Experion PKS在普光氣田集輸控制系統的應用

林 雷 ，典葉雷 ，徐向輝 ，典葉鵬

(1.中原油田普光分公司采氣廠，四川達州 635000;2.中國石化中原油田分公司天然氣處理廠，河南濮陽 475162)

Experion PKS(簡稱PKS)系統，是美國Honeywell公司開發的一套適合于石油天然氣工業的自動化與控制軟件。PKS系統既能作為DCS系統、ESD統，又能作為SCADA系統使用，它既是一個網絡通訊平臺;又是一個數據庫管理平臺;同時還是集成各種應用的平臺。該系統于2009年11月在普光氣田正式投運，投運以來系統運行穩定，數據采集準確，監控效果好，故障發生率低，為正常生產提供了安全保障。

1 系統組成

位于達州市宣漢縣普光氣田的SCADA自控系統主要包括過程控制系統，安全儀表系統，中心數據處理系統三部分。其功能是采集普光氣田所轄集氣站場和閥室生產運行數據，完成對普光氣田重要生產參數實時監控、火氣儀表報警及連鎖關斷，同時建立統一的生產管理數據庫，并對數據進行存儲，處理，顯示及報警。

PKS系統結構圖詳見圖1。

1.1 DSA 技術

圖1 普光氣田PKS系統結構圖

DSA，即分布式服務器結構，普光氣田SCADA系統配置了DSA軟件，在中控室的SCADA系統與各集氣站的服務器之間也采用了DSA技術，為在地理位置上分散控制區域的操作和控制提供靈活性。因此，在不影響系統整體數據信息交流的情況下，由于DSA技術具有無須重復建立數據庫的優點，大大減低了SCADA數據庫點的數量，降低了成本，同時也大大減少了工程組態工作量。分布式管理可使場站及中心控制室形成相互獨立的控制系統，降低風險，當單個場站發生事故，不影響中心控制和其他站場的正常運行，但是缺乏集中的數據處理，一旦單個站場數據丟失、中心控制室就無法還原其歷史數據，另外，數據不能集中備份，增加了操作風險。

1.2 服務器

分布式服務器結構(DSA)是集成多個過程控制過程，實現對終端單元控制的解決方案。用于地理位置上分散的集散系統的互聯，有多個遠程站，一般都有中央控制室。從中央控制室到每一個遠程站獲取數據，可以連接或不連接本地的控制器，分布式服務器通過邏輯上建立一個全局的數據庫相互交換數據信息:全局的實時數據、趨勢、報警、系統信息。服務器采用冗余結構。

1.3 控制器

在每個站控系統(SCS)都配置了Bristol babcock的Controlwave控制器用于站場的過程控制器。主要以Bristol babcock公司的Conrolwave RED冗余控制器為核心，集合Bristol Babcock公司模塊化的I/O及通訊設備，建了一個監控數據采集系統來實現對整個場站的自動化監視、及管理，使該系統具有了強大的通訊、數據處理、傳輸能力，實現了站控系統控制器、通訊模塊、通訊網絡、供電電源、電源模塊冗余，從而保障整個系統的先進性、可靠性、安全性、可用性、可擴展性和可維護性。

Controlwave是一種適應性強，分散性、開放性高的控制器，基于模塊化的設計，從而使系統配置靈活，可配置大、中、小型控制系統來滿足不同的需要。

1.4 網絡拓補

采用總線式網絡拓補。PKS系統由三層控制網絡構成。第一層為以太網，該層網絡以服務器(Server)、操作站(Station)為主要節點。服務器與操作站之間采用Cliellt/server結構，每臺服務器提供模擬點、狀態點和累積點多達兩萬多個集成點，可實時采集各種過程裝置實時信息。Station則提供了視窗化人機界面和強大的報警管理功能及豐富的應用開發功能，具有完善的系統管理維護和監控功能，并采用ACTIVEX編程語言，使用ODBC進行SQL數據交換。因為操作站與現場控制站的控制器并沒有直接相連，它們之間的數據交換是通過服務器進行的，因此操作站要實時訪問服務器的數據庫，以完成對整個生產過程的監控。第二層控制網絡稱為監控網，該層網絡的主要節點是服務器(Server)和控制器(CPM)。其中CPM采用的是Controlwave系列混合控制器，具有過程控制要求的連續調節、批處理、邏輯控制、順序控制、聯鎖等綜合控制功能。監控網的相關硬件為PCIC卡，該卡件直接插在服務器的主板上，協調外圍設備之間的通訊，也即服務器與控制站之間通過PCIC卡完成數據交換。第三層控制網絡稱為I/O控制網，該層的主要節點是控制器和輸入輸出卡件。它們均采用模塊化結構，配置靈活，各卡件均可以進行帶電熱插拔，不會對系統的運行造成任何影響。

