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淺談現(xiàn)場總線技術(shù)及其在油庫自動(dòng)化中的應(yīng)用

文檔作者：孫欽柯文檔來源：中國石油化工股份有限公司新疆石油分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年10月19日
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80 化j彳鱈2013年第9期
淺談現(xiàn)場總線技術(shù)及其在油庫自動(dòng)化中的應(yīng)用
孫欽柯(中國石油化工股份有限公司新疆石油分公司)
摘要：信息技術(shù)的飛速發(fā)展使自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)生了深刻的技術(shù)變革，產(chǎn)生了開放系統(tǒng)互連的通信網(wǎng)絡(luò)，即現(xiàn)場總線
控制網(wǎng)絡(luò)。形成了全分布式網(wǎng)路集成自動(dòng)化系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是繼分散控制系統(tǒng)之后出現(xiàn)的新一代控制
系統(tǒng)．它代表的是一種數(shù)字化到現(xiàn)場、網(wǎng)絡(luò)化到現(xiàn)場、控制功能和設(shè)備管理到現(xiàn)場的發(fā)展方向?，F(xiàn)場總線控制技術(shù)的應(yīng)
用將大幅度降低控制系統(tǒng)的投資。能顯著提高控制質(zhì)量，明顯改善系統(tǒng)集成性、開放性、分散性和互換性。現(xiàn)場總線技
術(shù)為以作業(yè)流程控制自動(dòng)化、狀態(tài)監(jiān)控自動(dòng)化及業(yè)務(wù)管理自動(dòng)化為重點(diǎn)的油庫綜合管理系統(tǒng)的建立與功能提高提供
了一個(gè)良好的平臺(tái)。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場總線技術(shù)；總線協(xié)議；工業(yè)控制；油庫管理自動(dòng)化
一、引言
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS采用了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)中的網(wǎng)路技
術(shù)、微機(jī)處理技術(shù)及軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場儀表之間的數(shù)字連接
及儀表的數(shù)字化，給工業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大效益，降低了現(xiàn)場儀表
的初時(shí)安裝費(fèi)用，節(jié)省了電纜，施工費(fèi)，增強(qiáng)了現(xiàn)場控制的靈活
性．提高了信號(hào)傳遞速度．減少了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)的工作量。
從自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展史來看，曾經(jīng)歷過兩次大的變革：一次
是20世紀(jì)50年代末。由基地式儀表向電動(dòng)或氣動(dòng)單元組合儀
表的轉(zhuǎn)變；另一次是20世紀(jì)80年代，從電子模擬儀表到集散控
制系統(tǒng)(DCS)的轉(zhuǎn)變。這兩次轉(zhuǎn)變都不及現(xiàn)場總線對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)
展的影響深刻，盡管現(xiàn)在是FCS與DCS和PLC并存，最終FCS
將逐步代替DCS和PLc。
二、現(xiàn)場總線控制技術(shù)的基本原理
÷¨ 油庫辦公管理I建{
罔1—1油庫自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)l荽I
圖1--2油罐計(jì)量系統(tǒng)拓?fù)鋱D
(一)、總線傳輸?shù)幕靖拍?
