FF與Profibus現場總線在火電廠應用中的故障診斷及處理

張浩龍，劉 威，孔德偉，楊明望，崔 燦

(華能澠池熱電有限責任公司，河南 三門峽 472400)

0 引言

隨著工業自動化的發展，傳統火電行業也發生著重大變革。數字電廠、智能電廠等新概念不斷提出。數字電廠必然成為現代電廠的發展趨勢[1]。現場總線技術就是順應信息技術的發展趨勢和工業控制系統的分散化、網絡化、智能化要求而發展起來的?，F場總線是一個數字化、串行、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡系統，具有能夠獲取更多現場設備數據、節省硬件數量和投資、提高系統的準確性和可靠性、后期運行維護便捷等優點[2-3]?，F場總線技術在國內電廠中得到了廣泛的應用，提升了機組自動化水平，提高了運行、維護效率，減輕了維護量[4-10]，為實現真正意義上的數學化電廠奠定堅實基礎。

但現場總線在實際應用中還存在諸多問題[11]。如：設計不嚴謹和施工不規范造成調試及運行期間故障頻發、設備選型不合適造成通信異常、組態錯誤和設備參數設置錯誤造成設備損壞等[12-14]。由于現場總線設備在設計、安裝調試和運行方式上與傳統集散控制系統(distributed control system，DCS)設備有著巨大差異，現場總線故障更具有不確定性、復雜性、相關性等特點。本文根據某火電廠現場總線的應用情況，介紹基于OvatI/On控制系統的基金會現場總線(foundatI/On field-bus，FF)和Profibus-DP現場總線系統的故障診斷和處理方法，為現場總線維護人員提供參考。

1 FF H1和Profibus-DP的基本架構

當前，國內外現場總線標準種類繁多，多達20余種[2-3]。在火電行業，應用比較成熟和廣泛的現場總線主要是Profibus和FF H1。其中，Profibus分為分布式周邊現場總線(decentralized periphery，DP)和過程自動化現場總線(process automatI/On，PA)兩個規約。不同的DCS采用不同的總線技術，主要有兩種架構：DP+FF H1和DP+PA。

某電廠采用基于OvatI/On系統的DP+FF的現場總線架構。其中，DP采用單主站、設備冗余的網絡拓撲結構，FF H1采用樹型網絡拓撲結構?？偩€拓撲如圖1所示。

圖1 總線拓撲圖

2 現場總線故障診斷方法

現場總線常見的故障有硬件故障、總線網段通信故障、總線網段某一點通信故障、總線網段多個信號不穩定等。

由于現場總線技術通信模式的特殊性，在排查故障中無法應用常規的設備檢測方法和手動進行故障的診斷，采用萬用表和數據校驗儀很難分析出故障的原因，必須使用適合總線技術的方法。如：總線電纜敷設檢查和導通性測試、接地規范性檢查、DCS組態檢查、總線設備參數設置檢查等手段進行分析檢查，還可以借助專用儀器FBT-6、ProfiTrace測試系統等進析解決問題。

本文主要對投產調試驗收合格后現場總線系統在運行過程出現的故障進行研究。通過分析某電廠實際運行中出現的問題，總結出現場總線系統常見故障診斷的方法。

2.1 FF設備故障診斷方法

2.1.1 檢查設備的通信、組態及卡件狀態

COMMISSI/ONED表明通信正常，OFFLINE表明設備處于臨時工作狀態，SPARE表明設備從網段中移走，STANDBY表明連接正常需進行組態激活，MIAMATCH表明被其他網段激活，Device Class Mismatch表明設備組態與現場設備版本不一致。若組態有問題需從新組態。同時，檢查FF卡件狀態是否正常。S4(紅色)(LE8)：與控制器通信時快閃。S3(紅色)(LE9)：與現場設備通信時快閃。S2(紅色)(LE10)、S1(紅色)(LE11)、S0(紅色)(LE12)正常時長亮。FDX(黃色)(LE7)長亮為全雙工通信。ACT(綠色)(LE7)長亮為以太網工作[15]。

