Überwachung und Automatisierung von Produktionsprozessen in Ölfeldern mit FieldPoint 2000 PAC Systemen und LabVIEW DSC

Author(s):
Dipl. Ing. Heimo Hirmer - Alcatel Austria AG, Integration & Services Division
Dr. Michael Foitl - Alcatel Austria AG, Integration & Services Division

Industry:
Oil and Gas/ Refining/ Chemicals

Products:
Datalogging and Supervisory Control, LabVIEW, FieldPoint, Real-Time Module

The Challenge:
Überwachung und Automatisierung von mehreren Hundert Einzelanlagen für die Ölproduktion

The Solution:
305 Gestängetiefpumpen in Europas größtem zusammenhängenden Ölfeld wurden mit Einsatz von FieldPoint 2000 PAC-Systemen automatisiert und über eine Wireless-LAN (Local Area Network) Standard-Ethernet-Vernetzung in ein LabVIEW DSC basierendes Leitsystem integriert.

Diese Anwenderlösung ist ein Beitrag zum jährlichen VIP-Kongress von National Instruments und wurde als beste Anwenderlösung mit einem "Best Paper Award" ausgezeichnet. Der vollständige Beitrag ist auch im kongressbegleitenden Tagungsband VIP 2006, S. 228-233, veröffentlicht.

Kurzfassung

305 Gestängetiefpumpen in Europas größtem zusammenhängenden Ölfeld wurden mit Einsatz von FieldPoint 2000 PAC-Systemen automatisiert und über eine Wireless-LAN (Local Area Network) Standard-Ethernet-Vernetzung in ein LabVIEW DSC basierendes Leitsystem integriert. Für 60 Mitarbeiter des Produktionstechnikbereiches des Ölfeldbetreibers wurde die Möglichkeit geschaffen via Web-Client die Betriebsprozesse der Pumpen anhand von Alarmlisten, Prozessbildern sowie Datentrending von Prozessdaten zu überwachen und zu steuern. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die Skalierbarkeit der Systemarchitektur für eine hohe Anzahl von Einzelanlagen und Systembenutzern gelegt.

Einleitung

Ölfelder stellen auf Grund ihrer geographischen Ausdehnung von vielen hundert Quadratkilometern, den großen Distanzen zwischen den einzelnen Ölsonden, deren hoher Gesamtzahl (mehrere hundert bis wenige tausend pro Feld) sowie rauer Umweltbedingungen (Temperaturen von –40°C bis +55°C) schwierige Anforderungen an eine gesamtheitliche Überwachungs- und Automatisierungslösung. Eine Wireless-LAN basierende Standard-Ethernet-Vernetzung (WLAN IEEE 802.11b) der einzelnen Produktionsstandorte mit der Produktionszentrale schafft die Voraussetzung für eine zentrale Echtzeitüberwachungssicht, Fernsteuerung der Produktionsprozesse sowie zentrales Logging und Reporting der Prozessdaten. 

Extreme Witterungs- und lokale Störeinflüsse von anderen Nutzern der frei zugänglichen WLAN-Übertragungsfrequenzen führen gegenüber Draht- oder Lichtleiter gebundenen Übertragungsmethoden zu einer tendenziell reduzierten Verfügbarkeit des Übertragungsmediums. Da die vollständige Funktionalität der lokalen Anlagensteuerung auch im Fall von unterbrochener Ethernetverbindung sichergestellt sein muss, stellt sich die Forderung nach dezentraler Steuerungs-, Datenlogging- und Datenverarbeitungsfunktionalität, sowie nach der Möglichkeit, Prozessdaten und Alarme nach Verbindungsunterbrechung mit historischen Zeitstempeln an ein zentrales Prozess-Leitsystem zu übertragen.

 
Ein durchgängig ereignisgesteuertes Datenübertragungskonzept zwischen den dezentralen Steuerungs- und Datenlogging-Einheiten und dem zentralen Prozessleitsystem verhindert bei vielen tausend dezentralen I/O’s, dass das Datennetz durch aktive Pollingsequenzen überlastet wird.
Eine solche durchgängige Prozessleitlösung wurde für 305 Gestängetiefpumpen in einem etwa 500 km2 großen zusammenhängenden Ölfeld unter der Verwendung von FieldPoint 2000 Programmable-Automation-Controller-(PAC)-Systemen für die Feldebene und LabVIEW DSC für die Leitebene realisiert (s. Bild "Netzwerk- und SCADA-Archtektur" in der Galerie). Die Gesamtzahl der dezentralen I/Os betrug ca. 7000.

