Überwachung und Automatisierung von Produktionsprozessen - Prozesszugriff läuft wie geschmiert

Author(s):
Dipl.-Ing. Heimo Hirner - Alcatel Austria AG
Dr. Michael Foitl - Alcatel Austria AG

Industry:
Industrial Controls/ Devices/ Systems

Products:
Datalogging and Supervisory Control, Compact FieldPoint

The Challenge:
Mehrere Hundert Einzelanlagen zu überwachen und zu steuern, stellt eine Herausforderung an die zu Grunde liegende Softwarearchitektur dar. Vor allem, wenn das System skalierbar, robust und zuverlässig sein muss.

The Solution:
Der Einsatz von FieldPoint 2000 und LabVIEW DSC für die Überwachung und Automatisierung von mehreren Hundert dezentralen Einzelanlagen für die Ölförderung führte zu einer zukunftsweisenden, skalierbaren, robusten, flexiblen und zuverlässigen Lösungsarchitektur.

Ölfelder stellen auf Grund ihrer geografischen 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 bis +55 °C) hohe Anforderungen an eine umfassende 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 Echtzeitüberwachung,
Fernsteuerung der Produktionsprozesse sowie zentrales Logging und Reporting der Prozessdaten.

Zuverlässig und hart im Nehmen
Im Gegensatz zu Draht- oder Lichtleiter gebundenen Übertragungsmethoden führen extreme Witterungs- und lokale Störeinflüsse von anderen Nutzern der frei zugänglichen WLAN-Frequenzen zu
einer reduzierten Verfügbarkeit des Übertragungsmediums. Bei einer unterbrochenen Ethernetverbindung muss für jede einzelne Förderanlage die vollständige lokale Prozesskontrolle und -dokumentation gewährleistet sein. Deswegen ist eine dezentrale Steuerungs-, Datenlogging- und
Datenverarbeitungsfunktionalität erforderlich.

Außerdem müssen die Prozessdaten und Alarme nach dem Ende einer Verbindungsunterbrechung mit historischen Zeitstempeln an ein zentrales Prozessleitsystem übertragen werden. Ein durchgängig ereignisgesteuertes Datenübertragungskonzept zwischen Feld- und Leitebene garantiert eine Datenübertragung in Echtzeit, ohne bei vielen tausend verteilten I/Os das System durch aktive Pollingsequenzen zu überlasten. Auf Basis dieser Anforderungen wurden für die Feldebene FieldPoint 2000 Programmable-Automation-Controller-(PAC)- Systeme (16 MB RAM, 32 MB Flashdisc) mit integriertem Ethernet Interface, digitale 8-Kanal-Eingangsmodule DI-330 sowie 8-fach-Relaismodule RLY-420 gewählt. Die Skalierbarkeit der PAC-Systeme bezüglich lokaler Datenverarbeitungsmöglichkeiten wurde für künftige Erweiterungen ausgelegt. 

Flexible Echtzeit-Applikation
Die Realtime-Software für die Steuerung von Gestängetiefpumpen wurde mit LabVIEW RT 7.1 entwickelt. Sie bietet die Möglichkeit, mit einem PAC-System sowohl Einzelanlagen als auch Cluster aus n Anlagen deterministisch zu steuern. Für Cluster ist lediglich die Anzahl der verwendeten I/O-Module anzupassen. Anlagenspezifische Konfigurationsparameter (Anlagenzahl, IP-Adresse,
I/O-Konfiguration und Produktionsparameter) werden beim Neustart der FieldPoint 2000 aus auf der integrierten Flashdisc gespeicherten Konfigurationsdateien gelesen. Das Software-Release-Management erfolgt zentral mittels automatisierter FTP-Routine.

Die Realtime-Software überwacht den Produktionsprozess auf Basis der Signale z. B. von Schutzeinrichtungen, Relais, Druckschaltern und Niveauschaltern. Für die Betriebsarten ’Automatik‘ und ’Manuell‘ wurden zwei getrennte Logiken implementiert. Am Prozessleitsystem lässt sich bei Bedarf ein zeitgesteuerter Betriebsmodus für einzelne Anlagen aktivieren. Änderungen des Programmzustandes werden ereignisgesteuert auf Flashdisc gespeichert, um nach Stromausfall den Anlagenzustand wiederherstellen zu können. Die Vor-Ort-Visualisierung des Anlagenprozessschemas geschieht mittels integriertem WebServer (Remote-Panel-Technik). Der standardmäßig vorhandene Hardware-Watchdog gewährleistet die Betriebssicherheit des Systems.

Controller-Integration
Als zentraler Dienst von LabVIEW DSC läuft die so genannte ‘Tag-Engine’ am Prozessleitrechner. Diese überwacht Alarmschwellen, loggt Alarme und Prozessdaten in eine historische Datenbank und verwaltet Benutzerberechtigungen. Die Kommunikation mit den dezentralen FieldPoint 2000 PAC-Systemen erfolgt über das herstellereigene Protokoll Logos. Als zentrales Datenmodell für die
Gestängetiefpumpen erzeugte man pro Anlage 23, also in Summe über 7000 Tags am Leitsystem.
Die Erreichbarkeit der FieldPoint Controller aus Sicht des zentralen Prozessleitrechners wird anhand des Qualitäts-Attributes der Tags zyklisch ausgewertet. 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 Elementmanager der Datenübertragungskomponenten generiert und in LabView-DSC integriert.

Multi-User-Visualisierung
Für das Visualisieren und Steuern von Virtuellen Instrumenten (VI) mittels Webbrowser stellt LabVIEW 7.1 die so genannte ’Remote Panel-Technik‘ bereit. Damit können mehrere Benutzer gleichzeitig ein VI visualisieren. Allerdings kann nur einer zu einem bestimmten Zeitpunkt die Steuerberechtigung innehaben. Im vorliegenden Projekt ist es jedoch erforderlich, dass n Benutzer zur selben Zeit m Anlagen anhand von beliebig erweiterbaren Prozesssichten steuern und visualisieren können. Dazu wird für jeden verbundenen Benutzer dynamisch eine eigene Instanz der Visualisierungssoftware am Server gestartet und der Benutzer mit dieser verbunden. Die Benutzerverwaltung ist als Standardkomponente von LabView DSC vorhanden. Am Benutzer-PC wird lediglich ein Standard-Webbrowser und eine Instanz der LabView-Runtime-Engine benötigt.

Zusammenfassung
Der Einsatz von FieldPoint 2000 und LabVIEW DSC für die Überwachung und Automatisierung
von mehreren Hundert dezentralen Einzelanlagen für die Ölförderung 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 Produktionsprozessen. 

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Dipl.-Ing. Heimo Hirner
Alcatel Austria AG
Wien

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