(Asynchronous Transfer Mode Passive Optical Network，APON),随着以太网技术的快速发展又出现了基于宽带服务的无源光网络(Broadband Passive Optical Network，BPON)技术、基于以太网的无源光网络(Ethernet Passive Optical Network，EPON)技术,以及基于国际电信联盟千兆比特无源光网络系列标准(ITU-T G.984.x)的最新一代吉比特以太网无源光网络(Gigabit Passive Optical Network,GPON)技术。目前,GPON技术应用最广泛,10 G的GPON对称技术正逐渐成为主流。无源光网络的技术特点可以总结为单芯双向,波分复用;上行时分复用;下行广播,ONU选择性接收。

2.1 单芯双向,波分复用

在无源光网络中,上下行通信所采用的波长是不一样的,从ONU到OLT的方向即为上行,从OLT到ONU的方向即为下行。以GPON为例,规划下行波长1 490 nm,上行波长1 310 nm,互不影响,在单根光纤上完全可以实现OLT与ONU之间的全双工数据通信,见图2。

图2 数据通信示意图

2.2 上行时分复用

上行方向发端与收端的数量对比关系是“多对一”的关系。既然是“多对一”的关系,这种情况就必须要有仲裁机制来保护上行数据传输不发生冲突。这个仲裁机制便是将上行链路分成不同的时隙,再将这些时隙根据需要分给不同的ONU,ONU在属于自己的时隙发送数据。由终端产生的数据、视频和语音等信号分别通过不同的ONU在各自的时隙里传输至OLT,光信号在分光器里进行耦合，见图3。

图3 数据上行示意图

2.3 下行广播,ONU选择性接收

下行方向发端与收端的数量对比关系是“一对多”的关系[16-18],OLT将下行数据通过广播的方式发送到所有的ONU,每个ONU会根据相应的过滤条件主动过滤出属于自己的数据,其他数据会丢弃掉，见图4。

图4 数据下行示意图

3 无源光网络的优势

无源光网络在项目建设和后期运维中都比传统以太网更具优势,主要体现在业务承载能力、建设成本、整体带宽、网络安全、使用寿命等诸多方面。无源光网络与传统以太网对比见表1。

表1 无源光网络与传统以太网对比表

因为光波的传输特性和光缆的物理结构等原因,让光纤本身具有很强的抗电磁干扰能力,同时又不会对外界环境产生新的干扰。此优势使无源光网络适合在天然气净化厂的生产环境中部署。

4 无源光网络的应用分析

4.1 无源光网络部署

智能净化厂建设的总体要求是将天然气净化的生产过程、控制、运行和管理进行统一掌控，要实现这一目标则对网络通信保障能力的要求更高。传统以太网的局限性会制约智能净化厂的快速发展,造成生产水平低下、核心竞争力不足等情况。为防止这种情况发生,需要采用成熟的无源光网络应用于天然气净化领域的数据采集、监测、生产控制等场景,生产自动化，管理智能化。

天然气净化厂目前的园区网都是基于传统以太网的星形拓扑结构,在信息化建设的过程中需要新增大量视频监控、数据采集设备,对网络传输性能要求越来越高。因为是点到点的部署,需要进行大量的综合布线工作,同时由于网线传输距离最大100 m的限制,需要部署大量交换机、光缆、光收发器等设施来扩大园区网范围,不但增加了项目建设成本和运维成本,而且后期扩建难度很大。

而无源光网络部署简单,几乎不受传输距离、现场环境和网络带宽的影响,不需要交换机、光收发器等有源设备就能覆盖整个生产园区,故障点大大减少,并且可以针对工作应用场景的业务、接口、安全等需求进行定制,是智能净化厂横向集成的先进、完善、安全的智能网络系统。无论是视频监控系统、现场智能仪表、数据传感器、移动设备等各类终端都可以接入。

