提高電氣低壓前置機與儀表DCS通訊穩定性研究

（中海石油寧波大榭石化有限公司 浙江 315812）

引言

隨著電氣自動化及通訊新技術的發展和應用，電氣監控系統已實現通過光纜、網線等通訊方式與DCS控制系統對接，提升了裝置一體化控制水平。但通訊穩定性一直是影響監控系統與控制系統保持通訊暢通的關鍵因素。目前，我公司三期餾分油項目共有低壓通訊控制柜13面，前置通訊機服務器23臺。通過RS485接口和ModBus通訊協議與儀表DCS系統對接，在實際過程中經常遇到偶發性中斷（180s后自動恢復正常），通訊穩定性無法保證。

因此，為了提升電氣監控系統與儀表DCS控制系統的穩定性，讓各裝置操作人員能及時掌握現場電氣設備運行參數，提升控制精度，特將提高電氣低壓前置機與儀表DCS通訊穩定性，選做本次研究的對象。

1.現狀調查

針對低壓通訊中斷情況，2018年6月至2019年10月，組織對全廠剩余23臺華健前置通訊服務器通訊電纜更換為屏蔽電纜、對采樣程序進行優化，并更換部分服務器后，催化變、重整變、加氫變和乙苯變仍然無法達到正常運行需要。低壓通訊仍然有中斷情況出現。通訊穩定性無法保證。

2.故障深入分析

2020年5月，針對低壓前置機與儀表DCS通訊中斷，導致DCS組態畫面設備運行狀態及參數不準確的問題進行分析，對可能造成這一結果的各種原因進行反復討論，經匯總歸類，總結出以下幾點可能引起通訊中斷的原因。

（1）通訊線屏蔽能力不夠，受高壓電纜干擾導致通訊中斷；

（2）ModBus通訊數據量大，超出服務器收發承載能力；

（3）電氣通訊服務器與儀表DCS卡件存在通訊不兼容現象；

（4）通訊前置服務器自身CPU運行負荷過高，達不到數據通訊要求；

（5）設備無法準確判斷通訊協議內容，系統程序有誤或存在病毒。

3.末端因素驗證及要因確認

(1)物理層串口協議類型錯誤

判定依據：目前串口支持的物理層協議類型包括RS232、RS422、RS485（在用）。小組成員按照這三種協議類型，分別與設備串口連接，發送設備初始化命令，檢測設備串口輸出數據幀。

測試結果：顯示三種串口協議類型均無數據幀輸出。

(2)無用通訊點多

判定依據：檢查低壓綜保通訊點表配置數據庫，是否有電壓、電流及開關狀態以外的，無用通訊數據點。

測試結果：檢查微機保護裝置表，僅有電壓電流及開關狀態，不存在無用信息點。

(3)電磁干擾

判定依據：電力設備產生的電磁干擾在監控系統通信電纜屏蔽層上的感應電壓值應＜0.5V。2018年10月小組成員對所有通信電纜屏蔽層進行了測量。

測量結果：用專用設備測量屏蔽電壓為0.28V＜0.5V，滿足通訊要求。

(4)計算機病毒

判定依據：低壓前置服務器除完成電氣監控及通訊工作外，不得進行其他工作，以防感染計算機病毒。同時，運行人員定期對微機進行病毒掃描，要求計算機病毒感染數為0。

檢查結果：小組成員對與DCS通信的服務器進行計算機病毒掃描，未發現程序中有病毒存在。

(5)前置機CPU運行負荷高

判定依據：服務器CPU負荷率，空載運行下不大于20%，滿負荷運行下狀態不大于25%。服務器通訊直接與低壓綜保和DCS通信相連，如因服務器CPU負荷率過高，將導致通訊延遲和通訊中斷。

圖1 主板驅動程序優化

檢查結果：

表1

服務器CPU平均負荷率=94.45%＞＞22.5%。CPU運行負荷率高，是造成通訊中斷的主要原因。

4.針對要因進行改進方案制定

根據前置機CPU運行負荷率高的主要原因，參考廠家建議后商定，優化前置機服務器主板驅動程序。在通訊檢測軟件的檢測下發現，主板通訊傳輸量占總CPU負荷并不高，占用大量負荷的主要為通訊程序中的自檢程序和串口復位程序。

因此，對前置機服務器主板驅動程序進行重新編譯和優化。

（1）增加內部總線數據讀取休眠進程；

（2）修改總線數據讀取結構，取消自檢；

（3）延長內部總線非正常串口復位程序時間。

具體措施：在CPU主板驅動程序中，增加內部總線休眠邏輯；取消自檢；延長內部總線非正常串口復位程序時間（100s延長至2000s）。程序改動如圖1。

程序優化結果；在對通訊程序中的自檢程序和串口復位程序重新進行編譯后，對其中一臺前置機進行在線調試。

測試內容：

以發生中斷最多的催化變IMCS02柜前置機A60-B為測試對象，接入所有27個下行串口。

測試環境：

網絡接口協議：IEC 104；上層串口協議：modbus；下層串口協議：RS485；

通訊信號量總數：3225；轉發接口數：1。

測試結果如圖2。

圖2 前置機主板程序優化調試結果

測試結果：經過一個月的測試，CPU負荷率由98.8%降低至4.7%顯著提升了低壓前置機與DCS通訊穩定性。2020年5月，對全廠其余22臺通訊服務器主板驅動和通訊程序進行了優化升級，經過四個月的運行觀察，未發生因服務器原因的通訊中斷，且主板驅動程序優化后，通訊燈始終在保持暢通。

5.結束語

根據現有變電所概算，通過前置機程序優化節約成本如下：

前置機服務器（含光纖、上下層通訊接口等），價格約占IMCS系統總價的60%，即12×0.6÷2=3.6萬元/臺，太平廠區共有服務器23臺，費用總計約82.8萬元；

安裝調試費用，每臺0.36萬元，共需：0.36×23=8.28萬元。

管理效益：提升了個人在電氣微機綜保、低壓通訊系統和DCS系統之間通訊連接及調試方面的業務能力。為裝置生產調整和分析提供了可靠的參考依據，為今后電氣系統與DCS系統的通訊結構方式奠定了基礎。