現(xiàn)場設(shè)備具備高等級計算功能可以大大增加分布式控制的優(yōu)勢。對生產(chǎn)估算（production estimation）和濕性氣體測量(wet gas measurement)等不同應(yīng)用場合來說,設(shè)備內(nèi)的功能塊編程使這種高等級計算功能很容易實現(xiàn)。為了使讀者對這些具體應(yīng)用有更深入的理解,以下對現(xiàn)場總線系統(tǒng)做一簡略回顧。
現(xiàn)場總線系統(tǒng)其實是為過程自動化設(shè)備構(gòu)建的局域網(wǎng)。該局域網(wǎng)由現(xiàn)場設(shè)備和集成在過程設(shè)施物理環(huán)境中的控制與監(jiān)測裝置所組成,可跨網(wǎng)絡(luò)提供計算能力。分布式智能可以提供基本的調(diào)節(jié)控制、順序控制和個性化的計算例程等功能,當(dāng)然,也仍然可在控制室內(nèi)利用數(shù)字通信技術(shù)進(jìn)行操作或整定�！ �
局域網(wǎng)或業(yè)務(wù)網(wǎng)中的任何計算機應(yīng)用程序都可直接處理來自現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)。這樣,現(xiàn)場層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以利用來支持實時生產(chǎn)優(yōu)化,而無需附加專用設(shè)施�，F(xiàn)場總線技術(shù)要求最終用戶能夠了解、預(yù)測和執(zhí)行現(xiàn)場設(shè)備中的任務(wù)和軟件,而這些現(xiàn)場設(shè)備是超出過程控制范圍的�！ �
現(xiàn)場總線基金會為描述這些系統(tǒng)提供了一個框架,即由一系列物理設(shè)備經(jīng)相互連接而形成的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)�；饡偩�設(shè)備具有互操作性,意即來自不同廠商的設(shè)備可以相互通信,協(xié)同工作。這種互操作性可以通過對諸如壓力、溫度和差壓變送器等現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)的功能塊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化而得以部分實現(xiàn)。
功能塊
功能塊應(yīng)用中自動控制功能的實現(xiàn)方式是：根據(jù)特定的算法和一系列的內(nèi)部控制參數(shù),每一功能塊對實時獲得的輸入?yún)?shù)進(jìn)行計算,得到輸出參數(shù)。功能塊提供了一個通用的結(jié)構(gòu),用來定義模擬輸入（AI）、模擬輸出（AO）和比例積分微分（PID）控制,同時還具有開發(fā)定制功能塊的能力。物理設(shè)備通過激活、連接單一現(xiàn)場設(shè)備或現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個或多個功能塊,可以執(zhí)行部分控制/監(jiān)測策略。在建立分布式的基于現(xiàn)場的控制架構(gòu)時,這能簡化功能塊通用特性的識別。
定制功能塊
基金會現(xiàn)場總線規(guī)范與定義允許廠商自行添加參數(shù)。當(dāng)廠商發(fā)現(xiàn)新的要求時,便可以通過擴充功能塊的定義來加以滿足�！ �
典型的油氣田生產(chǎn)應(yīng)用要求包括了濕性氣體測量和油井開采測量的功能。這些功能由模塊化的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)流量測量算法來實現(xiàn)。
這些流量測量算法由來已久。但在過去,這些算法要由專用的計算單元來處理,這便導(dǎo)致系統(tǒng)成本的增加,以及系統(tǒng)對4~20 mA信號傳輸模式的依賴。對于制造商來說,這些定制的基金會總線功能塊程序可以被移植到其他設(shè)備中,只需添加軟件,而無需增加任何硬件。這樣,用戶就可以利用現(xiàn)場總線進(jìn)行計算,以及對所有設(shè)備中提供相同功能（如壓力、溫度和差壓變送器等功能）的非專用的定制個性化功能塊進(jìn)行組態(tài)�！ �
相對于傳統(tǒng)的分布式控制系統(tǒng)和企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的4~20 mA模擬傳輸模式,現(xiàn)場總線具有更好的信號完整性和準(zhǔn)確性。在不同的功能塊間傳輸?shù)目刂谱兞亢蜏y量變量不僅具有數(shù)值而且還有狀態(tài),通過狀態(tài)可以反映諸如信號質(zhì)量等屬性。而信號質(zhì)量也可以顯示很多信息,例如,一個測量進(jìn)行得好、壞還是不確定（數(shù)值有輕度越界的情況）。
