劉斌

[摘 要]現(xiàn)場總線（Fieldbus）是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)總線，它主要解決工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構(gòu)等現(xiàn)場設(shè)備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設(shè)備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。由于現(xiàn)場總線簡單、可靠、經(jīng)濟實用等一系列突出的優(yōu)點，因而受到了廣泛關(guān)注并應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場實際。本文通過總線技術(shù)在自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，對現(xiàn)場總線技術(shù)的施工要求、現(xiàn)場施工存在的問題及處理措施進行歸納總結(jié)。

[關(guān)鍵詞]現(xiàn)場總線 施工 DP總線 FF總線

中圖分類號：TP336 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）13-0087-02

前言

在工程建設(shè)中現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)數(shù)字化電廠控制方案，該技術(shù)較常規(guī)機組而言施工安裝要求較高，設(shè)備調(diào)試技術(shù)性強，許多技術(shù)人員及施工人員開始接觸時由于對現(xiàn)場總線技術(shù)的了解程度不同，再加上現(xiàn)場施工情況復(fù)雜，因而導(dǎo)致現(xiàn)場安裝不規(guī)范、工藝質(zhì)量差，造成現(xiàn)場總線通訊上存在著一些隱患，如果不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，將有可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)通訊故障，從而影響整個系統(tǒng)的正常運行。

一、現(xiàn)場總線簡介

現(xiàn)場總線是一個數(shù)字化的、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是用于工廠/車間儀表和控制設(shè)備的局域網(wǎng)。本文以艾默生的Ovation現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)為例進行闡述，目前國內(nèi)主要采用的是Profibus-DP和FF-H1現(xiàn)場總線協(xié)議，其中PROFIBUS DP數(shù)據(jù)傳輸速率9.6Kbps～12Mbps，F(xiàn)F-H1傳輸速率為31.25Kbps。整體網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖如下所示：

二、現(xiàn)場總線施工要求

2.1 總線電纜敷設(shè)

為確?？偩€線路通信正常，總線電纜除應(yīng)與常規(guī)電纜一致的要求外，還要特別注意以下要求：

2.2.1 當(dāng)通信電纜通過復(fù)雜電磁環(huán)境（如變頻器等強干擾源）或離開橋架后應(yīng)用金屬套管保護。

2.2.2 進入控制柜的通信電纜避免在控制柜外與任何動力電纜平行。

2.2.3 站與站之間通信電纜不應(yīng)出現(xiàn)中間斷點。如果電纜長度不夠，則應(yīng)重新敷設(shè)；如果是該設(shè)備暫時未安裝而無法接線，則應(yīng)使用專用連接器臨時接通，而不應(yīng)簡單地扭接。也可不截斷通信電纜，留有余地后直接連接下一個總線設(shè)備。

2.2.4 帶連接頭的P通信電纜的敷設(shè)應(yīng)使用保護套管將連接頭進行保護以避免其損壞，未連接的光纜插頭和插座應(yīng)用保護罩進行防護。

2.2.5 通信電纜敷設(shè)余量不宜過長，不應(yīng)形成環(huán)狀。

2.2.6 任意兩個相鄰PROFIBUS DP從站間的DP電纜長度宜不小于1m。

2.2.7 在PROFIBUS DP網(wǎng)段中，當(dāng)傳輸速率超過1.5Mbit/s時，任何分支線路（Spur Lines）都不應(yīng)存在，在分支線路上不應(yīng)使用終端電阻，擴展網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡量使用中繼器，分支線路長度應(yīng)按照表1的要求敷設(shè)。

2.2.8 在FF-H1網(wǎng)段中，網(wǎng)段總長度等于主干線與所有分支線的長度之和。

2.2.9 FF-H1網(wǎng)段中的分支線宜不超過30m，且每個分支線應(yīng)只連接一個FF-H1設(shè)備。

2.2 總線電纜接線

標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS DP電纜

標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS DP電纜一般都是A類電纜，為屏蔽雙絞電纜，其中數(shù)據(jù)線有兩根：A-綠色和B-紅色，電纜的外部包裹著編織網(wǎng)和鋁箔兩層屏蔽，最外面是紫色的外皮（圖1）。

