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(WLAN IEEE 802.11b)為建立油井現(xiàn)場到作業(yè)控制中心(OCC)之間的標準以太網連接打下了基礎。

　　與銅線和光纖這兩種傳輸介質相比，無線局域網通信對惡劣的大氣條件和其他公共無線局域網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、SCADA服務器和自動化控制器等數(shù)據(jù)采集的基礎架構帶來了很高的負荷。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

　　通過標準以太網實現(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)

· 在網絡中斷的情況下可使用本地數(shù)據(jù)緩存(存儲并轉發(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

圖2 桿泵

圖3 內置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)值進行調整

· 程序狀態(tài)的事件驅動復制，并能夠將處理數(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 內存，RAID 5磁盤陣列，2 x 1G 以太網適配器，冗余電源

·bbbbbbs 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。此外，其他類型的生產設施(如電子潛水泵、注水泵)也已經實現(xiàn)了自動化，并整合到SCADA系統(tǒng)中。