مقدمة

تُشغّل صناعة النفط والغاز بعضًا من أكثر بيئات الأتمتة الصناعية تطلبًا في العالم. تواجه المنصات البحرية تآكل الهواء المالح والاهتزازات المستمرة. تمتد محطات ضغط خطوط الأنابيب لآلاف الأميال مع الحد الأدنى من الموظفين في الموقع. تُشغّل المصافي عمليات متواصلة حيث تكلف ساعة واحدة من التوقف غير المخطط له أكثر مما تكلفه معظم أنظمة التحكم المنطقي القابلة للبرمجة (PLC) طوال عمرها الافتراضي.

تُعدّ وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) من أهمّ أنظمة التحكم في هذه الصناعة، حيث يتم اختيارها ليس لقدرتها الحاسوبية فحسب، بل لموثوقيتها وتكرارها وحصولها على الشهادات اللازمة. إنّ فهم كيفية عمل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) عبر سلسلة القيمة في قطاع النفط والغاز يُبيّن سبب اختيار هذه الصناعة لأنظمة أتمتة مُحدّدة.

الاستكشاف والإنتاج

تستخرج عمليات التنقيب والإنتاج النفط الخام والغاز الطبيعي من المكامن الجوفية. وتتحكم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) في عملية الحفر نفسها، بالإضافة إلى مرافق الإنتاج السطحية التي تفصل النفط والغاز والماء.

التحكم في الحفر

تعتمد منصات الحفر الحديثة على أنظمة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) لتشغيل محركات الحفر العلوية، وأنظمة ضخ الطين، وروبوتات مناولة الأنابيب. ويتركز دور وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) في عمليات الحفر على ما يلي:

· إدارة معدلات دوران الطين والضغط لمنع الانفجارات

· التحكم في سرعة دوران المحرك العلوي وعزم الدوران أثناء عمليات التغليف

· مراقبة وزن المثقاب والكشف عن التصاق سلسلة الحفر

· تنسيق تركيب الأنابيب وتسلسلات الخروج

يجب أن تتحمل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) الخاصة بالحفر الاهتزازات العالية، وبيئات الهواء المالح، والحاجة إلى استجابات السلامة في الوقت الفعلي. وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة الخاصة بالسلامة (ألين برادلي جارد لوجيكستُعد وحدات المعالجة المركزية من نوع Siemens F-CPU إلزامية في معظم منصات الحفر لتلبية المتطلبات التنظيمية.

أنظمة الرفع الاصطناعي

تتطلب العديد من الخزانات النفطية استخدام الرفع الاصطناعي لإنتاج النفط بمعدلات اقتصادية. وتتحكم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) في المضخات الغاطسة الكهربائية (ESPs) ومضخات القضبان (وحدات الضخ الهيدروليكي) وأنظمة الرفع بالغاز.

· التحكم في المضخة الغاطسة الكهربائية: تقوم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) بتغيير سرعة المضخة عبر أوامر محرك التردد المتغير (VFD) بناءً على ضغط رأس البئر وإشارات معدل الإنتاج.

· تحسين أداء مضخة القضيب: تقوم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) بتحليل بيانات بطاقة الديناكارد (منحنيات الحمل والموضع) للكشف عن مشاكل ملء المضخة وتحسين سرعة الشوط.

· مراقبة عملية رفع الغاز: تتحكم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) في تسلسل صمامات رفع الغاز لزيادة الإنتاج إلى أقصى حد من الآبار التي يتم رفع الغاز منها.

أتمتة المنصات البحرية

تضم المنصات البحرية بعضًا من أكثر تركيبات وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة تعقيدًا في أي صناعة. وتتطلب قيود المساحة، وحدود الوزن، وتكلفة نقل الأفراد بواسطة المروحيات، أنظمة أتمتة عالية الموثوقية ومكتفية ذاتيًا.

