کاربرد فناوری اینترنت اشیا (IIoT) در صنایع نفت و گاز

اینترنت اشیا در صنعت نفت و گاز

از زمان شروع انقلاب صنعتی در بیش از 250 سال پیش، اقتصاد جهانی در مسیر رشد پرشتابی قرار داشته است که توسط یک سری پیشرفت‌های فناوری به پیش می‌رود. از موتورهای بخار که جایگزین آسیاب‌های آبی شدند تا برق، تلفن، خودرو، هواپیما، ترانزیستور، کامپیوتر و اینترنت، هر موج جدید فناوری باعث افزایش بهره‌وری و رشد اقتصادی شده است. برخی از فناوری‌ها، به‌ویژه فناوری‌های همه‌ منظوره مانند انرژی بخار یا اینترنت که می‌توانند در سراسر اقتصاد به کار روند، اثرات گسترده و مخربی دارند. اینترنت شیوه زندگی ما را به شدت تغییر داده است و تعاملات بین افراد را در یک سطح مجازی در چندین زمینه از زندگی حرفه ای گرفته تا روابط اجتماعی منتقل کرده است. اینترنت اشیا این پتانسیل را دارد که با فعال کردن ارتباطات با و بین اشیاء هوشمند، بُعد جدیدی را به این فرآیند بیافزاید، بنابراین منجر به چشم‌انداز ارتباطات «در هر زمان، هر مکان، هر رسانه، هر چیزی» می‌شود.  اینترنت اشیا (IoT) از نظر تأثیر اقتصادی بالقوه در رتبه سوم قرار دارد. در حال حاضر کمتر از 1٪ از اشیاء فیزیکی به اینترنت متصل هستند و فرصت اتصال آنها بسیار زیاد است که می تواند کارایی عملیاتی و فرآیندهای تجاری را ساده کند. اینترنت اشیا (IoT) تقریباً بر هر حوزه ای از عملیات نفت و گاز تأثیر می گذارد. اکوسیستم جدید اینترنت اشیا تصمیم گیرندگان را قادر می سازد تا در زمان واقعی تصمیم گیری کنند، زمان کارکرد دارایی را برای عملیات بالا دستی و پایین دستی افزایش دهند، هزینه های مربوط به انطباق و نوآوری های بهبود یافته را کاهش دهند.

در این مقاله مگاتجهیز سعی بر معرفی فناوری جدید اینترنت اشیا در صنعت نفت و گاز دارد. در ادامه با اینترنت اشیا و کابرد آن در صنعت نفت و گاز آشنا خواهید شد.

صنعت نفت و گاز فرآیندهای اعزام، تولید، فرآوری، حمل و نقل و فروش فرآورده های نفتی را پوشش می دهد. سوخت، نفت و بنزین اکثریت محصولات این صنعت را تشکیل می دهند. نفت همچنین ماده خام بسیاری از محصولات شیمیایی از جمله آماده سازی داروها، محلول ها، کودها، آفت کش ها و تولید پلاستیک است. از آنجایی که تقاضا برای سوخت طبیعی روزانه در حال افزایش است، شرکت‌های نفت و گاز باید فناوری‌های جدیدی ایجاد کنند و عملیات را برای افزایش بهره‌وری بهبود بخشند. استفاده از اینترنت اشیا که مبتنی بر حسگرها است را می توان به عنوان یک موضوع به عنوان شیوه اجرای استراتژی صحیح در جمع آوری اطلاعات در بخش نفت و گاز در نظر گرفت. استفاده از این فناوری امکان کنترل کارایی، تصمیم گیری کارآمد، بهبود تولید و افزایش رقابت را فراهم می کند. جهت‌هایی مانند افزایش سرعت اکتشاف و کشف نفت، افزایش تولید نفت و کاهش خطرات سلامت، امنیت انسان و محیط‌ زیست شناسایی شده در نتیجه خرابی تجهیزات یا خطاهای اپراتور به طور مداوم با استفاده از اینترنت اشیا توسعه می‌یابد. اینترنت اشیا به عنوان لایه توسعه انقلابی بعدی حوزه فناوری اطلاعات پس از کامپیوتر، اینترنت و ارتباطات تلفن همراه شناخته می شود. اینترنت اشیا قبلاً در هر زمینه فعالیت زندگی روزمره ما با آن مواجه شده است. این عمدتا در پزشکی، کشاورزی، صنعت نفت و گاز و سایر زمینه ها به منظور کنترل از راه دور تغییرات رخ داده، جلوگیری از آتش سوزی و ارائه سایر عملکردهای مفید استفاده می شود. کوین اشتون، یکی از توسعه دهندگان فناوری شناسایی فرکانس رادیویی (RFID) خاطرنشان می کند که اینترنت اشیا به اندازه اینترنت، پتانسیل تغییر جهان را دارد. حل چند معضل مهم اجتماعی با تحقق اینترنت اشیا مورد انتظار است. همچنین مسائل بهبود فرآیندهای توسعه کنترل در صنعت نفت و گاز حل خواهد شد.

