進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，整個(gè)石油天然氣行業(yè)都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，伴隨著中國(guó)、印度發(fā)展所帶動(dòng)的石油天然氣資源需求快速增長(zhǎng)卻是已探明儲(chǔ)量和質(zhì)量的下降。據(jù)據(jù)2007年BP能源的統(tǒng)計(jì)，截至2006年底，全球石油探明儲(chǔ)量12082億桶，同比下降0.1%，可供開(kāi)采41年。在這種形勢(shì)下，美Chevron石油公司的CEO David J. O’Reilley指出了“輕易獲取石油資源的時(shí)代已經(jīng)一去不返了，現(xiàn)在我們需要新的技術(shù)和投資以保證未來(lái)石油的持續(xù)供應(yīng)”。這類(lèi)原先在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用上一直處于相對(duì)保守的石油天然氣公司，不得不開(kāi)始通過(guò)引入創(chuàng)新的科技與產(chǎn)品，以盡可能的擴(kuò)大已有油田的產(chǎn)能、提高生產(chǎn)或配送效率，或者進(jìn)一步發(fā)展深海勘探。其中，最直接的方式就是提高從勘探到生產(chǎn)各領(lǐng)域的自動(dòng)化系統(tǒng)性能，將新技術(shù)與已有設(shè)備的集成同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本的降低。本文討論石油天然氣行業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)所面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)，及基于新一代工業(yè)測(cè)控平臺(tái)——PAC可編程自動(dòng)化控制器的解決方案。

為石油天然氣測(cè)控應(yīng)用選擇合適的平臺(tái)－PAC

盡管可編程邏輯控制器PLC能夠滿(mǎn)足石油天然氣行業(yè)的很多傳統(tǒng)測(cè)控需求，但是當(dāng)面對(duì)復(fù)雜開(kāi)采和生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化等應(yīng)用所需的高級(jí)的測(cè)量以及控制算法時(shí)，PLC受其處理能力和運(yùn)行架構(gòu)的限制就顯的力不從心。而基于PC或者定制專(zhuān)用設(shè)備的控制方式，往往無(wú)法適應(yīng)油田等惡劣環(huán)境對(duì)相應(yīng)安全等級(jí)的要求。對(duì)傳統(tǒng)工具的另一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)是，工程師在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中缺乏統(tǒng)一高效的軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)不同硬件對(duì)象的應(yīng)用功能，以及與企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)等信息系統(tǒng)連接，實(shí)現(xiàn)更高效的管理。隨著項(xiàng)目要求的不斷復(fù)雜，企業(yè)難以擁有能夠熟系所有功能的開(kāi)發(fā)人員，而這些不同對(duì)象間的集成與維護(hù)成本也變得越來(lái)越高。

PAC可編程自動(dòng)化控制器的誕生，為上述挑戰(zhàn)提供了很好的解決方法。在一個(gè)開(kāi)放靈活的軟件架構(gòu)（如NI LabVIEW）下PAC結(jié)合了PLC的可靠性以及PC的多功能性（如圖1）。用戶(hù)可以用統(tǒng)一的開(kāi)發(fā)方式實(shí)現(xiàn)的高級(jí)的測(cè)量與控制、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)記錄以及網(wǎng)絡(luò)通信等各類(lèi)應(yīng)用。

圖1 NI PAC平臺(tái)架構(gòu)

目前，PAC平臺(tái)憑借這些優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在石油天然氣行業(yè)得到了較廣泛的應(yīng)用，例如，Noble公司在受控方向鉆探系統(tǒng)中使用NI PAC控制器，很好的解決了傳統(tǒng)PLC因運(yùn)行復(fù)雜控制算法能力不足而需要操作員人工介入與基于專(zhuān)用控制器成本較高、集成度與可靠性低的矛盾。綜合起來(lái)，PAC平臺(tái)在石油天然氣行業(yè)的應(yīng)用，可以帶來(lái)以下優(yōu)勢(shì)：

