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

1 系統(tǒng)組成

位于達州市宣漢縣普光氣田的SCADA自控系統(tǒng)主要包括過程控制系統(tǒng)，安全儀表系統(tǒng)，中心數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)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(shù)據(jù)，完成對普光氣田重要生產參數(shù)實時監(jiān)控、火氣儀表報警及連鎖關斷，同時建立統(tǒng)一的生產管理數(shù)據(jù)庫，并對數(shù)據(jù)進行存儲，處理，顯示及報警。

PKS系統(tǒng)結構圖詳見圖1。

1.1 DSA 技術

圖1 普光氣田PKS系統(tǒng)結構圖

DSA，即分布式服務器結構，普光氣田SCADA系統(tǒng)配置了DSA軟件，在中控室的SCADA系統(tǒng)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(qū)域的操作和控制提供靈活性。因此，在不影響系統(tǒng)整體數(shù)據(jù)信息交流的情況下，由于DSA技術具有無須重復建立數(shù)據(jù)庫的優(yōu)點，大大減低了SCADA數(shù)據(jù)庫點的數(shù)量，降低了成本，同時也大大減少了工程組態(tài)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(tǒng)，降低風險，當單個場站發(fā)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(shù)據(jù)處理，一旦單個站場數(shù)據(jù)丟失、中心控制室就無法還原其歷史數(shù)據(jù)，另外，數(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)的互聯(lián)，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(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)庫相互交換數(shù)據(jù)信息:全局的實時數(shù)據(jù)、趨勢、報警、系統(tǒng)信息。服務器采用冗余結構。

1.3 控制器

在每個站控系統(tǒng)(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(jiān)控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來實現(xiàn)對整個場站的自動化監(jiān)視、及管理，使該系統(tǒng)具有了強大的通訊、數(shù)據(jù)處理、傳輸能力，實現(xiàn)了站控系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)配置靈活，可配置大、中、小型控制系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)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(tài)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(fā)功能，具有完善的系統(tǒng)管理維護和監(jiān)控功能，并采用ACTIVEX編程語言，使用ODBC進行SQL數(shù)據(jù)交換。因為操作站與現(xiàn)場控制站的控制器并沒有直接相連，它們之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫，以完成對整個生產過程的監(jiān)控。第二層控制網絡稱為監(jiān)控網，該層網絡的主要節(jié)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(xù)調節(jié)、批處理、邏輯控制、順序控制、聯(lián)鎖等綜合控制功能。監(jiān)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(xié)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(shù)據(jù)交換。第三層控制網絡稱為I/O控制網，該層的主要節(jié)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(tǒng)的運行造成任何影響。

1.5 系統(tǒng)功能

1.5.1 混合控制

可以完成數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫

軟件生成的集成數(shù)據(jù)庫一次完成控制器及服務器的數(shù)據(jù)庫，不需要重復進行組態(tài)。

1.5.2.1 數(shù)據(jù)庫功能

服務器是所有系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲倉庫，每站控系統(tǒng)(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(tǒng)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(shù)據(jù)采集和處理

PKS服務器從下位RTU控制器讀取現(xiàn)場運行參數(shù)實時數(shù)據(jù)，并以數(shù)字或者狀態(tài)的形式在流程界面上顯示，數(shù)據(jù)以設定的采樣頻率進行刷新。同時，將采集到的數(shù)據(jù)按照相應的控制策略進行處理;從而實現(xiàn)對現(xiàn)場設備運行的實時監(jiān)控。采集的數(shù)據(jù)可分為模擬量和數(shù)字量兩種，數(shù)字量即在時間上和數(shù)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(tài)等;模擬量即在時間上或數(shù)值上都是連續(xù)的物理量，如:壓力、溫度。數(shù)據(jù)處理控制策略即我們通常所說的控制回路，SCADA系統(tǒng)中應用的控制回路有:過程控制、聯(lián)鎖控制和串級控制三種，過程控制用于正常的生產過程監(jiān)控，被控對象動作后，恢復原狀態(tài)無需人為操作;聯(lián)鎖控制用于緊急情況，被控對象動作后，恢復原狀態(tài)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(shù)據(jù)記錄和趨勢圖

