挑戰(zhàn)
為歐洲最大油田的600多臺(tái)桿泵設(shè)計(jì)高度可擴(kuò)展的監(jiān)控和自動(dòng)化控制系統(tǒng)。
解決方案：
使用FieldPoint 2000 PAC系統(tǒng)為305臺(tái)桿泵實(shí)現(xiàn)本地控制和數(shù)據(jù)記錄功能，將PAC系統(tǒng)與基于LabVIEW
DSC的中央SCADA服務(wù)器整合，開發(fā)基于LabVIEW的人機(jī)接口(HMI)軟件，以提供基于Web的多用戶訪問功能。
1 引言
該油田所占的面積達(dá)到幾百平方公里。相鄰油井之間的距離從幾米到幾公里不等，差異很大。無線局域網(wǎng)(WLAN IEEE 802.11b)為建立油井現(xiàn)場(chǎng)到作業(yè)控制中心(OCC)之間的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)連接打下了基礎(chǔ)。
與銅線和光纖這兩種傳輸介質(zhì)相比，無線局域網(wǎng)通信對(duì)惡劣的大氣條件和其他公共無線局域網(wǎng)頻率所造成的干擾會(huì)比較敏感。如果油井現(xiàn)場(chǎng)和作業(yè)控制中心失去連接，本地傳送流程需要仍維持在不被干擾狀態(tài)下運(yùn)作。因此，流程控制和數(shù)據(jù)記錄必須在本地實(shí)現(xiàn)。當(dāng)連接恢復(fù)后，系統(tǒng)再將緩存的數(shù)據(jù)和原始參考時(shí)間一同傳輸?shù)阶鳂I(yè)控制中心。
頻繁地輪流檢測(cè)幾千個(gè)I/O對(duì)局域網(wǎng)、SCADA服務(wù)器和自動(dòng)化控制器等數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)架構(gòu)帶來了很高的負(fù)荷。在狀態(tài)變化并不頻繁的情況下 ( 一般來說每天不會(huì)超過50次 ) ，事件驅(qū)動(dòng)的通信技術(shù)( 由deadband標(biāo)準(zhǔn)觸發(fā))要比單純的輪流檢測(cè)更加有效。
2 油田監(jiān)控和自動(dòng)化解決方案的集成架構(gòu)
通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了PAC系統(tǒng)與基于LabVIEW DSC的控制系統(tǒng)如圖1所示。
針對(duì)惡劣的環(huán)境條件所使用的強(qiáng)大而靈活的控制和數(shù)據(jù)記錄單元為：
· 工作溫度范圍為-20°C至 +55°C(戶外工作箱，見圖3)
· 10/100 M以太網(wǎng)接口
· 強(qiáng)大的CPU
· 擁有確定性實(shí)時(shí)編程環(huán)境的強(qiáng)大的操作系統(tǒng)
· 在網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下可使用本地?cái)?shù)據(jù)緩存(存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā))
· 在斷電情況下，保持控制應(yīng)用和數(shù)據(jù)處理的安全狀態(tài)
· 借助整合的Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程處理的可視化
· 可自由選擇Internet協(xié)議(FTP、TCP/IP、或UDP……)
圖1 油田監(jiān)控和自動(dòng)化解決方案的集成架構(gòu)
圖2 桿泵
圖3 內(nèi)置FP 2000的控制柜
基于以上的功能要求，我們選用了FieldPoint 2000 PAC系統(tǒng)(16 MB RAM, 32 MB閃存) 作為現(xiàn)場(chǎng)的控制和數(shù)據(jù)記錄單元，它帶有集成的以太網(wǎng)接口、數(shù)字輸出模塊DI 330和繼電器模塊 RLY 420。
3 強(qiáng)大而靈活的LabVIEW實(shí)時(shí)應(yīng)用
控制桿泵的實(shí)時(shí)軟件是采用LabVIEW 實(shí)時(shí)7.1開發(fā)的。該軟件對(duì)單臺(tái)桿泵或多臺(tái)桿泵都能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在控制器啟動(dòng)之后，將從閃存上的兩個(gè)配置文件中讀出指定的配置參數(shù)(包括桿泵數(shù)量、IP地址、I/O配置等)。300多臺(tái)FieldPoint 2000控制器所使用的全新軟件鏡像完全是自動(dòng)生成的，并通過標(biāo)準(zhǔn)的FTP協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)發(fā)布到各個(gè)控制器上。
實(shí)時(shí)軟件的基本功能：
· 根據(jù)保護(hù)裝置的狀態(tài)打開或關(guān)閉油井(保護(hù)裝置包括應(yīng)力開關(guān)、液面開關(guān)、斷路器、脈動(dòng)控制接收器等，見圖2)
· 數(shù)據(jù)的本地緩存和安全傳輸
· 遠(yuǎn)程開啟和關(guān)閉，并對(duì)指定數(shù)值進(jìn)行調(diào)整
· 程序狀態(tài)的事件驅(qū)動(dòng)復(fù)制，并能夠?qū)⑻幚頂?shù)據(jù)緩存在閃存上，斷電后能夠恢復(fù)原始系統(tǒng)狀態(tài)。
· 使用整合的Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)流程可視化(即“遠(yuǎn)程面板技術(shù)”)
