TRENDS & TECHNOLOGIE � STEUERUNGSTECHNIK

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Überwachung und Automatisierung von Produktionsprozessen

Prozesszugriff läuft wie geschmiert 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. Durch die intelligente Verknüpfung von FieldPoint und LabView von National Instruments hat man auch Europas größtes zusammenhängendes Ölfeld sicher im Griff.

Dr. Michael Foitl und Dipl.-Ing. Heimo Hirner sind in der Integration & Ser-vices Division bei der Alcatel Austria AG in Wien tätig.

38 IEE 51. Jahrgang 03-2006

Netzwerk- und Scada-Architektur: Aufbau der durchgängigen Prozessleitlösung in dem etwa 500 km2 großen zusammenhängenden Ölfeld unter der Verwendung von FieldPoint 2000 PAC-Systemen für die Feldebene und LabView DSC für die Leitebene

� Ölfelder stellen auf Grund ihrer geo-grafischen Ausdehnung von vielen hun-dert Quadratkilometern, den großen Dis-tanzen zwischen den einzelnen Ölson-den, deren hoher Gesamtzahl (mehrere hundert bis wenige tausend pro Feld) sowie rauer Umweltbedingungen (Tem -pe ra turen von -40 bis +55 °C) hohe An -for derungen an eine umfassende Über -wachungs- und Automati sie rungs lö -sung. Eine Wireless-LAN basierende Stan-dard-Ethernet-Vernetzung (WLAN IEEE

frei zugänglichen WLAN-Frequenzen zu einer reduzierten Verfügbarkeit des Übertragungsmediums. Bei einer unterbrochenen Ethernetver-bindung muss für jede einzelne Förder-anlage die vollständige lokale Prozess-

802. 11b) der einzelnen Produktionsstand-orte mit der Produktionszentrale schafft die Voraussetzung für eine zent rale Echt-zeitüberwachung, Fernsteuerung der Produktionsprozesse sowie zent rales 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

Halle 9, Stand G31

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Flashdisc) mit integriertem Ethernet In-terface, digitale 8-Kanal-Eingangsmodu-le DI-330 sowie 8-fach-Relaismodule RLY-420 ge wählt. Die Skalierbarkeit der PAC-Systeme bezüglich lokaler Datenver-arbeitungsmöglichkeiten 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 so-wohl Einzelanlagen als auch Cluster aus n Anlagen deterministisch zu steuern. Für Cluster ist lediglich die Anzahl der verwendeten I/O-Module anzupassen. Anlagenspezifische Konfigurations-parameter (Anlagenzahl, IP-Adresse, I/O-Konfiguration und Produktions-parameter) werden beim Neustart der FieldPoint 2000 aus auf der integrierten Flashdisc gespeicherten Konfigurations-dateien gelesen. Das Software-Release-Management erfolgt zentral mittels automatisierter FTP-Routine. Die Real -time-Software überwacht den Produkti-onsprozess auf Basis der Signale z. B. von Schutzeinrichtungen, Relais, Druckschal-tern und Niveauschaltern. Für die Be-triebsarten ’Automatik‘ und ’Manuell‘

kontrolle und -dokumentation gewähr-leistet sein. Deswegen ist eine dezentrale Steuerungs-, Datenlogging- und Datenverar beitungsfunktionalität erfor-derlich. Außerdem müssen die Prozess-daten und Alarme nach dem Ende einer Verbindungsunterbrechung mit histori-schen Zeitstempeln an ein zentrales Pro-zessleitsystem übertragen werden. Ein durchgängig ereignisgesteuertes Daten-

übertragungskonzept zwischen Feld- und Leitebene garantiert eine Daten-übertragung in Echtzeit, ohne bei vielen tausend verteilten I/O’s das System durch aktive Pollingsequenzen zu über-lasten. Auf Basis dieser Anforderungen wurden für die Feldebene FieldPoint 2000 Programmable-Automation-Controller- (PAC)- Systeme (16 MB RAM, 32 MB

� KOMPAKT

305 Gestängetiefpumpen wurden in Europas größtem zusammenhängen-den Ölfeld mit FieldPoint 2000 PAC-Systemen automatisiert und über ein Wireless-LAN Standard-Ethernet-Netzwerk in ein LabView DSC basie-rendes Leitsystem integriert. 60 Mit-arbeiter des Ölfeldbetreibers haben nun die Möglichkeit, via Web-Client die Betriebsprozesse der Pumpen an-hand von Alarmlisten und Prozessbil-dern sowie das Datentrending von Prozessdaten zu überwachen und zu steuern. Besonderes Augenmerk wur-de dabei auf die Skalierbarkeit der Sys-temarchitektur für eine hohe Anzahl von Einzelanlagen und Systembenut-zern gelegt.

