基于自動化系統(tǒng)的智能儲氣庫建設(shè)探索

張磊

（中油（新疆）石油工程有限公司設(shè)計分公司，新疆克拉瑪依，834000）

0 引言

本文重點介紹基于自動化系統(tǒng)的智能儲氣庫的基礎(chǔ)架構(gòu)、組成及功能；在現(xiàn)有自動化系統(tǒng)基礎(chǔ)上，完善數(shù)據(jù)采集和物聯(lián)網(wǎng)覆蓋，分步實施，逐步形成自動化數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，探索全面建成智能儲氣庫的思路和方法。

1 儲氣庫現(xiàn)狀

儲氣庫在開發(fā)建設(shè)過程中，配套建成了自動化控制系統(tǒng)和全覆蓋的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；采用SCADA、DCS、ESD、F&GS等系統(tǒng)對集注站、集配站及單井的生產(chǎn)過程和安全環(huán)保進(jìn)行集中監(jiān)測、控制和調(diào)度管理，井場、集配站、集注站均已實現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。充分依托已建系統(tǒng)識別、采集、傳遞、輸出的數(shù)據(jù)，建立“無人值守+中心控制”生產(chǎn)管理模式，實現(xiàn)了人力資源的高度優(yōu)化整合。

但隨著儲氣庫規(guī)模變大，面臨成本、安全、環(huán)保、深化改革等諸多挑戰(zhàn)，對自動化系統(tǒng)的數(shù)字化和智能化建設(shè)提出了更高要求。為此，初步建成自動化數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，是解決諸多挑戰(zhàn)的重要手段；同時，進(jìn)一步融合MES、ERP等子系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)建成國內(nèi)一流的智能化的儲氣庫目標(biāo)。

2 總體目標(biāo)

儲氣庫擬將建成覆蓋生產(chǎn)運行、經(jīng)營管理、安全環(huán)保全領(lǐng)域的智能化應(yīng)用，形成具有數(shù)字化、自動化、協(xié)同化、智能化的生態(tài)運營模式。

堅持分步實施原則。先期完善智能數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的智能分析，初步建成自動化數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)；然后根據(jù)儲氣庫實際需求，建設(shè)各類智能應(yīng)用；研究數(shù)據(jù)共享，以及跨專業(yè)、跨領(lǐng)域的協(xié)同，結(jié)合MES、ERP等子系統(tǒng)，最終實現(xiàn)儲氣庫決策方案智能優(yōu)化、生產(chǎn)過程智能操控、生產(chǎn)運行智能指揮、經(jīng)營管理精益高效、安全謊報智能管控的目標(biāo)。

3 自動化數(shù)字智能儲氣庫的基本組成及功能

根據(jù)儲氣庫建設(shè)規(guī)模和現(xiàn)狀，基礎(chǔ)架構(gòu)擬由數(shù)據(jù)采集層（智能儀表、智能設(shè)備）、數(shù)據(jù)傳輸層（SCADA、DCS、壓縮機(jī)UCS、能耗采集服務(wù)器、無線網(wǎng)）、分析應(yīng)用層（切合生產(chǎn)運行的分析管理應(yīng)用）、運營管理層（只提供接口及數(shù)據(jù)，由上級管理單位開發(fā)設(shè)計）的四個層級進(jìn)行構(gòu)建。

3.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層建設(shè)充分利用儲氣庫已建的智能儀表、智能閥門、以及其他智能設(shè)備，采集傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量、物位等生產(chǎn)過程參數(shù)，同時采集儀表和設(shè)備的狀態(tài)信息和診斷數(shù)據(jù)。覆蓋全面的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備信息的采集，是智能儲氣庫建設(shè)的基礎(chǔ)。

圖1 自動化數(shù)字智能儲氣庫的基本組成及功能

數(shù)據(jù)采集層設(shè)置的各類智能檢測設(shè)備，實時提供全面的生產(chǎn)運營信息，包括生產(chǎn)過程信息、設(shè)備的可靠性信息、能耗效率信息、安全環(huán)保等信息。以此為基礎(chǔ)，大量數(shù)據(jù)將傳遞到分析應(yīng)用層和運營層，通過專業(yè)的應(yīng)用軟件集成新算法、行業(yè)知識和專業(yè)技術(shù)來解讀這些數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換成為可執(zhí)行的信息，從而使操作人員能夠就潛在問題進(jìn)行快速響應(yīng)，并為生產(chǎn)決策提供可靠的依據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸層

