現(xiàn)場總線在超超臨界機組中的應(yīng)用與調(diào)試

彭雙劍，尋新，鄭重，傅強，尹佳峰，陳星

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；(2.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南長沙410004；(3.湖南華電常德發(fā)電有限公司，湖南常德415001)

現(xiàn)場總線在超超臨界機組中的應(yīng)用與調(diào)試

Application and debugging of field bus in ultra supercritical unit

彭雙劍1，尋新1，鄭重2，傅強1，尹佳峰3，陳星1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；(2.湖南省湘電試驗研究院有限公司，湖南長沙410004；(3.湖南華電常德發(fā)電有限公司，湖南常德415001)

依托湖南某電廠2×660 MW超超臨界機組調(diào)試項目，介紹了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，闡述了現(xiàn)場總線調(diào)試方法，將現(xiàn)場總線調(diào)試分為組織協(xié)調(diào)、現(xiàn)場設(shè)備檢查、組態(tài)檢查、通信調(diào)試與診斷、動態(tài)調(diào)試共5個步驟。最后分析了在調(diào)試過程中遇到的典型問題及解決思路。

現(xiàn)場總線；調(diào)試；Profibus；FF；分散控制系統(tǒng)

現(xiàn)場總線技術(shù)是推動火力發(fā)電廠數(shù)字化發(fā)展的重要技術(shù)途徑，在火力發(fā)電廠應(yīng)用的實質(zhì)是現(xiàn)場設(shè)備的智能化，用通信方式代替原來 “點對點”信號傳遞方式。現(xiàn)場總線技術(shù)具有減少電纜用量、節(jié)省安裝費用、提高設(shè)備維護效率等優(yōu)勢，經(jīng)過十幾年的試點與改進，目前新建或改造的火力發(fā)電機組大多應(yīng)用了現(xiàn)場總線技術(shù)，且在單臺機組中的應(yīng)用比例也在不斷擴大〔1－3〕。

現(xiàn)場總線產(chǎn)品包括現(xiàn)場總線控制系統(tǒng) (FieldBus Control System，F(xiàn)CS)和現(xiàn)場總線設(shè)備。當(dāng)前在火電行業(yè)應(yīng)用較多的FCS主要有西門子SPPA－T3000系統(tǒng)、艾默生Ovation系統(tǒng)、FOXBORO公司I/A系統(tǒng)、ABB公司800XA系統(tǒng)，均支持符合過程現(xiàn)場總線 (Process Filed Bus，Profibus)標(biāo)準(zhǔn)或基金會現(xiàn)場總線 (Foudation FieldBus，F(xiàn)F)標(biāo)準(zhǔn)的總線設(shè)備接入。

某電廠2×660 MW超超臨界機組于2015年投產(chǎn)，是湖南省首個大規(guī)模采用現(xiàn)場總線技術(shù)的火力發(fā)電廠，除影響機組安全的重要系統(tǒng) (如 MFT，DEH，MEH，SOE)、測點 (如給水流量、爐膛壓力)、執(zhí)行機構(gòu) (如鍋爐給水電動門、給水泵出口電動門、過熱器或再熱器減溫水調(diào)節(jié)閥、高壓旁路或低壓旁路減溫、減壓調(diào)節(jié)閥)外，全廠90%以上的儀表和執(zhí)行機構(gòu)均采用現(xiàn)場總線。

1 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 FCS結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 FCS結(jié)構(gòu)

湖南某電廠 FCS采用愛默生公司的 Ovation V3.5系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，F(xiàn)CS中控制柜內(nèi)硬件結(jié)構(gòu)跟常規(guī)分散控制系統(tǒng) (Distributed Control System，DCS)基本相同，主要由控制器、常規(guī)I/O模件、總線模件、工業(yè)以太網(wǎng)、服務(wù)器、工程師站和操作員站等組成。壓力、差壓、液位、流量等信號和氣動調(diào)節(jié)閥門相關(guān)信號均通過FFH1網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂乒駜?nèi)的FF模件；電動執(zhí)行機構(gòu)相關(guān)信號采用Profibus－DP網(wǎng)絡(luò)進行信息交互。由于溫度變送器成本較高，溫度信號仍采用常規(guī)I/O模件 (如熱電阻RTD、熱電偶TC模件等)進行數(shù)據(jù)采集。

