電動機集成控制系統(tǒng)運行分析及優(yōu)化

摘要：對某石化企業(yè)以工控機為核心組成的電動機集成控制系統(tǒng)工作原理、運行分析及優(yōu)化措施進行了敘述，并指出了系統(tǒng)運行維護應(yīng)注意的事項。

關(guān)鍵詞：電動機集成控制系統(tǒng);運行分析;優(yōu)化措施

0? ? 引言

目前，石化企業(yè)廣泛應(yīng)用電動機集成控制系統(tǒng)（IMCS）對使用數(shù)量較多的低壓電動機進行監(jiān)視、控制和保護，某石化企業(yè)二期項目共有27套以工控機（IPC）為核心組成的IMCS系統(tǒng)，分別為15套生產(chǎn)裝置的2 337臺低壓電動機提供保護、控制和運行狀態(tài)監(jiān)視。這27套IMCS系統(tǒng)自投運以來，多次出現(xiàn)異常和故障，通過分析原因，制定實施改進措施，解決了上述問題，實現(xiàn)了IMCS系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運行。

1? ? IMCS系統(tǒng)工作原理

IMCS是基于微處理器的智能型電動機保護、控制、監(jiān)視系統(tǒng)，它主要由以下部分構(gòu)成：安裝在低壓開關(guān)柜內(nèi)的電動機回路的電動機控制單元（MCU）、變電所內(nèi)連接各個MCU的通信控制單元（CCU）、作為中心處理系統(tǒng)的工控機（IPC）以及相應(yīng)的保護用電流互感器、測量和控制用電壓互感器及變送器。

MCU通常也稱作馬達保護器（馬保）或電動機綜合保護裝置（綜保），是一種基于微處理器的裝置，它集控制、監(jiān)視、保護功能和通信設(shè)施于一身，具備電動機過載、相不平衡、堵轉(zhuǎn)、接地等保護和電動機電流、功率等參數(shù)測量功能，并能實現(xiàn)電動機就地/遠程啟動、停機（脫扣）、失壓時的自動再啟動和通信等，并可通過CCU或工控機修改參數(shù)。

CCU是一種基于微處理器的接口裝置，它通過現(xiàn)場總線來監(jiān)控7～10個MCU，一套IMCS系統(tǒng)則由8～16個CCU同上級工控機進行通信，CCU另外具有單獨與DCS、SCADA系統(tǒng)進行串聯(lián)通信的接口。CCU和通信鏈路為冗余結(jié)構(gòu)，采用主從、熱備用系統(tǒng)，CCU的冗余CPU切換時間小于100 ms，當一個CCU故障時，另一個能馬上接替工作，并同時提供就地和遠方報警以指出故障的CCU，在系統(tǒng)設(shè)計上保證系統(tǒng)內(nèi)任何故障都不影響系統(tǒng)的可用性。

2? ? IMCS系統(tǒng)運行分析及優(yōu)化

2.1? ? 系統(tǒng)運行出現(xiàn)的問題

匯總某石化企業(yè)二期項目27套IMCS系統(tǒng)2016年12月至2018年12月期間的運行情況：CCU硬件故障2次;系統(tǒng)通信中斷故障26次，其中包括：單個設(shè)備（馬保）通信中斷12次，單個CCU鏈路的馬保通信中斷7次，整個IMCS站的通信中斷3次，與中控通信中斷2次，與中控通信數(shù)據(jù)錯誤2次。

2.2? ? 問題原因分析

（1）單個設(shè)備（馬保）通信中斷可能原因分析：馬保設(shè)備本身故障;馬保未上電（備用回路）;通信RS485鏈路存在接線松動或接觸不良等問題。

（2）單個CCU鏈路的馬保通信中斷可能原因分析：CCU故障（2個端口通信鏈路都故障的情況下）;RS485總線鏈路問題（線路出現(xiàn)短路、接地、信號干擾等因素）;軟件問題（虛擬串口丟失）;通信不穩(wěn)定（數(shù)據(jù)量較大，超出主站處理能力，出現(xiàn)通信堵塞的情況，端口通信連接丟失）;通信鏈路上存在較多通信中斷的馬保，導(dǎo)致通信設(shè)備超時報錯（Modbus通信為主從輪詢式機制，當通信鏈路上某個設(shè)備出現(xiàn)故障或連接不上時，要等待該設(shè)備超時后再繼續(xù)輪詢下一個設(shè)備），當故障率較高時端口會阻塞中斷通信。

（3）整個IMCS站的通信中斷可能原因分析：工控機硬件原因（如藍屏或黑屏故障）;操作系統(tǒng)的原因（如系統(tǒng)運行負荷較高、死機）;IMCS通信接口軟件的原因（如卡死、服務(wù)終止、配置文件丟失等）;虛擬串口軟件的原因（如軟件卡死、服務(wù)終止等）;IMCS上位機軟件原因（如宏文件停止）。

（4）與中控通信中斷可能原因分析：除IMCS站通信中斷原因外，還包括通信物理鏈路或者中控系統(tǒng)本身的原因。

另外，目前IMCS系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計是依據(jù)IMCS工控機具備完成馬達保護器數(shù)據(jù)的采集（從CCU）、計算處理、轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給中控以及人機界面（HMI）服務(wù)和客戶端運行等功能的能力，而實際運行的系統(tǒng)在原設(shè)計的基礎(chǔ)上，額外增大了系統(tǒng)的負荷，主要體現(xiàn)在：現(xiàn)場有相當一部分開關(guān)設(shè)備處于備用狀態(tài)，此時整個開關(guān)的二次回路都處于斷電狀態(tài)（馬達保護器失電狀態(tài)），這就導(dǎo)致每個CCU采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)時，整個Modbus通信鏈路處于超長時間的問詢卡頓狀態(tài)，降低了在線馬達保護器的通信質(zhì)量。同時也影響了位于工控機上的通信接口軟件服務(wù)進行數(shù)據(jù)采集的速率，提高了工控機的運行負荷。IMCS工控機到中控的數(shù)據(jù)外傳功能，利用HMI的邏輯宏服務(wù)實現(xiàn)，在實現(xiàn)兩路數(shù)據(jù)計算和表決后，由CCU完成數(shù)據(jù)外傳，這個過程也同樣提高了工控機的運行負荷。

