摘要: 计量仪表在公司生产经营优化、计量结算等方面发挥至关重要的作用。借助 ＲS485 总线技术实现计量仪表数据采集是公司实现信息化、智能化的根本保障。文章通过对现有数采系统通讯存在的问题，进行了深入分析，优化调整现有总线和通讯采集结构，确保了系统稳定可靠传输，提升了仪表运行监测水平，为生产经营提供了及时准确计量数据。
目前大部分计量仪表都具备 ＲS485 通讯接口，同时 ＲS485 总线技术因具有可靠性高，结构简单，速度快等优点，被广泛应用于计量仪表数据采集与监控系统中。目前天津分公司具有贸易交接及部际互供各种能源物料计量仪表 342 条回路，介质涵盖原油、天然气、成品油、水、电、汽、风 等 40 种。各种计量仪表都通过应用 ＲS485 总线技术组成能源物料数据采集监控系统，自投入运行
以来，在公司计量结算、生产经营优化、降本减费方面发挥了重大作用。
1 现状及问题
1. 1 现状
为实现公司计量仪表信息化管理，早在 2003年笔者公司就基于 ＲS485 总线技术，应用 IFix 组态软件建立起计量仪表数据采集 SCADA 系统，目前仪表采集点数 3 300 余点。公司每年管输能源物料如天然气 ( 3. 42 亿 Nm3 ) 、原油( 1 202 万 t) 、成品油 ( 170. 96 万 t) 、新鲜水 ( 1 011. 38 万 t) 、蒸汽 ( 1 033. 06 万 t) 、氮氧气 ( 2. 35 亿 Nm3 ) 的计量结算都依靠该 SCADA 系统采集的基础数据，同时为公司级管理系统如实时数据库、计量管理信息系统、MES 等提供数据支撑。该系统的网络结构如图 1 所示。
1. 2 存在问题
随着公司规模的不断扩大，系统接入的采集仪表数量、种类不断增多，近几年在数据通讯传输方面出现了一些问题，给计量监控及结算带来不小的困扰，主要有如下表现。&苍产蝉辫;
( 1) 计量仪表通讯响应速率降低，延迟较大，部分仪表返回数据在 1 min 甚至更长时间。
( 2) 一些站点数据采集出现时断时续情况。
( 3) 公司生产部门 MES 系统班报要求在计量人员在 30 min 内完成 342 台仪表数据报送，经常出现采集中断，人员手工应急录入导致超时提报，容易受考核，给班组人员带来不小压力。
( 4) 频繁数据中断，给计量运行状态监控、计量结算带来极大影响，容易出现计量纠纷。
2 原因分析
为彻底解决采集系统通讯存在的问题，确保数据传输稳定可靠，我们从 ＲS485 通讯总线结构、计量仪表通讯协议 ( Modbus ＲTU) 、IFix 软件通讯组态等各项内容进行了分析排查。
2. 1 ＲS485 总线
ＲS485 采用半双工工作方式，支持多点数据通信。ＲS485 采用平衡发送和差分接收方式实现通信，#大的通信距离约为 1 219 m，#大传输速率为 10 Mb /s，传输速率与传输距离成反比，在 10 kb /s 的传输速率下，才可以达到#大的通信距离，如果需传输更长的距离，需要加 485 中继器。 ＲS485 总线网络拓扑一般采用终端匹配的总线型结构。即采用一条总线将各个节点串接起来，不支持环形或星型网络。ＲS485 总线一般#大支持 32个节点。
系统建设初期由于缺少 ＲS485 总线结构整体规划，为了实施方便采用了错误的组网方式，虽然该方式在仪表数量不多，数据访问量不大时也能通讯，但为后期仪表数量增多时埋下隐患，严重影响通讯速率。错误的总线连接方式如图 2 所示。
2. 2 Modubs 通讯协议
Modbus 是一种串行通信协议，已经成为工业领域通信协议的业界标准，目前大多数计量仪表都具有 ＲS485 通讯接口，支持 Modbus 通讯协议。 Modbus 协议采用 master/slave 架构。有一个节点是master 节点，其他使用 Modbus 协议参与通信的节
点是 slave 节点。每一个 slave 设备都有一个非常好的地址。
目前中心管理的 342 台计量仪表按结构可分为 ( 质 量、涡 街、电 磁、差 压、超 声、容 积 式、流量积算仪) 7 类 20 余个厂家不同型号的产物。这些产物都标明完全遵循标准 Modbus ＲTU 协议。但当现场总线接在一起进行组网通讯时，出现了问题，为此我们开展了测试。
测试结果表明: 进口质量流量计通讯性能兼容性较好，部分国产计量仪表协议标准不规范，同一回路连接超过 3 种类型 10 台以上仪表通讯会出现收发超时，数据解析异常等情况，其中中断严重的炼油站仪表超时率 1. 22‰ ( 允差 0. 5‰) 、重试率 0. 85‰ ( 允差 0. 5‰) 、错误率 54. 8‰ ( 允 差 1‰) 、超载率 11. 1‰ ( 允差 1‰) ，整体通讯速率低。
2. 3 IFix 通讯组态配置
IFix 软件组态配置方法流程如图 3 所示。
