霍尼韦尔公司的EPKS系统在天然气田自动控制中的应用

毛珩人

（霍尼韦尔（中国）高科技有限公司，重庆400000）

霍尼韦尔公司的EPKS系统在天然气田自动控制中的应用

毛珩人

（霍尼韦尔（中国）高科技有限公司，重庆400000）

Experion PKS过程知识系统(EPKS系统)是一体化综合控制系统，它由高性能控制器、先进工程组态工具、开放的控制网络构成，成为世界上第四代DCS(Distributed Control System)系统的代表。介绍新疆塔里木某天然气油田拟采用的EPKS系统的规划和设计。

天然气；EPKS；DCS；SCADA；霍尼韦尔；Honeywell

1 DCS系统的发展和EPKS系统的功能特点

20世纪50年代，SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统进入工厂生产线，计算机开始逐步应用于工业控制流程，其早期主要用于监视生产数据。1975年霍尼韦尔公司在世界范围内首先推出了以微处理器为基础的分散控制系统-TDC2000(Total Distributed Control 2000)，第一代DCS系统由此问世，该系统仅仅包括简单的分散过程控制装置，操作管理装置和数据通信系统。经过了30多年的发展，目前的DCS系统已进入第四代集散控制系统，该系统除了基本上实现全厂工艺流程实时控制外，还有SCADA监控和MES的绝大部分功能，并且可以提供开放的接口保持第三方的ERP、CRM、SCM等功能的集成。以霍尼韦尔公司推出的EPKS系统为例，第四代集散控制系统可实现以下几个功能：

（1）SCADA功能。SCADA功能包括通过各种通信协议实现数据采集，对各种实时和历史的数据进行存储、分类、查询、综合分析和显示；以及各种相关数据的报表的生成与打印；各种报警信息的记录,分类显示，确认和操作处理指导；各种事故的记录，分析，以及专家诊断信息；系统能够提供各种方式的信息显示和传送，如屏幕显示，远程浏览显示，无线终端显示等。在霍尼韦尔的EPKS系统中，丰富的SCADA功能集成在集散控制系统平台中。例如客户HMI功能，冗余串行通信，报警与状态显示，运程控制监视，分布式的系统结构等。

（2）设备管理和智能维修功能。如霍尼韦尔的Asset Manager PKS系统将工厂设备管理功能与过程控制系统有机结合，自动地连续监测所有工厂设备和现场连接设备的状态，事件及运行状况，操作工程师通过这些信息可以有效决策并防止意外事件发生。该公司声称通过这种基于状态的维护可以有效提高装置的可靠性，并可以使仪表与控制设备维护费用减少30%以上。

（3）统计分析和质量管理功能。第四代集散控制系统提供了方便的统计功能软件。EPKS软件自带很多统计分析和质量管理的插件，如实现EXCEL报表功能插件。通过安装该插件，EXCEL中的数据库与EPKS数据无缝链接，所有从生产一线上传的数据都可以在EXCEL中显示或者统计分析，反之，工程师也可以通过EXCEL输入数据，把数据传到EPKS中，达到各种控制要求。

（4）批处理和配方管理功能。第四代集散控制系统把批处理（Batch）和配方管理（Recipe）纳入系统中。EPKS集成了全球最先进的批处理及配方管理功能，普通工程师可以利用可视化的高级语言进行编程，操作工也可以很容易地通过普通WINDOWS界面进行批处理或者配方管理的操作，该项功能已经广泛应用于精细化工，变压吸附，油品存储等行业。

（5）其他MES功能。第四代集散控制系统在信息化方面进一步集成了MES（Manufacturing Execution System）的大部分功能,都支持开放的数据库接口和多种流行标准网络接口。EPKS主要提供OPC数据接口与MES进行通信，MES主要连接的是办公网络，EPKS主要连接的是生产网络，为了生产网络防病毒需要，在MES和EPKS之间必须设置一个路由器和防火墙。

2 霍尼韦尔公司为新疆塔里木某天然气田提供的整体系统解决方案

新疆塔里木某天然气田拟建一个以气田开发、生产操作、调度控制为中心的气田监控与数据采集（SCADA-Supervisory Control And Data Acquisition)系统,该系统要求利用计算机及通信网络技术对气田生产运行和输配油/气进行集中监视控制和调度管理，其中包括单井站、集气站、远控阀室、水源站、生活公寓等采用远程终端装置（RTU—Remote terminal unit），在油气处理厂采用集散控制系统（DCS—Distributed Control System）以及紧急停车系统（ESD）进行控制。建成的SCADA+DCS系统能实现以提高整体效益为中心的工作流程调度和安全生产管理。

