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【摘要】近幾年來，由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化石燃料被高效地使用在各個領(lǐng)域，而在油氣儲運(yùn)的過程中，如何使得復(fù)雜的運(yùn)輸工作沒有出現(xiàn)嚴(yán)重的安全漏洞，就需要利用現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展，采用多種典型的現(xiàn)場總線技術(shù)，結(jié)合控制系統(tǒng)FCS，運(yùn)用合理的結(jié)構(gòu)，盡可能地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集成的分散控制，不僅可以節(jié)省硬件的投資和電纜設(shè)備的過度消耗，而且還可以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性，保障油氣儲運(yùn)工作順利完成。

【關(guān)鍵詞】現(xiàn)場總線技術(shù)；油氣儲運(yùn)；工程；應(yīng)用

現(xiàn)場總線技術(shù)，早在20世紀(jì)八九十年代，就已經(jīng)在國際上非常流行，在全過程應(yīng)用自動化工作現(xiàn)場智能設(shè)備互相連接的過程中，其作為主要的通訊網(wǎng)絡(luò)，替代了很多傳統(tǒng)的數(shù)字通訊模式。現(xiàn)場總線技術(shù)是基層的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，也是一種開放式的分布控制技術(shù)，國際上有很多先例。而在中國，巧妙地利用現(xiàn)場總線技術(shù)，在油漆儲運(yùn)工程中實(shí)現(xiàn)短幀傳送，并滿足現(xiàn)代油氣儲運(yùn)工作中信息交換頻繁的要求，在近幾年來成為人們廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)。

1現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展及介紹

現(xiàn)場總線技術(shù)，隨著計算機(jī)控制技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展等的快速發(fā)展，在信息交流和共享領(lǐng)域內(nèi)快速的覆蓋了很多現(xiàn)場設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了層到層、管理到管理的不同層次延伸，覆蓋面非常廣泛。現(xiàn)場總線技術(shù)在結(jié)合信息技術(shù)飛速發(fā)展的過程中，逐漸引起自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，以網(wǎng)絡(luò)集成的自動化為應(yīng)用基礎(chǔ)，從信息系統(tǒng)交流的角度，利用微機(jī)化測量控制實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的雙向串聯(lián)連接。現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用，目前參照國際電工委員會IEC61158統(tǒng)一的數(shù)據(jù)化標(biāo)準(zhǔn)，要求在油氣儲運(yùn)的過程中，所有儲運(yùn)制造區(qū)域的現(xiàn)場裝置，以及室內(nèi)的資本控制裝置之間，都采用多點(diǎn)通信的連接方法，數(shù)字式的串行連接達(dá)成復(fù)雜環(huán)境下的總體現(xiàn)場布線。現(xiàn)場總線技術(shù)一般會使用專業(yè)化的微處理器，利用傳統(tǒng)的測量控制儀表，將測量控制儀表的自動化控制要求以專用的微處理器連接，雖然這種連接方式看似比較簡單，一般來說，在技術(shù)應(yīng)用過程中會使用雙絞線作為連接總線，但是在使用多個測量控制儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài)后，就會自動形成公開規(guī)范的數(shù)據(jù)交流通信協(xié)議。現(xiàn)場總線技術(shù)之所以能夠很好的應(yīng)用于油氣儲運(yùn)環(huán)節(jié)和工程之中，就是因?yàn)楝F(xiàn)場總線技術(shù)，可以連接現(xiàn)場儀表與傳統(tǒng)的監(jiān)控計算器，將測量儀表的數(shù)據(jù)傳輸以最快的速度實(shí)現(xiàn)信息交換，可以將單個分散的測量單元變成網(wǎng)絡(luò)狀的多個節(jié)點(diǎn)，在油氣儲運(yùn)的過程中，由于現(xiàn)場工程的復(fù)雜性和安全要求標(biāo)準(zhǔn)較高，利用現(xiàn)場總線技術(shù)就可以將總線作為工程信息交換的紐帶，在連接的過程中由于相互溝通的信息速度很快，交換機(jī)反饋速度也很快，甚至可以完成自動自控任務(wù)，因此該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)集成式的數(shù)字控制效果，并且成為新一代的工程現(xiàn)場電子控制系統(tǒng)。