1.2 Profibus－DP總線網(wǎng)絡(luò)

Profibus標(biāo)準(zhǔn)由 Profibus－DP，Profibus－PA和Profibus－FMS共3個兼容部分組成，其中Profibus－DP是一種高速通信協(xié)議，主要實現(xiàn)開關(guān)量信息交換；Profibus－PA是一種低速通信協(xié)議，適用于模擬量信息交換，具有本征安全特征；Profibus－FMS面向車間級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，用于完成控制器和智能現(xiàn)場設(shè)備之間的通信以及控制器之間的信息交換。

該廠大部分電動執(zhí)行機構(gòu)采用Profibus－DP總線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)通信，完成遠(yuǎn)程操作。如圖 1所示，Profibus－DP總線網(wǎng)絡(luò)主要由Profibus－DP模件、光電轉(zhuǎn)換器、DP插頭、總線設(shè)備、有源終端電阻和DP總線電纜組成，總線設(shè)備之間串行連接，通過Profibus－DP模件與Ovation控制器連接完成通信。有源終端電阻是Profibus－DP總線網(wǎng)絡(luò)中的重要設(shè)備，布置在Profibus－DP總線網(wǎng)絡(luò)的尾端。為了確保Profibus－DP總線網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性，有源終端電阻和 DP插頭上終端電阻的開關(guān)均要撥到“ON”，以消除通信電纜中的信號反射。為了提高網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，Profibus－DP總線網(wǎng)絡(luò)和Profibus－DP模件冗余配置，并應(yīng)選用支持總線通信冗余的總線電動執(zhí)行機構(gòu)。

Profibus－DP總線網(wǎng)絡(luò)通信特性參數(shù)如表1所列，傳輸速率越大，信號傳輸距離越短，抗干擾能力越弱。廠家推薦傳輸速率設(shè)置為500 kb/s(對應(yīng)最大傳輸距離400 m)，但根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試實際情況，Profibus－DP總線傳輸速率設(shè)置為187.5 kb/s時，通信穩(wěn)定性較好。

表1 Profibus和FF總線網(wǎng)絡(luò)通信特性參數(shù)

1.3 FF－H1總線網(wǎng)絡(luò)

FF標(biāo)準(zhǔn)分低速H1和高速H2兩種通信標(biāo)準(zhǔn)。FF－H2采用高速以太網(wǎng)；FF－H1屬于低速通信網(wǎng)絡(luò)，適合變化速率不是很快的模擬量信號傳輸。

電廠采用FF－H1總線網(wǎng)絡(luò)接入儀表和氣動執(zhí)行機構(gòu)。如圖1所示，F(xiàn)F－H1總線網(wǎng)絡(luò)成樹形結(jié)構(gòu)，主要由FF總線模件、電源調(diào)節(jié)器、FF接線盒、總線儀表和執(zhí)行機構(gòu)以及終端電阻組成。FF模件是FF－H1總線網(wǎng)絡(luò)和Ovation控制器之間實現(xiàn)通信連接的橋梁，一塊模件可接入2段FF－H1總線網(wǎng)絡(luò)。FF模件不支持冗余配置，所以冗余配置的測點應(yīng)劃分到不同F(xiàn)F－H1總線網(wǎng)段。電源調(diào)節(jié)器輸出27 V左右直流電壓，給總線儀表或執(zhí)行機構(gòu)控制器供電。FF接線盒布置在總線儀表或執(zhí)行機構(gòu)附近，一個FF接線盒可接入8臺總線設(shè)備。

