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【摘要】近幾年來，由于經濟的快速發展，化石燃料被高效地使用在各個領域，而在油氣儲運的過程中，如何使得復雜的運輸工作沒有出現嚴重的安全漏洞，就需要利用現場總線技術的發展，采用多種典型的現場總線技術，結合控制系統FCS，運用合理的結構，盡可能地實現網絡集成的分散控制，不僅可以節省硬件的投資和電纜設備的過度消耗，而且還可以保障數據傳輸的準確性和穩定性，保障油氣儲運工作順利完成。
現場總線技術，早在20世紀八九十年代，就已經在國際上非常流行，在全過程應用自動化工作現場智能設備互相連接的過程中，其作為主要的通訊網絡，替代了很多傳統的數字通訊模式。現場總線技術是基層的網絡技術，也是一種開放式的分布控制技術，國際上有很多先例。而在中國，巧妙地利用現場總線技術，在油漆儲運工程中實現短幀傳送，并滿足現代油氣儲運工作中信息交換頻繁的要求，在近幾年來成為人們廣泛關注的熱點。
1現場總線技術的發展及介紹
現場總線技術，隨著計算機控制技術、通信網絡發展等的快速發展，在信息交流和共享領域內快速的覆蓋了很多現場設備，實現了層到層、管理到管理的不同層次延伸，覆蓋面非常廣泛。現場總線技術在結合信息技術飛速發展的過程中，逐漸引起自動化系統結構的變革，以網絡集成的自動化為應用基礎，從信息系統交流的角度，利用微機化測量控制實現設備與設備之間的雙向串聯連接。現場總線技術的應用，目前參照國際電工委員會IEC61158統一的數據化標準，要求在油氣儲運的過程中，所有儲運制造區域的現場裝置，以及室內的資本控制裝置之間，都采用多點通信的連接方法，數字式的串行連接達成復雜環境下的總體現場布線。現場總線技術一般會使用專業化的微處理器，利用傳統的測量控制儀表，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，在技術應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絡系統狀態后，就會自動形成公開規范的數據交流通信協議。現場總線技術之所以能夠很好的應用于油氣儲運環節和工程之中，就是因為現場總線技術，可以連接現場儀表與傳統的監控計算器，將測量儀表的數據傳輸以最快的速度實現信息交換，可以將單個分散的測量單元變成網絡狀的多個節點，在油氣儲運的過程中，由于現場工程的復雜性和安全要求標準較高，利用現場總線技術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，交換機反饋速度也很快，甚至可以完成自動自控任務，因此該網絡系統可以實現集成式的數字控制效果，并且成為新一代的工程現場電子控制系統。
2適用于典型油氣儲運工程的現場總線技術
現場總線技術通過雙絞線的連接，打破了傳統的控制系統固有的結構形式，在油氣儲運現場，采用智能的現場設備可以把原先DCS系統中控制器的控制模塊植入到現場設備之中，該系統有較強的開放性，而且可以根據用戶每一次不同油氣儲運的需求而有所改變，也可以根據供應商產品的組成大小來進行系統準的調整。
2.1基金會現場總線布線技術
基金會現場總線布線技術，簡稱FF，這是一種在過程自動化領域內得到廣泛支持的技術，他以ISO/OSI開放系統模型為基礎，在物理層數據連接鏈路層，應用FF通信模型，配備不同的層次，而且在應用層上加入了用戶層的實際需求。應用在油氣儲運過程中，該用戶層可以有針對性的對于自動化監控和測量的應用要求進行智能判別，由于設備描述語言規定了通用的功能模塊，因此更加適用于工業現場以及儲運現場的網絡功能需求。由于基金會現場總線的規范具有一定的權威性，目前，被廣泛的使用在很多工業工程領域，通常其所應用的使用標準為，使用總線H1低速率31250bps傳輸，支持總線供電，并且從本質安全防爆環境上予以規定。這種低速率的傳輸，可以延長中繼器通信距離高達2千米。同時，也可以采用H2高速率的通訊速率來進行傳輸，這種通訊速率甚至能達到1-2.5×106bps，在這種高速率的傳輸環境中，物理傳輸介質可以使用雙絞線或者光纜來匹配其物理發生要求，一般只要符合物理傳輸協議標準，那么其傳輸信號采用的是曼徹斯特編碼，其通信協議的一般標準為IEC1158-2。
2.2LonWorks現場總線布線技術
