控制系統(tǒng)線上智能巡檢解決方案

王永濤

（中石化北京燕山分公司，北京 102502）

隨著石油化工裝置的大型化和聯(lián)合化的發(fā)展，以及對危化品生產(chǎn)行業(yè)安全評估的要求，同一個(gè)機(jī)柜間內(nèi)勢必會安置多種不同的控制系統(tǒng)，比如用于裝置集散控制的DCS 系統(tǒng)，用于裝置緊急停車的SIS 系統(tǒng)，安全儀表獨(dú)立設(shè)置的GDS 系統(tǒng)，用于大型機(jī)組控制的CCS 系統(tǒng)等等。新的控制系統(tǒng)對石油化工裝置的大型化和聯(lián)合化起到了促進(jìn)和保證作用。但是目前大部分控制系統(tǒng)在投入使用后的日常運(yùn)維管理仍然有較大不足，日常巡檢還停留在人工逐個(gè)系統(tǒng)機(jī)柜巡回查看的方式，這樣不僅浪費(fèi)寶貴的人力資源，同時(shí)容易出現(xiàn)因人為疏忽導(dǎo)致的控制系統(tǒng)及輔助單元機(jī)柜設(shè)備的安全運(yùn)行隱患。因此迫切需要一套能為控制系統(tǒng)管理人員提供直觀、遠(yuǎn)程、便于長期記錄的智能巡檢解決方案。

1 控制系統(tǒng)日常巡檢

1.1 巡檢周期

巡檢是控制系統(tǒng)日常維護(hù)的一項(xiàng)重要工作。自控專業(yè)對控制系統(tǒng)（DCS、PLC、SIS、ESD 和CCS 等）的管理要求是定期對所轄區(qū)域內(nèi)不同系統(tǒng)的控制器、IO 卡件、電源模塊、通訊單元、繼電器和安全柵等設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行巡檢，如每天早上某一時(shí)間和晚上某一時(shí)間要求巡檢人員進(jìn)入機(jī)柜間內(nèi)對控制系統(tǒng)進(jìn)行巡檢。為保障控制系統(tǒng)的長周期穩(wěn)定運(yùn)行，最簡單的手段就是增加巡檢的次數(shù)，縮短對控制系統(tǒng)的巡檢時(shí)間間隔，便于更全面地了解機(jī)房內(nèi)各個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

1.2 控制系統(tǒng)巡檢內(nèi)容

1.2.1 供電系統(tǒng)

①各種在用直流空氣開關(guān)、交流空氣開關(guān)等電源開關(guān)無跳閘狀態(tài)；②電源運(yùn)行正常，無報(bào)警；不宜采用帶風(fēng)扇電源，如有風(fēng)扇，要求風(fēng)扇工作正常且無明顯積灰；③電源、開關(guān)、端子溫度正常，無明顯超溫現(xiàn)象；④供電電壓符合設(shè)備要求，且最大偏差小于5%；⑤輔助設(shè)備供電宜采用環(huán)形供電；機(jī)柜風(fēng)扇、照明等非系統(tǒng)電源采用其他獨(dú)立市電。

1.2.2 控制系統(tǒng)狀況

①調(diào)用系統(tǒng)狀態(tài)畫面，設(shè)備工作正常，系統(tǒng)、卡件無報(bào)警；②各類卡件指示燈顯示工作正常，卡件、電源模塊、安全柵、信號分配器、繼電器、開關(guān)和接線端子等無明顯超溫現(xiàn)象；③DCS 控制器負(fù)荷、SIS 和PLC 控制器的掃描周期不宜過大（滿足設(shè)計(jì)要求、生產(chǎn)需求）。

1.2.3 系統(tǒng)輔助設(shè)備

系統(tǒng)各輔助設(shè)備（機(jī)柜照明、風(fēng)扇、安全柵和空調(diào)等）運(yùn)行正常，無報(bào)警指示。

1.3 巡檢記錄

巡檢記錄可以直接反映巡檢人員對控制系統(tǒng)巡檢的結(jié)果，是體現(xiàn)控制系統(tǒng)機(jī)柜間設(shè)備運(yùn)行情況的重要依據(jù)。巡檢記錄的細(xì)致程度依不同區(qū)域、不同類型的控制系統(tǒng)有所差異，一般而言，比較關(guān)注于機(jī)柜間的環(huán)境信息，如溫度、濕度、控制系統(tǒng)的運(yùn)行指標(biāo)等內(nèi)容。

