摘要：AUTBUS是一種采用兩線非橋接媒介，具有多節(jié)點、高帶寬、高實時、可遠距離傳輸?shù)墓I(yè)現(xiàn)場總線。文章通過設(shè)計一套油氣計量試驗裝置，搭建AUTBUS總線測試環(huán)境，對AUTBUS總線在油氣管道站場進行性能測試。通過測試數(shù)據(jù)驗證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的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐和測試平臺。

關(guān)鍵詞：油氣管道；性能；AUTBUS；計量試驗裝置

中圖分類號：TP312" 文獻標志碼：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都屬于國外現(xiàn)場總線技術(shù)，PROFIBUS為德國標準、FF為美國標準，上述2種現(xiàn)場總線技術(shù)均為國外技術(shù)方掌控，該技術(shù)為制約我國流程工業(yè)自動控制的“卡脖子”問題。

AUTBUS為我國在工業(yè)通信領(lǐng)域國際標準體系中實現(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)展目標對高帶寬和可靠性要求的同時，實現(xiàn)了以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線的有效融合，使工業(yè)過程實時數(shù)據(jù)和IP數(shù)據(jù)能在一對雙絞線上同時傳輸［1］。AUTBUS高速總線是在現(xiàn)場總線領(lǐng)域引入工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，可支持IPV4/V6尋址，總線傳輸速率達到100 Mbps，最小循環(huán)周期8 μs，最大節(jié)點數(shù)256個，傳輸誤碼率優(yōu)于10-11，總線時鐘抖動10 ns等［2］。

Profibus、FF現(xiàn)場總線在我國應(yīng)用范圍廣，使用年限長，石油石化的廣大用戶對此非常熟悉，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。AUTBUS總線為我國自主研制的國產(chǎn)化高速總線技術(shù)，目前缺乏在石油石化行業(yè)應(yīng)用的驗證。

本文為了解決AUTBUS總線應(yīng)用驗證的問題，設(shè)計了一個與工業(yè)現(xiàn)場完全一致的油氣計量裝置，通過實流介質(zhì)循環(huán)驗證AUTBUS總線技術(shù)的可靠性和可用性。油氣計量試驗裝置依托國家管網(wǎng)集團西部管道分公司課題，不間斷運行時間為4 000 h，裝置上搭建油氣管道站場所使用的儀表設(shè)備。

1 油氣計量試驗裝置

1.1 整機結(jié)構(gòu)

設(shè)計一個油氣計量裝置要和實際工業(yè)現(xiàn)場非常接近，并要滿足液體、氣體2種介質(zhì)的試驗要求。這就要求試驗裝置功能豐富，試驗裝置包括氣體超聲流量計、液體質(zhì)量流量計、電動閥門、電液閥門、氣液閥門、溫度變送器、壓力變送器、壓力表、液位計、安全閥、離心泵、空壓機等設(shè)備。油氣計量裝置以橇裝的型式搭建，方便試驗裝置與其他外部裝置的連接。整個試驗裝置設(shè)計壓力為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。

為了測試的便捷性和安全性，本次測試通過選用水來替代原油、成品油，用壓縮空氣替代天然氣，進行試驗測試。選定的水泵額定流量為50 m3/h，機泵的揚程為50 m；選定的空氣壓縮機可使壓縮空氣達到最高0.8 Mpa。所有的儀表、閥門、設(shè)備選型和工業(yè)現(xiàn)場一致，防爆等級不低于ExdIIBT4，防護等級不低于IP65。

1.2 工藝流程設(shè)計

國家管網(wǎng)集團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，基本涵蓋了長輸油氣管道站場所用的儀表設(shè)備。

本次試驗裝置的設(shè)計整合了液體、氣體2套流程。液體流程設(shè)計如下：實驗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)計容量5 m3，水槽上設(shè)置有此次實驗的5臺液位計，分別有3臺磁致伸縮液位計，2臺雷達液位計；液位計可組成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，氣體超聲流量計后接有4路質(zhì)量流量計計量支路。水的介質(zhì)在氣體超聲流量計路不做計量，經(jīng)質(zhì)量流量計支路計量后，返回水槽內(nèi)，形成一個內(nèi)循環(huán)流程。當(dāng)實驗做完時，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)計如下：實驗裝置設(shè)置有一段接管，該接管可與空氣壓縮機相連接，由空壓機提供壓縮空氣，空壓機產(chǎn)生的空氣進入流程后，經(jīng)氣體超聲流量計計量，過質(zhì)量流量計支路后（不做計量），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)計中，流量計的前后管分別設(shè)置有壓力變送器和溫度變送器，流量計前后的閥門分別采用了電動閥、電液閥、氣液閥3種類型。

