现场总线技术在石油管道工程中的应用

* 周 娟，女，1980年生，助理工程师。

2005年毕业于清华大学核科学与工程专业，获硕士学位，现在中国石油天然气工程有限公司仪表自动化室工作。

通信地址：河北省廊坊市金光道22号，065000现 场 总 线 技 术 在 石 油 管 道 工 程 中 的 应 用周 娟* 王怀义中国石油天然气工程有限公司周 娟等. 现场总线技术在石油管道工程中的应用. 石油规划设计，2007，18（6）：45～47摘要 现场总线是现代工业控制技术的发展方向，但在石油管道领域中的应用还不是很成熟，石油管道工程中应用总线技术的工程案例还很少。

介绍了现场总线技术的概念、当前现场总线的标准和产品，分析了现场总线电缆的技术特性和主要技术参数。

阐述了现场总线在石油管道工程中的实际应用状况和前景，并论述了现场总线在石油管道工程中应用的优势。

关键词 现场总线 石油管道 自动控制装置 总线电缆现场总线作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通信网络，是20世纪90年代国际上兴起的新一代全分布式控制系统的核心技术［1］。

根据国际电工委员会IEC61158定义，现场总线（Fieldbus）是“安装在生产过程区域的现场设备/仪表与控制室内的自动控制装置/系统之间的一种串行、数字式、多点通信的数据总线”。

采用现场总线技术可以促进现场仪表智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合现代工业控制系统领域的技术发展趋势。

1 现场总线技术的特点及优势1.1 现场总线技术的特点现场总线技术的主要特征表现在：系统的开放性、互可操作性与互用性，以及现场设备的智能化与功能的自治性、系统结构的高度分散性和对现场环境的适应性等方面。

通信协议遵循统一标准，把不同厂家的产品集成为一个系统；同时将控制运算模块分散到现场的智能设备上，将危险分散［2］。

1.2 现场总线技术的优势目前在石油管道工程中，从罐区、站场和阀室等工艺区的现场到站控制系统一般采用传统的远程I/O 信号传输方式，一般情况下采用的是两线制、4～20mA/24VDC（直流电压），信息量有限，难以实现设备之间及系统与外界之间的信息交换，使自动控制系统成为生产过程中的“信息孤岛”，严重制约信息集成及综合自动化的实现。

而现场总线技术则可使用一条通信电缆将现场设备（智能化、带有通信接口）连接，用数字化通信代替4～20mA/24VDC 信号，完成现场设备控制、监测等功能。

现场总线在石油管道工程中的应用，能够提高运行的安全可靠性，具体表现在：一是完善的现场设备及信号的诊断功能，防止故障或信号偏差导致控制和保护系统发生错误信号而产生误操作；二是提高了信号传输的精确度和速度；三是采用数字通信，减少大量电缆，有利于抗干扰，减少大量接线端子和接线头，在施工调试阶段显著减少电缆敷设及接线的工作量；四是控制功能和I/O 功能的分散，简化了控制系统，总体可靠性也有所改善。

２ 在石油管道工程中的应用前景现场总线在石油管道工程中没有大规模使用的主要原因有：现场总线处于多种标准共存的局面，以前没有统一的国际标准，给用户的使用带来不便；以前符合现场总线标准的产品规格、品种少，国产设备更少，而支持现场总线标准的智能设备价格高；石油管道设计人员对现场总线技术还不够了解，对他在现场的应用情况还存有疑虑。

国际IEC/TC65（国际电工委员会）标准化组织多年来为统一现场总线通信协议做了不懈的努力，于1999年底通过了8种总线标准。

目前，国际上现场总线技术产品及系统发展迅速。

以现场总线PROFIBUS为例，目前支持PROFIBUS标准的产品超过1500种，分别来自国际上约250个生产厂家。

在世界范围内已安装运行的PROFIBUS设备超过200万台，年增长率约25%。

国际著名自动化、仪表、电器制造商如罗克威尔、西门子、艾默生、施耐得等均有现场总线产品及系统。

一些智能设备和控制系统的供应商开发了支持多种现场总线标准的产品，这样可通过通信接口模件将不同标准的现场级设备集成到一个DCS（集散控制系统）或PLC（可编程逻辑控制器）中，也就是说，若单一的总线不能实现生产过程控制策略，也可以通过通信接口模件与其他总线混合应用。

