RS-485在DCS系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)DCS在工廠中推廣應(yīng)用所面臨的與第三方系統(tǒng)通訊的問題，對(duì)常見的接口特性進(jìn)行分析比較。在modbus協(xié)議與RS-485接口應(yīng)用較為廣泛的背景下，已成為DCS與第三方系統(tǒng)的通訊方式選擇的首選項(xiàng)。從接入形式的各項(xiàng)條件分析來看，通過上位機(jī)與串口服務(wù)器能夠很好解決一個(gè)上位機(jī)同時(shí)對(duì)多個(gè)系統(tǒng)的通訊，光纖傳輸?shù)钠占昂芎媒鉀Q了遠(yuǎn)距離傳輸和抗干擾的問題。針對(duì)性的提出了通過對(duì)通訊至DCS的AI進(jìn)行變化率分析來解決遠(yuǎn)距離傳輸中第三方系統(tǒng)的狀態(tài)判斷，來提高通訊數(shù)據(jù)的可靠性。

關(guān)鍵詞：RS-485;接入方式;故障識(shí)別;可靠通訊

隨著控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，工廠規(guī)模的擴(kuò)大，DCS控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。DCS 是電力、冶金、石化等各個(gè)流程工業(yè)領(lǐng)域首選的控制系統(tǒng)，尤其內(nèi)廣泛應(yīng)用于電力工業(yè)[12]。以火力發(fā)電廠為例，以DCS 為核心的控制運(yùn)行方式成為首選，但由于在DCS系統(tǒng)直接管控的核心系統(tǒng)以外，還存在非核心的次要系統(tǒng)。常見的有小型PLC 控制系統(tǒng)、獨(dú)立的DAU 記錄系統(tǒng)和工控機(jī)與特殊傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[10]。為了便于集中管控這類第三方系統(tǒng)，可以通過RS-232、RS-422 及RS-485 等的接口方式傳輸，將信息傳至DCS做到與核心系統(tǒng)信息一起集中監(jiān)控[6]。

根據(jù)三種通訊接口的特點(diǎn)，RS-485 接口在DCS 系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)之間的通訊得到較為廣泛應(yīng)用[5]。從而為決策者提供全廠設(shè)備運(yùn)行的實(shí)時(shí)參數(shù)，便于快速的有效管控。本課題借助于在火力發(fā)電廠中，RS-485 在DCS 與第三方系統(tǒng)的通訊暴露出的問題進(jìn)行分析，開展了故障情況收集、原因分析和參數(shù)優(yōu)化。本課題開展的工作如下：

（1）通過在第三方系統(tǒng)與DCS 系統(tǒng)中的比對(duì)，提高數(shù)據(jù)的傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。

（2）根據(jù)故障現(xiàn)象采取針對(duì)性措施，增強(qiáng)DCS 與第三方系統(tǒng)的通訊的可靠性。

（3）對(duì)設(shè)備故障的關(guān)聯(lián)分析，通過參數(shù)優(yōu)化等方法，實(shí)現(xiàn)通訊的實(shí)時(shí)有效、運(yùn)行穩(wěn)定、通訊可靠的目標(biāo)。

1 DCS 與第三方系統(tǒng)通訊接入方式

DCS 系統(tǒng)的常見組成與結(jié)構(gòu)如圖1 所示[3]。包括操作員站、工程師站、歷史站、輸出設(shè)備、分布式處理單元（DPU）及IO 模塊、電源、機(jī)柜等組成。通過高速網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的局域網(wǎng)將這些設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在設(shè)備中的傳遞、交換和共享[2]。

1.1 通過專用的RS-485 通訊卡件接入

該類型的DCS 系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)接入方式，采用該DCS 系統(tǒng)的專用通訊卡件。專用通訊卡件為DCS 設(shè)備提供，不同的DCS 系統(tǒng)卡件不相同且不通用。該卡件連接在分布式處理單元（DPU）下一級(jí)的IO 總線上。該類通訊卡件，一般具有不少于一個(gè)RS-485串口、不少于一個(gè)RS-232 串口，其中有兩個(gè)端口用HDLC 協(xié)議與跟DPU 進(jìn)行通訊。剩下的串口可獨(dú)立設(shè)定為MODBUS 主站或從站，可方便與第三方MODBUS 設(shè)備進(jìn)行通訊。該類專用通訊卡件原理圖如圖2[2]所示。

