基于自动化系统的智能储气库建设探索

2022-10-17张磊

电子测试 2022年16期

关键词：储气库能耗模块

张磊

（中油（新疆）石油工程有限公司设计分公司，新疆克拉玛依，834000）

0 引言

本文重点介绍基于自动化系统的智能储气库的基础架构、组成及功能；在现有自动化系统基础上，完善数据采集和物联网覆盖，分步实施，逐步形成自动化数字生态系统，探索全面建成智能储气库的思路和方法。

1 储气库现状

储气库在开发建设过程中，配套建成了自动化控制系统和全覆盖的工业物联网系统；采用SCADA、DCS、ESD、F&GS等系统对集注站、集配站及单井的生产过程和安全环保进行集中监测、控制和调度管理，井场、集配站、集注站均已实现生产网络覆盖。充分依托已建系统识别、采集、传递、输出的数据，建立“无人值守+中心控制”生产管理模式，实现了人力资源的高度优化整合。

但随着储气库规模变大，面临成本、安全、环保、深化改革等诸多挑战，对自动化系统的数字化和智能化建设提出了更高要求。为此，初步建成自动化数字生态系统，是解决诸多挑战的重要手段；同时，进一步融合MES、ERP等子系统，逐步实现建成国内一流的智能化的储气库目标。

2 总体目标

储气库拟将建成覆盖生产运行、经营管理、安全环保全领域的智能化应用，形成具有数字化、自动化、协同化、智能化的生态运营模式。

坚持分步实施原则。先期完善智能数据的采集，实现数据的智能分析，初步建成自动化数字生态系统；然后根据储气库实际需求，建设各类智能应用；研究数据共享，以及跨专业、跨领域的协同，结合MES、ERP等子系统，最终实现储气库决策方案智能优化、生产过程智能操控、生产运行智能指挥、经营管理精益高效、安全谎报智能管控的目标。

3 自动化数字智能储气库的基本组成及功能

根据储气库建设规模和现状，基础架构拟由数据采集层（智能仪表、智能设备）、数据传输层（SCADA、DCS、压缩机UCS、能耗采集服务器、无线网）、分析应用层（切合生产运行的分析管理应用）、运营管理层（只提供接口及数据，由上级管理单位开发设计）的四个层级进行构建。

3.1 数据采集层

数据采集层建设充分利用储气库已建的智能仪表、智能阀门、以及其他智能设备，采集传统的温度、压力、流量、物位等生产过程参数，同时采集仪表和设备的状态信息和诊断数据。覆盖全面的生产数据、设备信息的采集，是智能储气库建设的基础。

图1 自动化数字智能储气库的基本组成及功能

数据采集层设置的各类智能检测设备，实时提供全面的生产运营信息，包括生产过程信息、设备的可靠性信息、能耗效率信息、安全环保等信息。以此为基础，大量数据将传递到分析应用层和运营层，通过专业的应用软件集成新算法、行业知识和专业技术来解读这些数据，并将其转换成为可执行的信息，从而使操作人员能够就潜在问题进行快速响应，并为生产决策提供可靠的依据。

3.2 数据传输层

数据传输层建设是通过利用储气库已建的SCADA系统、DCS系统、ESD系统、F&GS系统，以及集配站站控系统（PLC）和井口RTU系统的I/O通道，对现场仪表采集的数据进行传输处理；包括压缩机UCS系统，待建的能耗采集服务器等。

同时，设置多路HART信号转换器，从已建智能仪表接入各自控制系统机柜进线端分离出设备的数字信号，传递至智能设备管理系统。后续完善关键数据采集时，也可采用无线网络进行数据传输。

数据传输层的主要功能是将生产运行数据、安全环保数据、能耗数据、机械设备状态监测数据等传递至各自控制与安全系统内，或传递至功能数据库内。

3.3 分析应用层

分析应用层主要由以下几个部分构成：

1）基本控制模块：主要包括已建的SCADA系统、DCS系统、ESD系统、F&GS系统，以及集配站站控系统（PLC）和井口RTU的控制单元，操作站和工程师站；压缩机的UCS系统的控制单元和工作站。

基本控制模块主要完成生产过程的数据采集、自动控制、安全保护等功能，目前已全部实现。

2）控制提升模块主要包括三个部分：第一是报警管理工作站及相应软件；第二是基于DCS系统的先进控制（APC）及优化控制软件包；第三是基于压缩机UCS系统的机械状态监测工作站及故障分析诊断软件。

