基金会现场总线在旅大10-1平台的应用

基金会现场总线技术（FF）在旅大10-1平台的应用

旅大10-1油田 仪表师

1绪论

现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现，标志着工业控制技术领域又一个新时代的开始，并将对该领域的发展产生重要影响。自20世纪90年代中期以来，中国海洋石油总公司（以下简称中海油）相关技术人员持续跟踪关注现场总线这一标志自控领域一场革命的技术，并于2002年首次提出将现场总线技术应用于旅大油田开发项目，获得了上级批准并进行实施，这项新技术的实施标志着海洋石油自动化新时代的开始。

关键词：FF 海洋石油 开放性 数字化 分散控制

2 现场总线技术的优越性

以FF为例，现场总线技术主要有以下优越性：

(1)FF现场总线系统安装材料与调试工作量减少

现场总线的I/O系统卡件和布线简单，减少相应的设计、安装的工作量及控制室占用面积。旅大10-1平台于2005年1月28日正式投产，项目能够提前62天投产，现场总线技术的应用功不可没。在项目的设计、安装、调试阶段，对于现场总线技术的优越性，人们已有了初步体会。由于采用了现场总线技术，使得设计、绘图的工作量简化，布线及调试时间大大缩短，安装成本得以降低。

(2)FF现场设备的全数字化、智能化与功能自治化

现场总线设备将微处理器置入现场测量控制仪表中，具有数字计算和数字通信能力。数字信号使设备的信息量大大增加，传输抗干扰能力强，精确度高，减少了传送误差，提高系统的可靠性。传感测量、补偿计算、工程量处理与基本控制等功能在现场总线设备中完成，而且为现场设备更高级的智能化提供了平台空间。

现场总线控制系统是全分散性的体系结构，双向通信的提供，使得功能块可以下载到现场仪表设备当中，原来在DCS控制器中完成的控制计算功能可以分散到现场仪表设备中完成，从而分散了由于系统故障而造成的风险，实现了真正意义上的分散控制。这样减轻DCS主控制器的负荷，系统结构可能苗条化，或用于更高级的控制和管理功能。

(3)FF现场总线具有开放性、互操作性与互用性

如果说FF-H1总线现场设备的可互操作性使现场总线达到了DCS系统的4～20mA的信号互

连的水平，而高速以太网现场总线HSE的可互操作性则达到了DCS系统控制总线的开放的水平。使不同公司生产的控制器可以挂在同一网络上协同工作，这对DCS而言是不可能实现的。电子设备描述语言(Electronic Device Description Lanquige，EDDL)，为对象设备提供一个不依赖于某种软件平台的描述文件，使控制系统(FF、Profibus或其他)能够理解设备中数据的意义并无功能损失地使用它们。这为用户摆脱商业垄断提供了可能性。

(4)FF现场总线系统降低了设备的生命周期成本

由于FF现场总线控制设备具有更多的自诊断参数和故障自诊断能力，并通过数字通信方式将诊断维护信息送往DCS，管理人员通过DCS的资产管理系统(AMS)可查询所有仪表设备的运行情况，诊断维护信息，寻找故障，以便早期分析故障原因并快速排除，仪表设备状况始终处于维护人员的远程监控之中。与此同时，根据AMS系统提供的信息准确地制定大修或抢修的作业计划和备件准备，不必进行调节阀的周期性的轮流解体检修，缩短停工维修时间，节约维修费用，降低生命周期成本。

现场总线仪表管理工具自动生成现场总线仪表的信息数据库，可以作为上层设备管理数据库的一个组成部分。企业可以实现对装置和设备的集中管理。

现场总线仪表设备可以提供各种各样的、详细的、需要维修的信息，例如提供损坏部件的信息。同时，现场总线仪表设备的自诊断功能可以提示将要产生维护要求的信息，从而有力地支持和指导工厂的操作。

现场总线技术的优越性不仅仅在一次性购买时体现而更主要是在它整个生命周期内持续不断地发挥。它也不仅仅是一个单纯的技术经济问题。只有在适当的观念、管理需求乃至于技术文化的背景下它才能更充分地得以体现和发扬。

3 FF总线技术的主要特点

（1）多点接线

基金会现场总线的一个线缆（称为网段）上最多可带32个设备 — 如果采用中继器，则更多。在实际使用中，考虑到供电、过程模块化和回路执行速度等因素，一般每个H1网段上连接4到16个设备。这意味着当您有1000个设备，如果采用传统技术您需要1000对线，而采用基金会现场总线时，您只需60到250对线。这将为您节省大笔的接线费用成本（和接线装置）。