由于該類通訊接入方式是專用通訊卡件直接掛在分布式處理單元DPU 的IO 總線上，如果第三方系統(tǒng)的通訊變量較多，勢(shì)必會(huì)增加DPU 的運(yùn)算負(fù)荷。國家相關(guān)制度規(guī)定DPU 的運(yùn)算負(fù)荷不能超過60%，通常采用獨(dú)立DCS 的第三方系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低，DPU 的資源會(huì)優(yōu)先考慮實(shí)時(shí)性要求較高的核心系統(tǒng)，所以這類通訊接入方式在與第三方系統(tǒng)通訊中較少采用。

1.2 通過串口服務(wù)器從DCS 上位機(jī)接入

綜合各種因素考慮，在DCS 系統(tǒng)與第三方系統(tǒng)的通訊中采用較為普遍的方式是通過串口服務(wù)器與DCS 上位機(jī)中的工程師站或通訊站連接[1]。該方式的優(yōu)點(diǎn)在于1 個(gè)串口服務(wù)器可以同時(shí)接入多個(gè)獨(dú)立的第三方系統(tǒng)，接入示意圖如圖3 所示。當(dāng)?shù)谌较到y(tǒng)與串口服務(wù)器距離一般超過100 米、傳輸?shù)碾娎|要經(jīng)過較強(qiáng)的干擾環(huán)境，采用如圖RS-485 接口1 與第三方系統(tǒng)A 的方式，傳輸介質(zhì)采用光纖。當(dāng)?shù)谌较到y(tǒng)與串口服務(wù)器距離小于100 米且傳輸電纜安放的環(huán)境沒有較強(qiáng)干擾信號(hào)，采用如圖RS-485 接口2 與第三方系統(tǒng)B的方式。

根據(jù)國家相關(guān)規(guī)定，DCS 上位機(jī)的負(fù)荷不能超過40%。由于工程師站或通訊站在邏輯組態(tài)完成后，只用于設(shè)備維護(hù)巡檢時(shí)參數(shù)查看，事故分析時(shí)調(diào)取歷史記錄，絕大多數(shù)時(shí)間處于空閑狀態(tài)。所以DCS 得上位機(jī)中的工程師站或通訊站成為與串口服務(wù)器連接的多數(shù)選擇[8]。

在連接完成后，需要在DCS 上位機(jī)上對(duì)通訊進(jìn)行配置，以EDPF-NT 的DCS 采用modbus 為例[9]，需要配置的文件是eio.conf。一個(gè)IO 設(shè)備僅能同一個(gè)IP 地址上的一個(gè)端口通訊，冗余設(shè)備除外。如需從兩個(gè)或以上IP 地址獲取數(shù)據(jù)時(shí)，需要新添加IO 設(shè)備。如要與同一個(gè)IP 的多個(gè)端口進(jìn)行通訊，也需要新添加IO 設(shè)備[4]。需要定義量有：IoDeviceCnt， logSize， DeviceID， Desc， protocol，協(xié)議可以選擇的有：modbus、modbustcp、simu、hkpb、hkff;aster， Timeout，Delay， Period， SubTask， LocalIP， LocalProt， RemoteIP， RemoteProt，bufcnt， SlaveID，type，unitCnt， startAddr，SlaveID，F(xiàn)uncCode， StartReg，RegCnt， PerioNo， MaxCommErr。

2 通訊中常見問題的分析

DCS 與第三方系統(tǒng)通訊中存在很多問題，下面以某火力發(fā)電廠的DCS 系統(tǒng)與其它系統(tǒng)通訊中存在的問題為例加以分析，該廠裝機(jī)容量：660MW×2。全廠DCS 控制系統(tǒng)以國電智深EDPF-NT 為主。