从传统的点对点接入网络过度到无源光网络是个“减法”过程[19]。主要是将以太网中的接入层优化为无源光网络,上行部分更换为OLT,下行部分更换为ONU,而中间的传输网络则通过光纤组网,优化后的网络结构更简单。无源光网络拓扑见图5。由图5可以看出,监控系统的前端由各种高清网络摄像机组成,在PON中通过网线将不同区域的多个摄像机连接到同1台ONU,然后汇集成1根光纤连接到分光器,不同区域的分光器再汇聚成1根光纤连接到OLT,最后由OLT汇聚接入到核心交换机。在核心交换机之上的部分无需改动,与以太网的主要区别在于OLT和ONU的部分。

图5 无源光网络拓扑图

OLT是专门负责光纤链路的局端设备,和ONU匹配进行数据流的传输。上行接入核心交换机,下行连接多个ONU,可以对ONU进行集中管理。类似于以太网的汇聚层设备。

ONU是信息点的接入设备,接入业务类型多样,如办公电脑、移动设备、视频和语音等,并且支持GE/FE、POTS、WIFI、POE和CATV等多种接口,安装方式灵活。无源光网络的带宽设计,主要从两方面来考虑:一是设备规格,OLT板卡和ONU根据实际需求来选择千兆GPON或是万兆GPON;二是OLT单个PON口下挂ONU数量,即由分光比来确定。同时部署方式也非常灵活,完全满足天然气净化厂智能化园区网实际需要。例如对于办公区域可选择光纤到桌面(Fiber To The Desk,FTTD),实验室可选择光纤到房间(Fiber To The Room,FTTR),仓库可选择光纤到楼宇(Fiber To The Building,FTTB)。

4.2 智能语音解决方案

在无源光网络中,语音业务采用基于软交换的解决方案[20]。在工业生产网络、办公网络等语音需求场景,采用支持语音业务的ONU,通过OLT直接接入到中心运营平台,由中心运营平台提供各种语音业务。语音业务汇入到内部软交换网络中,采用SIP、H.248等标准协议,通过VoIP方式进行传输。ONU承载的各种业务原则上都是基于TCP/IP模式承载的,与智能化园区网的主要协议全面兼容。

网络电话发起的语音请求,由VoIP数据报文通过OLT进行转发,由OLT的上行接口上联到内部软交换平台。由于采用TCP/IP协议传输数据,主要的工作量只有ONU与软交换平台之间SIP协议和H.248协议的交互,完成后可将终端注册到内部软交换网络中。

4.3 智能数据回传解决方案

在生产现场采用工业级的ONU设备,可根据实际情况为各类数据采集设备提供FE、RS232、RS485等接口用于完成数据的采集和传输。在现场数据采集时工业级ONU也能连接数据采集网关或者与开关量数据采集设备连接,通过无源光网络快速传送到DCS系统,进而完成各类数据分析和决策辅助。

对现场射频识别和智能终端等应用场景下的WIFI、Zigbee、LTE等各种无线网络提供数据承载。工业ONU设备通过10 GE等高速接口实现现场海量数据的回传,支持NTP、POE等功能,同时还支持4 G/5 G蜂窝网络承载物联网的数据。

由于无源光网络的大带宽特性,在各工位的工业级ONU设备上通过下联支持以太网供电的交换机连接高清摄像机进行高清视频监控,数据与电源共用1条链路,方便综合布线也减少后期运维工作量。

5 结论

1)无源光网络作为一种部署成本低而且灵活性高的大带宽传输手段,完全适合智能净化厂的应用场景。

2)无源光网络可明显降低智能净化厂的建设成本,并提高建设效率、缩短项目周期、提升企业效益,是智能化园区网理想和经济的接入方式。

3)由于OLT的设备特性,很容易实现对网络的集中管理、维护,而且升级成本较低、可扩展性较强。

4)无源光网络具有多业务承载能力,并且有很强的抗电磁干扰能力,可以大幅简化天然气净化厂智能化园区网的结构,同时提高安全性。