提高电气低压前置机与仪表DCS通讯稳定性研究

（中海石油宁波大榭石化有限公司 浙江 315812）

引言

随着电气自动化及通讯新技术的发展和应用，电气监控系统已实现通过光缆、网线等通讯方式与DCS控制系统对接，提升了装置一体化控制水平。但通讯稳定性一直是影响监控系统与控制系统保持通讯畅通的关键因素。目前，我公司三期馏分油项目共有低压通讯控制柜13面，前置通讯机服务器23台。通过RS485接口和ModBus通讯协议与仪表DCS系统对接，在实际过程中经常遇到偶发性中断（180s后自动恢复正常），通讯稳定性无法保证。

因此，为了提升电气监控系统与仪表DCS控制系统的稳定性，让各装置操作人员能及时掌握现场电气设备运行参数，提升控制精度，特将提高电气低压前置机与仪表DCS通讯稳定性，选做本次研究的对象。

1.现状调查

针对低压通讯中断情况，2018年6月至2019年10月，组织对全厂剩余23台华健前置通讯服务器通讯电缆更换为屏蔽电缆、对采样程序进行优化，并更换部分服务器后，催化变、重整变、加氢变和乙苯变仍然无法达到正常运行需要。低压通讯仍然有中断情况出现。通讯稳定性无法保证。

2.故障深入分析

2020年5月，针对低压前置机与仪表DCS通讯中断，导致DCS组态画面设备运行状态及参数不准确的问题进行分析，对可能造成这一结果的各种原因进行反复讨论，经汇总归类，总结出以下几点可能引起通讯中断的原因。

（1）通讯线屏蔽能力不够，受高压电缆干扰导致通讯中断；

（2）ModBus通讯数据量大，超出服务器收发承载能力；

（3）电气通讯服务器与仪表DCS卡件存在通讯不兼容现象；

（4）通讯前置服务器自身CPU运行负荷过高，达不到数据通讯要求；

（5）设备无法准确判断通讯协议内容，系统程序有误或存在病毒。

3.末端因素验证及要因确认

(1)物理层串口协议类型错误

判定依据：目前串口支持的物理层协议类型包括RS232、RS422、RS485（在用）。小组成员按照这三种协议类型，分别与设备串口连接，发送设备初始化命令，检测设备串口输出数据帧。

测试结果：显示三种串口协议类型均无数据帧输出。

(2)无用通讯点多

判定依据：检查低压综保通讯点表配置数据库，是否有电压、电流及开关状态以外的，无用通讯数据点。

测试结果：检查微机保护装置表，仅有电压电流及开关状态，不存在无用信息点。

(3)电磁干扰

判定依据：电力设备产生的电磁干扰在监控系统通信电缆屏蔽层上的感应电压值应＜0.5V。2018年10月小组成员对所有通信电缆屏蔽层进行了测量。

测量结果：用专用设备测量屏蔽电压为0.28V＜0.5V，满足通讯要求。

(4)计算机病毒

判定依据：低压前置服务器除完成电气监控及通讯工作外，不得进行其他工作，以防感染计算机病毒。同时，运行人员定期对微机进行病毒扫描，要求计算机病毒感染数为0。

检查结果：小组成员对与DCS通信的服务器进行计算机病毒扫描，未发现程序中有病毒存在。

(5)前置机CPU运行负荷高

判定依据：服务器CPU负荷率，空载运行下不大于20%，满负荷运行下状态不大于25%。服务器通讯直接与低压综保和DCS通信相连，如因服务器CPU负荷率过高，将导致通讯延迟和通讯中断。

图1 主板驱动程序优化

检查结果：

表1

服务器CPU平均负荷率=94.45%＞＞22.5%。CPU运行负荷率高，是造成通讯中断的主要原因。

4.针对要因进行改进方案制定

根据前置机CPU运行负荷率高的主要原因，参考厂家建议后商定，优化前置机服务器主板驱动程序。在通讯检测软件的检测下发现，主板通讯传输量占总CPU负荷并不高，占用大量负荷的主要为通讯程序中的自检程序和串口复位程序。

因此，对前置机服务器主板驱动程序进行重新编译和优化。

（1）增加内部总线数据读取休眠进程；

（2）修改总线数据读取结构，取消自检；

（3）延长内部总线非正常串口复位程序时间。

具体措施：在CPU主板驱动程序中，增加内部总线休眠逻辑；取消自检；延长内部总线非正常串口复位程序时间（100s延长至2000s）。程序改动如图1。

程序优化结果；在对通讯程序中的自检程序和串口复位程序重新进行编译后，对其中一台前置机进行在线调试。

测试内容：

以发生中断最多的催化变IMCS02柜前置机A60-B为测试对象，接入所有27个下行串口。

测试环境：

网络接口协议：IEC 104；上层串口协议：modbus；下层串口协议：RS485；

通讯信号量总数：3225；转发接口数：1。

测试结果如图2。

图2 前置机主板程序优化调试结果

测试结果：经过一个月的测试，CPU负荷率由98.8%降低至4.7%显著提升了低压前置机与DCS通讯稳定性。2020年5月，对全厂其余22台通讯服务器主板驱动和通讯程序进行了优化升级，经过四个月的运行观察，未发生因服务器原因的通讯中断，且主板驱动程序优化后，通讯灯始终在保持畅通。

5.结束语

根据现有变电所概算，通过前置机程序优化节约成本如下：

前置机服务器（含光纤、上下层通讯接口等），价格约占IMCS系统总价的60%，即12×0.6÷2=3.6万元/台，太平厂区共有服务器23台，费用总计约82.8万元；

安装调试费用，每台0.36万元，共需：0.36×23=8.28万元。

管理效益：提升了个人在电气微机综保、低压通讯系统和DCS系统之间通讯连接及调试方面的业务能力。为装置生产调整和分析提供了可靠的参考依据，为今后电气系统与DCS系统的通讯结构方式奠定了基础。