构建能源独立解决方案:自动化系统、工程软件为页岩气钻井带来准确性和效率

宾夕法尼亚州好时市克劳福德技术服务公司(CTS)的总裁莱恩·克劳福德三世(Len Crawford III)接到附近一家鱼类孵化场的电话，要求他帮助一个供水系统实现自动化，当时他不知道这个项目会产生什么积极而深远的结果。然而，当他完成时，系统集成商已经建立了一个企业级SCADA系统，该系统将成为天然气和石油行业取水、管理和分配系统的事实上的标准，使他的公司在该领域脱颖而出。

该系统被称为HydroWatch，是能源公司的全套解决方案，这些公司必须监测和控制从页岩中回收天然气所需的大量水，这些水需要使用一种被称为水力压裂法的严格监管的水力压裂过程。硬件/软件解决方案将操作可视化，分析系统数据，实现功能自动化，并将实时数据分发给决策者、作业者和主管。它的主要功能包括取水控制、蓄水监测和报告生成，所有这些都通过一个Microsoft Internet Explorer界面进行管理。西门子工业基础设施，包括其软件配置和编程工具，即新的TIA门户，对整个操作起到了重要作用。

克劳福德说:“我们选择西门子作为我们的系统，因为它为我们提供了所需的基础设施和培训支持。”“我们的系统能够追踪每月超过14亿加仑的水的提取，我们预计到2012年底，这一数字将达到20亿加仑。使用TIA Portal软件来配置我们的系统，将项目工程和编程时间减少了至少一半。”

那么，一个简单的电话是如何带来这些成就的呢?克劳福德讲述了这个故事，提供了当今能源回收的背景，并解释了这个过程是如何成为必要的。

着眼于能源独立

分布在美国大部分地区的页岩地层非常重要，因为它们含有天然气。马塞勒斯地层是世界上最大的地层之一，它大致呈新月形，从纽约州南部穿过宾夕法尼亚州的西半部、西弗吉尼亚州的大部分地区，以及马里兰州和俄亥俄州的部分地区。这是最新通过钻探和追踪获得天然气的油田之一。直到最近，技术才足够先进，可以经济地从页岩中开采能源。水力压裂过程需要巨大的压力和每口井高达500万至600万加仑的水。该作业将页岩劈开，在薄层中形成开口，释放气体用于捕获。

水力压裂用水受到地方、州和联邦法规的严格控制。监督存在于各个层面的运作中。能源公司通常从小溪、河流和池塘中取水，并将其储存在水库或水箱中。如果一个公司没有水，它必须安排购买水，通常是从私人土地所有者那里购买。可提取的水量是有限的;水的来源和用途必须经各部门批准;环境影响报告必须确保取水不会造成危害。监管机构每天监测抽取的水，使用USGS(美国地质调查局)批准的小溪测量仪测量流量。

克劳福德解释说:“孵化场用了很多水来喂养鱼。”它建造了蓄水池，蓄水量约为200万加仑，并安装了机械管道系统。最终，该设施开始将多余的水出售给附近的页岩钻井点。但它使用的工艺已经过时了。所有的监控和记录都是手工完成的。他们想记录用水量，监控装满水的卡车，并在接近监管限制时发出警报。我们试图创建一个自动化系统，支持多个操作面板，并为卡车司机提供触摸屏，这样我们就可以消除纸张。”

最初的系统使用西门子的Simatic管理器和各种西门子组件，包括泵、流量计、传感器、plc和SCADA接口。克劳福德过去曾与西门子合作过，熟悉西门子的整体产品供应。使用以太网通信可以支持对多个操作员面板的需求。第一个系统只有六个填充支柱，但却是革命性的。它非常精确，从卡车司机那里收集数据，记录每加仑的水量，并为所有活动打上日期/时间戳。Crawford回忆道:“它非常成功，我们开发了额外的模块，将其命名为HydroWatch，并开始销售。如今，我们已经安装了50多个系统。”

对这些功能感到兴奋

在第一个系统开发后不久，CTS的两位同事，公司副总裁Jason Reed和首席驱动工程师Steve Shriver应邀参加了西门子新工程软件TIA Portal的演示。Crawford回忆道:“他们回来后对它的功能感到非常兴奋，并希望立即切换到TIA Portal。于是我们照做了。迁移基本上是无缝的。一切都运行得非常好，我们对TIA Portal的运作方式感到非常满意。”

