Ứng dụng Ethernet trong nền công nghiệp dầu hỏa và khí đốt

Ứng dụng Ethernet trong nền công nghiệp dầu hỏa và khí đốt Công nghiệp dầu hỏa và khí đốt đang đối diện với một sự tăng vọt trên toàn thế giới do nhu cầu tưởng chừng như không thể thỏa mãn được đối với những loại nhiên liệu hóa thạch ở cả những nước phát triển và nước đang phát triển. Tuy nhiên thực hiện những công đoạn như khoan thăm dò, vận chuyển, lưu trữ, tinh chế và xuất khẩu dầu hỏa và khí đốt tự nhiên vẫn là những công việc hết sức phức tạp. Những công đoạn phức tạp này đòi hỏi một quy trình công nghiệp tự động hóa cao và công nghệ Ethernet công nghiệp có thể là những đáp án đóng vai trò quan trọng. Dàn khoan Làm thể nào để giám sát hoạt động khoan? Những điều cơ bản về khoan dầu hỏa Một dàn khoan bao gồm mũi khoan, máy bơm bùn, thiết bị đi kèm mũi khoan, nguồn điện, máy nén, thiết bị kiểm soát đánh lửa, và thiết bị tách nước và bùn. Để cố gắng giảm thiểu “thời gian chết” của máy móc, các công ty dầu hỏa đã bắt đầu sử dụng những thiết bị kiểm soát để đảm bảo rằng quy trình sản xuất vận động trơn tru. Với một hệ thống tự động hóa sẵn có, những hành động chính xác sẽ được đưa ra ngay tức thì nếu trường hợp khẩn cấp xảy ra. Công nghệ Ethernet công nghiệp hiện đóng vai trò như một mạng xương sống trong những hệ thống giám sát sử dụng trong việc thăm dò dầu hỏa. Nó được sử dụng để kết nối các thiết bị điều hành nằm trong phòng phòng xử lý trung tâm, như những bộ PLC hay những cảm biến cho hệ thống HMI/SCADA, để truyền những dữ liệu quan trọng về thiết bị bao gồm tốc độ, nhiệt độ, áp suất, tốc độ dòng, mật độ dòng và những thống kê khác sử dụng cho việc phân tích hoặc cảnh báo. Những dàn khoan ngoài khơi Những dàn khoan trên biển phức tạp hơn rất nhiều, và chi phí xây dựng và điều hành cũng đắt hơn, so với những dàn khoan trong đất liền. Một lý do của sự phức tạp này là do những dàn khoan ngoài khơi yêu cầu thêm những thiết bị quan trọng khác phụ trợ cho việc giám sát và quản lý ngoài những thiết bị tự động hóa sử dụng trong việc khai thác. Những thiết bị này bao gồm những giàn neo lớn, thiết bị thông gió, hệ thống điều hòa, hệ thống chiếu sáng, hệ thống thoát nước, và hệ thống cung cấp năng lượng, tất cả chúng biến một dàn khoan trên biển thành một thành phố ảo ngoài khơi. Những điều lệ về an toàn cho những hoạt động ngoài khơi đều dựa trên những tiêu chuẩn cực kỳ khắt khe. Đầu tiên có thể nhắc tới hệ thống giám sát CCTV được sử dụng để kiểm soát an toàn tổng thể của dàn khoan và tất cả hoạt động. Hầu hết những dàn khoan ngoài khơi đều có những hệ thống giám sát CCTV độc lập, và một vài nơi còn tích hợp luôn hệ thống này vào những mạng xương sống có sẵn. Tuy nhiên, những giải pháp về giám sát IP như những máy chủ video IP và máy quay IP đang nổi lên như một xu hướng mới để thay thế những hệ thống DVR cổ điển, vì những giải pháp IP có sự linh hoạt về cài đặt lớn hơn và bảo dưỡng dễ dàng hơn so với những hệ thống DVR và CCTV truyền thống. Những máy quay PTZ cũng khiến cho việc kiểm soát an ninh và điều khiển thuận tiện và