FF－H1總線網(wǎng)絡(luò)通信特性參數(shù)如表1所示，其傳輸速率為31.25 k/s，傳輸距離可達(dá)1 900 m，所以FF－H1總線一般不需要通過光電轉(zhuǎn)換器延長通信距離。一條FF－H1總線網(wǎng)絡(luò)推薦接入的總線設(shè)備不超過8臺，實際應(yīng)用中只有少數(shù)FF－H1總線網(wǎng)絡(luò)進行了擴展，接入了超過8臺總線設(shè)備。

2 現(xiàn)場總線調(diào)試方法

現(xiàn)場總線調(diào)試是一個系統(tǒng)工程，跟所有參建單位 (包括設(shè)計單位、建設(shè)單位、安裝單位、調(diào)試單位、FCS硬件廠家、FCS組態(tài)廠家、總線咨詢單位等)有關(guān)。現(xiàn)場總線設(shè)計對調(diào)試的影響很大，好的設(shè)計可以減少現(xiàn)場總線安裝和調(diào)試過程中的重復(fù)性工作。文中將現(xiàn)場總線調(diào)試方法分為組織協(xié)調(diào)、現(xiàn)場設(shè)備檢查、組態(tài)檢查、通信調(diào)試與診斷、動態(tài)調(diào)試共5個步驟。

2.1 組織協(xié)調(diào)

現(xiàn)場總線調(diào)試分工沒有明文規(guī)定，但是通過現(xiàn)場總線在國內(nèi)眾多火電廠的應(yīng)用與調(diào)試，已經(jīng)約定俗成。文獻 〔2〕強調(diào)了現(xiàn)場總線安裝調(diào)試應(yīng)科學(xué)組織合理分工，并對各參建單位進行了具體分工，在此不再贅述。但為了更好地協(xié)調(diào)多方參建單位，建議成立現(xiàn)場總線調(diào)試小組，由安裝單位、調(diào)試單位、FCS硬件廠家、FCS組態(tài)廠家、業(yè)主工程部等單位技術(shù)人員組成，小組核心成員應(yīng)固定且專門負(fù)責(zé)現(xiàn)場總線調(diào)試，便于各參建單位的溝通協(xié)調(diào)，縮短現(xiàn)場總線調(diào)試工期。值得一提的是，在現(xiàn)場總線安裝、調(diào)試前，業(yè)主工程部應(yīng)要求設(shè)計單位、FCS硬件廠家和總線咨詢單位協(xié)助建立全廠現(xiàn)場總線臺帳，臺帳內(nèi)容應(yīng)包含總線網(wǎng)段劃分、總線設(shè)備兼容性測試報告、總線設(shè)備通用站描述 (General Station Description，GSD) 和設(shè)備描述 (Device Description，DD)文件等內(nèi)容。全廠現(xiàn)場總線臺帳是現(xiàn)場總線設(shè)備到貨驗收、安裝、組態(tài)和調(diào)試的重要依據(jù)，應(yīng)在安裝、調(diào)試過程中不斷完善。

2.2 現(xiàn)場設(shè)備檢查

現(xiàn)場設(shè)備檢查的主要內(nèi)容包括Profibus－DP和FF－H1現(xiàn)場總線的通信電纜屏蔽與接地是否符合規(guī)范、Profibus－DP總線終端電阻是否設(shè)置正確、Profibus－DP和FF模件是否工作正常等。總線模件是否工作正常，可以通過模件指示燈來判斷。由于總線模件的配置花費時間較長，尤其是FF模件配置后還需熱插拔、斷電重啟才能正常工作，應(yīng)要求FCS硬件廠家在FCS受電后進行這項工作。

