Введение

Нефтегазовая отрасль эксплуатирует одни из самых сложных в мире сред промышленной автоматизации. Морские платформы подвергаются коррозии от соленого воздуха и постоянной вибрации. Компрессорные станции трубопроводов простираются на тысячи километров, и на них работает минимальное количество персонала. Нефтеперерабатывающие заводы работают в непрерывном режиме, где один час незапланированного простоя обходится дороже, чем большинство систем ПЛК за весь срок службы.

ПЛК являются основными контроллерами в этой отрасли, их выбирают не за вычислительную мощность, а за надежность, резервирование и наличие сертификатов. Понимание того, как ПЛК функционируют на протяжении всей цепочки создания стоимости в нефтегазовой отрасли, позволяет понять, почему отрасль делает тот или иной выбор в области автоматизации.

Разведка и добыча: бурение и добыча

В рамках операций по разведке и добыче нефти и газа осуществляется извлечение сырой нефти и природного газа из подземных месторождений. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) контролируют сам процесс бурения, а также наземные производственные установки, которые разделяют нефть, газ и воду.

Контроль бурения

Современные буровые установки используют управляемые ПЛК верхние приводы, системы грязевых насосов и роботов для перемещения труб. Роль ПЛК в бурении заключается в следующем:

· Регулирование скорости циркуляции и давления бурового раствора для предотвращения выбросов.

· Контроль скорости вращения и крутящего момента верхнего привода во время спуска обсадной трубы.

· Контроль нагрузки на долото и обнаружение застревания бурильной колонны.

· Координация процесса сборки и разборки трубопроводов.

ПЛК для бурения должны справляться с высокой вибрацией, воздействием соленого воздуха и необходимостью реагирования в режиме реального времени для обеспечения безопасности. ПЛК безопасности (Аллен Брэдли GuardLogixНа большинстве буровых установок обязательным требованием являются процессоры Siemens F-CPU, соответствующие нормативным требованиям.

Системы искусственного подъема

Для добычи нефти из многих месторождений с экономически целесообразной добычей требуется искусственный подъем. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) управляют электрическими погружными насосами (ЭСП), штанговыми насосами (насосными установками) и системами газлифта.

· Управление электростатическим насосом: ПЛК регулируют скорость насоса с помощью команд частотно-регулируемого привода на основе сигналов давления на устье скважины и дебита.

· Оптимизация штокового насоса: ПЛК анализируют данные с динамической карты (кривые нагрузки и положения) для выявления проблем с заполнением насоса и оптимизации скорости хода.

· Мониторинг газлифта: ПЛК управляют последовательностью работы клапанов газлифта для максимизации добычи из скважин, где применяется газлифт.

Автоматизация оффшорных платформ

На морских платформах размещаются одни из самых сложных систем ПЛК в любой отрасли. Ограничения по пространству, весовые ограничения и стоимость вертолетной транспортировки персонала требуют высоконадежной, автономной автоматизации.

Типичные области применения ПЛК в морской акватории:

· Управление технологическими процессами на платформе (сепарационные линии, обезвоживание, сжатие)

· Системы обнаружения пожара и газа

· Системы аварийного отключения (ESD)

· Системы управления ОВК для взрывоопасных зон

· Балластное регулирование для плавучих установок добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO).

Для автоматизации морских платформ требуется сертификация ATEX/IECEx или аналогичная сертификация для взрывоопасных зон для всех полевых устройств и многих модулей ПЛК.

Транспортировка и переработка нефти и газа: трубопроводы

В рамках операций по транспортировке и переработке нефти и газа осуществляется перемещение нефти и газа с месторождений на нефтеперерабатывающие заводы и в распределительные центры. Это включает в себя трубопроводы, компрессорные станции, терминалы хранения и погрузочные площадки для автотранспорта и железнодорожного транспорта.

Системы управления трубопроводами SCADA и ПЛК

В трубопроводах большой протяженности на каждой насосной/компрессорной станции используются удаленные терминальные устройства (RTU) на базе ПЛК. ПЛК осуществляет мониторинг следующих элементов:

· Давление всасывания и нагнетания на каждой станции

· Расходы через коммерческие счетчики

· Положения клапанов (ручное, автоматическое или управляемое системой SCADA)

· Данные о состоянии насоса/компрессора и вибрации

ПЛК на каждой станции взаимодействуют с центральным SCADA-управляющим через спутниковую, микроволновую или оптоволоконную связь. SCADA-система выдает команды задания параметров — скорости насоса, предельных значений давления на выходе — а ПЛК осуществляет локальное управление.