數(shù)據(jù)傳輸層建設(shè)是通過利用儲氣庫已建的SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)、F&GS系統(tǒng)，以及集配站站控系統(tǒng)（PLC）和井口RTU系統(tǒng)的I/O通道，對現(xiàn)場儀表采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸處理；包括壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)，待建的能耗采集服務(wù)器等。

同時，設(shè)置多路HART信號轉(zhuǎn)換器，從已建智能儀表接入各自控制系統(tǒng)機(jī)柜進(jìn)線端分離出設(shè)備的數(shù)字信號，傳遞至智能設(shè)備管理系統(tǒng)。后續(xù)完善關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集時，也可采用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)傳輸層的主要功能是將生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、安全環(huán)保數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等傳遞至各自控制與安全系統(tǒng)內(nèi)，或傳遞至功能數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

3.3 分析應(yīng)用層

分析應(yīng)用層主要由以下幾個部分構(gòu)成：

1）基本控制模塊：主要包括已建的SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、ESD系統(tǒng)、F&GS系統(tǒng)，以及集配站站控系統(tǒng)（PLC）和井口RTU的控制單元，操作站和工程師站；壓縮機(jī)的UCS系統(tǒng)的控制單元和工作站。

基本控制模塊主要完成生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集、自動控制、安全保護(hù)等功能，目前已全部實現(xiàn)。

2）控制提升模塊主要包括三個部分：第一是報警管理工作站及相應(yīng)軟件；第二是基于DCS系統(tǒng)的先進(jìn)控制（APC）及優(yōu)化控制軟件包；第三是基于壓縮機(jī)UCS系統(tǒng)的機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測工作站及故障分析診斷軟件。

根據(jù)控制提升模塊的三方面配置；報警管理主要實現(xiàn)將各自控制系統(tǒng)分散報警信息集中在統(tǒng)一平臺下進(jìn)行報警管理。APC先進(jìn)控制主要利用先進(jìn)的控制策略（如模糊控制、預(yù)測控制等），處理常規(guī)控制效果不好，甚至無法控制的控制問題，提高控制精度和效果。壓縮機(jī)機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)遠(yuǎn)程對壓縮機(jī)進(jìn)行故障診斷、預(yù)防性維護(hù)，確保關(guān)鍵設(shè)備的健康運行。

3）資產(chǎn)管理平臺：主要包括智能儀表管理系統(tǒng)的工作站以及相應(yīng)的各類型儀表分析診斷管理軟件；針對壓縮機(jī)、機(jī)泵、空冷器、換熱器等動/靜設(shè)備的管理工作站以及相應(yīng)的診斷、健康管理軟件；基于設(shè)備管理系統(tǒng)的可靠性分析和備件管理。

智能儀表管理系統(tǒng)是針對智能儀表、智能閥門定位器等進(jìn)行遠(yuǎn)程在線組態(tài)、調(diào)試、校驗管理、健康診斷及數(shù)據(jù)庫事件紀(jì)錄的智能設(shè)備管理系統(tǒng)，它通過使用最新的儀表診斷技術(shù)來提高智能設(shè)備的可靠性以及可利用率，避免因儀表和閥門故障引發(fā)的非計劃停車；實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和前攝性維護(hù)的先進(jìn)管理功能，減少備品備件的使用，提高儲氣庫的盈利率，減少維護(hù)及管理人員。

智能儀表管理系統(tǒng)支持遠(yuǎn)程訪問應(yīng)用，在確保系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)上，遠(yuǎn)程用戶可以通過局域網(wǎng)連接等方式，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視或控制，從而滿足用戶對過程的遠(yuǎn)程組態(tài)、操作、診斷、維護(hù)等要求。

