POWERLINK在油氣田井口數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中應(yīng)用的初步探究

曹慶年，劉燕峰，孟開元

（西安石油大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，西安710065）

0 引 言

時下，自動化技術(shù)表現(xiàn)出飛速發(fā)展勢頭，并在各個領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正相繼涌現(xiàn)，且各具獨(dú)特技術(shù)優(yōu) 勢， 如 ModbusTCP／IP、 ProfiNet、 Ethernet／IP、POWERLINK等等。其中，POWERLINK憑借其確定性強(qiáng)、實(shí)時性好、協(xié)議開源、無需任何授權(quán)費(fèi)用業(yè)已成為工業(yè)以太網(wǎng)的代表［1］。POWERLINK的如上諸多特性，則使其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用中成為關(guān)注焦點(diǎn)，例如自動化生產(chǎn)、高精度運(yùn)動控制、數(shù)據(jù)監(jiān)控與通信等等。為了加速推進(jìn)中國石油油氣生產(chǎn)信息化建設(shè)，實(shí)現(xiàn)油氣生產(chǎn)管理水平的提升，以及工業(yè)化與信息化的有效融合，《中國石油“十二五”信息技術(shù)總體規(guī)劃》提出了建設(shè)油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)［2］。本文主要針對油氣田井口數(shù)據(jù)的采集與傳輸方式是否可以使用POWERLINK技術(shù)這一問題做出如下的探討與論述。

1 Modbus的弊端

在現(xiàn)今的油氣田生產(chǎn)現(xiàn)場中，絕大多數(shù)儀器儀表都采用傳統(tǒng)的Modbus總線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。但隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，智慧油田設(shè)想的問世，Modbus技術(shù)卻已在限制和制約著智慧油田的良性發(fā)展。文中將Modbus與POWERLINK進(jìn)行比較，比較后的結(jié)果詳見表1。

表1 POWERLINK與傳統(tǒng)的Modbus總線比較Tab.1 ComparisonbetweenPOWERLINK andtraditional Modbus bus

由表1可見，對Modbus與POWERLINK對比后的結(jié)果擬做解析分述如下。

（1）在物理層方面。Modbus采用RS-485通信接口，而POWERLINK則采用IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，這就說明，只要有以太網(wǎng)的地方，就可以實(shí)現(xiàn)POWERLINK，同時能夠高效接入到互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中去。

（2）在傳輸速率方面。Modbus的10 Mbps速率是完全可以滿足以前的生產(chǎn)要求的，但是伴隨著工業(yè)生產(chǎn)的智能化與數(shù)字化的潮流走向，數(shù)據(jù)量的增加卻使得其速率達(dá)到了瓶頸，從而也限制了工業(yè)生產(chǎn)的高速發(fā)展。

（3）在最小循環(huán)周期方面。Modbus需要10 ms時間，而在現(xiàn)今的生產(chǎn)中，10 ms已經(jīng)是一個相對較長的時間了，同時隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，循環(huán)周期可能會更長，這就對生產(chǎn)的安全性、可靠性、時效性都將產(chǎn)生巨大的影響。

（4）在節(jié)點(diǎn)傳輸距離和延遲等方面。Modbus與POWERLINK也有著明顯差距，而工業(yè)生產(chǎn)中對時間、速率、安全性、可靠性的要求卻越發(fā)嚴(yán)格。

綜上分析論述后可知，Modbus技術(shù)已難以滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展需求。

2 POWERLINK與A11系統(tǒng)概述

2.1 POWERLINK

POWERLINK本身是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)，物理層遵循IEEE802.3協(xié)議。因此參照前文分析可知，只要存在以太網(wǎng)接口設(shè)備，就可以實(shí)現(xiàn)POWERLINK。同時POWERLINK的應(yīng)用層采用了CANopen協(xié)議，該協(xié)議使用了對象字典，還規(guī)定了過程數(shù)據(jù)對象（PDO）、服務(wù)數(shù)據(jù)對象（SDO）、網(wǎng)絡(luò)管理等多種通訊機(jī)制［3］。研發(fā)可得其OSI模型如圖1所示。

