張浩龍，劉 威，孔德偉，楊明望，崔 燦

(華能澠池?zé)犭娪邢挢?zé)任公司，河南 三門(mén)峽 472400)

0 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展，傳統(tǒng)火電行業(yè)也發(fā)生著重大變革。數(shù)字電廠、智能電廠等新概念不斷提出。數(shù)字電廠必然成為現(xiàn)代電廠的發(fā)展趨勢(shì)[1]。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)就是順應(yīng)信息技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和工業(yè)控制系統(tǒng)的分散化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化要求而發(fā)展起來(lái)的?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一個(gè)數(shù)字化、串行、雙向傳輸、多分支結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有能夠獲取更多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)、節(jié)省硬件數(shù)量和投資、提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性、后期運(yùn)行維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在國(guó)內(nèi)電廠中得到了廣泛的應(yīng)用，提升了機(jī)組自動(dòng)化水平，提高了運(yùn)行、維護(hù)效率，減輕了維護(hù)量[4-10]，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)學(xué)化電廠奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

但現(xiàn)場(chǎng)總線在實(shí)際應(yīng)用中還存在諸多問(wèn)題[11]。如：設(shè)計(jì)不嚴(yán)謹(jǐn)和施工不規(guī)范造成調(diào)試及運(yùn)行期間故障頻發(fā)、設(shè)備選型不合適造成通信異常、組態(tài)錯(cuò)誤和設(shè)備參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤造成設(shè)備損壞等[12-14]。由于現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備在設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試和運(yùn)行方式上與傳統(tǒng)集散控制系統(tǒng)(distributed control system，DCS)設(shè)備有著巨大差異，現(xiàn)場(chǎng)總線故障更具有不確定性、復(fù)雜性、相關(guān)性等特點(diǎn)。本文根據(jù)某火電廠現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用情況，介紹基于OvatI/On控制系統(tǒng)的基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(foundatI/On field-bus，F(xiàn)F)和Profibus-DP現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的故障診斷和處理方法，為現(xiàn)場(chǎng)總線維護(hù)人員提供參考。

1 FF H1和Profibus-DP的基本架構(gòu)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)種類繁多，多達(dá)20余種[2-3]。在火電行業(yè)，應(yīng)用比較成熟和廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線主要是Profibus和FF H1。其中，Profibus分為分布式周邊現(xiàn)場(chǎng)總線(decentralized periphery，DP)和過(guò)程自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線(process automatI/On，PA)兩個(gè)規(guī)約。不同的DCS采用不同的總線技術(shù)，主要有兩種架構(gòu)：DP+FF H1和DP+PA。

某電廠采用基于OvatI/On系統(tǒng)的DP+FF的現(xiàn)場(chǎng)總線架構(gòu)。其中，DP采用單主站、設(shè)備冗余的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，F(xiàn)F H1采用樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?？偩€拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 總線拓?fù)鋱D

2 現(xiàn)場(chǎng)總線故障診斷方法

現(xiàn)場(chǎng)總線常見(jiàn)的故障有硬件故障、總線網(wǎng)段通信故障、總線網(wǎng)段某一點(diǎn)通信故障、總線網(wǎng)段多個(gè)信號(hào)不穩(wěn)定等。

由于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)通信模式的特殊性，在排查故障中無(wú)法應(yīng)用常規(guī)的設(shè)備檢測(cè)方法和手動(dòng)進(jìn)行故障的診斷，采用萬(wàn)用表和數(shù)據(jù)校驗(yàn)儀很難分析出故障的原因，必須使用適合總線技術(shù)的方法。如：總線電纜敷設(shè)檢查和導(dǎo)通性測(cè)試、接地規(guī)范性檢查、DCS組態(tài)檢查、總線設(shè)備參數(shù)設(shè)置檢查等手段進(jìn)行分析檢查，還可以借助專用儀器FBT-6、ProfiTrace測(cè)試系統(tǒng)等進(jìn)析解決問(wèn)題。

本文主要對(duì)投產(chǎn)調(diào)試驗(yàn)收合格后現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程出現(xiàn)的故障進(jìn)行研究。通過(guò)分析某電廠實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)出現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)常見(jiàn)故障診斷的方法。

2.1 FF設(shè)備故障診斷方法

2.1.1 檢查設(shè)備的通信、組態(tài)及卡件狀態(tài)

