劉武，齊友，趙榕，趙軍，錢樹(shù)成

（中國(guó)石油塔里木油田公司天然氣事業(yè)部，新疆庫(kù)爾勒，841000）

0 引言

某大型油氣田單井天然氣產(chǎn)量大、井口壓力高，是西氣東輸?shù)拇笮椭髁庠吹?。為了?shí)現(xiàn)油氣田內(nèi)部井場(chǎng)裝置、處理廠、輸氣首站的平穩(wěn)操作和科學(xué)管理，該油氣田采用了一套監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱為“SCADA系統(tǒng)”），其中該系統(tǒng)的DCS系統(tǒng)使用了Honeywell公司的PKS系統(tǒng)[1]，系統(tǒng)由冗余服務(wù)器、操作站和4對(duì)冗余C200控制器構(gòu)成。但隨著 PKS 系統(tǒng)使用年限的增長(zhǎng)，系統(tǒng)上位系統(tǒng)（主要是服務(wù)器、操作站）進(jìn)入更新周期，性能下降，穩(wěn)定性降低，特別是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的更新和發(fā)展，新的計(jì)算機(jī)硬件、軟件平臺(tái)無(wú)法兼容現(xiàn)有PKS系統(tǒng)的軟件（如新計(jì)算機(jī)無(wú)法安裝 MS Windows2000 操作系統(tǒng)），且無(wú)法購(gòu)買到可用的備品備件，一旦現(xiàn)PKS系統(tǒng)上位設(shè)備出現(xiàn)故障，將會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行造成不良影響。為了保證該氣田的安全平穩(wěn)運(yùn)行，對(duì)其DCS系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)與改造[2]。

1 系統(tǒng)存在問(wèn)題

自2004年DCS系統(tǒng)投入運(yùn)行以來(lái)，陸續(xù)發(fā)生過(guò)第二處理廠第 1、2 套裝置及公共單元 DCS系統(tǒng) IO LINK 通訊故障、處理廠DCS系統(tǒng)上位機(jī)無(wú)法監(jiān)控故障、DCS控制器不同步等故障，下面對(duì)發(fā)生的典型故障進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1.1 DCS系統(tǒng)IO LINK通訊故障

1.1.1 現(xiàn)象

在2011年2月1日在對(duì)某系統(tǒng)進(jìn)行巡檢中發(fā)現(xiàn)第1、2套DCS系統(tǒng)C200主控制器IO LINK-01模塊硬件通道B故障，在Station中查看IO LINK-01卡件處于報(bào)警狀態(tài)。

1.1.2 處理措施

通過(guò)Control Builder進(jìn)入IO LINK屬性頁(yè)面，在MAIN主頁(yè)面對(duì)COM通訊選項(xiàng)進(jìn)行RESET故障復(fù)位操作就可以解決故障；如在第一種操作無(wú)效的情況下可以采用手動(dòng)斷開(kāi)故障控制器組電源的方式將系統(tǒng)控制人工切換到從控制器組，從而通過(guò)控制器斷電重啟的方式對(duì)故障IO LINK進(jìn)行復(fù)位操作；如上述兩種操作均不能解決該IO LINK故障，則應(yīng)考慮更換檢查連接電纜及IO LINK模塊。

1.2 DCS系統(tǒng)上位機(jī)無(wú)法監(jiān)控

1.2.1 現(xiàn)象

2011年3月18日，主控室所有操作站的監(jiān)控畫面都無(wú)法進(jìn)行監(jiān)控，操作站速度緩慢，所有數(shù)據(jù)都顯示白框，無(wú)歷史曲線。維護(hù)人員立即檢查兩臺(tái)冗余服務(wù)器以及兩套DCS控制器的運(yùn)行情況，檢查發(fā)現(xiàn)在DCS控制組態(tài)監(jiān)控環(huán)境下，C200控制器運(yùn)行正常，但是控制回路狀態(tài)下所有卡件的運(yùn)行狀態(tài)顯示為故障。

1.2.2 處理措施

對(duì)2臺(tái)冗余服務(wù)器按照先從后主的順利進(jìn)行重啟、切換操作后，DCS系統(tǒng)監(jiān)控恢復(fù)正常。

1.3 處理廠2#DCS控制器運(yùn)行不同步

1.3.1 現(xiàn)象

2011年10月8日，維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)2#DCS控制柜內(nèi)主備控制器不同步，隨即維護(hù)人員對(duì)其在Control Builder中對(duì)RM模塊屬性進(jìn)行同步，在同步過(guò)程中進(jìn)行到第2步CPM同步時(shí)無(wú)法同步，以至于手動(dòng)同步無(wú)效。

