CEMS 與DCS 通信的建立和優(yōu)化

軒忠民

（海洋石油富島有限公司）

煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng) （Continuous Emission Monitoring System，CEMS）主要監(jiān)測(cè)裝置生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的SO2、NOx及顆粒物等主要參數(shù)， 分析儀器將這些數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)采儀經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至環(huán)保部門(mén)的監(jiān)控平臺(tái)，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

為了達(dá)到環(huán)保要求， 某裝置輔助鍋爐新增CEMS，以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍋爐污染物排放情況。 為了便于工藝人員實(shí)時(shí)監(jiān)控污染物含量并及時(shí)處理異常情況，技術(shù)人員將各個(gè)污染物的測(cè)量值和折算值引入DCS，并顯示到操作站的DCS畫(huà)面上。

1 DCS監(jiān)控的有效數(shù)據(jù)選擇

由于CEMS獨(dú)立于主裝置DCS，致使分析儀器故障或數(shù)據(jù)傳輸中斷等問(wèn)題不能被第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而導(dǎo)致污染物排放超標(biāo)或數(shù)據(jù)無(wú)效等環(huán)保事件發(fā)生。 為了保證煙氣排放數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確傳輸至主裝置DCS，避免此類環(huán)保事件的發(fā)生，公司組織技術(shù)力量設(shè)計(jì)了3套方案：

a. 將分析儀器輸出至數(shù)采儀的4～20 mA信號(hào)采用一進(jìn)二出的安全柵，一路送入數(shù)采儀，另一路進(jìn)入主裝置DCS。本方案需要電纜較多，同時(shí)需要額外增加DCS模擬量輸入卡，施工成本高、系統(tǒng)組態(tài)風(fēng)險(xiǎn)大。

b. 將CEMS上位機(jī)搬至中央控制室。 由于CEMS站房距離中央控制室有500 m距離，分析儀器至上位機(jī)間的通信電纜不僅需要重新敷設(shè)，而且需要增加中繼器， 再者也不能滿足環(huán)保部門(mén)“上位機(jī)必須留在現(xiàn)場(chǎng)CEMS站房?jī)?nèi)”的要求。

c. 采用Modbus通信方式將環(huán)保數(shù)據(jù)傳輸至主 裝 置DCS。 經(jīng) 現(xiàn) 場(chǎng) 確 認(rèn)，CEMS 可 提 供 現(xiàn) 場(chǎng)Modbus通信接口的有兩處 （一處在分析儀器內(nèi)，另一處在數(shù)采儀內(nèi)）， 本方案僅需一條兩芯帶屏蔽的雙絞線，DCS側(cè)的Modbus接口可利用現(xiàn)有空余端口，方便實(shí)施的同時(shí)，可大幅節(jié)約技改成本。

為保證工藝監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和環(huán)保平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)保持一致，最終決定采用方案c，將數(shù)據(jù)從數(shù)采儀的Modbus接口處引出。

2 CEMS與DCS通信的建立

由于該裝置DCS采用CENTUM VP系統(tǒng)，故本次Modbus通信采用ALR121通信卡（圖1）。 Modbus通信采用RS485接線。

圖1 ALR121硬件接口

在廣達(dá)遠(yuǎn)GMM-400系列數(shù)采儀內(nèi)部電路板上，有一對(duì)接線端子（RS485_A/RS485_B），該對(duì)接線端子即是數(shù)采儀的RS485接線處。

進(jìn)行RS485通信時(shí)， 將數(shù)采儀的RS485_A、RS485_B、SG端子與ALR121的TX+、TX－、SG端子連接［1］，接線如圖2所示。

圖2 DCS通信卡ALR121與數(shù)采儀RS485通信接線示意圖

3 軟件組態(tài)

現(xiàn)以GMM-400數(shù)采儀和CENTUM VP系統(tǒng)間通信為例說(shuō)明軟件組態(tài)方法。

3.1 數(shù)采儀的組態(tài)

首先，輸入數(shù)采儀密碼，進(jìn)入數(shù)采儀的“串口［6］RS485”窗口界面，主要參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 數(shù)采儀主要參數(shù)設(shè)置

進(jìn)入串口組態(tài)界面的下一頁(yè)， 可以看到各分析數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的地址， 該地址位寄存器地址見(jiàn)表2。

綜合表2并結(jié)合數(shù)采儀說(shuō)明書(shū)， 各個(gè)分析參數(shù)的通信地址是固定的，且采用的是帶符號(hào)的32位浮點(diǎn)型模擬量數(shù)據(jù)。

表2 分析數(shù)據(jù)地址

3.2 CENTUM VP系統(tǒng)組態(tài)

在進(jìn)行CENTUM VP系統(tǒng)組態(tài)時(shí)，首先定義ALR121的硬件端口。鑒于該分析儀數(shù)據(jù)僅作為監(jiān)視用途，不具有控制和聯(lián)鎖功能，故定義為非冗余，通信端口選擇Port1，Card Common（卡件公共項(xiàng)） 里的Connection Device （通信設(shè)備） 選擇Modbus。 在Port1界面，詳細(xì)設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 DCS通信參數(shù)設(shè)置

