國能浙能寧東發(fā)電有限公司設(shè)備管理部 何 穎 王天程

1 引言

現(xiàn)場總線的構(gòu)成簡單來說，就是其使用具有位串傳輸?shù)你~纜、光纖等傳輸介質(zhì)，采用二進制比特串進行傳輸，把各個分散的現(xiàn)場設(shè)備（傳感器、執(zhí)行機構(gòu)、變送器等）連接到控制器或控制系統(tǒng)上。PROFIBUS 總線是以每一個設(shè)備從站為單位，從站將所有的啟停反饋、故障反饋或者是壓力流量溫度等，所有信息全部打包成一個數(shù)據(jù)包，以二進制比特串的形式傳輸?shù)桨l(fā)電廠DCS 控制系統(tǒng)中。

由于新型通信系統(tǒng)應用和成熟度不夠或因施工人員不熟悉安裝工藝，在現(xiàn)場總線設(shè)備安裝調(diào)試和日常使用階段會遇到較多通信故障問題，本文正是基于這一考慮，對發(fā)電廠現(xiàn)場總線通信質(zhì)量問題進行了分析，并就如何加強其運行穩(wěn)定性進行了探討。

圖1 Profibus 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)備簡介

現(xiàn)場總線系統(tǒng)中的設(shè)備可分為控制設(shè)備和就地設(shè)備。常見的控制設(shè)備包括控制器、中間繼電器、光電轉(zhuǎn)換器、DP/PA 轉(zhuǎn)換器、PA 分線盒、Y-Link連接器、終端電阻等。

控制器?？刂破魇乾F(xiàn)場總線系統(tǒng)的中央處理元件，負責監(jiān)控系統(tǒng)中其他設(shè)備的實時狀態(tài)，并發(fā)送控制指令對設(shè)備參數(shù)、狀態(tài)進行調(diào)整。常用的控制器包括PLC（可編程邏輯控制器）或與DCS系統(tǒng)進行無縫連接的通訊卡件（如國電智深PB卡）等。

中繼器。中繼器是用于進行網(wǎng)絡線路連接的一種專用部件，通常情況下應用在兩個網(wǎng)絡接口之間物理信號的相互轉(zhuǎn)發(fā)過程中。中繼器是最簡單的網(wǎng)絡互聯(lián)設(shè)備，其作用重點是完成網(wǎng)絡線路中物理層的任務，在兩個網(wǎng)絡接口的物理層節(jié)點進行網(wǎng)絡信號的復制、調(diào)整以及對傳輸信號進行放大等，通過此過程可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡長度的延長。中繼器主要功能：一是增強信號質(zhì)量，二是增長傳輸距離，三是增大設(shè)備帶載數(shù)量。

光電轉(zhuǎn)換器。顧名思義，就是在網(wǎng)絡信號傳輸過程當中，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號或者是將電信號轉(zhuǎn)換成光信號的設(shè)備，可以實現(xiàn)光和電兩種信號之間相互進行轉(zhuǎn)換的網(wǎng)絡通信設(shè)備。在比較長的網(wǎng)絡通信信號傳輸過程當中，為了能夠節(jié)省成本、提高信號傳輸質(zhì)量，往往需要使用光纜進行信號傳輸，這時就要用到光電轉(zhuǎn)換器。

DP/PA 轉(zhuǎn)換器。DP/PA 轉(zhuǎn)換器是PROFIBUS現(xiàn)場總線系統(tǒng)中PROFIBUS-DP 和PROFIBUSPA 之間的物理連接器，可將PROFIBUS-DP 網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換為PROFIBUS-PA 網(wǎng)絡。

Y-Link（接PA 分線盒），即Y 型連接器，目的是在冗余的主站系統(tǒng)和非冗余的系統(tǒng)之間形成網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換。將冗余的兩路信號合并為一路信號，這樣就可以將只具有一個PROFIBUS-DP 接口的設(shè)備作為切換式外設(shè)連接到冗余的主站系統(tǒng)中。PA 分線盒將單根PA 信號線拆分為多根PA 信號線的設(shè)備稱作PA 分線盒。