設(shè)備管理系統(tǒng)是對重要設(shè)備（如壓縮機(jī)、機(jī)泵等）運行的實時健康狀態(tài)監(jiān)測、性能監(jiān)測，實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)，提高設(shè)備運行效率，降低或避免意外停車。提高資產(chǎn)利用率、減少設(shè)備故障、降低維護(hù)成本、降低備品備件庫存，實現(xiàn)資產(chǎn)管理的智能化。

可靠性分析主要是利用設(shè)備管理系統(tǒng)已采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)、趨勢分析及潛在故障定位、報警分析、預(yù)測性維護(hù)等功能。

備件管理功能主要是記錄設(shè)備的備件信息，以及備件的庫存、使用情況；提供給用戶查詢界面，用戶可以根據(jù)備件編號或者備件名稱對備品備件進(jìn)行查詢。

4）能耗管理平臺：能耗管理模塊主要包括兩部分，分別是能耗監(jiān)控功能和能耗分析功能，其中能耗監(jiān)控主要以電耗、進(jìn)/出天然氣量為主；設(shè)備主要是針對壓縮機(jī)、空冷器等大能耗設(shè)備為主。各個用電量的數(shù)據(jù)采集接入能耗管理平臺；天然氣的進(jìn)/出量的數(shù)據(jù)由SCADA系統(tǒng)導(dǎo)入。

能耗管理平臺主要實現(xiàn)能耗在線監(jiān)測、計量，以及對重點設(shè)備的效率監(jiān)測和分析。通過對設(shè)備能耗的對比分析，分析出最高能耗設(shè)備及其占比，比如設(shè)備時段能耗占比，能耗消耗項占比，所有設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)對比，裝置的能耗數(shù)據(jù)對比等。同時，通過配置設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，來確定監(jiān)控指標(biāo)；或通過監(jiān)控指標(biāo)的實際數(shù)值變化和能耗的變化，取最優(yōu)運行參數(shù)設(shè)置。

5）人員管理模塊：主要包括OTS模擬仿真系統(tǒng)服務(wù)器、培訓(xùn)操作站和配套軟件；人員巡檢和定位工作站及軟件。

模擬仿真是一種虛擬化且基于軟件的表現(xiàn)形式，通過模擬仿真技術(shù)，可實現(xiàn)虛擬工廠與真實工廠同步運行，從而提高操作人員的技能。模擬仿真為工作人員在現(xiàn)場之外，構(gòu)建了一個不影響真實流程的、無風(fēng)險的環(huán)境來獲得控制室的真實操作體驗，包括設(shè)備的啟動和關(guān)閉，以及安全有效地管理和處理異常情況。這樣可以確保裝置在實際投用前，通過虛擬方式實時且無風(fēng)險地提高工人技能，并通過測試對流程進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得可衡量的收益。例如使得調(diào)試和投產(chǎn)更順利、減少能耗、優(yōu)化設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、提高工廠安全性等。

定位功能提供人員及車輛定位管理，包括基本信息查詢、移動軌跡追蹤、行動軌跡回放等，針對人員在崗、離崗、串崗人員及越界、滯留等情況提供及時告警，實時獲取現(xiàn)場信息。

6）遠(yuǎn)程服務(wù)模塊：遠(yuǎn)程專家支持系統(tǒng)通過定期的數(shù)據(jù)收集和分析，可以給出關(guān)鍵設(shè)備的運行趨勢分析報告，并提供專家解決方案來優(yōu)化控制，設(shè)備預(yù)警，真正實現(xiàn)預(yù)前性的專家級的設(shè)備維護(hù)和診斷。有效地幫助用戶提高生產(chǎn)運行效率，降低設(shè)備維修成本，減少非計劃停車時間。

遠(yuǎn)程專家能夠通過安全的數(shù)據(jù)連接和云平臺獲得數(shù)據(jù)，無論他們身在何處，無需親臨生產(chǎn)現(xiàn)場，就能檢查和分析關(guān)鍵設(shè)備的數(shù)據(jù)。