2.1.2 利用AMS診斷軟件進行設備狀態檢查

根據AMS軟件，可以查看設備的運行狀態，也可以查看診斷信息和報警信息，并進行相應的故障處理。

2.1.3 檢查現場儀表顯示情況

檢查現場測量變化是否與實際相符，以及動作是否正常。若異常，判斷是儀表原因還是通信問題；排除設備硬件問題，再進行進一步檢查處理。

2.1.4 利用萬用表進行簡單的線路檢查

確認電纜的屏蔽線已正確、有效接入。表1為FF電纜電氣參數標準[16]，可用于檢查儀表絕緣、電容、電阻測試。FF總線電纜為屏蔽雙絞線，應在DCS進行單點接地。現場出現兩點接地或信號線之間接地情況都能通過此方法進行判斷。信號線接地可能導致儀表掉線，間歇性接地或屏蔽層接地可能導致儀表頻繁掉線。阻抗不滿足要求也可能導致儀表掉線。電纜破皮接地、接線端子腐蝕松動或虛接，都是造成接地異常的原因。

表1 FF電纜電氣參數標準

2.1.5 利用FBT-6進行網段監測。

網段監測數據要滿足如表2所示的FF網段監測標準[16]。根據檢測結果，查找網段異常的原因。供電電壓異常可能是電纜接地和安全柵存在問題，噪聲異常可能是動力設備和電力電纜干擾、屏蔽及信號接地處理不好的原因。

表2 FF網段監測標準

2.2 DP設備故障診斷方法

2.2.1 利用OvatI/On組態軟件檢查狀態

若從站為Running(綠色)，表示設備配置及通信正常。若從站為Error(紅色)，可能是參數錯誤或配置錯誤。參數錯誤阻礙數據交換，可能是GSD文件錯誤、波特率配置錯誤。配置錯誤可能影響通信，主要原因為I/O配置和設備的I/O模塊不匹配。若從站為Diagnosis(黃色)，則表示設備報告了診斷信息，但一般不阻礙通信。出現診斷信息的原因很多，可能是智能設備的自診斷信息，可以根據信息具體的評估診斷內容的危害性。若從站為Not found(藍色)，則表示通信異常，設備掉線，需進行進一步檢查。同時，檢查DP卡件狀態是否正常。RDY：黃燈亮表示設備準備完成；5 Hz閃表示firmware download；1 Hz閃表示設備在Bootloader工作方式；非周期閃表示硬件或運行出錯；不亮表示未上電或硬件問題。RUN：綠燈亮表示至少與1臺設備通信；5 Hz閃表示若ERR等OFF為設備通信停止，若ERR亮則未找到Slave設備；非周期閃表示在上電時是組態丟失，運行時是watchdog超時；不亮表示無通信。ERR：紅燈亮表示設備通信問題或短路；不亮表示正常。STS：黃燈亮表示保持設備對話；非周期閃表示正在與主設備分享數據；不亮表示設備未組態或未收到對話[17]。

2.2.2 檢查現場設備狀態

就地設備異常會導致通信異常。如電動門是否送電，設備停電可能造成此設備鏈路后的設備無法正常通信。設備的地址設置與組態不一致或地址設置重復、就地設備DP頭終端電阻損壞或設備總線接口板、終端電阻設置不正確、接線錯誤、接線屏蔽接觸不良等都可能造成通信故障。

2.2.3 利用萬用表進行簡單的線路檢查

DP電纜電氣參數標準如表3所示。確認DP連接頭按照廠家說明書進行接線，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電纜電氣參數標準[17]檢查電纜是否正常。測量兩根信號線的電阻，如果測量結果與表3標準符合，證明網段沒有斷、如果測量阻值偏大或無窮大，則說明某段斷開；如果測量阻值為0，則說明出現短接。再根據測量結果進行查找故障點。

表3 DP電纜電氣參數標準

2.2.4 利用ProfiTrace進行網段檢查

ProfiTrace可以監測總線運行中的報文、識別設備的通信狀態、波形、電壓，還可以診斷分析噪聲、反射、電壓下降、組態錯誤、斷線等問題。下面對其主要功能在故障診斷中的應用情況進行介紹。

①矩陣列表：Live List列出了所有設備清單，可以查看整個網段設備的運行狀態?？梢酝ㄟ^矩陣狀態圖對整個網段的故障設備和大致原因進行定位。綠色表示設備進行數據交換；黃色表示設備丟失；紅色表示設備參數錯誤；紫色表示組態錯誤；無色表示在線但無數據交換。因此，可以通過查看報文并對照設備說明書分析故障原因。