2適用于典型油氣儲運(yùn)工程的現(xiàn)場總線技術(shù)

現(xiàn)場總線技術(shù)通過雙絞線的連接，打破了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)固有的結(jié)構(gòu)形式，在油氣儲運(yùn)現(xiàn)場，采用智能的現(xiàn)場設(shè)備可以把原先DCS系統(tǒng)中控制器的控制模塊植入到現(xiàn)場設(shè)備之中，該系統(tǒng)有較強(qiáng)的開放性，而且可以根據(jù)用戶每一次不同油氣儲運(yùn)的需求而有所改變，也可以根據(jù)供應(yīng)商產(chǎn)品的組成大小來進(jìn)行系統(tǒng)準(zhǔn)的調(diào)整。

2.1基金會現(xiàn)場總線布線技術(shù)

基金會現(xiàn)場總線布線技術(shù)，簡稱FF，這是一種在過程自動化領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛支持的技術(shù)，他以ISO/OSI開放系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，在物理層數(shù)據(jù)連接鏈路層，應(yīng)用FF通信模型，配備不同的層次，而且在應(yīng)用層上加入了用戶層的實(shí)際需求。應(yīng)用在油氣儲運(yùn)過程中，該用戶層可以有針對性的對于自動化監(jiān)控和測量的應(yīng)用要求進(jìn)行智能判別，由于設(shè)備描述語言規(guī)定了通用的功能模塊，因此更加適用于工業(yè)現(xiàn)場以及儲運(yùn)現(xiàn)場的網(wǎng)絡(luò)功能需求。由于基金會現(xiàn)場總線的規(guī)范具有一定的權(quán)威性，目前，被廣泛的使用在很多工業(yè)工程領(lǐng)域，通常其所應(yīng)用的使用標(biāo)準(zhǔn)為，使用總線H1低速率31250bps傳輸，支持總線供電，并且從本質(zhì)安全防爆環(huán)境上予以規(guī)定。這種低速率的傳輸，可以延長中繼器通信距離高達(dá)2千米。同時，也可以采用H2高速率的通訊速率來進(jìn)行傳輸，這種通訊速率甚至能達(dá)到1-2.5×106bps，在這種高速率的傳輸環(huán)境中，物理傳輸介質(zhì)可以使用雙絞線或者光纜來匹配其物理發(fā)生要求，一般只要符合物理傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，那么其傳輸信號采用的是曼徹斯特編碼，其通信協(xié)議的一般標(biāo)準(zhǔn)為IEC1158-2。

2.2LonWorks現(xiàn)場總線布線技術(shù)

這種總線布線技術(shù)早在1990年就被正式公布其標(biāo)準(zhǔn)，它是一種非常強(qiáng)大的現(xiàn)場總線技術(shù)，應(yīng)用的模型同樣采用ISO/OSI開放系統(tǒng)模型為基礎(chǔ)，但是在模型的分層方面做得非常細(xì)致，一般分為7~8層通信協(xié)議，在面向油漆儲運(yùn)過程中其，服務(wù)對象的設(shè)計方法是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)變量將網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計簡化為具體的參數(shù)設(shè)置。LonWorks現(xiàn)場總線布線技術(shù)的直接通信距離很長，最高時可以達(dá)到2700米，而且同樣采用雙絞線，光纜光纖或者射頻電力線等作為通信介質(zhì)。高速率的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度是LonWorks現(xiàn)場總線布線技術(shù)的一個重要特點(diǎn)，研究表明其通信速率可以達(dá)到0.003~1.5×106bps，該現(xiàn)場總線布線技術(shù)更適用于對于物理載體要求較高的油氣儲運(yùn)環(huán)境，其實(shí)可以支持的通信介質(zhì)包含有光纖射頻，紅外線同軸電纜，電力線，雙絞線等等多種材質(zhì)，而且有助于從本質(zhì)上建立安全防爆的處理機(jī)制，在尤其處于現(xiàn)場的大量工程實(shí)踐中可以發(fā)現(xiàn)，LonWorks現(xiàn)場總線布線技術(shù)是可以應(yīng)用于多樣化環(huán)境的通用性網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，該現(xiàn)場總線布線技術(shù)的應(yīng)用范圍相對比較廣泛。