這種總線布線技術早在1990年就被正式公布其標準，它是一種非常強大的現場總線技術，應用的模型同樣采用ISO/OSI開放系統模型為基礎，但是在模型的分層方面做得非常細致，一般分為7~8層通信協議，在面向油漆儲運過程中其，服務對象的設計方法是結合網絡變量將網絡通信設計簡化為具體的參數設置。LonWorks現場總線布線技術的直接通信距離很長，最高時可以達到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。高速率的網絡傳輸速度是LonWorks現場總線布線技術的一個重要特點，研究表明其通信速率可以達到0.003~1.5×106bps，該現場總線布線技術更適用于對于物理載體要求較高的油氣儲運環境，其實可以支持的通信介質包含有光纖射頻，紅外線同軸電纜，電力線，雙絞線等等多種材質，而且有助于從本質上建立安全防爆的處理機制，在尤其處于現場的大量工程實踐中可以發現，LonWorks現場總線布線技術是可以應用于多樣化環境的通用性網絡控制技術，該現場總線布線技術的應用范圍相對比較廣泛。
2.3PROFIBUS現場總線布線技術
PROFIBUS現場總線布線技術是建立在德國國家標準和歐洲這兩種標準之上的現場總線布線技術，這兩種布線技術通常應用于比較分散的、外設距離比較遠的，油氣儲運環境之中，或工業的自動化領域之內。國家標準對于現場總線技術的布線標準和各個流程要求比較嚴格，要求能夠借助FMS完成對于現場信息的規范化傳輸。PROFIBUS現場總線布線技術可以被有效的應用于大量的長距離樓宇、可編程控制器和低壓開關的使用環境之中，在PROFIBUS現場總線布線技術日益發展的過程中，大量的這些企業都采用了這種布線方式，并且在標準上進行了不斷的細化和完善。目前比較公認的在油氣儲運現場實行PROFIBUS現場總線布線技術的方法，參照的標準是IEC1158-2.。該布線技術的關鍵在于，應用油氣儲運安全管理工程師要考慮到傳輸的最大效率以及傳輸模擬的各個分層，常用的數據鏈路層應該與應用層之間結合，據科學測量發現，PROFIBUS現場總線布線技術傳輸的速率為9600~12×106bps，最大傳輸距離在傳輸速率有所改變時，也將發生變化，其中最高的傳輸距離可達到400~450米。使用該種現場總線布線技術，都會利用中繼器來延長最后的信號傳播距離。PROFIBUS現場總線布線技術可以掛接約130個站點，因此，其應用范圍較為廣泛，在油氣儲運，儲運地點相對比較分散的時候，利用該現場總線布線技術，可以實現總線供電的本質性安全需求。
2.4CAN和HART現場總線布線技術
CAN和HART現場總線布線技術，這兩種現場總線布線技術的應用范圍相對比較狹窄，但是，HART現場總線布線技術的發展潛力卻非常極大。CAN現場總線布線技術，往往結合國際ISO標準，制定為專業化的國際發展規范，在離散式的控制區域之內，該協議可以建立開放的系統互聯模型。但是不可否認的是，其信號傳輸介質同樣為雙絞線，而如果只采取OSI底層的物理層和數據鏈路層作為連接基礎，那么通信速率有可能會受到一定程度的影響。研究者認為通信速率每40米高達1×106bps將會達成最佳的數據信息傳輸和交換效果，但是這種傳輸技術及現場總線部件技術在配合過程中可掛接的站點數量并不是很多，最多能達到110個站點，比較適合中小型的油氣儲運過程。HART現場總線布線技術，是一種可以根據地址的傳感和模擬信號來實現數字信號通信的系統，這種協議和系統目前有較強的市場競爭力，但是在發展的過程中面臨的是現有的模擬信號，在傳輸時是否能實現具體工程應用的問題。事實上，HART現場總線布線技術目前的應用仍然處于初級階段，雖然發展速度較快，但是很多中大型的油氣儲運工程項目，對于這種現場總線布線技術的應用還是不夠廣泛，其研究需要結合具體的案例進行。
3結合具體案例探討現場總線布線工程的應用關鍵點
長效的現場總線布線將會管道的設計方案是否優化，對于輸送成品油過程中所產生的一些常見事故可以起到預防的作用。現場總線技術是當今自動化領域之內非常成熟的技術，利用數字傳輸信號替代了模擬的傳輸信號，多種多樣的現場總線布線技術可以滿足不同的工程發展需要，而一般來說，油氣儲運現場的儲運罐之間信號的連接，監控和分配資源的連接，都需要現場總線布線技術的有機整合。
3.1蘭州-重慶輸油管道油氣儲運案例