对仪表通讯速率有重要影响的配置在于1和2两步本次针对步骤1中的 I/O 驱动配置进行查验。中心数采系统应用 IFix 的 I/O 驱动为 MB1 ( 7. x 版 本) 定义串口端口号、主站地址、响应超时、重试、延迟时间。
经过现场检查各站配置，在驱动器中增加仪表且不同仪表配置在同一 COM 口时，系统驱动器MB1 的 配 置 选 项: 主 轮 询 速 率 ( Primary Poll Ｒate) 、响应超时都采用了默认配置的 1 秒，这样在通道仪表过且存在通讯协议兼容性差的情况下会出现在仪表还未来及响应时上位机重复发送读取数据的情况，从而出现通讯延时。同时在组态时将仪表流量、温度、压力、累计等各寄存器地址分开块组态的情况，在上述多参数读取时上位机需要单好发送每条读取指令，效率严重降低。
3 总线及采集结构优化
3. 1 ＲS485 总线优化调整
( 1) ＲS485 布线不可以布置成星型接线与树形接线。ＲS485 布线规范是必须手牵手的布线，如直接布设成星型连接和树形连接，很容易造成信号反射导致总线不稳定。很多施工方不规范布线，在仪表数量不断增多时，采集通讯出现了问题。针对 ＲS485 总线组网方式错误的问题，将现场或盘柜内每条 ＲS485 回路仪表连接方式按照标准菊花链 ( daisy-chained) 方式连接在一起，如图4 所示。
( 2) 在每台处于总线末端的仪表通讯端口都增设了 250Ω 电阻，以此消除环境温度变化有可能对总线回路电阻带来的影响。
3. 2 通讯协议标准化改造
( 1) Modbus ＲTU 协议转换为标准 Modbus TCP协议。根据分析及现场测试得出的部分仪表 Modb- us ＲTU 协议不标准以及兼容性差，我们应用 MOX- A 公司 NPOＲT5630 串口服务器替换原来的研华多串口办卡 CP-118EL，实现非标准协议到标准协议转换，转换为 Modbus TCP 协议后同时也解决了多台上位机同时采集一台仪表数据问题。
( 2) 将现场不同厂商仪表进行分类，同一类型的分配至串口服务器的同一 COM 口进行采集。能够规避协议兼容性影响的同时，由于该串口服务器都具有多个 COM 口，为以后系统扩充升级打下了基础。
3. 3 IFix 通驱动标准化改造
( 1) 将上位机 iFix 采集软件中驱动程序由原来的 MB1 驱动 ( Modbus ＲTU 协议) 变更为 MBE驱动 ( Modbus Ethernet TCP 协议) ，以完成协议标准化转换。
( 2) 修改驱动器中仪表参数寄存器地址读取方式。由流量、温度、压力、密度、累计分别读取的方式改为配置成一个包一次读取。
( 3) 对 MBE 驱动器中每台仪表主轮询时间、响应超时、等待时间、重试次数等关键通讯参数进行优化调整。如适当降低主轮询时间 ( 1 s 变为5 s) ，以避免频繁发送读取数据而仪表不能及时响应造成的信息获取超时、拥堵、识别错误等故障发生。此处需结合现场通道连接仪表数量做出相应设置，为经验值，无法统一固定。
4 优化效果
( 1) 通过应用 iFix 软件任务管理对各采集站驱动通讯收发情况进行监视，各通道通讯状态良好，通讯超时率降为 0. 27‰，重试率 0. 3‰，超载率为 0，全部在允差指标范围内。可以看出通讯效果得到明显改善。
( 2) 通过优化及调整，我们对目前各采集站仪表通讯响应速度进行统计，原采集各站仪表平均通讯响应速度为 48 s，优化调整后为 21 s，响应速度提高了2. 3 倍，同时极大的提高了系统运行稳定性。
( 3) 计量仪表数据的稳定采集不仅关系到石化公司正常生产运行监控，同时精准、快速的数据采集关系到公司经济效益、贸易结算。据统计石化公司正常生产主要物料投入产出合计流量约 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。通过此次系统结构优化调整，提高了采集速度和系统运行稳定性，同时通过应用系统加强监控，及时发现计量仪表、工艺等异常状态，每年为公司找补回原油、航煤、天然气、石脑油等各种能源物料损失 900 吨，避免直接经济效益损失约 400 万元。
5 总结
计量仪表作为石化公司生产经营优化、效益监测的千里眼，其数据的稳定采集可靠传输是公司实现信息化、智能化的根本保障。本文通过对公司能源物料计量仪表数据采集通讯网络现状问题开展详细分析，优化调整 ＲS485 通讯总线及采集结构，解决计量仪表信号传输不稳定问题，提升了计量仪表运行监测水平，为生产经营提供及时准确计量结算数据等方面充分发挥计量把关作用，效果显著。同时对于同行业计量仪表数据采集通讯方面可起到参考借鉴意义。
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