摘要：在歐洲最大的油田中，約305臺桿泵使用FieldPoint 2000 PAC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動化。借助無線局域網(wǎng)技術(shù)，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)(見圖1)的整合。油田作業(yè)公司生產(chǎn)技術(shù)部門的60多位員工可以對油井作業(yè)工程進(jìn)行基于Web-client的視圖監(jiān)控。這個視圖監(jiān)控包括了經(jīng)過整合的警報列表、流程圖和數(shù)據(jù)處理趨勢?？紤]到設(shè)備電壓高達(dá)600V且用戶數(shù)量眾多，系統(tǒng)架構(gòu)的可伸縮性成為項目中的一個重要挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)

　　為歐洲最大油田的600多臺桿泵設(shè)計高度可擴(kuò)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(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(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(wù)器和自動化控制器等數(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 ( 一般來說每天不會超過50次 ) ，事件驅(qū)動的通信技術(shù)( 由deadband標(biāo)準(zhǔn)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(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數(shù)據(jù)緩存(存儲并轉(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(qiáng)大而靈活的LabVIEW實(shí)時應(yīng)用

　　控制桿泵的實(shí)時軟件是采用LabVIEW 實(shí)時7.1開發(fā)的。該軟件對單臺桿泵或多臺桿泵都能夠進(jìn)行實(shí)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(biāo)準(zhǔn)的FTP協(xié)議從網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)發(fā)布到各個控制器上。

　　實(shí)時軟件的基本功能：

· 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，并對指定數(shù)值進(jìn)行調(diào)整

· 程序狀態(tài)的事件驅(qū)動復(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。它對警報閾值、登錄警報以及處理數(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(傳輸歷史時間的能力對于整個解決方案是至關(guān)重要的)。305臺設(shè)備中的每一臺都有23個LOGOS標(biāo)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(biāo)簽的質(zhì)量參數(shù)，周期性地監(jiān)測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)傳輸正常”)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

·油田的動畫式地形圖

·帶有命令控制功能的油井處理流程圖

·實(shí)時和歷史警報列表

·實(shí)時和歷史數(shù)據(jù)趨勢

·在線文檔

·導(dǎo)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(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)能夠支持多個用戶同時看到同一個VI。但是，控制權(quán)限僅限一個用戶。