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美国新墨西哥州天然气自动化现场控制

Robert L. Trosper GPM 天然气公司 Bartlesville,Okla
    Robert G. Stubbs GPM 天然气公司 Odessa,Tex.
    Darrell Carver GPM 天然气公司 Houston

    休斯顿GPM天然气公司是Phillips石油公司的的子公司,该公司已经实现了现场自动化控制系统(FACS),使该公司能够远程监视其在新墨西哥区的天然气的生产运行。
    该系统有助于提高工作效率和减少雇员人数。
    现在操作员可以准确地监测和控制天然气采集、增压器、以及工厂的运作。该系统能够实现远程监控和测量气体源头在处理过程中的气体流速、温度、以及压力。
    现在,向GPM系统供应天然气的开采者可以通过电话或传真访问连接到他们的井场的每个计量器实时的生产信息。
三个组成部分
    GPM在新墨西哥区每天采集和处理天然气大约为260MMcfd。该区面积达10,000平方英里,包括4个天然气工厂和25个气体增压站(图1)。

图1

    天然气是从1800米沿线上的大约300个开采者那购买的。
    在过去,流量信息是每7天通过人工方式收集一次。工作人员每天对每个增压器检查一次,天然气加工厂则是每天24小时值班。
    1991年,GPM发现通过最新的通信和控制技术可以实现一种更有效的和反应更快的运行方式。
    FACS包括三个功能部件:使用遥测技术的电子流量计量装置(EFM)、增压器监视控制和数据采集系统(SCADA)、以及工厂控制和优化。
    系统中的每一部件都是由控制计算机进行管理的,但是它们都能够使用Novell软件通过广域网共享数据和信息。
    目前FACS系统通过位于GPM Hobbs 总部、Eunice工厂、Zia工厂、以及Lee工厂(全部都在N.M.的Lea地区)的10台计算机进行操作和控制。另外,通过公司的广域通信网,GPM的Odessa、Tex和Houston办公室也可以访问到FACS系统的信息。
使用遥测技术的EFM
    GPM使用俄克拉荷马州Bartlesville地区AAI公司的Total Flow 产品作为它的主要电子流量计。
    这是一种基于微处理器的计算机,主要为气体流量测量而设计的。电路压缩成一块大的单板上,并安装在浇铸的铝壳里。因为外壳上的NEMA-4X Class 1Division 2/ABCD 的性能,设备在安装时不需要对元件进行额外的保护。(图2)
    EFM设备配有100-in的差分传感器,静态传感器的范围从100至1,500 psia,用于对主要的流量元件的测量。由于大气的温度的变化较大,为提高测量精确度,使用了温度补偿压力传感器。
    在系统工作区域内,温度从冬天0°F℉的低温到夏天100°F℉的高温的季节性变化是很常见的。温度补偿传感器减小了由于温度变化引起的气体测量的误差。
    此外,还安装了远程温度装置(RTD)探头来调整因气体流动而引起的温度的变化。