В трубопроводных ПЛК обычно используются:

· Schneider Electric Quantum или M580 для крупных операторов трубопроводов

· Siemens S7-400H для конфигураций с горячим резервированием на критически важных станциях.

· Система управления ABB 800xA DCS на крупных терминалах и складах

Управление компрессорной станцией

В газопроводах для поддержания давления в трубопроводе используются компрессорные установки (газовые турбины или электродвигатели). Программируемые логические контроллеры (ПЛК) управляют:

· Последовательность запуска/остановки компрессора

· Система защиты от скачков давления для предотвращения повреждения компрессора.

· Регулировка давления на входе/выходе станции

· Управление системой подачи топливного газа

· Мониторинг и отчетность по выбросам

Защита от скачков напряжения — задача особенно сложная: она требует более быстрой реакции ПЛК, чем основной цикл сканирования, которая обычно осуществляется с помощью специальных обработчиков прерываний или специализированного оборудования.

Обнаружение утечек в трубопроводе

В то время как системы обнаружения утечек работают на SCADA-системах или специализированных серверах, критически важные данные передаются программируемыми логическими контроллерами (ПЛК):

· Измерения давления и расхода на каждом сегменте.

· Состояние клапана (любое незапланированное закрытие влечет за собой оценку герметичности)

· Отслеживание партий продукции в трубопроводах, содержащих несколько продуктов (дизельное топливо, бензин, авиационное топливо в последовательном порядке).

Переработка и сбыт: нефтепереработка и нефтехимия

В перерабатывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях сырая нефть и природный газ преобразуются в пригодные для использования продукты. На нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводах используются непрерывные процессы, в которых жесткий контроль температуры, давления и состава напрямую влияет на выход продукции и безопасность.

Управление дистилляционной установкой

Установка первичной переработки нефти (УПП) разделяет сырую нефть на фракции в зависимости от температуры кипения. Обычно за управление этими установками отвечают ПЛК (программируемые логические контроллеры).

· Регулировка температуры печи (несколько зон нагрева)

· Регулировка уровня и давления в колонне

· Показатели расхода продукции и показатели качества

· Предварительная промывка колонки и контроль основного фракционирования

В целях жесткого нормативного контроля нефтеперерабатывающие заводы часто используют системы распределенного управления (DCS) вместо автономных ПЛК для основных технологических контуров, при этом ПЛК выполняют дискретные функции, такие как управление насосами и последовательность работы клапанов.

Установка каталитического крекинга (УКК)

Каталитический крекинг в жидкой среде расщепляет тяжелые молекулы углеводородов на более легкие и ценные продукты. Этот процесс требует точной координации:

· Управление воздуходувкой для псевдоожижения

· скорость циркуляции катализатора

· Контроль температуры реактора и возможность её отключения

· Регулирование расхода пульпы и бензина

Программируемые логические контроллеры установок каталитического крекинга должны работать в чрезвычайно суровых условиях — при высоких температурах, с абразивными частицами катализатора и в условиях непрерывной работы с минимальным доступом для планового ремонта.

Автоматизация нефтехранилищ

На нефтеперерабатывающих парках хранятся сырая нефть, полуфабрикаты и нефтепродукты. Программируемые логические контроллеры (ПЛК) управляют:

· Уровень жидкости в резервуаре (радарные или сервоприводные уровнемеры)

· Мешалки и нагревательные змеевики, устанавливаемые в резервуаре.

· Управление приемными и отгрузочными насосами

· мониторинг системы улавливания паров

ПЛК резервуарных парков взаимодействуют с компьютерами погрузочных эстакад для проверки правильности погрузки в грузовики и с системами диспетчеризации трубопроводов для коммерческого учета.

Почему нефтегазовые компании выбирают те или иные платформы ПЛК

Предпочтения в отношении ПЛК в нефтегазовой отрасли отличаются от предпочтений в дискретном производстве:

Надежность важнее функциональности: операторы нефтегазовой отрасли отдают приоритет проверенной надежности перед передовыми возможностями. Платформа, успешно работающая в морских условиях в течение 15 лет, предпочтительнее более новой платформы с незначительными преимуществами в функциональности.

