电动机集成控制系统运行分析及优化

摘要：对某石化企业以工控机为核心组成的电动机集成控制系统工作原理、运行分析及优化措施进行了叙述，并指出了系统运行维护应注意的事项。

关键词：电动机集成控制系统;运行分析;优化措施

0    引言

目前，石化企业广泛应用电动机集成控制系统（IMCS）对使用数量较多的低压电动机进行监视、控制和保护，某石化企业二期项目共有27套以工控机（IPC）为核心组成的IMCS系统，分别为15套生产装置的2 337台低压电动机提供保护、控制和运行状态监视。这27套IMCS系统自投运以来，多次出现异常和故障，通过分析原因，制定实施改进措施，解决了上述问题，实现了IMCS系统的长周期稳定运行。

1    IMCS系统工作原理

IMCS是基于微处理器的智能型电动机保护、控制、监视系统，它主要由以下部分构成：安装在低压开关柜内的电动机回路的电动机控制单元（MCU）、变电所内连接各个MCU的通信控制单元（CCU）、作为中心处理系统的工控机（IPC）以及相应的保护用电流互感器、测量和控制用电压互感器及变送器。

MCU通常也称作马达保护器（马保）或电动机综合保护装置（综保），是一种基于微处理器的装置，它集控制、监视、保护功能和通信设施于一身，具备电动机过载、相不平衡、堵转、接地等保护和电动机电流、功率等参数测量功能，并能实现电动机就地/远程启动、停机（脱扣）、失压时的自动再启动和通信等，并可通过CCU或工控机修改参数。

CCU是一种基于微处理器的接口装置，它通过现场总线来监控7～10个MCU，一套IMCS系统则由8～16个CCU同上级工控机进行通信，CCU另外具有单独与DCS、SCADA系统进行串联通信的接口。CCU和通信链路为冗余结构，采用主从、热备用系统，CCU的冗余CPU切换时间小于100 ms，当一个CCU故障时，另一个能马上接替工作，并同时提供就地和远方报警以指出故障的CCU，在系统设计上保证系统内任何故障都不影响系统的可用性。

2    IMCS系统运行分析及优化

2.1    系统运行出现的问题

汇总某石化企业二期项目27套IMCS系统2016年12月至2018年12月期间的运行情况：CCU硬件故障2次;系统通信中断故障26次，其中包括：单个设备（马保）通信中断12次，单个CCU链路的马保通信中断7次，整个IMCS站的通信中断3次，与中控通信中断2次，与中控通信数据错误2次。

2.2    问题原因分析

（1）单个设备（马保）通信中断可能原因分析：马保设备本身故障;马保未上电（备用回路）;通信RS485链路存在接线松动或接触不良等问题。

（2）单个CCU链路的马保通信中断可能原因分析：CCU故障（2个端口通信链路都故障的情况下）;RS485总线链路问题（线路出现短路、接地、信号干扰等因素）;软件问题（虚拟串口丢失）;通信不稳定（数据量较大，超出主站处理能力，出现通信堵塞的情况，端口通信连接丢失）;通信链路上存在较多通信中断的马保，导致通信设备超时报错（Modbus通信为主从轮询式机制，当通信链路上某个设备出现故障或连接不上时，要等待该设备超时后再继续轮询下一个设备），当故障率较高时端口会阻塞中断通信。

（3）整个IMCS站的通信中断可能原因分析：工控机硬件原因（如蓝屏或黑屏故障）;操作系统的原因（如系统运行负荷较高、死机）;IMCS通信接口软件的原因（如卡死、服务终止、配置文件丢失等）;虚拟串口软件的原因（如软件卡死、服务终止等）;IMCS上位机软件原因（如宏文件停止）。

