張磊

（中油（新疆）石油工程有限公司設計分公司，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架構(gòu)、組成及功能；在現(xiàn)有自動化系統(tǒng)基礎上，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。

2 總體目標

儲氣庫擬將建成覆蓋生產(chǎn)運行、經(jīng)營管理、安全環(huán)保全領域的智能化應用，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，建設各類智能應用；研究數(shù)據(jù)共享，以及跨專業(yè)、跨領域的協(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。

3 自動化數(shù)字智能儲氣庫的基本組成及功能

根據(jù)儲氣庫建設規(guī)模和現(xiàn)狀，基礎架構(gòu)擬由數(shù)據(jù)采集層（智能儀表、智能設備）、數(shù)據(jù)傳輸層（SCADA、DCS、壓縮機UCS、能耗采集服務器、無線網(wǎng)）、分析應用層（切合生產(chǎn)運行的分析管理應用）、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)設計）的四個層級進行構(gòu)建。

3.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層建設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)、設備信息的采集，是智能儲氣庫建設的基礎。

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)采集層設置的各類智能檢測設備，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，大量數(shù)據(jù)將傳遞到分析應用層和運營層，通過專業(yè)的應用軟件集成新算法、行業(yè)知識和專業(yè)技術來解讀這些數(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行快速響應，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)進行傳輸處理；包括壓縮機UCS系統(tǒng)，待建的能耗采集服務器等。

同時，設置多路HART信號轉(zhuǎn)換器，從已建智能儀表接入各自控制系統(tǒng)機柜進線端分離出設備的數(shù)字信號，傳遞至智能設備管理系統(tǒng)。后續(xù)完善關鍵數(shù)據(jù)采集時，也可采用無線網(wǎng)絡進行數(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)、機械設備狀態(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 分析應用層

分析應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軟件；第二是基于DCS系統(tǒng)的先進控制（APC）及優(yōu)化控制軟件包；第三是基于壓縮機UCS系統(tǒng)的機械狀態(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)一平臺下進行報警管理。APC先進控制主要利用先進的控制策略（如模糊控制、預測控制等），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。壓縮機機械狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)遠程對壓縮機進行故障診斷、預防性維護，確保關鍵設備的健康運行。

3）資產(chǎn)管理平臺：主要包括智能儀表管理系統(tǒng)的工作站以及相應的各類型儀表分析診斷管理軟件；針對壓縮機、機泵、空冷器、換熱器等動/靜設備的管理工作站以及相應的診斷、健康管理軟件；基于設備管理系統(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行遠程在線組態(tài)、調(diào)試、校驗管理、健康診斷及數(shù)據(jù)庫事件紀錄的智能設備管理系統(tǒng)，它通過使用最新的儀表診斷技術來提高智能設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)預測性維護和前攝性維護的先進管理功能，減少備品備件的使用，提高儲氣庫的盈利率，減少維護及管理人員。

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

設備管理系統(tǒng)是對重要設備（如壓縮機、機泵等）運行的實時健康狀態(tài)監(jiān)測、性能監(jiān)測，實現(xiàn)預測性維護，提高設備運行效率，降低或避免意外停車。提高資產(chǎn)利用率、減少設備故障、降低維護成本、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備管理系統(tǒng)已采集的數(shù)據(jù)進行分析應用，包括數(shù)據(jù)分析和機器學習、趨勢分析及潛在故障定位、報警分析、預測性維護等功能。

備件管理功能主要是記錄設備的備件信息，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/出天然氣量為主；設備主要是針對壓縮機、空冷器等大能耗設備為主。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/出量的數(shù)據(jù)由SCADA系統(tǒng)導入。

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

5）人員管理模塊：主要包括OTS模擬仿真系統(tǒng)服務器、培訓操作站和配套軟件；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，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、無風險的環(huán)境來獲得控制室的真實操作體驗，包括設備的啟動和關閉，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險地提高工人技能，并通過測試對流程進行優(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）遠程服務模塊：遠程專家支持系統(tǒng)通過定期的數(shù)據(jù)收集和分析，可以給出關鍵設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，設備預警，真正實現(xiàn)預前性的專家級的設備維護和診斷。有效地幫助用戶提高生產(chǎn)運行效率，降低設備維修成本，減少非計劃停車時間。

遠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，就能檢查和分析關鍵設備的數(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)一管理分散設備，有效提升管理效率；賦能用戶對設備進行高效的資產(chǎn)管理，智能運維和數(shù)字服務。

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備數(shù)字化采集建設是智能儲氣庫建設的重點，計劃實施如下：

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

2）關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 分析應用層建設

分析應用層計劃建設擬包括三部分內(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，設置智能儀表設備管理工作站（兼服務器）及配套通訊設備、相關軟件。初步實現(xiàn)智能儀表設備的數(shù)字化、智能化、可預測性的分析管理，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)采集擬設置服務器進行電量和氣量的數(shù)據(jù)實時采集、處理；能耗管理分析平臺擬建設工作站平臺，配套相關軟件，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，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行報警、優(yōu)化、管理。設置報警工作站及相關軟件。

5 后續(xù)實施的建議

智能儲氣庫的建設不是一蹴而就，應該是長期的，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)保全領域的智能化應用，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行的頂層設計，統(tǒng)領統(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）以人工智能技術為核心，支持地下、生產(chǎn)、安全、經(jīng)營等全領域綜合研究，多學科、跨部門的智能協(xié)同，智能數(shù)據(jù)共享，智能融合，實現(xiàn)智能儲氣庫建設的最終目標。

6 結(jié)語

智能儲氣庫建設沒有標準的模板和架構(gòu)，面對各種繽紛絢爛的數(shù)字化、智能化建設思潮，如何有效的選擇并逐步實施，對用戶、設計單位都難以抉擇。本文提出以自動化系統(tǒng)為基礎，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，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。