CTS之所以做出这样的更改，是因为增加了一些功能，包括一些以前不可能实现的功能。例如:

•完全整合。TIA Portal是一种集成的工程软件方法，因此一个软件包可以打开一切。Crawford说:“这个工具极大地简化了软件的加载。“它运行的是微软Windows 7系统，这是我们想要走的路。”

•简单迁移。Crawford报告说，将第一个项目从Simatic Manager转移到TIA Portal大约花了半天时间。他说道:“除了修改了一些图像外，所有的编程都完成了。“我们迁移了六个hmi (KTP600基本彩色TFT显示器)，SCADA系统和带有远程机架的IM151-8控制器。没有什么需要重做的。”

•直观，易于使用。克劳福德说:“一切都是统一的，学习曲线又快又容易。”“在不到一周的时间里，我们的工程师使用TIA Portal在现场完成了惊人的工作，为我们节省了大量的时间和金钱。”

•全面的库功能。克劳福德说:“我们正在开发自己的全球图书馆，并在各个项目之间共享它们。”

•拖放功能。“通过拖放，我们只需拖动标签，将它们放在人机界面上，软件就会填充所有数据。该工具的外观、感觉和导航使得从操作界面到编程到PLC的转换变得容易。”在PLC中创建的标签可立即在人机界面中使用。

•远程日志功能。HydroWatch通过Modbus RTU连接到大量的第三方设备。使用TIA Portal，并在西门子高级应用工程师Barry Hawley的帮助下，该公司在每个S7-1200微控制器机架上安装了模块，使其能够与现场几乎所有第三方设备进行通信。克劳福德补充说:“我们在现场有一个蜂窝调制解调器。“使用TIA Portal，我们可以远程登录。数据记录为我们的SCADA系统提供了备份，这是一种重要的保护形式。如果SCADA系统或服务器出现故障，只要该过程由备用发电机供电，就可以备份证明合规所需的相关数据。”

为未来创造基石

一个典型的“水文观察”项目的成本在25万到50万美元之间。目前的产品完全建立在西门子平台上，使用一个熟悉的开放架构数据库(SQL)来记录信息，并将Internet Explorer作为远程用户的主要网关。每个系统都包含西门子产品的组合，所有产品都通过TIA门户进行配置。用户可以从各种功能中选择。模块可用于:

•自动化水提取过程的功能
•监控调节水表数据，以便系统可以根据需要启动或停止
•监测水和空气温度，以确定是否需要防冻
•通过车牌识别软件确保所有卡车都是授权用户
•通过连接到HydroWatch平台的一套摄像头/ dvr提供安全性
•合并告警以提供维护支持
•通过智能手机应用程序将数据发布到网页，并且
•使用第三方GPS跟踪卡车运动。

根据Crawford的说法，将过程可视化的能力将HydroWatch与竞争对手区分开来。和TIA Portal一样，它是一个一体化软件包。“我们分析数据，提供主动警报，监控流程，但最重要的是，我们预测。如果接近阈值，则通过电子邮件更新提醒工作人员，系统在一秒或更短的时间内分发接近实时的数据。”

CTS目前正在处理几个大型系统。随着公司的进一步发展，克劳福德用了一个简单的比喻:“我们提供执行各种功能的‘书’(模块)。你可以使用任何一卷或所有的书，随着我们的发展，我们可能会在书架上放更多的书。”

从一个简单的电话中产生了一个强大的系统，它带来了巨大的好处，给一个企业、一个行业和一个努力开发前瞻性解决方案并在能源独立之路上走得更远的国家带来了深远的影响。

Colm Gavin是西门子工业公司的工程软件产品营销经理。

有关HydroWatch系统和Crawford技术服务的更多信息，请访问其网站www.crawford-tech.com。

有关TIA门户网站的更多信息，请访问西门子工业网站www.industry.siemens.com/topics/global/en/tia-portal。有关其他西门子工业自动化产品的更多信息，请访问公司网站www.usa.siemens.com．

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