基于AUTBUS總線的油氣計(jì)量試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

摘要：AUTBUS是一種采用兩線非橋接媒介，具有多節(jié)點(diǎn)、高帶寬、高實(shí)時(shí)、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓I(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線。文章通過設(shè)計(jì)一套油氣計(jì)量試驗(yàn)裝置，搭建AUTBUS總線測(cè)試環(huán)境，對(duì)AUTBUS總線在油氣管道站場(chǎng)進(jìn)行性能測(cè)試。通過測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證AUTBUS總線的傳輸性能、支持AUTBUS總線儀表設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，為AUTBUS總線在油氣管道站場(chǎng)的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐和測(cè)試平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：油氣管道；性能；AUTBUS；計(jì)量試驗(yàn)裝置

中圖分類號(hào)：TP312" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在石油石化領(lǐng)域，用于流程控制的主要為Profibus PA、Profibus DP、FF現(xiàn)場(chǎng)總線。Profibus、FF總線均屬于低速總線，PROFIBUS DP的數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 kbit/s～12 000 kbit/s，PROFIBUS PA的數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25 kbit/s，F(xiàn)F的數(shù)據(jù)傳輸速率為31.25 kbit/s。

Profibus、FF都屬于國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，PROFIBUS為德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、FF為美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，上述2種現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)均為國(guó)外技術(shù)方掌控，該技術(shù)為制約我國(guó)流程工業(yè)自動(dòng)控制的“卡脖子”問題。

AUTBUS為我國(guó)在工業(yè)通信領(lǐng)域國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)體系中實(shí)現(xiàn)了物理層零的突破，首次將OFDM寬帶技術(shù)引入工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，在滿足智能制造和數(shù)字工廠等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)對(duì)高帶寬和可靠性要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線的有效融合，使工業(yè)過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)能在一對(duì)雙絞線上同時(shí)傳輸［1］。AUTBUS高速總線是在現(xiàn)場(chǎng)總線領(lǐng)域引入工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，可支持IPV4/V6尋址，總線傳輸速率達(dá)到100 Mbps，最小循環(huán)周期8 μs，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)256個(gè)，傳輸誤碼率優(yōu)于10-11，總線時(shí)鐘抖動(dòng)10 ns等［2］。

Profibus、FF現(xiàn)場(chǎng)總線在我國(guó)應(yīng)用范圍廣，使用年限長(zhǎng)，石油石化的廣大用戶對(duì)此非常熟悉，且這2種總線技術(shù)經(jīng)過多年的應(yīng)用積累，可靠性和可用性較強(qiáng)。AUTBUS總線為我國(guó)自主研制的國(guó)產(chǎn)化高速總線技術(shù)，目前缺乏在石油石化行業(yè)應(yīng)用的驗(yàn)證。

本文為了解決AUTBUS總線應(yīng)用驗(yàn)證的問題，設(shè)計(jì)了一個(gè)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完全一致的油氣計(jì)量裝置，通過實(shí)流介質(zhì)循環(huán)驗(yàn)證AUTBUS總線技術(shù)的可靠性和可用性。油氣計(jì)量試驗(yàn)裝置依托國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道分公司課題，不間斷運(yùn)行時(shí)間為4 000 h，裝置上搭建油氣管道站場(chǎng)所使用的儀表設(shè)備。

1 油氣計(jì)量試驗(yàn)裝置

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)一個(gè)油氣計(jì)量裝置要和實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)非常接近，并要滿足液體、氣體2種介質(zhì)的試驗(yàn)要求。這就要求試驗(yàn)裝置功能豐富，試驗(yàn)裝置包括氣體超聲流量計(jì)、液體質(zhì)量流量計(jì)、電動(dòng)閥門、電液閥門、氣液閥門、溫度變送器、壓力變送器、壓力表、液位計(jì)、安全閥、離心泵、空壓機(jī)等設(shè)備。油氣計(jì)量裝置以橇裝的型式搭建，方便試驗(yàn)裝置與其他外部裝置的連接。整個(gè)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)壓力為1.6 Mpa，操作壓力為0.5 Mpa，連接管選用無縫鋼管，管道材質(zhì)L245N，壁厚5 mm，連接管選用DN100和DN80 2種。