為了盡量使網(wǎng)絡信號反射情況減少，提高信號傳輸質(zhì)量，通常情況下會在網(wǎng)絡信號傳輸段的末端地方進行添加一個終端電阻部件。因為每一種傳輸線路都具備其特性阻抗，其大小大約為220Ω。當網(wǎng)絡通信信號到達終端的時候，如果其特性阻抗和網(wǎng)絡終端的阻抗是不一樣的，就會出現(xiàn)信號反射情況，進而造成信號失真，降低網(wǎng)絡通信信號的質(zhì)量，這時必須添加一個終端電阻。終端電阻的形式較多，有些設(shè)備自身集成了終端電阻，使用這些集成的終端電阻時，只需撥動相應的開關(guān)（on 和off），就可以開啟或關(guān)閉終端電阻，用以方便的組網(wǎng)、查錯。

PROFIBUS 總線電纜具有良好的信號傳輸和干擾屏蔽性能，其主要物理結(jié)構(gòu)為實心裸銅線導體線芯，芯線紅綠二色，具有鋁箔和裸金屬絲編織層，使用PVC 外護套。PROFIBUS 線纜可以分為DP 型線和PA 型線，DP 型線通常為紫色，PA 型線通常為藍色。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本相同。

3 現(xiàn)場總線網(wǎng)段設(shè)計

從控制器（或中繼器）開始，至網(wǎng)絡末端（或中繼器）之間設(shè)備所組成的網(wǎng)絡稱為一個網(wǎng)段。PROFIBUS-DP 的總線速度從9.6K-1.5Mbps 可調(diào)，但同一時刻總線上所有站點必須使用同樣的通信速率。在不同的速率下，單個網(wǎng)段總線可以傳輸?shù)淖铋L距離有所不同，具體見表1。

表1 波特率與線長對應關(guān)系

當距離比較遠或者電磁干擾比較大的環(huán)境，可以考慮使用光鏈路模塊將DP 信號轉(zhuǎn)化為光纖光信號擴展PROFIBUS-DP 總線段。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，當總線波特率為500kbps 時，筆者給出以下建議：一是每個DP 網(wǎng)段DP 電纜長度不得超過400m。二是每個PA 網(wǎng)段PA 電纜總長度（包括主干長度和各個分支長度之和）不得超過1900m，非本安區(qū)域每個PA 分支線長度不得超過60m。如果在本安區(qū)域，每個PA 分支線長度不得超過30m。

網(wǎng)段設(shè)計中應考慮的因素，首先應確定所有將納入總線系統(tǒng)中的就地設(shè)備類型，將設(shè)備分為冗余DP 型、單DP 型、PA 型。其次要考慮到設(shè)備所對應DPU 的帶載能力，不應將過多設(shè)備集中在同一臺DPU 下，同一網(wǎng)段下的設(shè)備不能超過PROFIBUS 協(xié)議的規(guī)定最大數(shù)量。最后要參考線纜長度的規(guī)定，綜合系統(tǒng)PI 圖，考慮設(shè)備的物理位置，將符合以上各條要求且物理位置相近的就地設(shè)備劃分入同一網(wǎng)段，設(shè)計時同時要兼顧走線的合理性。

4 現(xiàn)場總線通信質(zhì)量的檢查方法

PROCENTEC 公 司 的ProfiTrace 作為PROFIBUS數(shù)據(jù)總線專業(yè)故障診斷設(shè)備，是用于PROFIBUS網(wǎng)絡功能強大的分析儀，是一系列總線監(jiān)測技術(shù)設(shè)備中最先進的一代產(chǎn)品，一定程度解決了PROFIBUS 工業(yè)現(xiàn)場棘手問題，可以幫助方便地接入PROFIBUS 總線進行故障檢測及分析。如終端電阻丟失、多余電阻、線纜老化、線纜折疊扭曲、線纜中斷、接頭松動、屏蔽不良、模塊或驅(qū)動損壞、波特率不匹配等，其將所有主要工具：分析儀、條線圖、示波器、拓撲圖及DP-V0/V1主站集成在一起。一般使用ProfiTrace 工具與對應設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換器相連，在監(jiān)聽狀態(tài)下通過波形、電壓圖報文來確定故障點。