不僅如此，POWERLINK的設(shè)計優(yōu)越性還表現(xiàn)在如下方面：例如 0.1 μs 系統(tǒng)同步、100 μs 循環(huán)時間、100 Mbps帶寬、240個節(jié)點(diǎn)等等，即使在極短循環(huán)下也可以進(jìn)行大量數(shù)據(jù)吞吐。同時，其交叉通信、多路復(fù)用、異步數(shù)據(jù)等特色也使其在工業(yè)控制領(lǐng)域中發(fā)揮著更加出色的作用。更進(jìn)一步地，POWERLINK還可支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如，星形、樹形、總線形、環(huán)形等結(jié)構(gòu)，以及這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的任意組合［5］。

2.2 A11 系統(tǒng)

為了推進(jìn)國內(nèi)油氣田生產(chǎn)信息化建設(shè)，A11系統(tǒng)在“十二五”中即獲提出。該系統(tǒng)規(guī)范中指出，在油氣生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，應(yīng)堅持規(guī)劃、標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計、投資、建設(shè)、管理相統(tǒng)一的原則，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，綜合考慮油氣田生產(chǎn)現(xiàn)狀與發(fā)展前景，建設(shè)低成本、高效益、生產(chǎn)過程全自動的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控子系統(tǒng)（data acquisition and control system）、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)（data transmission system）、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)（production monitoring and management system）三大部分，各個子系統(tǒng)功能職責(zé)劃分參見表2。

表2 A11系統(tǒng)的三大部分Tab.2 Three parts of A11 system

3 POWERLINK與井口數(shù)據(jù)的傳輸

在油氣田的生產(chǎn)現(xiàn)場，井口數(shù)據(jù)居于核心位置，例如，溫度、壓力、載荷、角位移等等，每一項指標(biāo)是否在合理、正常的范圍內(nèi)，對整個生產(chǎn)過程都有著至關(guān)重要的意義。在數(shù)據(jù)采集的過程中，由于井口數(shù)據(jù)單元較多，設(shè)備的響應(yīng)時間也不一致，如抽油機(jī)一次運(yùn)動的時間需數(shù)分鐘，如何及時獲取這些數(shù)據(jù)，并在第一時間調(diào)取相應(yīng)操作，是保證順利安全生產(chǎn)的首要任務(wù)。對此可展開研究闡釋如下。

3.1 POWERLINK的多路復(fù)用機(jī)制

在節(jié)點(diǎn)數(shù)量多，數(shù)據(jù)采集周期不確定的生產(chǎn)環(huán)境中，POWERLINK采用多路復(fù)用機(jī)制進(jìn)行處理。多路復(fù)用致力于解決系統(tǒng)設(shè)備的快慢問題。在系統(tǒng)配置時，將現(xiàn)場設(shè)備分為快速設(shè)備和慢速設(shè)備。對于快速設(shè)備而言，將在每個周期進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；而對于慢速設(shè)備，即可根據(jù)其運(yùn)行周期（設(shè)備自身運(yùn)行周期），在每隔1-N個周期（系統(tǒng)周期）進(jìn)行采集。如圖3所示。在圖3中，a代表周期中的異步數(shù)據(jù)。1和2是快速設(shè)備，每個系統(tǒng)周期進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新采集；3與4、5與6都是慢速設(shè)備，采用多路復(fù)用機(jī)制，分別在2個不同周期復(fù)用同一時間槽。