2.3PROFIBUS現(xiàn)場總線布線技術(shù)

PROFIBUS現(xiàn)場總線布線技術(shù)是建立在德國國家標(biāo)準(zhǔn)和歐洲這兩種標(biāo)準(zhǔn)之上的現(xiàn)場總線布線技術(shù)，這兩種布線技術(shù)通常應(yīng)用于比較分散的、外設(shè)距離比較遠(yuǎn)的，油氣儲運(yùn)環(huán)境之中，或工業(yè)的自動化領(lǐng)域之內(nèi)。國家標(biāo)準(zhǔn)對于現(xiàn)場總線技術(shù)的布線標(biāo)準(zhǔn)和各個流程要求比較嚴(yán)格，要求能夠借助FMS完成對于現(xiàn)場信息的規(guī)范化傳輸。PROFIBUS現(xiàn)場總線布線技術(shù)可以被有效的應(yīng)用于大量的長距離樓宇、可編程控制器和低壓開關(guān)的使用環(huán)境之中，在PROFIBUS現(xiàn)場總線布線技術(shù)日益發(fā)展的過程中，大量的這些企業(yè)都采用了這種布線方式，并且在標(biāo)準(zhǔn)上進(jìn)行了不斷的細(xì)化和完善。目前比較公認(rèn)的在油氣儲運(yùn)現(xiàn)場實(shí)行PROFIBUS現(xiàn)場總線布線技術(shù)的方法，參照的標(biāo)準(zhǔn)是IEC1158-2.。該布線技術(shù)的關(guān)鍵在于，應(yīng)用油氣儲運(yùn)安全管理工程師要考慮到傳輸?shù)淖畲笮室约皞鬏斈M的各個分層，常用的數(shù)據(jù)鏈路層應(yīng)該與應(yīng)用層之間結(jié)合，據(jù)科學(xué)測量發(fā)現(xiàn)，PROFIBUS現(xiàn)場總線布線技術(shù)傳輸?shù)乃俾蕿?600~12×106bps，最大傳輸距離在傳輸速率有所改變時，也將發(fā)生變化，其中最高的傳輸距離可達(dá)到400~450米。使用該種現(xiàn)場總線布線技術(shù)，都會利用中繼器來延長最后的信號傳播距離。PROFIBUS現(xiàn)場總線布線技術(shù)可以掛接約130個站點(diǎn)，因此，其應(yīng)用范圍較為廣泛，在油氣儲運(yùn)，儲運(yùn)地點(diǎn)相對比較分散的時候，利用該現(xiàn)場總線布線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)總線供電的本質(zhì)性安全需求。

2.4CAN和HART現(xiàn)場總線布線技術(shù)

CAN和HART現(xiàn)場總線布線技術(shù)，這兩種現(xiàn)場總線布線技術(shù)的應(yīng)用范圍相對比較狹窄，但是，HART現(xiàn)場總線布線技術(shù)的發(fā)展?jié)摿s非常極大。CAN現(xiàn)場總線布線技術(shù)，往往結(jié)合國際ISO標(biāo)準(zhǔn)，制定為專業(yè)化的國際發(fā)展規(guī)范，在離散式的控制區(qū)域之內(nèi)，該協(xié)議可以建立開放的系統(tǒng)互聯(lián)模型。但是不可否認(rèn)的是，其信號傳輸介質(zhì)同樣為雙絞線，而如果只采取OSI底層的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層作為連接基礎(chǔ)，那么通信速率有可能會受到一定程度的影響。研究者認(rèn)為通信速率每40米高達(dá)1×106bps將會達(dá)成最佳的數(shù)據(jù)信息傳輸和交換效果，但是這種傳輸技術(shù)及現(xiàn)場總線部件技術(shù)在配合過程中可掛接的站點(diǎn)數(shù)量并不是很多，最多能達(dá)到110個站點(diǎn)，比較適合中小型的油氣儲運(yùn)過程。HART現(xiàn)場總線布線技術(shù)，是一種可以根據(jù)地址的傳感和模擬信號來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號通信的系統(tǒng)，這種協(xié)議和系統(tǒng)目前有較強(qiáng)的市場競爭力，但是在發(fā)展的過程中面臨的是現(xiàn)有的模擬信號，在傳輸時是否能實(shí)現(xiàn)具體工程應(yīng)用的問題。事實(shí)上，HART現(xiàn)場總線布線技術(shù)目前的應(yīng)用仍然處于初級階段，雖然發(fā)展速度較快，但是很多中大型的油氣儲運(yùn)工程項(xiàng)目，對于這種現(xiàn)場總線布線技術(shù)的應(yīng)用還是不夠廣泛，其研究需要結(jié)合具體的案例進(jìn)行。