Резервирование: Критически важные приложения — системы защиты от электростатического разряда, управление питанием платформы, системы пожарной безопасности и газоснабжения — почти всегда работают на резервных (двойных) конфигурациях ПЛК.

Сертификация для взрывоопасных зон: Каждое полевое устройство и многие модули ПЛК требуют сертификации для взрывоопасных зон (ATEX, IECEx, классификация UL для класса 1, раздел 1/2). Это значительно ограничивает доступную аппаратную экосистему.

Длительный срок службы: нефтеперерабатывающие заводы работают 30-40 лет. Инвестиции в автоматизацию должны быть оправданы на протяжении десятилетий, в том числе во время плановых остановок производства, когда происходит масштабная модернизация.

Заключение

В нефтегазовой отрасли ПЛК выбирают, исходя из требований сертификации, резервирования и доказанной надежности, а не на основе показателей производительности. Понимание места ПЛК в структуре «добыча-транспорт-переработка» помогает инженерам выбирать подходящую платформу для каждого конкретного применения и понимать, почему некоторые решения, которые кажутся завышенными по цене в дискретном производстве, вполне рациональны в обрабатывающей промышленности.

Часто задаваемые вопросы

В: Почему в нефтегазовой отрасли до сих пор используются устаревшие платформы ПЛК?

А: Циклы сертификации в нефтегазовой отрасли длительны — обычно от 3 до 7 лет с момента выбора платформы до ее первого ввода в эксплуатацию. После сертификации для работы в опасных зонах и одобрения со стороны оперативных служб, смена платформы требует полного процесса повторной сертификации. Это создает сильную инерцию по отношению к уже существующим платформам.

В: В чем разница между ПЛК и RTU в трубопроводных системах?

A: Удаленный терминальный блок (RTU) — это специализированный вариант ПЛК, оптимизированный для интеграции с SCADA, как правило, лучше подходящий для телеметрии на большие расстояния, с меньшим энергопотреблением и более широким диапазоном рабочих условий окружающей среды. Многие современные RTU по сути представляют собой защищенные от внешних воздействий ПЛК, работающие по протоколам SCADA, таким как DNP3 или IEC 61850.

В: Почему защита от помпажа так важна для ПЛК компрессоров?

А: Помпажа компрессора — это быстрое изменение направления потока, которое может разрушить рабочие колеса за считанные секунды. Для защиты от помпажа требуется время отклика быстрее, чем при стандартном сканировании ПЛК — обычно это обрабатывается специальным программным обеспечением или высокоприоритетными обработчиками прерываний. Неспособность отреагировать достаточно быстро приводит к катастрофическому повреждению оборудования.

В: Какие сертификаты для работы в опасных зонах требуются для модулей ПЛК, используемых на морских платформах?

A: На морских платформах обычно требуется сертификация ATEX/IECEx Zone 1 или Zone 2 для электронного оборудования. В США действуют сертификаты UL Class 1 Division 1 или Division 2. Каждый модуль, установленный во взрывоопасной зоне — входные платы, выходные платы, коммуникационные модули — должен иметь соответствующую сертификацию.

В: Как нефтеперерабатывающие заводы обеспечивают кибербезопасность ПЛК?

А: Нефтеперерабатывающие заводы все чаще внедряют стандарты промышленной кибербезопасности IEC 62443. ПЛК изолированы от корпоративных сетей с помощью демилитаризованных зон (DMZ), а доступ к SCADA-системам контролируется промышленными межсетевыми экранами. Многие операторы сейчас внедряют глубокий анализ пакетов данных ПЛК для обнаружения несанкционированных команд.

Сопутствующие товары

· [ПЛК Siemens](https://www.tztechio.com/siemens) — S7-400H, С7-1500

· [ПЛК Schneider Electric](https://www.tztechio.com/allen-bradley) — МодиконКвантовый

· [ПЛК ABB](https://www.tztechio.com/abb) — AC500, Система 800xA

· [Промышленные датчики](https://www.tztechio.com/bently-nevada) — Датчики давления, температуры и уровня