·使用“靜止看門狗”功能保證操作的完整性
4 LabVIEW DSC和FieldPoint 2000 PAC系統(tǒng)整合.
“Tag-Engine”的處理是運(yùn)行在中央SCADA服務(wù)器上的LabVIEW DSC 7.1的核心部分。它對(duì)警報(bào)閾值、登錄警報(bào)以及處理數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并保存到歷史數(shù)據(jù)庫當(dāng)中。PAC系統(tǒng)和SCADA服務(wù)器的整合是通過LOGOS通信協(xié)議完成的(傳輸歷史時(shí)間的能力對(duì)于整個(gè)解決方案是至關(guān)重要的)。305臺(tái)設(shè)備中的每一臺(tái)都有23個(gè)LOGOS標(biāo)簽(即總共305*23 = 7015個(gè))，而它們都是在LabVIEW DSC中生成的。
我們可以通過檢查LOGOS標(biāo)簽的質(zhì)量參數(shù)，周期性地監(jiān)測(cè)SCADA服務(wù)器和FieldPoint 2000控制器之間的連接。為了將I/O的部分失效和本地傳輸中斷聯(lián)系起來，需要對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)模塊的元素管理器進(jìn)行配置，將所選擇的SNMP Trap消息(“節(jié)點(diǎn)失效”和“數(shù)據(jù)傳輸正?！?轉(zhuǎn)發(fā)到SCADA服務(wù)器。
5 可擴(kuò)展的人機(jī)接口(HMI)解決方案
考慮到用戶嚴(yán)格的IT安全政策限制，必須通過TCP/IP 80端口，使用基于客戶服務(wù)器通信的HTTP協(xié)議進(jìn)行通信。
因此，通過Web客戶端需要提供的客戶功能如下：
·油井的狀態(tài)列表
·油田的動(dòng)畫式地形圖
·帶有命令控制功能的油井處理流程圖
·實(shí)時(shí)和歷史警報(bào)列表
·實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)
·在線文檔
·導(dǎo)出和下載報(bào)告
·個(gè)性化用戶環(huán)境
6 使用LabVIEW開發(fā)基于Web的人機(jī)接口(HMI)軟件
虛擬儀器(VIs)基于Web-客戶的可視化和控制功能是通過LabVIEW中“遠(yuǎn)程面板技術(shù)”實(shí)現(xiàn)的。這一技術(shù)能夠支持多個(gè)用戶同時(shí)看到同一個(gè)VI。但是，控制權(quán)限僅限一個(gè)用戶。
圖4 Web客戶端顯示了單個(gè)桿泵的處理流程圖
為了能夠向系統(tǒng)的多個(gè)用戶同時(shí)提供可視化和控制功能，我們使用了以下的方法：
·為每個(gè)連接到服務(wù)器的用戶動(dòng)態(tài)載入一個(gè)可視化VI的實(shí)例，并在服務(wù)器端啟動(dòng)這個(gè)實(shí)例。這是在用戶登錄Web時(shí)通過CGI-request完成的(使用LabVIEW DSC用戶管理進(jìn)行認(rèn)證)。創(chuàng)建新的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁，導(dǎo)入先前對(duì)VI對(duì)象的引用。然后，將用戶重新定向到這個(gè)新的網(wǎng)頁。
·一個(gè)精簡(jiǎn)的VI僅包含一些導(dǎo)航控件和一個(gè)子面板控件作為可視化的框架。多個(gè)處理視圖的前面板將被動(dòng)態(tài)載入到子面板控件當(dāng)中(見圖4)。這種方式使得在服務(wù)器端盡可能少地占用內(nèi)存，同時(shí)保證了客戶端的良好性能。
硬件和軟件平臺(tái)
·Dell Powerage 1750 機(jī)架服務(wù)器，2.8 GHz 雙核 奔騰處理器，3 GB 內(nèi)存，RAID 5磁盤陣列，2 x 1G 以太網(wǎng)適配器，冗余電源
·Windows 2003 Server, LabVIEW 7.1, LabVIEW DSC 7.1, Internet工具包 6.0.0, 數(shù)據(jù)庫連接工具包
7 結(jié)束語
選擇FieldPoint 2000 PAC系統(tǒng)和LabVIEW DSC作為幾百口油井的控制和自動(dòng)化解決方案，能使解決方案具有堅(jiān)固的、可擴(kuò)展性的、魯棒的特性，同時(shí)兼具靈活性和可靠性的架構(gòu)。此外，其他類型的生產(chǎn)設(shè)施(如電子潛水泵、注水泵)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，并整合到SCADA系統(tǒng)中。
（轉(zhuǎn)載）