標(biāo)準(zhǔn)的FF-H1總線電纜其中數(shù)據(jù)線有兩根：+橙色和-藍色，電纜的外部包裹著鋁箔+85%覆蓋率鍍錫銅絲編織屏蔽，最外面是橙色的阻燃PVC或者PUR（圖2）。

電纜接線是安裝工序中最重要的一環(huán)，接線質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。現(xiàn)場總線電纜接線相對于常規(guī)電纜接線施工要求更高，需要我們在施工過程中特別注意以下幾個方面的要求：

2.2.1 現(xiàn)場總線網(wǎng)段對絕緣要求高，為了防止總線回路受潮，應(yīng)采用IP65防護等級接線箱。電纜穿入接線箱時可使用防爆電纜密封接頭?？刹捎每偩€專用端子塊與各總線設(shè)備連接，每個總線專用端子塊具有短路保護作用。

2.2.2 在FF現(xiàn)場總線設(shè)備上，支線電纜的設(shè)備端屏蔽線應(yīng)剪斷，并要用絕緣帶包好，不應(yīng)與表殼接地螺絲連接。

2.2.3 如果干線電纜是多芯電纜，則不同總線網(wǎng)段的屏蔽線不應(yīng)在接線箱內(nèi)被互相連接在一起，也不應(yīng)與總屏蔽線連在一起。

2.2.4 機柜、接線盒內(nèi)無屏蔽的通信線不應(yīng)與電源線纏繞，沒有屏蔽的露出接線部分應(yīng)盡量短，宜控制在5cm以內(nèi)。

2.2.5 DP、FF總線電纜進入機柜時將電纜保護層剝?nèi)ミm當(dāng)長度露出屏蔽層，注意不要破壞其屏蔽層，使用專用EMC電纜卡將其固定在機柜入口，確保其屏蔽層與入口銅排可靠連接。

2.2.6 應(yīng)確保通信電纜不會被屏蔽接夾頭所擠壓變形，盡量避免屏蔽連接頭有大的外力負荷。

2.2.7 通信電纜在機柜內(nèi)布線時，應(yīng)遠離干擾源，應(yīng)避免與高電壓、大電流的電纜在同一線槽內(nèi)走線，不宜在柜內(nèi)形成“環(huán)”，應(yīng)避免將變頻器等干擾源包圍在“環(huán)”內(nèi)。

三、施工中典型通訊故障分析及處理

問題一：終端電阻問題

Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，每個網(wǎng)段的末端必須安裝匹配的有源終端電阻，且終端電阻不可多也不可少，終端電阻安裝的不合適會導(dǎo)致通信信號的反射，造成信號不穩(wěn)定，終端電阻的阻值應(yīng)為220Ω，由于首尾均有終端電阻，所以回路中阻值應(yīng)為110Ω。無源的終端電阻相當(dāng)于沒有安裝，所以現(xiàn)場連接現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)時通常在總線末端安裝獨立的有源終端，而不采用末端設(shè)備自身的終端電阻，其目的是防止更換末端設(shè)備時，使總線失去終端電阻而導(dǎo)致整條總線通信不穩(wěn)。

處理措施：

1.檢查每個網(wǎng)段終端電阻是否安裝；（如果網(wǎng)段末端回DCS機柜，終端電阻安裝在DCS控制柜內(nèi)；如果網(wǎng)段末端在現(xiàn)場側(cè)，應(yīng)布置總線通訊箱，終端電阻布置在通訊箱內(nèi)）；

2.檢查終端電阻是否通電；

問題二：數(shù)據(jù)線接線問題

①總線電纜連接設(shè)備時，如果兩路雙絞線出現(xiàn)交叉或連接不穩(wěn)，雖然可與主站通信但是會導(dǎo)致系統(tǒng)的抗干擾能力下降，在現(xiàn)場使用時，遇到干擾就容易造成設(shè)備通信不穩(wěn)。②Profibus兩設(shè)備之間連接的數(shù)據(jù)線長度應(yīng)大于1m，連接的數(shù)據(jù)線過短和彎曲度過?。ㄓ锌赡軐?dǎo)致線纜受損）都有可能造成通信不穩(wěn)。