圖2 多路復(fù)用機(jī)制Fig.2 Multiplexing mechanism

3.2 定時主動上報模式（PRC技術(shù)）

傳統(tǒng)的Modbus總線技術(shù)采用請求—應(yīng)答模式采集數(shù)據(jù)，只有管理員請求數(shù)據(jù)時，井口控制器才會做出響應(yīng)。而在油氣田生產(chǎn)過程中，井口數(shù)據(jù)正常即是保證安全生產(chǎn)的頭等大事，若井口數(shù)據(jù)異常，管理人員應(yīng)在第一時間得到消息。POWERLINK采用輪詢序列技術(shù)（Poll Request Chaining Technology，PRC），研究了定時主動上報模式，在通信開始前，需要配置從站參數(shù)，告知每個從站應(yīng)在循環(huán)周期的哪一個時刻上報［6］。由于其循環(huán)周期時間很短，所以每一次的主動上報幾乎都可以做到實(shí)時。

3.3 POWERLINK傳輸井口數(shù)據(jù)

在引入上述的2個POWERLINK通信機(jī)制，也就是多路復(fù)用機(jī)制與定時主動上報模式的基礎(chǔ)上，就可以啟用一定的技術(shù)分類策略來進(jìn)行井口數(shù)據(jù)的傳輸。研究內(nèi)容具體如下。

（1）依據(jù)現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行周期，將數(shù)據(jù)分為短周期數(shù)據(jù)和長周期數(shù)據(jù)。其中，短周期數(shù)據(jù)指采集周期短，需要在每個POWERLINK周期內(nèi)進(jìn)行采集的數(shù)據(jù)，例如井口溫度、壓力等常規(guī)數(shù)據(jù)；長周期數(shù)據(jù)指設(shè)備運(yùn)行周期長、采集時間間隔大的數(shù)據(jù)，例如抽油機(jī)功圖數(shù)據(jù)，就需要一個抽油機(jī)運(yùn)行周期才能結(jié)束采集。按照這種分類方式，可以采用多路復(fù)用機(jī)制：短周期數(shù)據(jù)在每個POWERLINK周期進(jìn)行傳輸，長周期數(shù)據(jù)則多路復(fù)用一個時間槽，分別在不同的周期中進(jìn)行傳輸。這樣一來，不僅提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率，還避免了可能造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞。

（2）依據(jù)數(shù)據(jù)時效性，分為緊急數(shù)據(jù)和非緊急數(shù)據(jù)。其中，非緊急數(shù)據(jù)指井口一些計量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)大多對生產(chǎn)安全不具實(shí)質(zhì)決定性影響；緊急數(shù)據(jù)指那些對生產(chǎn)環(huán)節(jié)有重大影響的數(shù)據(jù)，例如，井口溫度、壓力等，緊急數(shù)據(jù)的異常，可能造成現(xiàn)場發(fā)生事故，所以就需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的采集與監(jiān)測。按照這種分類方式，研究采用定時主動上報模式。在此種模式下，井口控制單元在尚未收到采集命令的時候，也會主動提交這些數(shù)據(jù)，保證管理人員能夠第一時間獲取最新的數(shù)據(jù)，啟用正確的操作，避免事故的發(fā)生。

在前文分析基礎(chǔ)上可推證得出，POWERLINK在井口數(shù)據(jù)的傳輸中有著自身獨(dú)特的優(yōu)勢與方式，從而能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，并且保證生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全。

4 結(jié)束語

綜上所述，與傳統(tǒng)的總線技術(shù)Modbus相比，POWERLINK技術(shù)無論在通信效率、通信距離上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越Modbus。POWERLINK基于以太網(wǎng)的底層以及其免費(fèi)開源等優(yōu)良性質(zhì)，讓使用者僅需耗費(fèi)很低的成本，卻用很快的速度將其實(shí)現(xiàn)。本文又結(jié)合A11系統(tǒng)與油氣田井口數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，通過論述POWERLINK多路復(fù)用機(jī)制和定時主動上報模式，闡明了POWERLINK在油氣田井口數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計中能夠發(fā)揮更大的作用，為下一步將POWERLINK技術(shù)應(yīng)用于井口控制器提供有益的參考與借鑒。