(2) 多变量仪表

一个节点上可以处理来自同一现场设备上的多个变量。例如，一个温度变送器可以与多达八个传感器的输入进行通信。它同时降低了接线和仪表费用。其他的好处还包括：多个

设备的功能可以通过一个设备完成，这样可减少导线管。（提高安全性并降低短时排放的风险）并可降低工程费用。

（3）双向通信

此外，信息传送是双向进行的。阀门控制器可以接收来自主系统或其他控制源的控制输出，并将阀门当前位置发送出去，从而实现更为精确的控制。而采用模拟量时，则必须增加另一对线方可实现该功能。

（4）新型信息

传统模拟量和离散量设备无法通知您它们是否运行正常，或是发送的过程信息是否有效。其结果是：技术员不得不花大量的时间来确认设备的运行状态。基金会现场总线设备则不同，它们可以告诉您其运行是否正常，发送的信息是好、差或不定状态。这可使您免除大多数的例行检查工作，并有助于您在重大的过程问题发生之前发现故障情况。

4现场总线在旅大油田开发项目中的应用

(1) 项目概况

旅大4-2/5-2/10-1油田地处渤海辽东湾中部海域，位于SZ36-1油田CEP平台的西南方向，该油田原油产能规模为208.2´104m³/a，在旅大5-2油田建一座8腿综合平台（DPP）；在旅大10-1油田建一座8腿中心平台（CEP）和一座4腿井口平台（WHPA）其间由栈桥连接；在旅大4-2油田建一座4腿井口平台（WHPB），如图1所示。

图1 旅大5-2/10-1/4-2油田控制系统图

(2) 控制系统设计

考虑到大型综合性平台应用现场总线技术效益更明显因此决定在旅大5-2和旅大10-1平台采用现场总线系统，旅大4-2平台仍采用传统系统。

LD5-2/LD10-1平台的控制系统包括：过程控制系统（PCS）、紧急关断系统（ESD）和火/气探测系统（F&G）。其PCS采用现场总线控制系统（Fisher-Rosemount DeltaV），H1采用FF现场总线，H2采用HSE 100M以太网。ESD采用安全仪表（SIS）控制系统，F&G采用专用的火/气控制系统。

(3) 现场总线网段设计

旅大10-1油田CEP/WHPA平台的现场具有208个FF装置，23个模拟量输入，总线上布有28个FF网段和6个FISCO本安网段，如图2所示。

图2 旅大10-1CEP/WHPA平台网段布置图

旅大5-2油田DPP平台的现场具有178个FF装置，28个模拟量输入，总线上布有16个FF网段和7个FISCO本安网段。

考虑到现场总线技术是首次在海上油（气）田开发项目中获得应用，因此设计中留有较多的余量，在正常情况下一个FF网段接16个FF装置，1个FISCO本安网段可接12 FF装置。但在本项目中一个FF网段只连接了9个FF装置，1个FISCO本安网段只连接了10个FF装置。

(4) 端子及接线设计

由于采用了现场总线控制系统，使得控制系统电缆、桥架、本安安全栅与端子柜，I/O模板等的使用量大大减少，并减少了机架底板、电源等。

旅大10-1油田CEP/WHPA平台的现场，还采用了模块化快速连接电缆接线方式。这种接线方式具有的优势是，减少安装时间，避免错误接线，即使断开某一设备却不影

响网段其它设备工作，节省调试时间等，充分体现出总线设计的优越性。

(5) 先进技术在经济效益上的体现

现场总线技术的应用给旅大油田开发项目带来了直接的经济效益，具体表现如下： ① 简化工程设计，具有专门的设计工程软件（FF Design Tool）自动生成各类图纸，使得设计、绘图工作简化，设计时间缩短，节省人力、物力，并为项目设计进度赢得宝贵的时间。

② 彻底分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为1对N的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的A/D、D/A转换装置。

③ 控制功能下装使危险更分散，大大缩短控制周期。

④ 各类I/O卡件，端子等减少75%。

⑤ 现场布线工作量减少，降低了安装成本，如旅大10-1油田由中心平台（CEP）和井口平台（WHPA）构成，两平台之间由栈桥连接。如果应用普通控制系统两平台之间有大量电缆穿越，而采用现场总线系统，仅有几根电缆穿越，大大节省电缆费用。 ⑥ 减少调试时间，缩短项目工期