石油管道行业的设计人员已充分意识到在石油管道工程中应用现场总线的优势，开始重视对相关知识的学习和信息的捕捉。

综上所述，现场总线技术在石油管道工程中应用的软、硬件环境已日趋成熟，前景广阔。

3 工程设计在国际IEC/TC65标准化组织通过的8种总线标准中，最具影响力的有5种［3］，是FF、PROFIBUS、HART、CAN和LonWorks。

PROFIBUS由3个兼容部分组成，即PROFIBUS-DP（Decentralized Periphery）、PROFIBUS-PA（Process Automation）、PROFIBUS-FMS（Fieldbus Message Specification）。

PROFIBUS-DP，是一种高速低成本通信，用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。

使用PROFIBUS-DP可取代接点信号或4～20mA信号传输。

PROFIBUS-PA专为过程自动化设计，可使传感器和执行机构联在一根总线上，并有本质安全性能。

其中适合于石油化工行业过程控制的主流现场总线是PROFIBUS、FF。

3.1 PROFIBUS与FF现场总线的实现随着现场总线技术在过程自动化领域的快速发展，控制系统制造商为了参与新兴的市场竞争，需要为他们的设备提供与总线的接口。

施耐德公司提供的MB+转换器可以提供PROFIBUS-DP/PA的转换，可将现场设备：电动阀、变送器、流量计算机、变频驱动等通过RS485串接在PROFIBUS总线上，见图1。

Softing开发的新产品FG-100 FF/M现场总线网关，允许用户将已存在的Modbus/TCP客户端设备直接连接至H1网络，这样，现场设备可通过FF总线连接到控制系统。

FG-100 PROFIBUS也可实现现场设备的PROFIBUS 总线连接。

美国AB公司的产品1788-CN2FF可以实现FF总线与ControlNet的连接，见图2。

3.2 现场仪表的选择与挂接现场总线的关键技术是通信协议标准的统一，仪表和设备供应商应提供支持多种现场总线标准的产品，为用户选型和集成系统提供方便。

一些供应商如EMERSON、ABB、Foxboro、Honeywell、Rockwell、Yokogawa等在这方面有所突破，提供的现场仪表设备均支持多种现场总线协议。

实际应用与现场总线理论之间是有差距的。

总线理论上说一根总线可以带30多台仪表，有些工程图1 施耐德公司实现PROFIBUS总线连接的网络连接图2 AB公司实现FF总线连接的网络连接第18卷 第6期 周 哏等：现场总线技术在石油管道工程中的应用47完全按照理论来做，在调试过程中就会出现问题。

实际上，要保证仪表对信息的处理，就不能完全按照理论去操作，一根线上可以带多少普通的仪表、重要的仪表等必须要严格限制。

例如，FF现场总线应用于赛科90万t乙稀工程中的成功案例：FF理论上讲一根总线挂32台设备，但在该工程的实际应用中规定只能带9个，针对阀门设备，阀门的信息量大，考虑总线的承载量，特别地规定只能带2台一类阀门。

3.3 总线电缆传统仪表电缆传输4～20mA DC（直流电压）模拟信号，对电缆性能要求比较简单，电气性能多属于电缆的一次传输参数，如导体直流电阻、绝缘电阻、工作电容、分布电感、电感/电阻比等，再加上耐电压试验。