擴(kuò)展傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的性能

在石油天然氣行業(yè)中，自動(dòng)化系統(tǒng)常見(jiàn)任務(wù)是油田的各種設(shè)施的工作狀態(tài)、油品相關(guān)數(shù)據(jù)（通常包括溫度，壓力，流量，振動(dòng)，超聲等）的測(cè)量，然后采取相應(yīng)的分析和控制策略。受地理特性影響，系統(tǒng)分布范圍廣，設(shè)備間需要具備抗惡劣環(huán)境的通信和遠(yuǎn)程管理能力。相比傳統(tǒng)的PLC或DCS系統(tǒng)，PAC平臺(tái)結(jié)合了半導(dǎo)體技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展成果，從而能夠帶來(lái)高級(jí)的測(cè)量（高精度與速度，與多種常用傳感器的直接連接），高級(jí)的控制（PID，模糊邏輯或自定制的復(fù)雜控制算法，更快的處理速度）以及強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理與通信功能。石油天然氣領(lǐng)域的各大廠商將PAC平臺(tái)的這些特性應(yīng)用到其自動(dòng)化系統(tǒng)中，直接帶來(lái)了生產(chǎn)效率和可靠性的提高。

在傳輸過(guò)程中，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，石油公司都使用單一的管道來(lái)混合輸送液態(tài)烴和油氣，這種情況下，液態(tài)趨向于在傾斜管道部分大量累積造成段塞，導(dǎo)致產(chǎn)量降低，同時(shí)氣態(tài)被相應(yīng)壓縮，當(dāng)?shù)竭_(dá)出口時(shí)產(chǎn)生的氣涌可能進(jìn)一步破壞末端的系統(tǒng)設(shè)備。不久前，Shell全球解決方案公司推出了一套新的控制策略，希望能加入已有控制系統(tǒng)以達(dá)到更好的系統(tǒng)可靠性，但是鑒于該額外控制算法的復(fù)雜度，憑借現(xiàn)有的PLC和DCS工具來(lái)完成實(shí)非易事。為此他們嘗試使用NI PAC平臺(tái)， 借助LabVIEW的圖形化開(kāi)發(fā)方式及其控制與系統(tǒng)仿真工具包，很快的完成了算法的驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)，然后將應(yīng)用程序直接下載到NI FieldPoint PAC系統(tǒng)上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)流量、壓力等的實(shí)時(shí)采集和控制決策，以及與已有系統(tǒng)間的通信和任務(wù)的遠(yuǎn)程操作，確保了當(dāng)控制模式改變時(shí)正確而又快速的抑制段塞。

圖2 Shell基于NI PAC的段塞抑制控制系統(tǒng)

降低系統(tǒng)復(fù)雜度

使用傳統(tǒng)PLC時(shí)，工程師必須熟悉邏輯編程工具和HMI開(kāi)發(fā)包，另外如果需要運(yùn)動(dòng)控制，機(jī)器視覺(jué)等相對(duì)獨(dú)立的的I/O設(shè)備時(shí)，往往依靠各廠家提供的不同工具軟件，集合不同領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)者共同完成。這種開(kāi)發(fā)方式，不僅增加了開(kāi)發(fā)的周期，更是加大了自動(dòng)化集成的復(fù)雜度。工程師需要的是PAC這么一個(gè)開(kāi)放統(tǒng)一的軟硬件平臺(tái)。在軟件平臺(tái)上，可以用統(tǒng)一的方式完成各種復(fù)雜的I/O與控制應(yīng)用，通過(guò)其內(nèi)置的工業(yè)通信協(xié)議或者OPC方式實(shí)現(xiàn)與各種不同類(lèi)型的PLC或者工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備通信。配合PAC強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信和企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)功能，能源公司的自動(dòng)化控制系統(tǒng)能夠與企業(yè)級(jí)的管理信息系統(tǒng)互聯(lián)，管理者能夠了解生產(chǎn)配送過(guò)程的每一個(gè)細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更高效透明的管理，滿(mǎn)足行業(yè)每年以30%-70%增長(zhǎng)的數(shù)字化需求。