an toàn hơn. Những thiết bị Ethernet công nghiệp như chuyển mạch hay những bộ chuyển đổi có thể được sử dụng như một mạng truyền thông xương sống trên một dàn khoan ngoài khơi, hoặc được cài đặt trên những dàn nổi để “bắc cầu” cho những hoạt động giữa những dàn khác. Những mạng không dây cũng được sử dụng để kết nối những thiết bị tại những địa điểm có điều kiện môi trường và địa hình khó khăn. Giám sát miệng giếng dầu đối với những dàn khoan trong đất liền Quá trình sản xuất dầu hỏa trở nên an toàn và hiệu quả hơn khi có một hệ thống van để giám sát những miệng giếng. Trong trường hợp khẩn cấp, hệ thống này sẽ kích hoạt thiết bị đóng khẩn cấp (ESD – Emergency Shutdown Device) để tự động đóng miệng giếng khi trường hợp khẩn cấp xảy ra ví dụ như nổ đường ống hoặc có hỏa hoạn. Những miệng giếng kiểu mới đều được thiết kế phù hợp với những hệ thống van để tối ưu công việc giám sát và điều khiển, trong khi đó những miệng giếng kiểu cũ cũng có thể được nâng cấp bằng cách thêm vào những thiết bị giám sát bổ sung. Công nghệ Ethernet công nghiệp là tối quan trọng đối với việc giám sát miệng giếng. Công nghệ này cung cấp một giải pháp khả dụng cao và thích hợp với những điều kiện khắc nghiệt trên sa mạc, ví dụ như cát, bụi và sự chênh lệch nhiệt độ đáng kể. Kiến trúc mạng IP có thể tích hợp dữ liệu từ những bộ PLC, âm thanh, và hình ảnh rất dễ dàng. Điều khiển từ xa và trao đổi dữ liệu giữa trung tâm và những khu vực ở xa có thể thực hiện qua hệ thống cáp quang thường được dùng để kết nối những khu vực có đường ống dẫn dầu. Khoan thủy lực Mạng giám sát sử dụng Ethernet Vận chuyển và dự trữ Điều hành và giám sát hệ thống máy bơm tại những trạm phân tách Sau khi khoan thành công, dầu thô sẽ phun lên từ một túi dầu dưới lòng đất và ngay lập tức sẽ được truyền qua một hệ thống ống dẫn để tới một trạm phân tách ba-thành-phần. Trạm phân tách này hoạt động giống như một bộ xử lý đầu cuối có nhiệm vụ phân tách dầu thô thành dầu, khí đốt, và nước trước khi đẩy dòng chất lỏng đến trạm xử lý tiếp theo. Dữ liệu từ vô số van trong hệ thống va từ các thiết bị phân tách tại trạm sẽ được thu thập và giám sát trên toàn bộ mạng. Một lựa chọn có thể là kết nối toàn bộ thiết bị trong những khu vực phân tách vào một mạng cáp sợi vòng tròn, và sử dụng những bộ PLC hoặc các bộ vào ra điều khiển từ xa để thu thập dữ liệu. Ethernet vô tuyến là một thay thế cho mạng hữu tuyến. Bằng cách cài đặt một điểm truy nhập (AP – Access Point) tại một điểm cao tại mỗi trạm, dữ liệu có thể được quảng bá qua toàn bộ mạng vô tuyến đến khu vực điều khiển. Truyền dữ liệu vô tuyến đã khắc phục toàn bộ những khó khăn mà mạng cáp có thể gặp phải khi cài đặt thiết bị và đi dây. Tuy nhiên, băng thông là một vấn đề quan trọng cần phải xem xét kỹ lưỡng khi triển khai cơ sở hạ tầng vô tuyến. Sử dụng băng thông thấp hoặc truyền dữ liệu hình ảnh có thể làm chậm tốc độ truyền, và điều này tất yếu sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu và làm cho khả năng điều khiển trong thời gian thực là không thể. Hệ thống van tại những miệng