7）智能配電模塊和CCTV模塊。

智能配電整體解決方案確保供電連續(xù)性和可靠性；統(tǒng)一管理分散設(shè)備，有效提升管理效率；賦能用戶對設(shè)備進(jìn)行高效的資產(chǎn)管理，智能運維和數(shù)字服務(wù)。

CCTV模塊實現(xiàn)生產(chǎn)過程的可視化管理，安防管理等功能。

4 先期實施內(nèi)容

4.1 數(shù)據(jù)采集層完善

數(shù)據(jù)采集層的智能儀表設(shè)備數(shù)字化采集建設(shè)是智能儲氣庫建設(shè)的重點，計劃實施如下：

1）將已建井場、集配站、集注站智能儀表的設(shè)備信息通過總線方式（如Hart等）進(jìn)行采集。

2）關(guān)鍵流程安全閥和手動放空閥狀態(tài)監(jiān)測。通過在安全閥或手動放空閥后管線上設(shè)置非浸入式無線聲波變送器，可有效的監(jiān)測安全閥的動作和泄露事件。

3）物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集完善；如各類能耗數(shù)據(jù)采集、UPS數(shù)據(jù)信息采集、調(diào)節(jié)閥電氣定位器數(shù)據(jù)采集、以及完善儀表檢測點和控制點。

4.2 分析應(yīng)用層建設(shè)

分析應(yīng)用層計劃建設(shè)擬包括三部分內(nèi)容：

1）資產(chǎn)管理平臺的搭建，主要完成智能儀表管理系統(tǒng)的建設(shè)，設(shè)置智能儀表設(shè)備管理工作站（兼服務(wù)器）及配套通訊設(shè)備、相關(guān)軟件。初步實現(xiàn)智能儀表設(shè)備的數(shù)字化、智能化、可預(yù)測性的分析管理，建立自動化系統(tǒng)數(shù)字化智能平臺。

2）能耗管理平臺的搭建，主要完成能耗數(shù)據(jù)采集監(jiān)測和能耗分析兩部分功能，能耗數(shù)據(jù)采集擬設(shè)置服務(wù)器進(jìn)行電量和氣量的數(shù)據(jù)實時采集、處理；能耗管理分析平臺擬建設(shè)工作站平臺，配套相關(guān)軟件，完成能耗數(shù)據(jù)的管理、比對、分析和計量。

3）報警管理及優(yōu)化模塊的建設(shè)，主要通過采集SCADA/DCS/ESD/F&GS各個系統(tǒng)報警信息，統(tǒng)一集成到一個平臺進(jìn)行報警、優(yōu)化、管理。設(shè)置報警工作站及相關(guān)軟件。

5 后續(xù)實施的建議

智能儲氣庫的建設(shè)不是一蹴而就，應(yīng)該是長期的，分階段的逐步完善和實現(xiàn)。因此，要實現(xiàn)覆蓋生產(chǎn)運行、經(jīng)營管理、安全環(huán)保全領(lǐng)域的智能化應(yīng)用，需要考慮以下二方面的工作：

1）上級公司或儲氣庫管理層進(jìn)行的頂層設(shè)計，統(tǒng)領(lǐng)統(tǒng)籌各方面、各層次。

2）以自動化系統(tǒng)為抓手，逐步完善自動化數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)。

3）以人工智能技術(shù)為核心，支持地下、生產(chǎn)、安全、經(jīng)營等全領(lǐng)域綜合研究，多學(xué)科、跨部門的智能協(xié)同，智能數(shù)據(jù)共享，智能融合，實現(xiàn)智能儲氣庫建設(shè)的最終目標(biāo)。

6 結(jié)語

智能儲氣庫建設(shè)沒有標(biāo)準(zhǔn)的模板和架構(gòu)，面對各種繽紛絢爛的數(shù)字化、智能化建設(shè)思潮，如何有效的選擇并逐步實施，對用戶、設(shè)計單位都難以抉擇。本文提出以自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)，逐步建成自動化數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)，可操作性和可實施性較強(qiáng)，既可以解決用戶目前面臨的挑戰(zhàn)和壓力，又為全面建成智能儲氣庫打下堅實基礎(chǔ)。