數(shù)字油田4G網(wǎng)絡(luò)下的數(shù)據(jù)通信故障分析及解決方案

陳國杰

（大慶油田信息技術(shù)公司規(guī)劃設(shè)計中心，黑龍江 大慶 163000）

在數(shù)字油田架構(gòu)中，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)兩個層級。近年來，隨著油田公司公網(wǎng)接入DMZ隔離緩沖區(qū)的建成，4G傳輸網(wǎng)絡(luò)因其傳輸帶寬大、穩(wěn)定性好、覆蓋面廣、時延小、數(shù)據(jù)防護安全可靠等優(yōu)勢，在數(shù)字油田數(shù)據(jù)無線傳輸過程中已被廣泛應(yīng)用。在數(shù)字油田4G無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋下，接入設(shè)備較多，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量巨大，數(shù)據(jù)通信故障頻發(fā)的情況不可避免，因此，研究制定故障解決方案、改進數(shù)據(jù)通信隱患具有重要意義。

1 分析

采集數(shù)據(jù)到達SCADA服務(wù)器的路徑和方式如下：

井、間傳感器將采集數(shù)據(jù)通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)傳送到RTU，RTU依托4G（VPDN）網(wǎng)絡(luò)組建的L2TP通道將數(shù)據(jù)上傳至DMZ緩沖隔離區(qū)，并在L2TP通道基礎(chǔ)上建立IPsec加密隧道將數(shù)據(jù)發(fā)送之生產(chǎn)網(wǎng)服務(wù)器，如圖1。

圖1

傳輸過程中出現(xiàn)以下問題和故障：

1.1 RTU采集數(shù)據(jù)無法上傳SCADA服務(wù)器

RTU向組態(tài)服務(wù)器發(fā)送登錄報文，即同步位SYN=1時，RTU進入SYN-SENT狀態(tài)，表示同步已發(fā)送。組態(tài)服務(wù)器收到RTU發(fā)送的登錄請求后，發(fā)送確認數(shù)據(jù)包，確認報文字段，當(dāng)ACK=1，此時組態(tài)服務(wù)端進入SYN-RCVD狀態(tài)，表示同步已接收，RTU接收到組態(tài)服務(wù)器的確認報文后發(fā)送確認報文，此時雙方TCP連接建立完成，雙方都進入ESTAB-LISHED狀態(tài)。遵循A11標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)服務(wù)器每隔10分鐘向RTU發(fā)送上傳數(shù)據(jù)報文，RTU收到報文后發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)。組態(tài)服務(wù)器回應(yīng)報文，即FIN=1確認，回復(fù)FIN=0是沒有收到或者是收到錯誤報文，在設(shè)置時間無響應(yīng)則連接終止。在TIME-WAIT狀態(tài)等待時間2MSL內(nèi)，組態(tài)服務(wù)器沒收到報文信息會發(fā)送關(guān)閉連接報文，組態(tài)服務(wù)器進入CLOSED狀態(tài)。

故障分析：一是由于網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定性或其他原因造成RTU發(fā)送登錄包超時；二是RTU發(fā)送數(shù)據(jù)連接報文超時，組態(tài)服務(wù)器在響應(yīng)時間內(nèi)沒有接收到數(shù)據(jù)報文，會認為RTU不在線，結(jié)果造成連接關(guān)閉，數(shù)據(jù)無法傳輸。

解決辦法：一是增加RTU斷線自動連接機制，在對方無返回報文情況下主動斷開TPC連接，從新連接TPC發(fā)送同步位報文，等待組態(tài)服務(wù)器接收。檢查發(fā)送登錄報文是否屬于無法校驗報文；二是查看組態(tài)服務(wù)器參數(shù)配置如（MAC地址、校驗碼、加密配置、信道分配等）。發(fā)送接收數(shù)據(jù)包如圖2。

圖2

1.2 數(shù)據(jù)重復(fù)情況

RTU發(fā)出同步位連接請求，但是在網(wǎng)絡(luò)中長時間滯留了而沒有發(fā)送到組態(tài)服務(wù)器，此時由于RTU沒有接收到組態(tài)服務(wù)器發(fā)送過來的確認請求，所以RTU就將連接釋放了，在RTU釋放了連接之后組態(tài)服務(wù)器又接收到了RTU發(fā)送過來遲到的連接請求，由于組態(tài)服務(wù)器不知道此時RTU已經(jīng)釋放了連接了，所以組態(tài)服務(wù)器認為是有效的連接。造成讀取的數(shù)值是上一次數(shù)據(jù)。

故障分析：一是在RTU發(fā)送同步位報文后，組態(tài)服務(wù)器沒有給出回應(yīng)，組態(tài)服務(wù)器確認RTU沒有發(fā)送報文，或者認為這個報文異常或丟失，會繼續(xù)等待接收下一條報文，RTU發(fā)送一條報文后寄存器沒有更新下一次需要的數(shù)據(jù)，造成每次發(fā)送的數(shù)據(jù)報文都是同一條數(shù)據(jù)；二是組態(tài)服務(wù)器對接收到的報文進行校驗，如果校驗不通過會再ACK返回異常的報文seq，如果RTU沒收到返回報文，認為組態(tài)服務(wù)器還處于LISTEN狀態(tài)，會繼續(xù)發(fā)送這條報文，造成組態(tài)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)都是同一條數(shù)據(jù)。

