To, co dzieje się obecnie na świecie, narzuca dokonanie zmian w operacjach w obszarach upstream i midstream, realizowanych w sektorze ropy i gazu. Jednak konwergencja technologii informatycznej z operacyjną pomaga firmom z tej branży w dostosowaniu się do nowej rzeczywistości.

Ponieważ skutki pandemii związanej z wirusem COVID-19 oraz innych wydarzeń na świecie rozprzestrzeniają się także na różne globalne gałęzie przemysłu, wiele firm uważnie poszukuje sposobów najlepszej optymalizacji pracy oraz konserwacji posiadanych zasobów. Zmniejszony popyt na ropę naftową i gaz ziemny spowodowały znaczne zmniejszenie produkcji w tej branży – zarówno w w obszarach: upstream (poszukiwania oraz wydobycie surowców w odwiertach i szybach), midstream (transport surowców lub przetworzonych produktów za pomocą tankowców, kolei, rurociągów itd., magazynowanie surowców), jak i downstream (przetwarzanie ropy w rafineriach, oczyszczanie gazu ziemnego w stacjach oraz dystrybucja produktów pochodzących z tych surowców). Niestety, zjawisko to nie jest tak proste, jak zakręcenie kranu z wodą w domu.

Operacje upstream i midstream są często sterowane zdalnie, co powoduje problemy logistyczne przy dostrajaniu ich funkcjonowania (fot.1). W idealnym przypadku zlokalizowani centralnie użytkownicy są w stanie efektywnie obsługiwać i utrzymywać w ruchu te odległe zasoby, co pozwala na zaoszczędzenie na kosztach podróży służbowych pracowników oraz zwiększenie bezpieczeństwa, jednak tradycyjne platformy automatyki przemysłowej mogą ograniczać te możliwości.

Rozwiązaniem tych problemów może być rozpoczęcie transformacji cyfrowej i wdrożenie urządzeń oraz metod Przemysłowego Internetu Rzeczy (IIoT). Konwergencja najnowszych możliwości technologii informatycznej (IT) oraz tradycyjnej automatyki przemysłowej związanej z technologią operacyjną (OT) przynosi korzyści ekonomiczne, społeczne oraz środowiskowe. W tym artykule wyjaśnimy, w jaki sposób przeniesienie zainteresowania na bardziej zdalny dostęp do lokalnych systemów automatyki umożliwia uzyskanie tych oraz innych korzyści.

Mierzalne ulepszenia

Każda operacja jest definiowana za pomocą różnych elementów w łańcuchu wartości. Aby nadać priorytety i skwantyfikować wysiłki zmierzające ku ulepszeniu realizowanych operacji, koniecznym staje się ustalenie kluczowych wskaźników efektywności (KPI) dla związanych z tematem kwestii, takich jak:

■ ekonomiczne,

■ socjalne,

■ środowiskowe.

Na najbardziej podstawowym poziomie producenci pragną optymalizować swoje operacje, a więc i osiągane zyski. Wymaga to zbierania kompleksowych danych z posiadanych zasobów obiektowych (maszyn i urządzeń) oraz jednostek biznesowych. Następnie zebrane dane mogą być analizowane w celu określenia bieżących warunków pracy zakładu, diagnozowania problemów oraz uzyskiwania operacyjnych informacji praktycznych. Mając do dyspozycji właściwe informacje, użytkownicy mogą działać w celu poprawy efektywności i optymalizacji operacji, co prowadzi do uzyskania wielu korzyści.

Efektywni producenci są w stanie dostarczać konsumentowi końcowemu produkty o wysokiej jakości, jednocześnie oszczędzając koszty. Lepsze praktyki operacyjne sprawiają, że pracownicy działów produkcji oraz utrzymania ruchu łatwiej i bezpieczniej wykonują swoje zadania. W szczególności dotyczy to tych, którzy mogą pracować efektywniej, przebywając w zabezpieczonych lokalizacjach – jest to szczególnie ważne w czasach pandemii COVID-19. To ułatwione życie pracowników jest przykładem dostarczania benefitów socjalnych przy jednoczesnym cięciu kosztów. 

