章佳威

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司華東電力試驗(yàn)研究院，安徽 合肥 230000)

0 引言

安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置之間的數(shù)字式、串行、多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)總線稱為現(xiàn)場總線。通信協(xié)議遵循國際電工委員會(huì)IEC批準(zhǔn)、頒布的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158[1]?，F(xiàn)場總線的優(yōu)點(diǎn)是將功能進(jìn)一步分散到智能現(xiàn)場設(shè)備中，這樣可以減少上位機(jī)負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高可靠性，還可以在控制室對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行調(diào)試、校驗(yàn)和診斷，達(dá)到減少維護(hù)人員和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度的目的[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展和認(rèn)知的提升，現(xiàn)場總線技術(shù)在電廠過程控制領(lǐng)域的應(yīng)用已從輔助系統(tǒng)局部逐步向全廠覆蓋[3]。

1 國家能源集團(tuán)平羅電廠Profibus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

國家能源集團(tuán)平羅電廠FCS控制系統(tǒng)包括輔網(wǎng)、鍋爐、汽機(jī)和電氣公用四個(gè)子系統(tǒng)。鍋爐子系統(tǒng)配置16對(duì)控制器，汽機(jī)子系統(tǒng)配置9對(duì)控制器(不包括DEH、ETS)，輔網(wǎng)配置8對(duì)控制器，電氣公用系統(tǒng)配置3對(duì)控制器。各控制器通過冗余Profibus DP與現(xiàn)場冗余通訊鏈路(Y-LINK)連接。Y-LINK合并冗余DP成為DP支路,DP/PA耦合器橋聯(lián)Profibus PA支路,分別掛接Profibus儀表、控制單元等[4]。

平羅電廠單元機(jī)組采用的是冗余對(duì)等拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，兩臺(tái)互為冗余的根交換機(jī)，通過它與4對(duì)冗余的擴(kuò)展交換機(jī)通訊。其中，4對(duì)冗余的擴(kuò)展交換機(jī)用于與FCS的控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)控制器都接至一對(duì)冗余的擴(kuò)展交換機(jī)，另外一對(duì)冗余的擴(kuò)展交換機(jī)用于與主廠房固定端的FCS操作員站，集控室工程師站，集控室打印機(jī)連接。工程采用和利時(shí)公司的K系列現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，現(xiàn)場總線協(xié)議為Profibus DP和Profibus PA，整體網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

現(xiàn)場總線設(shè)備數(shù)量如表1所示(主機(jī)部分)。

表1 現(xiàn)場總線設(shè)備表

2 現(xiàn)場總線安裝調(diào)試

2.1 設(shè)計(jì)階段

2.1.1 現(xiàn)場總線配置原則

(1)爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)(FSSS)、汽輪機(jī)數(shù)字電液控制系統(tǒng)(DEH)、汽輪機(jī)監(jiān)視與保護(hù)系統(tǒng)(ETS)等涉及機(jī)組設(shè)備安全和可靠運(yùn)行的重要系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)中依然采用常規(guī)硬接線配置。

(2)參與事件順序記錄的重要測點(diǎn)(SOE)，采用硬接線方式接入專用SOE卡。

(3)參與主機(jī)和重要輔機(jī)保護(hù)的測點(diǎn)不建議采用總線控制方式。

(4)現(xiàn)場氣動(dòng)開關(guān)閥門，電磁閥等設(shè)備采用硬接線方式。

(5)用于重要保護(hù)連鎖的開關(guān)量儀表，如壓力/差壓、液位、溫度等過程開關(guān)不納入現(xiàn)場總線系統(tǒng)。

(6)電動(dòng)執(zhí)行器、馬達(dá)保護(hù)器等設(shè)備建議皆采用總線控制，重要回路的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用常規(guī)硬接線方式，如鍋爐減溫水電動(dòng)門，應(yīng)考慮鍋爐MFT硬接線保護(hù)動(dòng)作回路。

(7)調(diào)節(jié)型氣動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于非重要回路的設(shè)備采用總線型式，用于重要回路的設(shè)備采用常規(guī)硬接線方式。