اینترنت اشیا (IOT) چیست؟

در سال 1999، اصطلاح “اینترنت اشیا” (IoT) برای اولین بار توسط کوین اشتون مطرح شد. اینترنت اشیا «اشیاء» را قادر می سازد تا خودشان داده تولید کنند. مانند یک محیط مجازی است که در آن افراد، اشیاء و حتی موجودات توانایی برقراری ارتباط با یکدیگر را از طریق اینترنت دارند. چیزی که در اینترنت اشیا وجود دارد می توان یک آدرس IP اختصاص داد و با قابلیت انتقال داده ها از طریق یک شبکه ارائه شد. اینترنت اشیا، اشیاء را قادر می سازد به اینترنت متصل شوند و بنابراین دارای هوش تعبیه شده هستند. حجم عظیمی از داده های تولید شده در هنگام تجزیه و تحلیل می تواند بینش ها و الگوهای ارزشمندی را ارائه دهد.

اینترنت اشیا عملیات ها را به صورت خودکار انجام می دهد بدین صورت:

• جمع آوری اطلاعات به صورت خودکار در مورد دارایی های فیزیکی (ماشین ها، تجهیزات، دستگاه ها، امکانات، وسایل نقلیه) برای نظارت بر وضعیت یا رفتار
• استفاده از این اطلاعات برای ارائه دید و کنترل برای بهینه سازی فرآیندها و استفاده از منابع و بهبود تصمیم گیری
• اینترنت اشیا یک فعال کننده اکوسیستم اینترنت همه چیز (IoE) است

اینترنت اشیاء در صنعت نفت و گاز

صنعت نفت و گاز باید با چالش‌های متعددی مانند قیمت‌های پایین‌تر نفت خام، نرخ‌های تولید پایین‌تر، نوسانات تقاضا و عرضه، افزایش مخارج سرمایه‌ای بالادستی، رکود اقتصادی، رقابت برای منابع، افزایش هزینه‌ها، قوانین زیست‌محیطی، جمعیت رو به رشد، مسائل ژئوپلیتیکی مواجه شود. تغییرات، مالیات، سیاست های ایمنی و پیری نیروی کار، گرم شدن کره زمین همراه با سایر نگرانی های زیست محیطی و بهداشتی، موانع مهمی را در دسترسی به منابع طبیعی مانند نفت خام، زغال سنگ و گاز ایجاد می کند. رقابت فزاینده و شرایط شدید اقتصاد کلان بر فشار بی امان می افزاید. هنگامی که قیمت نفت بیش از 100 دلار بود، بسیاری از شرکت‌های نفت و گاز به عملیات کارآمد در تجارت خود توجهی نکردند. در کسب و کار، افزایش کارایی همراه با کاهش هزینه ها اکنون به یک هنجار تبدیل شده است.