首先在“Profitrace”選項卡下，選中主界面區(qū)域的“Live List”子選項卡，將看到Live List矩陣。通過Live List 矩陣列出所有設(shè)備清單，同時矩陣中的設(shè)備狀態(tài)通過不同的背景顏色呈現(xiàn)出。綠色：設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換；紅色：參數(shù)錯誤（主站除外）；紫色：組態(tài)錯誤；無色：在線但無數(shù)據(jù)交換。

點擊Profitrace 中的“條形圖（Bar Graph）”選項卡，主界面將呈現(xiàn)出總線上所有設(shè)備信號的平均等級，網(wǎng)絡正常信號平均電壓應為5V 左右。當總線出現(xiàn)問題時，條形圖將顯示不同的電壓等級，條形的顏色將發(fā)生變化。當總線電纜上缺失終端電阻或者發(fā)生斷線時所顯示電壓等級由于反射波的影響變得很高，當總線電纜上出現(xiàn)短路時電壓低于正常值，條形的顏色呈紅色。

點擊Profitrace 中的“ScopeWare”選項卡，將呈現(xiàn)出總線上的實時電壓信號狀態(tài)。由于Profibus基于高速數(shù)字數(shù)據(jù)通信，也就意味著不能繼續(xù)使用萬用表來對信號質(zhì)量進行測量，而這時可以使用示波器工具檢測電纜上的電子信號，對于EMC 干擾、反射波、短路、終端電阻超出或者缺少電壓波形都會發(fā)生變化。單純平整的波形與不規(guī)則的波形都代表通信質(zhì)量不佳，在波形中會看到一段平行的直線，該直線稱為靜默端，靜默端前為指令對應的波形，靜默端后的脈沖波為就地設(shè)備通信波形，當平整的脈沖波在翻轉(zhuǎn)時規(guī)律的出現(xiàn)擊穿尖端波形時為通信正常的波形?？筛鶕?jù)不同的需要，點擊界面下方的站點地址矩陣，查看各站點的信號狀態(tài)。

其次在“Profitrace”選項卡下，選中主界面區(qū)域的“報文（Messages）”子選項卡，將看到PROFIBUS 總線上的所有報文。總線數(shù)據(jù)傳輸是主站及就地從站設(shè)備把所有需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打包在一起，以二進制比特串的形式進行傳輸?shù)?。而這個二進制比特串稱之為報文?？偩€報文的類型除了正常投運下的數(shù)據(jù)交換報文之外，還有參數(shù)設(shè)置、診斷請求、組態(tài)請求、全局控制等。在報文中可以看到，主站與從站之間的收發(fā)信息，當報文顯示所有信息均能正常接收與發(fā)送時，通信質(zhì)量正常，當報文中偶爾出現(xiàn)幀丟失紅字報警時通信質(zhì)量變差，當大量出現(xiàn)奇偶誤差，幀誤差時通信質(zhì)量較差甚至無法正常通訊，需要檢查設(shè)備中是否發(fā)生接地或者短路情況。

5 常見現(xiàn)場總線問題及處理方法

5.1 GSD 文件配置錯誤

GSD 文件配置錯誤主要表現(xiàn)為DCS 遠方操作指令無法下達，無反饋顯示。如某品牌電動執(zhí)行機構(gòu)在調(diào)試結(jié)束后有一臺無法正常操作，在Profitrace 監(jiān)聽狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)該電動門對應地址顯示GSD 文件配置錯誤，并閃紅。通過DCS 工程師站檢查后發(fā)現(xiàn)GSD 文件配置為其他品牌電動執(zhí)行機構(gòu)GSD 文件，重新配置該品牌GSD 文件后通信恢復正常。