Jednak zwykle konieczne jest dokonanie zmian technicznych, aby otrzymać dane źródłowe, wymagane do stworzenia wskaźników KPI.

Z punktu widzenia środowiska naturalnego ścisły monitoring oraz optymalizowanie procesów upstream i midstream są konieczne do identyfikowania wszelkich problemów środowiskowych i rozwiązywania ich. W niektórych przypadkach może to wymagać także dodania czujników oraz innych urządzeń, co jest absolutnie konieczne dla uzyskania pełnej kontroli nad procesami. Zapobieganie zanieczyszczeniom środowiska pozwala uniknąć płacenia wysokich kar za niestosowanie się do przepisów. Obecnie na firmy przemysłowe nakładane są ostre wymagania dotyczące mniejszych wartości emisji. 

Konieczność zmian

W przeszłości wiele projektów automatyki dla operacji upstream i midstream było opartych na lokalnym oprzyrządowaniu i urządzeniach sterujących, posiadających jedynie ograniczone możliwości komunikacji zdalnej. Obecna potrzeba drastycznej zmiany w priorytetach operacyjnych ujawniła, że konieczna jest większa integracja odległych zasobów z systemami nadzorującymi przebieg procesów oraz systemami analitycznymi wyższego poziomu w celu uzyskania bezpieczeństwa i optymalizacji realizowanych operacji w każdych warunkach.

Konwergencja informatycznych systemów nadzorujących i analitycznych z typowymi cyfrowymi zasobami technologii OT była już możliwa w przeszłości, jednak realizacja tego nie była łatwa. Niezawodne przesyłanie właściwych danych na czas często wymagało wytężonych prac konfiguracyjnych oraz wykorzystywania kosztownych metod komunikacyjnych.

Obecnie dostępna jest nowa klasa przemysłowych sterowników brzegowych. W urządzeniach tych położono specyficzny nacisk na możliwości połączonych technologii IT oraz OT (fot. 2). Technologia komputerowego przetwarzania danych na krawędzi sieci łączy funkcjonalność sterowania deterministycznego w czasie rzeczywistym tradycyjnych programowalnych sterowników automatyki (PLC) z nowoczesną uniwersalną technologią komputerową, umożliwioną przez system operacyjny Linux.

Ten typ platformy sterowników brzegowych jest kluczowy dla ułatwienia integracji analityki IT ze skalowalnymi systemami przemysłowymi OT w przemyśle ropy naftowej i gazu. Sterowniki pracujące na krawędzi sieci ułatwiają transformację cyfrową poprzez pomaganie użytkownikom końcowym w obsłudze ich sprzętu z najwyższą efektywnością, dając im nowe opcje zdalnego dostępu oraz umożliwiając ulepszony monitoring warunków środowiskowych.

Dane, analityka i skalowalność

Transformacja cyfrowa wymaga danych, których źródłami generalnie są obiekty na „krawędzi” operacyjnej (krawędzi sieci). Dane te mogą być analizowane na krawędzi – w zakładzie przemysłowym, w chmurze obliczeniowej lub w pewnej kombinacji tych lokalizacji. Wyniki oraz uzyskane informacje praktyczne mogą być wykorzystane automatycznie przez systemy sterowania, lub po przeanalizowaniu przez operatorów do ulepszania operacji. 

Aby to było możliwe, wymagane jest skalowalne rozwiązanie, rozciągające się od krawędzi sieci do chmury obliczeniowej. Sterowniki brzegowe spełniają tę rolę poprzez dostarczanie wymaganej funkcjonalności w następujących obszarach:

■ Dane. Niezbędne dane są dostępne na obiektach (w zakładzie, w terenie), jednak często zostają uwięzione na krawędzi sieci. Sterowniki brzegowe mogą łatwo uzyskać dostęp przewodowy do wejść i wyjść oraz do danych dostępnych w sieci za pomocą standardowych protokołów przemysłowych, takich jak HART, OPC UA i Profinet.

