Fallstudie

Enginuität Global

Edge Computing in Upstream Öl & Gas

Wie Enginuity Global die Legacy Steuerungssysteme der Bullwinkle-Produktionsplattform von QuarterNorth Energy in 45 Tagen modernisierte, um die Betriebsabläufe zu optimieren und die Sicherheit zu erhöhen

Herausforderungen

  • Veraltete Server, Workstations und Steuerungen verursachten lange Ausfallzeiten und waren teuer in der Reparatur
  • Die dezentralen Kontrollsysteme erforderten eine große Anzahl von Mitarbeitern zur Überwachung der Vorgänge.
  • Die Komplexität des Systems erschwerte die Fehlersuche
  • Systemreaktionszeiten im zweistelligen Sekundenbereich verlangsamten die Reaktionszeit, die Entscheidungsfindung und den Überblick über die Vorgänge.
  • Kontrollsystem/Sicherheitssystem an der Kapazitätsgrenze, ohne Spielraum, um die Logik bei Bedarf zu erweitern

Lösung

  • Modernisierung der Kontrollsysteme und der Infrastruktur der Offshore-Förderplattform legacy für einen sicheren, effizienten und rentablen Betrieb
  • Stratus ftServer® fehlertolerante Plattform mit 12 virtuellen Maschinen (VMs)
  • Rockwell Automation PlantPAx® Distributed Control System (DCS), einschließlich:
    • HMI/SCADA und Factory Talk® Historiker mit SQL Server, der 6.000 E/As unterstützt
  • Antiviren- und Clusterverwaltungssoftware
  • Systemintegration durch Enginuity Global, LLC

Vorteile

  • Zentralisiertes Überwachungs- und Steuerungssystem, das zu höherem Ertrag, verbesserter Sicherheit und ausfallfreiem Betrieb bei kritischen Anwendungen führt
  • Nutzung der Virtualisierung zur Konsolidierung von 12 Anwendungen, die auf 6 Servern laufen, auf einer einzigen, fehlertoleranten Stratus ftServer Rechenplattform
  • Beitrag zu einer 22-prozentigen Verringerung der ungeplanten Ausfallzeiten und Steigerung der Produktivität
  • Reduzierung der Systemreaktionszeit um 1.000 %, von mehr als 20 Sekunden auf Millisekunden, wodurch Kontrolle und Sicherheit erhöht werden

QuarterNorth Energy modernisiert Bullwinkle-Plattform für hervorragende Betriebsabläufe

QuarterNorth Energy ist ein führender Öl- und Gasproduzent, der Tiefseeanlagen im Golf von Mexiko betreibt. Durch Innovation und einen disziplinierten Ansatz für das Management der Öl- und Gasproduktion hat sich das Unternehmen auf den Betrieb verschiedener Anlagen spezialisiert und setzt dabei Technologien ein, um die Effizienz zu steigern und Gewinne zu erzielen. Die Offshore-Förderplattform Bullwinkle, die derzeit größte feste Offshore-Plattform in den Vereinigten Staaten von Amerika, befindet sich in der Nähe von Louisiana und ist von strategischer Bedeutung für die Anbindung neuer Bohrungen an bestehende Exportleitungen. Wie viele andere veraltete Anlagen hatte auch die Bullwinkle-Plattform mehrere Besitzer, lief mit der Infrastruktur von legacy und verwendete ein veraltetes und schwer zu unterstützendes Kontrollsystem.

QuarterNorth beauftragte Enginuity Global, einen Systemintegrator mit Fachwissen in den Bereichen Prozessautomatisierung, Steuerung, Außendienst und Notfallunterstützung zur Maximierung des Betriebs und Minimierung von Ausfallzeiten, mit der Modernisierung und Zentralisierung der Infrastruktur und Steuerungssysteme von Bullwinkle. Mit einem zweistufigen Ansatz migrierte das Enginuity-Team die Plattform von 9 legacy PLCs, 6 Servern und Datenkommunikation mit geringer Bandbreite zu einer vollständig redundanten plattformweiten Steuerung, die von einem einzigen Stratus Edge Computing System zur Zentralisierung von Betriebsanwendungen und zur gemeinsamen Nutzung von Daten auf der gesamten Plattform und im Unternehmen. Das Team hat diese bedeutende Umstellung in 45 Tagen von der Abnahme bis zur Wiederinbetriebnahme der Anlage durchgeführt. Die Rechenplattform Stratus bietet eine fehlertolerante Rechenleistung, um die kritischen Anwendungen von Bullwinkle ohne Ausfallzeiten oder Datenverluste auszuführen, kann von der Betriebstechnologie (OT) gewartet werden und senkt die Gesamtbetriebskosten (TCO) erheblich.

