控制系统线上智能巡检解决方案.pdf

方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期控制系统线上智能巡检解决方案王永涛（中石化北京燕山分公司，北京 102502）随着石油化工装置的大型化和联合化的发展，以及对危化品生产行业安全评估的要求，同一个机柜间内势必会安置多种不同的控制系统，比如用于装置集散控制的 DCS 系统，用于装置紧急停车的 SIS 系统，安全仪表独立设置的 GDS 系统，用于大型机组控制的 CCS 系统等等。新的控制系统对石油化工装置的大型化和联合化起到了促进和保证作用。但是目前大部分控制系统在投入使用后的日常运维管理仍然有较大不足，日常巡检还停留在人工逐个系统机柜巡回查看的方式，这样不仅浪费宝贵的人力资源，同时容易出现因人为疏忽导致的控制系统及辅助单元机柜设备的安全运行隐患。因此迫切需要一套能为控制系统管理人员提供直观、远程、便于长期记录的智能巡检解决方案。1控制系统日常巡检1.1巡检周期巡检是控制系统日常维护的一项重要工作。自控专业对控制系统（DCS、PLC、SIS、ESD 和 CCS 等）的管理要求是定期对所辖区域内不同系统的控制器、IO 卡件、电源模块、通讯单元、继电器和安全栅等设备的运行状况进行巡检，如每天早上某一时间和晚上某一时间要求巡检人员进入机柜间内对控制系统进行巡检。为保障控制系统的长周期稳定运行，最简单的手段就是增加巡检的次数，缩短对控制系统的巡检时间间隔，便于更全面地了解机房内各个控制系统的运行情况。1.2控制系统巡检内容1.2.1供电系统淤各种在用直流空气开关、交流空气开关等电源开关无跳闸状态；于电源运行正常，无报警；不宜采用带风扇电源，如有风扇，要求风扇工作正常且无明显积灰；盂电源、开关、端子温度正常，无明显超温现象；榆供电电压符合设备要求，且最大偏差小于 5%；虞辅助设备供电宜采用环形供电；机柜风扇、照明等非系统电源采用其他独立市电。1.2.2控制系统状况淤调用系统状态画面，设备工作正常，系统、卡件无报警；于各类卡件指示灯显示工作正常，卡件、电源作者简介：王永涛（1986-），男，工程师。研究方向为仪表自动化。摘要：针对传统控制系统日常巡检的工作内容，讨论控制系统（DCS、PLC、SIS、ESD 和 CCS 等）实现智能巡检的可行性方案，提出基于不同系统间的 RS485 通讯与 OPC 通讯实现控制系统线上智能巡检的解决方案。实现控制系统工作状态线上场景可视化的智能巡检方案，该控制系统智能巡检方案适用于化工、医药、煤电等行业控制系统的日常巡检，具有较好的推广意义。关键词：OPC 通讯；RS485 通讯；控制系统；可视化；智能巡检中图分类号院TN915.04文献标志码院A文章编号院2095-2945渊2023冤27-0121-05Abstract:Aiming at the daily inspection work of the traditional control system,this paper discusses the feasible scheme ofrealizing the intelligent patrol inspection of the control system(DCS,PLC,SIS,ESD and CCS,et al.),and puts forward a solutionto realize the online intelligent patrol inspection of the control system based on RS485 communication and OPC communicationbetween different systems.The intelligent inspection scheme to realize the visualization of the online scene of the working status ofthe control system,and the intelligent inspection scheme of the control system is suitable for the daily inspection of the controlsystem of chemical industry,medicine,coal power and other industries,and has good popularizing significance.Keywords:OPC communication;RS485 communication;control system;visualization;intelligent patrol inspectionDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.27.029121-2023 年 27 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application模块、安全栅、信号分配器、继电器、开关和接线端子等无明显超温现象；盂DCS 控制器负荷、SIS 和 PLC 控制器的扫描周期不宜过大（满足设计要求、生产需求）。