提高電氣低壓前置機(jī)與儀表DCS通訊穩(wěn)定性研究

（中海石油寧波大榭石化有限公司 浙江 315812）

引言

隨著電氣自動(dòng)化及通訊新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，電氣監(jiān)控系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)通過光纜、網(wǎng)線等通訊方式與DCS控制系統(tǒng)對(duì)接，提升了裝置一體化控制水平。但通訊穩(wěn)定性一直是影響監(jiān)控系統(tǒng)與控制系統(tǒng)保持通訊暢通的關(guān)鍵因素。目前，我公司三期餾分油項(xiàng)目共有低壓通訊控制柜13面，前置通訊機(jī)服務(wù)器23臺(tái)。通過RS485接口和ModBus通訊協(xié)議與儀表DCS系統(tǒng)對(duì)接，在實(shí)際過程中經(jīng)常遇到偶發(fā)性中斷（180s后自動(dòng)恢復(fù)正常），通訊穩(wěn)定性無法保證。

因此，為了提升電氣監(jiān)控系統(tǒng)與儀表DCS控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，讓各裝置操作人員能及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，提升控制精度，特將提高電氣低壓前置機(jī)與儀表DCS通訊穩(wěn)定性，選做本次研究的對(duì)象。

1.現(xiàn)狀調(diào)查

針對(duì)低壓通訊中斷情況，2018年6月至2019年10月，組織對(duì)全廠剩余23臺(tái)華健前置通訊服務(wù)器通訊電纜更換為屏蔽電纜、對(duì)采樣程序進(jìn)行優(yōu)化，并更換部分服務(wù)器后，催化變、重整變、加氫變和乙苯變?nèi)匀粺o法達(dá)到正常運(yùn)行需要。低壓通訊仍然有中斷情況出現(xiàn)。通訊穩(wěn)定性無法保證。

2.故障深入分析

2020年5月，針對(duì)低壓前置機(jī)與儀表DCS通訊中斷，導(dǎo)致DCS組態(tài)畫面設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)不準(zhǔn)確的問題進(jìn)行分析，對(duì)可能造成這一結(jié)果的各種原因進(jìn)行反復(fù)討論，經(jīng)匯總歸類，總結(jié)出以下幾點(diǎn)可能引起通訊中斷的原因。

（1）通訊線屏蔽能力不夠，受高壓電纜干擾導(dǎo)致通訊中斷；

（2）ModBus通訊數(shù)據(jù)量大，超出服務(wù)器收發(fā)承載能力；

（3）電氣通訊服務(wù)器與儀表DCS卡件存在通訊不兼容現(xiàn)象；

（4）通訊前置服務(wù)器自身CPU運(yùn)行負(fù)荷過高，達(dá)不到數(shù)據(jù)通訊要求；

（5）設(shè)備無法準(zhǔn)確判斷通訊協(xié)議內(nèi)容，系統(tǒng)程序有誤或存在病毒。

3.末端因素驗(yàn)證及要因確認(rèn)

(1)物理層串口協(xié)議類型錯(cuò)誤

判定依據(jù)：目前串口支持的物理層協(xié)議類型包括RS232、RS422、RS485（在用）。小組成員按照這三種協(xié)議類型，分別與設(shè)備串口連接，發(fā)送設(shè)備初始化命令，檢測(cè)設(shè)備串口輸出數(shù)據(jù)幀。

測(cè)試結(jié)果：顯示三種串口協(xié)議類型均無數(shù)據(jù)幀輸出。

(2)無用通訊點(diǎn)多

判定依據(jù)：檢查低壓綜保通訊點(diǎn)表配置數(shù)據(jù)庫，是否有電壓、電流及開關(guān)狀態(tài)以外的，無用通訊數(shù)據(jù)點(diǎn)。

測(cè)試結(jié)果：檢查微機(jī)保護(hù)裝置表，僅有電壓電流及開關(guān)狀態(tài)，不存在無用信息點(diǎn)。

(3)電磁干擾

判定依據(jù)：電力設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾在監(jiān)控系統(tǒng)通信電纜屏蔽層上的感應(yīng)電壓值應(yīng)＜0.5V。2018年10月小組成員對(duì)所有通信電纜屏蔽層進(jìn)行了測(cè)量。

測(cè)量結(jié)果：用專用設(shè)備測(cè)量屏蔽電壓為0.28V＜0.5V，滿足通訊要求。

(4)計(jì)算機(jī)病毒

判定依據(jù)：低壓前置服務(wù)器除完成電氣監(jiān)控及通訊工作外，不得進(jìn)行其他工作，以防感染計(jì)算機(jī)病毒。同時(shí)，運(yùn)行人員定期對(duì)微機(jī)進(jìn)行病毒掃描，要求計(jì)算機(jī)病毒感染數(shù)為0。