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TECHNIK IM DETAIL

Anforderungen an die Steuerungs- und Datenlogging-Einheiten: � -20 bis +55 °C Temperaturbereich � 10/100 Mbit Ethernet Interface � Leistungsfähige CPU � Stabiles Betriebssystem mit deter-

ministischer Echtzeit-Programm -um ge bung

� Hardware-Watchdog zur Überwa -chung des Programmablaufes

� Buffern von Prozessdaten bei Netz-werkproblemen (Store and For-ward)

� Sicherung des Programmstatus und der Prozessdaten bei Stromausfall

� Integrierter Webserver zur Vor-Ort- und Fernvisualisierung

� Freie Wahl der benutzten Internet-protokolle FTP, TCP/IP, UDP

wurden zwei getrennte Logiken imple-mentiert. Am Prozessleitsystem lässt sich bei Bedarf ein zeitgesteuerter Betriebs-modus 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 mit-tels integriertem WebServer (Remote Pa-nel Technik). Der standardmäßig vorhan-dene 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 Pro-zessdaten in eine historische Datenbank und verwaltet Benutzerberechtigungen. Die Kommunikation mit den dezentralen FieldPoint 2000 PAC-Systemen erfolgt über das Hersteller-eigene Protokoll Lo-gos. Als zentrales Datenmodell für die Gestängetiefpumpen erzeugte man pro Anlage 23, also in Summe über 7000 Tags am Leitsystem. Die Erreichbarkeit der FieldPoint Control-ler aus Sicht des zentralen Prozessleit-rechners wird anhand des Qualitäts-At-tributes 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 Datenübertra-gungskomponenten generiert und in LabView-DSC integriert.

Multi-User-Visualisierung Für das Visualisieren und Steuern von Vir-tuellen Instrumenten (VI) mittels Web-browser stellt LabView 7.1 die so genann-te ’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 erfor-derlich, dass n Benutzer zur selben Zeit m Anlagen anhand von beliebig erweiter-baren Prozesssichten steuern und visua-

lisieren können. Dazu wird für jeden ver-bundenen Benutzer dynamisch eine ei-gene Instanz der Visualisierungssoft -ware am Server gestartet und der Benut-zer mit dieser verbunden. Die Benutzer-verwaltung ist als Standardkomponente von LabView DSC vorhanden. Am Benut-zer-PC wird lediglich ein Standard-Web-browser und eine Instanz der LabView-Runtime-Engine benötigt.

Zusammenfassung Der Einsatz von FieldPoint 2000 und Lab-View DSC für die Überwachung und Au-tomatisierung von mehreren Hundert dezentralen Einzelanlagen für die Ölför-derung führte zu einer zukunftsweisen-den, skalierbaren, robusten, flexiblen und zuverlässigen Lösungsarchitektur. Die Implementierung einer an die IT-Infra-struktur moderner Unternehmen ange-passte Prozessleitlösung ermöglicht die generelle Verfügbarkeit von Prozess- und Produktionsdaten im gesamten Unter-nehmen sowie die zentrale Steuerung von Betriebs- und Produktionsprozessen.

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In Echtzeit im Griff: Die Überwachung und Steuerung der Gestängetiefpumpe erfol-gen mittels Realtime-Software.

Temperatur-resistent: Die in einem nicht klimatisierten Schaltschrank unterge-brachten FP 2000-Einheiten übernehmen die Steuer- und Datenloggingfunktion.

Webclient mit Prozess-leitschema: Einfache Navigation durch un-terschiedliche Prozess-sichten wie Alarmliste, Datentrending, Über-sichtskarte, Benutzer-profilverwaltung oder anlagenspezifische Prozessbilder

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Kennziffer 770

infoDIRECT 770iee0306

www.all-electronics.de � Link zu LabView DSC � Link zur Compact Field Point PAC-Hardware

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