Aufrüstung einer veralteten Plattform zu einer effizienten Anlage

Das bestehende Bullwinkle-System stellte das Betriebsmodell des Unternehmens vor mehrere Herausforderungen. Im Laufe der Jahre, in denen das System ständig aktualisiert wurde, entwickelte sich das Kontrollsystem zu einer dezentralen Architektur, die mehr als 20 Bediener erforderte, die sich auf der 384 Fuß hohen Plattform bewegen mussten, um die über mehrere Standorte verteilten Bildschirme zu überwachen. Darüber hinaus waren Teile des Systems nahezu veraltet, mit veralteten Komponenten, die unerwartet ausfielen. Der Austausch von Teilen gestaltete sich schwierig, so dass das Team zeitweise auf die Beschaffung älterer Komponenten bei eBay zurückgriff, was zu langen Vorlaufzeiten für die Suche und den Austausch von Teilen führte. Infolgedessen war das System ständig dem Risiko kostspieliger und ungeplanter Ausfallzeiten ausgesetzt.  

Um die Bullwinkle-Systeme für den Steuerungs- und Sicherheitsbetrieb zu modernisieren und zu zentralisieren, führte Enginuity Global gemeinsam mit QuarterNorth ein zweistufiges Projekt durch, um die vorhandenen Server und Workstations durch eine einzige redundante Plattform zu ersetzen. Stratus Edge Computing Plattform zu ersetzen, die unterschiedliche Mehrmarkensoftware in einer einzigen PlantPAx-Automatisierungs- und Steuerungssuite von Rockwell Automation zu konsolidieren, die vorhandenen Allen-Bradley® PLC-5®-Steuerungen auf Rockwell Automation ControlLogix® aufzurüsten und die vorhandenen verketteten Remote-I/O-Verbindungen auf ein duales, ringbasiertes Ethernet-Netzwerk zu aktualisieren, um eine vollständige Systemredundanz auf der gesamten Plattform zu erreichen.

Laut Eric Belgard, Enginuity Lead for Automation and Controls, ist es für Unternehmen einfacher, Projekte im Rahmen ihres Budgets zu managen, wenn sie den Prozess in Phasen durchführen.

Das Hauptaugenmerk bei diesem Projekt lag auf der Bereitstellung eines Systems, das die Sicherheit des Personals gewährleistet, das Bewusstsein der Bediener schärft und die Zuverlässigkeit steigert, während gleichzeitig die Supportfähigkeit sichergestellt wird - eine wichtige Voraussetzung sowohl für den Kunden als auch für die Systemintegratoren, die ihn unterstützen. Ein wesentlicher Bestandteil des Enginuity-Ansatzes war die Stratus ftServer , die die Fehlertoleranz und Skalierbarkeit bietet, um die aktuellen und zukünftigen Anforderungen von QuarterNorth Energy an die Ausführung kritischer Anwendungen auf einer einzigen Rechenplattform zu erfüllen. Die Plattform Stratus bietet nicht nur die Leistung, die für die Ausführung der verschiedenen Anwendungen auf Bullwinkle erforderlich ist, sondern auch eine einfachere Verwaltung für die Betreiber der Plattform, einschließlich durch den Kunden austauschbarer Einheiten (Customer Replaceable Units, CRUs), die von den OT-Teams leicht installiert werden können, ohne dass es zu Ausfallzeiten kommt. Und wie bei QuarterNorth ist der Stratus -Support rund um die Uhr erreichbar, so dass Supportanfragen jederzeit schnell bearbeitet werden können. Nachdem Enginuity die Kosten verschiedener Alternativen bewertet hatte, kam man zu dem Schluss, dass Stratus ftServer die größte Zuverlässigkeit und die niedrigsten TCO bietet.

"Der Stratus Server gibt uns Sicherheit, denn der Stratus Server ist wirklich fehlertolerant. Das ist einer der Hauptgründe, warum wir uns immer für den Stratus Server entscheiden, wenn er verfügbar ist.
Eric Belgard
Lead Systems Engineer
Enginuity Global, LLC