GPM的技术人员校正用在GPM天然气公司
最近在新墨西哥安装的自动化系统上的电子流量计量(EFM)仪器(图2)。

    这种流量计算机每秒钟测量一次管孔的流动状态,并不断积累信息,以便每小时计算一次体积流量。
    每小时计算出的流量与后面每小时的流量数据一起保存在EFM的存储器中,用于积累35天的信息。
    保留在EFM存储器中的35天的流量信息只作为每天通过无线电遥测向中央计算机发送的流量数据的备份。
    除了要扩大后部的终端箱来容纳微波无线收发机外,购买电子流量记录器时不需要对无线遥测提出附加要求。
    当需要进行无线遥测时,则安装内置通信卡,用于固定无线电设备的铰连板,无线收发器、线束、以及一个附带的8安培 /小时的蓄电池。
    设备的电源由安装在EFM装置上面的12V、10W的太阳能电池组提供。太阳能电池板向EFM提供电源,如果发装了无线遥测设备,太阳能电池板还向无线遥测装置提供电源。
    在无线系统的设计中,数据速率是最重要的考虑因素之一。由于许多系统速率都因发射气体流量信息在空中的传输时间而受到限制,GPM认为使用高的数据速率传输是很有必要的。为使系统得到最大容量、最佳的性价比,将无线系统设备工作的通信速度设定为4800波特。
    同时,为了将干扰降到最小,无线系统频率采用950Mhz多地址频率。经准许建立了三个高海拔的中继塔以覆盖整个工作区域。
    假定接收信号强度最低为-110 dbm时,每个中继塔的覆盖范围可达7,500平方英里。通过对三个中继塔合理定位,使它们能够连续地覆盖工作区域。
    MDS全双工数字电台可用作中继站,也可用作位于Hobbs的轮询主站。
    每一个无线设备在购买时都带有“开机”备份设备和电池备份,这样能够确保将主链路的中断降到最小。
    每个EFM中的无线电台是带有全数字调制解调器和收发器的单向无线设备。频率合成设计使单独的无线电设备能够对使用的指定的中继器进行站点编程。远程电台使用高增益的七振子天线,以确保信号质量好,噪声最低。
    该项目所需要的馈线是高质量的泡沫绝缘RG-8电缆。它比原来考虑的传输电缆的性能略低,但是之所以选择它是因为考虑了野外操作时会遇到的的恶劣的工作环境。
    EFM系统从气体测量的采集系统中的1,500台流量计算机采集和轮询数据。     系统的功能包括实时调入/报警调出能力、向用于结算的主机传输流量数据、以及每日报表(即,气体平衡、丢失的数据、以及数据变化报告)。
计算机支援
    计算机支援系统包括五台运行应用自动化软件、Novell软件、以及用户定制的GPM软件的计算机。
    IBM 80型文件服务器是运行在25Mhz、带320 mb的内部SCSI硬驱动器(用于系统文件和制造商的软件)、两个外部600 mb的硬驱动器的对用户文件)。
    文件服务器除了用于气体测量以外,工作人员还可使用它的普通商业功能,例如文字处理、电子数据表分析、以及图形文件。
    通信服务器为局域网工作站到微波数据系统轮询远程无线电台提供接口。这种通信计算机是20Mhz的IBM 70型计算机。
    这台机器包含一块Digicom PS/8接口卡,最多可以通过RS-232电缆连接5个主站电台。它访问文件服务器上的保存的一个目录,来采集并通过“邮箱”方式响应通信请求。

位于新墨西哥西南的GPM天然气公司的Sand Dunes 增压站及24个其它的增压站由GPM的新的自动化系统远距离监视。箱子和天线(前景)是监视气体流量并发送记录的数据的电子流量测量系统的一部分(图3)。