giếng Giám sát miệng giếng dầu Giám sát đường ống Khi dầu và khí đốt được phân tách, dầu thô sẽ được chuyển đến những khu vực lưu trữ ở xa hoặc đến một khu cảng gần nhất bằng các đường ống hoặc các tàu chở dầu. Hệ thống đường ống có thể trải dài trên những khoảng cách rất lớn và đôi khi thậm chí còn cắt ngang đường biên giới giữa các quốc gia. “Giám sát đường ống” giờ đây mang ý nghĩa là cung cấp những hệ thống quản lý thời gian thực đồng thời phải dễ sử dụng để giảm thiểu nguy cơ nổ, rò rỉ, và bị phá hoại, điều này hiện đã trở thành một vấn đề tối quan trọng trong ngành công nghiệp dầu hỏa và khí đốt. Một hệ thống giám sát đường ống thực sự có thể có được dễ dàng hơn rất nhiều nếu một cơ sở hạ tầng mạng quang sợi được thiết lập. Trong trường hợp đó, những thiết bị giám sát có thể được cài đặt trực tiếp dọc theo đường ống. Tuy nhiên, sử dụng các phương tiện truyền dẫn không dây khoảng cách xa, ví dụ như GSM/GPRS, cũng được xem như một giải pháp thay thế nếu không thể thiết lập được một cơ sở hạ tầng quang sợi. Trong trường hợp này, hệ thống giám sát kết nối trực tiếp đến những thiết bị kết-nối-nối-tiếp hoặc kết-nối-Ethernet và dữ liệu được truyền qua mạng GSM/SPRS. Quá trình phân tách dầu/khí đốt/nước Thùng chứa dầu và khí đốt Giám sát kho/bể chứa dầu Dầu thô và khí đốt tự nhiên được truyền xuôi xuống để lưu trữ hoặc đến những trạm xử lý tiếp theo. Dầu thô thường được lưu trữ trong những thùng chứa ở khu vực cảng hoặc dưới mặt đất; khí đốt tự nhiên hoặc sẽ được hóa lỏng để lưu trữ hoặc vận chuyển tới những nhà máy/trạm trung gian phía sau. Những cơ sở lưu trữ này và những đường ống vận chuyển cần được giám sát thận trọng để tránh rò rỉ và xem áp suất tại những bể chứa khí đốt có quá cao hay không, cả hai hiện tượng trên đều có thể gây nguy hiểm cho sự an toàn của cơ sở lưu trữ hay nhà máy. Dữ liệu bao gồm thể tích chất lỏng, áp suất đường ống và nhiệt độ đều là những thông tin sống còn. Những thùng chứa, hệ thống van và bơm áp suất tại những cơ sở lưu trữ thường được kết nối và giám giát thông qua hệ quang sợi hoặc những chuyển mạch Ethernet đến hệ thống quản lý trung tâm. Các nhà máy tinh chế dầu Hệ thống điều khiển phân tán Có thể thấy rõ ràng rằng quá trình lọc dầu-quá trình biến những phân tử phức hợp thành những chất có cấu trúc hóa học đơn giản hơn-là một quá trình cực kỳ phức tạp, mà một trong những nguyên nhân đó là quá trình này yêu cầu rất nhiều quá trình khác nhau để tinh chế những vật-chất-cuối. Hệ thống điều khiển phân tán, viết tắt là DCS (Distributed Control System), là hệ thống điều khiển chính được sử dụng trong quá trình tinh chế này, nó có chức năng quản lý đầu ra và hiệu suất của nhà máy tinh chế. Hệ thống DCS là thành phần sống còn trong cấu trúc của nhà máy, và do đó hệ thống này không thể bị ngắt đột ngột trong quá trình hoạt động. Có thể kể ra một vài “đối tượng” mà một hệ thống DCS có thể quản lý như nồi đun, bộ phận tạo nhiệt và hơi nước, và hệ thống dẫn thoát nước. Toàn bộ quy trình sản xuất không thể bị gián đoạn và yêu cầu một sự vận hành cực kỳ ổn định