פרק 6: דוגמה: תיאור מערכת מלאה: מערכות OT לניהול זרימת נפט

פרק 6: דוגמה: תיאור מערכת מלאה: מערכות OT לניהול זרימת נפט

בעולם שבו משאבים כמו נפט זורמים למרחקים עצומים דרך צינורות, מיכלים ומשאבות, נדרש מנגנון שיפקח וינהל את הזרימה הזו בצורה מדויקת, אמינה ובטוחה. כאן נכנסת לתמונה מערכת SCADA – מערכת מחשוב מתקדמת שנמצאת בלב מערכות OT בתעשייה, ותפקידה לפקח, לשלוט, למדוד ולהתריע על תקלות או חריגות.

מערכת SCADA היא מעין "מוח מרכזי" שמקבל מידע מאלפי חיישנים הפרוסים לאורך מסלול הזרימה של הנפט – מהשדה ועד לנקודת היעד. היא יודעת להציג את המידע בזמן אמת, לשלוח התראות במקרה של בעיה, ואף להפעיל אמצעים מכניים מרחוק, כמו לסגור ברזים או לכוון מחדש את כיוון הזרימה.

כיצד זה עובד בפועל?

שלב ראשון: איסוף המידע מהשטח

ברחבי שדות הנפט ותחנות שאיבה והובלה, מותקנים אלפי חיישנים קטנים. כל חיישן מתמקד בפרמטר מסוים:

• חיישני לחץ בודקים כמה לחץ יש בצינורות. לחץ גבוה מדי או נמוך מדי עלול להעיד על סתימה, פיצוץ או דליפה.
• חיישני טמפרטורה מוודאים שהנפט לא מתחמם או מתקרר יתר על המידה, מה שעלול להשפיע על צמיגותו או לגרום לו להתקשות.
• חיישני זרימה מודדים את קצב הזרימה: האם הנפט זורם בקצב הרצוי? האם יש האטה או גידול לא מוסבר?
• חיישני ריכוז בודקים את טוהר הנפט – האם יש בו תוספים לא רצויים כמו מים, גז או מזהמים?

החיישנים שולחים את הנתונים שלהם להתקני מדידה שמתרגמים את המידע הפיזי (כמו לחץ או טמפרטורה) למידע דיגיטלי. מכאן, הנתונים נשלחים – דרך כבלים או רשת אלחוטית – אל מחשב הבקרה הראשי.

שלב שני: עיבוד ובקרה

כשהנתונים מגיעים למערכת SCADA, הם מאוחסנים, מנותחים, ומוצגים לצוות התפעול בצורה גרפית – כמו לוח מחוונים של רכב. אפשר לראות מה קורה בכל נקודה לאורך הצינור, בכל רגע.

אם משהו יוצא מהגבולות המוגדרים מראש (למשל, טמפרטורה גבוהה מדי או ירידה פתאומית בלחץ), המערכת תשלח התראה מיידית. אנשי הצוות יכולים אז לקבל החלטה – האם להאט את הזרימה, לסגור מגוף (ברז) או להזעיק צוות שטח.

שלב שלישי: תגובה ושליטה

בניגוד לעבר, שבו היה צורך לשלוח איש צוות לכל נקודה פיזית בשטח כדי לבצע שינוי, כיום אפשר לשלוט בכל אלו מרחוק, דרך המערכת. לדוגמה:

• כיבוי או הפעלה של שסתומים ומשאבות – פעולה זו יכולה למנוע תאונות או לבטל דליפה.
• שינוי בקצבי הזרימה – למשל, להגביר את הזרימה בשעות שיא.
• שליטה בגישה – המערכת מחוברת גם לאמצעי אבטחה, כמו מצלמות או חיישני תנועה, ומאפשרת למנוע גישה לא מורשית לאזורים מסוכנים.

שלב רביעי: שמירה, תיעוד ולמידה

כל נתון שמגיע למערכת לא רק מוצג בזמן אמת – הוא גם נשמר בארכיון. כך אפשר להפיק דוחות תקופתיים, להשוות בין תקופות, לאתר מגמות חוזרות ולשפר את תהליכי העבודה. לדוגמה, אם רואים שבכל בוקר בלחץ מסוים נרשמת עלייה בטמפרטורה, אפשר לנקוט מראש צעדים מניעתיים.

ומה לגבי האבטחה?