1.2.3系统辅助设备系统各辅助设备（机柜照明、风扇、安全栅和空调等）运行正常，无报警指示。1.3巡检记录巡检记录可以直接反映巡检人员对控制系统巡检的结果，是体现控制系统机柜间设备运行情况的重要依据。巡检记录的细致程度依不同区域、不同类型的控制系统有所差异，一般而言，比较关注于机柜间的环境信息，如温度、湿度、控制系统的运行指标等内容。2线上智能巡检解决方案各个生产企业为了提高对各个生产环节的响应速度，有效地管理生产，企业信息系统逐渐向扁平化、集成化方向发展，因此 OPC 服务器成为集成于控制系统的一个重要组成部分。OPC（OLE for Process Control）规范是实现控制系统现场设备级与过程管理级进行信息交互的关键技术，也是实现不同现场总线协议之间互操作的重要手段1。本文讨论的控制系统线上智能巡检的一项重要工作就是基于企业内部网络与实时监测平台的数据传输。所有控制系统的日常巡检所需的操作域、控制域、过程控制网、控制站、控制器、通讯节点和 I/O 模块等系统部件的运行状态和通讯情况上传至 OPC 服务器，由企业内部网络上的 OPC 客户端读取所需参数，并引入实时状态监测。然后通过企业内部网络，传输到仪控部门的办公电脑。自控系统运维人员一旦发现某个运行指标显示非正常状态，再根据实时画面上对应的控制系统硬件架构，找出实际发生故障的设备，通知现场维护人员进行实地检查，在处理系统故障时应根据控制系统说明书或检修手册的指导或提示进行相应的维护作业。历史记录查询功能可对特定时间内控制系统发生的故障进行查看，显示故障产生时间、设备、地址和恢复时间等信息。OPC 通讯架构如图 1 所示。线上巡检可大大减少控制系统日常维护中的重复巡检工作，大大降低仪控专业维护的人力成本，可集中技术和人员优势处理日常维护中例如大型机组特护、重点装置仪表设备维护等更重要的工作。本文所讨论的控制系统线上智能巡检的系统架构图如图 2 所示。图 1OPC 通讯架构图图 2控制系统线上智能巡检的系统架构图3线上智能巡检解决方案的实际应用案例本案例中现场机柜间内有 DCS 系统（浙江中控ECS-700）与 SIS（Honeywell SM）系统，共 11 面机柜，其中 SIS 系统电源柜 1 面，系统柜 1 面，端子柜 2 面；DCS 系统电源柜 2 面，系统柜 2 面，端子柜 3 面。中控ECS-700 系统配套提供了串行通信模块 COM741-S，该模块是 ECS-700 系统的串行异构设备接入网关设备，通过扩展 I/O 总线，利用标准协议（MODBUS RTU协议）和自定义协议将使用同样通讯协议的第三方设备的数据联入 ECS-700 系统2。3.1SIS 系统运行状态线上监控SIS 系统运行状态通过 RS485（RTU）总线通讯方式，传输至 DCS 系统，由 DCS 系统上传至 OPC 服务器，这样，SIS 系统的运行状态参数就成功引入了实时状态监测平台，监控画面将 SIS 系统的系统报警、输入输出故障、系统接地报警、系统电源故障、系统是否有强制点、系统温度报警、控制网络故障、I/O 卡件故障、数据转发卡故障等系统运行信号全部用示意图的方式PLCDCSOPC HDA 服务器OPC A&E 服务器OPC DA 客户端OPC DA 服务器OPC DA 服务器COM/DCOMCOM/DCOM报警管理OPC A&E 客户端历史趋势记录OPC HDA 客户端办公电脑 1办公电脑 N企业内网企业内网防火墙TCP/IP电源柜、辅助机柜等风扇、照明、电源模块运行状态机柜间温湿度等环境参数SIS 运行参数CCS 运行参数GDS 运行参数RS485RS485RS485DCS 控制系统OPC 服务器OPC 客户端122-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期位号类别诊断项描述位号引用格式位号引用示例诊断值ECS-700抑制关系IO模块表示IO模块故障_IO_域地址_站地址_通讯模块地址_机架地址_通道地址.HDW_IO_002_001_004_005_000.HDW(002为控制域地址，001为控制站地址，004为通讯模块地址，005为机架地址，000为IO模块地址)OFF:正常ON:故障被控制器A/B网通讯故障、通讯模块丢失、E-BUS通讯状态抑制表示IO模块工作/备用状态_IO_域地址_站地址_通讯模块地址_机架地址_通道地址.WORK._IO_002_002_004_005_002.WORKOFF:备用ON:工作被控制器A/B网通讯故障、通讯模块丢失、E-BUS通讯状态抑制表 1开放的系统 I/O 模块状态位号类型显示，其中绿色代表设备运行正常无报警，红色代表该设备有故障，需要立即去现场机柜间查看控制系统运行状态并采取相应处理措施。