②電壓棒圖：棒圖顯示設備的平均電壓等級，可以通過電壓情況判斷網絡的信號質量。站點電壓棒圖如圖2所示。設備正常工作時,平均電壓應為5 V左右。當電壓變高時，可能是總線電纜上缺失終端器或發生斷線；當電壓低于正常值時，可能是總線電纜上的振幅較低或出現短路。

圖2 站點電壓棒圖

③信號波形圖：根據DP的通信規范，DP信號的波形基本為方波波形。DP設備通信電壓波形如圖3所示。

圖3 DP設備通信電壓波形

現場環境復雜、強弱電交叉、動力設備干擾、接線屏蔽不良等因素會導致波形產生畸變，出現信號失真、網絡出錯等現象。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尖刺。產生的主要原因為阻抗不連續和阻抗不匹配。干擾源主要來自網段內部。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節點長度與波特率不匹配、DP電纜布線不規范、DP接頭故障、接線松動都會形成反射波形。干擾波形主要特征為方波的高電平或低電平上出現波形疊加，信號電平不平滑。產生的主要原因為外界環境產生的干擾波形疊加到信號方波上。干擾源主要來自網段外部。接地不規范、DP電纜與動力電纜之間未隔離、DP電纜屏蔽未接地、強電設備干擾都會形成干擾波形。通過檢查設備的信號波形判斷形成畸變波形的原因，進而判斷故障的原因。

3 故障案例

3.1 熱網某FF網段頻繁壞點

熱網某FF網段設備頻繁壞點，通信數據異常。通過DCS組態工具檢查組態正常，智能設備管理系統(asset monitoring and health analysis solutI/Ons，AMS)無報警和錯誤。初步懷疑某設備干擾導致整個網段異常。就地FF逐個拔出就地設備接線端子，當熱網供水流量從網段隔離出后，通信異常消失，恢復正常。對熱網供水流量進行檢查，用萬用表測量發現，FF電纜存在接地情況。重新敷設電纜后，整個網段恢復正常，未再發生通信卡死情況。

3.2 二號機某FF網段頻繁卡死

二號機某FF網段設備頻繁卡死，數據不變。通過DCS組態工具檢查組態及通信正常，AMS系統無報警和錯誤。采用FBT-6對整個網段進行噪聲監測，發現網段存在干擾。某網段監測報告如表4所示。對整個網段的設備接線、屏蔽和電纜路徑進行排查，最后發現三段抽汽壓力變送器就地接線存在虛接情況。重新處理后，對整個網段再進行監測，各項參數正常，干擾消失；觀察一段時間，整個網段再未出現通信卡死現象。

3.3 熱網某DP網段A網通信異常

通過DCS組態工具檢查發現熱網某DP網段A網存在通信異常，B網正常。采用ProfiTrace監測得到同樣的結果。采用二分法的方法進行故障的定位。首先梳理網段的物理次序為10→11→12→13→14→18→19→17→20→21→15→16→終端。設備14終端電阻設置為ON，前面設備通信恢復正常，定位故障在14以后。設備20終端電阻設置為ON，通信異常。設備18終端電阻電阻設置為ON，通信正常。設備19終端電阻設置為ON，通信異常，判斷設備19本身或進、出線存在故障。采用ProfiTrace監測此設備，仍無法通信，判斷設備本身故障。檢查發現，該設備為電動門潤滑油滲漏造成總線接口板損壞，更換通信板后，設備10至19通信正常。依次進行物理隔離試驗，發現設備17、20、21都存在不同原因的接口板故障情況，更換后整個網段的A、B網通信全部恢復正常。

表4 某網段監測報告

4 結論

本文介紹了FF-H1和DP網絡架構的現場總線的網絡拓撲結構。從現場總線控制系統(field bus control system,FCS)到就地，從硬件到軟件，詳細描述了現場總線的通用診斷方法。結合現場故障案例進行了舉例分析，包括如何準確定位現場總線故障、根據故障現象從根源上找出原因，最終快速徹底解決故障。該研究可為現場總線維護人員提供參考。