2 總線控制系統(tǒng)設(shè)計

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

（1）過程控制層。部署上位機軟件能夠?qū)崟r監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)，對現(xiàn)場設(shè)備進行遠程操作，具備報警統(tǒng)計和趨勢記錄功能。

（2）現(xiàn)場控制層。通過部署PLC和現(xiàn)場控制元件，PLC通過以太網(wǎng)同上位機系統(tǒng)進行通信，同現(xiàn)場層設(shè)備通過基于AUTBUS總線的AUTBUS協(xié)議進行通信。收到上位機下發(fā)的動作指令，經(jīng)過邏輯運算和處理后下發(fā)至現(xiàn)場設(shè)備執(zhí)行。同時將現(xiàn)場設(shè)備層的傳感器信息經(jīng)過處理后上傳至上位機系統(tǒng)進行顯示和統(tǒng)計記錄。

（3）現(xiàn)場設(shè)備層。主要基于現(xiàn)場工藝環(huán)境，采集現(xiàn)場工藝參數(shù)信息，執(zhí)行現(xiàn)場設(shè)備動作，完成整個生產(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)場設(shè)備的運轉(zhuǎn)情況，實時顯示設(shè)備運行狀態(tài)、關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)、控制方式、報警、操作提示等數(shù)據(jù)。上位機系統(tǒng)采用西門子Wincc組態(tài)軟件（配套實時庫和歷史數(shù)據(jù)庫），同控制器通過ModBUS TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)交互。上位機系統(tǒng)支持數(shù)據(jù)統(tǒng)計和趨勢記錄，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，在操作站上可以運行PLC編程軟件，可實現(xiàn)對PLC的組態(tài)編程及在線監(jiān)測修改調(diào)試程序［3］。

3 總線測試軟件

本次測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，完成整個控制流程的編寫。同時組態(tài)好對上位機SCADA系統(tǒng)的通信方式以及通信變量，能夠和SCADA系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互。對下通過AUTBUS協(xié)議獲取的現(xiàn)場各傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)過邏輯運算和處理，下發(fā)信號控制現(xiàn)場執(zhí)行機構(gòu)。

系統(tǒng)主監(jiān)控畫面能夠?qū)崟r顯示系統(tǒng)中各信號狀態(tài)以及實時的報警信息，同時可以點擊進入各二級畫面以及執(zhí)行器操作畫面。上位機系統(tǒng)支持與不同種類的PLC/控制器進行數(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)計畫面，保證各種PLC/控制器都能和該上位機系統(tǒng)通信。上位機與PLC/控制器間使用 ModbusTCP作為通信協(xié)議。

點擊主控畫面中的對應(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，自動模式下可以設(shè)定系統(tǒng)中目標流量，手動模式能夠自主設(shè)定閥門開度。在參數(shù)設(shè)置畫面，能夠?qū)ο到y(tǒng)中傳感器的報警高低限閾值、量程等進行設(shè)定，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性。顯示系統(tǒng)的報警信息并且記錄。對運行過程中系統(tǒng)出現(xiàn)的儀表故障、斷線報警等功能進行記錄，提升用戶分析故障解決問題的效率。

4 總線測試結(jié)果

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

網(wǎng)絡(luò)性能測試指標如表1所示。

通過操作上位機執(zhí)行開閥動作，從計量橇中挑選其中2個廠商的閥門進行對比，確認現(xiàn)場和上位機反饋一致，如表2所示。

5 結(jié)語

本文從油氣管道行業(yè)國產(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)對現(xiàn)有Profibus、FF進行替代，通過設(shè)計一套油氣計量試驗裝置，搭建AUTBUS總線測試環(huán)境，完成AUTBUS總線網(wǎng)絡(luò)測試。通過測試數(shù)據(jù)驗證了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)全面國產(chǎn)化替代推廣應(yīng)用提供了有效的技術(shù)支撐和測試平臺。

參考文獻

［1］邵枝暉，康良川，黃易，等.AUTBUS高速工業(yè)現(xiàn)場總線［J］.儀器儀表標準化與計量，2020（2）：9-12.

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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