為了測(cè)試的便捷性和安全性，本次測(cè)試通過選用水來替代原油、成品油，用壓縮空氣替代天然氣，進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。選定的水泵額定流量為50 m3/h，機(jī)泵的揚(yáng)程為50 m；選定的空氣壓縮機(jī)可使壓縮空氣達(dá)到最高0.8 Mpa。所有的儀表、閥門、設(shè)備選型和工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)一致，防爆等級(jí)不低于ExdIIBT4，防護(hù)等級(jí)不低于IP65。

1.2 工藝流程設(shè)計(jì)

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西部管道分公司課題旨在油氣管道領(lǐng)域推廣應(yīng)用AUTBUS總線。該課題從2019年啟動(dòng)后，開始尋找合作廠商參與共同研發(fā)，目前參研廠商接近30家，基本涵蓋了長(zhǎng)輸油氣管道站場(chǎng)所用的儀表設(shè)備。

本次試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)整合了液體、氣體2套流程。液體流程設(shè)計(jì)如下：實(shí)驗(yàn)接入市政自來水作為液體介質(zhì)，水先灌入水槽內(nèi)，水槽設(shè)計(jì)容量5 m3，水槽上設(shè)置有此次實(shí)驗(yàn)的5臺(tái)液位計(jì)，分別有3臺(tái)磁致伸縮液位計(jì)，2臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)；液位計(jì)可組成3選2、2選2多種判斷邏輯組合。水槽的出口安裝有1個(gè)水泵，水泵可抽取水槽內(nèi)的水。水泵的下游設(shè)置有2路氣體超聲流量計(jì)，氣體超聲流量計(jì)后接有4路質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量支路。水的介質(zhì)在氣體超聲流量計(jì)路不做計(jì)量，經(jīng)質(zhì)量流量計(jì)支路計(jì)量后，返回水槽內(nèi)，形成一個(gè)內(nèi)循環(huán)流程。當(dāng)實(shí)驗(yàn)做完時(shí)，可通過各管路上的排污閥將管和水槽內(nèi)水排凈。

氣體流程設(shè)計(jì)如下：實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置有一段接管，該接管可與空氣壓縮機(jī)相連接，由空壓機(jī)提供壓縮空氣，空壓機(jī)產(chǎn)生的空氣進(jìn)入流程后，經(jīng)氣體超聲流量計(jì)計(jì)量，過質(zhì)量流量計(jì)支路后（不做計(jì)量），就可向大氣放空。氣體流程是開路流程，不做內(nèi)循環(huán)。

在水和氣的流程設(shè)計(jì)中，流量計(jì)的前后管分別設(shè)置有壓力變送器和溫度變送器，流量計(jì)前后的閥門分別采用了電動(dòng)閥、電液閥、氣液閥3種類型。

2 總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

總線控制系統(tǒng)主要用來驗(yàn)證基于AUTBUS高速通信的穩(wěn)定性，可靠性。整個(gè)系統(tǒng)主要包括：

（1）過程控制層。部署上位機(jī)軟件能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，具備報(bào)警統(tǒng)計(jì)和趨勢(shì)記錄功能。

（2）現(xiàn)場(chǎng)控制層。通過部署PLC和現(xiàn)場(chǎng)控制元件，PLC通過以太網(wǎng)同上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行通信，同現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備通過基于AUTBUS總線的AUTBUS協(xié)議進(jìn)行通信。收到上位機(jī)下發(fā)的動(dòng)作指令，經(jīng)過邏輯運(yùn)算和處理后下發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備執(zhí)行。同時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層的傳感器信息經(jīng)過處理后上傳至上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行顯示和統(tǒng)計(jì)記錄。

（3）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。主要基于現(xiàn)場(chǎng)工藝環(huán)境，采集現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)信息，執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作，完成整個(gè)生產(chǎn)工藝流程。

總線控制系統(tǒng)如圖1所示，主要用來監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)、控制方式、報(bào)警、操作提示等數(shù)據(jù)。上位機(jī)系統(tǒng)采用西門子Wincc組態(tài)軟件（配套實(shí)時(shí)庫和歷史數(shù)據(jù)庫），同控制器通過ModBUS TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。上位機(jī)系統(tǒng)支持?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和趨勢(shì)記錄，數(shù)據(jù)信息可以通過Excel表格形式導(dǎo)出。

