Überwachung und Analyse einer Erdölförderpumpe mit LabVIEW und NI-RIO-Technologie

Bei Supreme Electrical Services Inc. streben wir danach, in jeder Branche, in der wir tätig sind, zu den besten Integratoren von Steuer-, Regel- und Messtechnologie zu gehören. Unser Ziel ist es, die beste verfügbare Standardhardware so zu verpacken, dass sie auch rauesten Umgebungen, wie sie z. B. an Ölfeldern vorkommen können, gewachsen ist. NI-Hardware und die Software NI LabVIEW bieten für unsere Anwendung die ideale Lösung. Deshalb basiert das gesamte Steuer- und Regelsystem darauf.

Andere Hardwarelösungen, die zunächst in Betracht gezogen wurden, waren nicht in der Lage, die Hochgeschwindigkeits-I/O und -Analyse bereitzustellen, um vorübergehende Extremwerte bei Druck und Vibrationen an den Erdölförderpumpen zu erfassen. FPGAs (Field-Programmable Gate Arrays) und die Möglichkeit, die Daten einer FFT-Analyse (Fast-Fourier Transform) zu unterziehen, machen CompactRIO, NI Single-Board RIO und LabVIEW zur perfekten Lösung für diese Anwendung.

Überwachungssystem für Ölförderanlage

Unser Überwachungssystem für die Ölquelle ist dafür konzipiert, die Leistung grundlegender Pumpenkomponenten während des Betriebs zu überwachen. Das vorläufige Produkt konzentriert sich darauf, Hochdruck-Förderpumpen in Ölquellen-Simulationsanwendungen zu überwachen. Jede Fördereinheit verfügt über einen PS-starken Dieselmotor und ein Getriebe, das mit einer Dreifach- oder Fünffachpumpe verbunden ist. Sowohl Motor als auch Getriebe sind mit einer elektronischen Schnittstelle ausgestattet, die kritische Funktionen überwacht und bei laufendem Betrieb diagnostische Informationen liefert. Motor und Getriebe geben die Daten, die sie überwachen, über ein Kommunikationsprotokoll des Typs SAE J1939 aus.

Momentan enthalten Pumpen in dieser Branche höchstens ein paar diskrete Sensoren, die kritische Betriebsparameter überwachen. Meist werden Entladungsdruck, Drehzahl, Schmieröldruck und -temperatur überwacht. Jeder dieser Parameter wird mit einem separaten Sensor und einem Signalkabel gemessen, das zurück zur Hauptsteuerkonsole führt.

Ziel unseres Produkts ist es, neben diesen auch mehrere andere Funktionen zu überwachen und die Daten über dasselbe CAN-Protokoll (Controller Area Network) SAE J1939 an die Hauptsteuerkonsole zurückzuführen. Unser System muss Datencharakteristika außerhalb der Norm und Fehlerbedingungen erkennen. Mit diesen Echtzeitinformationen kann das Bedienpersonal auf Basis realer Leistungsindikatoren von der Pumpe entscheiden, ob der Betrieb eingestellt werden sollte oder weiterlaufen kann. Letztendlich soll das System die Anzahl der Pumpenausfälle und die gesamten Wartungskosten für die Pumpe reduzieren.

Robuste Implementierung mit CompactRIO und LabVIEW

Für unsere Aufgaben gibt es kein besser geeignetes Hardwarepaket als CompactRIO. Daneben können wir Software in LabVIEW schneller als mit den meisten anderen Programmierumgebungen entwickeln. Mit LabVIEW konnte die Softwareentwicklung viel schneller abgeschlossen werden als bei früheren Projekten, bei denen noch mit C-basierter Programmierung gearbeitet wurde. Wofür die meisten C-Programmierer zwei Jahre brauchen würden, haben wir in ein paar Monate erreicht. Dank dieser Zeiteinsparung konnten wir unser Produkt schneller auf den Markt bringen als unsere Mitbewerber.

Wir verwenden die LabVIEW-Softwareplattform zur Programmierung von Real-Time-Prozessor, FPGA und I/O mit dem CompactRIO-System. Des Weiteren ist damit die Anbindung zur Steuerung, Regelung und Überwachung jedes einzelnen Aspekts der Wartungs- und Stimulationsausrüstung, die in unserer Branche vorkommt, realisiert. Wir sind der Überzeugung, dass die modularen I/O und das robuste CompactRIO-System so gut geeignet sind, da ihnen Stöße und Vibrationen sowie der große Temperaturbereich nichts anhaben können, die an einem mobilen Ausrüstungsgegenstand auftreten, der an Ölfeldern auf der ganzen Welt eingesetzt und entsprechend oft transportiert wird.

Die Offenheit von LabVIEW und NI-Hardware ermöglicht die einfache Anbindung an vielfältige Sensoren, Software und Protokolle:

- Sensoren: Druckaufnehmer, magnetische Aufnehmer, digitale Encoder, Temperaturfühler, nukleare Dichtemessgeräte, magnetische Durchflussmesser, Coriolis-Massendurchflussmesser usw.

- Software: Software für Rohrwendel-Ermüdung und Simulation von Quellbohrungen

- Betriebssysteme: Windows XP Embedded, Windows CE, Linux®

- Industriespezifische Protokolle: SAE J1939, J1587, J1708; Modbus; Ethernet, 802.11; PROFIBUS

Anwenderdefinierte Implementierung mit NI Single-Board RIO

Aufgrund des kleinen Formfaktors und der niedrigen Kosten von NI Single-Board RIO ist diese Hardware für die Erstellung einer individuellen Lösung für unsere Kunden äußerst nützlich. Mit der Kombination von CompactRIO und NI Single-Board RIO konnten wir Überwachungssysteme in unterschiedlichen Formfaktoren und Preisklassen anbieten.

Dabei ist sehr praktisch, dass der Übergang von CompactRIO zu NI Single-Board RIO aufgrund der Standard-RIO-Hardwarearchitektur (rekonfigurierbare I/O) von NI sehr schnell und unproblematisch bewerkstelligt werden kann. NI Single-Board RIO besitzt dieselbe Hardwarearchitektur wie CompactRIO, so dass der LabVIEW-Code in der Hardware NI Single-Board RIO ohne große Änderungen wiederverwendet werden kann.

Der Vorteil einer Lösung von National Instruments

Wir sind sehr zufrieden mit der Produktqualität und dem Support von NI. Technische Probleme wurden immer umgehend bearbeitet und wir wurden bei der Erstellung unserer Anwendungen stets optimal unterstützt. Jeder bei NI, vom Support-Ingenieur bis zum Vertriebsmitarbeiter, kennt sich mit seinen Produkten und seinem Geschäft hervorragend aus. Es war uns eine Freude, mit einem so hilfsbereiten und professionellen Team zusammen zu arbeiten.

Informationen zum Autor:

Robert Stewart, CEO
Lime Instruments, LLC