RS-485在DCS系统中的应用

摘要：针对DCS在工厂中推广应用所面临的与第三方系统通讯的问题，对常见的接口特性进行分析比较。在modbus协议与RS-485接口应用较为广泛的背景下，已成为DCS与第三方系统的通讯方式选择的首选项。从接入形式的各项条件分析来看，通过上位机与串口服务器能够很好解决一个上位机同时对多个系统的通讯，光纤传输的普及很好解决了远距离传输和抗干扰的问题。针对性的提出了通过对通讯至DCS的AI进行变化率分析来解决远距离传输中第三方系统的状态判断，来提高通讯数据的可靠性。

关键词：RS-485;接入方式;故障识别;可靠通讯

随着控制技术和计算机技术的发展进步，工厂规模的扩大，DCS控制系统得到广泛应用。DCS 是电力、冶金、石化等各个流程工业领域首选的控制系统，尤其内广泛应用于电力工业[12]。以火力发电厂为例，以DCS 为核心的控制运行方式成为首选，但由于在DCS系统直接管控的核心系统以外，还存在非核心的次要系统。常见的有小型PLC 控制系统、独立的DAU 记录系统和工控机与特殊传感器监测系统[10]。为了便于集中管控这类第三方系统，可以通过RS-232、RS-422 及RS-485 等的接口方式传输，将信息传至DCS做到与核心系统信息一起集中监控[6]。

根据三种通讯接口的特点，RS-485 接口在DCS 系统与第三方系统之间的通讯得到较为广泛应用[5]。从而为决策者提供全厂设备运行的实时参数，便于快速的有效管控。本课题借助于在火力发电厂中，RS-485 在DCS 与第三方系统的通讯暴露出的问题进行分析，开展了故障情况收集、原因分析和参数优化。本课题开展的工作如下：

（1）通过在第三方系统与DCS 系统中的比对，提高数据的传输的实时性。

（2）根据故障现象采取针对性措施，增强DCS 与第三方系统的通讯的可靠性。

（3）对设备故障的关联分析，通过参数优化等方法，实现通讯的实时有效、运行稳定、通讯可靠的目标。

1 DCS 与第三方系统通讯接入方式

DCS 系統的常见组成与结构如图1 所示[3]。包括操作员站、工程师站、历史站、输出设备、分布式处理单元（DPU）及IO 模块、电源、机柜等组成。通过高速网络构成的局域网将这些设备连接，实现数据在设备中的传递、交换和共享[2]。

1.1 通过专用的RS-485 通讯卡件接入

该类型的DCS 系统与第三方系统接入方式，采用该DCS 系统的专用通讯卡件。专用通讯卡件为DCS 设备提供，不同的DCS 系统卡件不相同且不通用。该卡件连接在分布式处理单元（DPU）下一级的IO 总线上。该类通讯卡件，一般具有不少于一个RS-485串口、不少于一个RS-232 串口，其中有两个端口用HDLC 协议与跟DPU 进行通讯。剩下的串口可独立设定为MODBUS 主站或从站，可方便与第三方MODBUS 设备进行通讯。该类专用通讯卡件原理图如图2[2]所示。

由于该类通讯接入方式是专用通讯卡件直接挂在分布式处理单元DPU 的IO 总线上，如果第三方系统的通讯变量较多，势必会增加DPU 的运算负荷。国家相关制度规定DPU 的运算负荷不能超过60%，通常采用独立DCS 的第三方系统对实时性要求相对较低，DPU 的资源会优先考虑实时性要求较高的核心系统，所以这类通讯接入方式在与第三方系统通讯中较少采用。

1.2 通过串口服务器从DCS 上位机接入

综合各种因素考虑，在DCS 系统与第三方系统的通讯中采用较为普遍的方式是通过串口服务器与DCS 上位机中的工程师站或通讯站连接[1]。该方式的优点在于1 个串口服务器可以同时接入多个独立的第三方系统，接入示意图如图3 所示。当第三方系统与串口服务器距离一般超过100 米、传输的电缆要经过较强的干扰环境，采用如图RS-485 接口1 与第三方系统A 的方式，传输介质采用光纤。当第三方系统与串口服务器距离小于100 米且传输电缆安放的环境没有较强干扰信号，采用如图RS-485 接口2 与第三方系统B的方式。

根据国家相关规定，DCS 上位机的负荷不能超过40%。由于工程师站或通讯站在逻辑组态完成后，只用于设备维护巡检时参数查看，事故分析时调取历史记录，绝大多数时间处于空闲状态。所以DCS 得上位机中的工程师站或通讯站成为与串口服务器连接的多数选择[8]。

在连接完成后，需要在DCS 上位机上对通讯进行配置，以EDPF-NT 的DCS 采用modbus 为例[9]，需要配置的文件是eio.conf。一个IO 设备仅能同一个IP 地址上的一个端口通讯，冗余设备除外。如需从两个或以上IP 地址获取数据时，需要新添加IO 设备。如要与同一个IP 的多个端口进行通讯，也需要新添加IO 设备[4]。需要定义量有：IoDeviceCnt， logSize， DeviceID， Desc， protocol，协议可以选择的有：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 通讯中常见问题的分析

DCS 与第三方系统通讯中存在很多问题，下面以某火力发电厂的DCS 系统与其它系统通讯中存在的问题为例加以分析，该厂装机容量：660MW×2。全厂DCS 控制系统以国电智深EDPF-NT 为主。