(8)變送器均采用現(xiàn)場總線型智能變送器，重要系統(tǒng)的變送器，采用常規(guī)硬接線方式。

(9)溫度測點(diǎn)采用硬接線方式接入DCS。

(10)6 kV電動(dòng)機(jī)采用常規(guī)硬接線與總線冗余方式。

2.1.2 現(xiàn)場總線網(wǎng)段劃分原則

(1)Profibus PA現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計(jì)應(yīng)采用樹型、分支或組合拓樸結(jié)構(gòu)，Profibus DP現(xiàn)場總線網(wǎng)段采用總線型[5]。

(2)冗余配置的總線設(shè)備應(yīng)劃分于不同的網(wǎng)段中，備用設(shè)備應(yīng)與主設(shè)備配置不同網(wǎng)段，生產(chǎn)工藝關(guān)聯(lián)或者控制邏輯相關(guān)的設(shè)備原則上應(yīng)設(shè)計(jì)于同一網(wǎng)段內(nèi)。總線設(shè)備網(wǎng)段劃分應(yīng)充分考慮風(fēng)險(xiǎn)分散的原則，防止單個(gè)網(wǎng)段故障導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓及事故擴(kuò)大化。

(3)Profibus DP總線每個(gè)網(wǎng)段最多配置12個(gè)總線設(shè)備，可根據(jù)通訊電壓質(zhì)量適當(dāng)減少總線設(shè)備數(shù)量；Profibus PA總線每個(gè)網(wǎng)絡(luò)配置的總線設(shè)備不得超過12個(gè)。

(4)Profibus總線系統(tǒng)組態(tài)軟件模塊的速率是可變的，可根據(jù)處理器的應(yīng)用功能匹配速率。如和利時(shí)KPA01 DP/PA LINK網(wǎng)橋通訊模塊，支持1.5 Mbps，500 Kbps，187.5 Kbps的不同傳輸速率。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備距離控制室較遠(yuǎn)時(shí)，例如通訊速率1.5 Mbps，無K-BUS02模塊時(shí)，傳輸距離應(yīng)小于200 m。

(5)如果Profibus DP網(wǎng)段中設(shè)置分支路線(Spur Lines)，則此網(wǎng)段的傳輸速率不應(yīng)超過1.5 Mbit/s，且該分支網(wǎng)段無需配置終端電阻器。

(6)在制氫站、氨站、油站、燃?xì)庹镜扔蟹辣蟮闹攸c(diǎn)區(qū)域，現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計(jì)應(yīng)遵循現(xiàn)場總線本質(zhì)安全概念(FISCO)(GB 3836.19-2010)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

2.1.3 現(xiàn)場總線設(shè)備管理

工程師站應(yīng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場總線的組態(tài)、維護(hù)和畫面操作，具體要求提供的功能如下：

(1)所有總線上的負(fù)載報(bào)告。

(2)所有總線上的誤差計(jì)數(shù)器。

(3)網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段的調(diào)度報(bào)表(時(shí)間表)。

(4)更換現(xiàn)場設(shè)備時(shí)，支持變更管理的在線協(xié)調(diào)功能。

(5)報(bào)表、報(bào)警和確認(rèn)所有設(shè)備報(bào)警的功能。

(6)網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段中添加新現(xiàn)場總線設(shè)備。利用位置標(biāo)志符模板向網(wǎng)絡(luò)/網(wǎng)段添加未來現(xiàn)場總線設(shè)備。

(7)現(xiàn)場總線設(shè)備在離線、備用、待機(jī)、調(diào)試和不匹配狀態(tài)下的切換，以及在透明管理方式下修改所有地址。

(8)簡單和復(fù)雜的調(diào)試功能，包括變送器量程切換、調(diào)零和控制閥定位器設(shè)置。

(9)采用必要的維護(hù)程序，支持設(shè)備描述(GSD)方法并為所有維護(hù)功能提供菜單(向?qū)?。

(10)對(duì)采用特定語言描述和定義的所有現(xiàn)場總線設(shè)備，提供具體的維護(hù)顯示，并且能夠訪問所有參數(shù)。

(11)為實(shí)現(xiàn)快速更換設(shè)備，應(yīng)具有將現(xiàn)有現(xiàn)場總線設(shè)備組態(tài)(所有的功能塊和參數(shù))鏡像映射到新現(xiàn)場總線設(shè)備的功能。

