基于AUTBUS總線的油氣計量試驗裝置設計

摘要：AUTBUS是一種采用兩線非橋接媒介，具有多節點、高帶寬、高實時、可遠距離傳輸的工業現場總線。文章通過設計一套油氣計量試驗裝置，搭建AUTBUS總線測試環境，對AUTBUS總線在油氣管道站場進行性能測試。通過測試數據驗證AUTBUS總線的傳輸性能、支持AUTBUS總線儀表設備的穩定性和可靠性，為AUTBUS總線在油氣管道站場的推廣應用提供技術支撐和測試平臺。

關鍵詞：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

在石油石化領域，用于流程控制的主要為Profibus PA、Profibus DP、FF現場總線。Profibus、FF總線均屬于低速總線，PROFIBUS DP的數據傳輸速率為9.6 kbit/s～12 000 kbit/s，PROFIBUS PA的數據傳輸速率為31.25 kbit/s，FF的數據傳輸速率為31.25 kbit/s。

Profibus、FF都屬于國外現場總線技術，PROFIBUS為德國標準、FF為美國標準，上述2種現場總線技術均為國外技術方掌控，該技術為制約我國流程工業自動控制的“卡脖子”問題。

AUTBUS為我國在工業通信領域國際標準體系中實現了物理層零的突破，首次將OFDM寬帶技術引入工業現場通信網絡，在滿足智能制造和數字工廠等工業互聯網發展目標對高帶寬和可靠性要求的同時，實現了以太網與現場總線的有效融合，使工業過程實時數據和IP數據能在一對雙絞線上同時傳輸［1］。AUTBUS高速總線是在現場總線領域引入工業以太網技術，可支持IPV4/V6尋址，總線傳輸速率達到100 Mbps，最小循環周期8 μs，最大節點數256個，傳輸誤碼率優于10-11，總線時鐘抖動10 ns等［2］。

Profibus、FF現場總線在我國應用范圍廣，使用年限長，石油石化的廣大用戶對此非常熟悉，且這2種總線技術經過多年的應用積累，可靠性和可用性較強。AUTBUS總線為我國自主研制的國產化高速總線技術，目前缺乏在石油石化行業應用的驗證。

本文為了解決AUTBUS總線應用驗證的問題，設計了一個與工業現場完全一致的油氣計量裝置，通過實流介質循環驗證AUTBUS總線技術的可靠性和可用性。油氣計量試驗裝置依托國家管網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備。

1 油氣計量試驗裝置

1.1 整機結構

設計一個油氣計量裝置要和實際工業現場非常接近，并要滿足液體、氣體2種介質的試驗要求。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、設備選型和工業現場一致，防爆等級不低于ExdIIBT4，防護等級不低于IP65。

1.2 工藝流程設計

國家管網集團西部管道分公司課題旨在油氣管道領域推廣應用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，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備。

本次試驗裝置的設計整合了液體、氣體2套流程。液體流程設計如下：實驗接入市政自來水作為液體介質，水先灌入水槽內，水槽設計容量5 m3，水槽上設置有此次實驗的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，水泵可抽取水槽內的水。水泵的下游設置有2路氣體超聲流量計，氣體超聲流量計后接有4路質量流量計計量支路。水的介質在氣體超聲流量計路不做計量，經質量流量計支路計量后，返回水槽內，形成一個內循環流程。當實驗做完時，可通過各管路上的排污閥將管和水槽內水排凈。

氣體流程設計如下：實驗裝置設置有一段接管，該接管可與空氣壓縮機相連接，由空壓機提供壓縮空氣，空壓機產生的空氣進入流程后，經氣體超聲流量計計量，過質量流量計支路后（不做計量），就可向大氣放空。氣體流程是開路流程，不做內循環。

在水和氣的流程設計中，流量計的前后管分別設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 總線控制系統設計

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

（1）過程控制層。部署上位機軟件能夠實時監控現場設備狀態，對現場設備進行遠程操作，具備報警統計和趨勢記錄功能。

（2）現場控制層。通過部署PLC和現場控制元件，PLC通過以太網同上位機系統進行通信，同現場層設備通過基于AUTBUS總線的AUTBUS協議進行通信。收到上位機下發的動作指令，經過邏輯運算和處理后下發至現場設備執行。同時將現場設備層的傳感器信息經過處理后上傳至上位機系統進行顯示和統計記錄。

（3）現場設備層。主要基于現場工藝環境，采集現場工藝參數信息，執行現場設備動作，完成整個生產工藝流程。

總線控制系統如圖1所示，主要用來監視現場設備的運轉情況，實時顯示設備運行狀態、關鍵傳感器數據、控制方式、報警、操作提示等數據。上位機系統采用西門子Wincc組態軟件（配套實時庫和歷史數據庫），同控制器通過ModBUS TCP協議進行數據交互。上位機系統支持數據統計和趨勢記錄，數據信息可以通過Excel表格形式導出。

總線控制系統支持下位PLC的編程，在操作站上可以運行PLC編程軟件，可實現對PLC的組態編程及在線監測修改調試程序［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編程語言結合，完成整個控制流程的編寫。同時組態好對上位機SCADA系統的通信方式以及通信變量，能夠和SCADA系統進行數據交互。對下通過AUTBUS協議獲取的現場各傳感器數據經過邏輯運算和處理，下發信號控制現場執行機構。

系統主監控畫面能夠實時顯示系統中各信號狀態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行器操作畫面。上位機系統支持與不同種類的PLC/控制器進行數據交互，更換其他品牌PLC/控制器后，可以通過重新組態連接，建立變量，更新設計畫面，保證各種PLC/控制器都能和該上位機系統通信。上位機與PLC/控制器間使用 ModbusTCP作為通信協議。

點擊主控畫面中的對應執行器按鈕，出現執行器操作彈窗。在彈窗中能夠選擇執行器的工作方式，自動模式下可以設定系統中目標流量，手動模式能夠自主設定閥門開度。在參數設置畫面，能夠對系統中傳感器的報警高低限閾值、量程等進行設定，保證系統數據的準確性。顯示系統的報警信息并且記錄。對運行過程中系統出現的儀表故障、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、業務通信測試外，還完成了工程組態測試、網絡管理功能測試、實時數據處理測試、故障告警測試。

網絡性能測試指標如表1所示。

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

5 結語

本文從油氣管道行業國產化應用及替代角度出發，提出采用AUTBUS高速總線技術對現有Profibus、FF進行替代，通過設計一套油氣計量試驗裝置，搭建AUTBUS總線測試環境，完成AUTBUS總線網絡測試。通過測試數據驗證了AUTBUS總線的傳輸性能、支持AUTBUS總線儀表設備的穩定性和可靠性，為油氣管道行業全面國產化替代推廣應用提供了有效的技術支撐和測試平臺。

參考文獻

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

［2］蘇盤社，薛兆井.AUTBUS總線介紹及智慧燈桿系統中的應用［J］.電子技術與軟件工程，2020（17）：17-18.

［3］楊昌群，林祥，汪濤，等.雙環網冗余的PLC系統在油氣管道中的應用［J］.中國儀器儀表，2020（5）：30-33.

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