（4）与中控通信中断可能原因分析：除IMCS站通信中断原因外，还包括通信物理链路或者中控系统本身的原因。

另外，目前IMCS系统架构的设计是依据IMCS工控机具备完成马达保护器数据的采集（从CCU）、计算处理、转发数据给中控以及人机界面（HMI）服务和客户端运行等功能的能力，而实际运行的系统在原设计的基础上，额外增大了系统的负荷，主要体现在：现场有相当一部分开关设备处于备用状态，此时整个开关的二次回路都处于断电状态（马达保护器失电状态），这就导致每个CCU采集现场数据时，整个Modbus通信链路处于超长时间的问询卡顿状态，降低了在线马达保护器的通信质量。同时也影响了位于工控机上的通信接口软件服务进行数据采集的速率，提高了工控机的运行负荷。IMCS工控机到中控的数据外传功能，利用HMI的逻辑宏服务实现，在实现两路数据计算和表决后，由CCU完成数据外传，这个过程也同样提高了工控机的运行负荷。

（5）与中控通信数据错误可能原因分析：数据扫描不执行，数据卡死;宏运算故障发生跳转，从站停留在当前的处理状态;通信丢失后，数据保持在当前状态;宏启动丢失。

2.3    优化升级改造方案

由于IMCS工控机的CPU使用率过高将直接影响系统某些软件服务功能的正常启动和稳定运行，因此，首先应采取措施降低系统的通信数据量及运行负荷，现阶段主要通过将IMCS采集的数据如频率、功率因数等参考意义不大的数据进行删减优化来实现。另外，马保的数据是冗余采集的，可以改为只采集一路信号。

针对电脑重启后通信接口软件配置文件丢失导致整个监控失效的情况，以及IMCS后台监控软件宏命令未执行导致中控数据不准确的情况，需要对所有站的IMCS系统的软件配置进行再次检查和优化，检查、评估和优化每个HMI子站的电脑软件设置，包括虚拟串口和通信接口软件的Modbus通信参数设置、HMI逻辑宏服务的启动冗余设置、各工控机端口状态的检查、系统缓存清理等。系统优化后与优化前主要区别：IMCS系统不再对马达保护器进行远程启停与复位;不再监控频率、功率因数等参数;传输中控数据可在上位机画面人工投入与切断;系统整体运行周期时间缩短，电脑运行负荷量减少。目前，从已完成优化的3个站运行情况看，两个站的系统运行稳定性有所提升，故障频次下降;而另外一个站受工控机硬件故障等制约，系统仍不稳定。因此长期看，从系统架构上进行升级，才是最终解决问题的最有效途径。即利用工业级控制系统，如PLC进行数据采集、处理和传输（去中控），工控机只作为MCC的监控站，这样即便工控机出问题，也对中控监控无影响，从而可以提高数据的采集质量和工控机软件运行的可靠性。

3    IMCS系统运行维护注意事项

为实现IMCS系统的长周期运行，应在运行维护期间注意以下几点：

（1）针对设备、通信链路等需要现场排查确认的故障，建议维护人员配备相应的串口调试工具、笔记本电脑和通信软件。同时熟悉系统的软硬件配置及方法，作为故障排查的必要手段。

（2）单个CCU链路上存在通信不稳定的情况，在排除软硬件问题以及物理链路上可能存在的干扰后，应尽可能检查通信链路的接线情况，必要时可在两端安装终端电阻。

（3）建议现场备用回路的马保尽可能上电，以减小由于Slave设备掉线对现有通信数据在时间延迟以及故障率上带来的影响，提高通信质量和稳定性;如果备用回路长期不用，可以考虑在系统中不要将该设备配置进去。

（4）当现场没有专用工具或技术手段判断故障时，重启电脑也是一种简单直接的故障处理手段，其原理是当系统出现通信阻塞中断或软件故障时，重启计算机的服务，重新建立通信连接。

（5）Modbus的通信波特率越高，通信速率越快，但其損耗也相应增大（线路越长越明显），抗干扰能力也降低了。因此，波特率的设置应综合考虑通信距离、电缆类型、通信干扰等因素。

4    结语

本文通过对IMCS系统运行过程中存在的问题进行分析，制定优化改进措施，为今后同类设备的应用提供了一定的借鉴。

[参考文献]

[1] 施耐德电气.IMCS系统维护手册[Z]，2016.

收稿日期：2020-05-18

作者简介：王洪峰（1979—），男，河北玉田人，电气工程师，从事化工企业电气设备技术管理工作。