霍尼韦尔(Honeywell)公司为该SCADA＋DCS提供的以EPKS系统为核心的整体解决方案规划如下：

（1）EPKS系统服务器、操作站和工程师站用于油气处理厂DCS系统调度制中心SCADA系统。

（2）工业级的交换机，路由器，双绞线，光端盒，光纤等网络设备，用于连接该系统的工控网络。

（3）霍尼韦尔的C200控制器，相关IO卡件以及控制柜用于油气处理厂DCS系统。

（4）霍尼韦尔的故障安全控制器Safety Manager，相关IO卡件以及控制柜用于油气处理厂的紧急关断和安全控制ESD,Safety Manager的大部分数据会通过SCADA系统进行监控，可以算作是SCADA系统的一部分。

（5）Bristol Babcock′s ControlWave混合控制器用于集气站、计量清管站和水源站、公寓的控制。

3 EPKS系统设计

（1）PKS是该系统的核心，是基于开放且功能强大的Microsoft公司的Windows 2003服务器/客户系统。它由高性能的控制器、先进的工程组态工具、开放的控制网络等构成了先进的体系结构。PKS提供的最新技术包括：

①基于Microsoft公司Windows 2003操作系统的服务器，利用高速动态缓存区采集实时数据，提供报警、显示操作、历史数据采集、报表报告等服务功能。

②霍尼韦尔HMIWeb技术基于开放的工业标准的html文件格式和Web浏览器的访问界面，为用户提供一个安全的先进的人机界面。

③紧凑型的混合控制器，提供真正的一体化控制。

④面向对象的组态工具，快速简便地生成可重用的控制策略。

⑤安全的Internet浏览器访问界面的在线技术文本和技术支持。

（2）网络冗余：容错以太网解决方案。霍尼韦尔针对该项目专门配置了2003年最新推出的专利技术－冗余容错以太网FTE（Fault Tolerant Ethernet），FTE用于Experion PKS的系统服务器、DCS、ESD和操作员站之间的连接，提供了可靠的高达100Mbps高速以太网络。容错以太网FTE采用的是单一网络结构，因此切换的速度很快，约1 s。这是因为在切换时由于服务器和操作员站不需要重新连接网络。由于容错以太网FTE提供节点之间更多的网络通讯路径，所以容错以太网FTE可以承受更多的故障，包括所有单个故障和多个多重故障。

（3）PKS服务器。针对本项目，霍尼韦尔在油气处理厂DCS控制中心CCR配置一对冗余的DELL Power Edge 2950 server作为服务器。

霍尼韦尔为本项目提供的服务器上所配置软件包括：PKS数据库基本软件包、冗余数据库软件、4用户操作站软件许可证、4用户多窗口画面显示软件、AGA流量计算软件、开放数据库访问软件。该服务器软件最大能支持DCS过程控制点20 000点和SCADA点总计为65 000点。即能保证过程控制和监控的稳定可靠运行，同时具有超强的系统扩展能力。

EPKS服务器是所有系统数据的存储仓库，它完成以下的核心系统功能：

①数据的采集和处理。生产数据的采集通过上述的Quick Builder Control Builder组态完成。数据处理则通过EPKS服务器内部的数据库软件完成。

②报警和事件管理。EPKS服务器提供综合的报警和事件的检测、管理及报告功能，迅速诊断问题的所在，在紧急情况发生时使操作员关注所感兴趣的数据。Honeywell的报警和事件管理包括控制器报警,多个报警级别,标准的对于报警、事件及消息的通知画面,在每个画面上都存在最新的报警区,高级报警管理。

③历史数据采集。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。大量的历史数据采集可在线保存，采用自动归档功能可无限地保存所有的历史数据。缺省的历史数据采集间隔为:1s瞬时值,1min瞬时值,1h瞬时值,8h瞬时值,24h瞬时值,6min平均值,1h平均值,8h平均值,24h平均值。

每个点可以自由定义历史数据采集间隔时间，并且时间也可以自由定义，比如2min或30min。历史数据可以用于趋势显示、用户流程画面、报表、应用程序、电子表格EXCEL或ODBC兼容的数据库。归档的数据可以存储在本地硬盘、光盘、磁带、ZIP/ JAZ驱动器中。

