工控 DCS实时数据用于电子展板的研究

工控 DCS实时数据用于电子展板的研究

杨新生

广州华润热电有限公司

摘 要： 随着国家一系列环保政策的出台，现在的环保问题已经成了决定一个企业的生存问题。在这种形式下，各单位在环保方面的投入不遗余力，积极响应国家政策。同时由于公众环保意识的提高，让公众了解真实的环保数据，增加信息透明度，也成了企业的首要任务。我司通过将环保数据放在厂区门口外的展示牌公开实时显示的方式，接受群众监督，消除环保负面言论，起到了较好的效果。

关键词： DCS 环保 数据 电子展示牌

1. 引言

保护环境是我国的基本国策，2015年1月1日实施的《中华人民共和国环境保护法》明确提出了“推进生态文明建设，促进经济社会可持续发展”的目标，同时，公众环保意识的提高，也在随时监督企业的环保状况，环保问题成了生死攸关的课题。为了响应国家政策，我司2011年取消了脱硫烟气旁路挡板，保证排放烟气100%脱硫；2014年对脱硫吸收塔进行扩容，以达到降低烟气SO2浓度的需求，同时加装湿式除尘设备，降低烟气的粉尘浓度。经过一系列的改造，目前我司的烟气排放指标已经低于燃机的排放标准，实现了全厂烟气超低排放。

这些环保改造，公司投入了大量资金同时也收到很好的效果，但这些如何让公众知道呢，经过方案比较，最终确定了在厂区门口外放置环保数据实时显示屏，让过往行人及周边群众能第一时间知道当前排放的数据指标，增加信息透明度，主动接受群众监督。

怎 么才能将DCS的数据实时传输给电子展示牌呢？众所周知，DCS系统是工业实时控制系统，是整个发电企业的控制核心，为保证系统的可靠和稳定，原则上要求数据单向穿传输，非参与控制的设备不能像普通工业以太网一样随意接入，这就为外部系统使用DCS数据造成了读取困难。我司技术人员经过研究试验，最终完成了DCS数据实时传送至展示牌的应用，如右图。下面以我司的实践为例，向大家说明整个实施过程，供相关人员参考借鉴^[1]。

2. 脱硫DCS概况

我司脱硝系统由主机DCS控制，脱硫DCS完成脱硫及烟尘等系统的控制，脱硝系统的主要参数通过数据传输到脱硫DCS便于整改环保参数的监控。脱硫DCS采用GE新华的XDPS 400E控制系统，每台机组配备3个控制柜，共6个控制机柜，同时为两台机组配备2个公用控制柜，共配备2台操作员站、2个工程师站及一个历史站。XDPS400E控制系统共分三层网络结构，两个控制网，分别叫A网及B网，互为冗余，是控制系统的主网络，还有一个网络是应用网，系统里定义为C网，用于连接各控制终端，例如操作员站、工程师站、打印机等^[2]。

3. 数据传输架构

XDPS400e系统在设计时，之所以划分成三个网络，就是为了控制网和应用网的隔离，控制网是互为冗余的结构设计，是控制系统的主网络，担负着整个脱硫系统的控制和数据处理，保证整个脱硫系统设备的正常稳定运行，另一个网络是C网，用于连接各控制终端，提供人机接口设备。DCS厂家考虑到数据的外部应用，在C网安装了一台串口通讯服务器从站，使用RS485/232协议，用MODBUS-RTU主从站的传输方式，允许建立通讯连接的外部设备到服务器来读取相应的数据，完成外部数据的实时传输。

本例中用于电子展板仅仅为了显示环保信息的实时数据，供有8个数据显示，分别为两台机组的负荷、SO2、NOX及烟尘，按经济实用的原则，选定的显示设备是最简单的双色电子显示板，这种显示板通过控制板进行数据控制，可实现相应数据的显示。将电子展板的控制板和DCS串口服务器靠通讯连接起来，即可实现数据的实时传输显示2。