檢查結(jié)果：小組成員對(duì)與DCS通信的服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算機(jī)病毒掃描，未發(fā)現(xiàn)程序中有病毒存在。

(5)前置機(jī)CPU運(yùn)行負(fù)荷高

判定依據(jù)：服務(wù)器CPU負(fù)荷率，空載運(yùn)行下不大于20%，滿負(fù)荷運(yùn)行下狀態(tài)不大于25%。服務(wù)器通訊直接與低壓綜保和DCS通信相連，如因服務(wù)器CPU負(fù)荷率過高，將導(dǎo)致通訊延遲和通訊中斷。

圖1 主板驅(qū)動(dòng)程序優(yōu)化

檢查結(jié)果：

表1

服務(wù)器CPU平均負(fù)荷率=94.45%＞＞22.5%。CPU運(yùn)行負(fù)荷率高，是造成通訊中斷的主要原因。

4.針對(duì)要因進(jìn)行改進(jìn)方案制定

根據(jù)前置機(jī)CPU運(yùn)行負(fù)荷率高的主要原因，參考廠家建議后商定，優(yōu)化前置機(jī)服務(wù)器主板驅(qū)動(dòng)程序。在通訊檢測(cè)軟件的檢測(cè)下發(fā)現(xiàn)，主板通訊傳輸量占總CPU負(fù)荷并不高，占用大量負(fù)荷的主要為通訊程序中的自檢程序和串口復(fù)位程序。

因此，對(duì)前置機(jī)服務(wù)器主板驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行重新編譯和優(yōu)化。

（1）增加內(nèi)部總線數(shù)據(jù)讀取休眠進(jìn)程；

（2）修改總線數(shù)據(jù)讀取結(jié)構(gòu)，取消自檢；

（3）延長(zhǎng)內(nèi)部總線非正常串口復(fù)位程序時(shí)間。

具體措施：在CPU主板驅(qū)動(dòng)程序中，增加內(nèi)部總線休眠邏輯；取消自檢；延長(zhǎng)內(nèi)部總線非正常串口復(fù)位程序時(shí)間（100s延長(zhǎng)至2000s）。程序改動(dòng)如圖1。

程序優(yōu)化結(jié)果；在對(duì)通訊程序中的自檢程序和串口復(fù)位程序重新進(jìn)行編譯后，對(duì)其中一臺(tái)前置機(jī)進(jìn)行在線調(diào)試。

測(cè)試內(nèi)容：

以發(fā)生中斷最多的催化變IMCS02柜前置機(jī)A60-B為測(cè)試對(duì)象，接入所有27個(gè)下行串口。

測(cè)試環(huán)境：

網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議：IEC 104；上層串口協(xié)議：modbus；下層串口協(xié)議：RS485；

通訊信號(hào)量總數(shù)：3225；轉(zhuǎn)發(fā)接口數(shù)：1。

測(cè)試結(jié)果如圖2。

圖2 前置機(jī)主板程序優(yōu)化調(diào)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果：經(jīng)過一個(gè)月的測(cè)試，CPU負(fù)荷率由98.8%降低至4.7%顯著提升了低壓前置機(jī)與DCS通訊穩(wěn)定性。2020年5月，對(duì)全廠其余22臺(tái)通訊服務(wù)器主板驅(qū)動(dòng)和通訊程序進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，經(jīng)過四個(gè)月的運(yùn)行觀察，未發(fā)生因服務(wù)器原因的通訊中斷，且主板驅(qū)動(dòng)程序優(yōu)化后，通訊燈始終在保持暢通。

5.結(jié)束語

根據(jù)現(xiàn)有變電所概算，通過前置機(jī)程序優(yōu)化節(jié)約成本如下：

前置機(jī)服務(wù)器（含光纖、上下層通訊接口等），價(jià)格約占IMCS系統(tǒng)總價(jià)的60%，即12×0.6÷2=3.6萬元/臺(tái)，太平廠區(qū)共有服務(wù)器23臺(tái)，費(fèi)用總計(jì)約82.8萬元；

安裝調(diào)試費(fèi)用，每臺(tái)0.36萬元，共需：0.36×23=8.28萬元。

管理效益：提升了個(gè)人在電氣微機(jī)綜保、低壓通訊系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)之間通訊連接及調(diào)試方面的業(yè)務(wù)能力。為裝置生產(chǎn)調(diào)整和分析提供了可靠的參考依據(jù)，為今后電氣系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)方式奠定了基礎(chǔ)。