נפט הוא נכס יקר ערך – כל טעות, דליפה או תקלה עלולה לגרום לנזק כלכלי, סביבתי או ביטחוני. לכן, כל מערכת SCADA מלווה גם במעטפת אבטחת מידע:

• זיהוי גישה לא מורשית – אם מישהו מנסה לחדור למערכת או לשנות נתונים בלי הרשאה, תופעל מיד התרעה.
• אבטחת התקשורת – כל המידע עובר בצורה מוצפנת ומאובטחת, כך שלא ניתן "ליירט" אותו בדרך.
• בקרה כפולה – לעיתים נדרש אישור כפול לביצוע פעולות קריטיות, כדי למנוע טעויות אנוש או ניסיון חבלה.

תהליך איסוף הנתונים משדות הנפט:

איסוף נתונים משדות הנפט הוא אחד השלבים הקריטיים בניהול ובקרת זרימת הנפט באמצעות מערכת SCADA. הנתונים הללו מספקים תמונה בזמן אמת של מצב השדה, מהירות הזרימה, הלחצים, הטמפרטורות ועוד, והם מסייעים לצוות התפעול לקבל החלטות מושכלות בכל רגע נתון.

1. תחנות המדידה: בכל נקודה קריטית בתהליך ישנן תחנות מדידה המצוידות בחיישנים שונים. חיישנים אלה יכולים למדוד לחצים, טמפרטורות, מהירות זרימה, ריכוזים של מרכיבים בנפט ועוד.
2. התקני המדידה: כל חיישן מקושר להתקן מדידה - מכונה שמקלטת את הנתונים, מעבדת אותם ושולחת אותם הלאה למערכת ה-SCADA.
3. תקשורת: איסוף הנתונים מתבצע באמצעות רשתות תקשורת מתקדמות הפועלות בתדרים שונים. הנתונים מועברים באופן ממוקד אל המערכת המרכזית של SCADA.
4. מצבורי נתונים: הנתונים המתקבלים נשמרים במאגרים באופן אוטומטי. המאגרהוא יחידת אחסון גדולה המיועדת לאחסון נתונים בזמן אמת.
5. קישוריות עם המערכת המרכזית: המידע משדות הנפט מתעדכן באופן שוטף במערכת ה-SCADA המרכזית. זה מאפשר לצוות התפעול לצפות בנתונים בזמן אמת, לבצע אנליזות ולהגיב בהתאם.
6. הגנה ואבטחה: הנתונים האסופים הם רגישים וקריטיים לתפעול השדה. לכן, משולבות במערכת פתרונות אבטחה המונעות גישה לא מורשית, פגיעות או ניסיונות פריצה.
7. אנליזה ודוחות: אחרי שהנתונים מתקבלים במערכת ה-SCADA, הם עוברים תהליכים שונים של אנליזה. המערכת מייצרת דוחות אוטומטיים המראים נתונים היסטוריים, טרנדים, התראות ומצבים קריטיים.
8. ממשק משתמש: הצוות המפעיל יכול לראות את הנתונים דרך ממשק משתמש גרפי, אינטואיטיבי וקל לשימוש. הממשק מציג את הנתונים בצורה ברורה ומובנית.

דוגמה לפעולות בתחנת מדידה בשדה נפט

תחנת מדידה בשדה נפט, חיישנים משמשים כגורמים האוספים את המידע הגורמי במהלך התהליך. כאשר מדובר בזרימת נפט, הנתונים אשר אוספים מהחיישנים יכולים להיות מכריעים בקבלת החלטות ובביצועי המערכת.

סוגי החיישנים ותפקידם:

• חיישני לחץ:
  • תפקיד: מדידת הלחץ בפנים הצינורות והמיכלים.
  • מה הם אוספים: נתוני לחץ ביחידות מסוימות, למשל PSI או בר.
  • מה הם משדרים: ערכים דיגיטליים או אנלוגיים שמייצגים את הלחץ הנוכחי.
• חיישני טמפרטורה:
  • תפקיד: מדידת הטמפרטורה של הנפט הזורם והסביבה.
  • מה הם אוספים: נתוני טמפרטורה במעלות צלזיוס או פרנהייט.
  • מה הם משדרים: ערכים שמייצגים את הטמפרטורה הנוכחית.
• חיישני זרימה:
  • תפקיד: מדידת קצב זרימת הנפט בצינור.
  • מה הם אוספים: מהירות הזרימה ביחידות כמו ליטר לשנייה או מטרים קוביים לשעה.
  • מה הם משדרים: ערכים המייצגים את מהירות הזרימה הנוכחית.
• חיישני ריכוז:
  • תפקיד: מדידת ריכוז המרכיבים השונים בנפט, כמו מים או גזים מסוימים.
  • מה הם אוספים: אחוזים או ערכים אחרים המייצגים את ריכוז המרכיבים.
  • מה הם משדרים: ערכים המייצגים את הריכוז הנוכחי של המרכיבים השונים.

