Experion PKS在普光气田集输控制系统的应用

林 雷 ，典叶雷 ，徐向辉 ，典叶鹏

(1.中原油田普光分公司采气厂，四川达州 635000;2.中国石化中原油田分公司天然气处理厂，河南濮阳 475162)

Experion PKS(简称PKS)系统，是美国Honeywell公司开发的一套适合于石油天然气工业的自动化与控制软件。PKS系统既能作为DCS系统、ESD统，又能作为SCADA系统使用，它既是一个网络通讯平台;又是一个数据库管理平台;同时还是集成各种应用的平台。该系统于2009年11月在普光气田正式投运，投运以来系统运行稳定，数据采集准确，监控效果好，故障发生率低，为正常生产提供了安全保障。

1 系统组成

位于达州市宣汉县普光气田的SCADA自控系统主要包括过程控制系统，安全仪表系统，中心数据处理系统三部分。其功能是采集普光气田所辖集气站场和阀室生产运行数据，完成对普光气田重要生产参数实时监控、火气仪表报警及连锁关断，同时建立统一的生产管理数据库，并对数据进行存储，处理，显示及报警。

PKS系统结构图详见图1。

1.1 DSA 技术

图1 普光气田PKS系统结构图

DSA，即分布式服务器结构，普光气田SCADA系统配置了DSA软件，在中控室的SCADA系统与各集气站的服务器之间也采用了DSA技术，为在地理位置上分散控制区域的操作和控制提供灵活性。因此，在不影响系统整体数据信息交流的情况下，由于DSA技术具有无须重复建立数据库的优点，大大减低了SCADA数据库点的数量，降低了成本，同时也大大减少了工程组态工作量。分布式管理可使场站及中心控制室形成相互独立的控制系统，降低风险，当单个场站发生事故，不影响中心控制和其他站场的正常运行，但是缺乏集中的数据处理，一旦单个站场数据丢失、中心控制室就无法还原其历史数据，另外，数据不能集中备份，增加了操作风险。

1.2 服务器

分布式服务器结构(DSA)是集成多个过程控制过程，实现对终端单元控制的解决方案。用于地理位置上分散的集散系统的互联，有多个远程站，一般都有中央控制室。从中央控制室到每一个远程站获取数据，可以连接或不连接本地的控制器，分布式服务器通过逻辑上建立一个全局的数据库相互交换数据信息:全局的实时数据、趋势、报警、系统信息。服务器采用冗余结构。

1.3 控制器

在每个站控系统(SCS)都配置了Bristol babcock的Controlwave控制器用于站场的过程控制器。主要以Bristol babcock公司的Conrolwave RED冗余控制器为核心，集合Bristol Babcock公司模块化的I/O及通讯设备，建了一个监控数据采集系统来实现对整个场站的自动化监视、及管理，使该系统具有了强大的通讯、数据处理、传输能力，实现了站控系统控制器、通讯模块、通讯网络、供电电源、电源模块冗余，从而保障整个系统的先进性、可靠性、安全性、可用性、可扩展性和可维护性。

Controlwave是一种适应性强，分散性、开放性高的控制器，基于模块化的设计，从而使系统配置灵活，可配置大、中、小型控制系统来满足不同的需要。

1.4 网络拓补

采用总线式网络拓补。PKS系统由三层控制网络构成。第一层为以太网，该层网络以服务器(Server)、操作站(Station)为主要节点。服务器与操作站之间采用Cliellt/server结构，每台服务器提供模拟点、状态点和累积点多达两万多个集成点，可实时采集各种过程装置实时信息。Station则提供了视窗化人机界面和强大的报警管理功能及丰富的应用开发功能，具有完善的系统管理维护和监控功能，并采用ACTIVEX编程语言，使用ODBC进行SQL数据交换。因为操作站与现场控制站的控制器并没有直接相连，它们之间的数据交换是通过服务器进行的，因此操作站要实时访问服务器的数据库，以完成对整个生产过程的监控。第二层控制网络称为监控网，该层网络的主要节点是服务器(Server)和控制器(CPM)。其中CPM采用的是Controlwave系列混合控制器，具有过程控制要求的连续调节、批处理、逻辑控制、顺序控制、联锁等综合控制功能。监控网的相关硬件为PCIC卡，该卡件直接插在服务器的主板上，协调外围设备之间的通讯，也即服务器与控制站之间通过PCIC卡完成数据交换。第三层控制网络称为I/O控制网，该层的主要节点是控制器和输入输出卡件。它们均采用模块化结构，配置灵活，各卡件均可以进行带电热插拔，不会对系统的运行造成任何影响。

