挑戰(zhàn)
為歐洲最大油田的600多臺桿泵設計高度可擴展的監(jiān)控和自動化控制系統(tǒng)。
解決方案：
使用FieldPoint 2000 PAC系統(tǒng)為305臺桿泵實現(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服務器整合，開發(fā)基于LabVIEW的人機接口(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)場到作業(yè)控制中心(OCC)之間的標準以太網(wǎng)連接打下了基礎。
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比較敏感。如果油井現(xiàn)場和作業(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)下運作。因此，流程控制和數(shù)據(jù)記錄必須在本地實現(xiàn)。當連接恢復后，系統(tǒng)再將緩存的數(shù)據(jù)和原始參考時間一同傳輸?shù)阶鳂I(yè)控制中心。
頻繁地輪流檢測幾千個I/O對局域網(wǎng)、SCADA服務器和自動化控制器等數(shù)據(jù)采集的基礎架構(gòu)帶來了很高的負荷。在狀態(tài)變化并不頻繁的情況下 ( 一般來說每天不會超過50次 ) ，事件驅(qū)動的通信技術( 由deadband標準觸發(fā))要比單純的輪流檢測更加有效。
2 油田監(jiān)控和自動化解決方案的集成架構(gòu)
通過標準以太網(wǎng)實現(xiàn)了PAC系統(tǒng)與基于LabVIEW DSC的控制系統(tǒng)如圖1所示。
針對惡劣的環(huán)境條件所使用的強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
· 強大的CPU
· 擁有確定性實時編程環(huán)境的強大的操作系統(tǒng)
· 在網(wǎng)絡中斷的情況下可使用本地數(shù)據(jù)緩存(存儲并轉(zhuǎn)發(fā))
· 在斷電情況下，保持控制應用和數(shù)據(jù)處理的安全狀態(tài)
· 借助整合的Web服務器，實現(xiàn)現(xiàn)場和遠程處理的可視化
· 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 強大而靈活的LabVIEW實時應用
控制桿泵的實時軟件是采用LabVIEW 實時7.1開發(fā)的。該軟件對單臺桿泵或多臺桿泵都能夠進行實時控制。在控制器啟動之后，將從閃存上的兩個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FieldPoint 2000控制器所使用的全新軟件鏡像完全是自動生成的，并通過標準的FTP協(xié)議從網(wǎng)絡的中心節(jié)點發(fā)布到各個控制器上。
實時軟件的基本功能：
· 根據(jù)保護裝置的狀態(tài)打開或關閉油井(保護裝置包括應力開關、液面開關、斷路器、脈動控制接收器等，見圖2)
· 數(shù)據(jù)的本地緩存和安全傳輸
· 遠程開啟和關閉，并對指定數(shù)值進行調(diào)整
· 程序狀態(tài)的事件驅(qū)動復制，并能夠?qū)⑻幚頂?shù)據(jù)緩存在閃存上，斷電后能夠恢復原始系統(tǒng)狀態(tài)。
· 使用整合的Web服務器實現(xiàn)流程可視化(即“遠程面板技術”)
·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”的處理是運行在中央SCADA服務器上的LabVIEW DSC 7.1的核心部分。它對警報閾值、登錄警報以及處理數(shù)據(jù)進行管理，并保存到歷史數(shù)據(jù)庫當中。PAC系統(tǒng)和SCADA服務器的整合是通過LOGOS通信協(xié)議完成的(傳輸歷史時間的能力對于整個解決方案是至關重要的)。305臺設備中的每一臺都有23個LOGOS標簽(即總共305*23 = 7015個)，而它們都是在LabVIEW DSC中生成的。
我們可以通過檢查LOGOS標簽的質(zhì)量參數(shù)，周期性地監(jiān)測SCADA服務器和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IP網(wǎng)絡模塊的元素管理器進行配置，將所選擇的SNMP Trap消息(“節(jié)點失效”和“數(shù)據(jù)傳輸正?！?轉(zhuǎn)發(fā)到SCADA服務器。
5 可擴展的人機接口(HMI)解決方案
考慮到用戶嚴格的IT安全政策限制，必須通過TCP/IP 80端口，使用基于客戶服務器通信的HTTP協(xié)議進行通信。
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
·油田的動畫式地形圖
·帶有命令控制功能的油井處理流程圖
·實時和歷史警報列表
·實時和歷史數(shù)據(jù)趨勢
·在線文檔
·導出和下載報告
·個性化用戶環(huán)境
6 使用LabVIEW開發(fā)基于Web的人機接口(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“遠程面板技術”實現(xiàn)的。這一技術能夠支持多個用戶同時看到同一個VI。但是，控制權(quán)限僅限一個用戶。
圖4 Web客戶端顯示了單個桿泵的處理流程圖
為了能夠向系統(tǒng)的多個用戶同時提供可視化和控制功能，我們使用了以下的方法：
·為每個連接到服務器的用戶動態(tài)載入一個可視化VI的實例，并在服務器端啟動這個實例。這是在用戶登錄Web時通過CGI-request完成的(使用LabVIEW DSC用戶管理進行認證)。創(chuàng)建新的動態(tài)網(wǎng)頁，導入先前對VI對象的引用。然后，將用戶重新定向到這個新的網(wǎng)頁。
·一個精簡的VI僅包含一些導航控件和一個子面板控件作為可視化的框架。多個處理視圖的前面板將被動態(tài)載入到子面板控件當中(見圖4)。這種方式使得在服務器端盡可能少地占用內(nèi)存，同時保證了客戶端的良好性能。
硬件和軟件平臺
·Dell Powerage 1750 機架服務器，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化解決方案，能使解決方案具有堅固的、可擴展性的、魯棒的特性，同時兼具靈活性和可靠性的架構(gòu)。此外，其他類型的生產(chǎn)設施(如電子潛水泵、注水泵)也已經(jīng)實現(xiàn)了自動化，并整合到SCADA系統(tǒng)中。
（轉(zhuǎn)載）