החיישנים השונים מחוברים לממירי אות המאפשרים המרה של הנתונים האנלוגיים לדיגיטליים, אשר לאחר מכן מועברים למערכת ה-SCADA. התקשורת עם המערכת יכולה להתבצע באמצעות רשתות אלחוטיות, כבלים או טכנולוגיות אחרות, תלוי בתשתית התקשורת שבשימוש באותה המתחם.

בעזרת החיישנים והמערכת המרכזית, הצוות המנהל את השדה מסוגל לקבל תמונה ברורה ומדויקת של המצב בכל רגע נתון, לזהות בעיות ולהגיב באופן מהיר לשינויים בתהליך.

דוגמה לפעולות התקני המדידה בשדה נפט

התקני המדידה בכל תחום היישום משמשים כגורמים מכריעים להבנת המציאות והביצועים של התהליך הרלוונטי. אם ניקח, לדוגמה, את התחום של זרימת נוזלים או גזים, תהליך המדידה חיוני כדי להבין את הכמויות, הלחצים, הטמפרטורה ומאפיינים נוספים של החומר הזורם.

סוגי החיישנים ותפקידם בהתקני המדידה:

• חיישני לחץ:
  • תפקיד: מדידת הלחץ בפנים הצינורות, המיכלים או הכלים.
  • מה הם אוספים: נתוני לחץ ביחידות מסוימות, כמו PSI או בר.
  • מה הם משדרים: ערכים דיגיטליים או אנלוגיים שמייצגים את הלחץ הנוכחי במיכל או בצינור.
• חיישני טמפרטורה:
  • תפקיד: מדידת הטמפרטורה של הנוזל או הגז במערכת.
  • מה הם אוספים: נתוני טמפרטורה במעלות צלזיוס או פרנהייט.
  • מה הם משדרים: ערכים המייצגים את הטמפרטורה הנוכחית של הנוזל או הגז.
• חיישני זרימה:
  • תפקיד: מדידת קצב הזרימה של הנוזל או הגז.
  • מה הם אוספים: מהירות הזרימה ביחידות כמו ליטר לשנייה או מטרים קוביים לשעה.
  • מה הם משדרים: ערכים המייצגים את מהירות הזרימה הנוכחית.
• חיישני ריכוז ואיכות:
  • תפקיד: מדידת ריכוז המרכיבים השונים בנוזל או בגז, כמו לחות, מינרלים או כימיקלים אחרים.
  • מה הם אוספים: אחוז הריכוז של מרכיב מסוים בנוזל או בגז.
  • מה הם משדרים: ערכים המייצגים את הריכוז של המרכיב הנתון.

החיישנים השונים מחוברים בדרך כלל לממירי אות המאפשרים המרה של הנתונים האנלוגיים לדיגיטליים. לאחר המרה זו, הנתונים מועברים למערכת הבקרה הראשית, שיכולה להיות מערכת SCADA או מערכת בקרה אחרת. הנתונים האלה מאפשרים לצוות המנהל לקבל תמונה ברורה ומדויקת של המצב בכל רגע נתון, לזהות בעיות בזמן אמת ולהגיב בהתאם.

דוגמה לזרימת המידע מהחיישן אל התקני המדידה ואילך

המדידה במערכות מתקדמות היא תהליך מרובת השלבים, בו חיישנים מקושרים להתקנים מסוימים, אשר לפי הנתונים שהם אוספים מספקים את המידע למערכות בקרה ומערכות SCADA. נניח בפירוט התהליך הזה:

החיבור להתקן המדידה: כל חיישן מחובר להתקן מדידה (לעיתים נקרא "הממיר" או "Transducer", ותפקידו להמיר אנרגיה מסוג אחד לאנרגיה מסוג אחר. לדוגמה, המרת אנרגיה מכנית (כמו לחץ או זרימה) לאנרגיה חשמלית (כמו מתח או זרם) באמצעות כבלים מיוחדים. החיישן אוסף את הנתון הפיזי (כמו לחץ, טמפרטורה או זרימה) והממיר מתרגם את הנתון הפיזי לנתון אנלוגי או דיגיטלי.

• העברת המידע: לאחר המרת הנתון הפיזי לנתון אנלוגי או דיגיטלי, המידע מועבר למערכת הבקרה או למערכת ה-SCADA דרך רשת תקשורת, שיכולה להיות או כבלית או אלחוטית.
• מערכת הבקרה: ברשת, הנתונים מתקבלים על ידי מחשב בקרה או יחידת בקרה מרכזית, המעבדת את הנתונים, מפעילה אלגוריתמים, ובמידה ודרוש, בצע שינויים או שליטה בתהליך הפיזי.
• מערכת SCADA: המידע ממערכת הבקרה או ישירות מהחיישנים מתקבל למערכת ה-SCADA. מערכת זו מאפשרת תצוגה גרפית ובקרה על כל התהליכים בצורה מרוכזת. באמצעותה ניתן לצפות במצב הנוכחי של המערכת, להגדיר התראות ואזהרות וגם לשנות הגדרות בזמן אמת.
• שמירה בארכיב של הנתונים: המידע שמתקבל במערכת ה-SCADA אוחסן בבסיסי נתונים, מאפשר ניתוחים היסטוריים, דוחות וגיבוי למידע הקריטי.