COMMISSI/ONED表明通信正常，OFFLINE表明設(shè)備處于臨時(shí)工作狀態(tài)，SPARE表明設(shè)備從網(wǎng)段中移走，STANDBY表明連接正常需進(jìn)行組態(tài)激活，MIAMATCH表明被其他網(wǎng)段激活，Device Class Mismatch表明設(shè)備組態(tài)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備版本不一致。若組態(tài)有問(wèn)題需從新組態(tài)。同時(shí)，檢查FF卡件狀態(tài)是否正常。S4(紅色)(LE8)：與控制器通信時(shí)快閃。S3(紅色)(LE9)：與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信時(shí)快閃。S2(紅色)(LE10)、S1(紅色)(LE11)、S0(紅色)(LE12)正常時(shí)長(zhǎng)亮。FDX(黃色)(LE7)長(zhǎng)亮為全雙工通信。ACT(綠色)(LE7)長(zhǎng)亮為以太網(wǎng)工作[15]。

2.1.2 利用AMS診斷軟件進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)檢查

根據(jù)AMS軟件，可以查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，也可以查看診斷信息和報(bào)警信息，并進(jìn)行相應(yīng)的故障處理。

2.1.3 檢查現(xiàn)場(chǎng)儀表顯示情況

檢查現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量變化是否與實(shí)際相符，以及動(dòng)作是否正常。若異常，判斷是儀表原因還是通信問(wèn)題；排除設(shè)備硬件問(wèn)題，再進(jìn)行進(jìn)一步檢查處理。

2.1.4 利用萬(wàn)用表進(jìn)行簡(jiǎn)單的線路檢查

確認(rèn)電纜的屏蔽線已正確、有效接入。表1為FF電纜電氣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[16]，可用于檢查儀表絕緣、電容、電阻測(cè)試。FF總線電纜為屏蔽雙絞線，應(yīng)在DCS進(jìn)行單點(diǎn)接地?，F(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)兩點(diǎn)接地或信號(hào)線之間接地情況都能通過(guò)此方法進(jìn)行判斷。信號(hào)線接地可能導(dǎo)致儀表掉線，間歇性接地或屏蔽層接地可能導(dǎo)致儀表頻繁掉線。阻抗不滿足要求也可能導(dǎo)致儀表掉線。電纜破皮接地、接線端子腐蝕松動(dòng)或虛接，都是造成接地異常的原因。

表1 FF電纜電氣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.1.5 利用FBT-6進(jìn)行網(wǎng)段監(jiān)測(cè)。

網(wǎng)段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要滿足如表2所示的FF網(wǎng)段監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)[16]。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，查找網(wǎng)段異常的原因。供電電壓異?？赡苁请娎|接地和安全柵存在問(wèn)題，噪聲異?？赡苁莿?dòng)力設(shè)備和電力電纜干擾、屏蔽及信號(hào)接地處理不好的原因。

表2 FF網(wǎng)段監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 DP設(shè)備故障診斷方法

2.2.1 利用OvatI/On組態(tài)軟件檢查狀態(tài)

若從站為Running(綠色)，表示設(shè)備配置及通信正常。若從站為Error(紅色)，可能是參數(shù)錯(cuò)誤或配置錯(cuò)誤。參數(shù)錯(cuò)誤阻礙數(shù)據(jù)交換，可能是GSD文件錯(cuò)誤、波特率配置錯(cuò)誤。配置錯(cuò)誤可能影響通信，主要原因?yàn)镮/O配置和設(shè)備的I/O模塊不匹配。若從站為Diagnosis(黃色)，則表示設(shè)備報(bào)告了診斷信息，但一般不阻礙通信。出現(xiàn)診斷信息的原因很多，可能是智能設(shè)備的自診斷信息，可以根據(jù)信息具體的評(píng)估診斷內(nèi)容的危害性。若從站為Not found(藍(lán)色)，則表示通信異常，設(shè)備掉線，需進(jìn)行進(jìn)一步檢查。同時(shí)，檢查DP卡件狀態(tài)是否正常。RDY：黃燈亮表示設(shè)備準(zhǔn)備完成；5 Hz閃表示firmware download；1 Hz閃表示設(shè)備在Bootloader工作方式；非周期閃表示硬件或運(yùn)行出錯(cuò)；不亮表示未上電或硬件問(wèn)題。RUN：綠燈亮表示至少與1臺(tái)設(shè)備通信；5 Hz閃表示若ERR等OFF為設(shè)備通信停止，若ERR亮則未找到Slave設(shè)備；非周期閃表示在上電時(shí)是組態(tài)丟失，運(yùn)行時(shí)是watchdog超時(shí)；不亮表示無(wú)通信。ERR：紅燈亮表示設(shè)備通信問(wèn)題或短路；不亮表示正常。STS：黃燈亮表示保持設(shè)備對(duì)話；非周期閃表示正在與主設(shè)備分享數(shù)據(jù)；不亮表示設(shè)備未組態(tài)或未收到對(duì)話[17]。