3.2DCS 系统运行状态线上监控该实际应用案例中 DCS 系统为浙江中控 ECS-700 系统，组态软件 VF 支持 OPC 通讯，自带的 OPC 服务器 VFOPCSvr 可以将 ECS-700 系统的下位机位号及域变量位号的数据信息传递给 OPC 客户端3。同时，VFOPCSvr 支持跨域应用，即可以将引用域位号的数据信息提供给 OPC 客户端。除了一直开放的模拟量输入/输出、开关量输入/输出等数据信息外，OPC 服务器还开放系统状态的位号信息。3.2.1开启系统状态位号OPC 服务器开放系统状态位号信息的功能需要手动开启，步骤如下。1）在 VF 安装目录（如 C：VisualField4）下，双击打开配置设置文件 OPCConfig.ini。2）将“SYSOPENENABLE=0”中的 0 改为 1。3）右键单击任务栏右侧的 VFOPCSvr 图标选择“退出”，然后通过 OPC 客户端重新连接 VFOPCSvr 或双击 VF 安装目录下的 VFOPCSvr.exe 重新打开。3.2.2查看位号信息用户可通过 OPC 获取 ECS-700 系统中需要监控的系统状态位号。下面的操作是以标准 OPC 客户端为例进行说明。操作步骤如下。1）在 FactorySoft OPC Client 软件界面中选择菜单命令【OPC/Connect】，弹出对话框。2）选择【SUPCON.SCRTCore.1】后点击【OK】按钮。连接成功后，选择菜单命令【OPC/Add Item】，弹出标准 OPC 客户端操作页面对话框。Browse items 列表中，位号名前带短下划线“_”就是开放的系统状态位号。Item Name 位号“_IO_000_006_000_000_000.WORK”，表示该位号为 IO 模块的位号，数字为地址，后缀WORK为刚才选择的字段。各类引用位号的含义如下。淤_CS_xxx_xxx.YYYY：前缀 CS 代表是控制器的位号，数字 xxx 代表“控制域地址 _ 控制站地址”，后缀 YYYY为选择的字段。于_CM_xxx_xxx_xxx.YYYY：前缀 CM代表是通讯模块的位号，数字 xxx 代表“控制域地址 _控制站地址 _ 通讯模块地址”，后缀 YYYY 为选择的字段。3）在位号列表中选择位号并在右侧区域选择其字段，单击“Add Item”，逐个添加需要的位号。位号添加完成后单击“Done”订阅。4）订阅完成的位号将添加到 OPC 主界面的位号列表中，诊断位号值与状态的对照如图 3 所示。注：OPC 位号列表提示为 OPC 服务器对外提供的诊断值是0 和 1，此处演示的 OPC 标准客户端采用 BOOL 类型的方式订阅信息，所以显示的是 ON 和 OFF。OFF 对应诊断值 0，ON 对应诊断值 1。图 3OPC 位号列表在图 3 所示的位号列表中，用户可查看某个位号的具体信息。操作方法：右键单击某位号，选择“itemproperties”，弹出的窗口画面即显示该位号的位号数据类型、权限、描述等信息。点击窗口下方的“Refresh”可以对位号信息进行刷新操作。3.2.3支持的诊断位号VFOPCSvr 可同时与多个 OPC 客户端程序进行连接，每个连接可同时进行多个动态数据（位号）的交换。开放的系统 I/O 模块状态位号类型见表 1，开放的系统控制器状态位号类型见表 2，开放的系统通讯模块状态位号类型见表 3。123-2023 年 27 期方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application位号类别诊断项描述位号引用格式位号引用示例诊断值ECS-700 抑制关系控制器表示左侧控制器硬件异常_CS_域地址_站地址.HDWL_CS_002_004.HDWL（002为控制域地址，004为控制站地址）OFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示右侧控制器硬件异常_CS_域地址_站地址.HDWR_CS_002_002.HDWROFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示左侧控制器组态异常_CS_域地址_站地址.CFGL_CS_002_002.CFGLOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示右侧控制器组态异常_CS_域地址_站地址.CFGR_CS_002_002.CFGROFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示左侧控制器SCNetA 网通讯故障_CS_域地址_站地址.SCNETAL_CS_002_002.SCNETALOFF:正常ON:故障-表示右侧控制器SCNetA 网通讯故障_CS_域地址_站地址.SCNETAR_CS_002_002.SCNETAROFF:正常ON:故障-表示左侧控制器SCNet B网通讯故障_CS_域地址_站地址.SCNETBL_CS_002_002.SCNETBLOFF:正常ON:故障-表示右侧控制器SCNet