1.5 系統功能

1.5.1 混合控制

可以完成數據采集、邏輯控制、回路控制、順序控制、批量控制、設定點控制、處方控制等。

1.5.2 集成數據庫

軟件生成的集成數據庫一次完成控制器及服務器的數據庫，不需要重復進行組態。

1.5.2.1 數據庫功能

服務器是所有系統數據的存儲倉庫，每站控系統(SCS)提供2用戶操作站軟件許可證，這些操作員站可以有固定式和搶占式兩種配置，中石化普光分公司采氣廠SCADA系統均采用了搶占式配置。搶占式配置的工作特點是“誰先登錄、誰先使用”。

1.5.2.2 數據采集和處理

PKS服務器從下位RTU控制器讀取現場運行參數實時數據，并以數字或者狀態的形式在流程界面上顯示，數據以設定的采樣頻率進行刷新。同時，將采集到的數據按照相應的控制策略進行處理;從而實現對現場設備運行的實時監控。采集的數據可分為模擬量和數字量兩種，數字量即在時間上和數量上都是離散的物理量，用0和1表示，如:開/關閥命令，泵的開/關狀態等;模擬量即在時間上或數值上都是連續的物理量，如:壓力、溫度。數據處理控制策略即我們通常所說的控制回路，SCADA系統中應用的控制回路有:過程控制、聯鎖控制和串級控制三種，過程控制用于正常的生產過程監控，被控對象動作后，恢復原狀態無需人為操作;聯鎖控制用于緊急情況，被控對象動作后，恢復原狀態需人為操作;串級回路由主回路和副回路兩級，主回路輸出值作為副回路的設定值。

1.5.2.3 歷史數據記錄和趨勢圖

歷史數據采集可以用不同的采樣頻率，對瞬時值和平均值兩種格式進行存儲，可在線保存大量的歷史數據。歷史數據歸檔有自動和手動兩種方式。當采用自動方式歸檔時，本地硬盤通常為系統默認歸檔位置，歷史數據保存時間與存儲數據的硬盤空間和歷史數據采樣頻率有關，當磁盤空間不足時，最早的歷史數據自動溢出;當采用手動方式歸檔時，歸檔的數據可以存儲在本地硬盤、光盤、磁盤等介質中。歷史數據可供操作員隨時調用、顯示趨勢、形成報表等。

1.5.2.4 報警和事件管理

PKS服務器提供綜合的報警和事件的檢測、管理及報告功能，幫助操作員迅速診斷問題的所在，當報警發生時，系統以聲音和閃爍顯示兩種方式提醒操作員。報警根據緊急級別高低分為緊急，高報，低報3個等級。緊急程度越高，報警優先級越高。當多個級別的報警同時發生時，報警優先級較高者居前顯示，且不同級別的報警以不同的圖標和顏色閃爍。事件管理器可以詳細記錄系統發生的所有事情，包括操作員的操作記錄。通過過濾器工具，操作員可以從匯總畫面中對所關注的點進行跟蹤。

1.5.2.5 報表管理

PKS服務器安裝了采用開放式數據訪問的報表軟件，使用Microsoft Excel Data Exchange Wizard工具，編寫適當的腳本，Microsoft EXCEL即可從PKS數據庫讀取相應的數據(包括PKS實時數據及歷史數據)，滿足操作員各類報表需求。EXCEL報表所讀取的數據有:過程變量的當前值;對過程變量的當前值進行計算;歷史數據，并可以計算累加、最大值、最小值和標準差;報警和事件信息。普光采氣廠PKS服務器組態EXCEL報表，全面包括了閥室壓力、集配氣污水處理及回注、燃氣系統、氮氣系統等裝置區工藝參數報表，自動生成。服務器按照腳本要求，定期填寫、歸檔報表，還可以根據操作員的請求，隨時打印報表。