2.2 安裝階段

現(xiàn)場總線設(shè)備通過雙絞線、光纖通訊，其通訊電壓為5 V左右，抗干擾能力較差，在安裝過程中需格外注意電纜敷設(shè)、接地設(shè)置、絕緣防護(hù)等問題。

2.2.1 防護(hù)要求

現(xiàn)場總線設(shè)備的安裝環(huán)境應(yīng)滿足設(shè)備說明書的要求。不宜安裝在潮濕、高溫、粉塵和強(qiáng)電磁干擾場所。安裝位置應(yīng)便于檢修維護(hù)。

2.2.2 接地要求

(1)PA總線要求單點(diǎn)接地，即所有的PA設(shè)備屏蔽需匯總到現(xiàn)場總線通信柜中統(tǒng)一進(jìn)行接地。PA總線盒中原有的接地線需解除。

(2)總線電源與接線盒的通訊電纜需連接正確，且在電源端和接線盒端兩端連接屏蔽線。

(3)應(yīng)保證網(wǎng)段中通訊雙絞線的完整性，禁止出現(xiàn)雙絞線接地情況。

(4)Profibus DP總線設(shè)備需多點(diǎn)接地。

(5)Profibus DP通信網(wǎng)絡(luò)宜采用等電位接地。

(6)在Profibus DP總線網(wǎng)段中，需將每個(gè)總線設(shè)備的屏蔽地與電纜屏蔽連接。

(7)對(duì)于DP總線網(wǎng)段，電纜屏蔽層應(yīng)連接每個(gè)設(shè)備的屏蔽地。

(8)總線柜內(nèi)屏蔽地與保護(hù)地需獨(dú)立接入地網(wǎng)，禁止串聯(lián)接地。

2.2.3 電纜敷設(shè)要求

(1)現(xiàn)場總線設(shè)備通信應(yīng)不受豎井、橋架等動(dòng)力電纜的干擾以便于今后的維護(hù)，要求敷設(shè)安裝專門的現(xiàn)場總線電纜橋架，同時(shí)在電纜豎井中應(yīng)將總線電纜通道與常規(guī)電纜通道用金屬板隔離開來。

(2)現(xiàn)場總線電纜與10 kV動(dòng)力電纜必須分橋架進(jìn)行敷設(shè)，且應(yīng)保證20 cm以上的安全距離，現(xiàn)場總線電纜應(yīng)與變頻設(shè)備動(dòng)力電纜保持至少1 m以上的安全距離，現(xiàn)場總線通信柜與變頻動(dòng)力柜應(yīng)保證至少2 m以上的安裝距離。

(3)現(xiàn)場總線網(wǎng)段電纜需標(biāo)記清晰，每條總線網(wǎng)段需清楚標(biāo)記該網(wǎng)段中所屬各總線設(shè)備連接的先后順序，PA總線盒上需清楚標(biāo)記來自哪個(gè)總線通信柜的哪個(gè)網(wǎng)段，并且清楚標(biāo)記每個(gè)通道口所連接的設(shè)備名稱及KKS編碼。

(4)電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)留有裕度，不能在站與站之間存在電纜斷接情況，如在網(wǎng)段中出現(xiàn)設(shè)備無法安裝的，其通訊電纜不能斷開或直接接地，應(yīng)通過連接器臨時(shí)連接，待設(shè)備安裝完成后再恢復(fù)。

(5)任意兩個(gè)相鄰Profibus DP從站間的DP電纜長度宜不小于1 m。

2.3 調(diào)試階段

2.3.1 總線系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)檢查

現(xiàn)場總線系統(tǒng)安裝完畢后，可用總線多功能分析儀對(duì)整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行分析，確保總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處于健康狀態(tài)。對(duì)每個(gè)現(xiàn)場總線設(shè)備進(jìn)行連接測試和物理層功能檢查，檢查內(nèi)容如下：