B网通讯故障_CS_域地址_站地址.SCNETBR_CS_002_002.SCNETBROFF:正常ON:故障-表示控制器24Va故障_CS_域地址_站地址.PWA_CS_002_002.PWAOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示控制器24Vb 故障_CS_域地址_站地址.PWB_CS_002_002.PWBOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示左侧控制器工作/备用标志_CS_域地址_站地址.WORKL_CS_002_002.WORKLOFF:备用ON:工作被控制器 A/B网通讯故障抑制表示右侧控制器工作/备用标志_CS_域地址_站地址.WORKR_CS_002_002.WORKROFF:备用ON:工作被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示左侧控制器L-BUS(ECS-700)通讯状态_CS_域地址_站地址 LBUSL_CS_002_002.LBUSLOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示右侧控制器L-BUS(ECS-700)通讯状态_CS_域地址_站地址 LBUSR_CS_002_002.LBUSROFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示左侧控制器E-BUS 通讯状态_CS_域地址_站地址.EBUSL_CS_002_002.EBUSLOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示右侧控制器E-BUS 通讯状态_CS_域地址_站地址.EBUSR_CS_002_002.EBUSROFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示左侧控制器SNTP故障_CS_域地址_站地址.SNTPL_CS_002_002.SNTPLOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示右侧控制器SNTP故障_CS_域地址_站地址.SNTPR_CS_002_002.SNTPROFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示左侧控制器电池故障_CS_域地址_站地址.BATL_CS_002_002.BATLOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表示右侧控制器电池故障_CS_域地址_站地址.BATR_CS_002_002.BATROFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障抑制表 2开放的系统控制器状态位号类型位号类别诊断项描述位号引用格式位号引用示例诊断值ECS-700 抑制关系通讯模块表示右侧通讯模块工作/备用标志_CM_域地址_站地址_通讯模块地址.WORKR_CM_002_002_004.WORKROFF:备用ON:工作被控制器 A/B 网通讯故障、通讯模块丢失、E-BUS 通讯状态抑制表示左侧通讯模块丢失_CM_域地址_站地址_通讯模块地址.LOSTL_CM_002_002_004.LOSTLOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障、E-BUS 通讯状态抑制表示右侧通讯模块丢失_CM_域地址_站地址_通讯模块地址.LOSTR_CM_002_003_004.LOSTROFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障、E-BUS 通讯状态抑制表示左侧通讯模块LBUS(ECS-700)故障(COM741、COM721、OM722不提供)_CM_域地址_站地址_通讯模块地址.LBUSL_CM_002_002_004.LBUSLOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障、通讯模块丢失、E-BUS 通讯状态抑制表示右侧通讯模块LBUS(ECS-700)故障(COM741、COM721、OM722不提供)_CM_域地址_站地址_通讯模块地址.LBUSR_CM_002_003_004.LBUSROFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障、通讯模块丢失、E-BUS 通讯状态抑制表示左侧通信模块E-BUS 通讯状态_CM_域地址_站地址_通讯模块地址.EBUSL_CM_002_002_004.EBUSLOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障、通讯模块丢失、E-BUS 通讯状态抑制表示右侧通信模块E-BUS 