为油气生产配备野外作业机器人

发布时间：2009-08-12 来源：ABB评论

        一个橘红色的机器人活动在作业 现场，执行例行检查任务， 并更换安全阀门。这个机器人与其 他两个机器人配合工作， 三个机 器人均由位于数百公里之外的控 制中心操作人员监控。监控人员 根据自动化系统生成的状态监测 (CBM，condition-based monitoring) 报告，制定并启动维修任务。操作 人员全面承担安全职责，指令自动 化系统重新安排子任务计划。操作 人员借助安装在机器人上的三维摄 像机，对设备进行检查，并确定需 要拆除和更换的零部件。
        机器人经常用于执行繁重、肮 脏、远距、危险的重复性任务 以及其它不适于人工的一些工 作任务。
        虽然这样的场景在将来某个时候才 会发生， 但是距离现实并不太遥 远。其中有些方面应用已经出现在 太空和深海中，而这些任务并不太 适于人工。这个场景表明，机器人 技术可以进一步进入到石油天然气 生产领域，以改善健康、安全和环 境 (HSE)，提高生产率。
        石油天然气行业的发展趋势
        石油天然气行业面临不少挑战难 题，需要新颖的技术解决方案和业 务模式。世界能源消耗正在增长， 虽然目前替代能源的规模正在扩 大，但对石油天然气的需要仍然十 分旺盛。从现有和新开发的油气田 中开采石油和天然气的工作变得更 加困难，利润率正在不断下降。许 多易于开采的石油天然气田已经枯竭，有待进一步开采的油气田位 置储量都更加偏远，并且开采技术 难度更大。此外，有经验的职工也 接近快到退休年龄，这就是说，富 有经验的开采工人将更加缺乏。根 据对市场需求将持续增长的预期判 断，大力降低开采成本和提高能源 效率将是今后的发展趋势。这一趋 势表明产业投资将向增加新型解决 方案和业务模式倾斜，用以加强现 有基础设施的建设，开发新的石油 天然气田。为了成功实现这些目标， 石油天然气行业已经准备好改变他 们以往的工作方式和做法，改造不 适应未来发展的基础设施。 石油天然气行业认识到，为了让其 工业流程实现安全高效运行，协同 作业是关键因素。但在许多情况 下，这种合作要跨区域进行，例如 要在控制室和位于遥远地点的专家 或现场操作人员之间进行合作 (见 图 1 )。一体化运行 (IO，Integrated Operations)1) (同时也称作eField、iField、SmartField 等) 是解决行业所 面临巨大挑战的一种广义理念。IO 构想试图通过整合最新的技术和工 作流程以期实现期望目标。

ABB 与壳牌公司合作办公室，一体化运行中心的范例

        机器人业务和市场
        机器人技术的应用已经对许多工业 领域，特别是制造领域产生了重大 影响。工业部门利用机器人实现加 工制造过程的自动化，主要是为了 提高效率和生产率。特别是在加工 制造工厂，机器人经常用于执行繁 重、肮脏、远距、危险的重复性工 作，以及其它不适合人工的工作。 这些工作对可靠性和精度的要求都 很高，所以工业机器人的设计也同 样如此。
        汽车工业对工业机器人的发展有着 重大影响。汽车制造业以低成本提 高生产率、可靠性和产品质量和生 产柔性为主要目标。为了实现这些 业务目标，需要在生产线上用机器 人代替人力。机器人生产设施基本上完全自动化，每天工作二十四小时， 每周工作七天。机器人可以从事金 属板材切割、装配和焊接到喷漆、 涂镀和一般性的物料搬运等工作 (见 图 2 )。机器人系统专为处理某些类 型任务而开发，有时甚至是专为某 一项用途而开发，如开车门和关车 门等。