2 線上智能巡檢解決方案

各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)為了提高對各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的響應(yīng)速度，有效地管理生產(chǎn)，企業(yè)信息系統(tǒng)逐漸向扁平化、集成化方向發(fā)展，因此OPC 服務(wù)器成為集成于控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。OPC（OLE for Process Control）規(guī)范是實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)現(xiàn)場設(shè)備級與過程管理級進(jìn)行信息交互的關(guān)鍵技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)不同現(xiàn)場總線協(xié)議之間互操作的重要手段[1]。本文討論的控制系統(tǒng)線上智能巡檢的一項(xiàng)重要工作就是基于企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與實(shí)時(shí)監(jiān)測平臺的數(shù)據(jù)傳輸。

所有控制系統(tǒng)的日常巡檢所需的操作域、控制域、過程控制網(wǎng)、控制站、控制器、通訊節(jié)點(diǎn)和I/O 模塊等系統(tǒng)部件的運(yùn)行狀態(tài)和通訊情況上傳至OPC 服務(wù)器，由企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)上的OPC 客戶端讀取所需參數(shù)，并引入實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測。然后通過企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)絻x控部門的辦公電腦。自控系統(tǒng)運(yùn)維人員一旦發(fā)現(xiàn)某個(gè)運(yùn)行指標(biāo)顯示非正常狀態(tài)，再根據(jù)實(shí)時(shí)畫面上對應(yīng)的控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)，找出實(shí)際發(fā)生故障的設(shè)備，通知現(xiàn)場維護(hù)人員進(jìn)行實(shí)地檢查，在處理系統(tǒng)故障時(shí)應(yīng)根據(jù)控制系統(tǒng)說明書或檢修手冊的指導(dǎo)或提示進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)作業(yè)。歷史記錄查詢功能可對特定時(shí)間內(nèi)控制系統(tǒng)發(fā)生的故障進(jìn)行查看，顯示故障產(chǎn)生時(shí)間、設(shè)備、地址和恢復(fù)時(shí)間等信息。OPC 通訊架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 OPC 通訊架構(gòu)圖

線上巡檢可大大減少控制系統(tǒng)日常維護(hù)中的重復(fù)巡檢工作，大大降低儀控專業(yè)維護(hù)的人力成本，可集中技術(shù)和人員優(yōu)勢處理日常維護(hù)中例如大型機(jī)組特護(hù)、重點(diǎn)裝置儀表設(shè)備維護(hù)等更重要的工作。本文所討論的控制系統(tǒng)線上智能巡檢的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)線上智能巡檢的系統(tǒng)架構(gòu)圖

3 線上智能巡檢解決方案的實(shí)際應(yīng)用案例

本案例中現(xiàn)場機(jī)柜間內(nèi)有DCS 系統(tǒng)（浙江中控ECS-700）與SIS（Honeywell SM）系統(tǒng)，共11 面機(jī)柜，其中SIS 系統(tǒng)電源柜1 面，系統(tǒng)柜1 面，端子柜2 面；DCS 系統(tǒng)電源柜2 面，系統(tǒng)柜2 面，端子柜3 面。中控ECS-700 系統(tǒng)配套提供了串行通信模塊COM741-S，該模塊是ECS-700 系統(tǒng)的串行異構(gòu)設(shè)備接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備，通過擴(kuò)展I/O 總線，利用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（MODBUS RTU協(xié)議）和自定義協(xié)議將使用同樣通訊協(xié)議的第三方設(shè)備的數(shù)據(jù)聯(lián)入ECS-700 系統(tǒng)[2]。

3.1 SIS 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)線上監(jiān)控

SIS 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)通過RS485（RTU）總線通訊方式，傳輸至DCS 系統(tǒng)，由DCS 系統(tǒng)上傳至OPC 服務(wù)器，這樣，SIS 系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)就成功引入了實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測平臺，監(jiān)控畫面將SIS 系統(tǒng)的系統(tǒng)報(bào)警、輸入輸出故障、系統(tǒng)接地報(bào)警、系統(tǒng)電源故障、系統(tǒng)是否有強(qiáng)制點(diǎn)、系統(tǒng)溫度報(bào)警、控制網(wǎng)絡(luò)故障、I/O 卡件故障、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡故障等系統(tǒng)運(yùn)行信號全部用示意圖的方式顯示，其中綠色代表設(shè)備運(yùn)行正常無報(bào)警，紅色代表該設(shè)備有故障，需要立即去現(xiàn)場機(jī)柜間查看控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)并采取相應(yīng)處理措施。

3.2 DCS 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)線上監(jiān)控

該實(shí)際應(yīng)用案例中DCS 系統(tǒng)為浙江中控ECS-700 系統(tǒng)，組態(tài)軟件VF 支持OPC 通訊，自帶的OPC 服務(wù)器VFOPCSvr 可以將ECS-700 系統(tǒng)的下位機(jī)位號及域變量位號的數(shù)據(jù)信息傳遞給OPC 客戶端[3]。同時(shí)，VFOPCSvr 支持跨域應(yīng)用，即可以將引用域位號的數(shù)據(jù)信息提供給OPC 客戶端。除了一直開放的模擬量輸入/輸出、開關(guān)量輸入/輸出等數(shù)據(jù)信息外，OPC 服務(wù)器還開放系統(tǒng)狀態(tài)的位號信息。