通讯状态_CM_域地址_站地址_通讯模块地址.EBUSR_CM_002_002_004.EBUSROFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障、通讯模块丢失、E-BUS 通讯状态抑制表示通讯模块 24Va故障(COM741 不提供)_CM_域地址_站地址_通讯模块地址.PWA_CM_002_002_004.PWAOFF:正常ON:故障被控制器 A/B 网通讯故障、通讯模块丢失、E-BUS 通讯状态抑制表示左侧通讯模块工作/备用标志_CM_域地址_站地址_通讯模块地址.WORKL_CM_002_000_004.WORKL(002 为控制域地址,000 为控制站地,004 为通讯模块地址)OFF:备用ON:工作被控制器 A/B 网通讯故障、通讯模块丢失、E-BUS 通讯状态抑制表 3开放的系统通讯模块状态位号类型124-方法创新科技创新与应用Technology Innovation and Application2023 年 27 期开启系统状态位号后，控制系统硬件运行状态诊断位号可以通过 OPC 服务器传输至实时状态监测平台，OPC 为基于 Windows 的应用程序和现场过程控制应用建立桥梁4。系统状态监控画面中将 DCS 系统的系统报警、输入输出故障、系统电源故障、控制网络故障、I/O 卡件故障和数据转发卡故障等系统运行信号全部用示意图的方式直观显示，其中绿色为运行正常无报警，红色为该设备有故障，需要立即去现场机柜间查看处理。将控制系统故障代码、故障信息通过 OPC 服务器上传至办公电脑的客户端以后，完成了智能巡检解决方案的初步方案，即数据采集和直观显示。后期可进一步为该解决方案设计一套控制系统故障诊断软件，为整个系统设计一个更加完善和智能的数据诊断软件和一个更加友好的用户界面。从功能上看，控制系统故障诊断软件可分为2部分，即故障诊断部分和控制系统维护管理部分5。故障诊断部分包括故障诊断、故障分级（危险等级）推送和数据库管理3个功能模块。故障诊断设计了一个故障查询菜单以提供故障速查功能。在控制系统故障诊断的实际过程中，控制系统的某些故障极为简单，系统自身的自诊断系统能够识别这些故障并提供一个故障代码，根据故障代码查阅对应控制系统的维护手册和相关说明等资料就可以得到处理方法，无需进行故障分析。通过检索错误代码表的方式进行速查，也是控制系统故障诊断软件的一种辅助手段，在控制系统维护中有着很高的实用价值。故障分级推送功能可以将底层控制系统上传的不同故障信息按照危险紧急程度进行分级，分为一般故障、重要故障和紧急故障，按照不同的故障分级将故障信息以短信等形式分级推送给不同级别的管理者（仪表班组、仪控车间、电仪中心），可实现控制系统发生故障后第一时间通知维护管理人员，做到及时通知、及时响应、及时处理。数据库管理则能很好地完成数据库管理的功能，包括数据库的检验、转化、添加和删除等。控制系统维护管理部分包括数据点（位号）查询、复杂控制回路说明（重要控制回路的PID参数）、维护记录、备品备件、技术文档、系统及应用软件、数据维护选项，为控制系统的维护和巡检提供更加专业的数据支持。线上智能巡检解决方案为维护人员在对控制系统进行日常巡检维护时提供了更加高效准确的实用方法，避免出现控制系统故障处理的盲目性和单纯依靠专业技术人员经验的现象，也是控制系统长周期平稳安全运行必须配置的系统。线上智能巡检解决方案具有以下优点。1）适用范围广，线上智能巡检解决方案可以支持市面上几乎所有的控制系统，包括DCS、SIS、GDS、CCS、PLC等各种支持MODBUS RS485协议和支持OPC协议的不同控制系统。只要建立了相应控制系统的完善的数据库，其可以支持各类控制设备的故障诊断、分级推送与维护管理。2）实用性强，线上智能巡检解决方案针对智能工厂控制系统巡检维护的需求而开发，采用了故障查询、故障诊断、故障推送等故障诊断和处理方式，比较符合控制系统维护人员的习惯。4结束语线上智能巡检方案的应用与实践在石油化工、医药、煤电等行业有广泛的推广应用价值，OPC 技术的成功应用使得该解决方案有良好的灵活性和开放性6。通过智能巡检解决方案不仅深化控制系统的自主维护，还为后续仪控专业对控制系统、辅助机柜等设备维修提供精准依据；其更重要的意义是积累巡检过程的历史数据，通过对数据的分析，为今后通过工业大数据分析，提高仪表控制机柜间的智能化和控制系统长周期安全平稳运行奠定基础。参考文献院1 赵峰，王霞.OPC 和以太网技术在现场总线中的应用J.泰州职业技术学院学报，2011，11（2）：63-66.2 ECS-700 系统说明书：COM741-S 使用手册Z.3 浙江中控技术股份有限公司.系统状态诊断软件使用手册IM41S74-CZ.4 陈迪泉.OPC 技术与服务器开发J.广东通信技术，2005，25（5）：6-11.5 许颖原，俞金寿.DCS 故障诊断专家系统中知识自动获取的研究J.自动化仪表，2000，21（6）：14-16.6 周国宾.OPC 技术在选煤厂自动化中的应用J.煤炭技术，2006（9）：89-90.125-