■ Przetwarzanie danych na krawędzi. Jednak te olbrzymie ilości zebranych danych często nie dają się masowo przesłać do systemów wyższego poziomu bez opóźnień oraz poniesienia kosztów. Dzięki przetwarzaniu danych na krawędzi sieci można wstępnie oczyścić dane, tak więc ilość danych do przesłania jest mniejsza.

■ Przetwarzanie danych w chmurze. Dostępne są obecnie, oparte na chmurze obliczeniowej, rozwiązania, które umożliwiają wykonywanie bardziej kompleksowej analizy danych oraz uzyskanie zdalnej widoczności zakładu. Jednak wymagają one usieciowienia w celu dostarczania właściwych danych we właściwym czasie. Sterowniki brzegowe są zoptymalizowane pod kątem komunikacji z chmurą, wykorzystując takie protokoły, jak MQTT i OPC UA, mogą więc być użyte do tego celu.

■ Analiza predykcyjna. Niezależenie od tego, czy wykonywana na krawędzi, w chmurze, czy hybrydowym połączeniu obydwu, analiza danych jest niezbędna dla użytkowników, aby mieli wgląd w realizację operacji oraz możliwości dokonywania ulepszeń.

■ Zamknięcie pętli. Sterownik brzegowy może być informowany o działaniach użytkownika, analizie danych na krawędzi czy w chmurze. Pozwala to na dostrajanie jego parametrów i działania w celu zwiększenia efektywności produkcji lub dla potrzeb planowania produkcji.

Każde z tych zadań było już możliwe przedtem, jednak było również stosunkowo trudne do wdrożenia przy użyciu tradycyjnych metod automatyki. Sterowniki brzegowe są znacznie lepszym rozwiązaniem do wykonywania tych zadań, przy czym dużo pracy wykonuje się na skonsolidowanej platformie. Zakłady przemysłowe z branży ropy naftowej i gazu to szczególnie dobrzy kandydaci do wdrożeń sterowników brzegowych ze względu na olbrzymie ilości zbieranych danych, odległe lokalizacje wielu zasobów oraz potencjalne znaczne zyski, nawet z drobnych ulepszeń operacyjnych.

Rozważania na temat obszarów upstream i midstream

Przemysł ropy i gazu doświadczył już wielu cykli wzrostu i upadku. Oczekuje się, że taki trend będzie trwał nadal. W odpowiedzi na to lepsza koordynacja zasobów pod względem automatyki, zdalny dostęp oraz szczegółowy monitoring, realizowany za pomocą połączonej technologii IT/OT pozwoli użytkownikom na zarządzanie kosztami produkcji na odwiercie i rurociągu. Nowe projekty mogą już wykorzystać wspomnianą technologię, jednak równie ważne jest to, że istniejące systemy mogą być łatwo zmodernizowane i przystosowane do jej wykorzystywania (fot. 3).

Postępy w automatyce sterującej pracą głowic odwiertów mogą doprowadzić do zwiększenia produktywności odwiertów, ale jedynie wtedy, gdy utrzymana jest praca bez przestojów. A zatem ten typ automatyki powinien być wdrażany łącznie z projektami większej dostępności, lepszej komunikacji oraz lepszej diagnostyki. Sterowniki brzegowe oferują dokładnie takie funkcjonalności, posiadając redundantne procesory i układy sieciowe.

Podobne korzyści z takiej automatyki można zastosować w innych procesach, takich jak szczelinowanie hydrauliczne, separacja, przetwarzanie, transport i magazynowanie. Zwiększona produktywność tych elementów uzasadnia modernizowanie części operacji, takich jak przejście z przewozów surowca ciężarówkami na przesyłanie rurociągiem. Ponieważ firmy zarządzające rurociągami modernizują istniejące zasoby lub tworzą nowe systemy, sterowniki brzegowe pozwalają im na lepszy dostęp do danych oraz ulepszoną koordynację pomiędzy wszystkimi jednostkami organizacyjnymi. Obejmuje to łatwe dodanie punktów monitorujących warunki środowiskowe, które są ważne, ale niezwiązane ze sterowaniem.