旅大10-1油田CEP/WHPA平台现场总线系统的调试启动于2004年12月17日，调试工作仅用一周时间就全部完成。而通常，这样规模的系统调试需要时间为30天左右。调试时间的大大缩短，为最终油田投产日期的提前，起到了不可忽视的积极作用。 ① 回路测试简易、方便

传统控制系统需要两个仪控人员进行回路测试（一个在现场，一个在中控），现场总线控制系统仅需一个仪控人员在中控进行测试，旅大10-1油田CEP/WHPA平台一个仪控人员仅用了一天就完成了31个网段/200 FF装置的测试任务。

② 采用内置AMS管理软件，技术人员在控制室就能了解现场设备状态及故障情况，大大减少现场巡检。

5 现场总线技术存在的一些问题 在工程应用方面，工程投资比较大。虽然各种现场总线都把节省费用当成自己的主要优点，但在实际应用中现场总线的投资比传统控制系统要大。一是试用的系统规模太小；二是试用的系统并不分散或者是利用原有布线的改造项目，因此无法充分发挥现场总线节省电缆的优势。

其次，调试和运行维护比较难。由于现阶段熟练掌握现场总线的应用技术和开发技术的人才少，企业在调试和运行时经常会遇到困难。因此，企业在选择系统集成商时，应选择技术力量比较强，比较有经验的单位。

再者，与传统控制系统相比优点不明显。以智能化现场仪表为基础的现场总线系统与传统系统相比，其优点不仅在于控制方面，更多的在于自诊断、自校正等自动管理方面。但是，目前国内用的系统大多数太小，没有把管理自动化和远程诊断功能纳入系统，因此无法发挥现场总线系统降低运行维护费用的优势。

在技术方面，当总线切断时，系统有可能产生不可预知的后果，用户希望这时系统的效能可以降低，但不能崩溃，这一点目前许多现场总线不能保证；现有的防爆规定限制了总线长度和总线上所挂设备的数量，也就限制了现场总线节省电缆优点的发挥；系统组态参数过分复杂，不容易掌握。但组态参数设定得好坏，对系统性能影响很大。

综上所述，现场总线并不是为解决传统控制系统不能解决的问题而出现的，它的主要优点是更灵活、更开放，并为采用新型系统维护方式和企业管理模式提供了可能。但对于以价格为首选条件的场合，系统规模较小、控制对象分布比较集中的场合，以及没有扩展设备智能诊断和管理要求的场合，现场总线并不一定是最佳选择。

6 结语

采用现场总线技术，降低建设投资的关键要素：

1. 提高Segment的使用率。

2. 采用国产总线电缆。

据了解，FF系统里，只有电缆在国内有认证，所以它的高投资、昂贵的备件及外委维修费用也是公司决策者不得不考虑的问题。

规划设计阶段理解现场总线技术精髓，合理确定系统结构和功能分配对降低硬件开销有较大的作用。

20多年来，海洋石油工业在海上石油和天然气开发领域不断拓展，目前正在国内外投入更多的资本寻求新的石油和天然气储备，如何使这些投资的效益最大化，需要各行各业不断的努力。

如何让这么好的技术在海洋石油平台生产中最大化的发挥他的优势，也是我们从事相关

专业人员所要研究的课题。对于我们来说，能够接触新的技术，为今后的个人的技术业务素质的提高及企业竞争力的发展都有好处。

我们必须站在社会发展和技术演变的高度，辩证地看问题，既要谨慎求实，也应勇于创新，与时俱进。从历史的角度看，技术的进步总是可以起到解放生产力的作用，推动社会不断向前进步发展。因此，效益也好，可靠性也好，相信都会随着技术的进步得到提高和保证。 新技术的不断应用正顺应了海洋石油事业不断健康发展的趋势。随着现场总线技术的发展及其越来越多的应用，现场总线系统在设计、调试、组态、维护、智能资产管理、降低设备生命周期成本、防止灾难性的事故发生以及降低劳动力成本等方面将为保持海洋石油的持续竞争力做出贡献。

参考文献：

[1] 甘永梅等. 现场总线技术及其应用. 北京:机械工业出版社,2004.5

[2] 徐伟华. 现场总线技术在海洋石油工业的应用