זרימה כזו של נתונים מאפשרת לאנשי המקצוע להבין את מצב המערכת בכל רגע נתון, להתריע במקרה של בעיות ולקבל החלטות מושכלות על בסיס מידע מוחשי.

החיישנים מעבירים את המידע שלהם לרכיב שהם מחוברים אליו ושמבצע את העיבוד הראשוני של הנתונים. בהינתן הסביבה והאופן שבו התקנה המסוימת מוגדרת, המידע יכול להישלח ישירות ל-PLC, ל-RTU או לרכיב אחר. הנה היסודות להחלטה:

• חיישנים מחוברים ל-PLC: כאשר חיישנים ממוקמים בסביבה תעשייתית או במקום בו הבקרה היא תדירה וצריכה להיות מהירה ודינמית, החיישנים יתחברו ל-PLC. ה-PLC מעבד את הנתונים שהוא מקבל מהחיישנים בזמן אמת ומבצע פעולות בקרה בהתאם ללוגיקה שבה הוא מתוכנת.
• חיישנים מחוברים ל-RTU: במקומות המרוחקים או הקשים לגישה, כמו שדות נפט מרוחקים, החיישנים יתחברו ל-RTU. ה-RTU מאגר את הנתונים, עובד אותם (בדרך כלל באופן פחות מתקדם מאשר ה-PLC) ושולח אותם למערכת ה-SCADA המרכזית במרכז השליטה.
• חיישנים מחוברים לרכיבים אחרים: במקרים מסוימים, החיישנים עשויים להיות מחוברים לרכיבים אחרים המבצעים פונקציות ספציפיות. לדוג', חיישנים במערכות הבטיחות שמוגדרים לזהות נפילות לחץ חריגות או דליפות יכולים להיות מחוברים למערכות הבטיחות המקומיות שמגיבות מיד להתרעה.

בסביבות הנפט והגז, הבחירה בין PLC ל-RTU תתבצע בהתאם לצרכי התהליך, למיקום הגיאוגרפי, לתדירות הבקרה הנדרשת, ולתקציב הזמין.

דוגמאות לפעולות המבוצעות בדוגמה זו ב-SCADA

מערכת SCADA, היא מערכת לבקרה ואיסוף נתונים בזמן אמת, המגבשת את הנתונים מחיישנים שונים במגזר התעשייה ומאפשרת לאנשי המקצוע לבצע פעולות של בקרה ופיקוח על המערכת. ניקח את דוגמת פיקוח וניהול מגופי זרימת נפט:

• צפייה במדדים בזמן אמת: צפייה בנתוני הזרימה, הלחץ והטמפרטורה מהחיישנים השונים בתחנות המדידה השונות בצינורות הנפט.
• התראות ואזהרות: כאשר הלחצים או הטמפרטורות חורגים מהגבולות הנדונים, המערכת מפיקה התראה או אזהרה למשתמש.
• כיבוי והפעלה של מגופים: באמצעות המערכת, אפשר לכבות או להפעיל מגופים באופן מרחוק, בהתאם לצורך.
• שינוי ערכים: לדוגמה, שינוי במהירות הזרימה או בלחץ הצינור.
• צפייה בגרפים היסטוריים: צפייה במגמות השינוי בלחצים, בזרימות ובטמפרטורות במהלך הזמן.
• דוחות: יצירת דוחות המסכמים את המידע ההיסטורי על מנת לזהות בעיות, לשפר את התהליכים או לבצע ניתוחים.
• שליטה בתהליכים: למשל, אם ישנה צורך להגביר את הזרימה בצינור מסוים או לכוון משאבות באופן שונה.
• בקרה על אזורי ביטחון: המערכת יכולה לשלוט בגישה לאזורים מסוימים, לדוגמה באמצעות מצלמות אבטחה או מערכות התראה.

המטרה העיקרית של מערכת SCADA בתחום הנפט היא לאפשר בקרה ופיקוח מרוכזים, להבטיח שהזרימה תתבצע באופן יעיל ובטוח, ולמנוע או לזהות במהירות את הבעיות האפשריות במערכת.