總線控制系統(tǒng)支持下位PLC的編程，在操作站上可以運(yùn)行PLC編程軟件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC的組態(tài)編程及在線監(jiān)測(cè)修改調(diào)試程序［3］。

3 總線測(cè)試軟件

本次測(cè)試軟件采用北京東土科技有限公司的MaVIEW，采用LAD和ST編程語言結(jié)合，完成整個(gè)控制流程的編寫。同時(shí)組態(tài)好對(duì)上位機(jī)SCADA系統(tǒng)的通信方式以及通信變量，能夠和SCADA系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對(duì)下通過AUTBUS協(xié)議獲取的現(xiàn)場(chǎng)各傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過邏輯運(yùn)算和處理，下發(fā)信號(hào)控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

系統(tǒng)主監(jiān)控畫面能夠?qū)崟r(shí)顯示系統(tǒng)中各信號(hào)狀態(tài)以及實(shí)時(shí)的報(bào)警信息，同時(shí)可以點(diǎn)擊進(jìn)入各二級(jí)畫面以及執(zhí)行器操作畫面。上位機(jī)系統(tǒng)支持與不同種類的PLC/控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，更換其他品牌PLC/控制器后，可以通過重新組態(tài)連接，建立變量，更新設(shè)計(jì)畫面，保證各種PLC/控制器都能和該上位機(jī)系統(tǒng)通信。上位機(jī)與PLC/控制器間使用 ModbusTCP作為通信協(xié)議。

點(diǎn)擊主控畫面中的對(duì)應(yīng)執(zhí)行器按鈕，出現(xiàn)執(zhí)行器操作彈窗。在彈窗中能夠選擇執(zhí)行器的工作方式，自動(dòng)模式下可以設(shè)定系統(tǒng)中目標(biāo)流量，手動(dòng)模式能夠自主設(shè)定閥門開度。在參數(shù)設(shè)置畫面，能夠?qū)ο到y(tǒng)中傳感器的報(bào)警高低限閾值、量程等進(jìn)行設(shè)定，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。顯示系統(tǒng)的報(bào)警信息并且記錄。對(duì)運(yùn)行過程中系統(tǒng)出現(xiàn)的儀表故障、斷線報(bào)警等功能進(jìn)行記錄，提升用戶分析故障解決問題的效率。

4 總線測(cè)試結(jié)果

本次AUTBUS油氣計(jì)量裝置上的測(cè)試，除了基本的功能測(cè)試，如物理層測(cè)試、鏈路通信測(cè)試、業(yè)務(wù)通信測(cè)試外，還完成了工程組態(tài)測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)管理功能測(cè)試、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理測(cè)試、故障告警測(cè)試。

網(wǎng)絡(luò)性能測(cè)試指標(biāo)如表1所示。

通過操作上位機(jī)執(zhí)行開閥動(dòng)作，從計(jì)量橇中挑選其中2個(gè)廠商的閥門進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)和上位機(jī)反饋一致，如表2所示。

5 結(jié)語

本文從油氣管道行業(yè)國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用及替代角度出發(fā)，提出采用AUTBUS高速總線技術(shù)對(duì)現(xiàn)有Profibus、FF進(jìn)行替代，通過設(shè)計(jì)一套油氣計(jì)量試驗(yàn)裝置，搭建AUTBUS總線測(cè)試環(huán)境，完成AUTBUS總線網(wǎng)絡(luò)測(cè)試。通過測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證了AUTBUS總線的傳輸性能、支持AUTBUS總線儀表設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，為油氣管道行業(yè)全面國(guó)產(chǎn)化替代推廣應(yīng)用提供了有效的技術(shù)支撐和測(cè)試平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)

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Design of oil and gas measurement test device based on AUTBUS bus

Abstract： AUTBUS is an industrial fieldbus that uses a two wire non bridging medium and has multiple nodes， high bandwidth， high real-time， and long-distance transmission capabilities. This article designs an oil and gas metering test device， builds an AUTBUS bus testing environment， and conducts performance testing on the AUTBUS bus in oil and gas pipeline stations. Verify the transmission performance of AUTBUS bus through testing data， support the stability and reliability of AUTBUS instrument equipment， and provide technical support and testing platform for the promotion and application of AUTBUS bus in oil and gas pipeline stations.

Key words： oil and gas pipelines; performance；AUTBUS; metering and testing devices