在汽车生产中的 ABB 喷涂机器人

        利用机器人技术对加工制造厂进行自动化改造时，如果能够依据自动 化生产特性对工艺流程进行全局改 造，其收益远远大于仅针对个别工 艺的局部自动化改进。
        程度更高的自动化自然意味着技 术、员工工作模式和组织机构都必 须进行改革。虽然机器人系统可执 行重复性繁重和肮脏的工作任务， 但是， 它们不能完全脱离人的干 预。机器人需要操作人员监控它们 的运行，于是操作人员就成为生产 控制中不可分割的一个环节，同时 也产生了人机交互的需求。很自 然，自动化程度增加会带来岗位职 责的改变，所以，需要如计划、程 序设计和维修保养人员等具有不同 技能的人员来保证生产率。在加工 制造企业内，要成功地执行自动化 工艺流程，关键是要准备好并计划 执行组织机构的变化，例如重新制 定岗位职责，以期适应重组需要。 更高的自动化意味着技术、工 作模式和组织架构都必须进行 改革。
        机器人在石油天然气行业的应用
        在石油天然气行业里，机器人的应 用一直很有限。一般只在人工难以 胜任的或者可以极大改善健康、安 全和环境的应用中使用。这些应用 包括深海设施和管线的检查、钻井 作业的自动化和遥控井内自走载具 (well tractor)、特殊的检查项目等。 但与自动化的一般目标相反，石油 天然气行业曾经出现采用自动化反 而给生产率带来不利影响的情况。 不过，这种情况正在改变。今天， 石油天然气行业把机器人技术看作 提高效率和生产率以及改善健康、 安全和环境的一种手段。石油天然 气的开采过程一般都充满危险和风 险，海上油气设施都在各种恶劣的 海上气候条件下工作。另外，还会 碰到一些危险环境，如具有高浓度 危险气体 (如硫化氢) 的环境。在 这种环境中使用机器人，可减少人 员的危险。机器人的设计和制造要 求就是要达到能够夜以继日地可靠 运行，并能灵活地从事各种作业。 能源需求的增加，加之石油天然气 开采成本所带来的问题，石油天然 气行业所面临的困难日益增加，显 然， 石油天然气行业必须改变策 略，更新思路以应对将来的需要， 特别是如何成功开采后期的或者经 济效益不高的较小油气田。
        石油天然气行业的机器人应用可 分为两类情况： 一类情况是要设 计全新的机器人以满足石油天然气 行业的特殊需求，另一类情况是是 可以利用现有的通用型工业机器 人。深海水下油气生产的进一步发 展很大程度上依靠水下遥控作业艇 (ROVs，Remotely Operated Vehicles)。 这些遥控作业艇用于勘探、检查以 及相应的设备维护。这些应用是石 油天然气行业独有的，需要全新的 机器人设计。
        石油天然气行业期望机器人能 执行检查和作业任务，用以维 护生产设施。
        其他方面的应用与在加工制造中应用 机器人的情况类似，主要是执行重 复性工作。在这些领域里，提高自 动化程度可以产生效益。但是，石 油天然气行业的任务特点与常规制 造业有所不同。石油天然气行业期 望机器人能执行检查和作业任务， 用以维护生产设施 (见图 3 )。也就 是说，机器人将承担一个以上的工 作，而且并非所有的工作任务都可 以事先规划。另外，由于海上油气平 台的上部空间 2) 有限，因此必须对上 部设施重新设计，以便能让机器人 接近这些设备并在设备周围移动。 该自动化上部平台设施的设计重点 在于如何使用现有机器人，当然机 器人也要做适当改动以便适应海上 的恶劣环境。这种应用被称为石油 天然气产业的“游戏规则改变者”。 机器人在石油天然气行业面临的挑战 油气设施实现机器人化面临许多不 同挑战。这些挑战不仅在技术方 面，同时还会对整个组织机构产生 影响，包括企业所有人员。虽然机 器人技术在其他行业已较为成熟， 但要使其适应石油天然气行业的特 殊环境，必须进行改造。他们一般 都会处在极端恶劣环境中，距离常 常十分遥远，需要进行远程操作 (见 图 4 )。同时还面临系统集成问题， 其先决条件之一是要保证全部数据 的访问和获取。