1.3.2 處理措施

更換備用RM模塊，版本升級(jí)到主RM模塊版本級(jí)別，并進(jìn)行手動(dòng)同步，但故障未消除；逐個(gè)更換備用機(jī)架上CPM、I/O LINK、FTEB、BATTERY模塊，升級(jí)版本，并作手動(dòng)同步，但故障未消除；在備用控制器斷電的情況下，更換主RM模塊，對(duì)主控制器進(jìn)行checkpoint備份，以防止后面主控制器斷電后數(shù)據(jù)丟失，影響生產(chǎn)，主控制機(jī)架斷電，逐個(gè)更換I/O LINK、FTEB、BATTERY,并進(jìn)行手動(dòng)同步，升級(jí)版本，但故障未消除；更換主CPM，升級(jí)版本，并對(duì)其進(jìn)行checkpoint恢復(fù)，上電后手動(dòng)同步，對(duì)已更換控制器進(jìn)行程序下裝；CEE(控制執(zhí)行環(huán)境)激活后故障消除[3]。

1.4 服務(wù)器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流負(fù)荷較大

1.4.1 現(xiàn)象

服務(wù)器的實(shí)時(shí)SCADA通訊負(fù)荷達(dá)到了77.3package/s，如圖1所示。

圖1 服務(wù)器通訊負(fù)荷統(tǒng)計(jì)顯示截圖

1.4.2 處理措施

對(duì)SCADA點(diǎn)地址進(jìn)行整合及整理，從而改善和優(yōu)化了服務(wù)器的性能[4]。

1.5 PKS系統(tǒng)補(bǔ)丁缺失

1.5.1 現(xiàn)象

PKS R201系統(tǒng)的相關(guān)補(bǔ)丁更新缺得較多，補(bǔ)丁更新不及時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致某些新卡件不能被該系統(tǒng)識(shí)別，如圖2所示。

圖2 PKS201補(bǔ)丁截圖

1.5.2 處理措施

按照Honeywell標(biāo)準(zhǔn)流程和相關(guān)文檔，輪流對(duì)兩臺(tái)服務(wù)器及所有操作站進(jìn)行補(bǔ)丁的更新，對(duì)控制層的硬件更新為最新的firmware[5]。

1.6 操作系統(tǒng)相關(guān)補(bǔ)丁未更新

1.6.1 現(xiàn)象

服務(wù)器的Windows操作系統(tǒng)的安全補(bǔ)丁和SQL軟件的關(guān)鍵補(bǔ)丁沒(méi)有更新，造成了病毒防護(hù)失敗，且導(dǎo)致系統(tǒng)高CPU占用率。

1.6.2 處理措施

更新Windows安全補(bǔ)丁和SQL關(guān)鍵補(bǔ)丁MS09-004。

1.7 服務(wù)器與控制器的通訊丟失

1.7.1 故障現(xiàn)象

2012年3月18日，發(fā)生了服務(wù)器與控制器的通訊丟失的情況，如圖3所示。此次通訊故障是由多方面原因造成的，主要表現(xiàn)為主服務(wù)器Server B在事故期間過(guò)于繁忙而無(wú)法對(duì)某些進(jìn)程請(qǐng)求做出及時(shí)、有效的響應(yīng)。

圖3 通訊故障截圖

1.7.2 處理措施

通過(guò)切換服務(wù)器使得ServerA承擔(dān)起主服務(wù)器的功效，所有的通訊隨即恢復(fù)正常。

2 解決措施及方案比選

通過(guò)以往運(yùn)行情況來(lái)看，該系統(tǒng)的優(yōu)化與改造迫在眉睫。在初期，本系統(tǒng)改造共分為2 個(gè)技術(shù)方案進(jìn)行：

方案一：系統(tǒng)升級(jí)時(shí)使用原有控制系統(tǒng)廠家的產(chǎn)品（Honeywell 公司），即更換原有控制柜內(nèi)A 系列卡件為C系列卡件，更換原有C200 控制器為C300控制器，更新操作站、工程師站、服務(wù)器、更新相關(guān)軟件等，接線端子重新分配，接線端子及系統(tǒng)組態(tài)保持不變。

方案二：系統(tǒng)升級(jí)時(shí)使用其他控制廠家產(chǎn)品（如：SIEMENS公司）。需更換各處理廠控制機(jī)柜內(nèi)I/O 卡件、控制器、電源模塊、通信模塊等，接線端子重新接線，控制系統(tǒng)重新組態(tài)，更新操作站、工程師站、服務(wù)器。方案一與方案二技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比，如表1所示。

基于以上對(duì)系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，本次改造采用了方案一，即采用原有控制系統(tǒng)廠家產(chǎn)品（Honeywell 公司）。即對(duì)該油氣田DCS系統(tǒng)的C200 控制器升級(jí)改造為C300控制器、控制機(jī)柜進(jìn)行更換、A系列板卡更換為C系列以及PKS 系統(tǒng)升級(jí)為R400 并增加防病毒服務(wù)器。

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比表

3 優(yōu)化及改造措施

3.1 控制機(jī)柜更新

將現(xiàn)有C200 控制器下對(duì)應(yīng)有A 系列I/O 卡件升級(jí)為C300 控制器對(duì)應(yīng)的C系列I/O 卡件。原系統(tǒng)3面IOMC 機(jī)柜將被取消，替換為五面（800cm*800cm*2100cm）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜，其中兩面為控制器及C 系列I/O機(jī)柜，三面為繼電器、脈沖變送器、端子機(jī)柜, 控制器組態(tài)將由C200轉(zhuǎn)換到C300 控制器環(huán)境中來(lái)。