2.2.2 檢查現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)

就地設(shè)備異常會(huì)導(dǎo)致通信異常。如電動(dòng)門(mén)是否送電，設(shè)備停電可能造成此設(shè)備鏈路后的設(shè)備無(wú)法正常通信。設(shè)備的地址設(shè)置與組態(tài)不一致或地址設(shè)置重復(fù)、就地設(shè)備DP頭終端電阻損壞或設(shè)備總線接口板、終端電阻設(shè)置不正確、接線錯(cuò)誤、接線屏蔽接觸不良等都可能造成通信故障。

2.2.3 利用萬(wàn)用表進(jìn)行簡(jiǎn)單的線路檢查

DP電纜電氣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。確認(rèn)DP連接頭按照廠家說(shuō)明書(shū)進(jìn)行接線，確保電纜屏蔽層可靠連接，接地按照DP總線接地要求可靠接地。按照表3所示的DP電纜電氣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)[17]檢查電纜是否正常。測(cè)量?jī)筛盘?hào)線的電阻，如果測(cè)量結(jié)果與表3標(biāo)準(zhǔn)符合，證明網(wǎng)段沒(méi)有斷、如果測(cè)量阻值偏大或無(wú)窮大，則說(shuō)明某段斷開(kāi)；如果測(cè)量阻值為0，則說(shuō)明出現(xiàn)短接。再根據(jù)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行查找故障點(diǎn)。

表3 DP電纜電氣參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.4 利用ProfiTrace進(jìn)行網(wǎng)段檢查

ProfiTrace可以監(jiān)測(cè)總線運(yùn)行中的報(bào)文、識(shí)別設(shè)備的通信狀態(tài)、波形、電壓，還可以診斷分析噪聲、反射、電壓下降、組態(tài)錯(cuò)誤、斷線等問(wèn)題。下面對(duì)其主要功能在故障診斷中的應(yīng)用情況進(jìn)行介紹。

①矩陣列表：Live List列出了所有設(shè)備清單，可以查看整個(gè)網(wǎng)段設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)矩陣狀態(tài)圖對(duì)整個(gè)網(wǎng)段的故障設(shè)備和大致原因進(jìn)行定位。綠色表示設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；黃色表示設(shè)備丟失；紅色表示設(shè)備參數(shù)錯(cuò)誤；紫色表示組態(tài)錯(cuò)誤；無(wú)色表示在線但無(wú)數(shù)據(jù)交換。因此，可以通過(guò)查看報(bào)文并對(duì)照設(shè)備說(shuō)明書(shū)分析故障原因。

②電壓棒圖：棒圖顯示設(shè)備的平均電壓等級(jí)，可以通過(guò)電壓情況判斷網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量。站點(diǎn)電壓棒圖如圖2所示。設(shè)備正常工作時(shí),平均電壓應(yīng)為5 V左右。當(dāng)電壓變高時(shí)，可能是總線電纜上缺失終端器或發(fā)生斷線；當(dāng)電壓低于正常值時(shí)，可能是總線電纜上的振幅較低或出現(xiàn)短路。

圖2 站點(diǎn)電壓棒圖

③信號(hào)波形圖：根據(jù)DP的通信規(guī)范，DP信號(hào)的波形基本為方波波形。DP設(shè)備通信電壓波形如圖3所示。

圖3 DP設(shè)備通信電壓波形

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜、強(qiáng)弱電交叉、動(dòng)力設(shè)備干擾、接線屏蔽不良等因素會(huì)導(dǎo)致波形產(chǎn)生畸變，出現(xiàn)信號(hào)失真、網(wǎng)絡(luò)出錯(cuò)等現(xiàn)象。畸變波形一般有兩種，反射波形和干擾波形。反射波形的主要特征為方波上升或下降沿出現(xiàn)尖刺。產(chǎn)生的主要原因?yàn)樽杩共贿B續(xù)和阻抗不匹配。干擾源主要來(lái)自網(wǎng)段內(nèi)部。DP電纜特性阻抗與終端電阻不匹配、DP電纜之間特性阻抗不匹配、DP節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度與波特率不匹配、DP電纜布線不規(guī)范、DP接頭故障、接線松動(dòng)都會(huì)形成反射波形。干擾波形主要特征為方波的高電平或低電平上出現(xiàn)波形疊加，信號(hào)電平不平滑。產(chǎn)生的主要原因?yàn)橥饨绛h(huán)境產(chǎn)生的干擾波形疊加到信號(hào)方波上。干擾源主要來(lái)自網(wǎng)段外部。接地不規(guī)范、DP電纜與動(dòng)力電纜之間未隔離、DP電纜屏蔽未接地、強(qiáng)電設(shè)備干擾都會(huì)形成干擾波形。通過(guò)檢查設(shè)備的信號(hào)波形判斷形成畸變波形的原因，進(jìn)而判斷故障的原因。