Sterowniki brzegowe realizują funkcje specyficzne dla branży ropy naftowej i gazu, takie jak natywne obliczenia według wytycznych AGA (American Gas Association – amerykańskie stowarzyszenie firm zajmujących się dostawami gazu ziemnego). Ułatwia to użytkownikom określanie klas produktu, jakości produktu oraz natężenia przepływu. Wspierają wszystkie popularne protokoły przemysłowe zwykle spotykane w tej branży. Oznacza to, że sterowniki brzegowe łatwo są integrowane z systemami upstream i midstream.

Inną kwestią do rozważenia jest to, że automatyka może zwiększać lub zmniejszać produkcję, w zależności od bieżących potrzeb. Na przykład podczas spowolnienia operacji może się okazać konieczne wyłączenie lub „zabicie” szybu naftowego, jeśli produkcja nie może być wystarczająco spowolniona, aby utrzymać akceptowalne wartości przepływu. „Zabijanie” szybu (ang. well killing, wlanie do odwiertu słupa ciężkiego płynu w celu zapobiegania wypływom płynów złożowych) jest drastycznym krokiem, jego ponowne uruchomienie w przyszłości może być kosztowne. Jeśli firmy potrafią skutecznie spowolnić produkcję i uniknąć „zabijania” szybów, jednocześnie zmniejszając koszty stałe, to są oni w stanie utrzymać pracę większej ilości szybów, nawet tych o mniejszej produkcji.

Konwergencja przynosi elastyczność

Różne gałęzie przemysłu na świecie obecnie stawiają czoła nieoczekiwanym wyzwaniom operacyjnym. Część przemysłu produkcyjnego może pracować ciężej, jednak wiele operacji upstream, midstream i downstream w przemyśle ropy i gazu boryka się z problemem, jak obniżyć produkcję i bezpiecznie rozmieścić personel.

Dla przemysłu z branży ropy i gazu ustalenie celów ekonomicznych, socjalnych i środowiskowych jest sposobem napędzania postępu w tych obszarach. Jednak ulepszona automatyka jest potrzebna do poradzenia sobie z wyzwaniami związanymi z produkcją i kontrolą jakości.

Przejście na konwergentną technologię IT/OT, opartą na platformach sterowania brzegowego, jest sposobem na osiągnięcie wszystkich tych celów. Sterowanie brzegowe zachowuje solidną automatykę, wymaganą dla procesów w przemyśle ropy i gazu, oraz dodaje możliwość wdrożenia redundancji. Łatwy dostęp do danych oraz zdalne połączenia sieciowe wspierają analitykę na obiektach/w terenie, w chmurze lub obydwie – pozwalając pracownikom utrzymania ruchu reagować błyskawicznie, a nawet w wielu przypadkach proaktywnie. Pracownicy produkcji mogą wykorzystywać te dane do dokładnego dostrajania produkcji oraz optymalizacji operacji w całym systemie.

Ta skokowa zmiana technologiczna, oferowana przez sterowniki brzegowe oraz Przemysłowy Internet Rzeczy, wykorzystujące konwergencję IT/OT, pomaga wykwalifikowanym pracownikom być efektywnymi oraz wspiera firmy na ich drodze ku transformacji cyfrowej.

Denka Wangdi jest liderem marketingu w dziale rozwiązań automatyki maszynowej firmy Emerson. Jest odpowiedzialna za portfolio produktów firmy, przeznaczonych na rynek ropy i gazu. Posiada ponad 15 lat doświadczenia w modelach handlowych wydobycia surowców z dna morza, ziemi oraz badań i rozwoju.

Darrell Halterman jest starszym menedżerem produktu w branży sterowników PAC Systems w dziale automatyki maszynowej firmy Emerson. Jest także odpowiedzialny za strategię modernizacji rozwiązań automatyki w portfolio firmy. Lubi pracować z klientami nad odnajdywaniem właściwej strategii modernizacji w celu ulepszania istniejących w zakładach klientów rozwiązań układów sterowania, przy wykorzystaniu najnowszych postępów w automatyce.