總線就是傳輸信號(hào)或信息的公共路徑，是遵循同一技術(shù)規(guī)
范的連接與操作方式。一組設(shè)備通過總線連在一起稱為“總線
段”?？梢酝ㄟ^總線段之間的相互連接把多個(gè)總線段連接成一個(gè)
網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
可在總線上發(fā)起信息傳輸?shù)脑O(shè)備叫做“總線主設(shè)備”。不能
在總線上主動(dòng)發(fā)起通信、只能掛接在總線上、對(duì)總線信息進(jìn)行接
收和查詢的設(shè)備稱為“總線從設(shè)備”。
管理主、從設(shè)備使用總線的一套規(guī)則稱為“總線協(xié)議”。這是
一套事先規(guī)定的、必須共同遵守的規(guī)約。
(二)、通信系統(tǒng)的協(xié)議模型
為了便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO提出了
開放系統(tǒng)互連參考模型，簡稱ISO／OSI模型。
ISO／OSI模型將各種協(xié)議分為七層。自上而下依次為：物理
層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。
物理層：物理層協(xié)議規(guī)定了通信介質(zhì)、驅(qū)動(dòng)電路和接收電路
之間接口的電氣特性和機(jī)械特性。
鏈路層：通信鏈路是由許多節(jié)點(diǎn)共享的。這層協(xié)議的作用是
確定在某一時(shí)刻由哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)控制鏈路，即鏈路使用權(quán)的分配。
網(wǎng)絡(luò)層：在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間可能存在多條通
信路徑。網(wǎng)路層協(xié)議的主要功能就是處理信息的傳輸路徑問題。
傳輸層：傳輸層協(xié)議的功能是確認(rèn)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的信息的
傳輸任務(wù)是否已經(jīng)正確完成。
會(huì)話層：這層協(xié)議是用來對(duì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信任務(wù)進(jìn)行
啟動(dòng)和停止調(diào)速。
表示層：這層協(xié)議是進(jìn)行信息格式的轉(zhuǎn)換。它把通信系統(tǒng)所
用的信息格式轉(zhuǎn)換成它上一層。也就是應(yīng)用層所需要的信息格
式。
應(yīng)用層：它的作用是召喚低層協(xié)議為其服務(wù)。
在工業(yè)控制系統(tǒng)中，為了簡單起見，常常把傳輸層和會(huì)話層
協(xié)議結(jié)合，將表示層和應(yīng)用層結(jié)合。
(三)、工業(yè)控嗣領(lǐng)域中常用的幾種總線
工業(yè)中常用的總線：PROFIBUS、MODBUS、CAN總線等。
l、PRO兀BUS
這是德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 19245和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN5017。也是IEC標(biāo)
準(zhǔn)IEC61158。
PROFIBUS含有三個(gè)兼容協(xié)議：PROFIBUS—DP(分散外圍設(shè)
備)、PROFIBUS—PA(過程自動(dòng)化)、PROIilBUS—FMS(現(xiàn)場總線報(bào)
文規(guī)范)。
萬方數(shù)據(jù)
技術(shù)創(chuàng)新管理81
PROFIBUS—DP主要用于現(xiàn)場級(jí)和裝置級(jí)的自動(dòng)化。
PROFIBUS—PA主要用于現(xiàn)場級(jí)過程自動(dòng)化．具有本質(zhì)安全
和總線供電特性。
PROFIBUS—FMS主要用于車間級(jí)或廠級(jí)監(jiān)控，構(gòu)成控制和
管理一體化系統(tǒng)，進(jìn)行系統(tǒng)信息集成。
2、MODBUS
MODBUS是MODICON公司為該公司生產(chǎn)的PLC設(shè)計(jì)的一
種通信協(xié)議，從其功能上看，可以認(rèn)為是一種現(xiàn)場總線。它通過
24種總線命令實(shí)現(xiàn)PLC與外界的信息交換。具有MODBUS接13
的PLC可以很方便的進(jìn)行組態(tài)。
MODBUS有兩種傳送方式。RTU(Remote Terminal Unit)方式
和ASC II方式。MODBUS把通信參與者規(guī)定為“主站”(MAs，rER)
和“從站”(SLAVE)。主站可向多個(gè)從站發(fā)送通信請(qǐng)求。最多可達(dá)
247個(gè)從站。每個(gè)從站都有自己的地址編號(hào)。
3、CAN總線
CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。
網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送
