RS-485在DCS系統中的應用

摘要：針對DCS在工廠中推廣應用所面臨的與第三方系統通訊的問題，對常見的接口特性進行分析比較。在modbus協議與RS-485接口應用較為廣泛的背景下，已成為DCS與第三方系統的通訊方式選擇的首選項。從接入形式的各項條件分析來看，通過上位機與串口服務器能夠很好解決一個上位機同時對多個系統的通訊，光纖傳輸的普及很好解決了遠距離傳輸和抗干擾的問題。針對性的提出了通過對通訊至DCS的AI進行變化率分析來解決遠距離傳輸中第三方系統的狀態判斷，來提高通訊數據的可靠性。

關鍵詞：RS-485;接入方式;故障識別;可靠通訊

隨著控制技術和計算機技術的發展進步，工廠規模的擴大，DCS控制系統得到廣泛應用。DCS 是電力、冶金、石化等各個流程工業領域首選的控制系統，尤其內廣泛應用于電力工業[12]。以火力發電廠為例，以DCS 為核心的控制運行方式成為首選，但由于在DCS系統直接管控的核心系統以外，還存在非核心的次要系統。常見的有小型PLC 控制系統、獨立的DAU 記錄系統和工控機與特殊傳感器監測系統[10]。為了便于集中管控這類第三方系統，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做到與核心系統信息一起集中監控[6]。

根據三種通訊接口的特點，RS-485 接口在DCS 系統與第三方系統之間的通訊得到較為廣泛應用[5]。從而為決策者提供全廠設備運行的實時參數，便于快速的有效管控。本課題借助于在火力發電廠中，RS-485 在DCS 與第三方系統的通訊暴露出的問題進行分析，開展了故障情況收集、原因分析和參數優化。本課題開展的工作如下：

（1）通過在第三方系統與DCS 系統中的比對，提高數據的傳輸的實時性。

（2）根據故障現象采取針對性措施，增強DCS 與第三方系統的通訊的可靠性。

（3）對設備故障的關聯分析，通過參數優化等方法，實現通訊的實時有效、運行穩定、通訊可靠的目標。

1 DCS 與第三方系統通訊接入方式

DCS 系統的常見組成與結構如圖1 所示[3]。包括操作員站、工程師站、歷史站、輸出設備、分布式處理單元（DPU）及IO 模塊、電源、機柜等組成。通過高速網絡構成的局域網將這些設備連接，實現數據在設備中的傳遞、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 系統與第三方系統接入方式，采用該DCS 系統的專用通訊卡件。專用通訊卡件為DCS 設備提供，不同的DCS 系統卡件不相同且不通用。該卡件連接在分布式處理單元（DPU）下一級的IO 總線上。該類通訊卡件，一般具有不少于一個RS-485串口、不少于一個RS-232 串口，其中有兩個端口用HDLC 協議與跟DPU 進行通訊。剩下的串口可獨立設定為MODBUS 主站或從站，可方便與第三方MODBUS 設備進行通訊。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，如果第三方系統的通訊變量較多，勢必會增加DPU 的運算負荷。國家相關制度規定DPU 的運算負荷不能超過60%，通常采用獨立DCS 的第三方系統對實時性要求相對較低，DPU 的資源會優先考慮實時性要求較高的核心系統，所以這類通訊接入方式在與第三方系統通訊中較少采用。

1.2 通過串口服務器從DCS 上位機接入

綜合各種因素考慮，在DCS 系統與第三方系統的通訊中采用較為普遍的方式是通過串口服務器與DCS 上位機中的工程師站或通訊站連接[1]。該方式的優點在于1 個串口服務器可以同時接入多個獨立的第三方系統，接入示意圖如圖3 所示。當第三方系統與串口服務器距離一般超過100 米、傳輸的電纜要經過較強的干擾環境，采用如圖RS-485 接口1 與第三方系統A 的方式，傳輸介質采用光纖。當第三方系統與串口服務器距離小于100 米且傳輸電纜安放的環境沒有較強干擾信號，采用如圖RS-485 接口2 與第三方系統B的方式。

根據國家相關規定，DCS 上位機的負荷不能超過40%。由于工程師站或通訊站在邏輯組態完成后，只用于設備維護巡檢時參數查看，事故分析時調取歷史記錄，絕大多數時間處于空閑狀態。所以DCS 得上位機中的工程師站或通訊站成為與串口服務器連接的多數選擇[8]。

在連接完成后，需要在DCS 上位機上對通訊進行配置，以EDPF-NT 的DCS 采用modbus 為例[9]，需要配置的文件是eio.conf。一個IO 設備僅能同一個IP 地址上的一個端口通訊，冗余設備除外。如需從兩個或以上IP 地址獲取數據時，需要新添加IO 設備。如要與同一個IP 的多個端口進行通訊，也需要新添加IO 設備[4]。需要定義量有：IoDeviceCnt， logSize， DeviceID， Desc， protocol，協議可以選擇的有：modbus、modbustcp、simu、hkpb、hkff;aster， Timeout，Delay， Period， SubTask， LocalIP， LocalProt， RemoteIP， RemoteProt，bufcnt， SlaveID，type，unitCnt， startAddr，SlaveID，FuncCode， StartReg，RegCnt， PerioNo， MaxCommErr。

