某大型油氣田DCS系統(tǒng)升級改造的探索與實踐

劉武，齊友，趙榕，趙軍，錢樹成

（中國石油塔里木油田公司天然氣事業(yè)部，新疆庫爾勒，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?。為了實現(xiàn)油氣田內(nèi)部井場裝置、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對冗余C200控制器構(gòu)成。但隨著 PKS 系統(tǒng)使用年限的增長，系統(tǒng)上位系統(tǒng)（主要是服務(wù)器、操作站）進入更新周期，性能下降，穩(wěn)定性降低，特別是隨著計算機技術(shù)的更新和發(fā)展，新的計算機硬件、軟件平臺無法兼容現(xiàn)有PKS系統(tǒng)的軟件（如新計算機無法安裝 MS Windows2000 操作系統(tǒng)），且無法購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，將會對整個系統(tǒng)的安全平穩(wěn)運行造成不良影響。為了保證該氣田的安全平穩(wěn)運行，對其DCS系統(tǒng)進行升級與改造[2]。

1 系統(tǒng)存在問題

自2004年DCS系統(tǒng)投入運行以來，陸續(xù)發(fā)生過第二處理廠第 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)上位機無法監(jiān)控故障、DCS控制器不同步等故障，下面對發(fā)生的典型故障進行詳細(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日在對某系統(tǒng)進行巡檢中發(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卡件處于報警狀態(tài)。

1.1.2 處理措施

通過Control Builder進入IO LINK屬性頁面，在MAIN主頁面對COM通訊選項進行RESET故障復(fù)位操作就可以解決故障；如在第一種操作無效的情況下可以采用手動斷開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，從而通過控制器斷電重啟的方式對故障IO LINK進行復(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)上位機無法監(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)控畫面都無法進行監(jiān)控，操作站速度緩慢，所有數(shù)據(jù)都顯示白框，無歷史曲線。維護人員立即檢查兩臺冗余服務(wù)器以及兩套DCS控制器的運行情況，檢查發(fā)現(xiàn)在DCS控制組態(tài)監(jiān)控環(huán)境下，C200控制器運行正常，但是控制回路狀態(tài)下所有卡件的運行狀態(tài)顯示為故障。

1.2.2 處理措施

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

1.3 處理廠2#DCS控制器運行不同步

1.3.1 現(xiàn)象

2011年10月8日，維護人員發(fā)現(xiàn)2#DCS控制柜內(nèi)主備控制器不同步，隨即維護人員對其在Control Builder中對RM模塊屬性進行同步，在同步過程中進行到第2步CPM同步時無法同步，以至于手動同步無效。

1.3.2 處理措施

更換備用RM模塊，版本升級到主RM模塊版本級別，并進行手動同步，但故障未消除；逐個更換備用機架上CPM、I/O LINK、FTEB、BATTERY模塊，升級版本，并作手動同步，但故障未消除；在備用控制器斷電的情況下，更換主RM模塊，對主控制器進行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)，主控制機架斷電，逐個更換I/O LINK、FTEB、BATTERY,并進行手動同步，升級版本，但故障未消除；更換主CPM，升級版本，并對其進行checkpoint恢復(fù)，上電后手動同步，對已更換控制器進行程序下裝；CEE(控制執(zhí)行環(huán)境)激活后故障消除[3]。

1.4 服務(wù)器實時數(shù)據(jù)流負(fù)荷較大

1.4.1 現(xiàn)象

服務(wù)器的實時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)計顯示截圖

1.4.2 處理措施

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

1.5 PKS系統(tǒng)補丁缺失

1.5.1 現(xiàn)象

PKS R201系統(tǒng)的相關(guān)補丁更新缺得較多，補丁更新不及時可能會導(dǎo)致某些新卡件不能被該系統(tǒng)識別，如圖2所示。

圖2 PKS201補丁截圖

1.5.2 處理措施

按照Honeywell標(biāo)準(zhǔn)流程和相關(guān)文檔，輪流對兩臺服務(wù)器及所有操作站進行補丁的更新，對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)的安全補丁和SQL軟件的關(guān)鍵補丁沒有更新，造成了病毒防護失敗，且導(dǎo)致系統(tǒng)高CPU占用率。

1.6.2 處理措施

更新Windows安全補丁和SQL關(guān)鍵補丁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在事故期間過于繁忙而無法對某些進程請求做出及時、有效的響應(yīng)。

圖3 通訊故障截圖

1.7.2 處理措施

通過切換服務(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

通過以往運行情況來看，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 個技術(shù)方案進行：

方案一：系統(tǒng)升級時使用原有控制系統(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)升級時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)濟對比，如表1所示。

基于以上對系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟對比分析，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）。即對該油氣田DCS系統(tǒng)的C200 控制器升級改造為C300控制器、控制機柜進行更換、A系列板卡更換為C系列以及PKS 系統(tǒng)升級為R400 并增加防病毒服務(wù)器。

表1 技術(shù)經(jīng)濟對比表

3 優(yōu)化及改造措施

3.1 控制機柜更新

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

3.2 系統(tǒng)軟件升級

將目前的PKS 系統(tǒng)軟件升級到最新PKS軟件版本R400，升級后系統(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)器和操作站主機設(shè)備更新

對2臺服務(wù)器，6臺操作站，2臺工程師站設(shè)備進行更新。其中服務(wù)器更新為認(rèn)證的Dell 最新機型R710。

3.4 控制器升級

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控制器有更強大的運算能力，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 效果評價

4.1 可靠性

本次升級改造中，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)，便于安裝維護和節(jié)省空間，C300控制器采用了垂直設(shè)計與垂直安裝，更有利于控制器的散熱與現(xiàn)場接線方便，便于維護。

4.2 安全性

由于C300的安裝結(jié)構(gòu)與C200不同，體積小、安裝簡便，只需將原C200 控制器機架拆除，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。在測試中可以看到3臺冗余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直接由控制器實現(xiàn)主備同步，自升級8個月以來控制器不同步故障的發(fā)生次數(shù)0次，第三方通訊中斷時間目前發(fā)生次數(shù)0次。

4.3 穩(wěn)定性

升級后通過查看該油氣田C300控制器、服務(wù)器、操作站、交換機等巡檢工作的記錄及密切監(jiān)控C300控制器運行狀態(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控制器運行正常，自動切換、同步狀態(tài)指示燈顯示正常；服務(wù)器、操作站各項服務(wù)運行正常，服務(wù)器同步正常，打開組態(tài)軟件CB、QB及流程圖畫面時均運行正常，通過監(jiān)控運行，升級后DCS系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)束語

在本次升級改造中，升級改造設(shè)備的到貨驗收、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)換等工作在裝置計劃停產(chǎn)檢修前實施完成，從而盡可能縮短了DCS系統(tǒng)離線時間，為后續(xù)工作的開展節(jié)省了大量的時間。DCS系統(tǒng)升級改造后C300控制器、服務(wù)器及操作站等各項性能運行正常，系統(tǒng)無異?，F(xiàn)象，系統(tǒng)各項監(jiān)控功能完好，滿足現(xiàn)場安全生產(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，同時也為C200控制器等大型DCS控制系統(tǒng)升級改造探索出了一條新路?！?/p>

[1] 周靜,楊艷,蔣吉強等.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）自動化學(xué)院,Experion PKS系統(tǒng)中文參考手冊[K].第4版,2012.

[3] 高進,鄭民,袁樹海,等.DCS/ESD在天然氣凈化廠的設(shè)計優(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].自動化儀表,2008,29(12):44-48.

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