歷史數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)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(tǒng)默認歸檔位置，歷史數(shù)據(jù)保存時間與存儲數(shù)據(jù)的硬盤空間和歷史數(shù)據(jù)采樣頻率有關，當磁盤空間不足時，最早的歷史數(shù)據(jù)自動溢出;當采用手動方式歸檔時，歸檔的數(shù)據(jù)可以存儲在本地硬盤、光盤、磁盤等介質中。歷史數(shù)據(jù)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(fā)生時，系統(tǒng)以聲音和閃爍顯示兩種方式提醒操作員。報警根據(jù)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(yōu)先級越高。當多個級別的報警同時發(fā)生時，報警優(yōu)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(tǒng)發(fā)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(shù)據(jù)訪問的報表軟件，使用Microsoft Excel Data Exchange Wizard工具，編寫適當?shù)哪_本，Microsoft EXCEL即可從PKS數(shù)據(jù)庫讀取相應的數(shù)據(jù)(包括PKS實時數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù))，滿足操作員各類報表需求。EXCEL報表所讀取的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(tài)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(tǒng)、氮氣系統(tǒng)等裝置區(qū)工藝參數(shù)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(jù)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(zhí)行實時過程控制數(shù)據(jù)的交換。同時通過ETHERNET網卡來進行其他網絡數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫基本軟件包、冗余數(shù)據(jù)庫軟件、用戶操作站軟件許可證、開放數(shù)據(jù)庫訪問軟件、3000多個數(shù)據(jù)點。

冗余數(shù)據(jù)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(fā)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(tǒng)安全運行。

現(xiàn)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(fā)生的機率。這樣即使一臺服務器的網絡出現(xiàn)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(xiàn)了問題，切換到另一條上去，這樣就不會影響數(shù)據(jù)的實時監(jiān)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(fā)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(tǒng)的station監(jiān)控軟件進行設置，以便于當一條網絡出現(xiàn)問題以后，另一條網絡可以自動的進行切換，而不至于使數(shù)據(jù)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(fā)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(xiàn)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(xiàn)了問題，就自動地切換到另一條上去，這樣就不會影響數(shù)據(jù)的實時監(jiān)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(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)自動連接B服務器的b1網絡，這樣循環(huán)連接，直到連通正常的網絡，這樣一來無論是哪個網絡出現(xiàn)了問題，都可以自動地連接到正常的網絡來保證系統(tǒng)的正常運行。

硬件方面安裝完成后，要對軟件系統(tǒng)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(xié)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(tǒng)與外界信息管理系統(tǒng)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(tǒng)通過OPC服務器調用生產信息，同時又避免了外界系統(tǒng)直接訪問SCADA系統(tǒng)，提供了系統(tǒng)的安全性。OPC服務器的應用具有以下優(yōu)點:①將PKS系統(tǒng)與外部用戶相隔離，保證了系統(tǒng)安全性;②動態(tài)性能優(yōu)化功能充分發(fā)揮了分布式系統(tǒng)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(shù)據(jù)庫服務器應用

數(shù)據(jù)服務器作為SCADA系統(tǒng)的一部分，主要負責對各站場，閥室的過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，同時通過安全儀表系統(tǒng)采集各站場，閥室的安全儀表系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行集中的存儲，并根據(jù)服務器中的各種應用軟件實現(xiàn)全氣田的集中監(jiān)控以及統(tǒng)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(shù)據(jù)采集和控制工能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。PKS控制系統(tǒng)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(xiàn)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(shù)據(jù)向上位PKS系統(tǒng)的上傳。RTU通過光纜將數(shù)據(jù)傳送至通信機柜，然后經交換機通過網絡上傳至SCADA系統(tǒng)PKS服務器，從而實現(xiàn)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(tài) SCADA點用的，它讓用戶可以組態(tài)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(shù)據(jù)庫引擎，提供如數(shù)據(jù)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(tài)效率。關系數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(tài)工具，用于生成用戶專用的顯示圖形畫面。動態(tài)顯示可以簡單地通過鼠標點擊組態(tài)迅速生成，系統(tǒng)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(tài)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(chuàng)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(tài)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(fā)生，將出現(xiàn)無可用通道接替的危險，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行留下了隱患。②組態(tài)控件模塊集成化程度低，實現(xiàn)一個很小的功能均需要編寫腳本，給組態(tài)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(tǒng)管理、維護工作，使Experion PKS系統(tǒng)能夠物盡其用，在技術和硬件上建議加大對控制系統(tǒng)的投入。