使用FieldPoint 2000 PAC和LabVIEW DSC实现油田生产流程监控自动化

　　摘要：在欧洲最大的油田中，约305台杆泵使用FieldPoint 2000 PAC系统实现了自动化。借助无线局域网技术，通过标准以太网实现了PAC系统与基于LabVIEW DSC的控制系统(见图1)的整合。油田作业公司生产技术部门的60多位员工可以对油井作业工程进行基于Web-client的视图监控。这个视图监控包括了经过整合的警报列表、流程图和数据处理趋势。考虑到设备电压高达600V且用户数量众多，系统架构的可伸缩性成为项目中的一个重要挑战。

挑战

　　为欧洲最大油田的600多台杆泵设计高度可扩展的监控和自动化控制系统。

解决方案：

　　使用FieldPoint 2000 PAC系统为305台杆泵实现本地控制和数据记录功能，将PAC系统与基于LabVIEW

　　DSC的中央SCADA服务器整合，开发基于LabVIEW的人机接口(HMI)软件，以提供基于Web的多用户访问功能。

1 引言

　　该油田所占的面积达到几百平方公里。相邻油井之间的距离从几米到几公里不等，差异很大。无线局域网(WLAN IEEE 802.11b)为建立油井现场到作业控制中心(OCC)之间的标准以太网连接打下了基础。

　　与铜线和光纤这两种传输介质相比，无线局域网通信对恶劣的大气条件和其他公共无线局域网频率所造成的干扰会比较敏感。如果油井现场和作业控制中心失去连接，本地传送流程需要仍维持在不被干扰状态下运作。因此，流程控制和数据记录必须在本地实现。当连接恢复后，系统再将缓存的数据和原始参考时间一同传输到作业控制中心。

　　频繁地轮流检测几千个I/O对局域网、SCADA服务器和自动化控制器等数据采集的基础架构带来了很高的负荷。在状态变化并不频繁的情况下 ( 一般来说每天不会超过50次 ) ，事件驱动的通信技术( 由deadband标准触发)要比单纯的轮流检测更加有效。

2 油田监控和自动化解决方案的集成架构

　　通过标准以太网实现了PAC系统与基于LabVIEW DSC的控制系统如图1所示。

　　针对恶劣的环境条件所使用的强大而灵活的控制和数据记录单元为：

· 工作温度范围为-20°C至 +55°C(户外工作箱，见图3)

· 10/100 M以太网接口

· 强大的CPU

· 拥有确定性实时编程环境的强大的操作系统

· 在网络中断的情况下可使用本地数据缓存(存储并转发)

· 在断电情况下，保持控制应用和数据处理的安全状态

· 借助整合的Web服务器，实现现场和远程处理的可视化

· 可自由选择Internet协议(FTP、TCP/IP、或UDP……)

图1 油田监控和自动化解决方案的集成架构

图2 杆泵

图3 内置FP 2000的控制柜

　　基于以上的功能要求，我们选用了FieldPoint 2000 PAC系统(16 MB RAM, 32 MB闪存) 作为现场的控制和数据记录单元，它带有集成的以太网接口、数字输出模块DI 330和继电器模块 RLY 420。

3 强大而灵活的LabVIEW实时应用

　　控制杆泵的实时软件是采用LabVIEW 实时7.1开发的。该软件对单台杆泵或多台杆泵都能够进行实时控制。在控制器启动之后，将从闪存上的两个配置文件中读出指定的配置参数(包括杆泵数量、IP地址、I/O配置等)。300多台FieldPoint 2000控制器所使用的全新软件镜像完全是自动生成的，并通过标准的FTP协议从网络的中心节点发布到各个控制器上。

　　实时软件的基本功能：

· 根据保护装置的状态打开或关闭油井(保护装置包括应力开关、液面开关、断路器、脉动控制接收器等，见图2)

· 数据的本地缓存和安全传输

· 远程开启和关闭，并对指定数值进行调整

· 程序状态的事件驱动复制，并能够将处理数据缓存在闪存上，断电后能够恢复原始系统状态。

· 使用整合的Web服务器实现流程可视化(即“远程面板技术”)

·使用“静止看门狗”功能保证操作的完整性

4 LabVIEW DSC和FieldPoint 2000 PAC系统整合.

　　“Tag-Engine”的处理是运行在中央SCADA服务器上的LabVIEW DSC 7.1的核心部分。它对警报阈值、登录警报以及处理数据进行管理，并保存到历史数据库当中。PAC系统和SCADA服务器的整合是通过LOGOS通信协议完成的(传输历史时间的能力对于整个解决方案是至关重要的)。305台设备中的每一台都有23个LOGOS标签(即总共305*23 = 7015个)，而它们都是在LabVIEW DSC中生成的。

　　我们可以通过检查LOGOS标签的质量参数，周期性地监测SCADA服务器和FieldPoint 2000控制器之间的连接。为了将I/O的部分失效和本地传输中断联系起来，需要对IP网络模块的元素管理器进行配置，将所选择的SNMP Trap消息(“节点失效”和“数据传输正常”)转发到SCADA服务器。

5 可扩展的人机接口(HMI)解决方案

　　考虑到用户严格的IT安全政策限制，必须通过TCP/IP　80端口，使用基于客户服务器通信的HTTP协议进行通信。

因此，通过Web客户端需要提供的客户功能如下：

·油井的状态列表

·油田的动画式地形图

·带有命令控制功能的油井处理流程图

·实时和历史警报列表

·实时和历史数据趋势

·在线文档

·导出和下载报告

·个性化用户环境

6 使用LabVIEW开发基于Web的人机接口(HMI)软件

　　虚拟仪器(VIs)基于Web-客户的可视化和控制功能是通过LabVIEW中“远程面板技术”实现的。这一技术能够支持多个用户同时看到同一个VI。但是，控制权限仅限一个用户。