3 故障案例

3.1 熱網(wǎng)某FF網(wǎng)段頻繁壞點(diǎn)

熱網(wǎng)某FF網(wǎng)段設(shè)備頻繁壞點(diǎn)，通信數(shù)據(jù)異常。通過(guò)DCS組態(tài)工具檢查組態(tài)正常，智能設(shè)備管理系統(tǒng)(asset monitoring and health analysis solutI/Ons，AMS)無(wú)報(bào)警和錯(cuò)誤。初步懷疑某設(shè)備干擾導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)段異常。就地FF逐個(gè)拔出就地設(shè)備接線端子，當(dāng)熱網(wǎng)供水流量從網(wǎng)段隔離出后，通信異常消失，恢復(fù)正常。對(duì)熱網(wǎng)供水流量進(jìn)行檢查，用萬(wàn)用表測(cè)量發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)F電纜存在接地情況。重新敷設(shè)電纜后，整個(gè)網(wǎng)段恢復(fù)正常，未再發(fā)生通信卡死情況。

3.2 二號(hào)機(jī)某FF網(wǎng)段頻繁卡死

二號(hào)機(jī)某FF網(wǎng)段設(shè)備頻繁卡死，數(shù)據(jù)不變。通過(guò)DCS組態(tài)工具檢查組態(tài)及通信正常，AMS系統(tǒng)無(wú)報(bào)警和錯(cuò)誤。采用FBT-6對(duì)整個(gè)網(wǎng)段進(jìn)行噪聲監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)段存在干擾。某網(wǎng)段監(jiān)測(cè)報(bào)告如表4所示。對(duì)整個(gè)網(wǎng)段的設(shè)備接線、屏蔽和電纜路徑進(jìn)行排查，最后發(fā)現(xiàn)三段抽汽壓力變送器就地接線存在虛接情況。重新處理后，對(duì)整個(gè)網(wǎng)段再進(jìn)行監(jiān)測(cè)，各項(xiàng)參數(shù)正常，干擾消失；觀察一段時(shí)間，整個(gè)網(wǎng)段再未出現(xiàn)通信卡死現(xiàn)象。

3.3 熱網(wǎng)某DP網(wǎng)段A網(wǎng)通信異常

通過(guò)DCS組態(tài)工具檢查發(fā)現(xiàn)熱網(wǎng)某DP網(wǎng)段A網(wǎng)存在通信異常，B網(wǎng)正常。采用ProfiTrace監(jiān)測(cè)得到同樣的結(jié)果。采用二分法的方法進(jìn)行故障的定位。首先梳理網(wǎng)段的物理次序?yàn)?0→11→12→13→14→18→19→17→20→21→15→16→終端。設(shè)備14終端電阻設(shè)置為ON，前面設(shè)備通信恢復(fù)正常，定位故障在14以后。設(shè)備20終端電阻設(shè)置為ON，通信異常。設(shè)備18終端電阻電阻設(shè)置為ON，通信正常。設(shè)備19終端電阻設(shè)置為ON，通信異常，判斷設(shè)備19本身或進(jìn)、出線存在故障。采用ProfiTrace監(jiān)測(cè)此設(shè)備，仍無(wú)法通信，判斷設(shè)備本身故障。檢查發(fā)現(xiàn)，該設(shè)備為電動(dòng)門(mén)潤(rùn)滑油滲漏造成總線接口板損壞，更換通信板后，設(shè)備10至19通信正常。依次進(jìn)行物理隔離試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備17、20、21都存在不同原因的接口板故障情況，更換后整個(gè)網(wǎng)段的A、B網(wǎng)通信全部恢復(fù)正常。

表4 某網(wǎng)段監(jiān)測(cè)報(bào)告

4 結(jié)論

本文介紹了FF-H1和DP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(field bus control system,FCS)到就地，從硬件到軟件，詳細(xì)描述了現(xiàn)場(chǎng)總線的通用診斷方法。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)故障案例進(jìn)行了舉例分析，包括如何準(zhǔn)確定位現(xiàn)場(chǎng)總線故障、根據(jù)故障現(xiàn)象從根源上找出原因，最終快速?gòu)氐捉鉀Q故障。該研究可為現(xiàn)場(chǎng)總線維護(hù)人員提供參考。