根据上面的分析，我们设定了数据传输的整体架构图，如下：

四、DCS系统侧的设置

新 华DCS系统为了用户对DCS数据的读取方便，在DCS系统C网上安装了COMHIGHER NC608串口服务器，如右图。因此DCS数据外部应用的核心就是串口服务器的设置，通过串口服务器与就地显示设备建立通讯，实现数据的传输。

串口服务器是一种用于扩展串行设备通信应用的产品，通过它用户可以访问工控系统内的设备，实现串行设备数据传输应用扩展功能。串口服务器硬件与DCS系统C网是通过将双绞线相连接的，一端连接到串口服务器的 10/100M以太网 RJ45 接口，另一端连接到C网服务器，这样就将串口服务器接入DCS网络。网络正常接通之后，“Link/Act”指示灯闪烁指示系统正在进行网络数据收发。

硬件连接后，需要在给串口服务器指定ＩＰ地址，进行初步设置。COMHIGHER NC608 串口服务器支持动态主机配置协议(DHCP)，可以通过浏览器配置串口服务器的相关信息，在浏览器地址栏输入串口服务器出厂默认IP 192.168.0.238，即可打开串口服务器的管理界面，进行初步配置，如下图，这是已经配置好管理主界面，修改IP地址为DCS系统相同的网段地址222.222.223.201，以后再要打开管理界面，需要输入这个新的IP地址

^[3]。

对串口服务器进行初步设置指定IP后，打开计算机“控制面板”里面 “COM PORT OVER TCP/IP” 程序，这个程序是串口服务器驱动程序成功安装后自动生成的，双击点开配置界面后，设定计算机的虚拟COM口和串口服务器实际端口位置的映射，通过软件打开端口，如下图。点击Map添加新的COM4口，我司用于展示板映射的串口服务器实际端口为6。

这些设置完成后，只是从底层完成了串口服务器的基本设置，保证硬件层面能正常工作了，但是串口服务器要把哪些数据拿来发送呢，或者说要把哪些数据放在服务器里让用户读取呢？因此在应用层面上，新华DCS厂家设计开发了另外一个程序“MODBUS2.0”，便于用户的配置通讯的各项数据，例如配置需要通讯的点信息，点名、主从站地址、通讯速率等，MODBUS2.0是为串口服务器进行服务的，相当于接受用户的指令并发给串口服务器，因此配置方面和串口服务器初步设置的要完全吻合，下图中左边配置文件是配置的串口服务器信息，右边的用户需要用于数据传输的点信息，如图：

需要发送的点信息

完成以上配置后，双击MODBUS2.0程序，启动数据传输程序，如果显示下图，说明DCS侧的数据传输已经正常，所有需要传输的数据已经送到串口服务器，作为从站，串口服务器的数据已经准备就绪，就等着用户来取用了。

5. 就地显示侧的设备及配置

我司DCS数据传输使用RS485协议传输，因距离较远，为保证数据通讯可靠，采用光纤介质传输，就地和远方通过光电转换器来连接，就地侧硬件传输如下图：

就地侧系统主要设备包括两部分：负责协议转换的转换板和负责显示驱动QYLED 控制卡。协议转换板负责解析 Modbus 协议，并且把传过来的数据根据不同的功能转换为 QYLED 控制卡可以识别的显示内容，然后发送到 LED 控制卡，控制卡通过处理，数据就在 QYLED 显示屏上显示出来了^[4]。

我司使用的协议转换板提供 2 个串口，COM1 是 RS232协议端口，用来连接 QYLED 控制卡，COM2 是 RS485协议端口， 用来连接从站设备。协议卡可通过专用配置软件进行波特率、从站地址等信息设置，所有数据需跟串口服务器一致。协议卡的调试也是通讯连接的关键环节，协议卡设置后完成后，通过串口调试软件进行通讯调试，检查数据传输是否正常。常用的通讯软件如串口调试助手sscom32.exe、串口调试工具等。设置如下图：

如果显示一样则通讯建立

在MODBUS通信协议下，不同的命令功能码它的帧结构不尽相同。对于读寄存器命令，MODBUS的主站帧结构是：1个字节的地址码，1个字节的功能码，2个字节的数据地址码，2个字节的数据数量，2个字节的CRC校验码；MODBUS的从站回应帧结构是：2个字节的功能码，1个字节的回应区字节总数，N个字节的回应数据，2个字节的CRC校验码。