Anforderungen an die Steuerungs- und Datenlogging-Einheiten der Feldebene

• Temperaturbereich: -20°C bis +55 °C in nicht klimatisiertem Schaltschrank (s. Bild "Schaltschrank mit FP 2000")
• 10/100 Mbit Ethernet Interface
• Leistungsfähige CPU
• Stabiles Betriebsystem mit deterministischer Echtzeit-Programmumgebung
• Buffern von Prozessdaten bei Netzwerkproblemen (Store and Forward)
• Sicherung des Programmstatus und der Prozessdaten bei Stromausfall
• Integrierter Webserver zur Vorort- und Fernvisualisierung
• Freie Wahl der benutzten Internetprotokolle FTP, TCP/IP, UDP

Auf Basis dieser Anforderungen wurden für die Feldebene FieldPoint 2000 PAC-Systeme (16 MB RAM, 32 MB Flashdisc) mit integriertem Ethernet Interface, Digitale 8-Kanal Eingangsmodule DI-330 sowie 8-fach Relaismodule RLY-420 ausgewählt. Die Skalierbarkeit der PAC-Systeme bezüglich lokaler Datenverarbeitungsmöglichkeiten wurde für künftige Erweiterungen der Lösung berücksichtigt.

Robuste und flexible LabVIEW RT Applikation

Die Realtime-Software für den Anlagentyp Gestängetiefpumpe wurde mit LabVIEW RT 7.1 entwickelt. Sie bietet die Möglichkeit, mit einem PAC-System sowohl einzelne Ölpumpen, als auch Cluster von n Anlagen zu steuern. Im Fall von Clustern ist notwendigerweise die Anzahl der verwendeten I/O-Module anzupassen. Alle anlagenspezifischen Konfigurationsparameter (Anlagenzahl, IP-Adresse, I/O-Konfiguration und Produktionsparameter) werden beim Neustart der FieldPoint 2000 aus zwei Konfigurationsdateien gelesen. Die Realtime-Software wird als ausführbares Programm mittels automatisierter FTP-Routine von einem zentralen Punkt aus auf alle 305 Anlagen verteilt.

Aufgaben der Realtime-Software:

• An/Abschaltung der Sonden auf Basis der anliegenden Signale von Schutz-einrichtungen, Relais, Druckschaltern und Niveauschaltern (s. Bild "Gestängetiefpumpe" in der Galerie), sowie bei Bedarf zeitgesteuerter „Pump-Off“-Automatikbetrieb. Für die Betriebsweisen AUTOMATIK und MANUELL wurden zwei getrennte Logiken implementiert. 
• Lokales Buffern und gesicherte Übertragung (FieldPoint Publish Methode + Handshake mit Tokenübergabe) von Statusänderungen und Zählerständen an den Prozessleitrechner.
• Fernsteuerbefehle vom zentralen Prozessleitrechner (z.B. Fernabschaltung, Ändern eines Prozessparameters) werden von einem Kommandointerpreter lokal umgesetzt und rückbestätigt.
• Änderungen des Programmzustandes werden ereignisgesteuert in einer Binärdatei auf Flashdisc gespeichert, um nach Stromausfall den Ausgangszustand wieder herstellen zu können.
• Visualisierung des Sondenprozessschemas mittels integriertem WebServer (Remote Panel Technik
• Gewährleistung der Betriebssicherheit des Systems durch Nutzung des „Inactivity-Watchdogs“

Skalierbare Lösung für die Leitebene

Die Hard- und Software Plattform wurde im Hinblick auf eine Erweiterung der Integrationslösung auf 600 Anlagen sowie für 20 parallele Benutzer, die via WebClient mit dem Server verbunden sind, dimensioniert.

Hardware und Software Plattform des Prozessleitservers

• Dell Powerage 1750 Rackserver, 2,8 GHz Dual Pentium, 3 Gbyte RAM, RAID 5 Disc-Array, 2 x 1Gbit Ethernet Adapter, redundantes Netzteil
• Windows 2003 Server, LabVIEW 7.1, LabVIEW DSC 7.1, Internet Toolkit 6.0.0, Database Connectivity Toolkit

Integration der FieldPoint 2000 PAC Systeme in LabVIEW DSC

Als zentraler Dienst von LabVIEW DSC läuft die sogenannte „Tag-Engine“ am Prozessleitrechner. Diese überwacht die konfigurierten Alarmschwellen, loggt Alarme und Prozessdaten in der Citadel Datenbank (proprietäre historische Datenbank von National Instruments) und verwaltet Benutzerberechtigungen. Die Kommunikation mit den dezentralen FieldPoint 2000 Systemen erfolgt über das National Instruments eigene Protokoll LOGOS. Als zentrales Datenmodell für die Gestängetiefpumpen wurden pro Anlage 23 LOGOS-Tags (in Summe 305x23 = 7015) am Leitsystem erzeugt.

