進入二十一世紀以來，整個石油天然氣行業都面臨著巨大的挑戰，伴隨著中國、印度發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一去不返了，現在我們需要新的技術和投資以保證未來石油的持續供應”。這類原先在工業生產應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新的科技與產品，以盡可能的擴大已有油田的產能、提高生產或配送效率，或者進一步發展深海勘探。其中，最直接的方式就是提高從勘探到生產各領域的自動化系統性能，將新技術與已有設備的集成同時實現成本的降低。本文討論石油天然氣行業自動化系統所面對的技術挑戰，及基于新一代工業測控平臺——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的很多傳統測控需求，但是當面對復雜開采和生產過程優化等應用所需的高級的測量以及控制算法時，PLC受其處理能力和運行架構的限制就顯的力不從心。而基于PC或者定制專用設備的控制方式，往往無法適應油田等惡劣環境對相應安全等級的要求。對傳統工具的另一個巨大的挑戰是，工程師在系統開發中缺乏統一高效的軟件平臺實現不同硬件對象的應用功能，以及與企業數據庫等信息系統連接，實現更高效的管理。隨著項目要求的不斷復雜，企業難以擁有能夠熟系所有功能的開發人員，而這些不同對象間的集成與維護成本也變得越來越高。

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

圖1 NI PAC平臺架構

目前，PAC平臺憑借這些優勢已經在石油天然氣行業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的應用，可以帶來以下優勢：

擴展傳統自動化系統的性能

在石油天然氣行業中，自動化系統常見任務是油田的各種設施的工作狀態、油品相關數據（通常包括溫度，壓力，流量，振動，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、通信技術的發展成果，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。石油天然氣領域的各大廠商將PAC平臺的這些特性應用到其自動化系統中，直接帶來了生產效率和可靠性的提高。

在傳輸過程中，從經濟角度考慮，石油公司都使用單一的管道來混合輸送液態烴和油氣，這種情況下，液態趨向于在傾斜管道部分大量累積造成段塞，導致產量降低，同時氣態被相應壓縮，當到達出口時產生的氣涌可能進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工具來完成實非易事。為此他們嘗試使用NI PAC平臺， 借助LabVIEW的圖形化開發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現，然后將應用程序直接下載到NI FieldPoint PAC系統上運行，實現了對流量、壓力等的實時采集和控制決策，以及與已有系統間的通信和任務的遠程操作，確保了當控制模式改變時正確而又快速的抑制段塞。

圖2 Shell基于NI PAC的段塞抑制控制系統

降低系統復雜度

使用傳統PLC時，工程師必須熟悉邏輯編程工具和HMI開發包，另外如果需要運動控制，機器視覺等相對獨立的的I/O設備時，往往依靠各廠家提供的不同工具軟件，集合不同領域經驗的開發者共同完成。這種開發方式，不僅增加了開發的周期，更是加大了自動化集成的復雜度。工程師需要的是PAC這么一個開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，通過其內置的工業通信協議或者OPC方式實現與各種不同類型的PLC或者工業自動化設備通信。配合PAC強大的網絡通信和企業數據庫互聯功能，能源公司的自動化控制系統能夠與企業級的管理信息系統互聯，管理者能夠了解生產配送過程的每一個細節，實現更高效透明的管理，滿足行業每年以30%-70%增長的數字化需求。

PEMEX——全球第五大原油生產商，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，并通過各油田的電子測量設備來獲取油量信息數據。之前，各分站使用基于不同設備和內網協議的獨立管理系統，以電話或Email的方式與主系統協同。為加強對各分站的管理，提高系統整體協調性，PEMEX選擇NI LabVIEW平臺構建一個集成、低成本的監控系統。開發人員很方便的完成基于OPC的設備通信，實時數據記錄與報警，企業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保證可靠性

由于石油天然氣行業處理的大多是易燃或有害物質，設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行要求，其對先進技術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，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與實時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現，在海底氣源與岸上處理工廠管道架設之前需要對海床預處理平整工作，為此Nexans公司研發了主用的“蜘蛛”機器人。而勘采現場的條件極其惡劣，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、絞盤和功率等實時控制，并與LabVIEW主應用程序進行通信，控制信號通過光纖傳遞到1km海下的機器人執行設備。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挖掘的實時過程。這套控制系統，長期暴露在惡劣的海上環境中，經受著極低的溫度、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？天然氣領域之自動化／控制解決方案》的調查結論，行業內最新使用的各種自動化控制系統由于其具備的高級的特性在過去幾年內，相對傳統系統解決方按獲得了更好的增長。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，更強的網絡性能了傳統的自動化設備功能，同時其開放靈活的特點大幅降低了系統集成的復雜度，從而幫助石油天然氣行業應對資源日趨稀缺大背景下的各種挑戰。

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