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(jì)以來，整個石油天然氣行業(yè)都面臨著巨大的挑戰(zhàn)，伴隨著中國、印度發(fā)展所帶動的石油天然氣資源需求快速增長卻是已探明儲量和質(zhì)量的下降。據(jù)據(jù)2007年BP能源的統(tǒng)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)和投資以保證未來石油的持續(xù)供應(yīng)”。這類原先在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用上一直處于相對保守的石油天然氣公司，不得不開始通過引入創(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)域的自動化系統(tǒng)性能，將新技術(shù)與已有設(shè)備的集成同時實(shí)現(xiàn)成本的降低。本文討論石油天然氣行業(yè)自動化系統(tǒng)所面對的技術(shù)挑戰(zhàn)，及基于新一代工業(yè)測控平臺——PAC可編程自動化控制器的解決方案。

為石油天然氣測控應(yīng)用選擇合適的平臺－PAC

盡管可編程邏輯控制器PLC能夠滿足石油天然氣行業(yè)的很多傳統(tǒng)測控需求，但是當(dāng)面對復(fù)雜開采和生產(chǎn)過程優(yōu)化等應(yīng)用所需的高級的測量以及控制算法時，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或者定制專用設(shè)備的控制方式，往往無法適應(yīng)油田等惡劣環(huán)境對相應(yīng)安全等級的要求。對傳統(tǒng)工具的另一個巨大的挑戰(zhàn)是，工程師在系統(tǒng)開發(fā)中缺乏統(tǒng)一高效的軟件平臺實(shí)現(xiàn)不同硬件對象的應(yīng)用功能，以及與企業(yè)數(shù)據(jù)庫等信息系統(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發(fā)人員，而這些不同對象間的集成與維護(hù)成本也變得越來越高。

PAC可編程自動化控制器的誕生，為上述挑戰(zhàn)提供了很好的解決方法。在一個開放靈活的軟件架構(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)。用戶可以用統(tǒng)一的開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)的高級的測量與控制、信號處理、數(shù)據(jù)記錄以及網(wǎng)絡(luò)通信等各類應(yīng)用。

圖1 NI PAC平臺架構(gòu)

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(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用控制器成本較高、集成度與可靠性低的矛盾。綜合起來，PAC平臺在石油天然氣行業(yè)的應(yīng)用，可以帶來以下優(yōu)勢：

擴(kuò)展傳統(tǒng)自動化系統(tǒng)的性能

在石油天然氣行業(yè)中，自動化系統(tǒng)常見任務(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，超聲等）的測量，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(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平臺的這些特性應(yīng)用到其自動化系統(tǒng)中，直接帶來了生產(chǎn)效率和可靠性的提高。

在傳輸過程中，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，石油公司都使用單一的管道來混合輸送液態(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，同時氣態(tài)被相應(yīng)壓縮，當(dāng)?shù)竭_(dá)出口時產(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)了對流量、壓力等的實(shí)時采集和控制決策，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)控制模式改變時正確而又快速的抑制段塞。

降低系統(tǒng)復(fù)雜度

使用傳統(tǒng)PLC時，工程師必須熟悉邏輯編程工具和HMI開發(fā)包，另外如果需要運(yùn)動控制，機(jī)器視覺等相對獨(dú)立的的I/O設(shè)備時，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)的開發(fā)者共同完成。這種開發(fā)方式，不僅增加了開發(fā)的周期，更是加大了自動化集成的復(fù)雜度。工程師需要的是PAC這么一個開放統(tǒng)一的軟硬件平臺。在軟件平臺上，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)與各種不同類型的PLC或者工業(yè)自動化設(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)庫互聯(lián)功能，能源公司的自動化控制系統(tǒng)能夠與企業(yè)級的管理信息系統(tǒng)互聯(lián)，管理者能夠了解生產(chǎn)配送過程的每一個細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)更高效透明的管理，滿足行業(yè)每年以30%-70%增長的數(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值30億美金約150桶的原油輸送和分配系統(tǒng)，并通過各油田的電子測量設(shè)備來獲取油量信息數(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平臺構(gòu)建一個集成、低成本的監(jiān)控系統(tǒng)。開發(fā)人員很方便的完成基于OPC的設(shè)備通信，實(shí)時數(shù)據(jù)記錄與報警，企業(yè)數(shù)據(jù)庫的連接以及各供應(yīng)和分配站的報告生成。此外，NI PAC硬件系統(tǒng)的高精度測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，其對先進(jìn)技術(shù)的功能和開放性需求建立在可靠性、安全性的保證上。PLC或者專用控制單元，由于基于專用架構(gòu)，通常僅具有制造商而不是使用方所認(rèn)為必要的性能。對于PAC平臺其基于通用的嵌入式技術(shù)與實(shí)時操作系統(tǒng)的可靠性和功能性也強(qiáng)于非通用的操作系統(tǒng)。另外，對于NI PAC平臺更可選用FPGA架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于硬件等級控制和處理功能，達(dá)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(xiàn)，在海底氣源與岸上處理工廠管道架設(shè)之前需要對海床預(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)場的條件極其惡劣，這對完成該項(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，完成對機(jī)器人的顛簸補(bǔ)償、絞盤和功率等實(shí)時控制，并與LabVIEW主應(yīng)用程序進(jìn)行通信，控制信號通過光纖傳遞到1km海下的機(jī)器人執(zhí)行設(shè)備。通過其上的傳感器、攝像頭的采集信號，在控制室利用多個不同的LabVIEW軟件界面屏幕來展現(xiàn)挖掘的實(shí)時過程。這套控制系統(tǒng)，長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化控制系統(tǒng)由于其具備的高級的特性在過去幾年內(nèi)，相對傳統(tǒng)系統(tǒng)解決方按獲得了更好的增長。PAC的軟硬件平臺，在保證系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，提供更高的測量和控制能力，更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)性能了傳統(tǒng)的自動化設(shè)備功能，同時其開放靈活的特點(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)對資源日趨稀缺大背景下的各種挑戰(zhàn)。