2.3 組態(tài)檢查

2.3.1 Profibus－DP總線組態(tài)檢查

Profibus－DP總線組態(tài)檢查的主要內(nèi)容包括Profibus－DP總線閥門通訊地址設(shè)置、打包點組態(tài)等。Profibus－DP總線閥門的反饋和指令打包點或解包點應(yīng)根據(jù)閥門廠商提供的總線通信數(shù)據(jù)位說明進行正確組態(tài)，并由業(yè)主工程部確認(rèn)需要哪些閥門故障報警類型，以便在閥門運維過程中辨識故障類型。Profibus－DP總線組態(tài)大致分為導(dǎo)入 GSD文件、Profibus－DP模件配置、Profibus－DP總線閥門(或從設(shè)備)配置和總線數(shù)據(jù)位邏輯組態(tài)4個步驟。Profibus－DP模件和Profibus－DP總線閥門的詳細(xì)配置步驟可參考 Ovation系統(tǒng)組態(tài)配置說明書〔4〕。Profibus－DP總線閥門配置即在Ovation系統(tǒng)綜合組態(tài)程序 (Ovation Developer Studio，以下簡稱Studio)中配置與實際總線閥門對應(yīng)的總線虛擬設(shè)備，總線數(shù)據(jù)位邏輯組態(tài)通過與虛擬設(shè)備關(guān)聯(lián)的打包點獲取總線閥門的狀態(tài)信息 (包括開/關(guān)、遠(yuǎn)方/就地、故障反饋和開/關(guān)指令)，參與邏輯控制，實現(xiàn)閥門遠(yuǎn)方操作和順序控制。重點檢查Studio中總線閥門設(shè)置的通信地址是否與對應(yīng)的就地閥門一致，以及打包點數(shù)據(jù)位的物理含義是否與組態(tài)邏輯相符。

2.3.2 FF－H1總線組態(tài)檢查

由安裝單位提供就地FF總線儀表或氣動執(zhí)行機構(gòu)的生產(chǎn)商、版本型號以及設(shè)備編碼，以便在組態(tài)時正確設(shè)置。FF總線組態(tài)大致分為導(dǎo)入DD文件、FF模件配置、FF總線儀表或閥門定位器配置和總線功能塊 (如FFAI，F(xiàn)FAO)邏輯組態(tài)4個步驟。FF模件和FF總線儀表配置可參考Ovation系統(tǒng)組態(tài)配置說明書〔5〕。總線功能塊邏輯組態(tài)是利用Ovation系統(tǒng)控制建立程序 (Control Builder)創(chuàng)建含有FFAI或FFAO功能塊的控制頁，實現(xiàn)總線儀表數(shù)據(jù)的調(diào)用。重點檢查Studio中虛擬FF總線儀表的參數(shù)設(shè)置是否與實際儀表一致，以及Studio中FF總線儀表變量名的物理意義是否與控制頁中FFAI或FFAO功能塊的設(shè)置和相關(guān)控制算法相符。

2.4 通信調(diào)試與診斷

2.4.1 Profibus－DP總線通信調(diào)試與診斷

確認(rèn)整條Profibus－DP總線網(wǎng)段上所有設(shè)備的型號以及地址已安裝、設(shè)置正確，已用現(xiàn)場總線通信診斷工具profitrace掃到該網(wǎng)段上所有總線設(shè)備；確認(rèn)組態(tài)廠家已在Studio和Control Builder中對該條網(wǎng)段上所有總線設(shè)備正確組態(tài)。通知安裝單位將DP插頭接入Profibus－DP總線模件，利用Studio軟件功能進行總線通信調(diào)試與診斷。通信診斷具體操作步驟如下:

1)打開Studio，選擇設(shè)備所在的控制器和網(wǎng)段，對其進行 “engineer”操作。

2)對主站進行配置 (Configuration)，檢查其IP地址 (TCP/IP Address)是否與控制器一致。若不一致，則修改為一致。

3)在設(shè)備分配區(qū) (Device Assignment)選擇設(shè)備對應(yīng)的網(wǎng)段，完成后點擊應(yīng)用 (Apply)。