现场总线电缆除了要具备以上性能之外，因为要传输高频数字信号，还必须规定与信号频率、失真、损耗、速度等有关的电缆的二次传输参数。

现场总线电缆有单对屏蔽绞对电缆和多对总屏蔽绞对电缆，构成电缆回路。

除了回路之间存在电磁藕合之外，还可能受到临近电网、电力线或电气设备等外部能源的干扰，产生干扰电流，并流经接地的屏蔽，而对通信回路产生干扰。

此干扰的大小决定于各线芯对屏蔽电容不平衡的程度。

IEC61158—2规定的总线电缆主要为对绞电缆，分为低速率H1（31.25kbit/s）和高速率H2（1.0Mbit/s及2.5Mbit/s）3种速率［4］。

高速率现场总线电缆只用于拓扑结构的主干线，不用于支线，以免引起信号反射。

根据FF现场总线标准，低速率和高速率现场总线推荐的最大支线电缆长度与所接通信单元关系见表1和表2。

表1 低速率现场总线推荐的最大支线电缆长度与所接通信单元数量每条支线长度（m）设备总数1台设备 2台设备3台设备 4台设备1～12 120 90 60 3013～14 90 60 30 115～28 60 30 1 119～24 30 1 1 125～32 1 1 1 1每条支线的设备数量最多是4台，在一条网络中每一个段，在某些限制的情况下最多可以安装32台设备，再增加设备须增加中继器，中继器最多加4台。

表2 高速率现场总线电缆长度与所接设备数量速度（Mbit/s）电缆长度（m）设备总数1.0 700 2～322.5 500 2～32总支线的长度受两方面的限制：支线的条数和每条支线上设备的数量。

支线长度×设备数=密集度，密集度并非是一个常数，但支线越短越好。

从质量和可靠性上来讲，国内的电缆与国外先进水平还有一定差距。

国外一些高质量的总线电缆有德国LAPPKABEL、KERPEN和Pepperl+Fuchs。

其中，Pepperl+Fuchs推出的铠装现场总线电缆和电缆盘专门用来满足FF基金会现场总线应用的要求。

3.4 设计过程中应遵从的一般原则设计原则在工程设计开始阶段就要确定。

在可行性研究阶段如确定要采用现场总线，应在该阶段明确给出现场总线的选择方案；设备选型过程中要充分考虑到其支持的总线类型与具体的实现方法；电缆的选型要严格遵守相关的标准和规范；在使用现场总线后，从现场总线的结构来看，网段设计对整个现场总线系统正常运行起着非常重要的作用，是现场总线系统设计的核心技术，要重点考虑现场总线的网段设计及布线。

４ 结束语随着计算机技术和控制技术的发展，未来的自动化控制领域将是现场总线及控制网络的天下。

从长远看，使用现场总线技术，可以通过智能资产管理降低维护费用，减少设备库存。

更重要的是，能为预测性维护解决方案提供准确、实时的现场数据，可以让用户研究和分析现场设备在性能方面细微和渐进地衰退，从而避免灾难性的设备故障，并且可以减少设备非故障停机，提高系统的可用率水平。

