背景
電力和天然氣輸送公司 CenterPoint Energy – Mississippi River Transmission LLC (CNP-MRT) 擁有并運(yùn)營(yíng)著 8,200 英里的輸氣管道。2012 年，這些管道為大陸中部的九個(gè)州輸送了 1.6 萬(wàn)億立方英尺的天然氣。輸氣業(yè)務(wù)能否成功，取決于如何應(yīng)對(duì)需要獲取重要數(shù)據(jù)和投入大量資金的復(fù)雜的基礎(chǔ)設(shè)施挑戰(zhàn)，而且還取決于能否將大量天然氣可靠地遠(yuǎn)距離輸送到 22 個(gè)燃?xì)獍l(fā)電廠(chǎng)。

為了與其他輸氣公司和其他可替代能源企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)公共事業(yè)客戶(hù)，CNP-MRT 需要利用能夠最大限度地降低運(yùn)營(yíng)、維護(hù)和停機(jī)成本的技術(shù)。這使得他們的價(jià)格和服務(wù)等級(jí)能夠贏得并留住公共事業(yè)客戶(hù)。

輸氣方面的盈利能力更加復(fù)雜，因?yàn)檫@個(gè)細(xì)分市場(chǎng)不僅依賴(lài)于輸氣生產(chǎn)量，而且還必須考慮各種可變因素，如天氣變暖需求減少、天然氣價(jià)格波動(dòng)，及法規(guī)合規(guī)性方面的經(jīng)常性支出等。

若要以最低的成本輸送最大數(shù)量的天然氣，所面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是高效率、可靠且智能地控制和監(jiān)控往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)的性能并使往復(fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行。校車(chē)大小的發(fā)動(dòng)機(jī)可為天然氣加壓（高達(dá) 1,500 psi），將天然氣體積壓縮高達(dá) 600 倍，然后推進(jìn)管道。

旨在降低基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)成本、最大限度地減少停機(jī)時(shí)間和利用實(shí)時(shí)診斷的控制和自動(dòng)化機(jī)會(huì)非常重要。但是，對(duì)于在大約 70 個(gè)輸氣管道壓縮機(jī)組中部署升級(jí)后的控制技術(shù)，潛在的資本投資和資源分配同樣重要。

挑戰(zhàn)
增壓站沿管線(xiàn)分布，每個(gè)增壓站之間相隔 40 至 100 英里，并且每個(gè)增壓站有 2 至 10 個(gè) 2,000 馬力的壓縮機(jī)。能源輸送領(lǐng)域系統(tǒng)的“老齡化”很常見(jiàn)，這些系統(tǒng)就是專(zhuān)為長(zhǎng)久使用而建造的。即使是 20 世紀(jì) 60 年代投入使用的設(shè)備也能再用 20 年。不過(guò)，數(shù)十年前的陳舊設(shè)備的效率比不上當(dāng)前技術(shù)。因此，控制系統(tǒng)的性能往往達(dá)不到當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)。

為中西部規(guī)模龐大的壓縮機(jī)組升級(jí)控制系統(tǒng)需要巨大的資本投入，特別是在傳統(tǒng)的外包模式下，需要將控制設(shè)計(jì)和實(shí)施工作承包給多個(gè)工程公司和系統(tǒng)集成商。隨著時(shí)間推移，該方法為 CNP-MRT 創(chuàng)造了各種控制產(chǎn)品和解決方案，而且它們通常基于黑盒專(zhuān)有邏輯。此情況會(huì)讓管理和實(shí)際站點(diǎn)運(yùn)營(yíng)彼此分離，所以會(huì)過(guò)度依賴(lài)外部供應(yīng)商，而且內(nèi)部進(jìn)行的控制系統(tǒng)配置、集成、擴(kuò)展和升級(jí)面臨更高的成本。

CNP-MRT 控制和自動(dòng)化團(tuán)隊(duì)將公司的馬蹄湖增壓站視作設(shè)計(jì)和部署內(nèi)部執(zhí)行增壓站升級(jí)的一個(gè)測(cè)試案例。伊利諾伊州格蘭特城的這個(gè)增壓站擁有四臺(tái)壓縮機(jī)，位于 CenterPoint Mississippi River Transmission (MRT) 管道沿線(xiàn)，密蘇里州、阿肯色州和伊利諾伊州之間的大多數(shù)天然氣輸送都是通過(guò)這條線(xiàn)路完成的。

馬蹄湖增壓站是該公司從另一家實(shí)體手中接管過(guò)來(lái)的，該實(shí)體指定并建造了該設(shè)施，然后將其移交給了 CNP-MRT 運(yùn)營(yíng)。這座建成七年的增壓站相對(duì)來(lái)說(shuō)還很新，但在建造之初，系統(tǒng)集成商出于經(jīng)濟(jì)實(shí)用的考慮，選擇使用壽命即將到期的專(zhuān)有架構(gòu)和可編程邏輯控制器。