④趋势图的组态。趋势图的组态可以在线通过标准组态画面来简单实现，不需要另外组态特殊的画面。实时数据和历史数据可以在同一个趋势图上显示。如果翻动卷滚条、或输入时间和日期，操作员能够自动浏览到已经归档的任何时间的历史数据。PKS服务器还支持复制/粘贴功能，用户可以把趋势数据复制到其他应用如Microsoft Excel中。

⑤一体化报告。系统提供许多内置的报表功能，系统标准报表包括：

报警/事件日志报表报告在指定时间周期内的所有报警和事件。通过使用过滤器，这类报表可以提供操作员或点跟踪报表功能。

报警持续时间报表报告在指定时间周期内指定的报警点在返回到正常前的报警持续时间。

集成的EXCEL报表，类似其他标准报表的生成方式，用户可以通过微软的EXCEL电子表格生成报表。采用开放式数据访问ODA（Open DataAccess）的软件，Microsoft EXCEL可以读取PKS数据库的数据。

自由格式报表，灵活多样的报表格式生成，并包括算术计算和统计功能，如最大值/最小值和标准偏差计算等功能。

点属性报表，报告显示控制点当前的特殊属性，如中断扫描、坏值和禁止报警等。

点交叉参考报表，提供指定点的数据库参考，便于在数据库点作废或重新命名后的系统维护。

ODBC数据交换报表。批量处理报表,报表可以定时输出、或通过事件触发来输出、或根据请求来输出，输出的方式可以在线组态。报表输出可以直接送到屏幕、打印机、文件或其他计算机，用来对数据进行分析。

⑥安全机制。PKS服务器通过高级的安全机制和操作员的操作方式支持多个用户和用户类型，保证操作员得到信息来完成对过程的操作。标准安全机制是缺省的安全机制，用于操作站的访问。这种安全机制不需要用户名和口令来登录系统。但如果要完成组态和管理任务时，需要输入口令变为更高级别。操作员登录安全机制用于更高的系统安全要求（如切换到其他服务器）。它包括6种安全级，分别是LVL1、LVL2、OPER、ENGR、SUPR和MNGR（级别从低到高）。操作员登录安全机制用于限制对数据库点的控制及区域的控制，每个操作员都分配一个用户名和口令，只有正确地输入用户名和口令才能登录到某个操作站，并且在休眠一定时间间隔以后自动退出。

⑦脚本语言。EPKS系统可保证在整个监控系统全面地使用VBScript脚本语言。用户生成的脚本程序能在画面被调出时运行，或依附在服务器的特定对象上运行，如点参数、报警事件、完成报表打印和其他事件等。用户能编写基于事件触发的脚本程序，以此来扩展用户流程画面的功能。

⑧多操作站支持。每个PKS服务器最多支持40个操作站，这些操作站可以是固定式的和抢占式的两种。抢占式操作站用于偶然访问的用户，是一种经济的方案，它的原则是“谁先登录、谁先使用”。如果一个抢占式操作站使用后，服务器自动锁定其他用户不让登录，只有它退出以后其他用户才能登录。如果购买了10个操作站许可证，最多同时可以有10个用户登录。

⑨冗余。为了尽量提供鲁棒（Robust）的解决方案，必须在系统的各个层次上实现冗余。如果主设备发生故障，冗余系统自动从主设备切换到从设备。霍尼韦尔的EPKS系统能提供最完全的冗余保护，在系统的各个层次都实现冗余（包括服务器、通讯和控制）,它在线同步数据库并实现真正的热切换。这和基于PC的系统冗余有严格的区别，它们一般提供两台独立运行的服务器，数据库也没有同步。服务器冗余还支持暂时移除服务器做系统维护。当服务器重新在线运行时，数据库被再一次同步。

（4）PKS操作站

油气处理厂DCS控制中心CCR配置DELL的WS490工作站作为操作员站，它们都带双屏显示，并且每个操作员站都可以兼做工程师站。该操作站经过了霍尼韦尔公司与DELL公司的联合测试。4用户操作站软件许可证用于4台操作站上的人机界面显示，多窗口画面显示软件用于双屏显示，它最多支持4幅流程画面的显示。在实用中操作员可以在双屏上显示2个不同的工艺流程画面，甚至可以在双屏上显示4个不同的工艺流程画面；每个屏幕上显示2个不同的工艺流程画面。

