電動機集成控制系統運行分析及優化

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

關鍵詞：電動機集成控制系統;運行分析;優化措施

0? ? 引言

目前，石化企業廣泛應用電動機集成控制系統（IMCS）對使用數量較多的低壓電動機進行監視、控制和保護，某石化企業二期項目共有27套以工控機（IPC）為核心組成的IMCS系統，分別為15套生產裝置的2 337臺低壓電動機提供保護、控制和運行狀態監視。這27套IMCS系統自投運以來，多次出現異常和故障，通過分析原因，制定實施改進措施，解決了上述問題，實現了IMCS系統的長周期穩定運行。

1? ? IMCS系統工作原理

IMCS是基于微處理器的智能型電動機保護、控制、監視系統，它主要由以下部分構成：安裝在低壓開關柜內的電動機回路的電動機控制單元（MCU）、變電所內連接各個MCU的通信控制單元（CCU）、作為中心處理系統的工控機（IPC）以及相應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、監視、保護功能和通信設施于一身，具備電動機過載、相不平衡、堵轉、接地等保護和電動機電流、功率等參數測量功能，并能實現電動機就地/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。

CCU是一種基于微處理器的接口裝置，它通過現場總線來監控7～10個MCU，一套IMCS系統則由8～16個CCU同上級工控機進行通信，CCU另外具有單獨與DCS、SCADA系統進行串聯通信的接口。CCU和通信鏈路為冗余結構，采用主從、熱備用系統，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，在系統設計上保證系統內任何故障都不影響系統的可用性。

2? ? IMCS系統運行分析及優化

2.1? ? 系統運行出現的問題

匯總某石化企業二期項目27套IMCS系統2016年12月至2018年12月期間的運行情況：CCU硬件故障2次;系統通信中斷故障26次，其中包括：單個設備（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，與中控通信數據錯誤2次。

2.2? ? 問題原因分析

（1）單個設備（馬保）通信中斷可能原因分析：馬保設備本身故障;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）;通信不穩定（數據量較大，超出主站處理能力，出現通信堵塞的情況，端口通信連接丟失）;通信鏈路上存在較多通信中斷的馬保，導致通信設備超時報錯（Modbus通信為主從輪詢式機制，當通信鏈路上某個設備出現故障或連接不上時，要等待該設備超時后再繼續輪詢下一個設備），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）;操作系統的原因（如系統運行負荷較高、死機）;IMCS通信接口軟件的原因（如卡死、服務終止、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本身的原因。

另外，目前IMCS系統架構的設計是依據IMCS工控機具備完成馬達保護器數據的采集（從CCU）、計算處理、轉發數據給中控以及人機界面（HMI）服務和客戶端運行等功能的能力，而實際運行的系統在原設計的基礎上，額外增大了系統的負荷，主要體現在：現場有相當一部分開關設備處于備用狀態，此時整個開關的二次回路都處于斷電狀態（馬達保護器失電狀態），這就導致每個CCU采集現場數據時，整個Modbus通信鏈路處于超長時間的問詢卡頓狀態，降低了在線馬達保護器的通信質量。同時也影響了位于工控機上的通信接口軟件服務進行數據采集的速率，提高了工控機的運行負荷。IMCS工控機到中控的數據外傳功能，利用HMI的邏輯宏服務實現，在實現兩路數據計算和表決后，由CCU完成數據外傳，這個過程也同樣提高了工控機的運行負荷。

（5）與中控通信數據錯誤可能原因分析：數據掃描不執行，數據卡死;宏運算故障發生跳轉，從站停留在當前的處理狀態;通信丟失后，數據保持在當前狀態;宏啟動丟失。

2.3? ? 優化升級改造方案

由于IMCS工控機的CPU使用率過高將直接影響系統某些軟件服務功能的正常啟動和穩定運行，因此，首先應采取措施降低系統的通信數據量及運行負荷，現階段主要通過將IMCS采集的數據如頻率、功率因數等參考意義不大的數據進行刪減優化來實現。另外，馬保的數據是冗余采集的，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致整個監控失效的情況，以及IMCS后臺監控軟件宏命令未執行導致中控數據不準確的情況，需要對所有站的IMCS系統的軟件配置進行再次檢查和優化，檢查、評估和優化每個HMI子站的電腦軟件設置，包括虛擬串口和通信接口軟件的Modbus通信參數設置、HMI邏輯宏服務的啟動冗余設置、各工控機端口狀態的檢查、系統緩存清理等。系統優化后與優化前主要區別：IMCS系統不再對馬達保護器進行遠程啟停與復位;不再監控頻率、功率因數等參數;傳輸中控數據可在上位機畫面人工投入與切斷;系統整體運行周期時間縮短，電腦運行負荷量減少。目前，從已完成優化的3個站運行情況看，兩個站的系統運行穩定性有所提升，故障頻次下降;而另外一個站受工控機硬件故障等制約，系統仍不穩定。因此長期看，從系統架構上進行升級，才是最終解決問題的最有效途徑。即利用工業級控制系統，如PLC進行數據采集、處理和傳輸（去中控），工控機只作為MCC的監控站，這樣即便工控機出問題，也對中控監控無影響，從而可以提高數據的采集質量和工控機軟件運行的可靠性。

3? ? IMCS系統運行維護注意事項

為實現IMCS系統的長周期運行，應在運行維護期間注意以下幾點：

（1）針對設備、通信鏈路等需要現場排查確認的故障，建議維護人員配備相應的串口調試工具、筆記本電腦和通信軟件。同時熟悉系統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）建議現場備用回路的馬保盡可能上電，以減小由于Slave設備掉線對現有通信數據在時間延遲以及故障率上帶來的影響，提高通信質量和穩定性;如果備用回路長期不用，可以考慮在系統中不要將該設備配置進去。

（4）當現場沒有專用工具或技術手段判斷故障時，重啟電腦也是一種簡單直接的故障處理手段，其原理是當系統出現通信阻塞中斷或軟件故障時，重啟計算機的服務，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，波特率的設置應綜合考慮通信距離、電纜類型、通信干擾等因素。

4? ? 結語

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

[參考文獻]

[1] 施耐德電氣.IMCS系統維護手冊[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，從事化工企業電氣設備技術管理工作。