信息，而不分主從，通信方式靈活。CAN采用非破壞性總線仲裁
技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)
主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響的傳送數(shù)據(jù)，
從而節(jié)省了總線仲裁時(shí)間。
三、現(xiàn)場總線控制技術(shù)在油庫管理中的應(yīng)用
進(jìn)入新世紀(jì)以來，隨著中石化、中石油上市后的業(yè)務(wù)拓展與
管理水平的提高，油庫的精細(xì)化管理必要而且可能，業(yè)內(nèi)人士的
不懈努力，加之油庫管理與單片機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)結(jié)合與創(chuàng)新，
使油庫管理自動(dòng)化管理系統(tǒng)日趨成熟，從而實(shí)現(xiàn)了油庫管控一
體化作業(yè)。使油庫能夠保持安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，高效地進(jìn)行油品
收、發(fā)、存作業(yè)，達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。而現(xiàn)場總線技
術(shù)的發(fā)展。使油庫管理自動(dòng)化系統(tǒng)方案提供了一個(gè)更好的解決
平臺(tái)。
基于現(xiàn)場總線技術(shù)的油庫自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)見圖1—1
(一)、建立基于總線技術(shù)的油庫自動(dòng)化管理系統(tǒng)的目標(biāo)
1、利用現(xiàn)代控制技術(shù)，構(gòu)建多點(diǎn)自動(dòng)化測控系統(tǒng)。
通過先進(jìn)、可靠、簡單、實(shí)用的工控技術(shù)，對(duì)油庫的罐區(qū)液位
計(jì)量、庫區(qū)電動(dòng)閥門控制，公路發(fā)油汽車定量裝車、庫區(qū)安全等
作業(yè)點(diǎn)實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，提高油庫收、發(fā)、存作業(yè)的自動(dòng)化
水平和庫區(qū)安全管理水平。
2、利用現(xiàn)場總線技術(shù)，建立集中監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化平臺(tái)。
利用現(xiàn)場總線技術(shù)。建立集油庫庫區(qū)自動(dòng)化測控系統(tǒng)于一
體的自動(dòng)化監(jiān)控平臺(tái)，集中監(jiān)控庫區(qū)作業(yè)流程，提高系統(tǒng)過程控
制的協(xié)調(diào)性，滿足管理精細(xì)化要求，確保油庫的作業(yè)安全。
3、建立完整的油庫業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。
通過油庫自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)把現(xiàn)場作業(yè)信息和管理信息結(jié)合起
來．建立全集成的、開放的、全范圍的業(yè)務(wù)管理信息系統(tǒng)，形成業(yè)
務(wù)、經(jīng)營、管理互為依托、相互支持的管理控制系統(tǒng)。
4、實(shí)現(xiàn)與公司信息系統(tǒng)的連接。
系統(tǒng)具有良好的兼容性。實(shí)現(xiàn)與EPR系統(tǒng)、物流系統(tǒng)等管理
系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享，數(shù)據(jù)利用達(dá)到最大化。
(二)、油庫自動(dòng)化管理系統(tǒng)中的三個(gè)主要子系統(tǒng)
油庫自動(dòng)化管理系統(tǒng)主要有作業(yè)流程控制、狀態(tài)監(jiān)控與業(yè)
務(wù)管理三個(gè)主要功能?；诂F(xiàn)場總線技術(shù)主要有油罐計(jì)量、閥門
控制、公路發(fā)油三個(gè)子系統(tǒng)(視頻監(jiān)控與業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)未涉及工
業(yè)總線．在此不做闡述)。其基本結(jié)構(gòu)如下：
l控制操作
1階控制
‘I‘}冀
卷。
日羥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖1-3-2閥拄系統(tǒng)拓?fù)鋱D
l一，I公路自動(dòng)發(fā)油拓?fù)鋱D
LAN(局域網(wǎng)) ，LAN(局域網(wǎng))
DCS系統(tǒng)
圖1--5 DCS與FCS拓?fù)鋱D
FCS系統(tǒng)
1、油罐計(jì)量系統(tǒng)
這是典型的FCS系統(tǒng)，每個(gè)油罐上裝有智能液位計(jì)，測量油
罐中的液位信息后，各液位信號(hào)通過總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)(計(jì)量管
