边缘工业PC上运行SCADA实现新型过程控制

实现IT与OT的真正融合，说起来容易，做起来却大有讲究。具体如何操作？我们通过一个实际案例来深入理解。

例如，一家名为Streamline Innovations的公司，专门处理天然气中的有毒成分——硫化氢（H₂S）。其流程整合了传感器、用于边缘计算的工业PC、云端应用程序、机器学习算法以及SCADA系统。这一套组合方案不仅将硫化氢转化为农业级元素硫（可用于化肥和土壤改良），还将人工测量与劳动力成本削减了75%——工厂的经济效益因此显著提升。

01 测量和去除天然气中的硫化氢

硫化氢这种物质，无色、易燃，带有标志性的臭鸡蛋味，绝非善类。它对人体中枢神经和呼吸系统具有刺激性，严重时甚至可导致窒息。更棘手的是，全球约40%至60%的天然气井都含有硫化氢，北美地区更是几乎每口井都有。因此，必须将其从天然气中彻底清除。

那么，如何去除呢？传统方法存在明显局限。化学药物可直接去除硫化氢，但处理成本高昂且危险，仅在硫化氢浓度很低时才经济可行。若浓度较高，则需建设大型处理厂，投资动辄5000万美元。然而，大多数气井的硫化氢含量处于中等水平，既不足以支持5000万美元的建厂投资，也不值得用每磅10美元的化学药剂缓慢浸泡。这种“夹心层”困境，导致缺乏高效技术来解决这一问题。

02 用于脱除硫化氢的新型化学工艺和控制系统

Streamline Innovations公司对氧化还原工艺进行了深度改进，推出了目前市场上最高效的硫化氢处理方案之一——Valkyrie系统。该系统集成了最新的化学工艺与先进控制系统，可覆盖从单井到整个油田的规模。与同类产品相比，它能100%去除天然气流中的硫化氢，帮助客户大幅降低运营成本。更重要的是，Valkyrie系统将硫化氢转化为农业级元素硫，可用于土壤修复、作物肥料及害虫防治，实现多重效益。

截至目前，Streamline在美国得克萨斯州和新墨西哥州的工厂已产出超过2000万磅的硫。若未经处理，这些硫将转化为二氧化硫，成为酸雨的元凶。目前，该公司正向国际市场、沼气处理及炼油厂领域拓展。

03 氧化还原过程控制系统面临的挑战

氧化还原化学反应的控制过程极为“敏感”。难点在于氧化与还原两个环节必须精确配合，且天然气中硫化氢的浓度和流速并非恒定，而是持续波动。这意味着必须不断调整化学药剂的添加量，既不能多也不能少。加多了，反应停滞；加少了，硫化氢会泄漏进入管道。因此，传统方法只能派遣专家每隔几分钟检查浓度和流速，并进行手动调整。

然而，专家无法24小时值守现场，尤其对于偏远地区的单井小型装置，前往一趟极为不便。Streamline的Valkyrie系统，正是通过一套智能且精确的化学控制系统，替代了“现场专家”。这样一来，化学过程能够自动保持平衡，无需人工干预。

最初，他们尝试使用标准PLC作为自动化平台，但发现PLC无法处理复杂模型，无法实现基于模型的控制。随后又自行搭建了OPC服务器连接云端，但缺乏身份验证与安全保护。经过半年时间，他们几乎测试了所有品牌的方案，最终找到两家自动化公司，能够协助他们完成控制、自动化、数据收集与远程控制，成功攻克了氧化还原的难题。

04 找到合适的边缘处理技术

Streamline的解决方案是将SCADA软件安装在坚固耐用的工业PC上，这些PC通过MQTT通信协议与服务器通信。MQTT的优势在于，能在不消耗过多带宽的前提下传输相关数据。这意味着即使在偏远地区使用蜂窝数据，也通常足以支撑运营。

数据管理本身是一大挑战，他们的做法是将计算任务在边缘与云端之间智能分层。例如，模型预测控制这类需要历史数据的复杂计算，在云端完成；而电机振动等产生大量亚秒级数据的内容，因传输带宽过大无法全部上传云端，便在边缘处理。因此，选择合适的边缘处理技术，是整个运营成功的关键。