處理措施：

1.施工人員在接線過程中應(yīng)仔細校線，正、負嚴格按照顏色標(biāo)識區(qū)分接線。

2.敷設(shè)時應(yīng)保證電纜的最小彎曲半徑，DP總線網(wǎng)段如果有主輔網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)將A、B網(wǎng)段標(biāo)識清楚。

3.就地設(shè)備如未采用專用接頭，接線時電纜頭采用針式銅鼻子壓接牢固。

4.采用總線電纜專用剝線工具剝頭，要多長剝多長，不允許金屬纖芯過多裸露。

5.接線完成后，如網(wǎng)段內(nèi)設(shè)備的實際接線順序和設(shè)計有調(diào)整，應(yīng)按照實際連接順序做好標(biāo)記。以便通訊地址的正確設(shè)置和后期的運行檢修。

問題三：通信距離過長

Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的波特率可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸距離也不一樣，波特率與網(wǎng)段長度如（表2）：

目前現(xiàn)場最常用的Profibus-DP網(wǎng)段速率為500K，根據(jù)表格每個網(wǎng)段最大支持長度為400m，通過中繼器擴展網(wǎng)段最大網(wǎng)絡(luò)支持2000m，如果現(xiàn)場連接設(shè)備時，網(wǎng)段長度超過規(guī)定值，則會導(dǎo)致信號衰減，造成設(shè)備通信不穩(wěn)，有時甚至通信不上。

處理措施：

1.在施工前，技術(shù)人員及施工負責(zé)人應(yīng)對網(wǎng)段內(nèi)所有設(shè)備的具體位置進行確認，對線路的走向進行優(yōu)化，確保整個網(wǎng)段在最合理的長度范圍內(nèi)。

2.若設(shè)備與主站距離過長不可避免，應(yīng)及時采用中繼器擴展網(wǎng)絡(luò)長度。

問題四：設(shè)備接地和數(shù)據(jù)線屏蔽接地沒有安裝到位

現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備接地和數(shù)據(jù)線屏蔽接地對于設(shè)備通信的穩(wěn)定至關(guān)重要，Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中采用設(shè)備多點接地方式，即每臺設(shè)備數(shù)據(jù)線的屏蔽層應(yīng)與設(shè)備的接地片連通，并且設(shè)備直接接地。FF-H1現(xiàn)場總線的通信電纜，屏蔽層的接地方式為單點接地?？偩€設(shè)備沒有接地或接地錯誤會導(dǎo)致干擾信號串進總線網(wǎng)絡(luò)中，使得設(shè)備與主站通信不穩(wěn)。

處理措施：現(xiàn)場施工人員在接線過程中應(yīng)嚴格按照如下原則進行：

采用FF-H1現(xiàn)場總線的通信電纜，屏蔽層的接地方式應(yīng)滿足如下要求：

a）連接現(xiàn)場總線儀表的通信電纜，屏蔽層應(yīng)浮空，不應(yīng)與儀表地線或者機殼相連。

b）接至接線盒的通信電纜，屏蔽層應(yīng)連接至接線盒的相應(yīng)端子。

c）接線盒到總線電源之間，應(yīng)正確連接通信線，并分別在兩端連接屏蔽線。

d）在總線電源處，屏蔽層匯入機柜地線，實現(xiàn)單點接地。

e）在網(wǎng)絡(luò)中的任何一處，不應(yīng)將通信雙絞線中的任一根導(dǎo)線與地連接。

f）儀表安全接地，應(yīng)采用獨立的導(dǎo)線。

g）如果多根主干線電纜引入現(xiàn)場接線盒，電纜屏蔽線不應(yīng)相連。

h）同一總線網(wǎng)段，其屏蔽層應(yīng)連通，宜在控制柜或通信箱側(cè)單點接地。防爆區(qū)域的接地屏蔽應(yīng)符合防爆相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