1.6 集成化的網絡

PKS采用實時過程控制網絡CONTROLNET，通過單通訊介質或冗余的銅須介質來執行實時過程控制數據的交換。同時通過ETHERNET網卡來進行其他網絡數據交換。

2 服務器的應用

2.1 PKS冗余服務器的應用

PKS冗余服務器上配有數據庫基本軟件包、冗余數據庫軟件、用戶操作站軟件許可證、開放數據庫訪問軟件、3000多個數據點。

冗余數據庫保證兩個冗余服務器任何一個運行失敗，另一個一直“熱備”的服務器立即取代它的功能。通常，一臺作為主服務器;另一臺作為備用服務器。當主服務器發生:硬件失敗，備用服務器無法與之通訊、主備服務器之間的網絡連接中斷、主服務器無法與下位RTU進行通訊時，備用服務器瞬間取代主服務器，保證系統安全運行。

現場總線的冗余功能詳見圖2。

圖2 Controlnet網絡結構

在站場采取了2臺COM公司16口3C16470交換機，站場本身的網絡就能構成冗余，這樣就大大地降低了問題發生的機率。這樣即使一臺服務器的網絡出現了問題，我們可以設置網絡切換到另一條網絡上去，這樣就不會影響操作站的正常工作。由于在每個SCS都配置了2臺DELL的SC1430服務器即作為服務器也作為操作員站，所以我們把每一臺操作站的網絡也都設置成自動切換，一旦一條網絡出現了問題，切換到另一條上去，這樣就不會影響數據的實時監控，從而大大提高了操作的安全性。在其網絡設置方面為了不發生沖突以及方便確認，將2服務器設為相同網段的IP地址，比如一個可以設為* .* .* .1，而另一個設為* .* .* .2。這些內容設置完以后，可以進行網絡測試，即使用ping命令，來測試各條網線是否連通.如果沒有問題，就可以進行下一步的設置。網絡設置完畢以后還要對Honeywell PKS系統的station監控軟件進行設置，以便于當一條網絡出現問題以后，另一條網絡可以自動的進行切換，而不至于使數據中斷。

FTE的構成的冗余功能詳見圖3。

圖3 FTE網絡結構

在中控室采取了2臺COM公司16口3C16470交換機，中控室本身的網絡就能構成冗余，這樣也就大大地降低了問題發生的機率。使得每一臺服務器通過這兩臺網絡交換機和服務器連起來，這樣即使一臺服務器的網絡出現了問題，我們可以設置網絡切換到另一條網絡上去，這樣就不會影響操作站的正常工作。同樣的我們把每一臺操作站的網絡都設置成自動切換，一旦一條網絡出現了問題，就自動地切換到另一條上去，這樣就不會影響數據的實時監控，從而大大提高了操作的安全性。

首先在Station中的連接屬性(Connect propriety－default)中，建立4條連接，即在Server中填入服務器的4條網絡的名稱。比如Server a0、Server a1、Server b0、Server b1，并分別起名為 A0、A1、B0、B1。保存后點擊高級(advanced)，在出現的對話框中選中復選框(auxiliary setup file)，然后在瀏覽中找到路徑c:Program FilesHoneywellExperion PKSClientStation分別找到剛才建立的A0、A1、B0、B1網絡。在server a0時候選擇A1，在Server a1時選擇B0，在Server b0時選擇B1，在Server b1時選擇A0，這樣建立的目的就是當服務器A的a0網絡出現的問題無法正常連接的時候，網絡自動的連接服務器A的a1網絡，當a1網絡還是無法連通的時候，就自動地連接B服務器的b0網絡，當b0網絡還是無法接通，那么系統自動連接B服務器的b1網絡，這樣循環連接，直到連通正常的網絡，這樣一來無論是哪個網絡出現了問題，都可以自動地連接到正常的網絡來保證系統的正常運行。