理機(jī))，通?？偩€協(xié)議采用MODBUS RTU，物理層采用串口，RS一
(下轉(zhuǎn)第83頁)
k≤一●。肼榭岬J■啊瞄一錐矗土礬
萬方數(shù)據(jù)
技術(shù)創(chuàng)新管理
層裂縫，所以注水時(shí)能夠取得很好的開發(fā)效果，提高水驅(qū)波及系
數(shù)，進(jìn)而提高油氣井產(chǎn)量，獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，裂縫性油
藏可以采用水平井注水開發(fā)。
f21薄層油氣藏。
儲(chǔ)層厚度較小時(shí)，根據(jù)上一章的討論可以知道它適宜采用
水平井注水開發(fā)。當(dāng)采用水平井注水開發(fā)時(shí)。它的注入和采出長
度基本上是無限的，因而具有很好的優(yōu)越性．能夠取得良好的經(jīng)
濟(jì)效益。與之相對(duì)的，如果采用直井注水的話．它就會(huì)出現(xiàn)如下
問題和缺點(diǎn)：啟動(dòng)壓力和注水壓力高、注水能力差．隨著注水時(shí)
間的延長注采矛盾加劇，甚至注不進(jìn)去水，還容易發(fā)生指進(jìn)。
01枯竭油氣藏或中后期油氣田。
現(xiàn)在國內(nèi)的大部分油田已經(jīng)進(jìn)入了開發(fā)的中后期．面臨著
地層壓力下降，待采油氣所在儲(chǔ)層的滲透率降低等諸多問題。為
了更好地滿足國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要和提高油氣田效益，很多有
采用了二次開采和三次開采(酸化壓裂、聚合物驅(qū)、蒸汽驅(qū)等)等
的增產(chǎn)技術(shù)。但是這些技術(shù)操作復(fù)雜、成本較高。在一些小油田
不能夠使用。此時(shí)，分支水平井注水就體現(xiàn)出了它的優(yōu)勢：操作
方便和成本低。通過水平井把老油井連接到新生產(chǎn)井上并注水
驅(qū)替．這種處理方法并不需要在重新搭井場、布管線，就能夠很
好地進(jìn)行老井的新開發(fā)．獲取附加經(jīng)濟(jì)效益。
(41一般低滲透油氣藏。
低滲透油氣藏的普通采收率都較低。經(jīng)過壓裂酸化后會(huì)有
較大提高。但是如果用直井開發(fā)低滲透油氣藏則很難取得較大
突破，因?yàn)橹本畨洪_的裂縫方位和形態(tài)都比較單一，而采用水平
井注水開發(fā)則效果將會(huì)明顯不同，主要具有如下優(yōu)勢：第一，減
小了滲流阻力。在水平井筒中流體的流動(dòng)阻力基本為零，當(dāng)注水
把油氣驅(qū)替到水平井筒后很小的動(dòng)力就能夠?qū)崿F(xiàn)油氣向井底的
流動(dòng)；第二，增加了驅(qū)替長度和泄油長度。鉆開的水平井一般都
要達(dá)到近千米。這比直井注水要好得多也容易得多。因此。對(duì)低
滲透油氣藏采用水平井注水技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢，可顯著提高
低滲透油氣田的油氣采收率和產(chǎn)量。
5、結(jié)論
通過對(duì)水平井注水技術(shù)的分析和論述。得到了水平井注水
技術(shù)所適用的地質(zhì)條件和流體條件，并歸納了能夠使用水平井
注水技術(shù)開發(fā)的油氣藏。其主要結(jié)論如下：
(1)在低滲透油氣藏中采用水平井注水開發(fā)，可以提高注水
及產(chǎn)油能力，減少油藏注入水的補(bǔ)充時(shí)間，注水見效早。
(2)水平注采井網(wǎng)注水井、生產(chǎn)井均是水平壓力場以線性傳
播，注入水線性均勻推進(jìn)，形成線性驅(qū)動(dòng)可降低油水運(yùn)移過程中
的壓力損耗，并提高了波及效率及注入水突破水時(shí)的采出程度。
(3)水平井注水技術(shù)適宜于薄層油藏、地層相對(duì)均質(zhì)、流度比
較小的油氣藏。并且其合理的滲透率范圍是lxl0—3p,m2～lOOx
10—3斗m2。超出該范圍應(yīng)謹(jǐn)慎使用。
參考文獻(xiàn)
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院研究生部．2005．
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15一17
(上接第81頁)
485，當(dāng)然協(xié)議種類的使用。可以根據(jù)測量儀表的不同而異。
FCS系統(tǒng)在油庫計(jì)量方面已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，增強(qiáng)了
現(xiàn)場控制的靈活性。
其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖l一2：
2、電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)
油庫的電動(dòng)閥門控制系統(tǒng)一般采用SⅨNET RTU，以碰洱85
為通訊總線協(xié)議，電動(dòng)閥門采用自帶485總線協(xié)議的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)