“相對(duì)于如今的開(kāi)放式架構(gòu)的潛力，其結(jié)果就是以一種非常過(guò)時(shí)的編程方式設(shè)計(jì)出了一個(gè)過(guò)時(shí)的控制系統(tǒng)。”監(jiān)督公司北部管道的 CNP-MRT 儀器及電子技術(shù)專(zhuān)家 Steve Starkey 說(shuō)道，“另外，CNP-MRT 僅使用 Rockwell Automation，不支持在該設(shè)施中使用的平臺(tái)。所以，我們?nèi)舨辉谂嘤?xùn)方面投入大量的時(shí)間和金錢(qián)，是不可能自行操作控制系統(tǒng)的?！?/span>

在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)順序中再添加一個(gè)步驟就需要再付出成本，例如，需要控制裝置供應(yīng)商重新編程，而編程過(guò)程中的每一項(xiàng)改進(jìn)都需要付出額外的成本。解決問(wèn)題或故障，特別是在半夜或周末時(shí)，會(huì)使壓縮機(jī)運(yùn)行面臨停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

“人們常說(shuō)，解決黑盒問(wèn)題的方法并不多?！盨tarkey 說(shuō)道，“CNP-MRT 不以為然。我們希望可以直接進(jìn)行管理，以便掌控故障處理事務(wù)。另外，專(zhuān)有系統(tǒng)通常不是模塊化的。當(dāng)需要集成和擴(kuò)展時(shí)，無(wú)法分別進(jìn)行替換?！?/span>

最后，CNP-MRT 需要對(duì)信息解決方案（從數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)、收集和共享到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和報(bào)警）作出重大改進(jìn)。大型壓縮機(jī)的主要成本支出項(xiàng)目包括：用于優(yōu)化運(yùn)行效率和性能的發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)，以及維修本可避免的故障的開(kāi)銷(xiāo)。

發(fā)動(dòng)機(jī)操作失靈或出現(xiàn)故障，意味著能源公司賺不到錢(qián)。根據(jù)簽訂的合同，公司需要滿(mǎn)足高標(biāo)準(zhǔn)的交付可靠性（未按照承諾輸送天然氣會(huì)被處以罰款），所以缺乏數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的可見(jiàn)性會(huì)導(dǎo)致公司無(wú)法以前瞻性的方式進(jìn)行維護(hù)，無(wú)法快速地通過(guò)調(diào)整作出響應(yīng)，也無(wú)法有效地?cái)U(kuò)展或擴(kuò)大規(guī)模。

解決方案
CNP-MRT 利用馬蹄湖站創(chuàng)造并證明了一種潛在的模式：主要依賴(lài)內(nèi)部資源，以經(jīng)濟(jì)高效的方式制定、管理和實(shí)施重大控制升級(jí)。CNP-MRT 與 Rockwell Automation 全球解決方案團(tuán)隊(duì)的石油和天然氣專(zhuān)家合作，著手設(shè)計(jì)的解決方案不僅針對(duì)馬蹄湖，而且還可以用作中西部地區(qū)其余壓縮機(jī)組升級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)或樣板。

CNP-MRT 選擇了 Rockwell Automation 的 PlantPAx? 過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用開(kāi)放式架構(gòu)，既具備 DCS 系統(tǒng)的功能，又能隨處訪(fǎng)問(wèn)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而將控制和信息集成在一起。資產(chǎn)可見(jiàn)性和生產(chǎn)信息得到了大幅改進(jìn)，這為增壓站操作員提供了必要的數(shù)據(jù)，使其能夠更加快速地應(yīng)對(duì)維護(hù)、運(yùn)營(yíng)和流程控制問(wèn)題。

“壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)逐漸收集、集成和利用更多的數(shù)據(jù)?！盨tarkey 說(shuō)道，“我們正在嘗試實(shí)時(shí)優(yōu)化各個(gè)運(yùn)行方面，以增加正常運(yùn)行時(shí)間，提高效率和盈利能力。這包括監(jiān)控泵送天然氣和依靠天然氣運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)組性能、排放，甚至安全性?！?/span>

“我們?cè)谶^(guò)程領(lǐng)域需要做的一切事情，Rockwell Automation 都做到了。”Starkey 說(shuō)道。

馬蹄湖站通過(guò)升級(jí)，使得操作員可以更輕松地管理速度和負(fù)載控制?？刂葡到y(tǒng)還會(huì)根據(jù)各臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行時(shí)間以及系統(tǒng)控制的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量，確定應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)哪些壓縮機(jī)組。“過(guò)去，在分別啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，”Starkey 指出，“需要依次啟動(dòng) 1 號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)、2 號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)，以此類(lèi)推。因此，某些靠前的機(jī)組總會(huì)運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間?，F(xiàn)在，PlantPAx 系統(tǒng)知道啟動(dòng)那些運(yùn)行時(shí)間最短的發(fā)動(dòng)機(jī)，且會(huì)先關(guān)閉運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的發(fā)動(dòng)機(jī)?！?/span>