trong suốt 24 giờ một ngày, và 7 ngày trong một tuần. Giám sát những thùng chứa dầu Một trong những mối nguy hiểm trong việc quản lý nhà máy/phân xưởng sản xuất đó là hệ thống DCS có thể ngừng hoạt động do một lỗi nào đó tại một điểm tưởng như không liên quan của hệ thống. Vì lý do này, những hệ thống phụ là một phần không thể thiếu trong thiết kế của bất kỳ một hệ DCS nào. Tất cả thiết bị và phương tiện (bao gồm những trạm điều khiển chính và dự phòng, các bộ điều khiển chính và dự phòng, những thiết bị “nóng” và những thiết bị “chờ”, mạng LAN song song, các khối giao diện song song, và các thiết bị thăm dò song song) đều phải được tạo bộ dự phòng trong một hệ thống phụ. Trong một vài trường hợp, nhiều hệ thống phụ đa năng được yêu cầu để nâng cao tính ổn định của hệ thống. Lấy ví dụ, khi mạng Ethernet được sử dụng như một mạng truyền thông xương sống, thông thường sẽ có hai mạng độc lập được cài đặt, chúng ta có thể gọi hai mạng đó là LAN 1 và LAN 2. Khi mạng chính không còn hoạt động, những thiết bị có thể tiếp tục truyền dữ liệu thông qua mạng dự phòng. Tương tự, tất cả những bộ điều khiển, máy chủ và các hệ thống HMI/SCADA đều được trang bị các giao diện truyền thông song song, và dữ liệu được truyền đồng thời qua cả hai giao diện để tránh tình trạng mất dữ liệu khi một trong các mạng của hệ thống không hoạt động. Giám sát đường ống Hệ thống điều khiển phân tán Hệ thống đo Một hệ thống đo đạc hay đánh giá điều khiển hiệu suất tinh chế và mức độ sử dụng nguyên liệu. Thông số đo đạc về tốc độ dòng chất lỏng và mật độ dòng là rất quan trọng để duy trì sự an toàn và hiệu quả của nhà máy. Tất cả dữ liệu này được thu thập và truyền qua hệ thống đo đạc đến máy chủ và tại đây chúng được tập hợp và phân tích. Dữ liệu phải “có mặt” đối với hệ thống DCS theo thời gian thực (lưu ý rằng đối với mạng Ethernet, thời gian thực chỉ có nghĩa là thời gian trễ rất ít) để có thể tối ưu thành phẩm và hoạt động của nhà máy. Cũng như đối với hệ thống DCS, hệ thống đo đạc này cũng yêu cầu một cấu trúc dự phòng phụ để đảm bảo rằng những tính toán chi phí cho quá trình tinh chế là chính xác. Chi phí tinh chế được dựa trên dữ liệu thu thập được từ hệ thống đo đạc. Hệ thống này thông thường được trang bị ít nhất hai giải pháp dự phòng phụ để đảm bảo 100% dữ liệu là chính xác và đề phòng những lỗi không mong muốn xảy ra. Máy tính kiểm soát dòng chảy là một trong những bộ phận thiết yếu của hệ thống này. Nó có thể được xem như một hệ thống DCS con “chắn ngang” dòng dữ liệu về dòng chảy và truyền chúng về trung tâm hệ thống DCS để từ đó có thể giúp cho hoạt động của nhà máy trở nên dễ dàng. Hệ thống đo đạc Xác định rò rỉ khí đốt và chất lỏng Một hệ thống phụ trợ trong những nhà máy lọc dầu được sử dụng để xác định rò rỉ khí đốt và chất lỏng. Mặc dù hệ thống phụ trợ này không trực tiếp tham gia vào quy trình sản xuất, nó sẽ cảnh báo trước cho nhà máy và phía điều hành viên về những rò rỉ nguy hiểm tiềm ẩn trong hệ thống đường ống được sử dụng để vận chuyển khí đốt và chất lỏng. Hệ thống xác định rò rỉ này