ABB 机器人正在对生产设备进行例行检查

StatoilHydro 位于北海的海上天然气平台 Troll A

        因此，机器人的作用将发生变化， 从生产线上经常执行比较常规的 单一重复而连续的工作任务，变成 执行一系列不同工作任务，每项任 务都需要根据要求准确无误地执 行。机器人必须按不同的自动化水 平方式运行，从不需要人为干预的 完全自动化水平这个极端，到完全 手工作业的另一个极端。在这两个 极端之间，将是带有半自动化功能 的各种工作任务，这些任务将需要 不同程度的人员参与。这又与传统 的工业机器人的应用不一致，在传 统工业机器人应用中，人员决策必 须整合到生产控制中，与机器人及 其控制系统进行合作成为不可分割 的一个环节。如同所有人机系统 (HMS，Human-Machine System) 一 样，石油天然气行业能否成功实现 自动化， 取决于人、技术和组织 机构 (MTO，Man，Technology and Organization) 之间的紧密协同。 油气作业对机器人的设计和要求除 了能够抗拒恶劣天气条件之外，还 必须获得防爆证书，海上机器人必 须经受住极端温度、极端风力、盐 水、冰雪的考验。而陆上机器人必 须经受沙尘暴、阳光直射、风雨和 潮湿、极端温度以及如硫化氢 (H2S) 等有毒气体的侵害。在常规制造工 艺工厂，为保证机器人可靠运行， 通常并不需要那么严格的技术规范 要求。
        自动化项目的成功以否，主要受到 相关设施的设计影响。在现有设施 基础上中实现自动化，当然比在新 建专门设施上实现自动化困难得 多。现有设施的布局并不是为标准 机器人而设计，特别是海上平台的 上部设施更是如此，这些设施一般 结构紧凑，甚至连人工在上面执行任务都很困难。改变现有设施受到 很大限制，且费用成本也很高。由 于了解自动化工艺流程，因此设计 新设施或对现有设施进行重大改 变，其效率会更高。许多工作可放 在一个设施中完成，如果考虑扩展 需要，可在设计中预留以后需要添 加的设备空间。此种灵活的设施设 计将使生产流程更加灵活，提高生 产率和降低成本费用。 网真 (Telepresence) 将远程操 作人员保留在生产控制环节 中，使其能够控制机器人完成 复杂任务。
        虽然机器人化的工作任务、应用或 设施具有许多安全和生产率方面的 优势，但在维修保养和运行方面， 它们也带来了额外的挑战。工业机 器人一般用来替代现场操作人员， 但这些机器人毕竟是工具，必须受 到监督和控制。在远程遥控自动化 生产系统中，远程决策人员的任务 不是控制机器人自身的运行和如何 执行具体任务， 而应当是按照监 控、检查和维护石油天然气设备的 需要，通过自动化系统安排机器人 完成指定的工作。在远程遥控自动 化生产系统中，有关生产设备运行 状态的数据必须 (通过各种传感器) 定时或按需收集。传感器与人类感 知不同，因此传感数据对生产运行 状态的表达也与人类直接观察所得 的感受不同。不过，机器人可使用 人类感官不具备的各种传感器，比 如X光和计算机色谱分析等来弥补 远程操作人员不能获得直观感受的 不足。这种方式即称为网真，它为 生产流程提供了先进的远程再现方 式，所以，操作人员得以保留在生 产控制环节中，使其能够控制机器 人完成复杂任务。机器人作为操作 人员的延伸工具，被完全整合到自 动化系统中，构成 IO 概念的一个自 然组成部分。各种 IO 团队将根据网 真所提供的远程再现来了解生产情 况并作出相应的决策。
        在石油天然气行业内实施远程操控 的一个重大难题是海上平台设施的 远程操作。这些设施离陆地数百公 里，在恶劣环境中作业。如果出现 运行故障，可给环境和工艺流程设 备造成严重后果。对这种无人值守 的设施而言，安全和高效地远程操 控非常重要，唯此才能确保设施增 值和最佳生产率。
        运行团队的最终目的是使用所 有信息监控当前生产情况，并 作出决策，优化生产运行。 依据石油天然气行业的现状，对现 有生产过程的自动化改造的合理和 有利的方式是从单个独立的作业自 动化开始，如钻探管道的搬运和装 配以及管道清理等工作3)。这些作业 的人工操作具有高风险，因此自动 化改造提供了改善健康、安全和环 境的机会。未来的重要措施是让大 部分或全部设施实现自动化。这将 对设施的灵活性和生产率产生巨大 影响。
        ABB 石油天然气机器人试验设施 目前，在位于挪威奥斯陆的 ABB 实 验室里，三台 ABB 机器人通过通信 联络保持协同工作，在模拟工况中 执行检查任务 (见图 5 )。由控制系 统或操作人员启动机器人的工作任 务。远程控制专家使用三维工艺流 程模型与机器人进行交互，确定和 启动工作任务并接收反馈。机器人 起着延伸操作人员“眼睛、耳朵和 手”的作用，使其能保持“亲临” 生产现场并了解其状态。这一实验的目的是为了搭建一个先进的用于 远程检查的验证设施。其中机器人 系统可以进一步配置，使之承担维 护工作任务，如开启和关闭阀门、 更换无线传感器或更换零部件以及 搬运材料等。