4)對主站連接診斷 (Connect Diagnosis)，選擇站診斷 (Station Diagnosis)，觀察此網(wǎng)段所有設(shè)備的顯示狀態(tài)。若被診斷的設(shè)備顯示 “正常”或者 “診斷”，顯示綠燈或黃燈，則表示對應(yīng)設(shè)備已通訊上；若診斷的設(shè)備顯示 “錯誤”或者 “未找到”，顯示紅燈或不亮，則表示對應(yīng)設(shè)備未通訊上，需查找原因。

在通信調(diào)試過程中，若設(shè)備未通訊上，可使用現(xiàn)場總線通信診斷工具 (如profitrace)進行通信信號波形分析、通信報文抓取和分析等，分析和定位故障原因和位置等，可及時排除通信故障。

2.4.2 FF－H1總線通信調(diào)試與診斷

FF總線設(shè)備是由FCS控制柜中電源調(diào)節(jié)器進行供電。FF總線設(shè)備帶電，并已完成組態(tài)后，便可以在Studio上對FF總線設(shè)備直接進行通信調(diào)試。將FF總線接線盒的8個分支拆下只留下1個分支，在Studio上進行 “commission”操作，通信上1個FF總線設(shè)備，新接上1個分支，依次進行。用于診斷FF總線設(shè)備通信是否正常的方法主要有2個:

1)對于FF總線變送器，只需在FCS畫面上觀察相應(yīng)測點是否為好點，即可判斷通信是否已正常。除此之外，還可以通過觀察組態(tài)畫面中FFAI功能塊是否顯示 “0×0000”，實際模式是否已經(jīng)打到 “自動” 來診斷。

2)對于FF總線氣動調(diào)節(jié)閥門 (如ABB氣動閥門)，除了對閥門反饋是否為壞點進行判斷之外，還可以在FCS監(jiān)控畫面上操作閥門，觀察就地閥門的動作情況和反饋變化，檢查相關(guān)組態(tài)頁中FFAO功能塊是否顯示 “0×0000”，檢查實際模式是否已經(jīng)打到 “串級 (cascade)”狀態(tài)。

2.5 動態(tài)調(diào)試

現(xiàn)場總線動態(tài)調(diào)試是指在機組點火吹管和整套啟動調(diào)試階段，對現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)進行動態(tài)調(diào)試，主要考察現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性以及現(xiàn)場總線設(shè)備的動態(tài)性能，如現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力、現(xiàn)場總線電動調(diào)閥的調(diào)節(jié)性能等。

3 調(diào)試發(fā)現(xiàn)的問題和對策

1)現(xiàn)場總線臺帳建設(shè)嚴(yán)重滯后對調(diào)試工作帶來很大的負(fù)面影響。由于沒有現(xiàn)場總線臺帳，總線設(shè)備到廠驗收時不清楚哪些是總線設(shè)備，容易出現(xiàn)儀表或執(zhí)行機構(gòu)到貨與設(shè)計不符的現(xiàn)象，比如設(shè)計是總線設(shè)備而到貨是常規(guī)設(shè)備。總線設(shè)備大多是進口設(shè)備，供貨周期較長；若出現(xiàn)到貨與設(shè)計不符，則因工期原因只能用常規(guī)設(shè)備代替，那么已敷設(shè)的總線電纜及其線槽就造成較大浪費；此外，沒有現(xiàn)場總線臺帳就無法及時進行總線組態(tài)，從而導(dǎo)致工期滯后。建議現(xiàn)場總線臺帳的建設(shè)應(yīng)在工程設(shè)計階段就納入規(guī)劃，并在安裝調(diào)試階段不斷完善，并設(shè)專人負(fù)責(zé)對其管理。

2)部分總線設(shè)備與FCS系統(tǒng)存在兼容性問題。比如鍋爐近200臺二次風(fēng)門為ABB氣動閥門，其定位器采用FF總線接入到FCS中。在總線調(diào)試過程中，為了節(jié)省總線組態(tài)時間提前為所有ABB氣動閥門定位器做好組態(tài)，但調(diào)試時出現(xiàn)通訊不成功。通過反復(fù)驗證發(fā)現(xiàn)，由于Ovation系統(tǒng)與ABB氣動閥門定位器之間存在通信兼容性問題，一個網(wǎng)段上的ABB氣動閥門定位器只能組態(tài)一臺、通信上一臺，依次進行。