3結(jié)合具體案例探討現(xiàn)場總線布線工程的應(yīng)用關(guān)鍵點(diǎn)

長效的現(xiàn)場總線布線將會管道的設(shè)計方案是否優(yōu)化，對于輸送成品油過程中所產(chǎn)生的一些常見事故可以起到預(yù)防的作用。現(xiàn)場總線技術(shù)是當(dāng)今自動化領(lǐng)域之內(nèi)非常成熟的技術(shù)，利用數(shù)字傳輸信號替代了模擬的傳輸信號，多種多樣的現(xiàn)場總線布線技術(shù)可以滿足不同的工程發(fā)展需要，而一般來說，油氣儲運(yùn)現(xiàn)場的儲運(yùn)罐之間信號的連接，監(jiān)控和分配資源的連接，都需要現(xiàn)場總線布線技術(shù)的有機(jī)整合。

3.1蘭州-重慶輸油管道油氣儲運(yùn)案例

蘭州-重慶輸油管道全面開展油氣儲運(yùn)自2001年開始籌備，到2002年9月份正式投入使用，這一條距離非常長的油氣儲運(yùn)管道全長大約1300km，設(shè)計的油氣輸送量約為預(yù)計500×104t/a。其油氣儲運(yùn)的類型一般為0號柴油，90號汽油，93號汽油，且圍繞該輸送管道，全線設(shè)有16座工藝站場，圍繞蘭州林朝，成都內(nèi)江等等輸送泵站，樹立了很多油氣儲運(yùn)大罐。僅僅在蘭州首站就有14座油氣儲運(yùn)罐，在施工現(xiàn)場，由于每一個施工油氣罐的灌區(qū)面積都很大，因此為了控制輸送成品油的液位測量儀表，應(yīng)用現(xiàn)場總線布線技術(shù)，使用具體的總線布線技術(shù)，可以很好的監(jiān)測油罐區(qū)的液位監(jiān)測并控制預(yù)防各類安全事故。在這一工程實(shí)踐案例中，人們希望能夠達(dá)成對于現(xiàn)場安裝、調(diào)試、具體使用的費(fèi)用減免，在大量節(jié)約電纜電線投資的過程中，控制工程施工的成本。更重要的是，由于油氣儲運(yùn)工程的使用壽命比較長，因此，在具體的實(shí)踐和使用案例中，希望能夠延長該工程現(xiàn)場布線的壽命，因此如果配合數(shù)據(jù)總線，將上述數(shù)據(jù)匯集到現(xiàn)場，必須要通過接線箱的連接，最終將數(shù)據(jù)控制結(jié)果上傳總控制室。而這一傳輸?shù)倪^程不能耗費(fèi)過多的數(shù)據(jù)總線，同時又應(yīng)該采用簡單的結(jié)構(gòu)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性，杜絕數(shù)據(jù)和信息的流失。