(1)數(shù)據(jù)線或屏蔽線無破裂。

(2)數(shù)據(jù)線或屏蔽線無短路。

(3)數(shù)據(jù)線之間無短路。

(4)測試總線終端電阻及電壓。

(5)設(shè)備上電后，可用專用偵聽設(shè)備對(duì)網(wǎng)段進(jìn)行測試，檢查每個(gè)網(wǎng)段上的設(shè)備地址有無重復(fù)。

(6)根據(jù)總線設(shè)備廠家提供資料，在設(shè)備端進(jìn)行地址、參數(shù)、量程、死區(qū)及報(bào)警設(shè)置。

(7)GSD文件配置正確，組態(tài)軟件下裝完成后，檢查每個(gè)總線設(shè)備的通訊情況，不應(yīng)出現(xiàn)任何報(bào)警狀況。

2.3.2 總線設(shè)備組態(tài)

常規(guī)設(shè)備與DCS通訊是通過硬接線，主要傳輸24 V開關(guān)量信號(hào)或4～20 mA模擬量信號(hào)?？偩€設(shè)備主從站之間通訊采用8進(jìn)制數(shù)字符信號(hào)，DCS工程總控?zé)o法直接識(shí)別字符信號(hào)，所以在總線設(shè)備組態(tài)中，需要用到總線設(shè)備的解析文件，解析文件將字符轉(zhuǎn)換成常規(guī)的信號(hào)或指令。

以某品牌電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的指令反饋為例，主從站間信號(hào)報(bào)文解析：

主站→從站(OUTPUT) 02 00 00 02 00

從站→主站(INTPUT) 00 50 00 00 00 00 01 FA 00 00 00 00 00 0C 00 04

主站：控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)開到位

某電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主站到從站報(bào)文如表2所示。

表2 某電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)主站到從站報(bào)文

某電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從站到主站報(bào)文如表3所示。從站：執(zhí)行機(jī)構(gòu)為開關(guān)型，“遠(yuǎn)程”狀態(tài)，雙通道冗余且通道1為主用，正在開閥且當(dāng)前閥位為50‰。

表3 某電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)從站到主站報(bào)文

GSD文件配置是總線系統(tǒng)組態(tài)的關(guān)鍵步驟，它承擔(dān)信號(hào)“翻譯”的作用。每個(gè)總線設(shè)備都有其對(duì)應(yīng)的GSD文件，因此在調(diào)試初期，應(yīng)排查總線設(shè)備品牌型號(hào)，收集GSD文件并導(dǎo)入組態(tài)軟件中。

2.3.3 總線設(shè)備聯(lián)調(diào)

總線設(shè)備的調(diào)試過程與常規(guī)設(shè)備相近，分為三步:第一步信號(hào)傳動(dòng)，第二步設(shè)備單體試運(yùn)，第三步設(shè)備聯(lián)動(dòng)。

總線設(shè)備通訊傳輸方式的優(yōu)點(diǎn)在于它節(jié)省了常規(guī)設(shè)備的電纜及卡件等硬件成本，而通訊系統(tǒng)傳輸能力只受到波特率的限制，與傳統(tǒng)設(shè)備相比，總線設(shè)備的控制監(jiān)視信號(hào)數(shù)量可以得到極大的提升。所以在調(diào)試第一步中，需根據(jù)現(xiàn)場情況決定總線設(shè)備所需的控制和監(jiān)視信號(hào)。測控信號(hào)確定，組態(tài)完成后即可進(jìn)行設(shè)備動(dòng)態(tài)調(diào)試。

3 故障處理及分析

3.1 總線設(shè)備與總站通訊故障及處理方法

(1)Station_Not_Ready。該診斷信息表示設(shè)備尚未做好數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)備，若該提示信息一直存在，需要對(duì)設(shè)備斷電重啟。

(2)Prm_Fault。該提示信息表明組態(tài)軟件中的GSD文件與設(shè)備不一致，需重新設(shè)置GSD文件，與設(shè)備GSD文件統(tǒng)一。若GSD文件匹配正確，仍報(bào)該提示信息，則從站參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，修改從站參數(shù)與總線設(shè)備一致即可。

