摘要: 計量?jì)x表在企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化、計量結算等方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用。借助 ＲS485 總線(xiàn)技術(shù)實(shí)現計量?jì)x表數據采集是企業(yè)實(shí)現信息化、智能化的根本保障。文章通過(guò)對現有數采系統通訊存在的問(wèn)題，進(jìn)行了深入分析，優(yōu)化調整現有總線(xiàn)和通訊采集結構，確保了系統穩定可靠傳輸，提升了儀表運行監測水平，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供了及時(shí)準確計量數據。

 

目前大部分計量?jì)x表都具備 ＲS485 通訊接口，同時(shí) ＲS485 總線(xiàn)技術(shù)因具有可靠性高，結構簡(jiǎn)單，速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于計量?jì)x表數據采集與監控系統中。目前天津分公司具有貿易交接及部際互供各種能源物料計量?jì)x表 342 條回路，介質(zhì)涵蓋原油、天然氣、成品油、水、電、汽、風(fēng) 等 40 種。各種計量?jì)x表都通過(guò)應用 ＲS485 總線(xiàn)技術(shù)組成能源物料數據采集監控系統，自投入運行

以來(lái)，在企業(yè)計量結算、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化、降本減費方面發(fā)揮了重大作用。

 

1 現狀及問(wèn)題

1. 1 現狀

為實(shí)現企業(yè)計量?jì)x表信息化管理，早在 2003年筆者公司就基于 ＲS485 總線(xiàn)技術(shù)，應用 IFix 組態(tài)軟件建立起計量?jì)x表數據采集 SCADA 系統，目前儀表采集點(diǎn)數 3 300 余點(diǎn)。公司每年管輸能源物料如天然氣 ( 3. 42 億 Nm3 ) 、原油( 1 202 萬(wàn) t) 、成品油 ( 170. 96 萬(wàn) t) 、新鮮水 ( 1 011. 38 萬(wàn) t) 、蒸汽 ( 1 033. 06 萬(wàn) t) 、氮氧氣 ( 2. 35 億 Nm3 ) 的計量結算都依靠該 SCADA 系統采集的基礎數據，同時(shí)為公司級管理系統如實(shí)時(shí)數據庫、計量管理信息系統、MES 等提供數據支撐。該系統的網(wǎng)絡(luò )結構如圖 1 所示。 

1. 2 存在問(wèn)題

隨著(zhù)企業(yè)規模的不斷擴大，系統接入的采集儀表數量、種類(lèi)不斷增多，近幾年在數據通訊傳輸方面出現了一些問(wèn)題，給計量監控及結算帶來(lái)不小的困擾，主要有如下表現。 

( 1) 計量?jì)x表通訊響應速率降低，延遲較大，部分儀表返回數據在 1 min 甚至更長(cháng)時(shí)間。 

( 2) 一些站點(diǎn)數據采集出現時(shí)斷時(shí)續情況。

 ( 3) 公司生產(chǎn)部門(mén) MES 系統班報要求在計量人員在 30 min 內完成 342 臺儀表數據報送，經(jīng)常出現采集中斷，人員手工應急錄入導致超時(shí)提報，容易受考核，給班組人員帶來(lái)不小壓力。

 ( 4) 頻繁數據中斷，給計量運行狀態(tài)監控、計量結算帶來(lái)極大影響，容易出現計量糾紛。

 

 2 原因分析

為徹底解決采集系統通訊存在的問(wèn)題，確保數據傳輸穩定可靠，我們從 ＲS485 通訊總線(xiàn)結構、計量?jì)x表通訊協(xié)議 ( Modbus ＲTU) 、IFix 軟件通訊組態(tài)等各項內容進(jìn)行了分析排查。 

 

2. 1 ＲS485 總線(xiàn)

ＲS485 采用半雙工工作方式，支持多點(diǎn)數據通信。ＲS485 采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現通信，#大的通信距離約為 1 219 m，#大傳輸速率為 10 Mb /s，傳輸速率與傳輸距離成反比，在 10 kb /s 的傳輸速率下，才可以達到#大的通信距離，如果需傳輸更長(cháng)的距離，需要加 485 中繼器。 ＲS485 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )拓撲一般采用終端匹配的總線(xiàn)型結構。即采用一條總線(xiàn)將各個(gè)節點(diǎn)串接起來(lái)，不支持環(huán)形或星型網(wǎng)絡(luò )。ＲS485 總線(xiàn)一般#大支持 32個(gè)節點(diǎn)。

 

