图1  普光气田施工现场

“一网到底”在工业领域也不算是一个新鲜的词了，随着工业以太网技术的发展，越来越多的企业采用工业以太网技术实现全厂的通信。然而在气体集输领域，工业以太网一直以来还只是个配角，多是承担局域网的工业通信。中石化普光气田的集输系统首次全部采用工业以太网进行现场通信，这对于工业以太网技术而言是一个历史性的突破。

工业以太网的优势

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE 802.3标准）兼容，但是实际产品和应用却又完全不同。与普通商用以太网相比较，应用于工业控制领域的工业以太网有明显的特点和优势。

应用广泛

以太网是应用最广泛的计算机网络技术，几乎所有的编程语言如Visual C++、Java、VisualBasic等都支持以太网的应用开发。

通信速率高

目前，10、100 Mb/s的快速以太网已开始广泛应用，1Gb/s以太网技术也逐渐成熟，而传统的现场总线最高速率只有12Mb/s（如西门子Profibus-DP）。显然，以太网的速率要比传统现场总线要快的多，完全可以满足工业控制网络不断增长的带宽要求。

资源共享能力强

随着Internet/ Intranet的发展，以太网已渗透到各个角落，网络上的用户已解除了资源地理位置上的束缚，在联入互联网的任何一台计算机上就能浏览工业控制现场的数据，实现“控管一体化”，这是其他任何一种现场总线都无法比拟的。

图2  气田光缆辐射路由分布，实线为工艺管线光缆，虚线为非工艺管线预铺光缆

可持续发展潜力大

以太网的引入将为控制系统的后续发展提供可能性，用户在技术升级方面无需独自的研究投入，对于这一点，任何现有的现场总线技术都是无法比拟的。同时，机器人技术、智能技术的发展都要求通信网络具有更高的带宽和性能，通信协议有更高的灵活性，这些要求以太网都能很好地满足。

基于这些优点，近些年以太网在工业领域得到了越来越广泛的应用。如石化、化工等行业，工业以太网技术的应用已经非常成熟，能够实现真正意义上的一网到底。

气体集输领域的突破

但在天然气的输送领域，工业以太网一直扮演着配角，只能承担部分局域网的通信。2008年，西门子工业以太网系统成功中标普光气田集输系统，这一局面遂被打破。

2006年4月3日，中国石油化工集团宣布在达州市宣汉县发现国内规模最大、丰度最高的特大型整装海相气田——普光气田，累计探明可采储量为2510.75亿m3，技术可采储量为1883.04亿m3。中国石油化工集团投巨资建设的世界第二、亚洲第一的普光净化厂随即奠基，被国家规划为川气东送工程的起点和主力气田。

普光气田的发现犹如中国油气行业的一剂强心针，但同时由于其所处的地域环境，为油气的开采和输送带来巨大的挑战。中石化“川气东送”建设工程指挥部副指挥长王春江在接受媒体采访时曾指出，普光气田主要有五大特点。一是地下情况十分复杂。普光气田硫化氢含量平均为16%，二氧化碳达8%，地下压力通常在55MPa以上，一旦发生井喷致使硫化氢等有毒气体外溢，后果不堪设想。另外，天然气井平均深度在5000~6000m。二是地域环境风险大。普光气田地处大巴山区，特别是普光至宜昌620公里山区段山陡路险，环保压力也大。三是自然环境恶劣。当地极易发生洪水泛滥和山体滑坡。四是工程技术难度大。钻井工程喷、漏、塌、卡比较严重，管道工程5次穿越长江，挖了72条山体隧道，跨越5省两市，这是国内目前开挖隧道数量最多的管道工程。五是工程庞大，可借鉴的经验少。

前所未有的挑战

在这样一个庞大的工程项目中，对于每个参与其中的设备供应商而言，都是一次前所未有的挑战。对气田集输系统工业以太网的供应商——西门子公司而言，亦是如此。

为普光气田项目建立气田信息采集系统工业以太网平台需要建立47个场站/阀室，而且由于地域环境的特殊性，站间的距离也不能确定，为2~15km。西门子与用户协商，全网系统采用有线与无线结合的解决方案，有线网络为双网冗余结构，无线网络作为有线网络备用通道。

图3  网络拓扑图

有线网络部分为工业以太网解决方案，系统骨干网络为1000Mbit/s的光纤以太网络，中控室、场站或阀室内部的子系统网络为100Mbit/s的电气以太网络，基于具体设备实际连接距离需要，子系统网络内部亦可采用100Mbit/s的光纤以太网络。系统骨干网络需要具有相当的故障保护能力，因此将骨干网络结构基于西门子HSR高速冗余环协议，改变成为工业以太环网冗余结构。工艺管线全场42km，与电力线路同时架设光缆51km，因此采用SCALANCE X308-2LH型交换机，提供长距离光纤模块，工作于1550nm波长进行40km无中继的站间距离连接。实地采用16芯光缆沿光纤路由进行铺设，将中控室、场站、以及各阀室连接于一个环网上。与中控室较近的场站（集气站末站和污水站），分别采用星型连接以光缆直接接入中控室系统。

该骨干网络提供了1000Mbit/s全双工线速交换能力（实际提供2000Mbit/s双向带宽）。并可通过IEEE802.1q的VLAN划分方式，对各子系统网络流量进行划分并优化流量。全网支持SNTP，3ms精度时钟同步。基于PROFINET RT（Real Time）标准以数据4级优先级队列，提供QoS服务。

各子系统网络与骨干网连接处采用SCALANCE X414-3E进行连接，向无线网络提供标准以太网接口。以路由协议连接无线冗余路径。在子系统网络与骨干网有线连接中断的情况下，完成有线网络向无线路径的切换。

考虑到无线传输系统的开放性，在以太网络接入进无线传输系统前，接入网络安全设备SCALANCE S612提供VPN连接，对无线传输系统的连接进行加密保护。确保数据在无线传输系统的传输过程中不会受到外界破坏或入侵。

所有交换机设备均满足电磁兼容性及抗干扰指标EN61000-4-2静电，EN61000-4-3电磁场，EN61000-4-4快速瞬变，EN61000-4-5浪涌都在3级以上。全部设备均支持双DC24V输入，带继电器报警输出，结构坚固，耐受工业震动及冲击（IEC60068-2）。

雷击和浪涌是对工业设备损害的重要原因，为确保整个系统安全，提高防浪涌的级别非常重要，虽然西门子提供的交换机和路由器已经满足技术规格书要求的防浪涌要求（EN61000-4-5浪涌3级以上），但根据经验，由于各站场均分布在野外，属于易受雷击和浪涌伤害的地方，因此西门子在每个站场为工业以太网交换机配备专用的浪涌保护器V20/C，提高浪涌保护等级，增加安全性。

以上骨干网与47个子系统网络共同组成普光气田集输以太网系统单网。

结语

2010年，普光气田正式开工，开始送气。项目的成功开工和截止到目前的顺利运行，表明了工业以太网技术首次在如此大型气体集输系统中的成功应用。此项目的成功，也是工业以太网技术发展历史中的一个里程碑。