参考文献［1］赵文华. 总线技术．/2006/2006-8-23/2006823131111.shtml，20060823［2］徐新卫，李东. 现场总线技术与实现. 石油化工自动化，2006，06［3］沈德耀. 现场总线纵横谈. 基础自动化，2000，04 ［4］郭士尧. 现场总线电缆技术介绍．石油化工自动化，2004，06收稿日期：2007-03-09编辑：郜 婕50Vol.18 No.6 Petroleum Planning & Engineering Nov. 2007Development of the Optimum Model for ProductionAllocation of Oilfield by Means of Multi-constraintHorizontal Linear Planning MethodZhong Yihua，et al.In consideration of the uncertainties of many kinds of resource constraint levels and the various complex factors in the oilfield development system，the optimization model for oil production Allocation in oilfield development was proposed by means of the linear programming framework with multiple criteria and multiple constraints. The general algorithm for the model was given. The correctness and feasibility of the optimization model were validated by an oilfield case. It is shown that the models can be used successfully to solve the problems of oil production allocation.Study on the Mass Balance Systems Applied to theDomestic Refining and Petrochemical EnterprisesJi Ye，et al.The mass balance（MB）systems applied in the Sinopec and CNPC refining and petrochemical enterprises were analyzed. It is suggested that data collection should be considered as the focal point in the application of MB system. The“MB measurement personnel”should be augmented so as to get and promulgate the final data timely and exactly.Optimization of the Production Dispatching Systems forRefining and Petrochemical EnterprisesLiu Tao，et al.The characteristics of refining and petrochemical enterprises production dispatching system were introduced. Three types of optimization methods recently applied in production dispatching system were analyzed，including mathematical planning，simulation and intelligence methods. Five break-down methods for production dispatching modeling including the break-down methods based on the supply system，on the process and products，on the schedule time zone，on the site and process，and on the transferring path and property of materials respectively were introduced and analyzed. The prospect of the current research on the production dispatching system was discussed.Effect of Oil Price to Economic Evaluation Decision andPricing DesignLi Rong，et al.The trend of the international crude oil price was analyzed，and the choice mode of oil price during investment was decided. Taking some oilfields as examples，the influence of oil price on the choice of the drive mechanism in reservoir in the economic evaluation was discussed. With the maximum present worth of a block as the standard of well spacing selection，the influence of oil price to the hole pattern of the new block was analyzed. The result showed that different oil prices would induce the change of efficient potential of the hole pattern，and also had the influence in a certain degree to the development allocation decision. Applying the principle of the binomial pricing model of the option pricing model combined with statistics and probability analysis，the forecasting method of oil price during investment was established.Summary of Energy Conservation Technologies Applied toCNPC Oil and Gas FieldsLin Ran，et al.The main energy conservation technologies applied in the artificial lift system，water injection system，thermal recovery of heavy oil，oil and gas gathering and transfer system，power supply and distribution system of CNPC oil and gas fields were summarized. The energy conservation technologies and equipments in each production section of the above-mentioned systems were analyzed. These technologies and equipments compared with the original ones showed the superiority and good benefits. The future study directions of energy conservation technologies were proposed. Some recommendations for application and promotion of these technologies were put forward.Forecasting Viscosity of Blended Crude Oil Based onNeural Network ModelChen Kunming，et al.The mapped relationship of mixed proportion and temperature with viscosity of the blended oil was simulated by BP-neural-network. The neural network forecasting model for viscosity of the blended oil was presented. The comparison of calculated viscosity with the actual viscosity of the blended oil in Lu-Ning oil pipeline shows that BP-neural-network could be used to predict the viscosity of the blended oil，and the forecasting precision could meet the requirement of the transportation engineering.Treatment of Produced Water Containing Super-high Saltin Lunnan OilfieldW ang Jiping，et al.The salinity of produced water treated in the water treatmentstation of Lunnan Oilfield is 234698 mg/L. The ions in the producedwater are complex. It was then retreated by means of the heavy nucleuscatalytic intensifying-flocculent technology. The quality of the retreatedwater is enabled to meet the requirements of injection water. The usefulions did not change in the retreated water. The technical principle andequipment for the heavy nucleus catalytic intensifying-flocculenttechnology and the screening method of the agent were introduced. Thefield testing results of this technique in Lunnan Oilfield were analyzed，and the benefit of this technology was discussed.Application of Field Bus in Oil Pipeline EngineeringZhou Juan，et al.Field bus technique is the development trend of the modernindustrial control technology. The application of field bus technique inthe field of the petroleum pipeline is not matured. There are less casesof petroleum pipeline engineering applying the field bus technique atpresent. The knowledge of field bus，the technical characteristics andthe principal technical parameters of the field-bus cable wereintroduced in this paper. The application and the perspective offield-bus in petroleum pipeline engineering were analyzed. Theadvantages of field-bus applying in the field of petroleum pipelineengineering were discussed. ABSTRACTSOF ARTICLES。