域號(hào)劃分如下表1 所示。從表中可以看出全多數(shù)DCS 控制域內(nèi)都存在與第三方控制系統(tǒng)通訊的情況比例達(dá)66.66%，應(yīng)用已很常見。常見的問題主要有以下兩類：第一類通訊不穩(wěn)定，DCS 側(cè)畫面數(shù)據(jù)不能及時(shí)刷新;第二類通訊故障，導(dǎo)致DCS 畫面數(shù)據(jù)消失。

通過跟蹤發(fā)現(xiàn)2 號(hào)域的DCS 與2 號(hào)爐爐管泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，經(jīng)常出現(xiàn)通訊不穩(wěn)定，DCS 側(cè)畫面不能實(shí)時(shí)刷新。爐管泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工控機(jī)常有死機(jī)現(xiàn)象，再處理好該故障點(diǎn)后仍然存在通訊不穩(wěn)定的問題;傳輸?shù)碾娎|檢查正常，并且電纜通道附近沒有強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾;最后疑點(diǎn)鎖定在串口服務(wù)器上，根據(jù)當(dāng)前通道通訊指示燈閃爍頻率和通訊實(shí)時(shí)參數(shù)刷新情況來看串口服務(wù)器該通道存在工作不穩(wěn)定的情況，更換串口服務(wù)的通道后問題得以解決。

第二類通訊故障的問題主要出現(xiàn)在：串口服務(wù)器的電源、光電轉(zhuǎn)換器的電源及第三方系統(tǒng)電源等問題[7]。由于電廠的電纜槽盒、電纜溝多有多個(gè)電壓等級(jí)的電纜鋪設(shè)所以各種干擾信號(hào)存在比較突出，所以在較遠(yuǎn)的傳輸都采用了光纖傳輸?shù)男问絒11]。從通訊信號(hào)流向看，單向傳輸占71.43%，主要用于從DCS 對(duì)第三方系統(tǒng)的監(jiān)控。通常采用一個(gè)RS-485 接口對(duì)應(yīng)上位機(jī)上的一個(gè)虛擬DPU，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。例如第三方系統(tǒng)獨(dú)立性相對(duì)較強(qiáng)，或者傳輸?shù)腎O 點(diǎn)數(shù)較多，都會(huì)采用這種方式，比較便于數(shù)據(jù)分類管理及系統(tǒng)維護(hù)。對(duì)于一個(gè)RS-485 接口的傳輸?shù)腎O 點(diǎn)數(shù)很少，可以用上位機(jī)上的一個(gè)虛擬DPU 對(duì)應(yīng)多個(gè)RS-85 傳輸?shù)腎O 點(diǎn)數(shù)都比較少的接口，有利于減少上位機(jī)上虛擬DPU 的數(shù)量。

3 相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

3.1 通訊上位機(jī)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化

關(guān)于DCS 側(cè)上位機(jī)2：CCOM237 的CPU 負(fù)荷有偏高的情況發(fā)生的處理措施：1）定期檢查該上位機(jī)的CPU 負(fù)荷;2）盡可能減少該上位機(jī)的應(yīng)用軟件的運(yùn)行，將不必要運(yùn)行的軟件關(guān)閉退出;3）找到該上位機(jī)CPU 運(yùn)行偏高的真正原因。

根據(jù)以上處理措施的跟蹤發(fā)現(xiàn)，由于上位機(jī)2：CCOM237 在工程師站房間所處位置的關(guān)系，是平常用于設(shè)備維護(hù)、檢修和事故分析等工作最多的工程師站上位機(jī)。經(jīng)常出現(xiàn)DCS 軟件以外的，可以不用連續(xù)運(yùn)行的軟件處于運(yùn)行狀態(tài)。定期檢查并關(guān)閉不必要運(yùn)行的軟件;根據(jù)“任務(wù)管理器”->“性能”->“CPU 使用率”參數(shù)變化情況，有必要時(shí)對(duì)該上位機(jī)進(jìn)行操作系統(tǒng)“注銷”或“重行啟動(dòng)”，釋放內(nèi)存，確保CPU 使用率<40%，達(dá)到國家相關(guān)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