Die Erreichbarkeit der FieldPoint Controller aus Sicht des zentralen Prozessleitrechners wird anhand des „quality“ Attributes der LOGOS-Tags zyklisch ausgewertet und alarmiert. Im Fehlerfall kann eine Korrelation mit Problemen im Datenübertragungsnetz erfolgen. Dazu werden SNMP-Traps (Simple Network Management Protocol) vom Typ „Node Up“ und „Node Down“ vom Northbound-Interface des Elementmanagers der Datenübertragungs-komponenten an einen Dienst am Prozessleitserver weitergeleitet und auf Memory-Tags der Tag-Engine abgebildet.

Visualisierung der Prozessleitebene

Die Visualisierung und Steuerung der Betriebsprozesse erfolgt mittels Web-Client (Remote Panel Technik). Die Trennung des Betreiber-LAN in Prozess- (Prozessleitrechner, PAC-Systeme) und Corporate-LAN (Arbeitsplätze) sowie die strikte IT-Security-Policy erforderten die Nutzung generell auf der Firewall freigeschaltener Ports, wie z.B. Port 80. Der Web-Client bietet folgende Funktionalitäten für den Benutzer:

• Übersichtsliste der Anlagenbetriebs- und Alarmzustände
• Prozessbilder der Sonden mit Steuerungsfunktionalität
• Geographische Übersichtskarten mit aktueller Alarmsicht
• Realtime- und Historische Alarmlisten
• Realtime- und Historisches Datentrending
• Dokumentations- und Bilddatendatenbank
• Generieren und Downloaden von Reports
• Benutzerprofil-Verwaltung

Multiuser-Web-Client

Für Webbrowser basiertes Visualisieren und Steuern von Virtuellen Instrumenten (VI) stellt LabVIEW 7.1 die sogenannte „Remote Panel Technik“ bereit. Dabei können mehrere Benutzer gleichzeitig ein VI visualisieren, jeweils einer darf zu einem bestimmten Zeitpunkt die Steuerungsberechtigung übernehmen. 

Für n Benutzer, die zur selben Zeit m Anlagen anhand von beliebig erweiterbaren Prozesssichten steuern und visualisieren, wurde folgender Designansatz gewählt: 

• Für jeden verbundenen Benutzer wird dynamisch eine eigene Instanz der Visualisierungssoftware am Server erzeugt und gestartet. Dies erfolgt mittels CGI-Server-Aufruf beim Einloggen des Benutzers auf dem Webportal. Am Server wird eine neue dynamische Webseite erzeugt, welche eine Referenz der neuen Instanz enthält. In weiterer Folge wird die Client-Session des Benutzers auf diese Webseite umgeleitet. Zur Benutzerauthentifizierung wird die Benutzerverwaltung von LabVIEW DSC verwendet.
  
• Das Frontpanel des Visualisierungs-VIs enthält ausschließlich Navigationshilfen (Auswahlbuttons, Hierarchische Baumstruktur) sowie ein Sub-Panel-Anzeigeelement. Die Frontpanels der unterschiedlichen Prozesssichten wie Alarmliste, Datentrending, Übersichtskarte, Benutzerprofilverwaltung oder Prozessbilder werden bei Aufruf einzeln in das Sub-Panel geladen (s. Bild "Webclient mit Prozessleitschema einer Gestängetiefpumpe" in der Galerie). Damit bleibt der Speicherverbrauch pro verbundenem Benutzer am Server niedrig und das Laden neuer Prozesssichten erfolgt performant. 

Die Webclient-Technik erfordert serverseitig die Nutzung des in LabVIEW integrierten Webservers und des G-Webservers (Internet-Toolkit). Am Benutzer-PC wird lediglich ein Standard-Webbrowser und eine Instanz derLabVIEW-Runtime-Engine benötigt.

Zusammenfassung

Der Einsatz von FieldPoint 2000 und LabVIEW DSC für die Überwachung und Automatisierung von mehreren Hundert Einzelanlagen für die Ölproduktion führte zu einer zukunftsweisenden, skalierbaren, robusten, flexiblen und zuverlässigen Lösungsarchitektur. Die Implementierung einer an die IT-Infrastruktur moderner Unternehmen angepasste Prozessleitlösung ermöglicht die generelle Verfügbarkeit von Prozess- und Produktionsdaten im gesamten Unternehmen, sowie die zentrale Steuerung von Betriebs- und Produktions-prozessen.

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