控制系統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合化的發展，以及對危化品生產行業安全評估的要求，同一個機柜間內勢必會安置多種不同的控制系統，比如用于裝置集散控制的DCS 系統，用于裝置緊急停車的SIS 系統，安全儀表獨立設置的GDS 系統，用于大型機組控制的CCS 系統等等。新的控制系統對石油化工裝置的大型化和聯合化起到了促進和保證作用。但是目前大部分控制系統在投入使用后的日常運維管理仍然有較大不足，日常巡檢還停留在人工逐個系統機柜巡回查看的方式，這樣不僅浪費寶貴的人力資源，同時容易出現因人為疏忽導致的控制系統及輔助單元機柜設備的安全運行隱患。因此迫切需要一套能為控制系統管理人員提供直觀、遠程、便于長期記錄的智能巡檢解決方案。

1 控制系統日常巡檢

1.1 巡檢周期

巡檢是控制系統日常維護的一項重要工作。自控專業對控制系統（DCS、PLC、SIS、ESD 和CCS 等）的管理要求是定期對所轄區域內不同系統的控制器、IO 卡件、電源模塊、通訊單元、繼電器和安全柵等設備的運行狀況進行巡檢，如每天早上某一時間和晚上某一時間要求巡檢人員進入機柜間內對控制系統進行巡檢。為保障控制系統的長周期穩定運行，最簡單的手段就是增加巡檢的次數，縮短對控制系統的巡檢時間間隔，便于更全面地了解機房內各個控制系統的運行情況。

1.2 控制系統巡檢內容

1.2.1 供電系統

①各種在用直流空氣開關、交流空氣開關等電源開關無跳閘狀態；②電源運行正常，無報警；不宜采用帶風扇電源，如有風扇，要求風扇工作正常且無明顯積灰；③電源、開關、端子溫度正常，無明顯超溫現象；④供電電壓符合設備要求，且最大偏差小于5%；⑤輔助設備供電宜采用環形供電；機柜風扇、照明等非系統電源采用其他獨立市電。

1.2.2 控制系統狀況

①調用系統狀態畫面，設備工作正常，系統、卡件無報警；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、開關和接線端子等無明顯超溫現象；③DCS 控制器負荷、SIS 和PLC 控制器的掃描周期不宜過大（滿足設計要求、生產需求）。

1.2.3 系統輔助設備

系統各輔助設備（機柜照明、風扇、安全柵和空調等）運行正常，無報警指示。

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巡檢的結果，是體現控制系統機柜間設備運行情況的重要依據。巡檢記錄的細致程度依不同區域、不同類型的控制系統有所差異，一般而言，比較關注于機柜間的環境信息，如溫度、濕度、控制系統的運行指標等內容。

2 線上智能巡檢解決方案

各個生產企業為了提高對各個生產環節的響應速度，有效地管理生產，企業信息系統逐漸向扁平化、集成化方向發展，因此OPC 服務器成為集成于控制系統的一個重要組成部分。OPC（OLE for Process Control）規范是實現控制系統現場設備級與過程管理級進行信息交互的關鍵技術，也是實現不同現場總線協議之間互操作的重要手段[1]。本文討論的控制系統線上智能巡檢的一項重要工作就是基于企業內部網絡與實時監測平臺的數據傳輸。

所有控制系統的日常巡檢所需的操作域、控制域、過程控制網、控制站、控制器、通訊節點和I/O 模塊等系統部件的運行狀態和通訊情況上傳至OPC 服務器，由企業內部網絡上的OPC 客戶端讀取所需參數，并引入實時狀態監測。然后通過企業內部網絡，傳輸到儀控部門的辦公電腦。自控系統運維人員一旦發現某個運行指標顯示非正常狀態，再根據實時畫面上對應的控制系統硬件架構，找出實際發生故障的設備，通知現場維護人員進行實地檢查，在處理系統故障時應根據控制系統說明書或檢修手冊的指導或提示進行相應的維護作業。歷史記錄查詢功能可對特定時間內控制系統發生的故障進行查看，顯示故障產生時間、設備、地址和恢復時間等信息。OPC 通訊架構如圖1 所示。

圖1 OPC 通訊架構圖

線上巡檢可大大減少控制系統日常維護中的重復巡檢工作，大大降低儀控專業維護的人力成本，可集中技術和人員優勢處理日常維護中例如大型機組特護、重點裝置儀表設備維護等更重要的工作。本文所討論的控制系統線上智能巡檢的系統架構圖如圖2 所示。

圖2 控制系統線上智能巡檢的系統架構圖

3 線上智能巡檢解決方案的實際應用案例

本案例中現場機柜間內有DCS 系統（浙江中控ECS-700）與SIS（Honeywell SM）系統，共11 面機柜，其中SIS 系統電源柜1 面，系統柜1 面，端子柜2 面；DCS 系統電源柜2 面，系統柜2 面，端子柜3 面。中控ECS-700 系統配套提供了串行通信模塊COM741-S，該模塊是ECS-700 系統的串行異構設備接入網關設備，通過擴展I/O 總線，利用標準協議（MODBUS RTU協議）和自定義協議將使用同樣通訊協議的第三方設備的數據聯入ECS-700 系統[2]。