3.2 系統(tǒng)軟件升級(jí)

將目前的PKS 系統(tǒng)軟件升級(jí)到最新PKS軟件版本R400，升級(jí)后系統(tǒng)軟件授權(quán)將和原系統(tǒng)授權(quán)保持一致，使新版本軟件和原有系統(tǒng)用戶組態(tài)軟件、控制器及I/O硬件具有兼容性[6]。

3.3 服務(wù)器和操作站主機(jī)設(shè)備更新

對(duì)2臺(tái)服務(wù)器，6臺(tái)操作站，2臺(tái)工程師站設(shè)備進(jìn)行更新。其中服務(wù)器更新為認(rèn)證的Dell 最新機(jī)型R710。

3.4 控制器升級(jí)

將原有的冗余C200控制器全部更換為冗余的C300控制器，C300控制器比C200控制器有更強(qiáng)大的運(yùn)算能力，完全兼容C200控制器IO卡。

3.5 增加防病毒系統(tǒng)

增加1臺(tái)專用的防病毒服務(wù)器R710，并帶1套Honeywell公司認(rèn)證的防病毒軟件Mcafee。

4 效果評(píng)價(jià)

4.1 可靠性

本次升級(jí)改造中，將原有的冗余C200控制器全部更換為冗余的C300控制器，C300控制器硬件擺脫了傳統(tǒng)的局限，提高了控制品質(zhì)，便于安裝維護(hù)和節(jié)省空間，C300控制器采用了垂直設(shè)計(jì)與垂直安裝，更有利于控制器的散熱與現(xiàn)場(chǎng)接線方便，便于維護(hù)。

4.2 安全性

由于C300的安裝結(jié)構(gòu)與C200不同，體積小、安裝簡(jiǎn)便，只需將原C200 控制器機(jī)架拆除，在相同位置安裝C300控制器即可，新的C300 控制器仍采用原PM 冗余電源供電。在測(cè)試中可以看到3臺(tái)冗余C300控制器的空閑百分比均在70%以上，內(nèi)存達(dá)到14852KB，IO LINK的空閑帶寬在51%以上，可靠性比C200提高30%以上。C300直接由控制器實(shí)現(xiàn)主備同步，自升級(jí)8個(gè)月以來(lái)控制器不同步故障的發(fā)生次數(shù)0次，第三方通訊中斷時(shí)間目前發(fā)生次數(shù)0次。

4.3 穩(wěn)定性

升級(jí)后通過(guò)查看該油氣田C300控制器、服務(wù)器、操作站、交換機(jī)等巡檢工作的記錄及密切監(jiān)控C300控制器運(yùn)行狀態(tài)、服務(wù)器、操作站CPU及內(nèi)存使用率，可以看出DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制功能正常；C300控制器運(yùn)行正常，自動(dòng)切換、同步狀態(tài)指示燈顯示正常；服務(wù)器、操作站各項(xiàng)服務(wù)運(yùn)行正常，服務(wù)器同步正常，打開(kāi)組態(tài)軟件CB、QB及流程圖畫面時(shí)均運(yùn)行正常，通過(guò)監(jiān)控運(yùn)行，升級(jí)后DCS系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)束語(yǔ)

在本次升級(jí)改造中，升級(jí)改造設(shè)備的到貨驗(yàn)收、原系統(tǒng)文件備份、新系統(tǒng)軟件的安裝、應(yīng)用組態(tài)軟件的轉(zhuǎn)換等工作在裝置計(jì)劃停產(chǎn)檢修前實(shí)施完成，從而盡可能縮短了DCS系統(tǒng)離線時(shí)間，為后續(xù)工作的開(kāi)展節(jié)省了大量的時(shí)間。DCS系統(tǒng)升級(jí)改造后C300控制器、服務(wù)器及操作站等各項(xiàng)性能運(yùn)行正常，系統(tǒng)無(wú)異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)各項(xiàng)監(jiān)控功能完好，滿足現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)所需的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控等要求，優(yōu)化與改造后的DCS系統(tǒng)整體達(dá)到了預(yù)期效果，同時(shí)也為C200控制器等大型DCS控制系統(tǒng)升級(jí)改造探索出了一條新路?！?/p>

[1] 周靜,楊艷,蔣吉強(qiáng)等.DCS系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)回顧與展望[J].石油與天然氣化工,2010(增刊):62-65.

[2] 霍尼韋爾（中國(guó)）自動(dòng)化學(xué)院,Experion PKS系統(tǒng)中文參考手冊(cè)[K].第4版,2012.

[3] 高進(jìn),鄭民,袁樹(shù)海,等.DCS/ESD在天然氣凈化廠的設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].石油與天然氣化工,2011,40(5):539-542.

[4] 陳子華.提高控制系統(tǒng)可靠性的方法探析[J].石油化工自動(dòng)化,2008,44(1):23-26.

[5] 朱凌云.霍尼韋爾Experion PKS系統(tǒng)在硝酸裝置中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2008,29(12):44-48.

[6] 林德杰.過(guò)程控制儀表及控制系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.