3.2.1 開啟系統(tǒng)狀態(tài)位號

OPC 服務(wù)器開放系統(tǒng)狀態(tài)位號信息的功能需要手動開啟，步驟如下。

1）在VF 安裝目錄（如C：VisualField4）下，雙擊打開配置設(shè)置文件OPCConfig.ini。

2）將“SYSOPENENABLE=0”中的0 改為1。

3）右鍵單擊任務(wù)欄右側(cè)的VFOPCSvr 圖標(biāo)選擇“退出”，然后通過OPC 客戶端重新連接VFOPCSvr 或雙擊VF 安裝目錄下的VFOPCSvr.exe 重新打開。

3.2.2 查看位號信息

用戶可通過OPC 獲取ECS-700 系統(tǒng)中需要監(jiān)控的系統(tǒng)狀態(tài)位號。下面的操作是以標(biāo)準(zhǔn)OPC 客戶端為例進(jìn)行說明。操作步驟如下。

1）在FactorySoft OPC Client 軟件界面中選擇菜單命令【OPC//Connect…】，彈出對話框。

2）選擇【SUPCON.SCRTCore.1】后點(diǎn)擊【OK】按鈕。連接成功后，選擇菜單命令【OPC/Add Item…】，彈出標(biāo)準(zhǔn)OPC 客戶端操作頁面對話框。Browse items 列表中，位號名前帶短下劃線“_”就是開放的系統(tǒng)狀態(tài)位號。Item Name 位號“_IO_000_006_000_000_000.WORK”，表示該位號為IO 模塊的位號，數(shù)字為地址，后綴WORK為剛才選擇的字段。各類引用位號的含義如下。①_CS_xxx_xxx.YYYY：前綴CS 代表是控制器的位號，數(shù)字xxx 代表“控制域地址_控制站地址”，后綴YYYY為選擇的字段。②_CM_xxx_xxx_xxx.YYYY：前綴CM代表是通訊模塊的位號，數(shù)字xxx 代表“控制域地址_控制站地址_通訊模塊地址”，后綴YYYY 為選擇的字段。

3）在位號列表中選擇位號并在右側(cè)區(qū)域選擇其字段，單擊“Add Item”，逐個(gè)添加需要的位號。位號添加完成后單擊“Done”訂閱。

4）訂閱完成的位號將添加到OPC 主界面的位號列表中，診斷位號值與狀態(tài)的對照如圖3 所示。

圖3 OPC 位號列表

在圖3 所示的位號列表中，用戶可查看某個(gè)位號的具體信息。操作方法：右鍵單擊某位號，選擇“item properties”，彈出的窗口畫面即顯示該位號的位號數(shù)據(jù)類型、權(quán)限、描述等信息。點(diǎn)擊窗口下方的“Refresh”可以對位號信息進(jìn)行刷新操作。

3.2.3 支持的診斷位號

VFOPCSvr 可同時(shí)與多個(gè)OPC 客戶端程序進(jìn)行連接，每個(gè)連接可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)動態(tài)數(shù)據(jù)（位號）的交換。開放的系統(tǒng)I/O 模塊狀態(tài)位號類型見表1，開放的系統(tǒng)控制器狀態(tài)位號類型見表2，開放的系統(tǒng)通訊模塊狀態(tài)位號類型見表3。

表1 開放的系統(tǒng)I/O 模塊狀態(tài)位號類型

表2 開放的系統(tǒng)控制器狀態(tài)位號類型

表3 開放的系統(tǒng)通訊模塊狀態(tài)位號類型

開啟系統(tǒng)狀態(tài)位號后，控制系統(tǒng)硬件運(yùn)行狀態(tài)診斷位號可以通過OPC 服務(wù)器傳輸至實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測平臺，OPC 為基于Windows 的應(yīng)用程序和現(xiàn)場過程控制應(yīng)用建立橋梁[4]。系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控畫面中將DCS 系統(tǒng)的系統(tǒng)報(bào)警、輸入輸出故障、系統(tǒng)電源故障、控制網(wǎng)絡(luò)故障、I/O 卡件故障和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)卡故障等系統(tǒng)運(yùn)行信號全部用示意圖的方式直觀顯示，其中綠色為運(yùn)行正常無報(bào)警，紅色為該設(shè)備有故障，需要立即去現(xiàn)場機(jī)柜間查看處理。

