PROFIBUS現場總線實施的質量管控措施

沈鐵志 王麗麗

（神華福能發電有限責任公司，福建省石獅市，362712）

20世紀80年代中期，美國Rosemount公司開發了一種可尋址的遠程傳感器 （HART）通信協議，采用在4～20 mA 模擬量疊加了一種頻率信號，用雙絞線實現數字信號傳輸，出現現場總線的雛形；1985 年，Honeywell和Bailey 等大公司發布了FIP 協議；1987 年，Siemens、Rosemount、橫河等幾家著名公司制定了PROFIBUS 協議；1994年，兩大集團宣布合并，融合成現場總線基金會 （Fieldbus Foundation，以下簡稱 “FF”）。

國內自引進現場總線技術，到推廣應用至今，不過十幾年時間，在工藝流程行業的運用起步較晚，與傳統成熟的DCS 控制系統相比，用戶接受度相對較低，五大自動化行業市場中的化工、石油，特別是電力等行業的現場總線運用相對較少。但現場總線自身所具備的優點，如設備與系統信息網絡化、節省安裝費用、節省維護開銷、提高系統可靠性、提高系統集成主動權等，使現場總線技術逐漸得到推廣，火力發電廠現場總線應用越來越多，而如何保證現場總線實施的質量，是火力發電廠熱工自動化專業關注的首要問題。

目前，在國內火力發電廠現場總線應用過程中，如何在基建期現場總線實施過程中采取相關的技術措施來保證現場總線系統應用的可靠性、安全性，尚無一套成熟的、標準化的辦法，本文擬就此方面表述個人的看法及成功經驗，以期對國內后續現場總線實施過程提供參考借鑒。

1 現場總線實施質量管控原則

現場總線實施的質量管控，要從設計、安裝、調試、試驗等方面入手，對現場總線實施進行全方位的管控，既要過程管控，又要驗收測試，做到及早暴露基建施工過程中潛在的問題，及早消除隱患。

2 現場總線實施質量管控措施

2.1 制定現場總線施工工藝質量標準

參照 《火力發電廠現場總線設備安裝技術導則》、各總線設備廠商提供的技術文件和說明書，與現場總線設備提供商共同從總線橋架設計、總線電纜敷設、總線接地、總線接線、終端電阻配置等各方面，編制現場總線施工的工藝質量標準。

在總線設備施工前，組織施工單位、火力發電廠工程人員、火力發電廠生產人員、監理公司等各個參建單位進行培訓，經考試合格頒發總線施工資質證書，要求總線設備安裝、總線電纜敷設、總線接線及調試全過程，相關人員持證上崗，未通過考試人員不得參與施工、監理及驗收工作。

2.2 現場總線施工過程中的質量檢查

總線設備施工過程中，施工監理不定期組織工程人員、生產人員、總線供貨商、施工單位等，從總線橋架設計、總線電纜敷設、總線接地、總線接線、終端電阻配置等各方面，對總線施工工藝是否符合標準要求進行檢查，發現違反工藝標準的立即制止，責令整改。同時，利用現場總線廠商提供的專用診斷工具，對施工完畢的現場總線網段進行通訊檢查。

2.2.1 總線接地檢查

現場總線的敷設、接線、終端電阻設置、地址設置等，嚴格按照施工工藝質量標準要求進行檢查，在此不再贅述。特別指出的是，現場總線的接地檢查，應格外引起重視。因為接地質量的好壞將直接影響現場總線的抗干擾能力。國內火力發電廠現場總線應用中也曾發生過幾例因接地問題導致的不安全事件。

按照PROFIBUS 現場總線接地要求，Profibus-PA 總線采用單點接地原則，Profibus-DP總線采用多點接地原則；對于多點接地的設備接地，為有效避免干擾，因此要求廠房區域的接地網為等電勢接地。