1.5 系统功能

1.5.1 混合控制

可以完成数据采集、逻辑控制、回路控制、顺序控制、批量控制、设定点控制、处方控制等。

1.5.2 集成数据库

软件生成的集成数据库一次完成控制器及服务器的数据库，不需要重复进行组态。

1.5.2.1 数据库功能

服务器是所有系统数据的存储仓库，每站控系统(SCS)提供2用户操作站软件许可证，这些操作员站可以有固定式和抢占式两种配置，中石化普光分公司采气厂SCADA系统均采用了抢占式配置。抢占式配置的工作特点是“谁先登录、谁先使用”。

1.5.2.2 数据采集和处理

PKS服务器从下位RTU控制器读取现场运行参数实时数据，并以数字或者状态的形式在流程界面上显示，数据以设定的采样频率进行刷新。同时，将采集到的数据按照相应的控制策略进行处理;从而实现对现场设备运行的实时监控。采集的数据可分为模拟量和数字量两种，数字量即在时间上和数量上都是离散的物理量，用0和1表示，如:开/关阀命令，泵的开/关状态等;模拟量即在时间上或数值上都是连续的物理量，如:压力、温度。数据处理控制策略即我们通常所说的控制回路，SCADA系统中应用的控制回路有:过程控制、联锁控制和串级控制三种，过程控制用于正常的生产过程监控，被控对象动作后，恢复原状态无需人为操作;联锁控制用于紧急情况，被控对象动作后，恢复原状态需人为操作;串级回路由主回路和副回路两级，主回路输出值作为副回路的设定值。

1.5.2.3 历史数据记录和趋势图

历史数据采集可以用不同的采样频率，对瞬时值和平均值两种格式进行存储，可在线保存大量的历史数据。历史数据归档有自动和手动两种方式。当采用自动方式归档时，本地硬盘通常为系统默认归档位置，历史数据保存时间与存储数据的硬盘空间和历史数据采样频率有关，当磁盘空间不足时，最早的历史数据自动溢出;当采用手动方式归档时，归档的数据可以存储在本地硬盘、光盘、磁盘等介质中。历史数据可供操作员随时调用、显示趋势、形成报表等。

1.5.2.4 报警和事件管理

PKS服务器提供综合的报警和事件的检测、管理及报告功能，帮助操作员迅速诊断问题的所在，当报警发生时，系统以声音和闪烁显示两种方式提醒操作员。报警根据紧急级别高低分为紧急，高报，低报3个等级。紧急程度越高，报警优先级越高。当多个级别的报警同时发生时，报警优先级较高者居前显示，且不同级别的报警以不同的图标和颜色闪烁。事件管理器可以详细记录系统发生的所有事情，包括操作员的操作记录。通过过滤器工具，操作员可以从汇总画面中对所关注的点进行跟踪。

1.5.2.5 报表管理

PKS服务器安装了采用开放式数据访问的报表软件，使用Microsoft Excel Data Exchange Wizard工具，编写适当的脚本，Microsoft EXCEL即可从PKS数据库读取相应的数据(包括PKS实时数据及历史数据)，满足操作员各类报表需求。EXCEL报表所读取的数据有:过程变量的当前值;对过程变量的当前值进行计算;历史数据，并可以计算累加、最大值、最小值和标准差;报警和事件信息。普光采气厂PKS服务器组态EXCEL报表，全面包括了阀室压力、集配气污水处理及回注、燃气系统、氮气系统等装置区工艺参数报表，自动生成。服务器按照脚本要求，定期填写、归档报表，还可以根据操作员的请求，随时打印报表。