Virtualisierung und Zuverlässigkeit mit Stratus Edge Computing

Die erste Phase des Modernisierungsprojekts konzentrierte sich auf die Aktualisierung der Automatisierungs- und Steuerungssoftware und die Ersetzung der zahlreichen Server und Workstations durch eine einzige Edge Computing Plattform. QuarterNorth Energy konzentrierte sich vorrangig auf den Öl-, Bohrloch- und Transportbetrieb und wollte eine Lösung, die einfach zu bedienen ist, keine Failover-Zeit hat und Datenverluste verhindert. Die von Enginuity installierte Stratus ftServer unterstützt 16 Thick- und Thin-Clients und ersetzt damit die sechs Server und 16 Workstations, die immer wieder ausfielen und ihr Lebensende erreicht oder überschritten hatten (EOL = End of Life). Die fehlertolerante Compute-Plattform ftServer bietet Hot-Swap-fähige Komponenten und eine automatische Zustandsüberwachung. Mithilfe von Anwendungsvirtualisierung konsolidierte das Team 12 Anwendungen auf dem einzigen System Stratus , was die Verwaltung weiter vereinfachte und die Kosten senkte. Die längere Lebensdauer von ftServer- 8 bis 10 Jahre - bedeutet, dass sie nicht mehr alle 3 bis 4 Jahre in den Austausch veralteter Hardware investieren müssen.

Client/Workstation Übersicht

Neues Prozesskontrollsystem und Sicherheitsabschaltsystem verbessern Sicherheit, Konformität und Entscheidungsfindung

In der zweiten Phase des Modernisierungsprojekts wurde das bestehende Steuerungssystem auf Rockwell Automation PlantPAx migriert, das auf Stratus ftServer läuft. Die veralteten Allen-Bradley PLC-5-Einheiten waren veraltet und hatten ihre Kapazitätsgrenze erreicht, so dass kein Platz für zusätzliche Logik blieb. Die Steuerungsvorgänge wurden mit dem Sicherheitsüberwachungssystem kombiniert, was zu Problemen bei der Einhaltung von Vorschriften führte. Außerdem war die Reaktionszeit in dem dezentralen System langsam. Ein Bediener gab einen Befehl aus und wartete dann 10 bis 20 Sekunden, um die Ergebnisse zu sehen. Außerdem waren die HMI-Schnittstellen der verschiedenen Marken nicht einheitlich, da jede unterschiedliche Terminals oder Monitore benötigte und unterschiedliche Alarme und Trends anzeigte.

Enginuity ersetzte die vorhandenen PLC-5-Einheiten durch ein neues redundantes Steuerungssystem auf der Grundlage des PlantPAx DCS, wobei das Prozesssteuerungssystem (PCS) und das Sicherheitsabschaltsystem (SSDS) in separate Prozessoren und Racks aufgeteilt wurden. Sie konvertierten legacy PLC-5-Steuerungen, die mit dem PlantPAx DCS verbunden waren, unter Verwendung von Konvertierungskits von Rockwell Automation, so dass sie die vorhandene Verkabelung für mehr als 100 E/A-Panels und 6.000 E/A-Punkte wiederverwenden konnten. Enginuity installierte dann ein neues Ethernet-Netzwerk, das in zwei redundanten Glasfaserringen organisiert ist. Das neue Ethernet-Netzwerk verkürzte nicht nur die Reaktionszeit von zehn Sekunden auf Millisekunden - eine 1000-prozentige Geschwindigkeitsverbesserung -, sondern bietet auch ein modernes, standardbasiertes Protokoll, das nicht nur schneller und zuverlässiger ist, sondern auch einfacher zu unterstützen und zu warten.

Das modernisierte System hat die Sicherheit des Betriebs der Plattform erheblich verbessert - ein entscheidender Erfolgsfaktor für QuarterNorth Energy. Michael Kinzel, Ingenieur für Automatisierung und Steuerung, betonte: "Eine zuverlässige Reaktionsgeschwindigkeit des Systems ist für den kontinuierlichen Betrieb entscheidend." Im Rahmen des Sicherheitsmanagementprozesses führt QuarterNorth Simulationen verschiedener Ereignisse durch und misst die Reaktionszeit. Bei der Simulation eines anormalen Prozesses wurde festgestellt, dass die Reaktionszeit von mehreren Dutzend Sekunden auf weniger als 3 Sekunden sank. Diese bemerkenswerte Verkürzung der Reaktionszeit bedeutet, dass die Betreiber bei ungeplanten Ereignissen schneller reagieren können.

Die neue Lösung verbessert auch die Rückverfolgbarkeit, einschließlich der automatischen Verfolgung von Alarmen, Umgehungen und anderen Ereignissen, die für die Gewährleistung der Sicherheit und Einhaltung von Vorschriften entscheidend sind. Da das vorherige System nicht über diese Funktion verfügte, mussten die Bediener manuell Prüfprotokolle darüber erstellen, wer wann welche Aktivitäten durchgeführt hat. Die automatische Nachverfolgung aller Ereignisse im neuen System, einschließlich der Angabe, wer was, wann und wie lange getan hat, ermöglicht eine bessere Aufzeichnung von Ereignissen, was die Sicherheit erhöht und die Einhaltung von Vorschriften unterstützt. Das resultierende DCS ist sowohl leistungsfähig als auch vollständig redundant, bietet Transparenz und Kontrolle und macht es für die Bediener einfacher und sicherer, von jedem Ort der Plattform aus an mehreren Systemen zu arbeiten.