（5）與中控通信數(shù)據(jù)錯誤可能原因分析：數(shù)據(jù)掃描不執(zhí)行，數(shù)據(jù)卡死;宏運算故障發(fā)生跳轉(zhuǎn)，從站停留在當前的處理狀態(tài);通信丟失后，數(shù)據(jù)保持在當前狀態(tài);宏啟動丟失。

2.3? ? 優(yōu)化升級改造方案

由于IMCS工控機的CPU使用率過高將直接影響系統(tǒng)某些軟件服務(wù)功能的正常啟動和穩(wěn)定運行，因此，首先應(yīng)采取措施降低系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)量及運行負荷，現(xiàn)階段主要通過將IMCS采集的數(shù)據(jù)如頻率、功率因數(shù)等參考意義不大的數(shù)據(jù)進行刪減優(yōu)化來實現(xiàn)。另外，馬保的數(shù)據(jù)是冗余采集的，可以改為只采集一路信號。

針對電腦重啟后通信接口軟件配置文件丟失導(dǎo)致整個監(jiān)控失效的情況，以及IMCS后臺監(jiān)控軟件宏命令未執(zhí)行導(dǎo)致中控數(shù)據(jù)不準確的情況，需要對所有站的IMCS系統(tǒng)的軟件配置進行再次檢查和優(yōu)化，檢查、評估和優(yōu)化每個HMI子站的電腦軟件設(shè)置，包括虛擬串口和通信接口軟件的Modbus通信參數(shù)設(shè)置、HMI邏輯宏服務(wù)的啟動冗余設(shè)置、各工控機端口狀態(tài)的檢查、系統(tǒng)緩存清理等。系統(tǒng)優(yōu)化后與優(yōu)化前主要區(qū)別：IMCS系統(tǒng)不再對馬達保護器進行遠程啟停與復(fù)位;不再監(jiān)控頻率、功率因數(shù)等參數(shù);傳輸中控數(shù)據(jù)可在上位機畫面人工投入與切斷;系統(tǒng)整體運行周期時間縮短，電腦運行負荷量減少。目前，從已完成優(yōu)化的3個站運行情況看，兩個站的系統(tǒng)運行穩(wěn)定性有所提升，故障頻次下降;而另外一個站受工控機硬件故障等制約，系統(tǒng)仍不穩(wěn)定。因此長期看，從系統(tǒng)架構(gòu)上進行升級，才是最終解決問題的最有效途徑。即利用工業(yè)級控制系統(tǒng)，如PLC進行數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸（去中控），工控機只作為MCC的監(jiān)控站，這樣即便工控機出問題，也對中控監(jiān)控?zé)o影響，從而可以提高數(shù)據(jù)的采集質(zhì)量和工控機軟件運行的可靠性。

3? ? IMCS系統(tǒng)運行維護注意事項

為實現(xiàn)IMCS系統(tǒng)的長周期運行，應(yīng)在運行維護期間注意以下幾點：

（1）針對設(shè)備、通信鏈路等需要現(xiàn)場排查確認的故障，建議維護人員配備相應(yīng)的串口調(diào)試工具、筆記本電腦和通信軟件。同時熟悉系統(tǒng)的軟硬件配置及方法，作為故障排查的必要手段。

（2）單個CCU鏈路上存在通信不穩(wěn)定的情況，在排除軟硬件問題以及物理鏈路上可能存在的干擾后，應(yīng)盡可能檢查通信鏈路的接線情況，必要時可在兩端安裝終端電阻。

（3）建議現(xiàn)場備用回路的馬保盡可能上電，以減小由于Slave設(shè)備掉線對現(xiàn)有通信數(shù)據(jù)在時間延遲以及故障率上帶來的影響，提高通信質(zhì)量和穩(wěn)定性;如果備用回路長期不用，可以考慮在系統(tǒng)中不要將該設(shè)備配置進去。

（4）當現(xiàn)場沒有專用工具或技術(shù)手段判斷故障時，重啟電腦也是一種簡單直接的故障處理手段，其原理是當系統(tǒng)出現(xiàn)通信阻塞中斷或軟件故障時，重啟計算機的服務(wù)，重新建立通信連接。

（5）Modbus的通信波特率越高，通信速率越快，但其損耗也相應(yīng)增大（線路越長越明顯），抗干擾能力也降低了。因此，波特率的設(shè)置應(yīng)綜合考慮通信距離、電纜類型、通信干擾等因素。

4? ? 結(jié)語

本文通過對IMCS系統(tǒng)運行過程中存在的問題進行分析，制定優(yōu)化改進措施，為今后同類設(shè)備的應(yīng)用提供了一定的借鑒。

[參考文獻]

[1] 施耐德電氣.IMCS系統(tǒng)維護手冊[Z]，2016.

收稿日期：2020-05-18

作者簡介：王洪峰（1979—），男，河北玉田人，電氣工程師，從事化工企業(yè)電氣設(shè)備技術(shù)管理工作。