利用IT/OT融合技術(shù)，通過監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）軟件、用于邊緣計(jì)算的工業(yè)PC、機(jī)器學(xué)習(xí)軟件和云連接，有助于創(chuàng)建可持續(xù)的應(yīng)用。

一個(gè)測(cè)量和去除天然氣中硫化氫（H2S）的過程，使用了傳感器、用于邊緣處理的工業(yè)計(jì)算機(jī)（PC）、基于云的應(yīng)用程序、機(jī)器學(xué)習(xí)以及監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)，來處理化肥和其它應(yīng)用的農(nóng)業(yè)級(jí)元素硫。自動(dòng)化系統(tǒng)將手動(dòng)測(cè)量和總勞動(dòng)力成本降低了75%，使工廠更具成本效益。

01

測(cè)量和去除天然氣中的硫化氫

硫化氫是一種易燃的無色氣體，對(duì)人類安全、法規(guī)遵從性和基礎(chǔ)設(shè)施完整性都會(huì)產(chǎn)生巨大影響。這種有毒氣體，存在于全球約40%至60%的天然氣井以及北美幾乎所有的氣井中，具有特有的臭雞蛋味，是一種刺激性和化學(xué)性窒息劑，會(huì)影響中樞神經(jīng)系統(tǒng)和呼吸。必須從天然氣中去除有毒氣體，有多種去除硫化氫的技術(shù)。

雖然存在可以直接從氣體中去除硫化氫的化學(xué)物質(zhì)，但處理起來可能昂貴且危險(xiǎn)。這種化學(xué)品只有在處理低濃度硫化氫時(shí)才具有成本效益。如需處理大量硫化氫，則需要建造大型工廠來去除這些有毒化學(xué)物質(zhì)。大多數(shù)氣井只有中等含量的硫化氫，其規(guī)模不足以建造5000萬美元的設(shè)施，也不足以用10美元/磅的化學(xué)品處理。在這兩種選擇之間，并沒有太多好的技術(shù)可以有效地去除硫化氫。

02

用于脫除硫化氫的新型化學(xué)工藝和控制系統(tǒng)

Streamline Innovations公司顯著改進(jìn)了氧化還原過程，并創(chuàng)造了市場(chǎng)上最高效的硫化氫處理解決方案之一。他們的Valkyrie硫化氫氣體和酸性氣體處理系統(tǒng)采用了最新的化學(xué)工藝和先進(jìn)的控制系統(tǒng)，可以在單井以及整個(gè)油田的規(guī)模上去除天然氣中的硫化氫。與所有其它競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品相比，它可以從天然氣流中去除100%的硫化氫，幫助客戶大大降低了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。最重要的是，Valkyrie系統(tǒng)將硫化氫轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)級(jí)元素硫，這使土壤修復(fù)、作物肥料和害蟲防治受益。

到目前為止，在位于美國(guó)得克薩斯州和新墨西哥州的工廠內(nèi)，Streamline Innovations已經(jīng)生產(chǎn)了超過2000萬磅的硫，并正在向國(guó)際市場(chǎng)、沼氣處理和煉油廠處理領(lǐng)域擴(kuò)張。如果不經(jīng)處理，這些硫會(huì)轉(zhuǎn)化為二氧化硫，成為酸雨的主要來源。

03

氧化還原過程控制系統(tǒng)面臨的挑戰(zhàn)

氧化還原過程需要進(jìn)行精確的化學(xué)反應(yīng)。然而，很難對(duì)這氧化和還原這兩個(gè)過程進(jìn)行最佳控制。使其更具有挑戰(zhàn)性的是，天然氣中的硫化氫濃度和流速各不相同。因此，需要不斷調(diào)整添加到氣體中的化學(xué)試劑的數(shù)量。如果添加過多，化學(xué)過程可能會(huì)停止。如果添加量太少，那么一些硫化氫可能會(huì)進(jìn)入管道。出于這個(gè)原因，在舊的工藝中，該領(lǐng)域的專家需要每隔幾分鐘就檢查一次濃度和流速。

不幸的是，專家們無法一直呆在天然氣設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)，甚至不能經(jīng)常前往，尤其是偏遠(yuǎn)油井的小型裝置。Streamline公司的Valkyrie工藝，以智能和嚴(yán)格的化學(xué)控制取代了“該領(lǐng)域的專家”，使化學(xué)過程能夠在沒有人為干預(yù)的情況下，保持化學(xué)制劑的平衡。