將控制系統(tǒng)故障代碼、故障信息通過OPC 服務(wù)器上傳至辦公電腦的客戶端以后，完成了智能巡檢解決方案的初步方案，即數(shù)據(jù)采集和直觀顯示。

后期可進(jìn)一步為該解決方案設(shè)計(jì)一套控制系統(tǒng)故障診斷軟件，為整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個(gè)更加完善和智能的數(shù)據(jù)診斷軟件和一個(gè)更加友好的用戶界面。從功能上看，控制系統(tǒng)故障診斷軟件可分為2部分，即故障診斷部分和控制系統(tǒng)維護(hù)管理部分[5]。故障診斷部分包括故障診斷、故障分級（危險(xiǎn)等級）推送和數(shù)據(jù)庫管理3個(gè)功能模塊。故障診斷設(shè)計(jì)了一個(gè)故障查詢菜單以提供故障速查功能。在控制系統(tǒng)故障診斷的實(shí)際過程中，控制系統(tǒng)的某些故障極為簡單，系統(tǒng)自身的自診斷系統(tǒng)能夠識別這些故障并提供一個(gè)故障代碼，根據(jù)故障代碼查閱對應(yīng)控制系統(tǒng)的維護(hù)手冊和相關(guān)說明等資料就可以得到處理方法，無需進(jìn)行故障分析。通過檢索錯(cuò)誤代碼表的方式進(jìn)行速查，也是控制系統(tǒng)故障診斷軟件的一種輔助手段，在控制系統(tǒng)維護(hù)中有著很高的實(shí)用價(jià)值。故障分級推送功能可以將底層控制系統(tǒng)上傳的不同故障信息按照危險(xiǎn)緊急程度進(jìn)行分級，分為一般故障、重要故障和緊急故障，按照不同的故障分級將故障信息以短信等形式分級推送給不同級別的管理者（儀表班組、儀控車間、電儀中心），可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)發(fā)生故障后第一時(shí)間通知維護(hù)管理人員，做到及時(shí)通知、及時(shí)響應(yīng)、及時(shí)處理。數(shù)據(jù)庫管理則能很好地完成數(shù)據(jù)庫管理的功能，包括數(shù)據(jù)庫的檢驗(yàn)、轉(zhuǎn)化、添加和刪除等。控制系統(tǒng)維護(hù)管理部分包括數(shù)據(jù)點(diǎn)（位號）查詢、復(fù)雜控制回路說明（重要控制回路的PID參數(shù)）、維護(hù)記錄、備品備件、技術(shù)文檔、系統(tǒng)及應(yīng)用軟件、數(shù)據(jù)維護(hù)選項(xiàng)，為控制系統(tǒng)的維護(hù)和巡檢提供更加專業(yè)的數(shù)據(jù)支持。

線上智能巡檢解決方案為維護(hù)人員在對控制系統(tǒng)進(jìn)行日常巡檢維護(hù)時(shí)提供了更加高效準(zhǔn)確的實(shí)用方法，避免出現(xiàn)控制系統(tǒng)故障處理的盲目性和單純依靠專業(yè)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)象，也是控制系統(tǒng)長周期平穩(wěn)安全運(yùn)行必須配置的系統(tǒng)。線上智能巡檢解決方案具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）適用范圍廣，線上智能巡檢解決方案可以支持市面上幾乎所有的控制系統(tǒng)，包括DCS、SIS、GDS、CCS、PLC等各種支持MODBUS RS485協(xié)議和支持OPC協(xié)議的不同控制系統(tǒng)。只要建立了相應(yīng)控制系統(tǒng)的完善的數(shù)據(jù)庫，其可以支持各類控制設(shè)備的故障診斷、分級推送與維護(hù)管理。

2）實(shí)用性強(qiáng)，線上智能巡檢解決方案針對智能工廠控制系統(tǒng)巡檢維護(hù)的需求而開發(fā)，采用了故障查詢、故障診斷、故障推送等故障診斷和處理方式，比較符合控制系統(tǒng)維護(hù)人員的習(xí)慣。

4 結(jié)束語

線上智能巡檢方案的應(yīng)用與實(shí)踐在石油化工、醫(yī)藥、煤電等行業(yè)有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值，OPC 技術(shù)的成功應(yīng)用使得該解決方案有良好的靈活性和開放性[6]。通過智能巡檢解決方案不僅深化控制系統(tǒng)的自主維護(hù)，還為后續(xù)儀控專業(yè)對控制系統(tǒng)、輔助機(jī)柜等設(shè)備維修提供精準(zhǔn)依據(jù)；其更重要的意義是積累巡檢過程的歷史數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分析，為今后通過工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，提高儀表控制機(jī)柜間的智能化和控制系統(tǒng)長周期安全平穩(wěn)運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。