系統建設初期由于缺少 ＲS485 總線(xiàn)結構整體規劃，為了實(shí)施方便采用了錯誤的組網(wǎng)方式，雖然該方式在儀表數量不多，數據訪(fǎng)問(wèn)量不大時(shí)也能通訊，但為后期儀表數量增多時(shí)埋下隱患，嚴重影響通訊速率。錯誤的總線(xiàn)連接方式如圖 2 所示。

2. 2 Modubs 通訊協(xié)議

Modbus 是一種串行通信協(xié)議，已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域通信協(xié)議的業(yè)界標準，目前大多數計量?jì)x表都具有 ＲS485 通訊接口，支持 Modbus 通訊協(xié)議。 Modbus 協(xié)議采用 master/slave 架構。有一個(gè)節點(diǎn)是master 節點(diǎn)，其他使用 Modbus 協(xié)議參與通信的節

點(diǎn)是 slave 節點(diǎn)。每一個(gè) slave 設備都有一個(gè)非常好的地址。

 

目前中心管理的 342 臺計量?jì)x表按結構可分為 ( 質(zhì) 量、渦 街、電 磁、差 壓、超 聲、容 積 式、流量積算儀) 7 類(lèi) 20 余個(gè)廠(chǎng)家不同型號的產(chǎn)品。這些產(chǎn)品都標明完全遵循標準 Modbus ＲTU 協(xié)議。但當現場(chǎng)總線(xiàn)接在一起進(jìn)行組網(wǎng)通訊時(shí)，出現了問(wèn)題，為此我們開(kāi)展了測試。

 

測試結果表明: 進(jìn)口質(zhì)量流量計通訊性能兼容性較好，部分國產(chǎn)計量?jì)x表協(xié)議標準不規范，同一回路連接超過(guò) 3 種類(lèi)型 10 臺以上儀表通訊會(huì )出現收發(fā)超時(shí)，數據解析異常等情況，其中中斷嚴重的煉油站儀表超時(shí)率 1. 22‰ ( 允差 0. 5‰) 、重試率 0. 85‰ ( 允差 0. 5‰) 、錯誤率 54. 8‰ ( 允 差 1‰) 、超載率 11. 1‰ ( 允差 1‰) ，整體通訊速率低。 

 

2. 3 IFix 通訊組態(tài)配置

IFix 軟件組態(tài)配置方法流程如圖 3 所示。

對儀表通訊速率有重要影響的配置在于1和2兩步本次針對步驟1中的 I/O 驅動(dòng)配置進(jìn)行查驗。中心數采系統應用 IFix 的 I/O 驅動(dòng)為 MB1 ( 7. x 版 本) 定義串口端口號、主站地址、響應超時(shí)、重試、延遲時(shí)間。

 

經(jīng)過(guò)現場(chǎng)檢查各站配置，在驅動(dòng)器中增加儀表且不同儀表配置在同一 COM 口時(shí)，系統驅動(dòng)器MB1 的 配 置 選 項: 主 輪 詢(xún) 速 率 ( Primary Poll Ｒate) 、響應超時(shí)都采用了默認配置的 1 秒，這樣在通道儀表過(guò)且存在通訊協(xié)議兼容性差的情況下會(huì )出現在儀表還未來(lái)及響應時(shí)上位機重復發(fā)送讀取數據的情況，從而出現通訊延時(shí)。同時(shí)在組態(tài)時(shí)將儀表流量、溫度、壓力、累計等各寄存器地址分開(kāi)塊組態(tài)的情況，在上述多參數讀取時(shí)上位機需要單好發(fā)送每條讀取指令，效率嚴重降低。

 

 3 總線(xiàn)及采集結構優(yōu)化

3. 1 ＲS485 總線(xiàn)優(yōu)化調整

( 1) ＲS485 布線(xiàn)不可以布置成星型接線(xiàn)與樹(shù)形接線(xiàn)。ＲS485 布線(xiàn)規范是必須手牽手的布線(xiàn)，如直接布設成星型連接和樹(shù)形連接，很容易造成信號反射導致總線(xiàn)不穩定。很多施工方不規范布線(xiàn)，在儀表數量不斷增多時(shí)，采集通訊出現了問(wèn)題。針對 ＲS485 總線(xiàn)組網(wǎng)方式錯誤的問(wèn)題，將現場(chǎng)或盤(pán)柜內每條 ＲS485 回路儀表連接方式按照標準菊花鏈 ( daisy-chained) 方式連接在一起，如圖4 所示。

( 2) 在每臺處于總線(xiàn)末端的儀表通訊端口都增設了 250Ω 電阻，以此消除環(huán)境溫度變化有可能對總線(xiàn)回路電阻帶來(lái)的影響。 

 