根據現場總線接地要求，編制現場總線接地質量檢查確認表見表1。

表1 現場總線接地質量檢查確認表

按照表1，組織人員對每一個現場總線設備的接地情況進行全面檢查，保證每一個現場總線設備的接地都合格。每一個接地檢查項目可參照表2所示 （不限于此）。

表2 現場總線接地質量檢查項目表

2.2.2 總線診斷檢查

啟動ProfiTrace 后，點擊 “Live List”，可直觀的判斷出系統各個地址設備的 “健康”狀態，如圖1所示。

通過不同的顏色能夠很直觀地看到哪些設備是“故障制造者”。

點擊 “開始報文記錄”，進一步分析網絡通訊的信息，可從屏幕上看到一個整體直觀的演示。如圖2所示。

觀察主站與從站之間的通訊是否正常，一般情況下，周期數據交換正常、無紅色幀 （ErrFrame、WrongSD、ParityError）、無SYNC 幀即為正常。如果沒有周期數據交換、有紅色錯幀 （ErrFrame、WrongSD、ParityError）、有SYNC幀則表明通訊有異常。

啟動ProfiTrace 后，點擊 “ScopeWare”，出現如圖3所示的波形圖，示波器立即以不同的模式運行，顯示測量到的所有信號。

正常 （可接受）信號幾乎可以說是 “真正的”四方型波紋，平均振幅為5V。當振幅較高時，信號近似于這種四方型波紋，但仍屬于可接受信號，且閑置狀態的噪音要保持在最小，閑置狀態必須為1V。

圖1 live list圖表

圖2 報文記錄表

圖3 波形圖

Bit上的波峰處于正常狀態。波峰產生的原因 是由于ProfiCore所連接的短小分支線所致，或許該系統中的電纜長度相對較短。當缺少終端器或出現斷線時，信號就會反應在纜線上，形成大起大落的波峰。當A 線與B 線之間出線短路時，反射波一步一步地將信號的振幅越降越低。

因此，可通過不同的波形圖來具體分析故障類型，找出故障點，檢測信號質量的好壞。

啟動ProfiTrace后，點擊 “Bar graph”，出現如圖4所示的條形圖，顯示總線上所有設備的信號平均等級。平均電壓應為5V 左右。當總線出現問題時，條線圖將顯示不同的電壓等級，條形的顏色將發生變化。因此，可通過分析條形圖顯示的電壓等級來具體分析故障類型，幫助找出故障點，檢測信號質量的好壞。

圖4 條形圖

2.3 現場總線驗收過程中的測試及試驗

2.3.1 現場總線可靠性測試

此項測試主要針對現場總線設計方案的正確性、總線設備的可靠性進行檢驗，包括冗余環節測試、故障影響測試、HAMS系統測試等。

（1）冗余環節測試。

就單個控制站而言，現場總線冗余情況如圖5所示。

圖5 現場總線網絡結構圖

根據圖5所示，冗余環節主要有控制站到就地現場總線柜網絡通訊、現場總線柜內冗余通訊網絡、現場總線柜至就地設備的冗余通訊以及現場總線柜內冗余電源。冗余測試的目的是人為設置各個冗余環節故障，檢查現場總線系統工作情況是否能夠滿足正常運行需要。

例如，人為斷開控制站到就地現場總線柜網絡A，在DCS 操作員站上觀察控制系統參數采集及設備是否存在異常，并進行記錄；人為斷開現場總線柜內冗余電源，在DCS操作員站上觀察控制系統參數采集及設備是否存在異常，并進行記錄等。

此項測試的目的是確保冗余系統能夠正常工作，檢驗設計、施工及調試過程的正確性。

（2）故障影響測試。

現場總線就地設備在原理上屬于并聯，但在物理連接上屬于串聯，因此當某個總線設備出現故障時，不應對此網段上的任何設備通訊產生影響。此項測試的目的是檢測總線網絡中任一設備出現故障時，對總線網絡產生的影響。

例如：任選一臺就地設備 （如電動執行機構），將設備斷電或設置故障，在DCS操作員站上觀察網絡上其他設備是否能夠正常工作，并進行記錄；任選某一網段的終端電阻，將其斷開連接，觀察整個網段的總線設備是否能夠正常工作，并進行記錄等。

（3）HAMS測試。

HAMS現場總線設備管理軟件是以HART、FF、PROFIBUS協議為基礎，集數據采集與數據分析為一體的一款現場總線設備管理系統，其作為DCS網絡上的一個節點，管理著整個DCS系統的現場總線設備。功能上，HAMS能夠完成現場總線設備監測、診斷，對設備進行主動性維護與預防性維護，提高現場總線設備可靠性。