گزارش اقتصاد جهانی 2015 و گزارش صنعت پایین دستی که به طور مستقل توسط انجمن جهانی پالایش تهیه شده است، موارد زیر را نشان می دهد:

وقتی در مورد “بزرگترین چالشی که در حال حاضر در سطح جهانی با آن روبرو هستید” سؤال شد، 37 درصد از شرکت کنندگان گفتند که کاهش و نوسان قیمت نفت خام بر پویایی جهانی تأثیر می گذارد.

هنگامی که در مورد “چالش های کلیدی برای صنعت پایین دستی” پرسیده شد، 15٪ از شرکت کنندگان گفتند که اتخاذ فناوری برای تولید محصولات جدید یک چالش است.

نوآوری در فناوری به پالایشگاه‌ها و تولیدکنندگان پتروشیمی در سطح جهان این امکان را داده است که در بازار رقابتی روزافزون اقتصادی باقی بمانند. اکنون، طبق گفته 42.86 درصد از شرکت‌کنندگان، کلید کاهش هزینه‌ها را فناوری نگه می‌دارد، هنگامی که از آنها سؤال می‌شود «کلید کاهش هزینه‌ها چیست؟» (2015 Global Economics & The Downstream Industry Report، 2015)

پذیرش اینترنت اشیا توسط صنعت نفت و گاز پتانسیل افزایش تولید ناخالص داخلی جهانی را تا 0.8 درصد یا 816 میلیارد دلار تا سال 2025 دارد. پذیرش اینترنت اشیا در خرده فروشی های نفت باعث می شود تقاضای مصرف کننده تا 3.7 درصد افزایش یابد. اینترنت اشیا به شرکت‌های نفت و گاز کمک می‌کند تا ایمن‌تر و کارآمدتر باشند و نوآوری‌هایی ایجاد کنند که تأثیر مثبتی بر کاربر نهایی بگذارد. هدف IoT اتصال افراد، فرآیندها، داده‌ها و چیزها است تا توانایی تصمیم‌گیری بی‌درنگ را فراهم کند و از این طریق کارگران و کاربران تجاری را توانمند کند. عملکرد دارایی های نفت و گاز را افزایش می دهد و جریان اطلاعات و فرآیندها را بهبود می بخشد. اینترنت اشیا فرصت های فوق العاده ای را برای شرکت های نفت و گاز در عملکردهای مختلف باز کرده است.

برخی از کاربردهای عملی اینترنت اشیا در صنعت نفت و گاز در زیر ارائه شده است:

ساعت‌های پوشیدنی – تعدادی از شرکت‌های خدمات میدان نفتی از ساعت‌های پوشیدنی برای مهندسان میدانی خود استفاده می‌کنند که آنها به میدان‌های دورافتاده دور از ساحل می‌روند. ساعت پوشیدنی را می توان برای برقراری ارتباط با اتاق کنترل برای ناوبری و همچنین برای اهداف ایمنی استفاده کرد. مثال: همچنین اطلاعاتی را در زمان واقعی به اتاق کنترل ارائه می دهد که در طول نشت نفت یا آتش سوزی در یک دکل، چند کارمند در منطقه آسیب دیده حضور دارند. پیام‌های صوتی و متنی را می‌توان از اتاق کنترل به صورت «یک به یک» و «یک به چند» ارسال کرد تا کارمندان بتوانند به مکان امن‌تری بروند. مختصات هر کارگری که ساعت هوشمند را به دست دارد فوراً به اتاق کنترل منتقل می شود و حرکت آنها به طور مداوم پیگیری می شود. این امر برای اطمینان  از ایمنی کارکنانی است که در شرایط خطرناک از راه دور کار می کنند.