器．兩臺(tái)熱備冗余罐區(qū)監(jiān)控終端系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制調(diào)度
工作。對(duì)電動(dòng)閥門的控制，實(shí)時(shí)檢測管線壓力及油罐液位高限信
號(hào)，保障系統(tǒng)輸油安全。在某些情況下，油庫的電動(dòng)閥門控制系
統(tǒng)，要融人站場的SCADA系統(tǒng)中，而站場廣泛使用DCS系統(tǒng)，限
制了FCS在罐區(qū)閥門控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。因此，在這方面FCS系
統(tǒng)并未得到廣泛應(yīng)用。其結(jié)構(gòu)圖與拓?fù)鋱D見圖l一3—1、l一3—2：
3、公路自動(dòng)發(fā)油系統(tǒng)
公路自動(dòng)發(fā)油系統(tǒng)則是DCS與FCS系統(tǒng)的匯合體，兼有這
兩種系統(tǒng)的特點(diǎn)。
公路自動(dòng)發(fā)油系統(tǒng)由若干個(gè)發(fā)油控制器組成，發(fā)油控制器
采集就地的油品溫度。油品流量，并控制電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電液閥)
進(jìn)行定量發(fā)油。而各個(gè)發(fā)油控制器通過總線接入上位管理機(jī)器，
進(jìn)行集中管理。其拓?fù)鋱D見1-4
從單臺(tái)發(fā)油控制器來看，具有DCS的特點(diǎn)，采集現(xiàn)場信號(hào)送
入控制器，對(duì)發(fā)油進(jìn)行控制，如果就此將其劃入DCS系統(tǒng)顯然牽
強(qiáng)。從整個(gè)系統(tǒng)的角度來看它又具有了FCS系統(tǒng)的特點(diǎn)，各發(fā)油
控制器通過總線接入上位機(jī)集中管理。
出現(xiàn)這種情況主要由兩方面因素引起的，從系統(tǒng)的角度來
說．FCS要求其系統(tǒng)中的儀表必須是數(shù)字式的，這樣才能夠通過
總線傳輸信號(hào)和控制命令。從工業(yè)領(lǐng)域使用的儀表來說，由于成
本及工藝的要求，現(xiàn)階段很難實(shí)現(xiàn)所有儀表的數(shù)字化。這兩點(diǎn)決
定了兼有DCS和FCS特點(diǎn)的系統(tǒng)的出現(xiàn)。
(三)、FCS、DCG比較
對(duì)于現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)DCS和集散控制系統(tǒng)FCS系統(tǒng)來
說。各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同場合。
DCS采用層次化的體系結(jié)構(gòu)。通信網(wǎng)絡(luò)分布于各層并采用
數(shù)字通信方式，唯有生產(chǎn)現(xiàn)場層使用一對(duì)一的傳輸方式，因此，
DCS是一個(gè)“半數(shù)字信號(hào)”系統(tǒng)。
FCS采用全數(shù)字化、雙向傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?。從底層的傳感器?
變送器和執(zhí)行器就采用現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)，多支分支通信線延伸到
生產(chǎn)現(xiàn)場，用來連接現(xiàn)場數(shù)字儀表，采用一對(duì)多連接，構(gòu)成現(xiàn)場
通信網(wǎng)絡(luò)。
DCS與FCS拓?fù)鋱D見圖1—5
“純數(shù)字”的FCS可以直接與外界通信。數(shù)字信號(hào)的電平較
高，一般的噪聲很難干擾FCS內(nèi)的數(shù)字信號(hào)。此外，數(shù)字信號(hào)檢
錯(cuò)功能強(qiáng)．可以檢測出數(shù)字信號(hào)傳輸中的誤碼，所以全數(shù)字化的
FCS大大提高過程控制的準(zhǔn)確性和可靠性。
在DCS中．生產(chǎn)現(xiàn)場的多臺(tái)模擬儀表集中接于輸入、輸出
單元，每臺(tái)儀表只有單一的信號(hào)變換功能，而與控制有關(guān)的輸
入、輸出、控制、運(yùn)算等功能塊都集中于DCS的控制站內(nèi)，從這個(gè)
意義上講．DCS只是一個(gè)“半分散”系統(tǒng)。
FCS廢棄了DCS的輸入／輸出單元，由現(xiàn)場儀表取而代之。
即把DCS控制站的功能化整為零，功能塊分散地分配給現(xiàn)場總
線上的數(shù)字儀表。從而構(gòu)成虛擬控制站，實(shí)現(xiàn)徹底的分散控制。
隨著數(shù)字智能儀表的廣泛使用。FCS系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域必
將得到進(jìn)一步的使用，也將促進(jìn)油庫自動(dòng)化管理系統(tǒng)的不斷優(yōu)
化與提升，從而加快數(shù)字化油庫建設(shè)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
參考文獻(xiàn)
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