3.1 SIS 系統運行狀態線上監控

SIS 系統運行狀態通過RS485（RTU）總線通訊方式，傳輸至DCS 系統，由DCS 系統上傳至OPC 服務器，這樣，SIS 系統的運行狀態參數就成功引入了實時狀態監測平臺，監控畫面將SIS 系統的系統報警、輸入輸出故障、系統接地報警、系統電源故障、系統是否有強制點、系統溫度報警、控制網絡故障、I/O 卡件故障、數據轉發卡故障等系統運行信號全部用示意圖的方式顯示，其中綠色代表設備運行正常無報警，紅色代表該設備有故障，需要立即去現場機柜間查看控制系統運行狀態并采取相應處理措施。

3.2 DCS 系統運行狀態線上監控

該實際應用案例中DCS 系統為浙江中控ECS-700 系統，組態軟件VF 支持OPC 通訊，自帶的OPC 服務器VFOPCSvr 可以將ECS-700 系統的下位機位號及域變量位號的數據信息傳遞給OPC 客戶端[3]。同時，VFOPCSvr 支持跨域應用，即可以將引用域位號的數據信息提供給OPC 客戶端。除了一直開放的模擬量輸入/輸出、開關量輸入/輸出等數據信息外，OPC 服務器還開放系統狀態的位號信息。

3.2.1 開啟系統狀態位號

OPC 服務器開放系統狀態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，雙擊打開配置設置文件OPCConfig.ini。

2）將“SYSOPENENABLE=0”中的0 改為1。

3）右鍵單擊任務欄右側的VFOPCSvr 圖標選擇“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 系統中需要監控的系統狀態位號。下面的操作是以標準OPC 客戶端為例進行說明。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】后點擊【OK】按鈕。連接成功后，選擇菜單命令【OPC/Add Item…】，彈出標準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“_”就是開放的系統狀態位號。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區域選擇其字段，單擊“Add Item”，逐個添加需要的位號。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據類型、權限、描述等信息。點擊窗口下方的“Refresh”可以對位號信息進行刷新操作。

3.2.3 支持的診斷位號

VFOPCSvr 可同時與多個OPC 客戶端程序進行連接，每個連接可同時進行多個動態數據（位號）的交換。開放的系統I/O 模塊狀態位號類型見表1，開放的系統控制器狀態位號類型見表2，開放的系統通訊模塊狀態位號類型見表3。

表1 開放的系統I/O 模塊狀態位號類型

表2 開放的系統控制器狀態位號類型

表3 開放的系統通訊模塊狀態位號類型

開啟系統狀態位號后，控制系統硬件運行狀態診斷位號可以通過OPC 服務器傳輸至實時狀態監測平臺，OPC 為基于Windows 的應用程序和現場過程控制應用建立橋梁[4]。系統狀態監控畫面中將DCS 系統的系統報警、輸入輸出故障、系統電源故障、控制網絡故障、I/O 卡件故障和數據轉發卡故障等系統運行信號全部用示意圖的方式直觀顯示，其中綠色為運行正常無報警，紅色為該設備有故障，需要立即去現場機柜間查看處理。

將控制系統故障代碼、故障信息通過OPC 服務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，即數據采集和直觀顯示。

后期可進一步為該解決方案設計一套控制系統故障診斷軟件，為整個系統設計一個更加完善和智能的數據診斷軟件和一個更加友好的用戶界面。從功能上看，控制系統故障診斷軟件可分為2部分，即故障診斷部分和控制系統維護管理部分[5]。故障診斷部分包括故障診斷、故障分級（危險等級）推送和數據庫管理3個功能模塊。故障診斷設計了一個故障查詢菜單以提供故障速查功能。在控制系統故障診斷的實際過程中，控制系統的某些故障極為簡單，系統自身的自診斷系統能夠識別這些故障并提供一個故障代碼，根據故障代碼查閱對應控制系統的維護手冊和相關說明等資料就可以得到處理方法，無需進行故障分析。通過檢索錯誤代碼表的方式進行速查，也是控制系統故障診斷軟件的一種輔助手段，在控制系統維護中有著很高的實用價值。故障分級推送功能可以將底層控制系統上傳的不同故障信息按照危險緊急程度進行分級，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），可實現控制系統發生故障后第一時間通知維護管理人員，做到及時通知、及時響應、及時處理。數據庫管理則能很好地完成數據庫管理的功能，包括數據庫的檢驗、轉化、添加和刪除等。控制系統維護管理部分包括數據點（位號）查詢、復雜控制回路說明（重要控制回路的PID參數）、維護記錄、備品備件、技術文檔、系統及應用軟件、數據維護選項，為控制系統的維護和巡檢提供更加專業的數據支持。

線上智能巡檢解決方案為維護人員在對控制系統進行日常巡檢維護時提供了更加高效準確的實用方法，避免出現控制系統故障處理的盲目性和單純依靠專業技術人員經驗的現象，也是控制系統長周期平穩安全運行必須配置的系統。線上智能巡檢解決方案具有以下優點。

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，包括DCS、SIS、GDS、CCS、PLC等各種支持MODBUS RS485協議和支持OPC協議的不同控制系統。只要建立了相應控制系統的完善的數據庫，其可以支持各類控制設備的故障診斷、分級推送與維護管理。

2）實用性強，線上智能巡檢解決方案針對智能工廠控制系統巡檢維護的需求而開發，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，比較符合控制系統維護人員的習慣。

4 結束語

線上智能巡檢方案的應用與實踐在石油化工、醫藥、煤電等行業有廣泛的推廣應用價值，OPC 技術的成功應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的自主維護，還為后續儀控專業對控制系統、輔助機柜等設備維修提供精準依據；其更重要的意義是積累巡檢過程的歷史數據，通過對數據的分析，為今后通過工業大數據分析，提高儀表控制機柜間的智能化和控制系統長周期安全平穩運行奠定基礎。