采用PROFIBUS DP現(xiàn)場總線的通信電纜，屏蔽層的接地方式應(yīng)滿足如下要求：

a）PROFIBUS DP通信網(wǎng)絡(luò)宜采用等電位接地。

b）系統(tǒng)各部件之間的等電位連接應(yīng)使用銅質(zhì)電纜或鍍鋅接地條。等電位連接的電纜或者接地條應(yīng)與Profibus電纜盡可能的接近，其材質(zhì)與截面積要求如下：

銅材質(zhì) 6 mm2；鋁材質(zhì) 16 mm2；鋼材質(zhì) 50 mm2；

c）等電位接地宜與具有大面積的接地端連接。

d）系統(tǒng)內(nèi)所有PROFIBUS設(shè)備的接地端以及PROFIBUS電纜的金屬線槽都要與等電位接地系統(tǒng)連接。

e）金屬電纜支架的各個部分彼此連接并盡量多的與等電位連接系統(tǒng)相連。

f）PROFIBUS通信電纜屏蔽層應(yīng)在控制柜入口與等電位連接。安裝時，注意不應(yīng)破壞電纜屏蔽層的銅網(wǎng)，也不應(yīng)拖拽安裝好的PROFIBUS電纜，在屏蔽層接線處的上下兩端都應(yīng)加裝固定裝置。

g）對于DP總線網(wǎng)段，電纜屏蔽層應(yīng)連接每個設(shè)備的屏蔽地。

h）等電位連接的電纜或者接地條本身應(yīng)采取防腐蝕措施（可以鍍鋅，在連接處應(yīng)使用防腐蝕漆），但它與 DP總線接觸的地方應(yīng)保證良好短接，不應(yīng)絕緣。

問題五：數(shù)據(jù)線與動力線距離太近或長距離平行布線

Profibus現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)線理論上應(yīng)于動力電纜保持20厘米以上的距離，如果距離太近，可能導(dǎo)致動力電纜干擾到總線的數(shù)據(jù)通信，特別是在設(shè)備操作時，干擾尤為明顯。當(dāng)長距離布線時，盡可能讓電纜交叉，以免因為容性耦合而產(chǎn)生干擾。

處理措施：

1.在橋架內(nèi)敷設(shè)時嚴格按照分層敷設(shè)的原則，即橋架從上到下依次為高壓動力電纜、低壓動力電纜、控制電纜、通訊電纜。

2.敷設(shè)前對整個網(wǎng)段路徑做好策劃，對有高壓動力電纜或者干擾源（如變頻器等強干擾源）的區(qū)域進行避讓。

3.在電纜橋架內(nèi)敷設(shè)時，宜加裝總線電纜專用小槽盒。在就地分支槽盒內(nèi)敷設(shè)時，如不可避免與電力電纜平行敷設(shè)時，應(yīng)加裝隔板分開敷設(shè)。

問題七：設(shè)備通信板供電不足

設(shè)備的通信板電壓會影響到總線的通信質(zhì)量，設(shè)備數(shù)據(jù)線之間的電壓不應(yīng)低于2.5V。

處理措施：總線上每臺設(shè)備的供電情況可通過ProfiTrace總線分析工具對電壓進行查看，若發(fā)現(xiàn)電壓過低的設(shè)備應(yīng)及時檢查設(shè)備的供電來源。

四、小結(jié)

現(xiàn)場總線技術(shù)由于它節(jié)省投資，簡化安裝、調(diào)試工作，提高運行、維護效率等一系列的優(yōu)點越來越多的應(yīng)用到火力發(fā)電廠控制系統(tǒng)中，因此真正的數(shù)字化電廠正朝著現(xiàn)場總線控制技術(shù)發(fā)展，這對我們施工提出了更高的要求。我們只有在過程中不斷學(xué)習(xí)，不斷總結(jié)提高，才能高效、優(yōu)質(zhì)地完成各項工作。