蘭州-重慶輸油管道全面開展油氣儲運自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管道全長大約1300km，設計的油氣輸送量約為預計500×104t/a。其油氣儲運的類型一般為0號柴油，90號汽油，93號汽油，且圍繞該輸送管道，全線設有16座工藝站場，圍繞蘭州林朝，成都內江等等輸送泵站，樹立了很多油氣儲運大罐。僅僅在蘭州首站就有14座油氣儲運罐，在施工現場，由于每一個施工油氣罐的灌區面積都很大，因此為了控制輸送成品油的液位測量儀表，應用現場總線布線技術，使用具體的總線布線技術，可以很好的監測油罐區的液位監測并控制預防各類安全事故。在這一工程實踐案例中，人們希望能夠達成對于現場安裝、調試、具體使用的費用減免，在大量節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，由于油氣儲運工程的使用壽命比較長，因此，在具體的實踐和使用案例中，希望能夠延長該工程現場布線的壽命，因此如果配合數據總線，將上述數據匯集到現場，必須要通過接線箱的連接，最終將數據控制結果上傳總控制室。而這一傳輸的過程不能耗費過多的數據總線，同時又應該采用簡單的結構，保證數據傳輸的準確性和穩定性，杜絕數據和信息的流失。
3.2現場總線技術調試、安裝和應用的分析
中國幅員遼闊，地區之間的差異較大，而很多原油及成品油制品都是由西部地區輸送到中部和東部地區的，為了滿足各個地區人們對于油氣和化石燃料產品的使用需求，必須要采用更加優化的儲存和運輸方案。根據不同的成品油種類特點，實現在全國范圍內更為合理的油漆采購和提煉計劃，國際上有很多有實力、影響的油氣儲運公司都在不同程度上實現了成熟的現場總線技術產品開發，無論是使用單一的現場總線布線技術還是使用第5代控制系統相結合的多元化現場總線控制系統，都應該盡可能的突破了DCS系統采用通信專用網絡的局限，采用了基于公開化、標準化的解決方案，克服了封閉系統所造成的缺陷；另一方面把DCS的集中與分散相結合的集散系統結構，變成了新型全分布式結構，把控制功能徹底下放到現場。可以說，開放性、分散性與數字通訊是現場總線系統最顯著的特征。蘭州-重慶輸油管道油氣儲運蘭州站設置有14座油氣儲運罐，這些儲運罐的線路連接異常復雜，且要求有多個回路，每一個儲運罐旁邊都會有指示儀表和平均溫度計，時刻監測油氣儲運罐內液位的變化。經過多次數據模擬可以發現，最優先使用的現場總線布線技術應該是HART總線接收方式，因為該布線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，而且還可以與儲運罐旁邊的指示儀器儀表交換儲運及液位變化的監控信號。整個油氣儲運現場設置有兩條較為復雜的回路，這種回路通過接線箱內的信息變化，最終傳遞至油氣儲運現場的總控制室。在蘭州油氣儲運工程控制，現場安裝及調試的過程中，多年來的控制經驗表明，采用現場總線控制技術，不僅可以節約大量的電纜和光纖，而且在安裝維護，后期保養時也可以降低故障率，降低使用費用，減輕維護工作量，可以保證數據傳輸的準確性和穩定性，而且實現智能化的監控數據交換。在更長的油氣儲運工程的具體應用過程里，有的工程可能需要對于原油進行二次加工和加熱，另外由于蘭州儲運罐體系輸送的成品油種類較多，在運輸的過程中很有可能產生火油，如果出現混油，就應該及時有效的處理，調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備工作，利用最優化的油氣儲運分配原則，合理的進行商品油庫的規劃，同時做好線路的合理布局，從而能夠在最優的設計管理保障之下，結合相關輔助設備的數量和質量，做好成品油的最佳儲運方案。
4總結
現場總線布線技術，在當今的工業自動化領域，油氣儲運技術發展領域被譽為新時期的熱點，它打破了自動化領域內計算機連接的壁壘，成就了計算機自動化信息交換局域網絡的實現基礎。實現徹底的分散控制，采用數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的拓撲結構，從而可以使現場總線的全數字控制系統，成為新時期自動控制系統發展的主流單元。
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作者:吳艷強 余穗榮 單位:廈門市九安安全檢測評價事務所有限公司