    把两个机器用作自动工作站可实现更高级的功能。第一台机器是运行应用自动化公司的中央采集单元软件的数据采集机。
    该机器负责每天从所有的遥测EFM采集数据,更新中央文件服务器上的单个的计量文件,产生丢失数据和每日平衡报告,并把生成的报告传真人给开采者和GPM人员,同时把数据发送到Phillips石油公司的IBM主机。数据传输是每晚访问广域网来实现。
    第二台机器是语音信息系统, 486-DX2计算机作为专用网关,运行在66Mhz,内置一块Dialogic(对话)D41/d语音卡。这块附加的卡能够把语音数字化以便重放。
    VIS计算机每30分钟轮询一次EFM,并向GPM和开采者提供两组基本的数据;拥有正确的安全代码的用户可以向系统打电话,并从每个单独的EFM接收实时的数据,其中包括当前的流量状态和前一天的总体积。
    另外,当VIS判断出流量计算机中发生了预定的错误情况时,它给负责那台指定的流量器的部门打电话报警。
    这个功能使够把发生的特殊事件通知给GPM或开采者。如井停止流动、压缩机停车、达到了工作极限、或者任何达到了任何监视的报警条件。
    安装在公司局域网上的传真服务器支持传真功能。服务器正常工作需要一条带有RJ11接口的电话线。
    通过在局域网上使用Novell Netware,GPM已经能够通过它的令牌网“主干线”把网络连接到广域网。这样可实现与五个州中的72个文件服务器上连接的任何一台Phillips石油或GPM公司计算机的访问。
    任何一个远程用户通过这种方式可以执行轮询或数据采集而无需通过调制解调器通信。主干线支持的到Hobbs的最小带宽是384Kbaud,是Phillisp公司1.56M baud T-1电路带宽中的一部分。通过局域网也可以访问计算体积的主机。
增压器scada系统
    scada系统通过轮询Siemens S5-300U可编程控制器(PLC)监测11个booster站的609个数据点。
    通过结合Modbus遥测系统和EFM遥测系统来采集发动机数据,入口、吸入侧、排出侧以及喇叭开口的压力和体积值。随后数据送入Iconics 公司的 Gensis scada 系统包中。
    Scada系统主要包括两台计算机。
    第一台是网关486-DX2-66(运行模式),位于GPM的Hobbs分部,它物理连接到Modus主站电台和Novell网络。
    每30秒钟完成一次对所有Siemens PLC的轮询并将数据保存到Genesi数据库中。
    主站是33Mhz的网关486-DX,位于Eunice工厂,离Hobbs约20英里。数据通过网络传输并显示在每天24小时值守的工厂控制间(图3)。
    一旦任何一个增压站发生预设定的情况时,便发出声音报警并由操作员确认。
    以前,需要有一个现场检查员每天检查现场的控制板,以确保发动机功能正常。
    现在,scada系统可以连续地监视增压站,不再需要每天去现场检查(图4)。
    对发动机和压缩机工作情况的连续监视使操作员能够快速诊断它们的故障,并派遣合适的现场人员:机械专家或是仪表专家或者是现场操作员来进行维修。这样减少了人员的需求和压缩机停机的时间。
工厂控制系统
    用于所有GPM新墨西哥区工厂的FACS工厂控制系统仍在研制中。然而,在GPM的Zia工厂于1993年9月就已成功实现了此系统。
    该系统使Zia工厂通过Genesis scada数据包来实现无人管理运作。
    管理控制系统使用运行在四台33Mhz、 486的Texas计算机上的Genesis控制软件,实现对操作过程的控制。
    一台计算机作为“哑终端”,通过“Tiway卡”与Siemens TI 545 PLC通信并通过串行口与Moore的循环控制器、ABB/Taylor Kent 循环控制器、以及马达控制中心大楼中的Multlin电源监视器进行通信。
    工厂的电子和过程控制功能是由PLC和本地控制器完成的。计算机监控系统的损坏不会中断工厂的运作,因为所有的安全和紧急系统都是独立的。
    Siemens TI 545控制器允许过程输入和输出信号发送到工厂处理区的6个分配板,然后通过一对通信线路以数字方式传回到中央处理装置。
    “哑终端”连接到IBM Token Ring广域网上。
    三台工作站连接到token ring(令牌网)。一台位于Zia工厂,另外两台位于Lee工厂,大约相距30英里。
    每台工作站包括一个触摸屏界面或鼠标,供操作员选择。
    Zia令牌网通过微波和T1线连接到Hobbs令牌网。通过专用线连接到Lee工厂。
    计算机系统全部的通信都通过令牌网,它使得GPM能把工作站放在连接到广域网上的公司的任何位置。
    这使得工程师和操作管理如同在控制中心一样“登录”到Zia控制系统,并查看处理屏幕。
优点
    FACS系统的实现大大提高了GPM新墨西哥区的效率。在EFM数据遥测实现之前,40%的地区收集图表的工作由测量人员来做。系统的实现使测量人员减少同时又提高了数据的精确度和测量的及时性。
    增压器scada系统的实现使GPM能够“独立运行”而不需现场检查。这减少了非生产性的往返增压站的时间。该系统的实现,加班时间大大地减少了。

GPM天然气公司Eunice ,N.M.气体处理工厂的人员监视和测量来自井头的处理的气体的流量、温度和压力。(图4)。

    该系统最大的优点是提高了地区人员对运行故障或市场变化的反应能力。在FACS实现以前,经常需要到增压器站的两个行程的时间来判断和维修故障。实现了scada系统以后,在人员到现场进行维修以前问题就标识出来了。
    GPM的FACS系统的另外一个优点是它给开采者提供及时的可靠的源头信息的能力。
    GPM可以传真给气井开采者过去24小时的气井气体流量的详细情况。开采者也可以通过开采者特有的、安全保密的电话系统得到按分钟更新气井的流量和报警信息。
    另外,使用这种测量系统可以更高效的支付开采者的产品费用。系统报警监视器可以自动警告开采者他们气井的潜在问题。

 
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