起初，該公司測(cè)試了一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)PLC的自動(dòng)化平臺(tái)，但它無法執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算和基于模型的控制。他們還定制了一臺(tái)OPC服務(wù)器，可以與云服務(wù)器通信，但它沒有身份驗(yàn)證和安全保護(hù)。為了探索并找到理想的解決方案，Streamline又花了半年時(shí)間，接觸幾乎所有品牌的解決方案。功夫不負(fù)有心人，終于找到兩家自動(dòng)化公司可以幫助改進(jìn)控制和自動(dòng)化過程、數(shù)據(jù)收集和遠(yuǎn)程控制，以解決氧化還原面臨的挑戰(zhàn)，減少可變性并穩(wěn)定化學(xué)過程。

04

找到合適的邊緣處理技術(shù)

Streamline公司使用安裝在堅(jiān)固耐用的工業(yè)PC上的SCADA軟件，這些PC通過消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（MQTT）通信協(xié)議與服務(wù)器通信。MQTT允許在不消耗太多帶寬的情況下傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)，這意味著使用偏遠(yuǎn)地區(qū)的蜂窩數(shù)據(jù)，通常足以支持運(yùn)營(yíng)。由于管理數(shù)據(jù)可能是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，因此在邊緣和云之間進(jìn)行智能分層計(jì)算。相比之下，復(fù)雜的計(jì)算（如模型預(yù)測(cè)控制）需要?dú)v史數(shù)據(jù)，因此可以在云端進(jìn)行。

電機(jī)振動(dòng)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生大量的亞秒級(jí)數(shù)據(jù)，由于傳輸這些數(shù)據(jù)所需的帶寬太大，因此無法將所有數(shù)據(jù)都發(fā)送到云端，所以數(shù)據(jù)是在邊緣處理的。找到合適的邊緣處理技術(shù)對(duì)于運(yùn)營(yíng)成功至關(guān)重要。

▲Streamline Innovations利用在Moxa計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的SCADA軟件，該軟件通過MQTT通信協(xié)議與Ignition服務(wù)器通信。通過運(yùn)行完整版本，Streamline可以擴(kuò)展Ignition軟件，其透視模塊通過本地Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)部署。

05

自整定模糊邏輯控制系統(tǒng)集成天氣數(shù)據(jù)

這種工業(yè)PC還可以運(yùn)行Python腳本，使Streamline公司能夠執(zhí)行復(fù)雜的計(jì)算，其中包括集成美國(guó)國(guó)家氣象局的天氣預(yù)報(bào)，以幫助確定最佳運(yùn)行溫度。而單獨(dú)使用PLC則無法進(jìn)行這些計(jì)算。在Python上運(yùn)行的機(jī)器學(xué)習(xí)和模糊邏輯算法，提供了先進(jìn)的控制效率和自整定系統(tǒng)，改善了運(yùn)營(yíng)效率。

“環(huán)境溫度和濕度會(huì)對(duì)硫的生產(chǎn)產(chǎn)生很大影響。機(jī)器學(xué)習(xí)幫助我們預(yù)測(cè)溫度，并允許我們調(diào)整表面活性劑和pH水平，以獲得更優(yōu)的性能。例如，如果溫度在接下來的6小時(shí)內(nèi)下降，即使環(huán)境溫度很好，我們也會(huì)開始加熱我們的裝置，” Streamline Innovations公司首席技術(shù)官Peter Photos博士解釋道。

Photos補(bǔ)充道，“信息技術(shù)（IT）和運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）的融合，是我們能夠以小得多的規(guī)模開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)的主要原因之一。從IT的角度來看，使用API進(jìn)行天氣預(yù)報(bào)可能是一個(gè)微不足道的計(jì)算。但就OT應(yīng)用而言，在過去，油田中并沒有可靠的堅(jiān)固設(shè)備來實(shí)現(xiàn)該過程。”