在兩線制和四線制設(shè)置（2-Wire/4-Wire Setting）里，選擇兩線制（2-Wire），其余按默認(rèn)值。

在定義完通信卡屬性后，需要在ALR121中定義通信點(diǎn)的地址。 其中關(guān)鍵參數(shù)是：

SIZE 36

PORT 1

STATION 6

Device & Address A40013（模擬量）

DATA TYPE Input（32-Bit Floating）

Reverse Words（高低位翻轉(zhuǎn)）

Device & Address的地址A40013是數(shù)采儀提供的Modbus通信地址的起始地址，以后的排列順序必須與數(shù)采儀提供的地址表相一致。 Device& Address在數(shù)采儀的地址結(jié)構(gòu)為“<功能碼>+<設(shè)備類型>+<設(shè)備地址>”［2］。

由于該Modbus通信讀取的數(shù)據(jù)均為模擬量，因此對(duì)于模擬量， 當(dāng)對(duì)數(shù)采儀通信到DCS的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示時(shí)， 利用CENTUM VP系統(tǒng)的FUCTION BLOCK建立PVI顯示即可［3］，其中，AI10905組態(tài)如圖3所示。

圖3 AI10905 FUCTION BLOCK的PVI組態(tài)

4 通信調(diào)試

在CENTUM VP系統(tǒng)組態(tài)完成并下裝后，各項(xiàng)數(shù)據(jù)指示正常， 但是在DCS報(bào)警框內(nèi)頻繁出現(xiàn)A391和A3B0故障代碼。查閱橫河系統(tǒng)手冊(cè)，A3B0代碼為設(shè)備通信中斷， 可理解為線路不通或斷線；A391為設(shè)備忙， 說(shuō)明DCS側(cè)能接收數(shù)據(jù)但數(shù)據(jù)接收太慢或太快，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理不及時(shí)。 分析后確認(rèn)這兩項(xiàng)報(bào)警均與數(shù)采儀相關(guān)。

咨詢DCS和數(shù)采儀廠家，對(duì)波特率、奇偶校驗(yàn)（后改為無(wú)） 及數(shù)采儀軟件升級(jí)等設(shè)置進(jìn)行了排查，但是報(bào)警仍然存在。

然后按照數(shù)采儀廠家的建議，采用SS-COM串口監(jiān)聽(tīng)軟件進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)［4］，發(fā)現(xiàn)DCS發(fā)出數(shù)據(jù)請(qǐng)求后數(shù)采儀響應(yīng)不夠及時(shí)， 導(dǎo)致反應(yīng)超時(shí)（Time-out）。

經(jīng)過(guò)和DCS報(bào)警時(shí)間比對(duì)，當(dāng)發(fā)生A3B0系統(tǒng)報(bào)警時(shí)，SS-COM串口監(jiān)聽(tīng)軟件監(jiān)聽(tīng)到的報(bào)文信息如圖4所示， 其中藍(lán)色部分為DCS報(bào)警A3B0發(fā)生時(shí)的雙方報(bào)文信息，其中“06 03 00 0C 00 24 84 65”為DCS發(fā)送的請(qǐng)求報(bào)文，可以看出，DCS側(cè)請(qǐng)求3次后，數(shù)采儀側(cè)才有響應(yīng)，且響應(yīng)時(shí)間約18 s，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了DCS 側(cè)響應(yīng)超時(shí)（Response Timeout）時(shí)間4 s［5］。

圖4 A3B0系統(tǒng)報(bào)警時(shí)的報(bào)文信息

圖5所示為當(dāng)DCS報(bào)警A391發(fā)生時(shí)的雙方報(bào)文信息，其中“06 03 00 0C 00 24 84 65”為DCS發(fā)送的請(qǐng)求報(bào)文，可以看出，DCS側(cè)請(qǐng)求3次后，數(shù)采儀側(cè)才有響應(yīng)，且響應(yīng)時(shí)間約20 s，也遠(yuǎn)超DCS側(cè)響應(yīng)超時(shí)（Response Timeout）時(shí)間4 s。

圖5 A391系統(tǒng)報(bào)警時(shí)的報(bào)文信息

綜合以上兩種DCS報(bào)警對(duì)應(yīng)的報(bào)文信息可以得出以下結(jié)論：

a. DCS側(cè)請(qǐng)求指令間隔短、數(shù)采儀響應(yīng)不及時(shí)；

b. DCS側(cè)響應(yīng)超時(shí)時(shí)間短，數(shù)采儀在規(guī)定時(shí)間內(nèi)不能返回報(bào)文；

c. 通信速率高， 數(shù)采儀側(cè)通信速率達(dá)不到DCS的要求；

d. DCS側(cè)請(qǐng)求次數(shù)少（僅1次），數(shù)采儀未收到或收到后無(wú)反應(yīng)［3］。

根據(jù)以上分析， 最終在DCS 組態(tài)軟件CENTUM VP內(nèi)將ALR121卡Port1口的4個(gè)參數(shù)的屬性做了修改，具體見(jiàn)表4。

表4 DCS通信參數(shù)調(diào)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)以上參數(shù)調(diào)整后， 經(jīng)過(guò)一周的觀察，報(bào)警未再發(fā)生，確認(rèn)通信正常。

5 結(jié)束語(yǔ)

某裝置輔助鍋爐CEMS與CENTUM VP系統(tǒng)的Modbus通信系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)行后，CEMS與DCS通信性能穩(wěn)定，已經(jīng)在實(shí)時(shí)監(jiān)控、環(huán)保數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及預(yù)防環(huán)保事件發(fā)生等方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然CEMS與DCS通信的手段和策略有很多種，筆者拋磚引玉，期待同仁不斷探索總結(jié)更多實(shí)用方法。