3.2 通訊故障的及時(shí)反饋

鑒于第三方系統(tǒng)在DCS 系統(tǒng)的特殊性，解控運(yùn)行人員不可能對(duì)它處在實(shí)時(shí)監(jiān)視狀態(tài)下，甚至很長(zhǎng)時(shí)間才會(huì)瀏覽一下相關(guān)的畫面?？赡茉诘谌较到y(tǒng)出現(xiàn)通訊故障后不會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，增加報(bào)警邏輯當(dāng)出現(xiàn)通訊故障時(shí)DCS 可以采用聲光報(bào)警或語音報(bào)警的方式及時(shí)提醒運(yùn)行人員。

為了保證報(bào)警信息監(jiān)測(cè)的可靠性，在DCS 與偏重要的第三方系統(tǒng)通訊會(huì)同時(shí)采用兩類報(bào)警方式。

4 通訊故障報(bào)警試驗(yàn)

1）虛擬DPU 報(bào)警試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：切斷含油廢水系統(tǒng)至DCS 側(cè)的光電轉(zhuǎn)換器電源。

DCS 報(bào)警形式：在DCS 匯總報(bào)警的熱控報(bào)警畫面顯示31 號(hào)域10 號(hào)DPU 卡件離線，在DCS 自檢畫面中出現(xiàn)31 號(hào)域10 號(hào)DPU卡件狀態(tài)小方塊從綠色變成變黃色。從報(bào)警反應(yīng)時(shí)間，和相應(yīng)的報(bào)警畫面顯示來看，試驗(yàn)結(jié)果合格。

2）電源、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視報(bào)警試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：切斷2 號(hào)爐爐管泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電源。

DCS 報(bào)警形式：在DCS 匯總報(bào)警的熱控報(bào)警畫面顯示2 號(hào)域36 號(hào)DPU 卡件離線，在DCS 自檢畫面中出現(xiàn)2 號(hào)域36 號(hào)DPU 卡件狀態(tài)小方塊從綠色變成變黃色。在爐管泄漏畫面中的電源和運(yùn)行狀態(tài)指示從綠色變成了黃色。從報(bào)警反應(yīng)時(shí)間，和相應(yīng)的報(bào)警畫面顯示來看，試驗(yàn)結(jié)果合格。

3）關(guān)鍵AI 變化率分析報(bào)警試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：在制氫站系統(tǒng)選卻5 個(gè)AI：制氫系統(tǒng)壓力，制氫槽溫，氫分離器液位，氧中氫含量，露點(diǎn)儀溫度;在DCS 側(cè)的31 號(hào)域11號(hào)DPU中求取f （t） i ，其中t取值30S。

DCS 報(bào)警形式：經(jīng)過一段時(shí)間的觀察，并沒有出現(xiàn)誤報(bào)的情況。當(dāng)切斷制氫站PLC 的電源后，DCS 發(fā)出制氫站通訊故障報(bào)警。從相關(guān)報(bào)警畫面信息提示看，試驗(yàn)結(jié)果合格。

5 結(jié)論

本課題利用具體工程的實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，RS-485 在DCS 系統(tǒng)中的應(yīng)用較為廣泛。光纖技術(shù)的進(jìn)步和普及，使得通訊傳輸中使用較大波特率和抗干擾能力得到保證。針對(duì)第三方系統(tǒng)與DCS距離較遠(yuǎn)的情況還提出了，利用在DCS側(cè)求取AI （t） i的變化率f （t） i，來判斷第三方系統(tǒng)通訊來的數(shù)據(jù)是否真實(shí)有效，增加了對(duì)系統(tǒng)故障的識(shí)別能力。

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作者簡(jiǎn)介：

陳發(fā)（1980—），男，本科，工程師。主要從事火力發(fā)電廠熱控設(shè)備運(yùn)維相關(guān)工作。

（國電織金發(fā)電有限公司，貴州 織金 552100）