در معادن، کارمندان از حمل تلفن همراه محدود می‌شوند، زیرا ممکن است به دلیل صحبت کردن با تلفن، مشکلاتی پیش بیاید. از طریق این ساعت های پوشیدنی فوراً می توان به کارگران در مورد ریزش سنگ احتمالی هشدار داد. آنها همچنین می توانند با فشار دادن یک دکمه روی ساعت در صورت خرابی احتمالی تجهیزات را متوقف کنند و همان را به اتاق کنترل اطلاع دهند.

کلاه های پوشیدنی – یک شرکت جهانی خدمات میدان نفتی یک پروژه آزمایشی را آغاز کرده است که به موجب آن مهندسان میدانی باید از این کلاه های ایمنی هوشمند که در مکان های دورافتاده دور از ساحل کار می کنند استفاده کنند. این کلاه دارای یک سنسور هوشمند است که می تواند حرکت مردمک چشم مهندس میدان مربوطه را تشخیص دهد و اگر حرکت مردمک چشم برای مدت معینی وجود نداشته باشد، سنسور به طور خودکار اتاق کنترل را برای انجام اقدامات ایمنی اصلاحی مانند ردیابی هشدار می دهد. کارمند مربوطه تا از هر گونه حادثه ناگوار جلوگیری شود. کلاه ایمنی می تواند مختصات دقیق کارمند را ارائه دهد تا در صورت بروز فاجعه تخلیه لازم انجام شود.

عینک های پوشیدنی – هنگامی که قسمت هایی از یک دکل باید مونتاژ شوند، این عینک های نمایشگر نصب شده ارزشمند هستند. آنها اطلاعات عینک را درست مانند گوشی های هوشمند در قالب هندزفری ارائه می دهند. این شیشه ها اطلاعاتی را در زمان واقعی در مورد قطعاتی که یکی پس از دیگری مونتاژ می شوند در اختیار کارکنان قرار می دهد. جدا از تجسم فرم، آنها همچنین جزئیاتی در مورد قطعات دارایی که باید مونتاژ شوند را ارائه می دهند.  آنها تصاویر سه بعدی تولید میکنند که می توانند به صورت بلادرنگ به متخصصان در محل برای همکاری بیشتر ارسال شوند. کارمندانی که در مکان‌های دور کار می‌کنند همچنین می‌توانند ورودی‌های ارزشمند را فوراً از همکاران خود که صدها کیلومتر دورتر هستند دریافت کنند. کمک بلادرنگ می تواند در قالب تعمیر و نگهداری قطعات، مراحل ایمنی که باید رعایت شود، آموزش، جدول زمانی و تاییدیه حضور و غیاب باشد.

هواپیماهای بدون سرنشین – آنها در بازرسی خطوط لوله برای نشت، بررسی سکوهای واقع در مکان های دریایی برای انتشار گازهای گلخانه ای کمک ارزشمندی هستند. خطوط لوله نفت گاهی اوقات صدها کیلومتر از مناطق ناهموار کوهستانی عبور می کند. آنها را می توان در مکان های غیرقابل دسترس، متخاصم و دور از دسترس استفاده کرد و تصاویری با وضوح بالا ارائه کرد. جریان ویدئو را می توان بر اساس زمان واقعی برای تعمیر و نگهداری پیش بینی تجزیه و تحلیل کرد. این وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین بسیار مقرون به صرفه هستند و قرار است جایگزین هلیکوپترهای خلبانی برای همان کار شوند و در نتیجه باعث صرفه جویی در هزینه های بالقوه برای یک شرکت بزرگ نفت و گاز شود. آنها می توانند به تعیین موقعیت مختصات GPS یک خط لوله که دارای ترک هایی است که منجر به نشت فرآورده های نفتی داغ می شود کمک کنند. نشتی که در غیر این صورت تشخیص آن توسط کارگران میدانی از چند ساعت تا چند روز طول می‌کشید، اکنون می‌تواند در عرض چند دقیقه از طریق دوربین‌های حسگر حرارت مادون قرمز تشخیص داده شود و در نتیجه باعث صرفه‌جویی در گشت‌زنی دستی، تعمیر و نگهداری تجهیزات و هدر رفتن ناشی از نشت فرآورده‌های نفتی شود.