相對于在專用現(xiàn)場設(shè)備和/或附加的室內(nèi)設(shè)備中進(jìn)行計算而言,在普通現(xiàn)場設(shè)備中進(jìn)行計算的好處不只限于改善信號完整性和購買更少的設(shè)備。在測量現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)計算不僅可以減少系統(tǒng)設(shè)備的數(shù)量,而且還增加了系統(tǒng)的可靠性,降低了系統(tǒng)的維護(hù)要求。
應(yīng)用描述
以下應(yīng)用描述雖然不能很全面地反映當(dāng)前現(xiàn)場總線的發(fā)展?fàn)顩r,但舉例說明了模塊化和定制化的基金會總線功能塊的實現(xiàn)方法。這些功能塊是針對多樣化可重復(fù)的應(yīng)用需求而設(shè)計的�！ �
生產(chǎn)估算: 當(dāng)氣液比已知時,液體流速可由壓差計算得到。對于氣舉井而言,氣液比可由測得的舉氣速率、地層油氣比和含水量計算得到。其中地層油氣比和含水量可由試井得到。（見圖1）
該生產(chǎn)估算算法適用于自噴井、氣舉井、ESP井和泵油井。對于氣舉井,流過注氣閥80%~90%的氣體是提升用氣。測得的舉氣速率是生產(chǎn)估算算法的輸入。生產(chǎn)情況的預(yù)測可用于減少測井次數(shù),識別油井的生產(chǎn)狀況變化,不斷地優(yōu)化生產(chǎn),并可以實時生成氣舉性能曲線（gas lift performance curves）。
濕性氣體測量：從測量的角度來說,雖然濕性氣體測量被視為一種單相流測量,但濕性氣體本身是含有液體的氣井蒸汽。當(dāng)含氣率(GVF)大于90%~95%時,液體分率很低。所以,濕性氣體測量只是多相測量的一個子集�！ �
然而,在二相流場中準(zhǔn)確的濕性氣體邊界值并沒有確定。取而代之的是,液體分率由Lockhart-Martinelli (X)參數(shù)表示,當(dāng)X < 0.3時,滿足濕性氣體測量的條件。根據(jù)ISO 5167國際標(biāo)準(zhǔn),這里所采用的流量計是基于壓差測量原理。該流量計使用了一個文氏管裝置,基于單相氣體流速算法和半經(jīng)驗的de Leeuw相關(guān)性算法,用于測量由少量液體所引入的系統(tǒng)誤差。
實施
生產(chǎn)估算: 總采油量和凈采油量經(jīng)驗估計方程可作為生產(chǎn)估算定制功能塊的規(guī)范。對油井性能連續(xù)監(jiān)測而言,FTHP（Flow-line tubing head pressure）和作業(yè)差壓（production differential pressure）設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)基金會現(xiàn)場總線模擬輸入功能塊可作為現(xiàn)場差壓設(shè)備中生產(chǎn)估算功能塊的輸入�！ �
對于氣舉井而言,舉氣管（lift gas line）的壓力數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)由各自的現(xiàn)場設(shè)備模擬輸入功能塊測得,而這些數(shù)據(jù)又會作為各自差壓測量設(shè)備的輸入,用于流補償。依據(jù)ISO 5167標(biāo)準(zhǔn),對體積流量進(jìn)行補償?shù)姆匠炭勺鳛閷崿F(xiàn)ISO 5167定制功能塊的功能規(guī)范。由ISO 5167孔流計算功能塊輸出的“注氣速率”可作為生產(chǎn)估算功能塊的輸入（見圖2）�！ �
濕性氣體測量: de Leeuw濕性氣體相關(guān)性算法可對由于濕性氣體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤進(jìn)行補償,它是de Leeuw定制功能塊的功能規(guī)范。標(biāo)準(zhǔn)基金會現(xiàn)場總線模擬輸入功能塊是ISO 5167定制功能塊的輸入,同時又是de Leeuw定制功能塊的輸入,用來對由于濕性氣體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)錯誤進(jìn)行補償（見圖3）�！ �
通過以上應(yīng)用實例可見,部署在變送器中的基金會現(xiàn)場總線功能塊可以將主要測量數(shù)據(jù)輸入到各自的定制功能塊中。
以上定制功能塊的整體（組合的）塊執(zhí)行時間少于100ms�！ � |
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