1.6 集成化的网络

PKS采用实时过程控制网络CONTROLNET，通过单通讯介质或冗余的铜须介质来执行实时过程控制数据的交换。同时通过ETHERNET网卡来进行其他网络数据交换。

2 服务器的应用

2.1 PKS冗余服务器的应用

PKS冗余服务器上配有数据库基本软件包、冗余数据库软件、用户操作站软件许可证、开放数据库访问软件、3000多个数据点。

冗余数据库保证两个冗余服务器任何一个运行失败，另一个一直“热备”的服务器立即取代它的功能。通常，一台作为主服务器;另一台作为备用服务器。当主服务器发生:硬件失败，备用服务器无法与之通讯、主备服务器之间的网络连接中断、主服务器无法与下位RTU进行通讯时，备用服务器瞬间取代主服务器，保证系统安全运行。

现场总线的冗余功能详见图2。

图2 Controlnet网络结构

在站场采取了2台COM公司16口3C16470交换机，站场本身的网络就能构成冗余，这样就大大地降低了问题发生的机率。这样即使一台服务器的网络出现了问题，我们可以设置网络切换到另一条网络上去，这样就不会影响操作站的正常工作。由于在每个SCS都配置了2台DELL的SC1430服务器即作为服务器也作为操作员站，所以我们把每一台操作站的网络也都设置成自动切换，一旦一条网络出现了问题，切换到另一条上去，这样就不会影响数据的实时监控，从而大大提高了操作的安全性。在其网络设置方面为了不发生冲突以及方便确认，将2服务器设为相同网段的IP地址，比如一个可以设为* .* .* .1，而另一个设为* .* .* .2。这些内容设置完以后，可以进行网络测试，即使用ping命令，来测试各条网线是否连通.如果没有问题，就可以进行下一步的设置。网络设置完毕以后还要对Honeywell PKS系统的station监控软件进行设置，以便于当一条网络出现问题以后，另一条网络可以自动的进行切换，而不至于使数据中断。

FTE的构成的冗余功能详见图3。

图3 FTE网络结构

在中控室采取了2台COM公司16口3C16470交换机，中控室本身的网络就能构成冗余，这样也就大大地降低了问题发生的机率。使得每一台服务器通过这两台网络交换机和服务器连起来，这样即使一台服务器的网络出现了问题，我们可以设置网络切换到另一条网络上去，这样就不会影响操作站的正常工作。同样的我们把每一台操作站的网络都设置成自动切换，一旦一条网络出现了问题，就自动地切换到另一条上去，这样就不会影响数据的实时监控，从而大大提高了操作的安全性。

首先在Station中的连接属性(Connect propriety－default)中，建立4条连接，即在Server中填入服务器的4条网络的名称。比如Server a0、Server a1、Server b0、Server b1，并分别起名为 A0、A1、B0、B1。保存后点击高级(advanced)，在出现的对话框中选中复选框(auxiliary setup file)，然后在浏览中找到路径c:Program FilesHoneywellExperion PKSClientStation分别找到刚才建立的A0、A1、B0、B1网络。在server a0时候选择A1，在Server a1时选择B0，在Server b0时选择B1，在Server b1时选择A0，这样建立的目的就是当服务器A的a0网络出现的问题无法正常连接的时候，网络自动的连接服务器A的a1网络，当a1网络还是无法连通的时候，就自动地连接B服务器的b0网络，当b0网络还是无法接通，那么系统自动连接B服务器的b1网络，这样循环连接，直到连通正常的网络，这样一来无论是哪个网络出现了问题，都可以自动地连接到正常的网络来保证系统的正常运行。