سیستم نظارت بر صنعت نفت و گاز مبتنی بر اینترنت اشیا نتایج اصلی فناوری‌های اینترنت اشیا برای صنعت نفت و گاز به شرح زیر است :

(1) اینترنت اشیا چندین کاربرد بالقوه مهم در اکتشاف تأسیسات، عملیات حفاری و تولید، نگهداری و کنترل کلی تأسیسات دارد.

(2) کارهای مربوط به کاربرد فناوری های اینترنت اشیا در میدان نفت و گاز در حال حاضر در سطح آزمایشی است و کارهای انجام شده بر پردازش فشرده داده ها و کنترل موثر بارهای ورودی/خروجی متمرکز شده است.

 اهداف اصلی کاربرد فناوری های اینترنت اشیا به شرح زیر است:

(1) تشخیص ذخایر هیدروکربنی بیشتر.

(2) تولید و حمل و نقل ایمن، کارآمد با حداقل تأثیر زیست محیطی؛

(3) پردازش و توزیع محصول کارآمدتر و صرفه جویی در هزینه.

(4) برنامه ریزی بهینه سازی.

(5) مدیریت ارتباط با مشتری.

(6) شناسایی فرصت ها و بازارهای جدید.

(7) کنترل تجهیزات مورد استفاده (موتور، پمپ ها، دکل های حفاری و غیره)؛

(8) بهینه سازی جایگزینی محور حفاری؛

(9) کنترل پلت فرم تولید خودکار؛

(10) تشخیص زودهنگام نشت؛

(11) نظارت بر خط لوله (برای ایمنی شرایط مکانیکی-فیزیکی)؛

(12) تعامل بیشتر بین اتوماسیون و دستگاه های امنیتی.

(13) ردیابی کارکنان از طریق موقعیت جغرافیایی و نظارت بر برخی عوامل امنیتی (به عنوان مثال، بر اساس عدم تحرک برای مدت زمان مشخصی برای اطلاع از آسیب یا سقوط کارمند با تعیین نبض کاربر از طریق کلاه ایمنی یا خلخال‌های هوشمند).

(14) کاهش نیاز به بازرسی های دست ساز، تشخیص نشت در زمان واقعی، و همچنین اندازه گیری پارامترهای مختلف در ورودی چاه نفت برای بهینه سازی پارامترها از طریق تجزیه و تحلیل و یادگیری ماشین.

این مقاله معماری مبتنی بر اینترنت اشیاء (اینترنت اشیا) را برای نظارت بر عملیات های مختلف صنعت نفت و گاز ارائه می کند. معماری پیشنهادی شامل سه ماژول است:

1. حسگرها (ماژول‌های شی هوشمند)
2. ماژول شبکه (دروازه‌ها)
3. ماژول‌های کاربردی (مرکز کنترل)

 هر ماژول نظارت بر محیط های مختلف میدان نفتی مرتبط با یکدیگر را انجام می دهد.

1. لایه حسگر (شیء هوشمند)

لایه‌های حسگر شامل حسگرهایی هستند که روی تجهیزات مختلف چاه‌های نفت و فناوری‌های شبکه بی‌سیم (3G، 4G، Wi-Fi، ZigBee و غیره) نصب شده‌اند که آنها را به هم متصل می‌کند. هر جسم هوشمند (حسگر) یک وسیله فیزیکی است و بیشتر آنها در تجهیزات نفتی مختلف قرار می گیرند. اشیاء هوشمند به شما امکان اندازه گیری و جمع آوری داده ها را می دهند. هر شی هوشمند به انواع مختلفی از سنسورها مانند آکوستیک، دما، فشار و … مجهز است تا هرگونه نشتی روی آن را تشخیص دهد. نصب گروهی از اشیاء هوشمند بر روی تجهیزات مختلف در محیط میدان نفتی Smart Oilfield نامیده می شود. سیگنال های دریافتی از حسگرهای نصب شده برای نظارت بر پمپ های میدان نفتی (فشار و دمای پمپ ها، خروجی پمپ و غیره) عمدتاً به فرآیند کنترل کمک میکند . اطلاعات جمع آوری شده از میادین نفتی باید برای پردازش و تجزیه و تحلیل به سرور منتقل شود.