根据控制提升模块的三方面配置；报警管理主要实现将各自控制系统分散报警信息集中在统一平台下进行报警管理。APC先进控制主要利用先进的控制策略（如模糊控制、预测控制等），处理常规控制效果不好，甚至无法控制的控制问题，提高控制精度和效果。压缩机机械状态监测实现远程对压缩机进行故障诊断、预防性维护，确保关键设备的健康运行。

3）资产管理平台：主要包括智能仪表管理系统的工作站以及相应的各类型仪表分析诊断管理软件；针对压缩机、机泵、空冷器、换热器等动/静设备的管理工作站以及相应的诊断、健康管理软件；基于设备管理系统的可靠性分析和备件管理。

智能仪表管理系统是针对智能仪表、智能阀门定位器等进行远程在线组态、调试、校验管理、健康诊断及数据库事件纪录的智能设备管理系统，它通过使用最新的仪表诊断技术来提高智能设备的可靠性以及可利用率，避免因仪表和阀门故障引发的非计划停车；实现预测性维护和前摄性维护的先进管理功能，减少备品备件的使用，提高储气库的盈利率，减少维护及管理人员。

智能仪表管理系统支持远程访问应用，在确保系统安全性的基础上，远程用户可以通过局域网连接等方式，对现场设备进行监视或控制，从而满足用户对过程的远程组态、操作、诊断、维护等要求。

设备管理系统是对重要设备（如压缩机、机泵等）运行的实时健康状态监测、性能监测，实现预测性维护，提高设备运行效率，降低或避免意外停车。提高资产利用率、减少设备故障、降低维护成本、降低备品备件库存，实现资产管理的智能化。

可靠性分析主要是利用设备管理系统已采集的数据进行分析应用，包括数据分析和机器学习、趋势分析及潜在故障定位、报警分析、预测性维护等功能。

备件管理功能主要是记录设备的备件信息，以及备件的库存、使用情况；提供给用户查询界面，用户可以根据备件编号或者备件名称对备品备件进行查询。

4）能耗管理平台：能耗管理模块主要包括两部分，分别是能耗监控功能和能耗分析功能，其中能耗监控主要以电耗、进/出天然气量为主；设备主要是针对压缩机、空冷器等大能耗设备为主。各个用电量的数据采集接入能耗管理平台；天然气的进/出量的数据由SCADA系统导入。

能耗管理平台主要实现能耗在线监测、计量，以及对重点设备的效率监测和分析。通过对设备能耗的对比分析，分析出最高能耗设备及其占比，比如设备时段能耗占比，能耗消耗项占比，所有设备的能耗数据对比，装置的能耗数据对比等。同时，通过配置设备的关键参数，来确定监控指标；或通过监控指标的实际数值变化和能耗的变化，取最优运行参数设置。

5）人员管理模块：主要包括OTS模拟仿真系统服务器、培训操作站和配套软件；人员巡检和定位工作站及软件。

模拟仿真是一种虚拟化且基于软件的表现形式，通过模拟仿真技术，可实现虚拟工厂与真实工厂同步运行，从而提高操作人员的技能。模拟仿真为工作人员在现场之外，构建了一个不影响真实流程的、无风险的环境来获得控制室的真实操作体验，包括设备的启动和关闭，以及安全有效地管理和处理异常情况。这样可以确保装置在实际投用前，通过虚拟方式实时且无风险地提高工人技能，并通过测试对流程进行优化，从而获得可衡量的收益。例如使得调试和投产更顺利、减少能耗、优化设备状态监测、提高工厂安全性等。

定位功能提供人员及车辆定位管理，包括基本信息查询、移动轨迹追踪、行动轨迹回放等，针对人员在岗、离岗、串岗人员及越界、滞留等情况提供及时告警，实时获取现场信息。

6）远程服务模块：远程专家支持系统通过定期的数据收集和分析，可以给出关键设备的运行趋势分析报告，并提供专家解决方案来优化控制，设备预警，真正实现预前性的专家级的设备维护和诊断。有效地帮助用户提高生产运行效率，降低设备维修成本，减少非计划停车时间。

远程专家能够通过安全的数据连接和云平台获得数据，无论他们身在何处，无需亲临生产现场，就能检查和分析关键设备的数据。

7）智能配电模块和CCTV模块。

智能配电整体解决方案确保供电连续性和可靠性；统一管理分散设备，有效提升管理效率；赋能用户对设备进行高效的资产管理，智能运维和数字服务。

CCTV模块实现生产过程的可视化管理，安防管理等功能。