تطبيقات وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة الشائعة في المنصات البحرية:

· التحكم في عمليات المنصة (وحدات الفصل، التجفيف، الضغط)

· أنظمة الكشف عن الحرائق والغاز

· أنظمة الإغلاق الطارئ (ESD)

· التحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء للمناطق الخطرة

· التحكم في توازن سفن الإنتاج والتخزين والتفريغ العائمة (FPSO)

تتطلب أنظمة التشغيل الآلي البحرية شهادات ATEX/IECEx أو شهادات مماثلة للمناطق الخطرة لجميع الأجهزة الميدانية والعديد من وحدات PLC.

قطاع النقل والتخزين: خطوط الأنابيب والنقل

تتولى عمليات النقل والتخزين نقل النفط والغاز من حقول الإنتاج إلى المصافي ونقاط التوزيع. ويشمل ذلك خطوط الأنابيب ومحطات الضغط ومحطات التخزين ومرافق تحميل الشاحنات/السكك الحديدية.

نظام التحكم SCADA و PLC لخطوط الأنابيب

تعتمد خطوط الأنابيب الطويلة على وحدات طرفية عن بُعد (RTUs) تعتمد على وحدة تحكم منطقية قابلة للبرمجة (PLC) في كل محطة ضخ/ضغط. تراقب وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ما يلي:

· ضغوط السحب والتفريغ في كل محطة

· معدلات التدفق عبر عدادات نقل الملكية

· أوضاع الصمامات (يدوية، تلقائية، أو يتم التحكم بها بواسطة نظام SCADA)

· حالة المضخة/الضاغط وبيانات الاهتزاز

تتواصل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) في كل محطة مع وحدة تحكم مركزية (SCADA) عبر الأقمار الصناعية أو الموجات الدقيقة أو وصلات الألياف الضوئية. يصدر نظام SCADA أوامر ضبط النقاط المحددة - سرعة المضخة، وحدود ضغط التفريغ - وتقوم وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة بتنفيذ التحكم المحلي.

تستخدم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) لخطوط الأنابيب بشكل شائع ما يلي:

· شنايدر إلكتريك كوانتوم أو إم 580 لمشغلي خطوط الأنابيب الكبيرة

· نظام Siemens S7-400H للتكوينات الاحتياطية الساخنة في المحطات الحيوية

· نظام التحكم الموزع ABB 800xA في المحطات الرئيسية ومرافق التخزين

التحكم في محطة الضاغط

تستخدم خطوط أنابيب الغاز وحدات ضغط (توربينات غازية أو محركات كهربائية) للحفاظ على ضغط خط الأنابيب. وتتولى وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) إدارة ما يلي:

· تسلسل بدء تشغيل/إيقاف تشغيل الضاغط

· نظام تحكم مضاد للارتفاع المفاجئ في التيار لمنع تلف الضاغط

· التحكم في ضغط مدخل/مخرج المحطة

· إدارة نظام غاز الوقود

· رصد الانبعاثات والإبلاغ عنها

يُعد التحكم في مقاومة الارتفاع المفاجئ للتيار الكهربائي أمرًا بالغ الصعوبة، إذ يتطلب استجابة أسرع من دورة المسح الرئيسية، ويتم التعامل معه عادةً من خلال إجراءات مقاطعة مخصصة أو أجهزة مخصصة.

الكشف عن تسربات خطوط الأنابيب

بينما تعمل أنظمة الكشف عن التسرب على أنظمة SCADA أو خوادم متخصصة، فإن وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) هي التي تغذي البيانات الحيوية:

· قياسات الضغط والتدفق في كل جزء

· حالة الصمام (أي إغلاق غير مخطط له يستدعي تقييم التسرب)

· تتبع الدفعات لخطوط أنابيب المنتجات المتعددة (الديزل، البنزين، وقود الطائرات بالتتابع)

المصب: التكرير والبتروكيماويات

تحوّل عمليات التكرير والتصنيع النفط الخام والغاز الطبيعي إلى منتجات قابلة للاستخدام. وتعتمد مصافي التكرير ومصانع البتروكيماويات على عمليات مستمرة حيث يؤثر التحكم الدقيق في درجة الحرارة والضغط والتركيب بشكل مباشر على الإنتاجية والسلامة.