硬件方面安装完成后，要对软件系统进行安装，正常安装完软件以后，还要安装FTE组件，以及配置FTE网络，主要的就是针对TCP/IP协议进行配置，具体的步骤可以参考honeywell提供的FTE手册(FaultTolerantEthernetInstallation and Service Guide)。

要注意的是在FTE网络中两个网卡使用同一网段的地址，比如，服务器的两个IP地址可以设为* .* .* .1 和* .* .* .2。

2.2 OPC服务器的应用

PC服务器是SCADA系统与外界信息管理系统之间的衔接服务器，一方面SCADA将有关信息写入OPC服务器，外界其他系统通过OPC服务器调用生产信息，同时又避免了外界系统直接访问SCADA系统，提供了系统的安全性。OPC服务器的应用具有以下优点:①将PKS系统与外部用户相隔离，保证了系统安全性;②动态性能优化功能充分发挥了分布式系统结构(DSA)的性能，最大程度地减轻了目标过程控制网络的负荷;OPC服务器本身配置两块网卡。它本身也可以作为网关防止SCADA局域网和MIS局域网用户的互相访问。也就是说，MIS网上的用户只能访问OPC服务器，而不能访问任何SCADA服务器或操作站。OPC服务器与SCADA局域网之间不需要增加路由器。

2.3 数据库服务器应用

数据服务器作为SCADA系统的一部分，主要负责对各站场，阀室的过程控制系统的数据采集，同时通过安全仪表系统采集各站场，阀室的安全仪表系统的数据，对这些数据进行集中的存储，并根据服务器中的各种应用软件实现全气田的集中监控以及统筹调度管理要求。

3 第三方设备通讯的应用

PKS支持与广泛的第三方设备的通讯，并提供基于这些设备的数据采集和控制工能，实现数据共享。PKS控制系统与第三方设备之间的通讯以双绞线为传输通过TCP/IP连接方式实现与第三方设备的通讯，此种通讯方式以光缆为传输介质。如:RTU数据向上位PKS系统的上传。RTU通过光缆将数据传送至通信机柜，然后经交换机通过网络上传至SCADA系统PKS服务器，从而实现RTU与上位PKS服务器之间的通讯。

4 相关软件

①Quick Builder－Quick Builder，是组态 SCADA点用的，它让用户可以组态第三方的控制器PLC或RTU，以及相应的点，操作站和打印机。Quick Builder使用关系数据库引擎，提供如数据库用户显示的筛选。多点编辑工具，和直观的窗口风格的用户界面，极大地提高了组态效率。关系数据库还提供用户自定义的域，可以用来设置终止调度，记录接线编号等，同时还提供标准的报表。PKS数据库的添加和修改均可以在线进行。

②Display Buider－Display Buider是面向对象的，全集成化的用户画面组态工具，用于生成用户专用的显示图形画面。动态显示可以简单地通过鼠标点击组态迅速生成，系统还提供一个图形库含有如容器、管道、阀门罐、马达等通用的工厂设备，帮助用户进一步加快图形设计的速度。此外，对于一些多处用到的相似的画面，可以用模块画面的功能减少组态时间。提供的过程对象和调色板功能可以帮助用户快速简便地创建用户对象，并可以带有三维效果。通过使用脚本程序(VBScript和Jscript)和ActiveX组件，可以显著地增强图形画面功能。如高速动画、工具提示、控制操作站作用等可以通过脚本程序完成。另外提供大量的ActiveX的组件类型，如播放声音和视频图像等都可以插入在画面中被调用。HMIWeb Display Builder使得用户可以组态基于Web的操作员画面。

5 存在的不足

①硬件配置余量过少，一旦有硬件通道故障发生，将出现无可用通道接替的危险，为系统安全稳定运行留下了隐患。②组态控件模块集成化程度低，实现一个很小的功能均需要编写脚本，给组态带来较大的工作量，同时也为后期维护工作带来很大不便。③为更好的搞好系统管理、维护工作，使Experion PKS系统能够物尽其用，在技术和硬件上建议加大对控制系统的投入。