2. لایه شبکه (دروازه ها)

لایه شبکه به عنوان لایه فرستنده نیز شناخته می شود و به عنوان یک لایه میانی در معماری اینترنت آیتم ها استفاده می شود. لایه دروازه اساساً اطمینان می دهد که داده های جمع آوری شده روی پلت فرم نفت به مرکز کنترل اینترنت اشیا منتقل می شود یا برعکس، انتقال ایمن سیگنال های دریافتی از مرکز کنترل به لایه حسگر را فراهم می کند. شبکه ایجاد شده بر اساس پروتکل WLAN (شبکه محلی بی‌سیم) دستگاه‌های چاه‌های نفت نصب شده را در چندین منطقه کنترل می‌کند. در این لایه داده ها از  حسگر دریافت شده و در صورت لزوم رمزگذاری شده و به مرکز کنترل منتقل می شود. از آنجایی که چاه‌های صنعت نفت دور از مرکز قرار دارند، معمولاً شبکه 4G در این مناطق وجود ندارد و بنابراین راه‌اندازی یک شبکه بی‌سیم اختصاصی برای پشتیبانی از خدمات سیستم مهم است.

3. لایه کاربردی (مرکز کنترل)

به عنوان لایه بالایی اینترنت اشیا  پیاده سازی می شود. ماژول مرکز کنترل (سرور) به کنترل برنامه و تجزیه و تحلیل داده های جمع آوری شده از ماژول های شی هوشمند پاسخ می دهد. در این لایه، کنترل خودکار مانیتورینگ پمپ نفت بر اساس کنترل داده ها و تجزیه و تحلیل هر چاه انجام می شود. داده ها را جمع آوری می کند و برای رویدادهای غیرعادی تصمیمات مهمی می گیرد و از فرآیند تصمیم گیری پنل کنترل پشتیبانی می کند. لایه برنامه تا حد زیادی مسئول مدیریت فرآیندها است و شامل رابط های شی، سرورهای کنترل IoT مرکزی، برنامه های کاربردی اینترنت اشیا، پایگاه های داده، ابزارهای تجسم و غیره است. مرکز کنترل اینترنت اشیا داده ها را از حسگرهای نصب شده بر روی پمپ ها به صورت بلادرنگ دریافت می کند. داده های جمع آوری شده (دمای چاه نفت، فشار، جریان و غیره) از طریق یک برنامه کاربردی هوشمند تجزیه و تحلیل شده و مدیریت بدون دخالت انسان پس از گروه بندی بر اساس انواع  انجام می شود. مرکز کنترل دو هدف اصلی دارد: تجزیه و تحلیل اطلاعات ارسال شده به مرکز کنترل از اشیاء هوشمند از طریق حسگرهای مختلف در مورد وضعیت تجهیزات، تشخیص نقص یا پیش بینی احتمال وقوع آنها. بنابراین، مرکز کنترل در اجرای اقدامات پیشگیرانه برای افزایش بهره وری و به حداقل رساندن نقص ها کمک می کند و در نتیجه کنترل و نگهداری بهتر تجهیزات با خطرات بهداشتی و ایمنی کمتر را تسهیل می کند. هدف دوم تجزیه و تحلیل داده ها در مورد عملکرد تولید بر اساس استفاده روزانه و تولید نفت و گاز در مرکز کنترل است.