وحدة التحكم في التقطير

تقوم وحدة التقطير الخام (CDU) بفصل النفط الخام إلى أجزاء بناءً على درجات غليانها. وتتولى وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) عادةً ما يلي:

· التحكم في درجة حرارة الفرن (مناطق تدفئة متعددة)

· التحكم في مستوى العمود والضغط

· معدلات سحب المنتج ومؤشرات الجودة

· عمود ما قبل التبخير والتحكم الرئيسي في التجزئة

من أجل التحكم التنظيمي الصارم، غالباً ما تستخدم المصافي نظام التحكم الموزع (DCS) بدلاً من وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) المستقلة لحلقات العمليات الأساسية، حيث تتولى وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) وظائف منفصلة مثل التحكم في المضخات وتسلسل الصمامات.

وحدة التكسير التحفيزي (FCCU)

يُفكك التكسير التحفيزي المائع جزيئات الهيدروكربونات الثقيلة إلى منتجات أخف وأكثر قيمة. تتطلب هذه العملية تنسيقًا دقيقًا.

· التحكم في منفاخ الهواء لتسييل السوائل

· معدل دوران المحفز

· مراقبة درجة حرارة المفاعل وتجاوزها

· التحكم في سحب الطين والبنزين

يجب أن تتحمل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) الخاصة بوحدة التكسير التحفيزي للسوائل (FCCU) ظروفًا قاسية للغاية - درجات حرارة عالية، وجزيئات محفزة كاشطة، وتشغيل مستمر مع الحد الأدنى من إمكانية الوصول للتوقف والتشغيل.

أتمتة مزارع الخزانات

تُخزّن خزانات التكرير النفط الخام والمنتجات الوسيطة والمنتجات المكررة. وتتحكم وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) في ما يلي:

· قياس مستوى الخزانات (باستخدام الرادار أو أجهزة إرسال مستوى المؤازرة)

· محركات تقليب داخل الخزان وملفات تسخين

· استقبال وإرسال التحكم في المضخة

· نظام مراقبة استعادة البخار

تتصل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) الخاصة بمزارع الخزانات بأجهزة الكمبيوتر الخاصة برفوف التحميل للتحقق من صحة تحميل الشاحنات، وبأنظمة إرسال خطوط الأنابيب لنقل الملكية.

لماذا تختار شركات النفط والغاز منصات PLC محددة؟

تختلف تفضيلات قطاع النفط والغاز فيما يتعلق بوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) عن تفضيلات قطاع التصنيع المنفصل:

الموثوقية أهم من الميزات: يُعطي مشغلو النفط والغاز الأولوية للموثوقية المُثبتة على حساب القدرات المتطورة. فالمنصة التي عملت بنجاح في البيئات البحرية لمدة 15 عامًا تُفضّل على المنصة الأحدث ذات الميزات الإضافية الطفيفة.

التكرار: التطبيقات الحرجة - أنظمة ESD، وإدارة طاقة المنصة، وأنظمة الحريق والغاز - تعمل دائمًا تقريبًا على تكوينات PLC زائدة (مزدوجة).

شهادة المناطق الخطرة: تتطلب جميع الأجهزة الميدانية والعديد من وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) شهادات للمناطق الخطرة (ATEX، IECEx، تصنيف UL للفئة 1 القسم 1/2). وهذا يحد بشكل كبير من منظومة الأجهزة المتاحة.

دعم دورة حياة طويلة: تعمل مصافي النفط لمدة تتراوح بين 30 و40 عامًا. يجب أن تكون استثمارات الأتمتة قابلة للدعم على مدى عقود، بما في ذلك أثناء عمليات الصيانة الدورية للمصانع عند إجراء ترقيات رئيسية.

خاتمة

تُختار وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) في قطاع النفط والغاز بناءً على معايير الاعتماد والتكرار والموثوقية المُثبتة، بدلاً من التركيز على مؤشرات الأداء الأساسية. ويساعد فهم موقع وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة ضمن إطار عمل الاستكشاف والإنتاج والنقل والتكرير والتوزيع المهندسين على تحديد المنصة المناسبة لكل تطبيق، وإدراك سبب كون بعض الخيارات التي تبدو باهظة الثمن في التصنيع المنفصل منطقية تماماً في الصناعات التحويلية.