PlantPAx 系統(tǒng)中的可視化功能提供了一個(gè)關(guān)于壓縮的窗口，將發(fā)動(dòng)機(jī)、站點(diǎn)及管道系統(tǒng)級(jí)別的性能指標(biāo)和生產(chǎn)信息整合在了一起。通過(guò)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地報(bào)告發(fā)動(dòng)機(jī)事件以及利用分析工具和管理儀表板，可提供基于角色的、情境相關(guān)的局部信息，幫助作出更好的決策。

“我們?cè)谶^(guò)程領(lǐng)域需要做的一切事情，Rockwell Automation 都做到了。”Starkey 說(shuō)道?！罢?qǐng)教該領(lǐng)域的專(zhuān)家，有助于我們作為一個(gè)運(yùn)營(yíng)團(tuán)體，制定出一個(gè)有效的控制解決方案。這樣的解決方案的功能非常完善，可使應(yīng)用開(kāi)發(fā)和改進(jìn)更容易。只要能想到，就可以做得到?！?/span>

成果
CNP-MRT 總結(jié)了以下四個(gè)主要方面的升級(jí)回報(bào)。

1.擁有成本 — 對(duì)于馬蹄湖站的新系統(tǒng)，從設(shè)計(jì)到安裝交付的成本遠(yuǎn)低于以前的系統(tǒng)。根據(jù)使用以前系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，Starkey 估計(jì)資本投資大約是同等規(guī)?？刂祈?xiàng)目總成本的 20%。

2.HMI 配置簡(jiǎn)化 — 不必從零開(kāi)始學(xué)習(xí) HMI 應(yīng)用程序，省去大量培訓(xùn)時(shí)間。借助可以參照的基本實(shí)例，即使站點(diǎn)情況不同，內(nèi)部控制團(tuán)隊(duì)也可以作出更改來(lái)適應(yīng)幾乎所有類(lèi)型的發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣便大幅減少了集成時(shí)間。

3.可操作性提高 — 馬蹄湖的經(jīng)驗(yàn)表明，負(fù)責(zé)各自站點(diǎn)的操作員對(duì)他們需要做的大多數(shù)工作充滿(mǎn)信心。“以前，有很多灰色區(qū)域，操作員無(wú)法控制或無(wú)法進(jìn)行必要了解的情況太多了?！盨tarkey 說(shuō)道。“現(xiàn)在不一樣了。操作員親自幫助開(kāi)發(fā)真正好用的 HMI 和可編程自動(dòng)化控制器程序。這是他們自己的控制系統(tǒng)。”

4.停機(jī)時(shí)間減少 — PlantPAx 系統(tǒng)減少了站點(diǎn)停機(jī)時(shí)間和維修的資本支出。以前，除了停機(jī)，沒(méi)有任何報(bào)警。而現(xiàn)今，通過(guò)將報(bào)警功能設(shè)計(jì)為在故障出現(xiàn)之前捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)問(wèn)題，操作員可以在發(fā)動(dòng)機(jī)尚未發(fā)生故障之時(shí)就及早進(jìn)行維修。員工通過(guò)遠(yuǎn)程觀看數(shù)據(jù)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)保持最低限度的可用性，直到問(wèn)題得到解決。

馬蹄湖站是 CNP-MRT 首次利用內(nèi)部資源著手實(shí)施的一個(gè)完整的壓縮機(jī)控制站。高層管理人員產(chǎn)生懷疑是可以理解的?！拔覀儽仨氉C明，與以前的系統(tǒng)相比，我們的團(tuán)隊(duì)在管理新系統(tǒng)方面更輕松?！盨tarkey 說(shuō)道，“與以前購(gòu)買(mǎi)的系統(tǒng)相比，它具有的可擴(kuò)展性更大，效率更高且可靠性更強(qiáng)?！?/span>

借助 Rockwell Automation 針對(duì)目標(biāo)設(shè)定、工程建議、指導(dǎo)和特定于能源的最佳范例為項(xiàng)目提供的各類(lèi)支持，整個(gè)壓縮機(jī)組采用 PlantPAx 解決方案作為統(tǒng)一的控制和自動(dòng)化模型。從面板到控制系統(tǒng)的運(yùn)行界面和操作方式，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和實(shí)施過(guò)程已成為 CNP-MRT 未來(lái)升級(jí)其他壓縮機(jī)站的標(biāo)準(zhǔn)。

“從可靠性到可擴(kuò)展性，再到集成了我們可以想到的幾乎所有功能，PlantPAx 系統(tǒng)在每一點(diǎn)上都表現(xiàn)得格外出色?！盨tarkey 說(shuō)道。

上述結(jié)果是 CenterPoint Energy 將 Rockwell Automation 產(chǎn)品和服務(wù)與其他產(chǎn)品配合使用實(shí)現(xiàn)的。具體結(jié)果可能因客戶(hù)而異。