PEMEX——全球第五大原油生產(chǎn)商，管理著墨西哥每天價(jià)值30億美金約150桶的原油輸送和分配系統(tǒng)，并通過(guò)各油田的電子測(cè)量設(shè)備來(lái)獲取油量信息數(shù)據(jù)。之前，各分站使用基于不同設(shè)備和內(nèi)網(wǎng)協(xié)議的獨(dú)立管理系統(tǒng)，以電話或Email的方式與主系統(tǒng)協(xié)同。為加強(qiáng)對(duì)各分站的管理，提高系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)性，PEMEX選擇NI LabVIEW平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)集成、低成本的監(jiān)控系統(tǒng)。開(kāi)發(fā)人員很方便的完成基于OPC的設(shè)備通信，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄與報(bào)警，企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接以及各供應(yīng)和分配站的報(bào)告生成。此外，NI PAC硬件系統(tǒng)的高精度測(cè)量與通信功能與其已有系統(tǒng)的直接連接，成本被降到了最低。

在增加靈活性的同時(shí)保證可靠性

由于石油天然氣行業(yè)處理的大多是易燃或有害物質(zhì)，設(shè)備通常需要滿(mǎn)足高溫、高壓或易腐蝕等苛刻的操作條件下的運(yùn)行要求，其對(duì)先進(jìn)技術(shù)的功能和開(kāi)放性需求建立在可靠性、安全性的保證上。PLC或者專(zhuān)用控制單元，由于基于專(zhuān)用架構(gòu)，通常僅具有制造商而不是使用方所認(rèn)為必要的性能。對(duì)于PAC平臺(tái)其基于通用的嵌入式技術(shù)與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的可靠性和功能性也強(qiáng)于非通用的操作系統(tǒng)。另外，對(duì)于NI PAC平臺(tái)更可選用FPGA架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于硬件等級(jí)控制和處理功能，達(dá)到最高等級(jí)的確定性控制。

Ormen Lange天然氣田于1997年在挪威西海岸邊被發(fā)現(xiàn)，在海底氣源與岸上處理工廠管道架設(shè)之前需要對(duì)海床預(yù)處理平整工作，為此Nexans公司研發(fā)了主用的“蜘蛛”機(jī)器人。而勘采現(xiàn)場(chǎng)的條件極其惡劣，這對(duì)完成該項(xiàng)目所使用的工具提出了極大的挑戰(zhàn)。NI CompactRIO PAC控制器位于IP62封裝之中，完成對(duì)機(jī)器人的顛簸補(bǔ)償、絞盤(pán)和功率等實(shí)時(shí)控制，并與LabVIEW主應(yīng)用程序進(jìn)行通信，控制信號(hào)通過(guò)光纖傳遞到1km海下的機(jī)器人執(zhí)行設(shè)備。通過(guò)其上的傳感器、攝像頭的采集信號(hào)，在控制室利用多個(gè)不同的LabVIEW軟件界面屏幕來(lái)展現(xiàn)挖掘的實(shí)時(shí)過(guò)程。這套控制系統(tǒng)，長(zhǎng)期暴露在惡劣的海上環(huán)境中，經(jīng)受著極低的溫度、含鹽的海上空氣和高濕度的考驗(yàn)。

總結(jié)與展望

根據(jù)06年《歐洲的石油？天然氣領(lǐng)域之自動(dòng)化／控制解決方案》的調(diào)查結(jié)論，行業(yè)內(nèi)最新使用的各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)由于其具備的高級(jí)的特性在過(guò)去幾年內(nèi)，相對(duì)傳統(tǒng)系統(tǒng)解決方按獲得了更好的增長(zhǎng)。PAC的軟硬件平臺(tái)，在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，提供更高的測(cè)量和控制能力，更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)性能了傳統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備功能，同時(shí)其開(kāi)放靈活的特點(diǎn)大幅降低了系統(tǒng)集成的復(fù)雜度，從而幫助石油天然氣行業(yè)應(yīng)對(duì)資源日趨稀缺大背景下的各種挑戰(zhàn)。

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