硬件方面安裝完成后，要對軟件系統進行安裝，正常安裝完軟件以后，還要安裝FTE組件，以及配置FTE網絡，主要的就是針對TCP/IP協議進行配置，具體的步驟可以參考honeywell提供的FTE手冊(FaultTolerantEthernetInstallation and Service Guide)。

要注意的是在FTE網絡中兩個網卡使用同一網段的地址，比如，服務器的兩個IP地址可以設為* .* .* .1 和* .* .* .2。

2.2 OPC服務器的應用

PC服務器是SCADA系統與外界信息管理系統之間的銜接服務器，一方面SCADA將有關信息寫入OPC服務器，外界其他系統通過OPC服務器調用生產信息，同時又避免了外界系統直接訪問SCADA系統，提供了系統的安全性。OPC服務器的應用具有以下優點:①將PKS系統與外部用戶相隔離，保證了系統安全性;②動態性能優化功能充分發揮了分布式系統結構(DSA)的性能，最大程度地減輕了目標過程控制網絡的負荷;OPC服務器本身配置兩塊網卡。它本身也可以作為網關防止SCADA局域網和MIS局域網用戶的互相訪問。也就是說，MIS網上的用戶只能訪問OPC服務器，而不能訪問任何SCADA服務器或操作站。OPC服務器與SCADA局域網之間不需要增加路由器。

2.3 數據庫服務器應用

數據服務器作為SCADA系統的一部分，主要負責對各站場，閥室的過程控制系統的數據采集，同時通過安全儀表系統采集各站場，閥室的安全儀表系統的數據，對這些數據進行集中的存儲，并根據服務器中的各種應用軟件實現全氣田的集中監控以及統籌調度管理要求。

3 第三方設備通訊的應用

PKS支持與廣泛的第三方設備的通訊，并提供基于這些設備的數據采集和控制工能，實現數據共享。PKS控制系統與第三方設備之間的通訊以雙絞線為傳輸通過TCP/IP連接方式實現與第三方設備的通訊，此種通訊方式以光纜為傳輸介質。如:RTU數據向上位PKS系統的上傳。RTU通過光纜將數據傳送至通信機柜，然后經交換機通過網絡上傳至SCADA系統PKS服務器，從而實現RTU與上位PKS服務器之間的通訊。

4 相關軟件

①Quick Builder－Quick Builder，是組態 SCADA點用的，它讓用戶可以組態第三方的控制器PLC或RTU，以及相應的點，操作站和打印機。Quick Builder使用關系數據庫引擎，提供如數據庫用戶顯示的篩選。多點編輯工具，和直觀的窗口風格的用戶界面，極大地提高了組態效率。關系數據庫還提供用戶自定義的域，可以用來設置終止調度，記錄接線編號等，同時還提供標準的報表。PKS數據庫的添加和修改均可以在線進行。

②Display Buider－Display Buider是面向對象的，全集成化的用戶畫面組態工具，用于生成用戶專用的顯示圖形畫面。動態顯示可以簡單地通過鼠標點擊組態迅速生成，系統還提供一個圖形庫含有如容器、管道、閥門罐、馬達等通用的工廠設備，幫助用戶進一步加快圖形設計的速度。此外，對于一些多處用到的相似的畫面，可以用模塊畫面的功能減少組態時間。提供的過程對象和調色板功能可以幫助用戶快速簡便地創建用戶對象，并可以帶有三維效果。通過使用腳本程序(VBScript和Jscript)和ActiveX組件，可以顯著地增強圖形畫面功能。如高速動畫、工具提示、控制操作站作用等可以通過腳本程序完成。另外提供大量的ActiveX的組件類型，如播放聲音和視頻圖像等都可以插入在畫面中被調用。HMIWeb Display Builder使得用戶可以組態基于Web的操作員畫面。

5 存在的不足

①硬件配置余量過少，一旦有硬件通道故障發生，將出現無可用通道接替的危險，為系統安全穩定運行留下了隱患。②組態控件模塊集成化程度低，實現一個很小的功能均需要編寫腳本，給組態帶來較大的工作量，同時也為后期維護工作帶來很大不便。③為更好的搞好系統管理、維護工作，使Experion PKS系統能夠物盡其用，在技術和硬件上建議加大對控制系統的投入。