3.2現(xiàn)場總線技術(shù)調(diào)試、安裝和應(yīng)用的分析

中國幅員遼闊，地區(qū)之間的差異較大，而很多原油及成品油制品都是由西部地區(qū)輸送到中部和東部地區(qū)的，為了滿足各個地區(qū)人們對于油氣和化石燃料產(chǎn)品的使用需求，必須要采用更加優(yōu)化的儲存和運(yùn)輸方案。根據(jù)不同的成品油種類特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在全國范圍內(nèi)更為合理的油漆采購和提煉計劃，國際上有很多有實(shí)力、影響的油氣儲運(yùn)公司都在不同程度上實(shí)現(xiàn)了成熟的現(xiàn)場總線技術(shù)產(chǎn)品開發(fā)，無論是使用單一的現(xiàn)場總線布線技術(shù)還是使用第5代控制系統(tǒng)相結(jié)合的多元化現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，都應(yīng)該盡可能的突破了DCS系統(tǒng)采用通信專用網(wǎng)絡(luò)的局限，采用了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，克服了封閉系統(tǒng)所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結(jié)合的集散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，變成了新型全分布式結(jié)構(gòu)，把控制功能徹底下放到現(xiàn)場。可以說，開放性、分散性與數(shù)字通訊是現(xiàn)場總線系統(tǒng)最顯著的特征。蘭州-重慶輸油管道油氣儲運(yùn)蘭州站設(shè)置有14座油氣儲運(yùn)罐，這些儲運(yùn)罐的線路連接異常復(fù)雜，且要求有多個回路，每一個儲運(yùn)罐旁邊都會有指示儀表和平均溫度計，時刻監(jiān)測油氣儲運(yùn)罐內(nèi)液位的變化。經(jīng)過多次數(shù)據(jù)模擬可以發(fā)現(xiàn)，最優(yōu)先使用的現(xiàn)場總線布線技術(shù)應(yīng)該是HART總線接收方式，因?yàn)樵摬季€方式可以很好的利用NMS5伺服液位計，不僅可以很快的接收平均溫度計的溫度信號，而且還可以與儲運(yùn)罐旁邊的指示儀器儀表交換儲運(yùn)及液位變化的監(jiān)控信號。整個油氣儲運(yùn)現(xiàn)場設(shè)置有兩條較為復(fù)雜的回路，這種回路通過接線箱內(nèi)的信息變化，最終傳遞至油氣儲運(yùn)現(xiàn)場的總控制室。在蘭州油氣儲運(yùn)工程控制，現(xiàn)場安裝及調(diào)試的過程中，多年來的控制經(jīng)驗(yàn)表明，采用現(xiàn)場總線控制技術(shù)，不僅可以節(jié)約大量的電纜和光纖，而且在安裝維護(hù)，后期保養(yǎng)時也可以降低故障率，降低使用費(fèi)用，減輕維護(hù)工作量，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性，而且實(shí)現(xiàn)智能化的監(jiān)控數(shù)據(jù)交換。在更長的油氣儲運(yùn)工程的具體應(yīng)用過程里，有的工程可能需要對于原油進(jìn)行二次加工和加熱，另外由于蘭州儲運(yùn)罐體系輸送的成品油種類較多，在運(yùn)輸?shù)倪^程中很有可能產(chǎn)生火油，如果出現(xiàn)混油，就應(yīng)該及時有效的處理，調(diào)查清楚疏松的具體批次和批量。這是為了在輸送過程中盡可能減少損失的準(zhǔn)備工作，利用最優(yōu)化的油氣儲運(yùn)分配原則，合理的進(jìn)行商品油庫的規(guī)劃，同時做好線路的合理布局，從而能夠在最優(yōu)的設(shè)計管理保障之下，結(jié)合相關(guān)輔助設(shè)備的數(shù)量和質(zhì)量，做好成品油的最佳儲運(yùn)方案。

4總結(jié)

現(xiàn)場總線布線技術(shù)，在當(dāng)今的工業(yè)自動化領(lǐng)域，油氣儲運(yùn)技術(shù)發(fā)展領(lǐng)域被譽(yù)為新時期的熱點(diǎn)，它打破了自動化領(lǐng)域內(nèi)計算機(jī)連接的壁壘，成就了計算機(jī)自動化信息交換局域網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制，采用數(shù)字傳輸信號來代替模擬的傳輸信號，將獲得更為簡化而精準(zhǔn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而可以使現(xiàn)場總線的全數(shù)字控制系統(tǒng)，成為新時期自動控制系統(tǒng)發(fā)展的主流單元。

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作者:吳艷強(qiáng) 余穗榮 單位:廈門市九安安全檢測評價事務(wù)所有限公司