但作為DCS網絡上的一個節點，它的存在或工作是否會給整個DCS系統帶來負面影響是主要關心的問題。

HAMS軟件測試的方法，即在DCS系統正常運行時，打開HAMS軟件，掃描DCS網絡上的現場總線設備，這時DCS的通訊負荷率應相應增加，此舉的目的就是考查此時DCS系統的性能是否受到影響，DCS操作員站畫面上工藝系統參數是否正常，操作是否正常，并進行記錄。

2.3.2 現場總線電磁兼容性 （EMC）測試

現場總線的抗干擾能力，一直是國內長期以來不能夠廣泛推廣現場總線技術的障礙之一，國內也發生過多起因現場總線抗干擾能力差導致的不安全事件。而電磁兼容性 （EMC）測試，能夠全面反映現場總線系統或設備的物理層規范、安裝的質量，因此在基建期施工結束后，機組整套啟動前，對整臺機組進行EMC測試是非常有必要的。

現場的干擾源主要來自2個方面，即自然干擾源和人工干擾源。自然干擾源主要是雷電干擾；人工干擾源主要是電子電氣系統、無線發射機、靜電放電等干擾。其耦合途徑主要是導線傳導的電壓和電流與空間輻射的電磁波。

現場總線抗擾度指標要求主要包括：靜電放電抗擾度、射頻電磁場輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌 （沖擊）抗擾度、射頻場感應傳導騷擾抗擾度、工頻磁場抗擾度、電壓跌落與暫時中斷、振動波和振鈴波抗擾度等。

EMC包括2個方面的內容：自身產生的電磁發射對其他設備或系統的影響；本系統的抗干擾能力能否保證本設備或系統不受其他干擾的影響。

第一步，依據相關標準，進行現場環境的EMC測試，對現場電磁環境進行綜合評估。

第二步，也是EMC 測試的重點，即根據分析結果，利用專用儀器儀表設備，模擬各種自然和人工噪聲源，對現場總線設備抗干擾能力進行全面測試。測試結果可通過專用設備或DCS數據監測方式獲得。

第三步，根據試驗測試結果，對整個現場總線抗干擾能力作出綜合評價，更重要的是分析出現場總線系統中抗干擾能力薄弱的環節，找到異常原因，并進行整改。整改后再次進行測試分析，直至滿意為止。

3 結論

現場總線技術在國內，特別是火力發電廠起步較晚，在應用過程中也出現過因雷擊及現場電磁環境干擾導致的不安全事件，致使現場總線技術的推廣飽受爭議，然而現場總線作為新一代控制系統，有著其不可替代的優點，其在未來取代DCS是必然的趨勢。神華福能發電有限責任公司2×1000 MW 機組項目在現場總線實施過程中，針對基建的不同階段，采取具有針對性的技術措施，真正地從設計、施工、調試到驗收進行全過程的質量管控，發現了大量的包括電纜敷設、接線錯誤、接地不良、設備選型、網段分配等諸多方面的問題，消除了大量隱患，很大程度上保證了現場總線實施的質量，提高了DCS控制系統及現場總線系統的可靠性。到目前為止，該項目現場總線網絡工作穩定，希望該項目應用經驗能夠對后續現場總線實施的質量管控提供一些參考。

［1］ DL／T 5182-2004，《火力發電廠熱工自動化就地設備安裝、管路、電纜設計技術規定》［S］

［2］ DL／T 1212-2013，《火力發電廠現場總線設備安裝技術導則》［S］

［3］ GB／T17626.2 《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》［S］

［4］ GB／T17626.3 《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》［S］

［5］ GB／T17626.4 《電磁兼容 試驗和測量技術 電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗》［S］

［6］ GB／T17626.5 《電磁兼容 試驗和測量技術 浪涌 （沖擊）抗擾度試驗》［S］

［7］ GB／T17626.6 《電磁兼容 試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》［S］

［8］ GB／T17626.7 《電磁兼容 試驗和測量技術 工頻磁場抗擾度試驗》［S］