某大型油氣田DCS系統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部，新疆庫爾勒，841000）

0 引言

某大型油氣田單井天然氣產量大、井口壓力高，是西氣東輸的大型主力氣源地。為了實現油氣田內部井場裝置、處理廠、輸氣首站的平穩操作和科學管理，該油氣田采用了一套監控與數據采集系統（以下簡稱為“SCADA系統”），其中該系統的DCS系統使用了Honeywell公司的PKS系統[1]，系統由冗余服務器、操作站和4對冗余C200控制器構成。但隨著 PKS 系統使用年限的增長，系統上位系統（主要是服務器、操作站）進入更新周期，性能下降，穩定性降低，特別是隨著計算機技術的更新和發展，新的計算機硬件、軟件平臺無法兼容現有PKS系統的軟件（如新計算機無法安裝 MS Windows2000 操作系統），且無法購買到可用的備品備件，一旦現PKS系統上位設備出現故障，將會對整個系統的安全平穩運行造成不良影響。為了保證該氣田的安全平穩運行，對其DCS系統進行升級與改造[2]。

1 系統存在問題

自2004年DCS系統投入運行以來，陸續發生過第二處理廠第 1、2 套裝置及公共單元 DCS系統 IO LINK 通訊故障、處理廠DCS系統上位機無法監控故障、DCS控制器不同步等故障，下面對發生的典型故障進行詳細闡述。

1.1 DCS系統IO LINK通訊故障

1.1.1 現象

在2011年2月1日在對某系統進行巡檢中發現第1、2套DCS系統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。

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進行復位操作；如上述兩種操作均不能解決該IO LINK故障，則應考慮更換檢查連接電纜及IO LINK模塊。

1.2 DCS系統上位機無法監控

1.2.1 現象

2011年3月18日，主控室所有操作站的監控畫面都無法進行監控，操作站速度緩慢，所有數據都顯示白框，無歷史曲線。維護人員立即檢查兩臺冗余服務器以及兩套DCS控制器的運行情況，檢查發現在DCS控制組態監控環境下，C200控制器運行正常，但是控制回路狀態下所有卡件的運行狀態顯示為故障。

1.2.2 處理措施

對2臺冗余服務器按照先從后主的順利進行重啟、切換操作后，DCS系統監控恢復正常。

1.3 處理廠2#DCS控制器運行不同步

1.3.1 現象

2011年10月8日，維護人員發現2#DCS控制柜內主備控制器不同步，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據丟失，影響生產，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，上電后手動同步，對已更換控制器進行程序下裝；CEE(控制執行環境)激活后故障消除[3]。

1.4 服務器實時數據流負荷較大

1.4.1 現象

服務器的實時SCADA通訊負荷達到了77.3package/s，如圖1所示。

圖1 服務器通訊負荷統計顯示截圖

1.4.2 處理措施

對SCADA點地址進行整合及整理，從而改善和優化了服務器的性能[4]。

1.5 PKS系統補丁缺失

1.5.1 現象

PKS R201系統的相關補丁更新缺得較多，補丁更新不及時可能會導致某些新卡件不能被該系統識別，如圖2所示。

圖2 PKS201補丁截圖

1.5.2 處理措施

按照Honeywell標準流程和相關文檔，輪流對兩臺服務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 操作系統相關補丁未更新

1.6.1 現象

服務器的Windows操作系統的安全補丁和SQL軟件的關鍵補丁沒有更新，造成了病毒防護失敗，且導致系統高CPU占用率。

1.6.2 處理措施

更新Windows安全補丁和SQL關鍵補丁MS09-004。

1.7 服務器與控制器的通訊丟失

1.7.1 故障現象

2012年3月18日，發生了服務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，主要表現為主服務器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。

圖3 通訊故障截圖

1.7.2 處理措施

通過切換服務器使得ServerA承擔起主服務器的功效，所有的通訊隨即恢復正常。

2 解決措施及方案比選

通過以往運行情況來看，該系統的優化與改造迫在眉睫。在初期，本系統改造共分為2 個技術方案進行：

方案一：系統升級時使用原有控制系統廠家的產品（Honeywell 公司），即更換原有控制柜內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、服務器、更新相關軟件等，接線端子重新分配，接線端子及系統組態保持不變。

方案二：系統升級時使用其他控制廠家產品（如：SIEMENS公司）。需更換各處理廠控制機柜內I/O 卡件、控制器、電源模塊、通信模塊等，接線端子重新接線，控制系統重新組態，更新操作站、工程師站、服務器。方案一與方案二技術經濟對比，如表1所示。

基于以上對系統技術經濟對比分析，本次改造采用了方案一，即采用原有控制系統廠家產品（Honeywell 公司）。即對該油氣田DCS系統的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 系統升級為R400 并增加防病毒服務器。

表1 技術經濟對比表

3 優化及改造措施

3.1 控制機柜更新

將現有C200 控制器下對應有A 系列I/O 卡件升級為C300 控制器對應的C系列I/O 卡件。原系統3面IOMC 機柜將被取消，替換為五面（800cm*800cm*2100cm）標準機柜，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, 控制器組態將由C200轉換到C300 控制器環境中來。

3.2 系統軟件升級

將目前的PKS 系統軟件升級到最新PKS軟件版本R400，升級后系統軟件授權將和原系統授權保持一致，使新版本軟件和原有系統用戶組態軟件、控制器及I/O硬件具有兼容性[6]。

3.3 服務器和操作站主機設備更新

對2臺服務器，6臺操作站，2臺工程師站設備進行更新。其中服務器更新為認證的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

增加1臺專用的防病毒服務器R710，并帶1套Honeywell公司認證的防病毒軟件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的局限，提高了控制品質，便于安裝維護和節省空間，C300控制器采用了垂直設計與垂直安裝，更有利于控制器的散熱與現場接線方便，便于維護。

4.2 安全性

由于C300的安裝結構與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，內存達到14852KB，IO LINK的空閑帶寬在51%以上，可靠性比C200提高30%以上。C300直接由控制器實現主備同步，自升級8個月以來控制器不同步故障的發生次數0次，第三方通訊中斷時間目前發生次數0次。

4.3 穩定性

升級后通過查看該油氣田C300控制器、服務器、操作站、交換機等巡檢工作的記錄及密切監控C300控制器運行狀態、服務器、操作站CPU及內存使用率，可以看出DCS系統數據采集、監視控制功能正常；C300控制器運行正常，自動切換、同步狀態指示燈顯示正常；服務器、操作站各項服務運行正常，服務器同步正常，打開組態軟件CB、QB及流程圖畫面時均運行正常，通過監控運行，升級后DCS系統穩定性較好。

5 結束語

在本次升級改造中，升級改造設備的到貨驗收、原系統文件備份、新系統軟件的安裝、應用組態軟件的轉換等工作在裝置計劃停產檢修前實施完成，從而盡可能縮短了DCS系統離線時間，為后續工作的開展節省了大量的時間。DCS系統升級改造后C300控制器、服務器及操作站等各項性能運行正常，系統無異常現象，系統各項監控功能完好，滿足現場安全生產所需的數據采集、監控等要求，優化與改造后的DCS系統整體達到了預期效果，同時也為C200控制器等大型DCS控制系統升級改造探索出了一條新路。□

[1] 周靜,楊艷,蔣吉強等.DCS系統應用技術回顧與展望[J].石油與天然氣化工,2010(增刊):62-65.

[2] 霍尼韋爾（中國）自動化學院,Experion PKS系統中文參考手冊[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計優化[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系統在硝酸裝置中的應用[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[M].北京:機械工業出版社,2004.