域号划分如下表1 所示。从表中可以看出全多数DCS 控制域内都存在与第三方控制系统通讯的情况比例达66.66%，应用已很常见。常见的问题主要有以下两类：第一类通讯不稳定，DCS 侧画面数据不能及时刷新;第二类通讯故障，导致DCS 画面数据消失。

通过跟踪发现2 号域的DCS 与2 号炉炉管泄漏监测系统，经常出现通讯不稳定，DCS 侧画面不能实时刷新。炉管泄漏监测系统的工控机常有死机现象，再处理好该故障点后仍然存在通讯不稳定的问题;传输的电缆检查正常，并且电缆通道附近没有强电磁场干扰;最后疑点锁定在串口服务器上，根据当前通道通讯指示灯闪烁频率和通讯实时参数刷新情况来看串口服务器该通道存在工作不稳定的情况，更换串口服务的通道后问题得以解决。

第二类通讯故障的问题主要出现在：串口服务器的电源、光电转换器的电源及第三方系统电源等问题[7]。由于电厂的电缆槽盒、电缆沟多有多个电压等级的电缆铺设所以各种干扰信号存在比较突出，所以在较远的传输都采用了光纤传输的形式[11]。从通讯信号流向看，单向传输占71.43%，主要用于从DCS 对第三方系统的监控。通常采用一个RS-485 接口对应上位机上的一个虚拟DPU，实现数据交换。例如第三方系统独立性相对较强，或者传输的IO 点数较多，都会采用这种方式，比较便于数据分类管理及系统维护。对于一个RS-485 接口的传输的IO 点数很少，可以用上位机上的一个虚拟DPU 对应多个RS-85 传输的IO 点数都比较少的接口，有利于减少上位机上虚拟DPU 的数量。

3 相关参数的优化实现

3.1 通讯上位机运行参数优化

关于DCS 侧上位机2：CCOM237 的CPU 负荷有偏高的情况发生的处理措施：1）定期检查该上位机的CPU 负荷;2）尽可能减少该上位机的应用软件的运行，将不必要运行的软件关闭退出;3）找到该上位机CPU 运行偏高的真正原因。

根据以上处理措施的跟踪发现，由于上位机2：CCOM237 在工程师站房间所处位置的关系，是平常用于设备维护、检修和事故分析等工作最多的工程师站上位机。经常出现DCS 软件以外的，可以不用连续运行的软件处于运行状态。定期检查并关闭不必要运行的软件;根据“任务管理器”->“性能”->“CPU 使用率”参数变化情况，有必要时对该上位機进行操作系统“注销”或“重行启动”，释放内存，确保CPU 使用率<40%，达到国家相关的强制标准和规定。

3.2 通讯故障的及时反馈

鉴于第三方系统在DCS 系统的特殊性，解控运行人员不可能对它处在实时监视状态下，甚至很长时间才会浏览一下相关的画面。可能在第三方系统出现通讯故障后不会及时发现，增加报警逻辑当出现通讯故障时DCS 可以采用声光报警或语音报警的方式及时提醒运行人员。

为了保证报警信息监测的可靠性，在DCS 与偏重要的第三方系统通讯会同时采用两类报警方式。

4 通讯故障报警试验

1）虚拟DPU 报警试验

试验方案：切断含油废水系统至DCS 侧的光电转换器电源。

DCS 报警形式：在DCS 汇总报警的热控报警画面显示31 号域10 号DPU 卡件离线，在DCS 自检画面中出现31 号域10 号DPU卡件状态小方块从绿色变成变黄色。从报警反应时间，和相应的报警画面显示来看，试验结果合格。

2）电源、运行状态监视报警试验

试验方案：切断2 号炉炉管泄漏监测系统的电源。

DCS 报警形式：在DCS 汇总报警的热控报警画面显示2 号域36 号DPU 卡件离线，在DCS 自检画面中出现2 号域36 号DPU 卡件状态小方块从绿色变成变黄色。在炉管泄漏画面中的电源和运行状态指示从绿色变成了黄色。从报警反应时间，和相应的报警画面显示来看，试验结果合格。

3）关键AI 变化率分析报警试验

试验方案：在制氢站系统选却5 个AI：制氢系统压力，制氢槽温，氢分离器液位，氧中氢含量，露点仪温度;在DCS 侧的31 号域11号DPU中求取f （t） i ，其中t取值30S。

DCS 报警形式：经过一段时间的观察，并没有出现误报的情况。当切断制氢站PLC 的电源后，DCS 发出制氢站通讯故障报警。从相关报警画面信息提示看，试验结果合格。

5 结论

本课题利用具体工程的实际应用的相关统计数据进行分析，RS-485 在DCS 系统中的应用较为广泛。光纤技术的进步和普及，使得通讯传输中使用较大波特率和抗干扰能力得到保证。针对第三方系统与DCS距离较远的情况还提出了，利用在DCS侧求取AI （t） i的变化率f （t） i，来判断第三方系统通讯来的数据是否真实有效，增加了对系统故障的识别能力。

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作者简介：

陈发（1980—），男，本科，工程师。主要从事火力发电厂热控设备运维相关工作。

（国电织金发电有限公司，贵州 织金 552100）