đơn giản hơn hệ thống DCS. Những bộ thăm dò rò rỉ được kết nối với một mạng sợi quang đa chức năng, trong khi đó một hệ thống SCADA tại trung tâm điều khiển giám sát các thiết bị thông qua giao thức Modbus. Khi phát hiện một sự rò rỉ nào đó, hệ thống điều khiển trung tâm ngay lập tức thông báo đến khu vực điều hành để có những đề phòng, và thậm chí có thể ngắt toàn bộ hệ thống. Để đảm bảo có được phản ứng nhanh nhất có thể, những thiết bị quản lý và giám sát thời gian thực thích hợp là không thể thiếu. Hệ thống báo động tích cực gần đây nổi lên như một xu hướng mới nhất có thể cung cấp những dữ liệu thiết yếu và toàn diện cho công việc giám sát vấn đề xác định rò rỉ. Những sản phẩm vào/ra Ethernet tích cực có thể ngay lập tức thông báo sự kiện thông qua thư điện tử, tin nhắn SMS, hay những thông báo thời gian thực. Bằng cách thông tin đến những điều hành viên về tình hình theo thời gian thực, thời gian phản ứng có thể được rút ngắn đáng kể. Những trạm khí đốt Những thành phẩm cuối cùng sau khi tinh chế bao gồm xăng, thành phẩm hóa dầu, dầu nhớt, và chất dẻo, tất cả những thành phẩm này chúng ta đều có thể thấy và sử dụng hàng ngày. Lấy ví dụ như những trạm khí đốt, hiện nay phụ thuộc chủ yếu vào sự tự động hóa trong hàng loạt những chức năng quan trọng. Tự động hóa giúp cho hoạt động của những trạm khí đốt an toàn hơn bằng cách kết nối các máy bơm khí đốt tại một trạm trực tiếp đến một hệ thống POS. Trên thực tế, những trạm khí đốt có thể hoạt động độc lập bằng cách sử dụng một máy tính “dán” trên mỗi một máy bơm. Tuy nhiên, những trạm khí đốt lớn cần kết nối các thiết bị và những cụm máy bơm khí đốt với nhau trước khi truyền dữ liệu qua mạng xương sống đến trung tâm quản lý từ xa. Thêm nữa, nhiều trạm khí đốt thuộc quyền sở hữu của cùng một công ty có thể cần được kết nối để có thể trao đổi thông tin về khách hàng, hoặc cung cấp dữ liệu qua lại cho những phân tích sâu hơn. Xác định rò rỉ khí đốt và chất lỏng Tóm lược Một quá trình bổ sung và phân phối tin cậy về dầu hỏa khí đốt tự nhiên ra thị trường là vấn đề sống còn trong bối cảnh nền kinh tế toàn cầu vẫn phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu này. Quá trình khai thác và tinh chế dầu hỏa và khí đốt là cực kỳ phức tạp và nói chung được diễn ra dưới những điều kiện tự nhiên khắc nghiệt. Mỗi một công đoạn sản xuất dầu hỏa và khí đốt liên quan mật thiết đến công nghệ tự động hóa trong công nghiệp và yêu cầu những hệ thống mạng tin cậy để thu thập dữ liệu, giám sát PLC, và điều chỉnh môi trường. Công nghệ mạng Ethernet công nghiệp có thể đóng một vai trò quan trọng trong vấn đề tự động hóa ở công nghiệp dầu hỏa và khí đốt tại những giai đoạn khoan, vận chuyển, lưu trữ, tinh chế và kể cả xuất khẩu sản phẩm. Những sự mô tả ở trên hé lộ cách thức những thiết bị Ethernet công nghiệp, ví dụ như những máy chủ thiết bị nối-tiếp-đến- Ethernet, chuyển mạch Ethernet, những máy chủ hình ảnh, thiết bị vào/ra từ xa, v.v.., mang lại sự thuận tiện và kinh tế cho những ứng dụng tự động hóa trong ngành công nghiệp dầu hỏa và khí đốt.