▲Streamline Innovations利用在Moxa计算机上运行的SCADA软件，该软件通过MQTT通信协议与Ignition服务器通信。通过运行完整版本，Streamline可以扩展Ignition软件，其透视模块通过本地Wi-Fi网络部署。

05 自整定模糊逻辑控制系统集成天气数据

工业PC还能运行Python脚本，这带来了巨大优势。Streamline用它执行复杂计算，例如接入美国国家气象局的天气预报数据，帮助确定最佳运行温度。这一功能单靠PLC根本无法实现。在Python上运行的机器学习和模糊逻辑算法，提供了先进的控制效率与自整定系统，显著提升了运营效率。

Streamline Innovations公司首席技术官Peter Photos博士解释道：“环境温度和湿度对硫的生产影响很大。机器学习能帮助我们预测温度，进而提前调整表面活性剂与pH水平，优化性能。例如，如果未来6小时内温度将下降，即使当前环境温度尚可，我们也会开始为装置加热。”他补充道：“IT与OT的融合，是我们能够以如此小规模开发出这项技术的核心原因之一。从IT角度看，通过API调用天气预报只是微不足道的计算；但在OT应用中，过去在油田里根本找不到如此可靠、坚固的设备来执行这一任务。”

06 无线通信取代现场流量测量

如今，Streamline借助强大的工业PC，将简单的IT实践引入OT领域。这些获得Class I, Div 2认证的坚固型计算机，能够从PLC收集数据，并转化为有用的关键性能指标（KPI）。KPI数据被传输至云端，再由云服务器分发给用户。若蜂窝调制解调器断线，工业PC会先缓存数据，待调制解调器恢复连接后立即传回云端，确保OT设备的最大化正常运行时间。Photos表示：“这意味着系统正在自我监控，展现了与工业PC架构的连接能力。”

更巧妙的是，Streamline通过运行完整版SCADA软件进行扩展，该软件通过本地Wi-Fi网络部署模块。这样一来，用户在现场可通过装置附近的任意电脑，访问完整的HMI与历史现场数据。工作人员到达现场后，甚至无需进入控制室，直接在车里用笔记本就能调取所有信息——专用HMI的需求就此消失。

再加上蜂窝通信模块，用户可从任何位置访问相同的HMI界面。也就是说，无论你坐在家中沙发上，还是走在街上，用手机就能像在现场一样查看和控制装置。这极大减少了人员前往现场的必要性——例如装置停机或触发报警时，在家或办公室用手机即可远程重启设备。

07 强大和高效的数据收集系统

采用Moxa与Ignition这套组合后，Streamline Innovations不再需要大量员工来管理这些装置。劳动力成本直接降低了75%。员工们也无需再频繁更新流速与化学添加剂数据，工业PC自行计算，确保系统最大化正常运行时间。

过去，像温度和湿度等变量可能影响化学过程中的用水量，但Streamline无法解决。现在则可以——在工业PC上运行的SCADA脚本帮助下，机器学习被集成到模型预测控制中。Photos的原话是：“我称之为‘边缘的荣耀’。这是一场数据革命。它帮助Streamline推出了革命性的硫化氢去除技术。”

这套强大的数据收集系统显著提升了运营性能，数据集成让公司每个分支都受益。这些数据可用于维护计划、设计更高效的装置，甚至全公司的业务模型计算。未来，完全集成的数据将助力实现整个业务的自动化，使公司从一线到管理层都能做出数据驱动的决策。

改进后的Valkyrie系统，凭借先进的自动化技术，为Streamline Innovations及其客户带来了实实在在的收益：成本降低、劳动力节省、正常运行时间提升，并能从系统中高效收集信息以持续改进运营。该公司计划利用自身的解决方案团队与经验，帮助更多客户应对工业市场挑战，将Valkyrie技术的应用范围拓展至更多领域。

关键概念：

■ 硫化氢氧化还原反应需要不断调整添加到气体中的不同化学试剂数量。过去，需派遣专家驻守现场进行人工处理。

■ 完全集成的数据将有助于实现整个业务范围的自动化，允许在公司各个层面做出数据驱动的决策。

思考一下：

在运营中，如何使用实时的智能控制来取代以前手动实现的过程？

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