06

無線通信取代現(xiàn)場(chǎng)流量測(cè)量

現(xiàn)在，Streamline公司采用強(qiáng)大的工業(yè)PC，利用簡(jiǎn)單的IT實(shí)踐，將IT融入到OT。這些獲得Class I, Div 2 認(rèn)證的堅(jiān)固型計(jì)算機(jī)，可以從PLC收集數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為有用的關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI）。KPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫耍稍品?wù)器將數(shù)據(jù)分發(fā)給用戶。當(dāng)蜂窩調(diào)制解調(diào)器關(guān)閉時(shí)，工業(yè)PC會(huì)記錄數(shù)據(jù)，然后在調(diào)制解調(diào)器備份后立即將其傳輸?shù)皆贫耍源_保OT設(shè)備的最大正常運(yùn)行時(shí)間。Photos表示，“這意味著系統(tǒng)正在自我監(jiān)控，展示了與工業(yè)PC架構(gòu)的連接能力。”

此外，Streamline公司通過運(yùn)行完整的SCADA軟件對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，該軟件通過本地Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)部署模塊。它允許用戶訪問裝置，包括裝置的完整HMI和裝置附近任何計(jì)算機(jī)的歷史現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。這意味著在進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后不久，運(yùn)行人員就可以從車上的筆記本電腦上訪問該裝置。這實(shí)際上消除了對(duì)專用HMI的需求。

此外，蜂窩通信模塊允許用戶從任何地方訪問相同的HMI，這意味著從集中控制室甚至運(yùn)行人員的手機(jī)上，都可以像在現(xiàn)場(chǎng)一樣進(jìn)行查看和控制。從而大大消除了運(yùn)行人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)的需要，例如，裝置停機(jī)或有報(bào)警觸發(fā)。他們可以在家里或辦公室，用手機(jī)遠(yuǎn)程重啟設(shè)備。

07

強(qiáng)大和高效的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)

利用Moxa和Ignition的解決方案，Streamline Innovations不需要那么多的職員工來管理這些裝置，因此勞動(dòng)力成本降低了75%。不再需要員工不斷更新流速和化學(xué)添加劑數(shù)據(jù)。由工業(yè)PC進(jìn)行計(jì)算，可提供最大化的正常運(yùn)行時(shí)間。

此外，在過去，Streamline公司無法解決幾個(gè)變量，如溫度和濕度變化等，這些變量可能會(huì)影響化學(xué)過程中的用水量。現(xiàn)在，他們可以了，因?yàn)樵诠I(yè)PC上運(yùn)行的SCADA腳本的幫助下，機(jī)器學(xué)習(xí)已被添加到模型預(yù)測(cè)控制中。“我稱之為邊緣的榮耀。這是一場(chǎng)數(shù)據(jù)革命。它有助于Streamline推出革命性的硫化氫去除技術(shù)。”Photos補(bǔ)充道。

強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)提高了運(yùn)營(yíng)性能，數(shù)據(jù)集成使公司的每個(gè)分支機(jī)構(gòu)都從中獲益。這些數(shù)據(jù)可用于維護(hù)計(jì)劃、設(shè)計(jì)更高效的裝置，以及公司范圍的業(yè)務(wù)模型的計(jì)算。未來，完全集成的數(shù)據(jù)將有助于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的自動(dòng)化，使公司的各個(gè)層面都能做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策。

經(jīng)過改進(jìn)的Valkyrie系統(tǒng)采用了先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)，為Streamline Innovations及其客戶帶來了諸多好處，包括節(jié)約成本、減少勞動(dòng)力、提高正常運(yùn)行時(shí)間以及從系統(tǒng)中高效收集信息，以持續(xù)改進(jìn)運(yùn)營(yíng)。該公司計(jì)劃利用其解決方案團(tuán)隊(duì)和經(jīng)驗(yàn)幫助客戶解決工業(yè)市場(chǎng)面臨的挑戰(zhàn)，將Valkyrie技術(shù)的使用范圍擴(kuò)大到更多領(lǐng)域。

關(guān)鍵概念：?

■?硫化氫氧化還原反應(yīng)需要不斷調(diào)整添加到氣體中的不同化學(xué)試劑的數(shù)量。過去，需要派遣專家駐在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行人工處理。

■?完全集成的數(shù)據(jù)將有助于實(shí)現(xiàn)整個(gè)范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)自動(dòng)化，允許在公司的各個(gè)層面做出數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策。

思考一下：?

在運(yùn)營(yíng)中，如何使用實(shí)時(shí)的智能控制來取代以前手動(dòng)實(shí)現(xiàn)的過程？

審核編輯：劉清