2 通訊中常見問題的分析

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

域號劃分如下表1 所示。從表中可以看出全多數DCS 控制域內都存在與第三方控制系統通訊的情況比例達66.66%，應用已很常見。常見的問題主要有以下兩類：第一類通訊不穩定，DCS 側畫面數據不能及時刷新;第二類通訊故障，導致DCS 畫面數據消失。

通過跟蹤發現2 號域的DCS 與2 號爐爐管泄漏監測系統，經常出現通訊不穩定，DCS 側畫面不能實時刷新。爐管泄漏監測系統的工控機常有死機現象，再處理好該故障點后仍然存在通訊不穩定的問題;傳輸的電纜檢查正常，并且電纜通道附近沒有強電磁場干擾;最后疑點鎖定在串口服務器上，根據當前通道通訊指示燈閃爍頻率和通訊實時參數刷新情況來看串口服務器該通道存在工作不穩定的情況，更換串口服務的通道后問題得以解決。

第二類通訊故障的問題主要出現在：串口服務器的電源、光電轉換器的電源及第三方系統電源等問題[7]。由于電廠的電纜槽盒、電纜溝多有多個電壓等級的電纜鋪設所以各種干擾信號存在比較突出，所以在較遠的傳輸都采用了光纖傳輸的形式[11]。從通訊信號流向看，單向傳輸占71.43%，主要用于從DCS 對第三方系統的監控。通常采用一個RS-485 接口對應上位機上的一個虛擬DPU，實現數據交換。例如第三方系統獨立性相對較強，或者傳輸的IO 點數較多，都會采用這種方式，比較便于數據分類管理及系統維護。對于一個RS-485 接口的傳輸的IO 點數很少，可以用上位機上的一個虛擬DPU 對應多個RS-85 傳輸的IO 點數都比較少的接口，有利于減少上位機上虛擬DPU 的數量。

3 相關參數的優化實現

3.1 通訊上位機運行參數優化

關于DCS 側上位機2：CCOM237 的CPU 負荷有偏高的情況發生的處理措施：1）定期檢查該上位機的CPU 負荷;2）盡可能減少該上位機的應用軟件的運行，將不必要運行的軟件關閉退出;3）找到該上位機CPU 運行偏高的真正原因。

根據以上處理措施的跟蹤發現，由于上位機2：CCOM237 在工程師站房間所處位置的關系，是平常用于設備維護、檢修和事故分析等工作最多的工程師站上位機。經常出現DCS 軟件以外的，可以不用連續運行的軟件處于運行狀態。定期檢查并關閉不必要運行的軟件;根據“任務管理器”->“性能”->“CPU 使用率”參數變化情況，有必要時對該上位機進行操作系統“注銷”或“重行啟動”，釋放內存，確保CPU 使用率<40%，達到國家相關的強制標準和規定。

3.2 通訊故障的及時反饋

鑒于第三方系統在DCS 系統的特殊性，解控運行人員不可能對它處在實時監視狀態下，甚至很長時間才會瀏覽一下相關的畫面?？赡茉诘谌较到y出現通訊故障后不會及時發現，增加報警邏輯當出現通訊故障時DCS 可以采用聲光報警或語音報警的方式及時提醒運行人員。

為了保證報警信息監測的可靠性，在DCS 與偏重要的第三方系統通訊會同時采用兩類報警方式。

4 通訊故障報警試驗

1）虛擬DPU 報警試驗

試驗方案：切斷含油廢水系統至DCS 側的光電轉換器電源。

DCS 報警形式：在DCS 匯總報警的熱控報警畫面顯示31 號域10 號DPU 卡件離線，在DCS 自檢畫面中出現31 號域10 號DPU卡件狀態小方塊從綠色變成變黃色。從報警反應時間，和相應的報警畫面顯示來看，試驗結果合格。

2）電源、運行狀態監視報警試驗

試驗方案：切斷2 號爐爐管泄漏監測系統的電源。

DCS 報警形式：在DCS 匯總報警的熱控報警畫面顯示2 號域36 號DPU 卡件離線，在DCS 自檢畫面中出現2 號域36 號DPU 卡件狀態小方塊從綠色變成變黃色。在爐管泄漏畫面中的電源和運行狀態指示從綠色變成了黃色。從報警反應時間，和相應的報警畫面顯示來看，試驗結果合格。

3）關鍵AI 變化率分析報警試驗

試驗方案：在制氫站系統選卻5 個AI：制氫系統壓力，制氫槽溫，氫分離器液位，氧中氫含量，露點儀溫度;在DCS 側的31 號域11號DPU中求取f （t） i ，其中t取值30S。

DCS 報警形式：經過一段時間的觀察，并沒有出現誤報的情況。當切斷制氫站PLC 的電源后，DCS 發出制氫站通訊故障報警。從相關報警畫面信息提示看，試驗結果合格。

5 結論

本課題利用具體工程的實際應用的相關統計數據進行分析，RS-485 在DCS 系統中的應用較為廣泛。光纖技術的進步和普及，使得通訊傳輸中使用較大波特率和抗干擾能力得到保證。針對第三方系統與DCS距離較遠的情況還提出了，利用在DCS側求取AI （t） i的變化率f （t） i，來判斷第三方系統通訊來的數據是否真實有效，增加了對系統故障的識別能力。

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作者簡介：

陳發（1980—），男，本科，工程師。主要從事火力發電廠熱控設備運維相關工作。

（國電織金發電有限公司，貴州 織金 552100）