3)終端電阻設(shè)置不當(dāng)。調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，部分Profibus－DP總線整條網(wǎng)段通信不穩(wěn)定，有些設(shè)備能斷續(xù)地通信，而有些設(shè)備完全不能通信。通過排查原因，為終端電阻設(shè)置不當(dāng)，誤將有源終端電阻和DP插頭上的投退開關(guān)同時撥為ON或OFF，使得終端電阻不起作用。正確的設(shè)置是有源終端電阻的開關(guān)撥到ON，DP插頭的開關(guān)撥到OFF。

4)部分總線設(shè)備出廠未經(jīng)測試驗收。某些總線電動門內(nèi)部接線錯誤，A網(wǎng)段或B網(wǎng)段單獨通信時正常，互為冗余通信時A，B網(wǎng)段通信混亂，兩條網(wǎng)段均無法正常通信。通過修改電動門內(nèi)部控制電路板連線，可解決此類問題。

5)Profibus－DP總線組態(tài)錯誤。Profibus－DP總線設(shè)備顯示通信正常，且此設(shè)備在就地模式下能正常開關(guān)，但遠(yuǎn)方操作時設(shè)備不動作，或能動作但反饋不正確。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)，總線組態(tài)時，設(shè)備指令或反饋對應(yīng)的打包點數(shù)據(jù)位弄錯，導(dǎo)致指令無法發(fā)出或反饋無法接收。按照總線設(shè)備通信數(shù)據(jù)位說明，檢查、修改相應(yīng)組態(tài)可解決此類問題。

6)對控制器多次下裝后影響現(xiàn)場總線通信穩(wěn)定。在調(diào)試初期，由于邏輯組態(tài)要根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備情況進行不斷修改優(yōu)化，對控制器頻繁下裝，造成該控制器中調(diào)試正常的現(xiàn)場總線執(zhí)行機構(gòu)不能操作。這種情況一般可以通過清空控制器中存儲的組態(tài)、重啟該控制器、重新下裝組態(tài)3個步驟來解決。

4 結(jié)論

文中總結(jié)了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點，提出了現(xiàn)場總線調(diào)試方法，闡述了現(xiàn)場總線調(diào)試步驟和重要事項，分析了調(diào)試過程中的典型問題并提出了解決辦法，對現(xiàn)場總線調(diào)試工程具有重要參考價值。湖南某新建2×660 MW超超臨界火電機組大規(guī)模應(yīng)用了現(xiàn)場總線，經(jīng)過精心調(diào)試，投產(chǎn)一年多還沒有因為現(xiàn)場總線問題導(dǎo)致過機組異常，充分證明了現(xiàn)場總線技術(shù)在火電廠大規(guī)模應(yīng)用的可行性。

一般FCS廠家還配套開發(fā)了智能設(shè)備管理系統(tǒng)，可以采集現(xiàn)場總線設(shè)備的更多有用信息，但目前軟件使用費用較高。隨著現(xiàn)場總線軟硬件系統(tǒng)的日益成熟，其應(yīng)用范圍會更廣，成本也會逐漸下降，從而成為建設(shè)智能化電站的必備組件。

〔1〕張站強.現(xiàn)場總線技術(shù)在660 MW超臨界機組上的應(yīng)用分析〔J〕.華電技術(shù)，2014，36(6):45-47.

〔2〕王剛，侯曉強，梁正玉.全廠現(xiàn)場總線技術(shù)在華能荊門2×350 MW新建機組上的應(yīng)用 〔J〕.河南電力，2015(4):52-56.

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TK323

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1008－0198(2016)06－0060－04

10.3969/j.issn.1008－0198.2016.06.017

2016－09－28 改回日期:2016－10－10