解決方法：一是RTU設(shè)置重傳機制解決報文連接請求，設(shè)置一個啟動計時器在有效時間內(nèi)繼續(xù)發(fā)送同步位報文。確認服務(wù)器登陸信息后開始建立連接，在RTU發(fā)送同步位報文后，RTU2分鐘內(nèi)還未得到確認信息，自動斷開現(xiàn)有IP地址，從新?lián)芴柦⑴c組態(tài)服務(wù)器的連接，并確認組態(tài)服務(wù)器接收到信息后下發(fā)另一條數(shù)據(jù)報文；二是組態(tài)服務(wù)器設(shè)置響應(yīng)時間，在規(guī)定時間內(nèi)返回報文沒有確認，重新發(fā)送數(shù)據(jù)請求包，建立新的連接。

1.3 組態(tài)服務(wù)器無數(shù)據(jù)顯示

故障分析：由于網(wǎng)絡(luò)中斷引起RTU發(fā)送發(fā)出同步位連接請求后組態(tài)服務(wù)器沒有接受到RTU發(fā)送的報文，無法給出下一次連接請求，造成RTU認為組態(tài)服務(wù)器一直在線，認為組態(tài)服務(wù)器收到登錄信息，但沒有下發(fā)報文請求，一直等待組態(tài)確認信息。導(dǎo)致數(shù)據(jù)發(fā)送超時后，組態(tài)服務(wù)器關(guān)閉連接報文，進入CLOSED狀態(tài)。

解決方法：一是查看附近是否有干擾源，造成同步失敗；二是查看4G信號覆蓋率和LTE RSRQ信號接收質(zhì)量；三是RTU發(fā)送登錄報文后，在設(shè)定時間內(nèi)確認組態(tài)服務(wù)器是否返回報文信息，查看組態(tài)服務(wù)器返回報文信息是否對應(yīng)；四是超時沒有回復(fù)報文情況下RTU自動重啟設(shè)備重新連接TCP，發(fā)送登錄報文即可解決。

1.4 組態(tài)服務(wù)器接收數(shù)據(jù)不全（服務(wù)器數(shù)據(jù)整體丟失，單組數(shù)據(jù)丟失）

故障分析及解決方法：組態(tài)服務(wù)器數(shù)據(jù)排序機制把每條報文都包含一個SEQ序列號，這個序列號會從初始的值上進

行遞增，如果發(fā)送方發(fā)送seq=x，則接收方的ACK=x+1，如果丟了某一條報文，或者接收非法報文，則無法進行數(shù)值傳遞，下一組報文會空值，由于有停等協(xié)議每次只可發(fā)送一個報文，等確認之后才可發(fā)送下一個報文，在窗口占滿的情況下無法向組態(tài)服務(wù)器進行發(fā)送報文。

解決方法:一是由于網(wǎng)絡(luò)擁堵或達到最大用戶數(shù)造成掉線可以通過擴容的方法解決；二是RTU重啟后更新同步位報文同時激活網(wǎng)絡(luò)；三是RTU寄存器存儲數(shù)據(jù)使時間小于上傳時間，對于網(wǎng)絡(luò)密集的傳輸修改上傳報文時間。

在符合油田A11協(xié)議下，通過改變RTU傳輸機制，打造智能化RTU。它可以自動判斷獲取的數(shù)據(jù)是否立即上報中心控制站，或者中心控制站要求時再傳送數(shù)據(jù)。會自動檢測通信的中斷，支持自動重連、自動撥號。保證同步為報文正常發(fā)送，可以改變報文在網(wǎng)絡(luò)的存儲時間而不會當(dāng)作錯誤報文刪除。通過更加合理的RTU與組態(tài)服務(wù)器的設(shè)置優(yōu)化，更好的保證數(shù)據(jù)的傳輸。

2 結(jié)語

上述解決辦法不僅適用于4G網(wǎng)絡(luò)，同樣可以解決網(wǎng)橋、WLAN等無線組網(wǎng)方式下的數(shù)據(jù)通信故障。分析過程和結(jié)論可以幫助數(shù)字油田運維人員精準(zhǔn)定位問題、快速排除故障、縮短排障歷時、提高工作效率。以前處理上述故障需要1～2天甚至更久，現(xiàn)在基本在幾個小時甚至更短時間就能定位問題并完成障礙處理。同時文中列舉的相關(guān)方法，在公司乃至油田范圍內(nèi)，具有一定推廣價值，對提升公司數(shù)字油田運維能力和服務(wù)質(zhì)量具有積極作用，通過進一步總結(jié)、提煉可以在今后形成公司數(shù)字油田數(shù)據(jù)通信方面的維護指導(dǎo)手冊。