(3)Cfg_Fault。該提示說明工程總控中組態(tài)軟件的設(shè)備通訊模塊與總線設(shè)備模塊不匹配，需根據(jù)總線設(shè)備配置的硬件模塊型號(hào)來修改組態(tài)軟件的通訊模塊。

3.2 總線設(shè)備通訊質(zhì)量排查

3.2.1 終端電阻問題

Profibus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)網(wǎng)段的起始端和終止端都需安裝匹配正確的終端電阻(250 Ω)，終端電阻的阻值和數(shù)量都有嚴(yán)格要求，不可以少裝，也不可以多裝。終端電阻設(shè)置錯(cuò)誤會(huì)導(dǎo)致信號(hào)電壓不穩(wěn)，影響信號(hào)傳輸質(zhì)量?？偩€設(shè)備自身配備終端電阻，在網(wǎng)段中配置總線設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮到總線設(shè)備更換時(shí)末端終端電阻丟失，由此導(dǎo)致的整條鏈路通訊故障，因此在現(xiàn)場總線設(shè)備安裝時(shí)，需在總線末端設(shè)置獨(dú)立的終端電阻。

通過偵聽工具可以得到網(wǎng)段通訊電壓波形圖，如圖2所示，當(dāng)缺少中段電阻時(shí)，信號(hào)就體現(xiàn)在線纜上，波形由正常的±5 V方波變成不規(guī)則的震蕩波形，圖3為正常波形圖。

圖2 不規(guī)則波形及電壓

圖3 正常波形及電壓

3.2.2 數(shù)據(jù)線接線問題

Profibus數(shù)據(jù)雙絞線連接設(shè)備時(shí)，如果出現(xiàn)虛接或者斷線情況，可能導(dǎo)致設(shè)備通訊中斷或者通訊質(zhì)量下降。雙絞線在鋪設(shè)過程中應(yīng)盡量使用專用的總線橋架，避開動(dòng)力電源線或高壓設(shè)備，防止電磁干擾。

3.2.3 設(shè)備接地和數(shù)據(jù)線屏蔽接地沒有安裝到位

Profibus現(xiàn)場總線安裝對(duì)設(shè)備接地和數(shù)據(jù)屏蔽接地要求十分嚴(yán)格，應(yīng)做到應(yīng)接必接。Profibus DP網(wǎng)絡(luò)中采用設(shè)備多點(diǎn)接地方式，Profibus PA網(wǎng)絡(luò)中采用設(shè)備單點(diǎn)接地方式，在每個(gè)網(wǎng)段設(shè)備安裝完成后，應(yīng)對(duì)網(wǎng)段設(shè)備接地進(jìn)行測試。

如圖4所示，馬達(dá)保護(hù)器總線在穿越機(jī)柜時(shí)，工人為施工方便，剪短DP電纜屏蔽后浮空，正確接法須將屏蔽層剝開，屏蔽線與插頭內(nèi)部屏蔽接頭連接。

圖4 DP電纜插頭接線

3.3 整條總線網(wǎng)段突然斷線不穩(wěn)定的排查

通常出現(xiàn)該問題是由于線路或設(shè)備自身原因?qū)е拢缭谶\(yùn)行過程中由于施工時(shí)線路連接不穩(wěn)導(dǎo)致斷線，或是設(shè)備受潮甚至進(jìn)水導(dǎo)致通信電纜短路和通信板損壞。檢查此類問題需先確認(rèn)出現(xiàn)問題的網(wǎng)段結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)是明確設(shè)備間的物理層連接順序，并做好相應(yīng)的保護(hù)措施，然后分段對(duì)整條網(wǎng)段進(jìn)行排查，逐步縮小排查范圍，最終定位問題所在并查明原因。

4 總結(jié)

國家能源集團(tuán)平羅電廠全廠總線系統(tǒng)的成功應(yīng)用，是總線技術(shù)走向成熟的體現(xiàn)。現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用提高了電廠信息化水平，為電廠運(yùn)行、維護(hù)及管理帶來極大便利，同時(shí)也為電廠“智能化、智慧化”建設(shè)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)場總線技術(shù)迎合火電廠未來發(fā)展方向，必將擁有廣泛的應(yīng)用前景。