（5）C200控制器

PKS控制器C200集成了30多年的控制器开发和技术。集鲁棒性、灵活性和通用性于一身，其开放的结构使得集成其他Honeywell控制器、Fail Safe Controller、第三方控制系统变得非常简单。PKS控制器的特点包括：

①各种稳态和动态功能块用于一体化的过程控制和离散控制；

②功能强大和高速的离散量输入和逻辑；

③顺序控制模块Sequence Control Module (SCM)的自动启停；

④趋势、报警、面板和控制图的可视化；

⑤冗余和非冗余两种选项；

⑥50msec和5msec两种控制执行环境；

⑦控制器通过背板与卡件的通信速率高达5M；

⑧本安I/O卡件用于危险区域；

⑨FOUNDATION Fieldbus、HART和Profibus设备集成。

（6）SM系统

SM即霍尼韦尔的故障安全控制器SafetyManager用于油气处理厂的紧急关断和安全控制ESD。Honeywell的SM系统是一个高度可靠和高度集成的安全系统。SM系统是一种用户可编程的、模块化的、基于微处理器的安全系统，可以满足众多领域对高度集成化过程安全控制功能的需要，包括：

①过程安全保护和紧急停车；

②火焰／气体监测系统；

③高度集成过程控制；

④燃烧／锅炉管理系统；

⑤透平／压缩机安全联锁保护。

（7）SCADA系统与第三方串行控制器的连接

HONEYWELL与串行控制器接口解决方案是采用Terminal Server,Terminal Server是一种将多个串口转换成以太网的设备，服务器直接通过TerminalServer采集第三方串行控制器中的数据，采用Modbus TCP或其他以太网的通讯协议，完全不必要通过过程控制器作为一个“中转站”，减少了可能潜在的故障点。一般采用串行通讯卡的通讯速度仅为9.6kbps，最高达到19.2Bbps；而使用Terminal Server采用以太网的通讯协议，每一路串口的通讯速度均可以达到230.4kbps，在气体处理中心霍尼韦尔配置了MOXA的16口TerminalServer。

（8）集气站RTU

Honeywell公司为本项目提供的产品包括7套冗余的Controlwave，冗余的Controlwave系统用于气田DN1集气站、DN2-1计量清管站、DN2-2计量站、DN2-3清管站、水源站及公寓，还有1套用于控制中心作为主RTU与井口通讯。Controlwave系列控制器经过了霍尼韦尔公司与Bristol Babcock公司的联合测试。在每个集气站、（计量）清管站和水源站的站场都配置了Bristol Babcock的冗余Controlwave控制器用于站场的过程控制器。Controlwave不仅作为过程控制器使用，同时它还起到通讯处理器的作用。它一方面通过与井口RTU组成局域网，实现本集气站对所属井口的集中监控；同时它又通过与控制中心组成广域网，控制中心不仅能实现对集气站的远程监控，还能透过集气站冗余的Controlwave控制器实现对所管辖单井的集中监控。

4 系统使用效果

该天然气田位于中国新疆维吾尔自治区阿克苏地区库车县境，本地区气候恶劣，干旱、寒潮、大风、暴风雪、暴雨、山洪、霜冻、冰雹、沙尘暴、浓雾等，而以暴雨、山洪、大风等危害较大。采用Honeywell公司的SCADA+DCS整体控制解决方案后，生产人员到气候恶劣的现场巡检所用时间大大缩短，大部分时间，生产人员只需要在中央控制室里面操作和监控天然气田的生产数据。同时该气田需要在岗生产人员数量大大降低，劳动成本也大大降低。该套SCADA系统于2009年正式投产后，至今工作稳定，无任何影响生产的事故发生。

Automatic Control Application of EPKSSystem in Gasfield of Honeywell Com pany

MAO Hengren
(Honeywell(China)Hi-tec Ltd.,Chongqing 400000)

Experion PKS know ledge system(EPK System)is an integrated comprehensive controlled system.It consists of high-function controller,advanced engineering configuration tool and open controlled network,so it′s the representative of the 4th generation of DCSsystem.Thispaper introduces the plan and design of EPKSsystem in a gasfield of Tarim,Xinjiang.

gas；EPKS；DCS；SCADA；Honeywell

TP273

A

1673-1980（2012）03-0153-04

2012-03-10

毛珩人（1981-），男，重庆人，工程师，研究方向为自动控制。