3. 2 通訊協(xié)議標準化改造

( 1) Modbus ＲTU 協(xié)議轉換為標準 Modbus TCP協(xié)議。根據分析及現場(chǎng)測試得出的部分儀表 Modb- us ＲTU 協(xié)議不標準以及兼容性差，我們應用 MOX- A 公司 NPOＲT5630 串口服務(wù)器替換原來(lái)的研華多串口辦卡 CP-118EL，實(shí)現非標準協(xié)議到標準協(xié)議轉換，轉換為 Modbus TCP 協(xié)議后同時(shí)也解決了多臺上位機同時(shí)采集一臺儀表數據問(wèn)題。 

( 2) 將現場(chǎng)不同廠(chǎng)商儀表進(jìn)行分類(lèi)，同一類(lèi)型的分配至串口服務(wù)器的同一 COM 口進(jìn)行采集。能夠規避協(xié)議兼容性影響的同時(shí)，由于該串口服務(wù)器都具有多個(gè) COM 口，為以后系統擴充升級打下了基礎。

 

3. 3 IFix 通驅動(dòng)標準化改造

( 1) 將上位機 iFix 采集軟件中驅動(dòng)程序由原來(lái)的 MB1 驅動(dòng) ( Modbus ＲTU 協(xié)議) 變更為 MBE驅動(dòng) ( Modbus Ethernet TCP 協(xié)議) ，以完成協(xié)議標準化轉換。 

( 2) 修改驅動(dòng)器中儀表參數寄存器地址讀取方式。由流量、溫度、壓力、密度、累計分別讀取的方式改為配置成一個(gè)包一次讀取。

 ( 3) 對 MBE 驅動(dòng)器中每臺儀表主輪詢(xún)時(shí)間、響應超時(shí)、等待時(shí)間、重試次數等關(guān)鍵通訊參數進(jìn)行優(yōu)化調整。如適當降低主輪詢(xún)時(shí)間 ( 1 s 變?yōu)? s) ，以避免頻繁發(fā)送讀取數據而儀表不能及時(shí)響應造成的信息獲取超時(shí)、擁堵、識別錯誤等故障發(fā)生。此處需結合現場(chǎng)通道連接儀表數量做出相應設置，為經(jīng)驗值，無(wú)法統一固定。 

 

4 優(yōu)化效果

( 1) 通過(guò)應用 iFix 軟件任務(wù)管理對各采集站驅動(dòng)通訊收發(fā)情況進(jìn)行監視，各通道通訊狀態(tài)良好，通訊超時(shí)率降為 0. 27‰，重試率 0. 3‰，超載率為 0，全部在允差指標范圍內�？梢钥闯鐾ㄓ嵭Ч�得到明顯改善。

 ( 2) 通過(guò)優(yōu)化及調整，我們對目前各采集站儀表通訊響應速度進(jìn)行統計，原采集各站儀表平均通訊響應速度為 48 s，優(yōu)化調整后為 21 s，響應速度提高了2. 3 倍，同時(shí)極大的提高了系統運行穩定性。

( 3) 計量?jì)x表數據的穩定采集不僅關(guān)系到石化企業(yè)正常生產(chǎn)運行監控，同時(shí)精準、快速的數據采集關(guān)系到企業(yè)經(jīng)濟效益、貿易結算。據統計石化企業(yè)正常生產(chǎn)主要物料投入產(chǎn)出合計流量約 5 000 t /h ( 其中物料 2 800 t /h，能源 2 200 t /h) ，1秒平均值在 1. 39 t。通過(guò)此次系統結構優(yōu)化調整，提高了采集速度和系統運行穩定性，同時(shí)通過(guò)應用系統加強監控，及時(shí)發(fā)現計量?jì)x表、工藝等異常狀態(tài)，每年為公司找補回原油、航煤、天然氣、石腦油等各種能源物料損失 900 噸，避免直接經(jīng)濟效益損失約 400 萬(wàn)元。 

 

5 總結

計量?jì)x表作為石化企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)優(yōu)化、效益監測的千里眼，其數據的穩定采集可靠傳輸是企業(yè)實(shí)現信息化、智能化的根本保障。本文通過(guò)對企業(yè)能源物料計量?jì)x表數據采集通訊網(wǎng)絡(luò )現狀問(wèn)題開(kāi)展詳細分析，優(yōu)化調整 ＲS485 通訊總線(xiàn)及采集結構，解決計量?jì)x表信號傳輸不穩定問(wèn)題，提升了計量?jì)x表運行監測水平，為生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)提供及時(shí)準確計量結算數據等方面充分發(fā)揮計量把關(guān)作用，效果顯著(zhù)。同時(shí)對于同行業(yè)計量?jì)x表數據采集通訊方面可起到參考借鑒意義。