الأسئلة الشائعة

س: لماذا لا تزال صناعة النفط والغاز تستخدم منصات PLC القديمة؟

ج: دورات الاعتماد في قطاع النفط والغاز طويلة، وتستغرق عادةً من 3 إلى 7 سنوات من اختيار المنصة إلى أول عملية تشغيل. وبمجرد اعتمادها للعمل في المناطق الخطرة وموافقة قسم العمليات، يتطلب تغيير المنصات إعادة اعتماد كاملة. وهذا يخلق جموداً قوياً تجاه المنصات القائمة.

س: ما الفرق بين وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) ووحدة التحكم عن بعد (RTU) في تطبيقات خطوط الأنابيب؟

أ: وحدة التحكم الطرفية عن بُعد (RTU) هي نوع متخصص من وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) مُحسَّنة للتكامل مع أنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA)، وهي عادةً أفضل لنقل البيانات عن بُعد لمسافات طويلة، وتتميز باستهلاك أقل للطاقة، ونطاق تشغيل بيئي أوسع. العديد من وحدات التحكم الطرفية عن بُعد الحديثة هي في الأساس وحدات تحكم منطقية قابلة للبرمجة مُقوَّاة تعمل ببروتوكولات SCADA مثل DNP3 أو IEC 61850.

س: لماذا يعتبر التحكم في مقاومة الارتفاع المفاجئ أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة لوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) الخاصة بالضواغط؟

أ: يُعدّ اندفاع الضاغط انعكاسًا سريعًا لتدفق الهواء، ما قد يُؤدي إلى تلف المراوح في غضون ثوانٍ. ويتطلب نظام منع الاندفاع استجابة أسرع من فحص وحدة التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) القياسي، ويتم التعامل مع هذه الاستجابة عادةً بواسطة برامج ثابتة مخصصة أو إجراءات مقاطعة ذات أولوية عالية. ويؤدي عدم الاستجابة بالسرعة الكافية إلى تلف كارثي للمعدات.

س: ما هي شهادات المناطق الخطرة التي تتطلبها وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC) البحرية؟

ج: تتطلب المنصات البحرية عادةً شهادة ATEX/IECEx من المنطقة 1 أو المنطقة 2 للمعدات الإلكترونية. في الولايات المتحدة، تُطبق شهادات UL من الفئة 1 القسم 1 أو القسم 2. يجب أن تحمل كل وحدة مُثبتة في منطقة خطرة - بطاقات الإدخال، وبطاقات الإخراج، ووحدات الاتصال - الشهادة المناسبة.

س: كيف تتعامل مصافي النفط مع الأمن السيبراني لوحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLC)؟

أ: تُطبّق مصافي النفط بشكل متزايد معايير الأمن السيبراني الصناعية IEC 62443. يتم عزل وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) عن شبكات الأعمال عبر مناطق معزولة (DMZs)، وتتحكم جدران الحماية الصناعية في الوصول إلى أنظمة التحكم الإشرافي وجمع البيانات (SCADA). ويقوم العديد من المشغلين حاليًا بتطبيق فحص الحزم العميق على اتصالات وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة (PLCs) للكشف عن الأوامر غير المصرح بها.

المنتجات ذات الصلة

· [وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة من سيمنز](https://www.tztechio.com/siemens) — S7-400H, S7-1500

· [وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة من شنايدر إلكتريك](https://www.tztechio.com/allen-bradley) — موديكونالكم،

· [وحدات التحكم المنطقية القابلة للبرمجة من ABB](https://www.tztechio.com/abb) — AC500، النظام 800xA

· [أجهزة الاستشعار الصناعية](https://www.tztechio.com/bently-nevada) — أجهزة إرسال الضغط ودرجة الحرارة والمستوى