挪威奥斯陆的 ABB 机器人测试实验室

        ABB 与 StatoilHydro 一起开展 雄心勃勃的合作研究项目，既 解决技术难题，也解决与人员 相关的挑战，目的是使石油天 然气行业实现自动化。
        这个实验室提供独特的机器人试验 设施，对未来机器人在石油天然气 领域中应用进行探索、展示和试 验。该实验室是一个更大研究项目 的一部分，是与 StatoilHydro 合作 开展的，目的是整合远程自动化运 行。实验主要由三个机器人和一个 模拟工况模块构成。一般情况下， 一个机器人用于检查，另外两个机 器人一起合作进行维修保养。检查 机器人安装在联动的龙门机架上， 而两个维护机器人则安装在轨道上 (见图 6 )。另外，作为研究开发能 经受极端恶劣环境的机器人的第一 步，在位于 Kårstø 的 StatoilHydro 露 天场地 (位于挪威西海岸)，安装了 一个防水 ABB 机器人。在六个月的 试验阶段，将对机器人在恶劣天气 条件下的情况进行分析。

安装在联动龙门机架上的 ABB 视觉检测机器人

        ABB 两个设施良好的机器人实验 室，展示了先期试运行的石油天然 气行业的各项自动化任务。
        未来的机器人化操作者
        在将来实现以机器人为基础的自动 化方面，石油天然气设施具有提高 生产率的巨大潜力。除在提高生 产率和效率方面获得收益之外，执 行高风险任务的机器人还将带来健 康、安全和环境方面的改善。此项 任务并不总是可预见的，远程决策 人员需要通过远程再现方式了解情 况。因此，在现场执行检查和维修 作业时，机器人还需要起到延伸远 程决策人员“眼睛、耳朵和手”的 作用。石油天然气设施操作人员面 临的新任务是监督和指挥机器人并 做出运行决策。装备机器人的自动 化设施将使开采偏远油气田更具经 济效益。
        将来当机器人系统按照 IO 理念的指 导原则与自动化系统完全整合后， 将会成为决策人员的有力工具并带 来极大的效益。IO 的目标是给 (虚 拟) 团队决策者提供实时数据，以便 做出更快更好的决策。在完整的 IO 环境中，现场机器人是采集和测试 数据的手段之一。机器人采集数据 的一个主要优点是可在人类无法工 作的环境中进行数据采集，如在高 浓度硫化氢 (H2S) 的环境中，或使用 有害人体健康的方法 (如 X 射线) 进 行采集。
        ABB 两个设施良好的机器人 实验室，展示了先期试运行的 石油天然气行业的各项自动化 任务。
        ABB 与 StatoilHydro 一起开展雄心 勃勃的合作研究项目，既解决技术 难题，也解决与人员相关的挑战， 目的是使石油天然气行业实现自动 化。ABB 对产业运营的全面理解， 加上在机器人、石油天然气和系统 集成方面的技术优势，使 ABB 完全 有能力开发机器人与自动化的集成 系统，用以适应环境恶劣和要求苛 刻的石油天然气行业。