例如想要查询DCS返回数据是否正常，将电脑连接至协议转换卡，打开串口调试工具软件，按照上图设置完成后，然后发出数据请求字符串18 04 00 01 00 08 A2 05。空白窗口内将显示DCS系统返回数据18 04 10 00 64 00 C8 01 2C 01 90 01 F4 02 58 02 BC 03 20 35 D8（以上数据段为例子，因为实时数据不同，显示数据可能不同，基本位数相同）

读取数据格式说明：

18 从站地址

04 功能码

0001 寄存器地址

0008 数据数量

A205 CRC16校验码

返回数据格式说明：

18 从站地址

04 功能码

10 字节长度

00 64 第一组实时数据

00 C8 第二组实时数据

01 2C 第三组实时数据

01 90 第四组实时数据

01 F4 第五组实时数据

02 58 第六组实时数据

02 BC 第七组实时数据

03 20 第八组实时数据

35 D8 CRC16校验码

按相同的方法将协议控制卡和DCS通讯调试完成后，还需要进行协议转换卡和显示控制卡的通讯连接，这两个卡之间使用的是RS232协议进行数据传输，显示控制卡也有专用的配置软件，正确安装并通电后，在配置软件中进行搜索，会检测本网段内所有的控制卡，如下图：

本例中所用的控制卡

在软件内部波特率及地址等信息设置后，使通讯建立，通过串口测试软件测试数据传输正常，这时就需要用专用的显示编辑软件进行显示设置，我司使用的是QYLED显示屏内容编辑软件QyLed_V1.88.exe，打开配置界面后进行搜索，与控制卡相连接的电子板都显示出来了，包括数量，位置，在这里我们就可以把想要显示的数据组态到指定的电子板，调试字体大小正常，即可完成调试^[5]。设置步骤如下：

1、点击控制卡搜索，将会自动把同一个物理网段的所有QYLED的控制卡都搜出来，并给控制卡分配一个临时的IP和把控制卡的服务器地址配置为本地的IP。

2、选中LED控制数据组态，包括字的大小，显示的位数，显示位置等。

六、实践总结

整个DCS数据的外部传输按上面的连接和设置全部完成，最终的显示效果见引言内的实物图片。在使用过程中，工控DCS数据在就地电子屏上显示延迟基本可以忽略不计。总结起来这套应用系统具有投入费用低、稳定可靠、便于维护的优点。现在GE的DCS系统在我国的脱硫系统占有很高的比例，可直接参考，如有其他系统需要使用少量DCS数据，可以按这个思路推广使用。

该研究案例仅仅作为应用思路的说明，供各位工程人员思维拓展，经过了解，其他DCS控制系统也有相应的串口应用设计，只要通过串口设备和控制系统外的其他设备能建立通讯，就能读取DCS数据加以各种应用。

做为本例，因为是放置在户外用于环保数据的实时展示，便于群众监督使用，因此要对设备的稳定可靠性方面做好相应的预防措施，一方面设备在室外要做好防雨防雷措施，另一方面对关键设备做好备件，一旦出现故障马上更换，最短时间内恢复系统运行，否则一个没有数据的黑屏立在厂门外面，会让不知真相的人产生不必要的猜测，这也是在投入使用中要注意的问题。

参考文献：

[1]于旭冉. 基于OPC UA的工控信息化数据网关关键技术的研究与实现[D]. 2019.

[2]汤炜. 脱硫DCS改造提高电厂环保设备自动化水平[J]. 低碳世界, 2018, 000(002):116-117.

[3]张玫, 曾彬, 朱成威. 工控系统安全监测及溯源系统的设计与实现[J]. 信息技术与网络安全, 2019, 38(01):14-19.

[4]王军兵. 新能源化工企业工业控制网络安全防护解决方案设计[J]. 信息安全研究, 2019(8).

[5]穆伟然. 工控系统信息安全检查技术初探[J]. 科学技术创新, 2019.

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