PAC平臺為石油天然氣行業(yè)提供新一代的測控解決方案

引言

進(jìn)入二十一世紀以來(lái)，整個(gè)石油天然氣行業(yè)都面臨著(zhù)巨大的挑戰，伴隨著(zhù)中國、印度發(fā)展所帶動(dòng)的石油天然氣資源需求快速增長(cháng)卻是已探明儲量和質(zhì)量的下降。據據2007年BP能源的統計，截至2006年底，全球石油探明儲量12082億桶，同比下降0.1%，可供開(kāi)采41年。在這種形勢下，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，現在我們需要新的技術(shù)和投資以保證未來(lái)石油的持續供應”。這類(lèi)原先在工業(yè)生產(chǎn)應用上一直處于相對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?？碧?。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)化系統性能，將新技術(shù)與已有設備的集成同時(shí)實(shí)現成本的降低。本文討論石油天然氣行業(yè)自動(dòng)化系統所面對的技術(shù)挑戰，及基于新一代工業(yè)測控平臺——PAC可編程自動(dòng)化控制器的解決方案。

為石油天然氣測控應用選擇合適的平臺－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)的很多傳統測控需求，但是當面對復雜開(kāi)采和生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化等應用所需的高級的測量以及控制算法時(shí)，PLC受其處理能力和運行架構的限制就顯的力不從心。而基于PC或者定制專(zhuān)用設備的控制方式，往往無(wú)法適應油田等惡劣環(huán)境對相應安全等級的要求。對傳統工具的另一個(gè)巨大的挑戰是，工程師在系統開(kāi)發(fā)中缺乏統一高效的軟件平臺實(shí)現不同硬件對象的應用功能，以及與企業(yè)數據庫等信息系統連接，實(shí)現更高效的管理。隨著(zhù)項目要求的不斷復雜，企業(yè)難以擁有能夠熟系所有功能的開(kāi)發(fā)人員，而這些不同對象間的集成與維護成本也變得越來(lái)越高。

PAC可編程自動(dòng)化控制器的誕生，為上述挑戰提供了很好的解決方法。在一個(gè)開(kāi)放靈活的軟件架構（如 NI LabVIEW）下PAC結合了PLC的可靠性以及PC的多功能性(如圖1)。用戶(hù)可以用統一的開(kāi)發(fā)方式實(shí)現的高級的測量與控制、信號處理、數據記錄以及網(wǎng)絡(luò )通信等各類(lèi)應用。

圖1 NI PAC平臺架構

目前，PAC平臺憑借這些優(yōu)勢已經(jīng)在石油天然氣行業(yè)得到了較廣泛的應用，例如， Noble公司在受控方向鉆探系統中使用NI PAC控制器，很好的解決了傳統PLC因運行復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平臺在石油天然氣行業(yè)的應用，可以帶來(lái)以下優(yōu)勢：

擴展傳統自動(dòng)化系統的性能

在石油天然氣行業(yè)中，自動(dòng)化系統常見(jiàn)任務(wù)是油田的各種設施的工作狀態(tài)、油品相關(guān)數據（通常包括溫度，壓力，流量，振動(dòng)，超聲等）的測量，然后采取相應的分析和控制策略。受地理特性影響，系統分布范圍廣，設備間需要具備抗惡劣環(huán)境的通信和遠程管理能力。相比傳統的PLC或DCS系統，PAC平臺結合了半導體技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展成果，從而能夠帶來(lái)高級的測量(高精度與速度，與多種常用傳感器的直接連接)，高級的控制(PID，模糊邏輯或自定制的復雜控制算法，更快的處理速度)以及強大的數據管理與通信功能。石油天然氣領(lǐng)域的各大廠(chǎng)商將PAC平臺的這些特性應用到其自動(dòng)化系統中，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，導致產(chǎn)量降低，同時(shí)氣態(tài)被相應壓縮，當到達出口時(shí)產(chǎn)生的氣涌可能進(jìn)一步破壞末端的系統設備。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以達到更好的系統可靠性，但是鑒于該額外控制算法的復雜度，憑借現有的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, 借助LabVIEW的圖形化開(kāi)發(fā)方式及其控制與系統仿真工具包，很快的完成了算法的驗證實(shí)現，然后將應用程序直接下載到NI FieldPoint PAC系統上運行，實(shí)現了對流量、壓力等的實(shí)時(shí)采集和控制決策，以及與已有系統間的通信和任務(wù)的遠程操作，確保了當控制模式改變時(shí)正確而又快速的抑制段塞。

降低系統復雜度

使用傳統PLC時(shí)，工程師必須熟悉邏輯編程工具和HMI開(kāi)發(fā)包，另外如果需要運動(dòng)控制，機器視覺(jué)等相對獨立的的I/O設備時(shí)，往往依靠各廠(chǎng)家提供的不同工具軟件，集合不同領(lǐng)域經(jīng)驗的開(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)化集成的復雜度。工程師需要的是PAC這么一個(gè)開(kāi)放統一的軟硬件平臺。在軟件平臺上，可以用統一的方式完成各種復雜的I/O與控制應用，通過(guò)其內置的工業(yè)通信協(xié)議或者OPC方式實(shí)現與各種不同類(lèi)型的PLC或者工業(yè)自動(dòng)化設備通信。配合PAC強大的網(wǎng)絡(luò )通信和企業(yè)數據庫互聯(lián)功能，能源公司的自動(dòng)化控制系統能夠與企業(yè)級的管理信息系統互聯(lián)，管理者能夠了解生產(chǎn)配送過(guò)程的每一個(gè)細節，實(shí)現更高效透明的管理，滿(mǎn)足行業(yè)每年以30%-70%增長(cháng)的數字化需求。

PEMEX——全球第五大原油生產(chǎn)商，管理著(zhù)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，并通過(guò)各油田的電子測量設備來(lái)獲取油量信息數據。之前，各分站使用基于不同設備和內網(wǎng)協(xié)議的獨立管理系統，以電話(huà)或Email的方式與主系統協(xié)同。為加強對各分站的管理，提高系統整體協(xié)調性，PEMEX選擇NI LabVIEW平臺構建一個(gè)集成、低成本的監控系統。開(kāi)發(fā)人員很方便的完成基于OPC的設備通信，實(shí)時(shí)數據記錄與報警，企業(yè)數據庫的連接以及各供應和分配站的報告生成。此外，NI PAC硬件系統的高精度測量與通信功能與其已有系統的直接連接，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行要求，其對先進(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，通常僅具有制造商而不是使用方所認為必要的性能。對于PAC平臺其基于通用的嵌入式技術(shù)與實(shí)時(shí)操作系統的可靠性和功能性也強于非通用的操作系統。另外，對于NI PAC平臺更可選用FPGA架構，實(shí)現基于硬件等級控制和處理功能，達到最高等級的確定性控制。

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

總結與展望

根據06年《歐洲的石油天然氣領(lǐng)域之自動(dòng)化／控制解決方案》的調查結論，行業(yè)內最新使用的各種自動(dòng)化控制系統由于其具備的高級的特性在過(guò)去幾年內，相對傳統系統解決方按獲得了更好的增長(cháng)。PAC的軟硬件平臺，在保證系統可靠性的基礎上，提供更高的測量和控制能力，更強的網(wǎng)絡(luò )性能了傳統的自動(dòng)化設備功能，同時(shí)其開(kāi)放靈活的特點(diǎn)大幅降低了系統集成的復雜度，從而幫助石油天然氣行業(yè)應對資源日趨稀缺大背景下的各種挑戰。