Redundantes Ethernet-E/A-Netzwerk

"Die ftServer ist ein Panzer. Er bietet einen vereinfachten Ansatz für ein komplexes System. Ein Teil unseres Mottos bei Enginuity lautet: 'Wir vereinfachen eine komplexe Welt'. Die Server von Stratus tragen definitiv dazu bei, einen Teil dieser Komplexität zu reduzieren. Außerdem konnten wir damit eine Menge Geld sparen."
Eric Belgard
Lead Systems Engineer
Enginuity Global, LLC

Benutzerfreundlichkeit und Wartungsfreundlichkeit für OT

Ein weiterer wichtiger Vorteil des neu installierten PlantPAx DCS-Systems ist die Verringerung der Arbeitsbelastung der Bediener. Anstatt mehrere Schnittstellen erlernen und verwalten zu müssen, können die Bediener die Daten nun über standardisierte HMI-Bildschirme einsehen. Die verbesserte Datenerfassung beschleunigt den Prozess der Datenhistorisierung und unterstützt eine schnellere und fundiertere Entscheidungsfindung. Durch den Einsatz von Virtualisierung zur Konsolidierung der Arbeitslasten von 12 verschiedenen Anwendungen in einem System werden Automatisierungsinseln beseitigt und die Verfügbarkeit der Anwendungen unterstützt. Thick- und Thin-Clients, die mit dem ThinManager® von Rockwell Automation verwaltet werden und über die gesamte Plattform verteilt sind, bieten einen besseren Zugang, so dass Techniker den Betrieb von jeder Ebene oder jedem Standort der Plattform aus verwalten können. Das neue System reduziert auch die Komplexität des Betriebs, sowohl bei der Verwaltung und Überwachung der Systeme als auch bei ihrer regelmäßigen Wartung.

Unter anderem dank dieser neuen Architektur konnte das Tiefsee-Betriebsteam von QuarterNorth Energy die ungeplanten Ausfallzeiten der Bullwinkle-Förderplattform um 22 % reduzieren und damit die Produktivität steigern. Die eingebaute Redundanz - von ftServer und den beiden Ethernet-Netzwerken bis hin zum Prozesskontrollsystem und den Panels des Sicherheitsabschaltsystems - stellt sicher, dass das System jederzeit läuft und verfügbar ist. "Wir haben festgestellt, dass die Zahl der Anrufe, in denen Server- oder Systemausfälle gemeldet wurden, zurückgegangen ist - vor allem im Vergleich zu früheren Fällen", bemerkt Belgard.

Blick in die Zukunft: Eine skalierbare Lösung mit Raum für Wachstum

Mit Blick auf die Zukunft sieht Michael Kinzel mehrere Möglichkeiten, den Betrieb auf der Bullwinkle-Plattform weiter zu verbessern. Das Unternehmen plant, seine Infrastruktur weiter zu rationalisieren, indem es Anwendungen, die auf mehreren weniger zuverlässigen, unabhängigen Geräten laufen, auf die ftServer portiert. Unter Hinweis auf die Virtualisierung und Systemverfügbarkeit des Stratus Systems erklärte Kinzel: "Wir können das tun, weil wir Vertrauen in die ftServer haben." Tatsächlich funktioniert die Lösung so gut, dass QuarterNorth Energy gerade dabei ist, einen ähnlichen Auftrag mit Enginuity zur Modernisierung eines anderen Standorts zu vereinbaren. "Diese Architektur funktioniert wirklich", resümierte Kinzel.

Verteiltes Steuerungssystem mit ftServer Fehlertoleranter Plattform

  • Stratus ftServer® fehlertolerante Plattform mit 12 virtuellen Maschinen (VMs)
  • Rockwell Automation PlantPAx® Distributed Control System (DCS), einschließlich:
    • HMI/SCADA und Factory Talk® Historiker mit SQL Server für PCS- und SSDS-Systeme, die 6.000 E/As unterstützen
    • Redundantes ringbasiertes Glasfaser-Ethernet-Remote-I/O-Netzwerk
    • Redundante ControlLogix-Prozessoren für Prozessleitsystem (PCS) und Sicherheitsabschaltsystem (SSDS)
  • Antiviren- und Clusterverwaltungssoftware

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