5.2 總線電纜敷設(shè)不規(guī)范

表現(xiàn)為設(shè)備通信質(zhì)量時好時壞，頻繁出現(xiàn)通信電壓低和信號丟包情況，設(shè)備經(jīng)常離線，甚至誤動。如某網(wǎng)段，通過檢查電纜敷設(shè)情況，發(fā)現(xiàn)存在總線電纜與動力電纜交叉布置的情況，根據(jù)現(xiàn)場總線施工標準，對電纜橋架進行改造，保證總線電纜與動力電纜之間間隔20cm，沒有條件的增加金屬隔板。

5.3 總線終端錯誤使用

在每個網(wǎng)段的兩端必須加有總線終端電阻。DP9針頭（on 和off 開關(guān)可以增加終端電阻）如果終端丟失，可能會導致數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤。如果某網(wǎng)段總線終端多于兩個，也將導致錯誤。多余的總線終端將增加網(wǎng)絡負荷、降低信號質(zhì)量，導致信噪比下降。多余并入總線的電阻將導致信號電壓的失真。當網(wǎng)段中的站點數(shù)量超過最大站點數(shù)或網(wǎng)段長度接近最長限制長度時，終端電阻的錯誤使用將更易導致數(shù)據(jù)傳輸錯誤的出現(xiàn)。常用終端電阻的供電源于設(shè)備內(nèi)部，在總線工作的時候?qū)K端電阻的供電不會中斷。若總線終端設(shè)備在運行過程中會斷電或由于操作、檢修等原因從總線上移除，需外加獨立有源終端來代替設(shè)備中的無源終端。

5.4 屏蔽線兩點接地

表現(xiàn)為DP/PA 耦合器頻繁報警，復位后恢復，一段時間后仍會報警。原因為現(xiàn)場部分變送器屏蔽線采用兩端接地造成總線信號通信異常，處置措施為依據(jù)現(xiàn)場總線施工工藝規(guī)范，排查現(xiàn)場所有變送器并整改為單端接地，接地端設(shè)置在總線柜內(nèi)。

5.5 冗余控制器主控切換頻繁

主要表現(xiàn)為DCS 自檢畫面中，PB 卡主用備用跳躍不定，或切主后無法保持。可能原因為INI 文件下載錯誤、設(shè)備地址重復設(shè)定、網(wǎng)段中有部分設(shè)備未安裝調(diào)試或接線錯誤。解決方法是重新下載INI 文件觀察是否恢復。若未恢復檢查DCS 畫面有無地址閃爍，若閃爍，檢查對應設(shè)備地址，看是否有重復設(shè)定。檢查接線，或解除暫時未進行調(diào)試的設(shè)備。

5.6 設(shè)備地址設(shè)置重復

主要表現(xiàn)為DCS 自檢畫面中某些設(shè)備畫面顯示閃爍。如某總線設(shè)備地址紅綠閃爍顯示不定，通信時斷時續(xù)，就地Trace 監(jiān)聽，報文報錯且經(jīng)查線后確認無接線故障。對地址閃爍的定位器，斷掉供電，監(jiān)聽時發(fā)現(xiàn)地址仍然存在，確定為地址重復設(shè)定。查找出重復地址進行重新設(shè)定后恢復正常。解決方法為利用Trace 檢查，查出重復設(shè)定的地址，重新修改恢復。

5.7 網(wǎng)段中部分設(shè)備無法通信

主要表現(xiàn)為指令無法正常下達，反饋無法正常顯示，DCS 自檢畫面對應設(shè)備顯示紅色，設(shè)備通信狀態(tài)全斷，波形紊亂。解決方法為檢查接線是否出現(xiàn)錯誤，若接線錯誤，重新接線。檢查地址設(shè)定是否正確，正確設(shè)定地址。檢查GSD 配置，正確配置GSD 文件。檢查設(shè)備本身的通訊設(shè)定形式，將其設(shè)定為總線通信方式。

6 結(jié)論及建議

現(xiàn)場總線技術(shù)徹底解決了底層設(shè)備的數(shù)字化問題，并通過高速、雙向、數(shù)據(jù)通道將底層設(shè)備信息輸送到控制應用層，為數(shù)字化電廠奠定了堅實的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)火電廠信號傳輸相比現(xiàn)場總線技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

一是提高了系統(tǒng)的準確性與可靠性。與模擬信號相比，現(xiàn)場總線設(shè)備的智能化、數(shù)字化從根本上提高了測量與控制的準確度，提高了抗干擾能力，減少了傳送誤差[1]。

二是優(yōu)異的擴展性便于現(xiàn)場系統(tǒng)改造，簡化施工、安裝和調(diào)試工作?，F(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線簡單，一條通信電纜的上面可以進行掛接多個通信設(shè)備，所以當需要添加控制設(shè)備的時候，就沒有必要增加新的電纜，可連接在原有的網(wǎng)段上，這樣可以節(jié)省成本和工作量。

三是通信信息靈活豐富，提供多種診斷方法?，F(xiàn)場總線設(shè)備具有自診斷與簡單故障處理的能力，并通過數(shù)字通信將相關(guān)的診斷維護信息送往DCS，用戶可以及時、準確獲得故障信息并快速排除故障，從而大大提高維護水平（如總線執(zhí)行器能統(tǒng)計力矩關(guān)斷次數(shù)、行程關(guān)斷次數(shù)、運行時間、通電時間、啟停次數(shù)、過載時間等，并將這些信號上傳至DCS）。

四是能夠把控制和優(yōu)化、運行和管理信息完美結(jié)合，為真正的數(shù)字化電廠奠定基礎(chǔ)?，F(xiàn)場總線通信能使設(shè)備管理軟件從集控室直接與遍及全廠的設(shè)備進行對話，為整個工廠在生命周期內(nèi)節(jié)約運行成本[2]。

注重總線設(shè)備安裝工藝質(zhì)量。多數(shù)問題出現(xiàn)在通訊電纜接線和安裝不規(guī)范上，設(shè)備接線與調(diào)試盡量同步進行。網(wǎng)段內(nèi)設(shè)備接線完畢后便可以進行調(diào)試，分網(wǎng)段分批次進行調(diào)試檢查。以確保實際接線與總線圖紙完全對應，在增加或減少設(shè)備等異動時，必須同步修改最新圖紙，規(guī)范異動管理。

發(fā)電廠主要控制機構(gòu)和主要聯(lián)鎖保護用熱控儀表不建議使用總線類型，風險較大，一般聯(lián)鎖保護用設(shè)備按照分散布置原則設(shè)置在不同網(wǎng)段，不同控制器中以降低風險。除參與重要聯(lián)鎖保護及主要調(diào)節(jié)回路的儀表和控制設(shè)備、鍋爐爐膛安全監(jiān)控系統(tǒng)（FSSS）、汽機數(shù)字電液控制系統(tǒng)（DEH）、緊急跳閘保護系統(tǒng)（ETS）、汽輪機監(jiān)測儀表（TSI）、給水泵汽輪機MEH/METS、旁路控制系統(tǒng)（BPC）、機組事故順序記錄（SOE）、汽輪機排汽逆止閥/各級抽汽逆止閥/抽汽逆止閥前疏水閥等的電磁閥/氣動執(zhí)行機構(gòu)的控制，與DCS 順序控制有關(guān)的電動機的開關(guān)位置狀態(tài)接點及啟/停指令及允操指令信號建議仍采用傳統(tǒng)的DCS 和I/O 設(shè)備，其余均可采用現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)備[3]。

加強設(shè)備維護人員技術(shù)培訓，特別是Profitrace總線分析工具的使用，可以利用分析工具中的電壓條形圖、波形圖、報文等工具進行故障診斷，快速發(fā)現(xiàn)和排除設(shè)備故障點。

在日常維護過程中需要定期評估總線各網(wǎng)段通信質(zhì)量，保存好截圖，為發(fā)電廠總線控制系統(tǒng)提供檢修依據(jù)，同時在檢修期必須開展總線控制柜冗余雙電源切換試驗、主副控制器切換試驗，檢修過程中還需重點做好通信質(zhì)量差和存在單路離線設(shè)備的網(wǎng)段檢查和消缺工作，確保整個現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。